6. 6.1.a
Versterking Principe van de versterking
Signalen worden versterkt door lampen of halfgeleiders. Halfgeleiders worden gemaakt van ‘halfgeleidende’ materialen ( bv. silicium of germanium ) waar ‘onzuiverheden’ aan toegevoegd worden. Hierdoor krijgen ze een ‘negatieve’ ( N-materialen ) of ‘positieve’ ( P-materialen ) eigenschap. De simpelste combinatie van P- en N- materialen vinden we in diodes : in de ene richting is er zeer lage weerstand, in de andere veel weerstand. Door 3 materialen ( NPN of PNP ) samen te voegen verkrijgen we een ‘transistor’ De 3 aansluitpunten noemen we ‘basis’ , ‘collector’ en ‘emitter’
6.1.a
Principe van versterking ( 2 )
Brengen we spanning over de 3 punten aan, zal er stroom door het circuit vloeien. De stroom die door de basis loopt is steeds zeer klein t.o.v. de stroom die door het C- en E- circuit loopt. Dit betekent dat we bij een kleine stroomverandering over de basis, een grote verandering krijgen in het C- en E- circuit. Dit is de basis van versterking. Al deze stroom wordt uit de voeding gehaald.
1
6.1.a
Principe van versterking ( 3 )
6.1.b
Elektrisch vermogen
Elektrisch vermogen is de energie die gezamenlijk door spanning en stroom wordt opgewekt om de gevraagde arbeid te leveren. P =ExI
P = vermogen in WATT E = potentiaalverschil in VOLT I = stroom in AMPERE
In combinatie met de wet van Ohm krijgen we volgende afgeleiden : I=
E R
en P = E x I
E = I x R en P = E x I
P=
E² R
P = I² x R
Via deze formules kunnen we het geleverde vermogen berekenen :
2
6.1.b
Elektrisch vermogen ( 2 ) Stel : ingangssignaal : 1.55 V RMS ( +6 dB ) ingangsimpedantie : 10.000 ? P=
E1² R
of 2,4 / 10.000 = 0,00024 watt 0,00024 W of -6,2 dBm 0,001 W Bij de meeste versterkers is de uitgangsimpedantie 8? , uitgangsspanning : In dBm betekent ( ref. 1 mW ) dit : x dBm = 10 log
0,3 W E2² = 24,8 dBm of 10 log = 0,3 watt 0,001 W R Zonder spanningsversterking stellen we vast dat de vermogensuitgang van de versterker veel hoger ligt dan de ingang. P=
Versterking : 24,8 dB - ( - 6,2 dB ) = 31 dB of een versterkingsfactor 1260:1
6.2 6.2.a
Vermogensversterkers Vermogensopgave ( power rating )
Het vermogen van een versterker wordt steeds bepaald in functie van de ‘belasting’ . Deze belasting hangt af van de ingangsimpedantie van de volgende trap ( luidspreker ). Meestal wordt ook de vervorming vermeld. Continuvermogen : 100 W ( 0,006 % THD ) bij 8 Ohm 170 W ( 0,006 % THD ) bij 4 Ohm Piekvermogen : 220 W bij 8 Ohm 300 W bij 4 Ohm • Het elektrisch vermogen van de voeding zal het PIEK vermogen bepalen • Continu vermogen betekent dat de versterker onafgebroken dit vermogen kan blijven leveren bij de opgegeven vervormingsgraad. Deze specificatie geldt enkel voor de testfrequentie van 1 kHz. • Het Piekvermogen kan enkel zeer kortstondig geleverd worden, waarbij bijna het volledige vermogen van voedingstrap aangesproken wordt. • Het vermogen is afhankelijk van de belastingsimpedantie. Theoretisch zou het geleverde vermogen bij halve impedantie het dubbele moeten zijn, maar door thermische beveiliging en stroombeveiliging worden de vermogens moedwillig verzwakt.
3
6.2.a
Vermogensopgave ( 2 )
• Het feit dat 4 Ohm als laagste impedantie opgegeven is betekent dat dit de laagst bruikbare impedantie is. Hou er rekening mee dat de impedantie van een circuit frequentie-afhankelijk is. De meeste impedanties worden bij 1000 Hz opgegeven. Daalt de frequentie, dan daalt ook de impedantie. Een 4 ohmige luidspreker kan bij 50 Hz een impedantie van 2 Ohm hebben. • Het piekvermogen is ten zeerste misleidend : dit vermogen is zeer kortstondig op dat moment is er bijna geen lineaire versterking meer ( vervorming door pieken e.d. ) de eindversterkingstrap zal snel overhit geraken met thermische protectie of zelfs een defect circuit als gevolg.
6.2.b
Vermogensbandbreedte
De vermogensbandbreedte geeft de maximale bandbreedte van de versterker bij maximaal vermogen, binnen de aangegeven vervorminggrens weer. Vermogensbandbreedte heeft dus NIETS te maken met de frequentiekarakteristiek van de versterker. In onderstaande tekening zien we een duidelijke vergelijking :
Sommige versterkers halen nu een vermogensbandbreedte van 10Hz tot 50kHz
4
6.2.c
De stijgtijd
Bij complexe of samengestelde signalen worden ook quasi-blokgolfcomponenten opgewekt. Een quasi blokgolf is een signaal waarbij de spanning verhoogt of verlaagt in een uiterst korte tijd.
Voor analoge circuits is dit zowat de moeilijkst te reproduceren golf. We zien een verhouding tussen tijd en spanning : de stijgratio (slewrate) uitgedrukt in Volt /µsec
6.2.c
De stijgtijd ( 2 ) De slewrate is een uiterst belangrijke factor van de versterker, de ratio blijft steeds dezelfde of we veel of weinig versterken. Snelle tijden zijn nodig om transiënten op te vangen. De stijgtijd voor een versterker van 200 watt zal +/- 40 V/µsec bedragen, een 40 watt versterker +/- 15V/µsec. Te snelle stijgtijden kunnen aanleiding geven tot het versterken van RF-pick-up.
5
6.2.d
Overshoot en ringing De slewrate is een uiterst belangrijke factor van de versterker, Ook de mate waarbij de grenzen van de golf gerespecteerd worden is van belang. De overshoot is de onstabiliteit ontstaan bij plotse pieken. Het ringing effect kan men omschrijven als het nazinderen van de versterker
6.2.e
Clipping
De versterkingsfactor van een transistor bepaalt zijn grenzen : dit is de regio waar de versterking lineair gebeurt. Gaat men daarboven dan krijgen we te maken met clipping.
Naast de hoorbare vervorming van het signaal, benaderen we een blokgolf. De contouren van de sinusgolf worden rechte flanken, de RMS-spanning wordt piek-spanning. Piek-spanningen liggen 1,4 x ( 3 dB ) hoger dan RMS-spanningen : een vermogensverdubbeling. Een blokgolf wordt ook beschouwd als een sinusgolf met daarbovenop een oneindig aantal harmonischen gemoduleerd. Een 100 w versterker zal bij clipping de luidspreker 200 w aansturen.
6
6.2.f
Benodigd vermogen
De gevoeligheidsfactor van een luidspreker wordt bepaald door deze aan te sturen met 1 watt en de geluidsdruk te meten op 1 meter in de as van luidspreker. Het signaal is meestal roze ruis, waarbij alle octaven een gelijke amplitude hebben. Nemen we een luidspreker met gevoeligheid : 93 dB en vermogenscapaciteit 100 w continu en 400 w piek dan krijgen we volgende waarden : x dB (SPL ) = 10 log
P continu P refer.
of 10 log 100w / 1 w = 20 dB
De geluidsdruk bij 100 watt zal dus 93 dB + 20 dB = 113 dB SPL zijn. De piekwaarde wordt : 10 log 400 w / 1 w = 26 dB SPL De geluidsdruk bij 400 watt zal dus 93 dB + 26 dB = 119 dB SPL zijn. Willen we een luidspreker met 90 dB gevoeligheid tot 119 dB versterken hebben we een versterker met 800 w nodig !!! Men moet dus steeds rekening houden met de gevoeligheid van de luidspreker.
6.2.h
Andere specificaties
6.2.h.1 Vervorming Zowel de harmonische als de intermodulatievervorming moeten zeer laag zijn. Een THD van 0,1% over het volledige frequentiespectrum wordt aanvaardbaar geacht. Intermodulatie vervorming mag nooit hoger liggen dan -70 dB t.o.v. de originele signalen, bij 2/3 van het maximale vermogen. Deze TID wordt gemeten door 2 frequenties met 1 kHz verschil in de versterker te sturen. De resulterende intermodulatietoon wordt dan qua niveau getoetst met de 2 testtonen, Het verschil moet minimaal 70 dB bedragen.
7
6.2.h.2
Overspraak
Goede waarden zijn : -70 tot -75 dB bij 1 kHz, of -50 tot -55 dB bij 20 Hz. Dikwijls is de voeding de oorzaak van overspraak bij weergave van lage frequenties omdat juist voor die lage frequenties grote stromen vereist zijn.
6.2.h.3
S/R verhouding
Minimaal moet de S/R verhouding 105 dB bedragen voor laag- vermogen types en 110 tot 115 dB voor hoog-vermogen versterkers. Dergelijk hoge waarden zijn vereist omdat de versterker niet geattenueerd wordt.
6.2.h.4
Dempingfactor
Een luidspreker brengt via elektromagnetisme lucht aan het trillen, afhankelijk van de stroom die de versterker door de spreekspoel stuurt. Door de massa van spreekspoel, diafragma en conus zal de luidspreker niet onmiddellijk tot stilstand komen. Dit zouden we kunnen oplossen door de luidspreker momentaal kort te sluiten op momenten dat er geen ongewenste trillingen mogen ontstaan. Dit gebeurt door de zeer lage, reële uitgangsimpedantie van de versterker, hoe lager deze is, hoe beter de demping. Deze ‘dempingfactor is de waarde die aangeeft hoe goed de versterker ongewenste trillingen kan elimineren door het bijna kortsluiten van de luidspreker. De waarden van goede versterkers variëren tussen 50 en 150. Dit is vooral belangrijk bij weergave van lage frequenties omdat de conus dan de grootste excursies maakt.
8
