Achtergrond: De (on-)zin van Headroom

Laten we daarom eerst eens kijken naar de eisen die aan een versterker gesteld moeten worden. Het vermogen dat dient te worden geleverd is sterk variabel. Niet alleen door de muziek ‘an sich’, maar ook door de samenstelling van het weer te geven signaal. Het kan gebeuren dat de verschillende bijdragen qua gemiddeld vermogen niet zo veeleisend zijn, maar soms zijn de amplituden van de verschillende bijdragen in fase (tellen dus op) en dan moet er meer vermogen worden geleverd dan het gemiddelde: het vermogen is evenredig met het kwadraat van de amplitude. Dus het is niet verstandig om de versterker te dimensioneren op het gemiddeld te leveren vermogen. Maar dat hoeft ook weer niet overdreven te worden. Want als een versterker goed is ontworpen, dan zou deze tot 99,9% van het maximale vermogen goed moeten blijven werken en zou dus meer ‘headroom’ overbodig zijn. Maar waarom dan toch die roep om meer ‘headroom’? De logische verklaring is dan dat de versterker toch niet zo goed ontworpen is. Daarom bespreken we een aantal aspecten die verantwoordelijk zijn voor beperkingen.

Figuur 1a: Geleverde stroom 1 Amp, laagste spanning op afvlakconden-sator 29,8 Volt. Piekwaarde van de laadstroom is 4,59 Amp.

Figuur 1b: Geleverde stroom 2 Amp, laagste spanning op afvlakconden-sator 26,7 Volt. Piekwaarde van de laadstroom is 7,26 Amp.

Figuur 1: Verloop van spanningen en stromen in de voeding van een versterker. Horizontaal staat de tijd (20 millisec. = 1 periode van lichtnetfrequentie van 50 Hz). Verticaal 0 – 40 Volt.
Blauw= Dubbelfasig gelijkgerichte spanning van de transformator
Groen= Laadstroom naar afvlakcondensator, schaal 0 – 40 Amp.
Geel= Spanning op afvlakcondensator
Afvlakcondensator= 4700 µF
Merk op dat de tijd, dat de bijlaadstroom loopt, veel korter is dan de duur van een halve periode omdat de transformatorspanning eerst boven de spanning van de afvlakcondensator moet stijgen voordat de gelijkrichtdiode opengaat. Hierdoor is de piekwaarde van de laadstroom aanzienlijk hoger dan de nominale afgenomen stroom. Ook is de piekwaarde niet evenredig met de nominale stroom.

Oorzaken

Als we het inwendige van de versterker bekijken, dan zien we dat meestal de interne vervorming toeneemt met de signaalsterkte en daarmee ook de mate van ‘interne lokale detectie’ (zie Music Emotion 04 & 05-2025 voor de uitleg hiervan). Het gevolg kan dan zijn dat hierdoor het instelpunt van de verschillende versterkertrappen verschuift en bij variërende vermogensafgifte blijft verschuiven. Dit geeft een ‘onrust’ in het weergegeven geluid, maar dit effect neemt snel toe met toenemende signaalsterkte, meer dan evenredig. Door de versterker (ver) onder zijn maximale vermogen te bedrijven blijft dit beperkt en dat leidt dan tot de roep om ‘headroom’. Maar het is in feite een gevolg van een slecht ontwerp dat onder andere ‘interne lokale detectie’ onvoldoende heeft voorkomen. Het vervelende is dat ‘interne lokale detectie’ nergens in de metingen tevoorschijn komt en daardoor nauwelijks aandacht krijgt, maar zich pas manifesteert bij luistertesten. Maar die worden vaak schamper als ‘subjectief’ gekwalificeerd. Terwijl het doel van een versterker toch is om er naar te luisteren. Dacht ik, of zie ik dat verkeerd?

Een oorzaak met vergelijkbare gevolgen als ‘interne lokale detectie’ is een te krap bemeten voeding. De voeding moet er zorg voor dragen dat onder alle operationele omstandigheden de leidingen, die de versterker voeden, voldoende hoge spanningen voeren. Dus ook als er veel vermogen gevraagd wordt en/of er hoge piekstromen lopen. Dat vereist een transformator met een voldoende grote capaciteit en omdat dit vaak één van de duurdere componenten in de versterker is, wil hierop nog wel eens bezuinigd worden. Maar dat is verkeerde zuinigheid. Als vuistregel kan worden gehanteerd dat de transformator het dubbele vermogen moet kunnen verwerken van het uitgangsvermogen van de versterker. Dus als een versterker 2 x 75 watt kan leveren, moet de transformator 300 VA aankunnen. (N.B. Bij transformatoren wordt VA gebruikt n plaats van watt, omdat de stroom sterk kan variëren door de toepassing met gelijkrichting, dit zal hieronder worden toegelicht.) Deze vuistregel geldt ook voor klasse-D versterkers, want het piekvermogen en de piekstromen treden net zo goed op bij klasse-D als bij klasse-AB versterkers. Weliswaar heeft klasse-D een hoog rendement, maar ook bij klasse-D worden spanning en stroom aan de uitgang bepaald door het ingangssignaal samen met de eigenschappen van de belasting (lees: luidspreker). En een te lichte transformator heeft een te hoge inwendige weerstand, waardoor de secondaire spanning teveel inzakt als er veel stroom geleverd moet worden. Daarom maakt het voor de piekwaarden maar weinig uit of het een klasse-D of een klasse-AB versterker betreft, in beide gevallen moet de voeding ontworpen worden voor de piekwaarden, niet voor de gemiddelde waarden.

Een hiermee samenhangend probleem is de ‘afvlakking’ na de gelijkrichter. De gelijkgerichte wisselspanning uit de secondaire van de transformator varieert nog steeds vanaf nul Volt en dat is voor een versterker onwerkbaar. Om dit te ondervangen en er voor te zorgen dat de voedingsspanningen voldoende hoog blijven, wordt de spanning van de gelijkrichter ‘gebufferd’ in zogenaamde ‘afvlakcondensatoren’. Dit is te vergelijken met een regenton, die het water opvangt als het regent en dit beschikbaar maakt om de tuin te begieten als het niet regent. Het moge duidelijk zijn dat hoe groter de regenton, hoe meer water tussen de buien door beschikbaar is. Hetzelfde geldt voor de ‘afvlakcondensatoren’: tussen twee laadcycli moet de versterker hier de stroom uit betrekken en dan zakt de spanning in. Hoe groter deze condensatoren zijn, hoe beter de spanning op peil blijft. Maar als de versterker een grotere stroom betrekt, heeft dat wel tot gevolg dat de spanning op de afvlakcondensatoren tussen de laadcycli meer inzakt. En door de beperkingen van de transformator daalt ook de gemiddelde spanning op de voedingsrails. Zie figuur 1 waar enige resultaten staan voor een transformator met een secondaire spanning van 25 V_eff. Dit correspondeert met een piekspanning van 35,4 Volt.

Als de laagste spanning op de afvlakcondensator te laag is geworden om voldoende spanning op de voedingsrail te houden, krijgen we hetzelfde effect als met ‘interne lokale detectie’: de instelpunten van de versterkertrappen gaan ‘aan de wandel’. Dit heeft negatieve consequenties voor de gehoormatige kwaliteit van de versterker. Uit figuur 1 blijkt dat de laagste spanning sterk inzakt met de stroom die de versterker uit de voeding betrekt.

Een extra probleem hierbij is, dat het weer te geven geluid ook nog op een andere wijze van invloed is omdat de bijlaadfrequentie hoger is dan de frequentie van sommige tonen in muziek. De bijlaadfrequentie is 100 Hz (= 2 x 50 Hz door dubbelfasige gelijkrichting), een laadcyclus duurt dus 10 milliseconde, zie ook figuur 1. Maar sommige tonen in muziek komen duidelijk lager, waardoor de periodetijd meerdere laadcycli omvat: de periodetijd van 20 Hz is 50 milliseconden. Het gevolg hiervan is dat de stroom naar de luidspreker bij de lagere tonen over meerdere laadcycli aan blijft houden. Ook hiervoor is het dus onverstandig om met de gemiddelde stroom te rekenen, maar moet juist met de piekstroom gewerkt worden. Met alle gevolgen van dien: de laagste spanning kan dan veel lager uitkomen. Het gebruik van een voldoend ‘zware’ transformator in combinatie met voldoend grote afvlakcondensatoren is dus cruciaal om de behoefte aan ‘headroom’ te minimaliseren. Hoewel beiden tot de duurdere componenten behoren, dient hier niet op bezuinigd te worden. De praktijk leert echter dat dit toch vaak gebeurt.

Samenvattend

Samenvattend kunnen we stellen dat een goed ontworpen versterker, die tevens een goed gedimensioneerde voeding heeft, maar relatief weinig ‘headroom’ nodig heeft om onder alle normale bedrijfsomstandigheden goed te blijven functioneren. Als een versterker dus wel ‘headroom’ nodig heeft duidt dit erop dat er punten van kritiek op het ontwerp te vinden zijn. In de versterker zelf is dit vaak het optreden van ‘interne lokale detectie’, in de voeding een te lichte transformator en/of te kleine afvlakcondensatoren. Het uit zich in luistertesten als een ‘onrustig’ geluidsbeeld en/of het verslechteren van de geluidskwaliteit bij toenemend vermogen. Als consument is het nog mogelijk om te controleren of de transformator voldoende ‘gewicht in de schaal legt’, de andere zaken vereisen helaas detailinformatie die voor de gebruiker niet of slecht beschikbaar is. Aan recensenten dan de taak dit aspect in hun luistertesten voldoende aandacht te geven en de bevindingen in hun verslag te melden.

Hans R.E. van Maanen

Temporal Coherence, www.temporalcoherence.nl