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.
