Buizen vs Transistoren

Buizen vs Halfgeleiders; inleiding.

Over het vergelijk tussen buizen en halfgeleiders is al veel gezegd en geschreven. De doelstelling die ik altijd hanteer voor de artikelen die ik voor hifi.nl schrijf is begrijpelijkheid. Nu ik bezig ben met een artikel over het vergelijk tussen buizen en halfgeleiders merk ik dat er een inleiding nodig is om opheldering te geven over een aantal zaken waarvan ik gemerkt heb dat er nog altijd misverstanden over bestaan. Bijvoorbeeld, wat is nu precies een klasse “A” versterker? Welke indeling bestaat er in halfgeleiders en wat kun je er precies mee? Daarom dus deze inleiding. Als u het interessant vindt om dit vergelijk tot in detail te volgen dan is het aan te bevelen om dit artikel uit te printen en naast het nog te verschijnen definitieve artikel “buizen vs halfgeleiders; de eeuwige discussie” te houden voor referentie.

Klasse “A”; wat gebeurt er nou precies:

Stel, je wil een versterker van 50 Watt klasse “A” hebben, wat betekent dat dan rekenkundig?
We gaan even uit van 50 Watt uitgangsvermogen bij een belasting van 4 Ohm. Vermogen is spanning maal stroom, of de spanning in het kwadraat gedeeld door de weerstand of de stroom in het kwadraat maal de weerstand. De spanning is dus de wortel uit het vermogen maal de weerstand. De wortel uit 200 in dit geval dus en dat is afgerond 14,14 De stroom die bij die spanning loopt is 14,14 gedeeld door 4 is ruim 3,5 ampère. Het klopt hier ook weer als we deze 3,5 in het kwadraat maal 4 doen dan komen we op 50.
De meeste versterkers zijn volgens het push-pull principe opgebouwd, dat wil zeggen dat er een gelijke positieve en een negatieve voedingsspanning ten opzicht van massa aanwezig zijn. Om nu een sinus golf op de uitgang van de versterker ten opzichte van massa te krijgen is er een serieschakeling van tenminste twee vermogenshalfgeleiders gemaakt. Tijdens de positieve golfhelft wordt de aan de plus hangende halfgeleider aangestuurd en tijdens de negatieve golfhelft de aan de min hangende halfgeleider. In het overgangsgebied van plus naar min wordt dus één van de beide halfgeleiders ‘uit gezet’. Dit ‘uitzetten’ en het overgaan van bijvoorbeeld plus naar min brengt vervorming met zich mee en dit is wat we cross-over vervorming noemen. Om deze vervorming terug te brengen laten we een ruststroom door de halfgeleiders lopen. De truc is nu als volgt; als je de ruststroom maar hoog genoeg maakt, dan schakelen de halfgeleiders ook niet uit en heb je dus geen cross-over vervorming. In mijn rekenvoorbeeld moet je dus tenminste 3,5 Ampère door de powertrap aan ruststroom laten lopen. Er blijft dan altijd een stroom door de beide powerhalfgeleiders lopen en ze schakelen niet meer uit.

Definitie:

Een klasse “A” versterker is een versterker waar de ruststroom door de powertrap altijd groter of gelijk is aan de maximale stroom die door de luidspreker kan lopen bij het gewenste uitgangsvermogen.

Het probleem is echter dat de powerhalfgeleiders in zo’n situatie erg veel warmte kwijt moeten, in dit geval 70 Watt elk. Per kanaal is dat dus 140 Watt en voor een stereo versterker is dat 280 Watt. Je hebt dus flinke koellichamen en een forse voeding nodig om al dit vermogen op de been te kunnen houden. Deze enorme warmtedissipatie en de hoge kosten die al die koelplaten en die grote voeding met zich meebrengen maken dat we meestal kiezen voor een klasse “AB” versterker. De ruststroom is dan vele malen kleiner dan de maximale stroom die door de luidspreker kan lopen en de warmtedissipatie is lang niet zo groot. Door een ruststroom te kiezen die bij zeer lage volumes de boel nog een beetje ‘aan het werk’ houdt kunnen we een dermate laag cross-over vervormingpercentage krijgen dat daar in de meeste gevallen prima mee te leven valt.
Een buizenversterker werkt in principe op dezelfde manier, alleen zit er meestal een uitgangstrafo tussen de powertrap en de luidspreker. Deze trafo heeft een bepaalde impedantieverhouding tussen primair en secundair, zeg 500. De primaire impedantie is dus 500 maal zo hoog als de secundaire. In ons rekenvoorbeeld is dat dus 4 x 500 = 2000. We doen nu even dezelfde berekening als daarnet, maar dan voor een impedantie van 2000 Ohm. De wortel uit 2000 x 50 = 316,2277. Deze spanning gedeeld door 2000 is 0,158 Ampère. De voedingsspanning om met een buizenversterker dit uitgangsvermogen te bereiken zal ongeveer 400 Volt moeten zijn. De warmtedissipatie van de eindbuizen zal dan ongeveer 63 Watt zijn. Er zijn niet zoveel buizen die dit in hun eentje aankunnen dus zal er een parallelschakeling van meerdere eindbuizen toegepast moeten worden.

Buizen vs Transistoren

Halfgeleiders; hoe heten ze en wat zijn specifieke eigenschappen:

Het begon in de jaren ’50 allemaal met de germanium transistor. De stuurbare geleider was ontdekt. Halfgeleider houdt in feite niets anders in dan dat je een hoofdstroom traploos kunt sturen of regelen met een klein stuurstroompje. De relatie tussen dat stuurstroompje en de hoofdstroom noemen we de overdrachtskarakteristiek. Het is van belang voor muziekweergave dat er een lineaire relatie bestaat tussen ingang en uitgang van zo’n regelschakeling, want dat is het in feite. Je hebt een al dan niet gestabiliseerde voeding en je gaat met een regelschakeling, die je met een muzieksignaal kunt moduleren, vermogen van die voeding naar de luidspreker sturen.

Silicium bleek al snel een veel beter materiaal te zijn voor halfgeleiders; er kon veel meer stroom doorheen, het kon onbelast veel meer spanning aan en in bedrijf was het maximale product hiervan, het vermogen, ook veel hoger. De moderne siliciumtransistor is in duizenden verschillende variaties verkrijgbaar, elk met een eigen toepassingsgebied en eigen specificaties. Naast ‘gewone’ transistoren kennen we FET’s. Dit is een afkorting van Field Effect Transistor. Het belangrijkste verschil met een gewone transistor is de wijze van aansturing, dit gebeurt namelijk met een spanning in plaats van een stroom. Eenvoudig gezegd komt het er op neer dat de ingang van een transistor op een vaste spanning staat en de ingangsstroom gemoduleerd wordt, terwijl bij een FET er geen ingangsstroom loopt (alleen een virtuele) en het potentiaal van de ingang gemoduleerd wordt met een spanning.

In de vroege jaren ’70 begon Sony als één van de eerste fabrikanten te experimenteren met varianten op de FET. De V-FET was ontwikkeld en Sony bracht in de late jaren ’70 een serie versterkers met deze V-FET’s uit. Hoewel er bezitters zijn die al jaren probleemloos genieten van deze bijzondere versterkers waren ze al snel berucht om hun instabiliteit. Reparatie was een dure grap en het feitelijke probleem was daarmee niet opgelost. Inmiddels kunnen de nog resterende V-FET versterkers omgebouwd worden naar transistor. Ook niet goedkoop, maar wel een stuk stabieler. Een aantal jaren later kwamen de eerste MOSFET’s. Dit staat voor Metal Oxyde Semiconductor FET. Hoewel ook deze componenten aanvankelijk met stabiliteitproblemen kampten kwam Hitachi met een reeks types die al snel populair werden vanwege hun betrouwbaarheid en de eenvoud waarmee met deze componenten een relatief goede en zware versterker gebouwd kon worden. Bekend zijn de types 2SJ50 en 2SK135. Inmiddels is ook deze serie weer vervangen door nog betere exemplaren.

Zoals ik al eerder beschreef zijn de meeste versterkers rond eenzelfde principe opgebouwd; ze bevatten een symmetrische voeding. Zo’n voeding levert een bepaalde positieve en negatieve spanning ten opzichte van massa, bijvoorbeeld + en – 40 Volt. Je kunt dan vrij eenvoudig een zogenaamde DC-gekoppelde versterker bouwen, dat wil zeggen dat de luidspreker in principe rechtstreeks aan de versterker gekoppeld wordt. Meestal zit er nog een beveiligingsschakeling in met een relais wat de luidsprekers uitschakelt als de versterker defect raakt. Omdat we echter alleen maar een wisselspanning op de luidspreker willen zetten, en wel een versterkte versie van het aan de ingang aangeboden muzieksignaal, en absoluut geen gelijkspanning omdat dit de luidsprekers ernstig kan beschadigen, moeten we een oplossing vinden om het gelijkspanningsniveau van de uitgang van de versterker op nul te houden ten opzichte van massa. Dit gebeurt met behulp van een zogenaamde verschilversterker. Zo’n schakeling heeft twee ingangen en wil altijd hetzelfde gelijkspanningsniveau aan beide ingangen zien. Aangezien één ervan de ingang van de versterker vormt en de ander via een weerstandsnetwerk aan de uitgang, wordt door dit schakelingetje de gelijkspanning (DC-offset) aan de uitgang op nul gehouden. Op dit thema zijn een aantal varianten mogelijk, maar het basisprincipe zie je elke keer weer terug komen. Met dit basisprincipe kun je heel mooie versterkers bouwen en de klankmatige resultaten worden in grote mate beinvloed door de kwaliteit van de gebruikte componenten en de fysieke opbouw van de versterker, maar dat geldt ook voor buizenversterkers. Met name de laatste tijd zie je in buizenland weer de single ended klasse “A” triodeversterkers opkomen. Het uitgangsvermogen is gering, de gebruikte buizen exotisch en daarmee peperduur, de meetresultaten pover, maar het geluid is geweldig. Hoe kan zoiets nou? Gitaristen vinden buizenversterkers ook mooi, maar het klinkt naar niets als je gitaar zou spelen over een hifi buizenversterker en evenmin klinkt een gitaarversterker goed als je hem voor hifi zou gebruiken. De technische verschillen worden uitgebreid uit de doeken gedaan in een boek getiteld “Buizenversterkers”. Het is geschreven door Rainer zur Linde en het is verkrijgbaar via de uitgeverij Elektuur. Ik wil u dit boek van harte ter lezing aanbevelen. Ik wil hier dan ook niet al te diep ingaan op deze verschillen, maar het komt er op neer dat een gitaarversterker in feite een verlengstuk van de instrument zijn, terwijl een hifi versterker in principe neutraal dient te zijn. Toch dringt zich de gedachte op dat dat bij een buizenversterker niet het geval is en dat de subjectieve mooiheid die we ervaren een ‘mooi van slechtheid’ is.