Hi-Fi Skolen del 7

I den allerførste del af Hi-Fi Skolen lærte vi forstærkeren at kende udefra – alle knapperne, indgangene og udgangene. I skolens syvende lektion vender vi tilbage til gerningsstedet og ser på, hvad der foregår inde i forstærkeren.

Rør eller transistorer?

Forstærkere bygges efter to vidt forskellige principper: med radiorør eller med transistorer som de forstærkende elementer. Begge teknologier har deres egne styrker, svagheder og unikke lydmæssige fingeraftryk.

Rørforstærkeren

Rørforstærkeren er den oprindelige teknologi. Her sendes musiksignalet gennem glødende elektronrør, der fungerer som små forstærkere. Rørene skal varmes op for at fungere, og de har en begrænset levetid, men deres særlige karakteristika er højt skattede af mange entusiaster.

En afgørende komponent i næsten alle rørforstærkere er udgangstransformatoren. Rør arbejder med en meget høj impedans (tusindvis af ohm), mens højttalere har en lav impedans (typisk 4-8 ohm). Transformatoren fungerer som en elektrisk “gearkasse”, der matcher de to og sikrer en effektiv effektoverførsel.

Denne transformator er ofte den dyreste og mest lyd-definerende del af forstærkeren. Kvaliteten af den bestemmer i høj grad bassens tyngde og diskantens luftighed og er en vigtig kilde til rørforstærkerens unikke lydsignatur.

Rørlyd

Når en rørforstærker presses til sin grænse, begynder den typisk at forvrænge gradvist, men blødt. Denne bløde kompression kan være mere behagelig for øret end den bratte forvrængning fra mange transistorforstærkere.

Desuden er den type forvrængning, et rør producerer, stærkt afhængig af designet. Specielt i simple “single-endede” Klasse A-designs dominerer de såkaldte lige harmoniske overtoner, som musikalsk er beslægtet med grundtonen og kan opfattes som en tilføjet varme og fylde. Det er denne klangkarakter, mange forbinder med den klassiske “rørlyd”. I mere kraftfulde “push-pull” rørforstærkere reduceres denne type forvrængning, og her bliver lyden ofte mere neutral.

Transistorforstærkeren

Transistorforstærkeren bruger halvlederteknologi til at forstærke signalet. Transistorer er mere effektive, udvikler mindre varme, og kan levere store mængder kraft. I modsætning til radiorør, der slides op ved brug, har transistorer en meget lang levetid. De har ikke brug for en udgangstransformator og kan drive højttalere direkte, hvilket potentielt fjerner en kilde til farvning af lyden.

Når en transistorforstærker presses til grænsen, forvrænger den typisk mere brat med “hård” klipning. Forvrængningen domineres af ulige harmoniske overtoner, som af øret kan opfattes som hårdere eller mere kliniske end rørforvrængning.

Hybridforstærkeren

For at kombinere det bedste fra begge verdener bygger nogle producenter såkaldte hybridforstærkere. Her bruges typisk et rør i forforstærker-trinet for at give lyden den eftertragtede varme og glød, mens der i effekttrinet bruger transistorer til at levere rigelig kraft og solid kontrol over højttalerne.

Et andet eksempel på samme opdeling er, når man i et forstærkersæt med separate komponenter vælger at bruge rør til forforstærkeren, men transistorer til effektforstærkeren.

Forstærkerklasser – effektivitet kontra lyd

Alle forstærkere er inddelt i klasser, der beskriver den grundlæggende måde, forstærker-komponenterne (rør eller transistorer) arbejder på. Selvom der findes mange bogstaver i klasse-alfabetet, kan man forstå næsten alle forstærkere ved at kende de tre fundamentale principper: Klasse A, Klasse AB og Klasse D.

Disse tre repræsenterer hver sin designfilosofi: fra den lydmæssigt kompromisløse, men ineffektive Klasse A, over det udbredte og praktiske kompromis i Klasse AB, til den moderne og højeffektive Klasse D-teknologi.

Imens arbejdsprincipperne klasse A og AB bruges på både rør- og transistorforstærkere, er klasse D-forstærkere kun mulige med transistorteknologi.

Klasse A

I en klasse A-forstærker trækker de forstærkende elementer (transistorer eller rør) konstant en høj strøm. Også når der ikke spilles musik.

Fordelen er ren og detaljeret lyd, hvor man undgår den såkaldte crossover-forvrængning. Det er en type forvrængning, der opstår i Klasse AB-kredsløb, når signalet krydser nulpunktet, og et sæt transistorer skal overtage fra et andet. I Klasse A håndterer de samme transistorer hele signalet, så der er ingen “overlevering”. Ulempen er højt strømforbrug og en betydelig varmeudvikling.

En transistorbaseret 2 x 50 watt klasse A-forstærker bruger typisk omkring 800 watt kontinuerligt fra elnettet. Heraf skal hovedparten ledes væk som varme. Som et kuriosum producerer en klasse A-forstærker faktisk mindst varme, når den spiller på fuld styrke, da en større – men stadig minimal – andel af effekten afsættes i højttalerne.

Klasse AB

Selv om klasse A er elsket for dens klang, arbejder de fleste klassiske transistorforstærkere i klasse AB. Her er forstærkerelementerne kun delvist aktive i tomgang og øger aktiviteten efter behov.

Dette er et kompromis mellem klasse A’s lydkvalitet og praktiske hensyn som strømforbrug og varmeudvikling. Mange high-end Klasse AB-forstærkere benytter desuden en høj tomgangsstrøm (bias), så de reelt arbejder i ren Klasse A ved lave lydstyrker, for at kombinere det bedste fra begge verdener.

Også rørforstærkere kan opbygges i både klasse A og AB. Og selvom teknologien er forskellig, kan en rørforstærker, hvor to rør i push-pull-konfiguration dækker hver sin halvdel af signalet, lide under crossover-forvrængning.

En transistorbaseret klasse AB-forstærker på 100 watt bruger typisk 20 watt i tomgang og op til omkring 300 watt ved fuld belastning.

Klasse G og H

Ud over hovedklasserne A og B findes der opfindsomme varianter som klasse G og H. De er i bund og grund optimerede klasse AB-designs, der forbedrer effektiviteten markant. Ved at bruge en adaptiv strømforsyning, der kun leverer den nødvendige høje forsyningsspænding, når der i et kort øjeblik er brug for den, men ellers arbejder ved lavere spænding, minimerer de spildvarmen uden at gå på kompromis med den analoge lydkvalitet.

Klasse D

Klasse D-forstærkere kaldes ofte fejlagtigt for digitale, men er i virkeligheden en type lynhurtig analog forstærker.

Princippet er at omdanne det analoge musiksignal til en serie af højfrekvente pulser, hvor pulsernes bredde (varighed) nøjagtigt afspejler signalets oprindelige kurve (en teknik kaldet PWM, Pulse-Width Modulation). Disse pulser tænder og slukker forstærkertransistorerne lynhurtigt. Fordi transistorerne enten er helt tændte eller helt slukkede, udvikles der næsten ingen spildvarme.

Efter denne meget effektive forstærkning filtreres de højfrekvente pulser fra, så kun det rene, forstærkede musiksignal er tilbage.

Fordelen er høj effektivitet. Op til 95% af den effekt, der kommer ind i forstærkeren fra strømforsyningen, omdannes til lyd. En klasse D-forstærker på flere hundrede watt kan dermed fungere med en kompakt strømforsyning, og den kræver ikke store køleplader til at lede spildvarmen væk.

Tidligere havde klasse D ry for kold og kunstig lyd, men moderne kredsløb kan lyde lige så naturlige som analoge forstærkere. Det gælder for eksempel de danskudviklede Purify Eigentakt-moduler, der blandt andet bruges af NAD i modellerne M33 og C 298.

Power DAC

En Power DAC tager den effektive Klasse D-teknologi et skridt videre ved at smelte DAC’en og effektforstærkeren sammen. I stedet for først at lave et digitalt signal om til analog, tager en Power DAC det digitale signal direkte fra kilden og omdanner det via en avanceret processor til et kraftigt pulstog (PWM), der kan drive højttalerne.

Hele processen holder signalet i det digitale domæne så længe som muligt. Denne korte og direkte signalvej er den store fordel, da den reducerer antallet af komponenter og konverteringer, der kan tilføre støj og forvrængning. Forskellen til en almindelig Klasse D-forstærker er altså simpel: en Power DAC har et digitalt input, hvor Klasse D har et analogt. De nyere Bluesound PowerNode-forstærkere, som N330, er eksempler på Power DACs.

Balanceret drift: To forskellige koncepter

I Hi-Fi bruges begrebet “balanceret” om to forskellige ting, der ofte forveksles: signaloverførsel mellem apparaterne og selve forstærkerens interne kredsløbsopbygning.

Balanceret signaloverførsel (XLR-kabler) handler om at transportere et musiksignal fra ét apparat til et andet (f.eks. fra DAC til forstærker) uden støj. Signalet sendes i to versioner gennem kablet: en normal og en i modfase. Støj, der opfanges på vejen, vil være ens på begge ledere. I modtager-apparatet vendes modfase-signalet tilbage og lægges sammen med det normale. Herved annulleres støjen, mens musiksignalet fordobles. Det er især effektivt ved lange kabeltræk. I den professionelle lydverden kan der være adskillige kilometer balancerede kabler i et lydstudie.

Fuldt balanceret forstærkerdesign Dette refererer til forstærkerens interne kredsløbsarkitektur. En fuldt balanceret forstærker behandler signalets positive og negative halvdele i to helt separate og spejlvendte kredsløb fra indgang til udgang. Da alle kredsløb er indbyrdes spejlede, kræver det dobbelt så mange komponenter og er en dyrere og mere puristisk tilgang, der potentielt kan give endnu lavere forvrængning og bedre kanalseparation.

En forstærker kan altså godt have balancerede XLR-indgange uden samtidig at være fuldt balanceret indeni, ligesom en fuldt balanceret forstærker stadig vil være udstyret med ubalancerede RCA-indgange som supplement til de balancerede XLR.

Brokobling: Skab din egen balance

Nogle stereoforstærkere kan “brokobles”, sådan at begge kanaler arbejder sammen om at drive én enkelt højttaler, hvilket giver en dramatisk effektforøgelse.

Sådan virker det: Internt i forstærkeren inverteres signalet til den ene kanal. Højttaleren tilsluttes så mellem de to positive (+) terminaler. Herved arbejder den ene kanal i modfase med den anden, hvilket fordobler spændingen over højttaleren. Da effekt er proportional med kvadratet på spændingen (P=V2/R), er den teoretiske effektforøgelse fire gange den oprindelige. Men da teoretisk ideelle forstærkere, der giver præcis den dobbelte effekt, når højttalerens impedans halveres, kun findes i teorien, er den praktiske effektforøgelse ofte omkring tre gange. En 100-watts stereoforstærker kan således levere omkring 300 watt som monoblok.

En ekstra bonus er, at brokobling i praksis skaber en fuldt balanceret forstærker. De to kanaler arbejder præcis som de to separate halvdele i et ægte balanceret design, hvor højttaleren drives i en balanceret “push-pull” konfiguration. Det er en elegant måde, hvor man kan opnå både høj effekt og følge principperne fra balanceret drift.

Prisen for kraften er for det første, at forstærkeren belastes hårdere, da den “ser” en halveret impedans fra højttaleren. En 8-ohms højttaler belaster hver kanal som en 4-ohms højttaler. Og har man en 4 ohms højttalere skal man lade være med at tilslutte til en brokoblet forstærker.

Stereoforstærkeren bliver forvandlet til mono, og man skal bruge to identiske, brokoblede forstærkere for et stereosystem.

Strømforsyningen

En temmelig overset, men aldeles afgørende del af forstærkeren er strømforsyningen. For at levere et konstant uforvrænget signal og tilstrækkelig med effekt er der brug for, at strømforsyningen leverer en helt ren spænding – og masser af strøm. Her findes to hovedtyper: Den lineære og switched mode-strømforsyningen.

Den lineære strømforsyning bruger en stor, tung transformator til at omdanne netspændingen fra 230V til de lavere spændinger, kredsløbet skal bruge. Efter transformeren bliver vekselstrømmen ensrettet til jævnstrøm, som derefter lagres i store kondensatorer. Disse kondensatorer fungerer som et strømreservoir, der lynhurtigt kan levere energi, når musikken kræver det, f.eks. til et kraftigt slag på en stortromme.

Fordelen ved en velbygget lineær strømforsyning er dens principielle enkelthed og lave elektriske støj. Ulempen er den høje vægt, fysiske størrelse og prisen, der følger med de store komponenter. I en gammeldags stereoforstærker kan man direkte mærke kvaliteten og råstyrken ved at løfte på kabinettet. Jo tungere, desto bedre.

En switched mode-strømforsyning er mere kompleks, men langt mere effektiv. Her bliver netspændingen fra stikkontakten først ensrettet til en høj jævnspænding. Denne jævnspænding bliver så “hakket i stykker” af lynhurtige transistorer til en højfrekvent vekselstrøm. Først derefter sendes strømmen gennem en transformator, der på grund af den høje frekvens kan være utrolig lille og let. Til sidst bliver strømmen ensrettet og filtreret igen.

Tidligere var switched mode-strømforsyninger plaget af højfrekvent støj, der kunne forurene musiksignalet. Men moderne designs er blevet så støjsvage og stabile, at de i dag bruges i mange high-end-forstærkere. De arbejder også ved langt højere frekvenser – og til flere hundrede kilohertz, hvilket bringer arbejdsfrekvensen langt væk fra det hørbare signal i forstærkeren. En yderligere fordel ved switched mode er-forsyninger, at de ofte er regulerede, hvilket vil sige, at de leverer en helt stabil spænding, uanset hvor hårdt forstærkeren arbejder.

Dæmpningsfaktor – kontrollen over membranen

Dæmpningsfaktoren er et mål for, hvor godt forstærkeren kan kontrollere højttalerens membran. Når en slaget på en stortromme slutter, skal membranen stoppe øjeblikkeligt – ikke fortsætte med at svinge.

Dæmpningsfaktoren måles som forholdet mellem højttalerens impedans og forstærkerens udgangsimpedans. En højttaler på 8 ohm og en forstærker med udgangsimpedans på 0,1 ohm giver en dæmpningsfaktor på 80.

Høj dæmpningsfaktor betyder stram baskontrol og præcist lydbillede. Lav dæmpningsfaktor kan lyde løsere og mere musikalsk, men også mere upræcist.

Rørforstærkere har typisk lavere dæmpningsfaktor (10-20) end transistorforstærkere (50-500), hvilket er en af grundene til deres forskellige lydkarakter og en del af forklaringen på, at den samme rørforstærker kan lyde forskelligt på forskellige højttalere.

Den virkelige verdens dæmpningsfaktor

Selvom dæmpningsfaktoren beregnes ud fra forstærkeren alene, er det i den virkelige verden summen af modstanden i både forstærkeren, kablet og især højttalerens delefilter, der bestemmer den reelle kontrol over membranen.

Specielt den spole (eller, i stejle delefiltre, de spoler), der leder signalet til basenheden, har gennem de mange meter kobbertråd en indre modstand, der ofte er langt større end forstærkerens egen udgangsimpedans.

Det betyder, at når først den samlede modstand fra delefilter og kabel kommer med i regnestykket, bliver den praktiske forskel mellem en forstærker med en dæmpningsfaktor på 200 og en på 1.000 ofte akademisk lille.

En tilstrækkeligt høj dæmpningsfaktor er vigtig for stram bas, men jagten på ekstreme tal i specifikationerne er sjældent den hellige gral, når først højttaleren er tilsluttet. I hvert fald så længe vi taler om passive højttalere. I en aktiv højttaler, hvor hver højttalerenhed er forbundet direkte til sin egen forstærker, kan man opnå en langt højere reel dæmpningsfaktor.

Forvrængning – når lyden går i stykker

Forvrængning opstår, når forstærkeren ikke kan gengive signalet perfekt. Ideelt set skulle der kun komme det rene musiksignal ud, men i praksis tilføjer ethvert kredsløb i signalvejen altid en smule forvrængning og støj. De vigtigste mål for dette er THD+N og IMD.

THD+N (Total Harmonic Distortion + Noise)

Denne måling angiver den samlede mængde uønsket signal, en forstærker tilføjer. Den består af to dele:

• THD (Harmonisk forvrængning): Måler, hvor meget forstærkeren tilføjer harmoniske overtoner. Spiller du en 1.000 Hz tone, måler THD mængden af 2.000 Hz, 3.000 Hz osv.
• N (Støj): Måler forstærkerens grundstøj – en blanding af susen fra elektronikken og eventuelt brum fra strømforsyningen.

Moderne forstærkere har typisk THD+N under 0,1%. Selvom tallet er lavt, er det vigtigt, da især visse typer forvrængning kan være hørbare selv ved lave niveauer.

IMD – Intermodulationsforvrængning

IMD opstår, når to eller flere toner blandes og skaber nye, uønskede toner. Hvis du spiller 1.000 Hz og 1.100 Hz samtidig, kan forstærkeren skabe en tone på 100 Hz (forskellen) eller 2.100 Hz (summen).

Intermodulationsforvrængning er ofte mere hørbar end harmonisk forvrængning, fordi de nye toner ikke har nogen naturlig sammenhæng med musikken.

Lave forvrængningstal er godt, men de skal måles ved realistiske betingelser. En forstærker kan have lav forvrængning ved 1 watt, men høj forvrængning ved fuld effekt. Eller vice versa, når det handler om crossoverforvrængning i klasse AB-forstærkere, der er en konstant uanset styrken på signalet og dermed mest hørbare ved lav effekt.

Klipning: Den festlige højttaler-dræber

Uanset forstærkertype opstår klipning, når man presser den ud over dens effektgrænse. Den del af musiksignalet, der overstiger forstærkerens maksimale niveau, bliver simpelthen kappet af. Jo mere forstærkeren overstyres, desto mere nærmer det klippede signal sig en firkantbølge.

En ren firkantbølge består harmonisk set af grundtonen plus en stor mængde kraftige, ulige overtoner. Dette har en farlig konsekvens for dine højttalere. I et normalt musiksignal ligger langt det meste af energien i bas- og mellemtoneområdet. Men når forstærkeren klipper voldsomt, skaber den en enorm mængde kunstig, højfrekvent energi i form af disse overtoner.

Denne energi sendes direkte til højttalerens diskantenhed, som slet ikke er bygget til at håndtere så meget effekt. Resultatet er, at diskantens fine svingspole hurtigt overopheder og brænder af. Den vigtigste årsag til defekte diskanter er ikke for store forstærkere, men for små forstærkere, der presses til at klippe, når der bliver skruet op for lydstyrken i de senere timer til festen.

Konklusion

Forstærkerens interne opbygning påvirker lyden på måder, der rækker ud over den simple effektangivelse. Valget mellem rør og transistorer, forstærkerklasse, signalbehandling og strømforsyning former alle den lyd, der kommer ud af højttalerne.

Der findes ikke én løsning, der altid er bedst. En god klasse D-forstærker kan fungere fremragende med de rigtige højttalere, mens en single-ended rørforstærker med lav udgangseffekt kan excellere i andre sammenhænge.

Det er den slags, man kan ligge søvnløs over – men som også gør Hi-Fi til en interessant hobby.

I næste del af Hi-Fi Skolen ser vi nærmere på hovedtelefoner og head-fi.