Meten met een versterker

Als voorbeeld gaan we een versterker meten. De versterker die je op de bijgevoegde foto ziet, heb ik in 2019 gebouwd. Het is een Single-Ended versterker met Trans-technologie. Het schema is beschikbaar op deze site onder 'Projecten'. Ir. Menno van der Veen heeft over dit onderwerp een artikel geschreven in Audio-Express. Voor het artikel, klik hier. Het enige verschil is dat ik een kathodeweerstand aan de eindbuis heb toegevoegd, waardoor ik beperkt ben tot maximaal 8 Watt uitgangsvermogen. Trans is een spanningsgestuurde stroombron die de eindbuis volledig lokaal tegenkoppelt. Hierdoor wordt de uitgangsimpedantie van de eindbuis zeer laag. Dit resulteert in een uitstekende aansturing van de uitgangstransformator, wat vooral merkbaar is bij de lage tonen die strak en nauwkeurig worden. Ook neemt de rijkdom aan details in het midden en hoog toe, terwijl de vervorming aanzienlijk vermindert.

As an example, we will measure an amplifier. The amplifier you see in the attached photo was built by me in 2019. It is a Single-Ended amplifier using Trans technology. The schematic is available on this site under 'Projects.' Ir. Menno van der Veen wrote an article on this topic in Audio-Express. For the article, click here. The only difference is that I added a cathode resistor to the output tube, which limits the output power to a maximum of 8 watts. Trans is a voltage-controlled current source that fully locally applies negative feedback to the output tube. As a result, the output impedance of the output tube becomes very low. This leads to excellent control of the output transformer, which is particularly noticeable in the low frequencies, making them tight and precise. Additionally, the richness of details in the midrange and highs increases, while distortion is significantly reduced.

Stel de toongenerator in op 1kHz met een spanning van bijvoorbeeld 2 Vrms en verbind deze met de ingang van de versterker. Draai de volumeregelaar van de versterker geleidelijk omhoog totdat de sinusgolf net niet vervormt aan de pieken. Dit is het maximale vermogen. Het maximale vermogen van deze versterker is exact 8 Vrms bij 1kHz (de versterker moet dus iets worden teruggedraaid voor een perfecte sinusgolf aan beide uiteinden). Met een aangesloten impedantie van 8 Ohm (dummyload) resulteert dit in precies 8 Watt. Omdat 8 Vrms maal 8 Vrms gedeeld door 8 Ohm gelijk is aan 8 Watt bij 1 kHz. BELANGRIJK: de sinusgolf die een oscilloscoop toont is geen Vrms-spanning, maar een Vpp (peak-tot-peak) spanning. Er is meestal een functie op de oscilloscoop om dit om te rekenen naar Vrms. Zo niet, dan is de formule: de piekspanning van een halve sinus delen door de wortel van twee, oftewel Vp/1,414.

Set the tone generator to 1kHz with a voltage of, for example, 2 Vrms, and connect it to the amplifier's input. Gradually turn up the amplifier's volume control until the sine wave is just barely not distorted at the peaks. This is the maximum power. The maximum power of this amplifier is exactly 8 Vrms at 1kHz (the amplifier should be turned down slightly for a perfect sine wave at both ends). With a connected impedance of 8 Ohms (dummy load), this results in exactly 8 Watts, because 8 Vrms multiplied by 8 Vrms divided by 8 Ohms equals 8 Watts at 1 kHz. IMPORTANT: The sine wave displayed on an oscilloscope is not a Vrms voltage but a Vpp (peak-to-peak) voltage. Most oscilloscopes have a function to convert this to Vrms. If not, the formula is: divide the peak voltage of a half sine wave by the square root of two, or Vp/1.414.

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.

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 openzet 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 rechteruitgang van de versterker aansluiten met een dummyload van 4 of 8 Ohm 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. Want we hadden immers een vast referentiepunt namelijk 0dBV=1Vrms. Nu weten we wat we meten.

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 een vaste referentie 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".

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. 

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. Volumeknop 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