Audio-versterkers
de verschillende werkingsklassen
TechTalk
Root server » TechTalk » FAQ bruingoed » Versterkers

We bespreken op deze pagina de verschillende versterkerklassen. De instelling en het type schakeling bepaalen de eigenschappen van de versterker.


klasse A


klasse B


klasse C


klasse AB met push pull

De werking van een transistor staat hier uitgelegd.

Een versterker bestaat onder ander uit aktieve componenten (tegenwoordig bijna uitsluitend transistoren). De aktieve componenten zorgen voor de versterking van het ingangssignaal: een radio (tuner) of CD leveren een signaal van 50µW en de luidsprekerboxen hebben een signaal van 50W nodig. We hebben dus een versterking nodig van één miljoen keer. De verschillende componenten worden vaak geïntegreerd in de vorm van een kant-en-klare schakeling (IC).

Een transistor (of een versterkerschakeling die uit transistoren opgebouwd is) werkt volgens een bepaalde klasse.

klasse A

De klasse-A is de meest voorkomende klasse. De transistor versterkt het signaal op een lineaire manier: het uitgangssignaal is proportioneel aan het ingangssignaal.

Het verbruik is constant ongeacht het vermogen dat geleverd wordt (de transistor werkt in het midden van zijn werkingsgebied). Deze modus heeft een slecht rendement, om het maximum vermogen te leveren moet de helft van het vermogen gedissipeerd worden in de transistor, en de andere helft in de belasting. De belasting bestaat op zijn beurt uit een belastingsweerstand en een gebruiker. In het beste geval (volledige uitsturing) bereikt 25% van het vermogen de gebruiker.

Het rendement kan echter stijgen tot maximaal 50% als de belasting de gebruiker vormt: dit kan bijvoorbeeld een gloeilamp zijn die lineair aangestuurd wordt, of een uitgangstransfo.

Deze schakeling wordt toegepast daar waar er slechts kleine vermogens in het spel zijn. De verliezen spelen hier geen rol. De klasse A veroorzaakt relatief weinig vervormingen. Om een correcte werking te garanderen moeten er hulpschakelingen voorzien worden die de ingang van de transistor juist polariseren.

klasse B

Bij de klasse B werkt de transistor slechts gedurende de helft van een periode. Deze schakeling wordt niet in lineaire schakelingen gebruikt omdat die sterke vervormingen veroorzaakt. Deze klasse wordt in digitale schakelingen gebruikt, waarbij de transistor volledig gesperd is ofwel volledig in geleiding getrokken wordt.

klasse C

Bij klasse C werkt de transistor gedurende minder dan de helft van een periode. De klasse C wordt gebruikt bij radio-versterkers. Een afgestemde kring die op de eindtransistor volgt maakt het signaal opnieuw lineair. Bij iedere periode geeft de transistor als het ware een duwtje aan de trillingskring om de "verliezen" van de afgestemde kring te compenseren (uitgestraalde energie door de antenne).

klasse AB

Deze klasse situeert zich tussen de klasse A en de klasse B. Op zich kan deze instelling geen signaal zonder vervorming produceren, maar men gebruikt een schakeling met twee transistoren, waarbij de ene transistor het overneemt van de andere bij de overgang van de positieve naar de negatieve signaalhelft. Om vervorming bij de omschakeling tegen te gaan worden de transistoren zodanig gepolariseerd dat de ene begint te werken als de andere nog niet volledig uitgeschakeld is (overlapping). De benaming van deze type schakeling is push pull.

Dit type schakeling wordt vaak gebruikt als eindtrap bij audioversterkers om de luidsprekers aan te sturen. Het rendement kan 75% bereiken. Om een luidspreker van 100W aan te sturen op zijn maximaal vermogen heeft men ongeveer 25% verlies in de transistoren. Er moeten koelplaten voorzien worden om de warmte af te voeren en er moeten regelschakelingen voorzien worden om het effekt van de temperatuurstijging tegen te werken.

Talrijke electronische schakelingen in geïntegreerde vorm hebben een push pull eindtrap. Deze schakelingen kunnen overal ingezet worden: audio-eindtrappen, sturing van motoren, servo-regelingen (sturing van de focus- en tracking spoelen van de laser van een CD speler, spoorvolging bij harde schijven, enz.). Voor iedere toepassing bestaat er wel een aangepaste IC.


klasse G


klasse H

klasse G en H

Als een versterker op laag vermogen werkt, dan gaat er een relatief groot deel van het vermogen verloren. Het betreft de ruststroom (die nodig is om vervorming tegen te gaan) en het vermogen dat ontwikkeld moet worden om de stuurtrappen en de belasting te voeden.

De energie die verloren gaat hangt af van de werkspanning: hoe hoger de werkspanning, hoe meer verliezen (bij een bepaalde configuratie). Bij laag vermogens zou de eindtrappen even goed op een lagere spanning kunnen werken.

Er zijn verschillende systemen om de spanning aan te passen aan de vraag. Bij de klasse G wordt het ingangssignaal bemonsterd en als die hoger dan een bepaalde waarde is, wordt er overgeschakeld op een hogere spanning. Dit kan een lineaire spanningsverhoging zijn naargelang de ingangsspanning of men kan de voedingsspanning schakelen tussen twee waarden. Beide spanningen worden samen aangepast om inbalans te vermijden.

De overgang van een lagere naar een hogere voedingsspanning gebeurt door een schakeltransistor die de eindtransistor met een hogere voedingsspanning verbindt. Bij een geleidelijke spanningsverhoging gebruikt men schakelende voedingen waarvan men de uitgangsspanning snel kan variëren binnen een bepaald gebied.

De kenmerken van deze klasse zijn een voorwaartse regeling van de voedingsspanning (men meet het ingangssignaal) en een symmetrische wijziging van de voedingsspanning (de positieve en negatieve spanning worden samen geregeld)..

Bij de klasse H daartegenover krijgt de eindtrap zowel de lagere als de hogere voedingsspanning, en het is de speciale opbouw van de schakeling die het mogelijk maakt stroom af te tappen van de lage of hoge spanning.


klasse H (principeschakeling)
In het voorbeeld vormen de transistoren T1 en T3 de klassieke eindtrappen in push pull configuratie (klasse AB). Deze werken normaal onder een spanning van +40 en -40V. Van zodra de uitgangspanning in de buurt van de voedingsspanning komt gaan de transistoren T2 en T4 alternerend geleiden om de spanning op te voeren (werking in classe C). Op vol vermogen produceren deze twee transistoren de meeste warmte.

De lage spanning bedraagt tussen 1/2 en 2/3 van de hoge spanning, zodat er een evenwichtige verdeling van de warmte-ontwikkeling plaatsvindt.

Bij deze klasse merkt men een asymmetrische aanpassing van de voedingsspanning: bij een positieve signaalhelft wordt enkel de positieve spanning aangepast, en omgekeerd.

De fabrikanten gebruiken de benaming klasse G en klasse H door elkaar, zeker op de brochures voor de klanten die niet door technische mensen opgesteld worden. Er wordt soms een eigen letter gebruikt om een eigen ontwikkeling aan te geven, maar in principe is er bij de klasse G een symmetrische aanpassing van de voedingsspanning, en bij klasse H een asymmetrische aanpassing van de voedingsspanning (zo kan je beide klassen uit elkaar houden!).

Werkingslimieten

In al deze voorbeelden moet men rekening houden met het feit dat de transistoren geen perfekte componenten zijn, maar grenzen hebben. Ik heb het hier niet over het maximaal vermogen dat een transistor kan verwerken, maar over limieten waarmee men rekening moet houden als men de transistoren lineair wilt laten werken. Deze beperkingen zijn altijd van toepassing, maar zijn sterker voelbaar bij eindtrappen, waar de transistoren verder uitgestuurd moeten worden.

Ten eerste moeten de transistoren een polarisatie krijgen om ze in geleiding te laten gaan. De amplitude van het uitgangssignaal is dus altijd lager dan de ingangsampliture. Men kan dit compenseren door de stuurtrap op een hogere spanning dan de eindtrap te laten werken.

Bij de klassieke push pull schakeling kan de uitgangsspanning nooit tot aan de voedingsspanning gaan (zelfs al gebruikt men een hogere driverspanning). Als de uitgangsspanning dichter bij de voedingsspanning komt is er minder spanning over de transistor. Een transistor gaat minder versterken als zijn spanning lager is (saturatie).

Deze beperkingen zorgen ervoor dat het berekend rendement van 25, 50 of 75% nooit gehaald wordt in de werkelijkheid.


Voorbeeld van een klasse D versterker met 6 uitgangen


Hoeveel vermogen?

klasse D

De klasse D (D van Digitaal) werkt met aan/uit schakelaren. De transistoren dienen enkel om de uitgang met de positieve of de negatieve voedingsspanning te verbinden, of bij kleinere versterkers tussen de plus en de massa.

Het signaal op de uitgang is natuurlijk sterk vervormd en kan zo niet gebruikt worden. Het schakelen gebeurt echter hoogfrekwent (buiten het audio-gebied) en filterschakelingen kunnen het signaal lineariseren.

Men gebruikt een PWM (pulse width modulation) signaal met twee niveaus (hoog of laag). De uitgang wordt dus snel tussen beide uitersten geschakeld. De verhouding tussen hoog en laag bepaalt het uitgemiddeld signaal. Bij hoogvermogen installaties met symmetrische voedingen kan er geschakeld worden tussen 3 standen: hoog, uit en laag.

Het voordeel van deze schakeling is het hoog rendement. Er zijn weinig verliezen, en men kan dus kleinere componenten gebruiken om tot eenzelfde vermogen te komen. De klasse D wordt ook vaak gebruikt bij draagbare toestellen die over weinig vermogen beschikken maar veel lawaai moeten maken (boom box). De moderne autoradios gebruiken eindtrappen in klasse D die minder warmte produceren.

Surround versterkers worden ook vaak gebouwd met eindtrappen die in klasse D werken. Men kan heelwat plaats winnen want men moet geen koelplaten voorzien. Vaak wordt er ook een schakelende voeding gebruikt in plaats van een klassieke transfo, wat het gewicht nog lager maakt.

Nadelen zijn er ook:

  • De schakeling wordt complexer (maar de complexiteit zit vaak in de geïntegreede schakeling zelf).
  • Deze versterker heeft filters nodig, en dat zijn de componenten die het vaakst sneuvelen (elko's die voor de ontkoppeling zorgen en de spoelen).
  • Een schakeling die in klasse D werkt produceert storingen die door andere deelschakelingen opgevangen kunnen worden (tunergedeelte, CD voorversterker, enz.) De signaal-ruisafstand van een complete installatie met klasse D versterker is slechter dan die van een klassieke installatie.
  • Bepaalde componenten zoals elkos zijn niet geschikt om met hoge schakelpieken te werken en het feit dat alle componenten dichter bij elkaar zitten kan plaatselijke oververhitting veroorzaken.

De schakeling rechts is maar 10 op 10cm groot en kan 6 luidsprekers aansturen. Het vermogen bedraagt... Laten we eens de technische fiche raadplegen.

We hebben minimaal 70W per kanaal (maal 6), dus meer dan 400W (500W "typisch"), wat een ongelofelijk vermogen is voor zo'n klein stukje plastiek.

Maar als we de rest lezen, merk ik: verbruik: 120W. Onmogelijk om 400W (laat staan 500W) te leveren met een verbruik van slechts 120W. Ik heb één geïntegreerde schakeling opgepoetst om de kode te lezen en de gegevens opgezocht in de databank: 15W en gene watt meer (dus 90W in totaal). Dit blijft een opmerkelijk vermogen voor een versterker die maar 10cm groot is.

De schakeling bestaat uit (van beneden naar boven):

  • een modulator die het lineair audiosignaal gaat omvormen tot een pulsbreedte gemoduleerd signaal
  • de drie IC's die elk twee paar schakelaars bevatten (en wat stuurelectronica). Ieder ICtje heeft twee gescheiden uitgangen
  • de condensatoren om het gelijkspanningscomponent te filteren
  • de spoelen en condensatoren om het signaal te zuiveren.
Overigens gebruikt men precies dezelfde IC's in een autoradio, maar om wat meer vermogen te hebben (de boordspanning is namelijk ook wat lager dan wat de eindtrappen aankunnen) gebruikt men de twee uitgangen van ieder IC om één luidspreker aan te sturen (BTL-schakeling: Balanced Tied Load of Bridged Transformatorless Load). Dezelfde BTL-schakeling werd reeds gebruikt bij normale auto-radio eindtrappen om het vermogen van 7W naar 25W op te krikken. Gebruikt men een klasse D, dan kan men geen hoger vermogen bekomen, maar de dissipatie (verliezen) wordt wel lager.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's