Guide: Hvordan jobber høyttaler og forsterker sammen?

Dempefaktor, impedans og subjektive lydopplevelser.

Bakgrunnen for at jeg skriver dette er en tråd på HFS der spørsmålet blir stilt rundt noen av disse temaene. Grunnet tidspress har jeg ikke fått brukt alt for mye tid på denne, så enkelte forklaringer er kanskje noe tungvinte, og det er ikke sikkert alle aspekter rundt temaet er like godt dekket. Jeg poster det her da det ikke er plass til å poste det i ett innlegg på HFS.

Bakgrunn:
Bakgrunnen for problemstillingen og spørsmålene rundt dette temaet virker å være svært vidtspennende, men i grove trekk kan man godt si at det er en del faktorer som ikke virker spesielt logiske i verden av forsterkere, høyttalere og lydmessige opplevelser. Noe av det folk reagerer på er at forsterkere med tilsynelatende lik frekvensgang kan låte så vidt forskjellig, og også det at, til tross for at forsterkerens dempningsfaktor er mer enn høy nok, kan det allikevel virke som om kontrollen ikke er tilstede slik man skulle forvente.

En forsterkers oppbygning:
En klasse AB-forsterker med såkalte bipolare transistorer er det som i dag dominerer markedet. Disse er relativt rimelige i forhold til effekt, og de har generelt lav forvrengning. Selve utgangstrinnet i en slik forsterker genererer strøm ved at man mater en styrestrøm til en inngang på en av utgangstransistorene, og utgangstransistoren slipper da gjennom en strøm som er et fast antall ganger større enn selve styrestrømmen. Dermed får man et resultat som hele tiden er et fast antall ganger forsterket i forhold til selve styresignalet. Siden disse transistorene er strømstyrte vil selve drivertrinnet (det som leverer signalet til effekttransistorene) ”se” lasten gjennom utgangstransistorene. En variasjon i lasten vil derfor motkoples inn i drivertrinnet, noe som medfører en slags naturlig feilkorreksjon, men det medfører også at forsterkeren endrer karakter i takt med lasten.

En rørforsterker og en MOSFET forsterker virker på en litt annen måte. De styre selve utgangskomponenten (rør eller Felt Effekt Transistor) med et spenningsfelt. Det vil si at komponenten som har til oppgave å styre utgangskomponenten ikke vil merke hvilken last denne har. Dermed får man ingen feilkorreksjon, men også en annen type lastavhengighet.

En klasse D vil på mange måter likne med på MOSFET og rør enn på transistor da disse er tidstyrte, og derfor heller ikke gir noen naturlig motkobling og derav heller ingen feilkorreksjon. Imidlertid kan en feilkorreksjon være, og er ofte, en del av selve klasse D-kretsens grunnoppbygning.

Tilbakekobling:
Alle de ovenfor beskrevne varianter er såkalt motkoblingsfrie. Dette er noe som gjør at de har høyere forvrengning og lavere dempninsfaktor enn en forsterker med tilbakekobling. En tilbakekobling er en krets som returnerer, demper og fasevender signalet på utgangen av forsterkeren til et sted i signaldelen av forsterkeren. Dens oppgave er å rette feil som oppstår mellom tilbakekoblingens tapnings, og summeringspunkt.

For at en tilbakekobling skal være god i praksis må den være linjær med hensyn på en rekke faktorer. Avvik i forhold til dette gjør at tilbakekoblinger ikke oppleves som udelt positive i praksis.

Dummy load:
Når man måler en forsterker bruker man stort sett utelukkende såkalte dummy loads. Dette er motstander som i størst mulig grad skal opprettholde sin resistive verdi ved ulike effekter slik at de ikke medfører noe avvik til selve målingen. Man bruker disse for å utføre basismålinger, og bruker stort sett bare mer realistiske tilnærminger når man ønsker å teste en forsterkers stabilitet ved spesielt vriene laster i spesielle deler av frekvensområdet (stort sett veldig høye frekvenser). En forsterkers dempningsfaktor er en del av de faktorene som måles ved hjelp av slike dummy loads. Denne type laster vil altså ikke avsløre hva som skjer ved en eventuell ulinear last. Imidlertid vil det heller ikke være enkelt å gjøre målingene på en god måte uten slike dummy loads. Da måtte man arbeide seg gjennom en enorm mengde ulike laster, og arbeidet med å lage gjennomsnittsgrafer ville være praktisk talt uoverkommelig. Med andre ord er det ikke så alt for suspekt å bruke slike laster i praksis.

Høyttalerimpedans:
Mange refererer til en høyttalerimpedans som enkel eller vanskelig, alt etter hvor lavt den går i antallet ohm. Om man måler motstanden i en kondensator vil man få en motstand som går mot uendelig ved 0 Hz, og som går mot null når frekvensen går mot uendelig. For en spole (en ideell spole) vil det hele bli akkurat stikk motsatt. Man kan derfor godt si at en impedanskurve som stiger mot høyere frekvenser er induktiv, og en som synker mot høyere frekvenser er kapasitiv.

En annen egenskap ved disse lastene er at strømmen som passerer gjennom disse er ikke i fase med spenningen. En kondensator vil lede mye strøm når den påtrykkes spenning, men den vil raskt avta og flate ut mot null. Dermed vil den maksimale strømtoppen være over allerede før spenningstoppen. I en spole vil dette være stikk motsatt. Denne er så treg at når først strømmen har kommet skikkelig i gang er allerede spenningstoppen over, og strømmen som går kommer som en forsinket strømtopp etter at spenningstoppen er over.

Fasevinkler:
For de som kan derivasjonsregning er dette ganske enkelt. Man kan se for seg en impedanskurve og regne ut den deriverte kurven av denne (stigningstallet) som følger: Der kurven verken stiger eller synker er stigningstallet lik null. Det vil altså si at den deriverte ligger på null. Der kurven stiger kan vi si at den er induktiv, og stigningstallet, altså den deriverte, er et positivt tall. Der kurven synker kan vi stikk motsatt si at den er kapasitiv og stigningstallet er her et negativt tall. Vi ender da opp med en kurve som varierer mellom null, et maksimalt positivt tall, og et maksimalt negativt tall. Dette er den deriverte av impedanskurven. Den viser den elektriske fasevinkelen, og verdien på Y-aksen er normalt oppgitt i antall grader fasevinkel. I en sinuskurve har man 360 grader fra en signaltopp til en annen, og ved hjelp av den elektriske fasevinkelen kan man enkelt regne ut hvor selve strømtoppen befinner seg mellom spenningstoppene.

Eksempel:
Den mørke kurven viser selve impedansen, mens den lyse kurven viser den elektriske fasevinkelen.



Vi kan også lese mer ut av denne kurven. Avviket (toppen) rundt 1,5kHz gjenspeiler trolig en delefrekvens. Hvordan impedansen blir seende ut rundt delefrekvensen finnes det ingen klare regler for, men et avvik blir det som regel alltid. Videre kan vi se at den har en bassrefleksport, og denne er avstemt til omkring 55-60Hz, med en relativt lav Q. De to impedanstoppene avslører at det er en bassrefleks, og bunnpunktet mellom disse to avslører punktet der systemet er avstemt. Selve bunnpunktet kommer som en følge av at membranens bevegelse er på et minimum, noe som også er en følge av at portens aktivitet er på et maksimum. Grunnen til at jeg sier denne har relativt lav Q er at den elektriske fasevinkelen for dette systemet ikke er av de verste.

Basis innvirkning av dempningsfaktor:
Enkelt fortalt, om man har en forsterker med en dempningsfaktor oppgitt til 80 har man en utgangsimpedans på 0,1 ohm. Som et utgangspunkt kan man si at dette, for ovennevnte impedanskurve, skulle medføre et relativt lite avvik. Om vi ser for oss en ubelastet utgangsspenning på 10 Volt skulle utgangsimpedansen medføre et avvik på 0,17Volt og 0,3W ved 7kHz, mens ved 90Hz skulle avviket være nede i 0,06Volt og ca 0,033 Watt. Med andre ord vil et impedansavvik med forholdet 1/3 fra høyeste til laveste medføre omkring 1/10 i effektavvik. Selve effektavviket i prosent av utgangseffekten er på sin side avhengig av utgangsimpedansen.

Disse avvikene er ikke spesielt godt hørbare, og heller ikke påvirker de frekvensgangen så mye at det gir klare synlige avvik. Hva om vi halverer impedansen og beholder impedansavvikene? I og med at utgangsimpedansen i forsterkeren er beholdt vil det si at det relative spenningsavviket er dobbelt så stort da denne er relativt sett dobbelt så stor som høyttalerimpedansen. Siden impedansen er halvert er også strømmen doblet. Det vil si at både spenning over den indre motstanden og strømmen gjennom den indre motstanden er fordoblet. Dette medfører at effektavvikene er firedoblet. Den relative forskjellen er den samme, men siden de utgjør en større del av den totalt omsatte effekten betyr det at avviket på frekvensgangen er vesentlig større enn i det første eksempelet.

Om vi så kjører med en helt motkoblingsfri forsterker og forsøker å ta et visst hensyn til den elektriske fasen? Forsterkeren ”vet” at den skal levere en spenningstopp tilsvarende 10V RMS, og ved 120Hz ligger altså selve strømtrekket omkring 40 grader før forsterkeren skal levere sin maksimale spenning. Når utgangsspenningen er så mye lavere, men den indre motstanden er uendret fører det til at akkurat i det øyeblikket høyttaleren har behov for strøm er altså selve flaskehalsen utrolig mye større enn hva den er bare noen mikrosekunder senere.

Motkobling:
Problemene med forsterkere uten feilkorreksjon blir raskt ganske åpenbare, og feilkorreksjon kan derfor virke som velgjørende i en hver sammenheng. Imidlertid kan verden ofte fremstilles litt vel forenklet, og dette er et av tilfellene. Motkoblingens oppgave, om man ser litt bakvendt på det, er å regulere forsterkerens forsterkning. Det vil derfor være et mål at denne er så linear som mulig, men man kan ikke uten videre, i en hver konstruksjon, ende opp med en sløyfe som er linjær ved 8 ohm, linjær ved 1 ohm, linjær ved 90 grader kapasitiv last, linjær ved 90 grader induktiv last, linjær ved full effekt og linjær ved alle frekvenser.

Motkoblingen er derfor med på å skape selve forsterkningen, dempningsfaktoren og forvrengningsmønsteret i forsterkeren. Disse, primært de to første, genererer i fellesskap frekvensgangen til forsterkeren, og dersom en av disse to kan påvirkes av lasten vil det også si at lasten kan påvirke frekvensgangen selv om den målte frekvensgangen og den målte dempningsfaktoren er svært gode parametere på papiret.

Hva er så løsningen?
Det er vel ingen som pr i dag gjør krav på å sitte med den komplette og endelige løsningen på dette problemet. Vi snakker her om forsterkerens hoved bidragsyter til avvik i frekvensgang, forvrengning osv, så vi har på en måte beveget oss inn i en av stereoanleggets virkelig store flaskehalser. Det man vel har funnet ut er i hvertfall at om man klarer å fremstille en dempningsfaktor på 50 med lav forvrengning og linear frekvensgang uten bruk av motkobling vil det som regel gi minst like lave avvik som en forsterker med en overdrevent korrigert krets som ender på en dempningsfaktor på 500.

Motkobling = motkobling?
Nei, det settes alt for stort fokus på motkobling eller ikke, men det er mange måter å gjøre dette på og enkelte er uendelig mye bedre enn andre. Hvordan selve sløyfa skal se ut avhenger i stor grad av hvordan forsterkertrinnet ser ut og hvor i forsterkertrinnet denne er koblet inn. Det finnes en rekke patenter og liknende rundt akkurat dette, og mange av patentene tar for seg bruken av en tilsynelatende standard kobling på en ny måte i en allerede også ganske ordinær krets.

Klasse D:
Et tema som også trolig kommer opp i kjølvannet av dette er den reduserte dempningsfaktoren ved høye frekvenser i en klasse D. Det er ikke alle slike konstruksjoner som har slike avvik i like stor grad, men følgene av avviket forblir allikevel intakt. Med andre ord er ikke den ønskede effekten av dempningsfaktoren tilstede dersom denne blir konstruert frem som et ”tall”. Årsaken er simpelt hen at en slik motkobling vil få en eller annen reaktiv karakter i samspill med selve forsterkertrinnet. Dette medfører at motkoblingen vil ha den samme karakteren overfor en gitt last, noe som medfører at sløyfens (motkobling og forsterkertrinn til sammen = sløyfe) forandrer frekvensgang på samme måte som den ville gjort uten motkoblingen ved ulike impedanser.

Klasse D og utgangsimpedans:
Ofte blir det trukket paralleller direkte mellom klasse D og klasse AB når det kommer til utgangsimpedans. Måten man skaper spenningssving i disse er imidlertid svært ulik, og dette påvirker også hvordan utgangsimpedansen svinger. I en klasse AB har man en transistor som opptrer som en variabel motstand. Om man vil trekke strøm utenom dens maksimale spenning vil man ha tilsvarende redusert kapasitet til å levere strøm. I en klasse D jobber transistorene kun som helt åpne og helt lukket. Det sil si at utenom spenningstoppen kan den levere akkurat like store mengder strøm med akkurat like lav utgangsimpedans som ved spenningstoppen.

Temaet er med andre ord ikke av de enkleste, men jeg håper dette belyser noen av de opplevde avvikene mange ser for seg at praktisk talt ikke kan måles. Skal man tolke de parametrene som normalt er oppgitt på effektforsterkere skulle man ikke tro at det var særlig enkelt å høre forskjell på dem. En typisk hørbar effekt av det ovennevnte samspillet mellom forsterker og høyttalerimpedans er en kraftig heving rundt en høyttalers bassrefleks avstemningsfrekvens. Om man, i et simuleringsprogram for høyttalere, legger en motstand i serie med selve høyttalerelementet vil man få samme effekt. Med andre ord betyr veldig mye bass som regel total mangel på kontroll.