Wat is Watt?
De meest tot de verbeelding sprekende gegevens uit de specifikatie van een audio-versterker zijn de cijfers die betrekking hebben op het uitgangsvermogen. In dit artikel komen de diverse soorten vermogens aan de orde, welke in een specifikatie kunnen voorkomen. Tevens wordt nagegaan wat de betekenis is van de vermogens-specifikatie als het gaat om het werkelijke gebruiksdoel van een audio-versterker: het reproduceren 'op nivo' van muziek-signalen. De luidsprekers worden derhalve ook in de beschouwingen betrokken.
Er zijn manipulaties aan de vermogensspecifikatie van een audio-versterker denkbaar, welke - ingegeven door dezelfde motieven, zoals zo v441( gehanteerd bij de reklame - leiden tot schijnbare verheffing van een betrekkelijk impotente versterker tot een krachtpatser. Het maksimale 'onvervorm de' geluidsnivo, dat met een bepaalde kombinatie van een stereo-versterker met luidsprekers kan worden geproduceerd, hangt samen met het maksimale 'onvervormde' vermogen, dat de versterker aan de luidspreker(s) kan leveren.
Dit gaat op, zolang het maksimale vermogen dat de luidsprekers 'onvervormd' kunnen verwerken groter is dan het vermogen dat de luidsprekers van de versterker toegevoerd krijgen; m.a.w. zolang de luidsprekers niet de beperkende faktor vormen voor de maksimale 'onvervormde' geluidsdruk. Boven een bepaald nivo is het geproduceerde geluid niet langer 'onvervormd'. De luisteraar is al dan niet van oordeel, dat bij een bepaalde stand van de volumeregelaar de muziek 'ruw klinkt' tijdens luide passages.
Vaak wordt het 'vastlopen' van het sisteem (het ondubbelzinnig optreden van sterke vervorming) ten onrechte toegeschreven aan de versterker. Er wordt een 'zwaardere' versterker gebouwd of gekocht en het blijkt in zo'n geval, dat de maksimale hoeveelheid 'genietbare herrie' niet of nauwelijks hoger ligt dan in het eerste geval. Wel is het aan de luidspreker toegevoerde vermogen vergroot en daarmee de dissipatie (warmte-ontwikkeling) in de spreekspoel(en) van de luidspreker(s); het gevaar voor vernieling van de luidsprekers is niet denkbeeldig. (Het rendement van luidsprekers varieert tussen 1 en 5%; dit houdt in, dat 95a 99% van onze dure hifi-watts in ordinaire warmte wordt omgezet!)
Van vele luidsprekers is de vervorming in de geproduceerde geluidsdruk als funktie van het (door de versterker) toegevoerde vermogen moeilijk vast te stellen. In ieder geval ontbreken volledige gegevens hierover in de specifikatie van kommerciele luidsprekers. Daardoor mist men ook de benodigde informatie om het maksimale versterker-vermogen of te stemmen op de mogelijkheden van de luidspreker. Het bepalen van de vervorming van de luidspreker vereist namelijk sturing van de luidspreker met een enkelvoudig sinus-signaal; met name bij hogere frekwenties kan sturing met een sinus de luidsprekers (vooral de midden-speaker en de 'tweeter' in een driewegsisteem) al gauw de vernieling in helpen. (De maksimale belastbaarheid van een luidspreker is een verhaal apart; in ieder geval berust deze nooit op sturing met een enkelvoudige sinus, maar bijvoorbeeld op sturing met een 'gekleurd' ruis-signaal waarvan het frekwentiespektrum overeenkomt met een via statistische metoden verkregen 'gemiddeld' muziek-signaal).
Aangenomen dat de belastbaarheid van een luidspreker op realistische grondslagen berust (en Met op 'wishful thinking'), is er geen enkel bezwaar tegen om een versterker te gebruiken in kombinatie met le lichte' luidsprekers, mits men verstandig omgaat met volume- en toonregelaars.
Het kontinu-vermogen
Het kontinu- of sinus-vermogen van een versterker is het vermogen, dat de versterker bij sturing met een sinus-signaal van een bepaalde frekwentie in een belastingsweerstand kan leveren bij een bepaalde kleine afwijking van de golfvorm (vervorming). Bij stereo-versterkers is het gebruikelijk om dit vermogen vast te stellen onder gelijktijdige uitsturing van beide kanalen. Wat in feite wordt vastgesteld, is het gemiddelde vermogen, dat gelijk is aan het produkt van de effektieve waarde van de uitgangsspanning en de effektieve waar- I de van de stroom door de belastingsweerstand.
De effektieve waarde van een spanning of stroom wordt ook wel R(oot)M(ean)S(quare)-waarde genoemd (de wortel van het gemiddelde kwadraat; dit berust op de wijze waarop deze grootheid via de integraalrekening wordt verkregen). Bij een enkelvoudige sinus is de effektieve waarde van de sinusvormige uitgangsspanning en de effektieve waarde van de sinusvormige stroom door de belastingsweerstand gelijk aan ½√2 (-3 dB) maal de topwaarde.
Soms wordt van versterkers het zg. piekvermogen opgegeven. Dit piekvermogen is het produkt van de piekwaarde van de uitgangsspanning en de piekwaarde van de stroom in de belastingsweerstand en is eksakt twee maal zo groot als het kontinu- (gemiddelde) vermogen. Het piekvermogen biedt dus geen wezenlijk nieuwe informatie over de 'potentie' van de versterker; het levert wel twee maal zo hoge vermogenscijfers op en dat is imponerend.
De waarde van het kontinu-vermogen ligt hierin, dat een objektieve vergelijkingsmaatstaf voor versterkers is verkregen en dat er vervormingspercentages kunnen worden vastgesteld (zoals eerder opgemerkt, is dit in het algemeen voor luidsprekers niet zo eenvoudig). In hoeverre is het kontinu-vermogen echter een,maat voor het vermogen van de versterker tot het vervormingsvrij produceren van muzieksignalen (aangenomen, dat de luidsprekers niet de beperkende faktor vormen)?
De verhouding tussen piekwaarde en effektieve waarde van een muziek-signaal kan, in dB's uitgedrukt, 10 tot 15 dB bedragen, afhankelijk van de soort, muziek en de mate waarin dinamiekkompressie bij de opname en registratie van de muziek is toegepast. Over een langere tijd genomen is het gemiddelde vermogen bij sturing met muziek dus altijd lager dan het kontinu-vermogen. Bovendien varieert dit gemiddelde vermogen in de tijd.
Als het bestaan van een stroombegrenzing binnen de versterker even buiten beschouwing blijft, wordt het maksimale vermogen, dat de versterker kan leveren, beperkt door de voedingsspanning(en) van de eindtrap van de versterker. Boven een bepaald stuurnivo treedt clippen van het uitgangssignaal van de versterker op; in plaats van het gestippelde verloop van het uitgangssignaal volgens figuur 1 wordt het signaal afgeplat. Dit gaat gepaard met vervorming. Ook bij de lagere gemiddelde vermogens, welke bij een muzieksignaal Koren, is tijdens de pieken de volledige uitsturingsruimte nodig.
Figuur 1. Indien het uitgangssignaal van de versterker een bepaalde waarde in negatieve of positieve richting overschrijdt, treedt clip-pen op; de uitgangsspanning wordt afgeplat en wijkt af van de juiste waarde (gestippeld verloop).
Het muziekvermogen
Bij vele kommerciele versterkers wordt behalve het kontinu-vermogen ook nog het zg. muziekvermogen gespecificeerd; het gaat daarbij altijd om versterkers met een ongestabiliseerde voeding, dus versterkers, waarvan de voedingsspanning niet konstant is. Het muziekvermogen is altijd hoger dan het kontinu-vermogen; het vomit een indikatie voor het vermogen, dat de versterker kortstondig (d.w.z. tijdens pieken in het muzieksignaal) kan leveren. De wijze, waarop dit muziekvermogen wordt vastgesteld, is niet volgens de een of andere norm vastgelegd; bij het vergelijken van muziekvermogens van kommerciele versterkers is het dus oppassen geblazen. Dit neemt niet weg, dat het muziekvermogen een alleszins relevante grootheid is voor versterkers met een ongestabiliseerde voeding.
Achtergrond van het muziekvermogen is, dat de voedingsspanning van de versterker een bepaalde tijd nodig heeft om te dalen tot een waarde, die bij de uitsturing hoort. Dit is geillustreerd in figuur 2. De versterker, welke een ongestabiliseerde simmetrische voeding heeft volgens figuur 3, wordt gestuurd met een zg. 'toneburst'-signaal, dat een aantal sinussen omvat en een bepaalde tijdsduur heeft. De amplitude van de tone-burst is vrijwel gelijk aan de nullastvoedingsspanning V1. Ten gevolge van deze sturing onttrekt de versterker stroom aan de voeding. De voedingsspanning daalt vooralsnog nauwelijks, omdat de buffer-elko's C van figuur 3 eerst ontladen moeten worden. Daarbij is een bepaalde ontlaad-tijdkonstante in het geding. Hoe groter de C, des te langer het duurt voordat de voedingsspanning merkbaar daalt en des te langer de toneburst kan duren, voordat clippen optreedt (zie figuur 2b). Een versterker met een ongestabiliseerde voeding bezit dus het vermogen om kortstondige pieken vervormingsvrij (zonder clippen) te verwerken. Bij sturing met een enkelvoudige sinus (kontinu-vermogen) daalt de voedingsspanning echter tot de vollast-waarde V2 (zie figuur 2b).
Figuur 2. Bij sturing van de versterker met een 'toneburst' signaal kan de versterker kortstondig een 'ekstra' vermogen leveren (muziekvermogen). De spanningen ±V1 komen overeen met nullast, de spanningen ±V2 komen overeen met vollast (kontinuvermogen). Uit een vergelijking tussen de figuren 2a en 2b valt op te maken, dat de versterker gedurende tijden, welke kleiner zijn dan t1, het voile muziekvermogen kan leveren. Indien de 'toneburst' langer duurt, treedt in de loop van de tijd clippen op. Tijdens sturing met een sinus is op de voedingslijnen ook een rimpelspanning aanwezig.
Figuur 3. Voorbeeld van een (simmetrische) ongestabiliseerde voeding. De weerstanden R vertegenwoordigen de serieweerstanden van de primaire en sekundaire wikkeling van de voedingstransformator en van de diodes. Naar-mate de buffer-elko's C groter in waarde worden gekozen, is gedurende langere tijd het muziekvermogen beschikbaar.
Bij het muziekvermogen speelt ook de tijd een rol, welke voor de bufferelko's C nodig is om weer tot de nullastspanning opgeladen te worden. De waarde van C en die van de weerstanden R uit figuur 3, welke de verliezen van de transformatorwikkelingen en de serieweerstanden van de gelijkrichtdioden vertegenwoordigen, bepalen de snelheid, waarmee de buffer-elko's worden 'bijgetankt' en daarmee de tijdsduur welke verloopt voordat opnieuw een piek in het muziek-signaal de voile nullastvoedingsspanning kan aannemen. Vooral bij de ontwerpen van de in zwang zijnde versterkers met zeer grote uitgangsvermogens wordt een ontwerpfilosofie gehanteerd, waarbij de serieweerstanden R in de voeding (zie figuur 3) bewust relatief hoog gedimensioneerd worden en waarbij de bufferelko's C een zeer hoge waarde krijgen. De vollast-spanning V2 , welke optreedt bij uitsturing met een sinus, is aanzienlijk lager dan de nullast-spanning V1 (zie figuur 2); de verhouding tussen muziekvermogen en kontinu-vermogen is groter dan gebruikelijk.
Alle in het geding zijnde vermogens zijn, evenals de dissipatie in de eindtrap evenredig met het kwadraat van de betreffende voedingsspanning V1 of V2 . Een nadeel is, dat door de hoge waarde van R ook een grote hersteltijd nodig is voor de voedingsspanning om na een 'forse klap' terug te keren tot de nullastwaarde. In hoeverre dit een bezwaar is, hangt af van de statistiek van het muziek-signaal: De vraag is, hoe groot de kans is dat na een piek binnen een zekere tijd opnieuw een piek in het muziek-signaal optreedt.
Wat is nu watt?
Konkluderend kan worden vastgesteld, dat het kontinu-vermogen en (indien van toepassing) het muziekvermogen van een versterker informatie geven over het maksimale vermogen, dat de versterker kan leveren zonder dat daarbij de grens van het lineaire gebied van de versterker wordt overschreden (vervorming).
Alle andere vermogensopgaven, zoals piekvermogen en piek-muziekvermogen duiden slechts op onvermogen van de opstellers(s) van de specifikatie. Het vermogen van een versterker is slechts indirekt van invloed op het aantal 'genietbare' (akoestische) watts (of watten!?) in de oren.