Klasse R: Innovatieve hybride audioversterker
01 april 2018
op
op

Het is bijna niet te geloven, dat er vandaag de dag nog iets te verbeteren valt aan de oude vertrouwde audioversterker, na decennia van research en verbeteringen. En het is nog interessanter, dat deze doorbraak juist bereikt bij een Japanse autofabrikant, die tot nu toe vooral bekend stond om zijn slecht-ontworpen, maar dankzij hybride aandrijving erg brandstofbesparende auto’s.
Maar misschien komt het wel, doordat er tot nu toe vooral is gelet op weergavekwaliteit en alleen is gekeken naar verhoging van het rendement door middel van digitalisering met alle nadelen van dien. En een eindtrap, waarin het analoge ingangssignaal eerst met een eindige nauwkeurigheid wordt gedigitaliseerd, waarna de datapakketjes worden bewerkt om ze vervolgens gekwantiseerd weer om te zetten in analoge signalen voor de luidspreker, is iets dat veel audiofielen pijn doet! Het betere rendement van een digitale eindtrap is dan een schrale troost.
U kunt zich misschien wel herinneren, dat een klasse-A-eindtrap zelfs in het praktisch niet bereikbare ideale geval bij volledige uitsturing een rendement van maximaal 50 % kan halen. Bij niet-volledige uitsturing is het rendement nog veel slechter. Daarom geeft men de voorkeur aan klasse-AB-eindtrappen, die dankzij een kleinere ruststroom bij volledige uitsturing nog steeds in de buurt komen van het rendement van 2/3 van een klasse-B-eindtrap, zonder het nadeel van een sterke cross-over-vervorming. In autoradio’s worden jarenlang alleen nog klasse-D-eindtrappen gebruikt, die theoretisch een rendement van bijna 100 % kunnen hebben en in de praktijk altijd nog ergens tussen 80 % en 90 % scoren, maar wel „digitaal“ klinken.
De nieuwe klasse R (de R komt van recuperatie of in het Engels „recover“) daarentegen, benut de niet-gebruikte magnetische energie van de spreekspoel van een dynamische luidspreker, door die bij het terugveren van de conus op te slaan in buffercondensatoren (te recupereren) en die energie te gebruiken voor de volgende versnelling van de spreekspoel, dus als het ware te recyclen. Zoals te zien is in het uitgelekte schema, zijn hier alleen maar 4 diodes en twee opslagcondensatoren voor nodig. Het ziet er erg eenvoudig uit, maar je moet er maar op komen! De spin-off UnoQuattro van de Japanse fabrikant benadrukt in een eveneens uitgelekte E-mail, die de Elektor-redactie dit weekend onder ogen kwam, dat de schakeling zelfs met de getekende Schottky-diodes nog niet optimaal is, hoewel de storingen niet hoorbaar zullen zijn door het geluid van de auto zelf, ook in een elektrische auto. Ze werken daarom aan een chip, die in plaats van de diodes vier LowRes-Power-MOSFET’s aanstuurt en de mogelijke beïnvloeding van het geluid reduceert door zacht te schakelen.
Om erachter te komen, wat met er een klasse-R-eindtrap mogelijk is, kunnen we een eenvoudige berekening doen: een normale, dynamische luidspreker heeft een rendement van ongeveer 3 %. Dat betekent dat er een verlies van ca. 97 % optreedt. Ook bij een digitale versterker! Niet meer dan ongeveer 3 % van de toegevoerde elektrische energie wordt omgezet in hoorbaar mechanisch arbeidsvermogen in de vorm van geluidsgolven. Dat is nog veel erger dan het rendement van een benzinemotor! Als we nu de in de spreekspoel opgeslagen bewegingsenergie recupereren, dan krijgen we het niet-verbruikte vermogen gewoon weer terug. Als we uitgaan van nog 2 % verlies in het recuperatiecircuit zelf, dan kunnen we dus tot maximaal 95 % van de niet gebruikte energie terugwinnen. Dat komt overeen met een factor 20! Met andere woorden: met een kleine netspanningsadapter van 5W van een mobieltje kunnen we dan een versterker voeden, die te vergelijken is met een conventionele 100W-versterker.
Zie voor meer details het persbericht van UnoQuattro.
Maar misschien komt het wel, doordat er tot nu toe vooral is gelet op weergavekwaliteit en alleen is gekeken naar verhoging van het rendement door middel van digitalisering met alle nadelen van dien. En een eindtrap, waarin het analoge ingangssignaal eerst met een eindige nauwkeurigheid wordt gedigitaliseerd, waarna de datapakketjes worden bewerkt om ze vervolgens gekwantiseerd weer om te zetten in analoge signalen voor de luidspreker, is iets dat veel audiofielen pijn doet! Het betere rendement van een digitale eindtrap is dan een schrale troost.
U kunt zich misschien wel herinneren, dat een klasse-A-eindtrap zelfs in het praktisch niet bereikbare ideale geval bij volledige uitsturing een rendement van maximaal 50 % kan halen. Bij niet-volledige uitsturing is het rendement nog veel slechter. Daarom geeft men de voorkeur aan klasse-AB-eindtrappen, die dankzij een kleinere ruststroom bij volledige uitsturing nog steeds in de buurt komen van het rendement van 2/3 van een klasse-B-eindtrap, zonder het nadeel van een sterke cross-over-vervorming. In autoradio’s worden jarenlang alleen nog klasse-D-eindtrappen gebruikt, die theoretisch een rendement van bijna 100 % kunnen hebben en in de praktijk altijd nog ergens tussen 80 % en 90 % scoren, maar wel „digitaal“ klinken.
De nieuwe klasse R (de R komt van recuperatie of in het Engels „recover“) daarentegen, benut de niet-gebruikte magnetische energie van de spreekspoel van een dynamische luidspreker, door die bij het terugveren van de conus op te slaan in buffercondensatoren (te recupereren) en die energie te gebruiken voor de volgende versnelling van de spreekspoel, dus als het ware te recyclen. Zoals te zien is in het uitgelekte schema, zijn hier alleen maar 4 diodes en twee opslagcondensatoren voor nodig. Het ziet er erg eenvoudig uit, maar je moet er maar op komen! De spin-off UnoQuattro van de Japanse fabrikant benadrukt in een eveneens uitgelekte E-mail, die de Elektor-redactie dit weekend onder ogen kwam, dat de schakeling zelfs met de getekende Schottky-diodes nog niet optimaal is, hoewel de storingen niet hoorbaar zullen zijn door het geluid van de auto zelf, ook in een elektrische auto. Ze werken daarom aan een chip, die in plaats van de diodes vier LowRes-Power-MOSFET’s aanstuurt en de mogelijke beïnvloeding van het geluid reduceert door zacht te schakelen.
Om erachter te komen, wat met er een klasse-R-eindtrap mogelijk is, kunnen we een eenvoudige berekening doen: een normale, dynamische luidspreker heeft een rendement van ongeveer 3 %. Dat betekent dat er een verlies van ca. 97 % optreedt. Ook bij een digitale versterker! Niet meer dan ongeveer 3 % van de toegevoerde elektrische energie wordt omgezet in hoorbaar mechanisch arbeidsvermogen in de vorm van geluidsgolven. Dat is nog veel erger dan het rendement van een benzinemotor! Als we nu de in de spreekspoel opgeslagen bewegingsenergie recupereren, dan krijgen we het niet-verbruikte vermogen gewoon weer terug. Als we uitgaan van nog 2 % verlies in het recuperatiecircuit zelf, dan kunnen we dus tot maximaal 95 % van de niet gebruikte energie terugwinnen. Dat komt overeen met een factor 20! Met andere woorden: met een kleine netspanningsadapter van 5W van een mobieltje kunnen we dan een versterker voeden, die te vergelijken is met een conventionele 100W-versterker.
Zie voor meer details het persbericht van UnoQuattro.
Read full article
Hide full article
Discussie (9 opmerking(en))
Mega-Herz 6 jaar geleden
F.B. Segerink 6 jaar geleden
Roger Nuyttens 6 jaar geleden
Het koppelen van de konus aan 'n hoorn, die zich gedraagt als 'n acoustische transformator kan aan deze misaanpassing beterschap brengen zij het in 'n beperkt frequentiegebied afhakelijk van de lengte en mondopening van de hoorn. Het totale rendement stijgt en het impulsgedrag wordt beter. Bijgevolg heb je minder electrische watt nodig voor dezelfde geluidsdruk en heb je tegelijk ook minder warmteverliezen in de spreekspoel.
Maar 'n hoorn heeft dan zijn specifieke klank kleuring door o.a teruggekaaste reflecties vanaf de mondopening.
Mega-Herz 6 jaar geleden
Roger Nuyttens 6 jaar geleden
Onderbreek nu via 'n snelle wisselschakelaar (liefst electronisch) terwijl je in nano seconden (electronisch dus) 'n ohmse weerstand paralell op de' luidsprekerklemmen plaatst en meet tegelijkertijd de stroom en spanning die de spreekspoel opwekt tijdens het terugveren
Dat zal heel wat minder zijn; min of meer evenredig met het rendement van de electrodynamische luidspreker.
Om over de terugveer energie van electrostatische luidsprekers maar te zwijgen...
Veel electrische energie valt er niet te recupereren via het terugveren van de conus.
Mega-Herz 6 jaar geleden
Het feit dat Elektuur/Elektor bijna sinds zijn/haar oprichting een 1-april grap publiceert, zette mij tijdens het lezen van het verhaal al snel, zonder wiskundig model, op het juiste spoor, toen ik de naam UnoQuatro onder het schemaatje zag. Fijn weekend.
Roger Nuyttens 6 jaar geleden
Men kan thuis de proef op de som doen: neem 'n luidspreker, hang er 'n wattmeter aan en druk met de hand de conus op en neer; verder dan enkele milliwatts zoals bij 'n microfoon zul je niet komen. Hoeveel watt wekt 'n fietsdynamo op en daar zitten heel wat meer koperwindingen in dan op 'n spreekspoel die bij dit laatste beperkt worden om o.a de bewegende massa zo klein mogelijk te houden (systeem massa veer demping) en bijgevolg het impulsgedrag (versnelling van de conus) zo goed mogelijk te houden.
Goede luidsprekers hebben 'n rendement van ongeveer 3% maar de 97% wordt voor het grootste deel omgezet in warmte waardoor de temperatuur van de spreekspoel toeneemt en dus ook de ohmse weerstand en aanleiding geeft tot power compressie. Luidsprekerfabrikanten weten dit maar al te goed en proberen die warmte zo goed mogelijk af te voeren: bij tweeters door ferrofluid, bij woofers via 'n centraal lucht circulatie kanaaltje naar de achterkant in het center van de magneet.
Meet eens de ohmse weerstand van 'n 8 ohm luidspreker; je meet ongeveer 6 ohm. Als je er 2 Ampere doorjaagt dan heb je P=RI² of 24 watt omgezet in warmte en die recupereer je niet met dioden en elco's.
Elector was ook wel zo verstandig de naam van de fictieve autofabrikant niet te vermelden... ;)
Roger Nuyttens 6 jaar geleden
'n Goede luidspreker bouwen is 'n kunst ivm het afwegen en sluiten van groot aantal compromissen en is dan ook niet goedkoop.
Roger Nuyttens 6 jaar geleden
Maw veel 'muziek' zal er niet meer uitkomen.
Hopelijk is de versterker goed kortsluit beveiligd; alvast 'n noodzaak in dit geval.