Meten met een versterker

We gaan als voorbeeld een versterker meten. De versterker op de foto hiernaast heb ik gebouwd in 2019. Het is een Single-Ended versterker met Trans technologie. Het schema is te vinden op deze site onder Projecten. Ir. Menno van der Veen heeft hierover ook een artikel geschreven in Audio-Express. Klik hier voor het artikel. Het enigste verschil is, dat ik hem gebouwd heb met een kathode weerstand aan de eindbuis. Dus ik kom niet verder dan max. 8 Watt uitgangsvermogen. Trans is een spanning gestuurde stroombron waardoor de eindbuis 100% lokaal tegengekoppeld wordt. Hierdoor wordt de uitgangsimpedantie van de eindbuis zeer laagohmig. Daardoor wordt de uitgangstrafo extreem goed aangestuurd. Dit is vooral goed te merken aan de lage tonen. Die worden strak en precies. De detailrijkdom in het midden en hoog nemen toe, en de vervorming neemt af.

 

De eerste metingen gaan we doen met een oscilloscoop en een functiegenerator.

Wat gaan we o.a. meten aan deze versterker met een oscilloscoop:

  • maximaal vermogen
  • Frequentiebereik (hier kan een geluidskaart tegen zijn beperking aanlopen vanwege de "Sampling Rate")
  • Faseafwijking UGT 
  • Kernverzadiging UGT
  • Resonanties

Voordat we gaan meten sluiten we de versterker aan op een NIET geaard stopcontact. We willen geen dubbele aardbanen creëren tijdens het meten. Dat kan brom opleveren, of misschien zelfs kortsluiting. Andersom mag ook. Meetapparatuur NIET op netaarde aansluiten en de versterker wel. Het eerste heeft mijn voorkeur. 

Het maximale vermogen van deze versterker is precies 8 Vrms@1kHz (de versterker moet hier iets teruggedraaid worden om weer een mooie sinus aan de bovenkant en onderkant te krijgen). Met een impedantie van 8 Ohm aangesloten (dummyload) kom je uit op precies 8 Watt. Want 8 Vrms x 8 Vrms / 8 Ohm= 8 Watt bij 1 kHz.

We gaan nu het -3dB frequentiebereik meten. Waarom -3 dB? Omdat een verschil van -3 dB voor ons gehoor net hoorbaar is. We beginnen met de middelste foto. Dat is de referentie. Scoop afstellen met 1V per divisie met een sinus van 1 kHz.  Dan volume opdraaien tot 2,83 Vrms (8Vpp). Nu niet meer aan de volumeknop komen. Het doet er nu even niet toe of je een impedantie van 4 of 8 Ohm hebt aangesloten op de versterker, want we gaan alleen het frequentiebereik meten en niet het vermogen. Nu gaan we alleen de frequentie zover omlaag draaien totdat we 2 Vrms (5,6Vpp) bereiken. Dat is ten opzichte van 2,83 Vrms -3 dB. Dat is bij deze versterker 13 Hz. Hetzelfde doe je bij de hoge frequenties. Dat is 46 kHz bij deze versterker. 

Met andere woorden, het -3 dB frequentiebereik van deze versterker loopt van 13 Hz tot 46 kHz. Dat ligt mooi buiten ons gehoorgebied (20 Hz tot 20 kHz).

Maar we zijn er nog niet. We gaan ook op zoek naar resonanties. Drijf de Frequentie eens verder op, en kijk of er ergens weer een signaal toename is. Ga rustig naar het MHz bereik, want ook daar kunnen resonanties voor komen. Resonanties rondom de -10dB ten opzichte van het 1 kHz signaal zijn niet erg, noem het schoonheidsfoutjes. Signalen groter dan 0 dB (ten opzichte van het 1kHz signaal) moeten opgeheven worden. Ze slurpen de voeding leeg, en de versterker kan gaan brommen. 

Kernverzadiging meten:

Nu stellen we de versterker weer af op maximaal vermogen (8 Vrms@1 kHz),en draaien we de frequentie omlaag totdat de UGT in de verzadiging schiet. Ook hier niet aan de volumeknop komen. Alleen de frequentie omlaag draaien. De voorbode bij SE versterkers is als op de foto hiernaast. Maar dit is nog geen kernverzadiging van de trafo.

Dit is een eenzijdige onderafvlakking bij SE versterkers bij max. vermogen. Dit begint bij deze versterker op 38 Hz. Op de foto staat 32 Hz, maar dat is om het duidelijker zichtbaar te maken.

Deze afvlakking heeft niks te maken met kernverzadiging van de UGT. Dit komt omdat de stroom en de spanning over de primaire wikkeling niet meer in fase zijn. De belastinglijn bij de lage tonen is niet meer een lijn maar wordt ellipsvormig, en loopt vast aan de onderkant op de nullijn.

Nu de frequentie nog verder omlaag draaien tot op de foto hiernaast.

Dit is kernverzadiging. Op maximaal vermogen (uitgangspunt 8Vrms@1kHz) is dat bij deze versterker 28 Hz.

En dan nu Arta. Wat gaan we meten met Arta:

  • Totale Harmonische Vervorming  (SPA)
  • Frequentiebereik in grafiekvorm (voor zover dat mogelijk is) en hoeveelheid versterking van versterker (FR2)
  • Voedingsresten en resonanties (IMP samen met BURST DECAY)

ARTA-SPA. Draai de volumeknop van de versterker volledig open, en hier voorlopig even niet meer aankomen. Waarom is dat? Omdat we later in FR2, en ook eventueel in STEPS de versterkingsfactor op een goede manier kunnen meten. Als je de potmeter van het Arta-kastje volledig open zet en je regelt met de volumeknop van de versterker de 1 Watt instelling (+6dBV bij 4 Ohm of +9dBV bij 8 Ohm) af dan krijg je een onjuiste meting van de versterkingsfactor van je versterker.

  • Linker of rechter uitgang van de versterker aansluiten met een dummyload op de Left Input van het Arta kastje.
  • De linker of rechter ingang van de versterker aansluiten aan Left Output  van het Arta kastje.
  • De rechter schakelaar op ON zetten en de linker schakelaar op OFF (zie foto).Dit is nodig om te kunnen meten met FR2 en later ook met STEPS (Dual channel meting).
  • De left gain op 0,1 zetten en de rechter gain op 1 laten staan. Dit ook zo afstellen op de computer.

Gemeten op 1 Watt heeft deze versterker een THD+N van 0,049%. Een mooie waarde voor een buizenversterker. Daardoor zijn er veel details te horen. Dit is mede te danken aan de TRANS technologie in deze versterker.

Verder valt op dat er bijna geen voedingsrimpel te zien is. Het piekje bij 100 Hz is te verwaarlozen evenals het piekje van 50 Hz. Omgerekend in spanning is -90 dBV  0,03 mVrms.

De versterker is dan ook doodstil. Dit komt mede door de schakeling van de voeding.

Bij het omrekenen van dBV naar Vrms  gebruik ik altijd deze makkelijke site. Je moet dan wel de referentie goed hebben.

ARTA-FR2. Hier zien we 2 dingen. Frequentiebereik en de hoeveelheid versterking in dB V/V.

Met de oscilloscoop hadden we het -3 dB Frequentiebereik op 13Hz gemeten. Het klopt dus wat we gemeten hadden. Hetzelfde geldt voor de hoge tonen. De oploop helemaal rechts is dat de geluidskaart tegen zijn beperking aanloopt.

Het 2e wat we zien is de hoeveelheid versterking. Die levert op 1 kHz een versterking van 29,71 dB V/V. Als we dat omrekenen naar spanning, en dan ga ik weer even naar de makkelijke site, dan krijg ik 30,58 Vrms per 1 Vrms ingangsspanning (dB V/V). De versterker versterkt dus 30,58x.

ARTA-BURST DECAY. Hier valt niet zoveel over te vertellen. Dit is helemaal goed. Geen resonanties en voedingsresten te zien.

Om dit te krijgen moet je hiervoor moet je eerst een impulsmeting doen. Klik hiervoor op "IMP" en vervolgens klik je op de rode pijl. Het veld dat nu opent selecteer je "SWEEP", en bij "number of Averages" vul je bv. 5 of meer in, je krijgt dan een gemiddelde impulsmeting. Vink ook "close after recording" aan. Dan sluit het veld automatisch als het klaar is met de impulsmeting. 

Klik nu bovenin  op het icoontje "Burst decay".

Meten in Steps. Wat gaan we we meten in Steps.

  • Harmonische vervorming als functie van de frequentie.
  • Harmonische vervorming als functie van de Amplitude. 
  • Meten van de Lineariteit van een versterker.

 

STEPS. In Steps gaan we stapsgewijs het frequentiebereik doorlopen. Tegelijkertijd wordt de vervorming gemeten over het frequentiebereik.

Hiernaast zien we weer het Frequentiebereik van de versterker (bovenste lijn).De onderste lijnen zijn de 2e en 3e harmonische vervormingen. Een eerste verkenning van de vervorming bij een bepaalde Frequentie in dB V/V.

 

STEPS-DISTORTION v. FREQUENCY. Hier zien we de hoeveelheid vervorming per Frequentie procentueel gezien. Klik hiervoor op het icoontje D%. Dit kun je openen als je het Frequentiebereik stapsgewijs hebt doorlopen. De even harmonische is buisvervorming en de oneven harmonische is kernvervorming van de UGT. We beperken ons tot de 2e en 3e harmonische. 

De 2e harmonische vervorming (grijze lijn) is buisvervorming. Hoe lager de vervorming hier is, hoe meer details er te horen zijn. Trans technologie weet dit goed te onderdrukken.

Bij de 3e harmonische (rode lijn) heeft de vervorming van de uitgangstrafo de overhand. De trafo werkt mooi lineair over het frequentiegebied en de vervorming is mooi laag. Ergens rond de 0,05%. Beneden de 50Hz begint de vervorming op te lopen.

STEPS-DISTORTION vs. AMPLITUDE. Deze functie vinden we onder "record". We geven hier steeds meer uitgangssignaal (horizontale lijn, x-as) bij een bepaalde Frequentie, en meten de vervorming hiervan. We kijken hier vooral naar het gedrag van de UGT. De onderste rode lijn is de referentie van 1 kHz. Die heb ik zo afgesteld dat de "start Value" van het signaal net hard genoeg is dat het net boven de ruisvloer van de geluidskaart en versterker uitkomt. Je kan dat zien doordat de lijn recht wordt en niet een grimmige lijn (zaagtand). De lijn komt het veld binnen als de lijn recht wordt. De “stop Value” is zo ingesteld dat het signaal stopt bij maximaal vermogen (8Vrms@1kHz). De 1 kHz toon heeft bij 8 Vrms een vervorming van 1,5%. Een mooie waarde. Hier kun je goed zien dat hoe lager de Frequentie hoe eerder de UGT instort.

De groene lijn met de naam untitled is 40 Hz.  De meeste UGT's worden berekend op 40 Hz. Dat heeft te maken met de grootte van de kern en de meeste muziek komt toch niet veel lager dan 40 Hz.

STEPS-LINEARITY TEST. Hier kijken we hoe lineair de versterker zich gedraagt bij een gegeven frequentie en ook hoe met name de UGT's zich houden. De verticale as is de hoeveelheid versterking, de horizontale as is de ingangsspanning. De referentie is weer 1 kHz. De versterker versterkt hier 30x. Dit houdt hij vol tot ongeveer 0,27 Vrms  ingangsspanning. Daarna stort hij in. Omgerekend is dat 8,1 Vrms aan de uitgang. Bekend getal of niet?

  • 40 Hz doet het net zo goed, alleen de versterking is iets afgenomen, ongeveer 28x. Omgerekend is dat 7,5 Vrms. 
  • De lineariteit op 30 Hz is ook niks op aan te merken. Heel mooi. Houd het ook vol tot 0,27 Vrms.
  • Op 20 Hz begint de versterker het moeilijk te krijgen. De versterking is wat lager en hij stort eerder in. Hoe dichter bij de 1kHz lijn qua versterking, hoe groter de zelfinductie van de UGT.
  • 10 Hz is niet zo van belang. Is ter vergelijk. 

Meten met LIMP. Wat gaan we meten in Limp.

  • Uitgangsimpedantie versterker

LIMP- UITGANGSIMPEDANTIE. Nu gaan we de uitgangsimpedantie meten van de versterker meten. Daarvoor moeten we eerst kalibreren.

Sluit niets aan op het ARTA-2 meetunit. Zet beide knoppen op stand 1 en beide schakelaars op ON. Volume knop op stand "CAL". Koppel C schakelaars op DC zetten.

Open LIMP en druk op de knop "CAL". In het veld "calibrate" zet de "number of averages" op 10 en druk op "calibrate". Nu ben je klaar om te meten.

We gaan eerst een kabel meten. Sluit een kortgesloten kabel aan op de Left Input van de Arta Unit. Dat moet natuurlijk de kabel zijn waarmee je later de versterker gaat meten. Druk op de rode pijl, en kijk wat de impedantie is. Dat moet er ongeveer uitzien als hiernaast op de foto. Stop de meting, en druk vervolgens op de knop "RLC" en noteer beide waardes. LET OP : de waarde staat hier in mOhm. Ga vervolgens naar "Setup" en dan "Cable Compensation" en vul de waardes in die je genoteerd hebt in Ohm. Vink het vakje aan, en de kabelweerstand wordt straks automatisch afgetrokken van de meting.

Sluit nu alleen de kabel aan aan de uitgang van de versterker maar zonder de dummyload. Ook niets aan de ingang aansluiten. Draai de volumeknop van de versterker dicht of kortsluit de ingang en druk op de rode pijl, en als het goed is krijg je zoiets als de foto hiernaast. De uitgangsimpedantie van deze versterker zit op 1,3 Ohm@1kHz.

Nu kun je ook de Dempingsfactor uitrekenen. Dat is  8 Ohm / 1,3 Ohm= DF 6,15@1kHz

Dit is voor zover het meten van een versterker. Ik hoop hiermee een kleine leidraad te hebben gemaakt voor iedereen die ook maar iets te maken krijgt met het meten van versterkers.

Maar je kunt meer met Arta. Ik gebruik Arta veel en dan met name SPA om een buisje in te stellen. Ik zoek dan combinaties van Anode en/of Kathode weerstanden die 'on the fly' de minste vervorming opleveren. Dankzij de ingebouwde  koppelcondensatoren van de ARTA-Meetunit  kan ik direct aan de uitgang van een buisje meten. Heel handig.

Je kan ook de RIAA curve van een Phono pre-amp meten of afstellen. Je kan de anti-RIAA zipfile downloaden op de ARTA site. Klik hier om de RIAA_MIC.zip te downloaden. Dan uitpakken ergens op je computer. Vervolgens ga je naar ARTA en dan onder "Spa", "Setup", "FR compensation", het bestandje loaden.  Dan vink je "Use for frequency response compensation"  en "Use for Spectrum" aan. Dit moet je ook doen als je STEPS gaat gebruiken. Nu ben je klaar. Als je nu de RIAA curve gaat meten moet het in het ideale geval weer een rechte frequentiecurve zijn.