Achtergrond: De (on-)zin van voedingen

Geen netfilters dit keer

Laat ik allereerst opmerken dat ik het niet ga hebben over netfilters en AC-omvormers van 230 V naar 230 V. Rommel op het lichtnet kan via allerlei parasitaire effecten van grote invloed zijn op de gehoormatige kwaliteit van apparatuur, maar dat is een aparte discussie. Ik ga er even vanuit dat aan de netentree een keurige 230 V wisselspanning van 50 Hz wordt aangeboden. Maar alle apparatuur werkt op gelijkspanning, soms enkelzijdig (een plus-spanning en nul (aarde)), soms op een plus-spanning, nul en een min-spanning, wat meestal een symmetrische voeding wordt genoemd. Dus de 230 V wisselspanning moet worden omgevormd naar de gelijkspanningsvoeding voor het apparaat. Voordat we kunnen gaan bespreken wat daar fout kan gaan moeten we eerst weten hoe dit in z’n werk gaat en welke eisen het apparaat stelt om optimaal te kunnen functioneren.

Begrippen

Een paar begrippen over wisselspanning zijn van belang om het onderstaande verhaal te kunnen begrijpen. Dat zijn:

• De effectieve spanning. Dit is de waarde die veelal wordt opgegeven, zoals 230 V, en deze is gelijk aan de waarde van een gelijkspanning die in een bepaalde belasting (bijvoorbeeld een waterkoker) hetzelfde vermogen opwekt. Als je een waterkoker op een gelijkspanning van 230 V zou aansluiten zou deze het even goed doen als op het lichtnet en het water zou net zo snel aan de kook zijn.
• De amplitude of piekspanning. De maximale spanning die in een wisselspanning voorkomt is echter hoger dan de effectieve spanning. Deze waarde is √2 (ca. 1,41) maal groter, voor het lichtnet is dat zo’n 325 V.
• De top-top spanning. Omdat we het over wisselspanning hebben varieert de spanning tussen de + 325 V en de – 325 V. Dit wordt vaak uitgedrukt in de top-top spanning en deze bedraagt dus 650 V, de maximale waarde tussen de laagste en de hoogste spanning. Ook bij het ontwerpen van apparatuur is dit een veelgebruikt begrip omdat intern het voltage binnen de grenzen van de voedingsspanning moet blijven.

Van wissel- naar gelijkspanning

Figuur 1: Het basisprincipe van een voeding voor elektronica. De transformator vormt de 230 V wisselspanning (primaire wikkeling, links) in dit voorbeeld om naar 2 maal 25 V wisselspanning (secondaire wikkeling, rechts), waarna de gelijkrichter hier een positieve en negatieve spanning van maakt voor een symmetrische voeding. De ‘buffer-condensatoren’ van 4700 uF (micro-Farad) verzorgen de stroomvoorziening als de spanning uit de gelijkrichter lager wordt dan de benodigde minimum-spanning voor het apparaat. Omdat hiervoor gewoonlijk elektrolytische condensatoren worden gebruikt worden deze ook vaak ‘bufferelco’s’ genoemd. Zie ook fig. 2 en 3.

Het rechtstreeks gebruiken van de 230 V uit het lichtnet is niet alleen levensgevaarlijk (en daarom ook verboden) maar dat levert voor de meeste apparatuur ook een veel te hoge spanning op. Daarom is het eerste dat moet gebeuren het omlaag transformeren van de 230 V naar een geschikte spanning voor het apparaat dat we gaan gebruiken. Welke spanning dat is, hangt sterk af van de toepassing (zoals bijvoorbeeld het vermogen dat een eindversterker moet leveren) en daarom zullen we er alleen in algemene termen over spreken. Want er moet nog veel meer gebeuren voordat het goed genoeg is om een apparaat naar behoren te laten functioneren.

De volgende stap is om de wisselspanning om te vormen naar een gelijkspanning door deze wisselspanning (uit de secondaire wikkeling van de transformator) gelijk te richten. Maar de gelijkrichter maakt er een spanning van die van nul tot de piekspanning loopt en dat is nog niet goed genoeg. De gedeelten van de tijd dat deze spanning onder de benodigde werkspanning van het apparaat daalt moet worden overbrugd met zogenaamde ‘buffer-condensatoren’, die tijdens de hoge (piek)spanning worden opgeladen en bij te lage spanning de stroomvoorziening voor hun rekening nemen. Schematisch staat dit afgebeeld in figuur 1.

Het omzettingsproces

Figuur 2 heeft wel enige toelichting nodig om te begrijpen wat hier wordt getoond. Horizontaal staat de tijd en in dit geval is dit gelijk gekozen aan een enkele periode van het lichtnet, dus 20 milliseconden. De verticale schaal is 40 V en 40 A. Blauw toont het verloop van de spanning aan de uitgang van de gelijkrichter. Merk op dat beide helften samen weer een hele periode van de aangelegde wisselspanning vertegenwoordigen. Dit heet daarom ‘dubbelfasige gelijkrichting’. De piekwaarde van de spanning (ruim 35 V) bedraagt meer dan de waarde van de transformatorspanning (25 V) door het verschil tussen amplitude en effectieve waarde. Ook belangrijk is dat de spanning uit de gelijkrichter weer helemaal tot nul terugzakt, daarmee is deze spanning onbruikbaar voor de elektronica. De ‘dalen’ worden opgevuld door de opgeslagen lading in de bufferelco’s, waarvan de spanning (geel) varieert door het bij- en ontladen: als de spanning uit de gelijkrichter hoger is dan de spanning op de bufferelco’s worden deze bijgeladen en loopt deze op, als de spanning uit de gelijkrichter lager wordt dan de spanning op de bufferelco’s wordt de spanning voor het apparaat verzorgd door de bufferelco’s, waardoor deze door het leveren van de benodigde stroom gaan ontladen en de spanning daardoor afneemt. Maar voor dat proces zijn meerdere aspecten van belang. Allereerst zien we dat de tijd, beschikbaar voor het bijladen, veel korter is dan de halve periode en dat wreekt zich in de hoge waarde van de bijlaadstroom in deze korte tijd. In dit voorbeeld is de stroom die het apparaat continu vraagt 1 A, maar de bijlaadstroom (groen) piekt op 4,59 A. Het vervelende is dat de transformator verliezen vertoont door de weerstand van de wikkelingen, die door de piekstromen veel hoger zijn dan als een continue stroom geleverd zou moeten worden. Stroompieken zijn verantwoordelijk voor belangrijke eisen die aan voedingen gesteld moeten worden. We komen hier straks op terug.

Figuur 2: Het verloop van de spanningen en stromen in de schakeling van figuur 1. Nadere uitleg in de tekst.

De spanning op de bufferelco’s vertoont door dit bij- en ontladen een zogenaamde ‘rimpel’, duidelijk herkenbaar in de gele lijn, maar omdat de stroomafname van de elektronica niet constant is (door het dynamische karakter van muziek), is ook de gemiddelde waarde niet constant, zoals we in dit voorbeeld wel hebben gedaan. Dit is te zien in figuur 3, waarbij de stromen en spanningen getekend zijn als in figuur 2, maar nu met een stroomafname van 2 A. We zien dat dit een dramatisch effect heeft op de spanningen over de buffer-elco’s: deze zakt aanzienlijk: van bijna 30 V in figuur 2 naar nog geen 26,7 V in figuur 3 (te zien in de linkerbovenhoek van figuur 2 en 3). De piekstroom loopt daarentegen op naar 7,26 A. Dat deze niet tweemaal zo hoog is komt omdat de tijd, beschikbaar voor laden, langer is geworden. Dat is te zien door de breedte van de groene lijnen te vergelijken met die in figuur 2.

De voedingsspanning verbeteren

Dit neemt niet weg dat -in principe- elektronica op de spanning van de bufferelco’s zou kunnen werken. En in de grijze oudheid gebeurde dat (destijds met buizenversterkers) ook, meestal wel met wat extra voorzieningen om de narigheid van de rimpel en de spanningsvariatie te verminderen. Maar dan nog: als de netspanning varieert, varieert de elcospanning vrolijk mee. Al met al is een niet-constante voedingsspanning niet wenselijk. Dit is in te zien door als voorbeeld een versterkertrap van een halfgeleiderversterker te gebruiken.

In figuur 4 staat een eenvoudige versterkertrap getekend en als de voedingsspanning niet constant is, is de gelijkspannings-instelling van de versterkertrap ook niet constant. Daarnaast kan ‘rommel’ (ruis, brom, etc.) op de voedingslijn langs deze weg het audio-signaal binnensluipen. Daarom moeten we er voor zorgen dat de voedingsspanning voor dit soort versterkertrappen veel ‘schoner’ is dan uit de voeding van figuur 1 komt en dat kan door zogenaamde ‘regulateurs’ te gebruiken.

Regulateurs

In principe komt het erop neer dat de regulateur aan zijn ingang de spanning uit de bufferelco’s aangeboden krijgt en aan de uitgang ervan een schone, stabiele spanning beschikbaar maakt voor de elektronica van het apparaat. Hoe dat precies in z’n werk gaat voert te ver voor dit artikel, maar belangrijk is om te onthouden dat de gereguleerde spanning altijd lager is dan de spanning van de bufferelco’s (de ontwerper moet dan ook altijd rekening houden met de laagste spanning die voor kan komen door variaties in de stroomafname en de netspanning, zie ook figuur 2 en 3) en omdat geen regulateur perfect is: er blijft altijd wat ‘rommel’ over, evenals een (hopelijk miniem) gedeelte van de netspanningsvariaties. Het moge duidelijk zijn dat er kwaliteitsverschillen zijn tussen regulateurs, dus als een ‘geregelde’ voeding wordt gespecificeerd betekent dit nog niet automatisch dat ‘s werelds beste regulateur gebruikt is. Hoewel zo’n beetje alle high-end audio-elektronica anno nu gereguleerde voedingen gebruikt, kan de kwaliteit ervan voor ieder apparaat weer anders zijn.

Eigenschappen van regulateurs

Er zijn drie basis-typen voor regulateurs:
– lineaire serie regulateurs
– lineaire parallel regulateurs
– schakelende regulateurs
Lineaire parallel regulateurs worden het minste gebruikt omdat deze relatief veel verliezen hebben en daardoor warmte ontwikkelen. Schakelende regulateurs zijn het meest efficiënt (vgl. klasse-D versterkers), maar dragen het risico van hoogfrequente stoorsignalen in zich en deze zullen we daarom nu niet behandelen. Lineaire serie regulateurs worden veel gebruikt en zullen daarom besproken worden, maar de problemen die voor het voetlicht komen, treden bij alle drie op, dus de lezer krijgt zo een idee waar de problemen schuilen.

Figuur 3: Het verloop van de spanningen en stromen in de schakeling van figuur 1 als de gemiddelde afgenomen stroom 2 A bedraagt. Vergelijk met figuur 2.

De werking van regulateurs

De bedoeling van regulateurs is dat deze de ongestabiliseerde spanning (ook nog met rimpel, zie ook de gele lijnen in figuur 2 en 3) aangeboden krijgt en een keurige, stabiele en rimpel- en ruisvrije constante gelijkspanning aflevert. In principe werken deze door de uitgangsspanning (die dus de voedingsspanning van de elektronica in het apparaat is) te vergelijken met een referentiewaarde. Als de uitgangsspanning ervan afwijkt, zal de regulateur de waarde van de uitgangsspanning aan gaan passen. Gewoonlijk gebeurt dit door een transistor tussen in- en uitgang meer of minder te laten geleiden (vandaar de naam ‘serieregulateur’). De uitgangsspanning zou eigenlijk zoals die van de perfecte batterij moeten zijn: de spanning verandert niet als de afgenomen stroom verandert en er staat geen ruis en brom op. Maar omdat er altijd een verschil moet zijn tussen de eigenlijke en de ideale waarde om te kunnen regelen, kan dit nooit perfect zijn. Dit resulteert dan in een zogenaamde ‘inwendige weerstand’ en een stoorsignaal. De inwendige weerstand heeft als gevolg dat een verandering van de afgenomen stroom een verandering van de uitgangsspanning geeft. Iedereen weet wel dat de spanning van een 9 V batterijtje veel meer inzakt dan die van een autoaccu als deze dezelfde stroom moeten leveren. Het ontwerp en de uitvoering van de regulateur bepalen zowel de inwendige weerstand als de hoeveelheid ‘rommel’ op de uitgang en daarmee de kwaliteit van de spanning waarop het apparaat moet werken.

Bijwerkingen

De ‘inwendige weerstand’ geeft ook nog een parasitair effect: omdat versterking gepaard gaat met stroomvariaties (ook bij voortrappen, zie figuur 4) zijn deze stroomvariaties terug te vinden op de voedingslijnen als de inwendige weerstand niet nul is. En dat is deze nooit. Ergo, ook het muzieksignaal zelf draagt bij aan de ‘rommel’ op de voedingslijnen en dat kan van invloed zijn op de voorgaande en/of volgende versterkertrappen. Het is dus zaak om de inwendige weerstand zo laag mogelijk te maken, maar helaas is er voor de consument geen methode om deze te bepalen, alleen de gevolgen voor het totale klank- en geluidsbeeld kunnen middels luistertesten worden bepaald.

Voeding is medebepalend voor kwaliteit

Omdat de kwaliteit van de voeding dus medebepalend is voor de kwaliteit van het apparaat, is het goed mogelijk dat een voeding met een hogere kwaliteit (lagere inwendige weerstand en/of minder ‘rommel’) tot een gehoormatig beter resultaat leidt. Ik vind dat een apparaat een voeding verdient dat het optimaal laat functioneren, maar klaarblijkelijk denken sommige fabrikanten daar anders over. Want een voeding is toch een kostbaar gedeelte van het apparaat. En daarop kan natuurlijk bezuinigd worden om de verkoopprijs te drukken. Maar dat is, naar mijn mening, verkeerde zuinigheid omdat dit vaak betekent dat de gehoormatige kwaliteit erdoor minder is dan mogelijk zou zijn zonder de elektronica zelf aan te passen. Dat blijkt ook door het aanbieden van een ‘betere’ voeding door de fabrikant, waardoor een apparaat beter gaat klinken. Maar de eigenlijke audio-elektronica blijft ongewijzigd!

Verkeerde zuinigheid

De transformator is een dure component door de hoeveelheid koper en kernmateriaal, dus daar wordt het eerste naar gekeken. Maar deze moet wel de piekstromen voor het bijladen van de bufferelco’s kunnen leveren zonder dat de spanning teveel inzakt (zie de bespreking hierboven). Daarom is de vuistregel dat de VA waarde van de transformator tweemaal het sinusvermogen van de (eind-)versterker moet hebben. Het begrip ‘VA’ (Volt – Ampère) is ingevoerd naast de ‘Watt’ omdat de transformator een gelijkrichter moet aansturen, waardoor de piekstromen hoog zijn. Voor een waterkoker zou dat niet nodig zijn, maar voor voedingen wel. Een voorbeeld: we nemen een versterker met een vermogen van 2 x 75 watt, totaal dus 150 watt. De transformator moet dan 2 x 150 watt = 300 VA zijn. Nu kan een consument moeilijk een apparaat openen om te zien hoeveel VA de transformator is, maar gelukkig is er een duidelijke relatie tussen VA en gewicht met dank aan de hoeveelheid koper en kernmateriaal. Dus als een versterker wordt gespecificeerd voor 2 x 300 watt en nog geen vijf kilo weegt, kun je weten dat hier iets niets klopt.

Rendement niet bepalend voor piekstromen

Vaak wordt gesteld dat klasse-D versterkers zo’n hoog rendement hebben, dat deze met een kleinere, lichtere voeding kunnen volstaan. Maar dat is een drogredenatie: de voeding moet altijd in staat zijn om de stromen door de luidspreker te leveren. Deze worden bepaald door het muzieksignaal en de eigenschappen van de luidspreker en deze piekstromen zijn NIET afhankelijk van de versterker-klasse. Voor een klasse-AB en klasse-D maakt dit uiteindelijk helemaal geen verschil (zie ook ‘De (on-)zin van mooie vervorming’ Music Emotion april 2026). Voedingen dienen ontworpen te zijn voor piekvermogens en piekstromen, niet voor gemiddelden ervan. U kent wellicht het verhaal van de statisticus die vol vertrouwen door een rivier waadde die gemiddeld een meter diep was. Hij verdronk… omdat het diepste gedeelte bepalend is. Het is dus niet verwonderlijk dat hoog aangeschreven versterkers voorzien zijn van een flinke trafo. Want alleen die zijn in staat om de grote piekstromen te kunnen leveren. Van een lichtere trafo gaat de secondaire spanning te ver inzakken als er flinke stromen geleverd moeten worden, met alle gevolgen van dien.

Het tweede aspect waarop vaak wordt bezuinigd zijn de bufferelco’s. Ook die zijn vrij kostbaar en nemen veel plaats in. Maar ook deze dienen voldoende capaciteit te hebben om de stroom te kunnen leveren als de transformator spanning laag is (zie figuur 2 en 3). Hoe kleiner de capaciteit, hoe verder de spanning zal dalen. Ook dit wordt bepaald door de piekstroom, die geleverd moet worden. De daling kan maar tot een bepaalde waarde worden opgevangen door de regulateur, dus als die te laag wordt is Leiden in last.

Luisterervaringen

In het verleden heb ik wel versterkers onder handen gehad, die best goede specificaties hadden en deze ook wisten te bevestigen op de testbank, maar niet goed klonken. Uiteindelijk bleken deze een inadequate voeding te hebben die meedeinde met de muziek. Daarom is tegenwoordig mijn standpunt dat geen apparaat beter is dan de voeding ervan.

Figuur 4: Een eenvoudige versterkertrap laat zien waardoor ‘rommel’ op de voedingsspanning ook ‘rommel’ aan de uitgang oplevert. Deze kan zowel via de weerstand naar de ingang als die naar de uitgang binnensluipen. Ook zal een niet stabiele waarde van de voedingsspanning de gelijkspannings-instelling van de versterkertrap beïnvloeden, waardoor deze af kan wijken van de ontwerpwaarde.

Samenvattend

De voeding van een apparaat dient er onder ALLE omstandigheden zorg voor te dragen dat het benodigde vermogen EN de benodigde piekstromen geleverd kunnen worden. Dat betekent dat een voldoende grote (lees zware!) transformator met voldoende grote capaciteit van de bufferelco’s vereist zijn. Daarnaast dienen de regulateurs voor de voortrappen voldoende stabiliteit te hebben zodat de instellingen van de voortrappen niet veranderen (want dat is een van de oorzaken voor ‘onrust’ in het geluid) en geen noemenswaardige ‘rommel’ achterlaten op deze spanningen. Deze ‘rommel’ komt gemakkelijk in het audio-signaal terecht, waardoor dit aan gehoormatige kwaliteit inboet. Maar verschillende regulateurs hebben een verschillende kwaliteit en geven daarom verschillende resultaten op het klank- en geluidsbeeld. Hoewel met specialistische apparatuur en kennis van zaken metingen verricht zouden kunnen worden, blijft een groot probleem om de meetresultaten te interpreteren, te ‘vertalen’ naar de gehoormatige bevindingen. Vooralsnog kan dit alleen middels luistertesten.

Helaas worden voedingen door veel fabrikanten nogal stiefmoederlijk behandeld en als een dure sluitpost beschouwd. Maar de gehoormatige kwaliteit van apparatuur is wel afhankelijk van de kwaliteit van de voeding. Dus de aanschaf van een ‘betere’ voeding kan wel degelijk een positief effect hebben voor de gehoormatige kwaliteit. Maar dan geef je tweemaal geld uit voor een voeding en dat is eigenlijk jammer. Ik vind dat een apparaat geleverd moet worden met een voeding die geschikt is voor de kwaliteit ervan. Dat is ook beter voor het gebruik van materialen en grondstoffen, omdat dan de originele voeding niet volkomen nutteloos ergens stof hoeft te liggen vergaren.

Hans van Maanen, Temporal Coherence