Audioförstärkare

Varför låter rörförstärkare annorlunda än transistorförstärkare?

Scott 150

 

 

Ni kanske undrar vad det här har med video och EHT AB att göra? Absolut ingenting! Audio är min hobby och jag bygger och reparerar/modifierar rörförstärkare för både gitarr och Hifi. Rörteknik har varit min passion sedan tonåren då jag byggde gitarrförstärkare både åt mig själv och åt spelkompisar. Långsamt började jag förstå och plugga in hur de fungerar i detalj. Jag fick också uppdraget att föreläsa på KTH om elektronrörsteknik i några år och det sporrade mig att studera djupare hur man hanterar tekniken med elektronrör.

Vilken typ av förstärkare som låter bäst är den kanske mest missförstådda frågan av alla när det gäller ljudåtergivning och därför har jag tagit mig tid att förklara vad som faktiskt händer.

Jag har under årens lopp hört alla möjliga rövarhistorier om hur bra rör eller transistorförstärkare låter. I synnerhet finns många människor som har fått för sig att rör är allmänt så fantastiskt mycket bättre än transistorer när det gäller ljud. Så är det inte men det finns fundamentala tekniska skillnader som i flera avseenden talar för att välkonstruerade rörförstärkare låter annorlunda och mera tilltalande än transistorförstärkare. Nu finns det bra och dåligt konstruerade förstärkare av alla sorter och den här artikeln tar bara upp den specifika principiella tekniska skillnaden.

Det påstås också rörförstärkare låter starkare än transistorförstärkare det vill säga en rörförstärkare på 15 watt låter mer än en transistordito på 15 watt. Det är faktiskt sant. Men skillnaden är inte stor och den beror mest på hur högtalaren är konstruerad. Högtalare som är anpassade efter transistorförstärkare har låg verkningsgrad och det bidrar till att man tycker att transistorförstärkare låter svagare.

 

Högtalarens anpassning är viktig

Vi kan börja med en grundläggande regel som är livsviktig för att respektive rör och transistorförstärkare ska låta så bra som de kan: Högtalarkonstruktionen! Högtalarsystemen måste vara anpassade för rör eller transistorförstärkare. Den stora skillnaden ligger nämligen i slutsteget på förstärkaren och dess anpassning till högtalarsystemet. Det är praktiskt taget ingen skillnad på ljudåtergivningen i drivstegen med rör eller transistorer. Det finns en del Hifi tillverkare som sätter in småsignalrör i sina transistorförstärkare och påstår att det därför är ”rör-ljud”. Det är överdrivet. Dock finns viss fog för det i gitarrförstärkare där man utnyttjar den typiska distorsionen som rör åstadkommer. Den tekniska förklaringen kommer att växa fram vartefter jag förklarar respektive förstärkares grundkonstruktion.

 

Förutsättningar att förstå sambanden

För att förstå följande tekniska resonemang måste man vara aningen insatt i hur förstärkare i allmänhet fungerar. Framför allt vad den negativa återkopplingen i förstärkaren har för inverkan. Negativ återkoppling innebär att man matar tillbaka en liten del av utsignalen i motfas till förstärkarens ingång eller något av de mellanliggande förstärkningsstegen. För att göra en mycket lång historia kort så kan man slå fast att fördelen med negativ återkoppling är att den minskar distorsion och brum/brus samtidigt som förstärkaren blir mer frekvenslinjär.Priset man får betala är minskad förstärkning. En ännu viktigare egenskap med återkoppling är att förstärkarens ut impedans sjunker med ökad återkoppling så att högtalaren uppfattar den som mycket lägre än den fysiskt faktiskt är. I en transistorförstärkare så är ut impedansen på förstärkaren nära 0 ohm. Alltså kortslutning. Det kallas också för förstärkarens dämpfaktor och den är nära 100 % i transistorförstärkare. I rörförstärkare är det inte så. Vi ska senare se vilken effekt det får på ljudet.

 

Vad är ”bra ljud”

Man kan diskutera vad ”bra ljud” är. Vissa tycker att det låter bra om man överdriver volym, bas och diskant så det dånar och skakar i golvet. Det är inget fel med det. Musik kan låta ”maffigt” och man kan njuta av det. Men vad jag menar med bra ljud är att höra detaljer och ha en återgivning som låter naturlig med en volym som motsvarar det akustiska ljud som akustiska instrument och röster åstadkommer. Kort sagt naturtroget.

 

Lite historisk bakgrund

Rörförstärkare var helt dominerande till och med 1960-talet. Ett av stora problemen med rörförstärkare var den stora tunga och dyra utgångstransformatorn. Kvaliteten på utgångstransformatorn är helt avgörande för hur förstärkaren låter. Utgångstransformator måste finnas eftersom rör har en hög inre resistans som måste omformas för att kunna driva en högtalare med låg resistans. Nåja, det finns naturligtvis undantag och ett par rörtyper kan belastas med så låg resistans som 800 ohm. Framför allt Philips tillverkade högtalare med 800 ohms resistans. Det vanligaste rören med den egenskapen heter EL86 och PL 84 och finns i mängder av Philips radio/TV-apparater och Hifi förstärkare från 50 och 60-talet.

Transistorförstärkare behöver ingen utgångstransformator. Högtalaren uppfattar transistorförstärkarens ut-resistans som nära 0 ohm och förstärkaren kan driva högtalaren direkt. När transistorförstärkaren utvecklades så fylldes teknikerna med en slags eufori över det fenomenet och man glömde fullständigt bort andra, dynamiska, parametrar som också var och är svåra att mäta. Det resulterade i mängder av dåligt konstruerade transistorförstärkare och det var först i mitten av 1970-talet som en finsk tekniker – Matti Otala, förklarade dynamiska fenomen som ”transientintermodulations-distorsion” som intresset och kunskapen planterades att något faktiskt kunde vara fel trots goda statiska mätvärden.

 

Skillnaden på Resistans och Impedans

För att få en förståelse för kommande resonemang måste man ha klart för sig hur förhållandet mellan olika elektriska motstånd, resistans och impedans är. Det här är en enkel och ofullständig förklaring men att gå in i detalj på växelströmslära skulle ta alltför mycket utrymme. Skillnaden på motståndsvärde som kallas resistans och motståndsvärde som kallas impedans ligger dels i att det ena, resistans, gäller i likströmskretsar. Impedans kallas motståndet i växelströmskretsar. I växelströmskretsar så uppför sig belastningar i form av kondensatorer, spolar och vanliga motstånd på helt olika sätt. Skillnaden ligger enkelt uttryckt i att impedansen är beroende på växelströmmens frekvens och på vilken typ av ovanstående tre komponenter som är inblandade. Om det är kondensatorer och spolar inblandade i belastningen så får man fasförskjutningar i växelströmmen och då förändras impedansen ganska kraftigt efter frekvensens variationer. Det benämns kapacitiv och induktiv last och en blandning av dem eller alla tre fysiska storheter benämner man reaktans och också aktiv och reaktiv effekt. Nu ska vi inte gräva ner oss i fysik alltför mycket men man måste veta skillnaden på resistans och impedans för att förstå hur en högtalare beter sig. Ett högtalarelement är en induktiv last (spole) och har resistans (om man mäter den med likström) och en impedans (om man mäter med växelström). De olika värdena skiljer sig åt. En högtalares resistans är vanligen c:a 4 eller 8 ohm. Impedansen varierar med frekvensen och är typiskt mellan 4 ohm och ända upp till 60 ohm. Det är just det fenomenet som transistorförstärkare har svårt att hantera. Det finns dock olika lösningar som är mer eller mindre bra för att transistorförstärkaren skall matcha högtalarens egenskaper.

 

 

Så här fungerar en transistorförstärkare i princip

En transistorförstärkare fungerar som ett differentialsteg där man alltid är beroende av återkoppling. I figuren nedan visas hur ett differentialsteg fungerar.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

FIG 1. Förenklat schema för en transistorförstärkare.

 

Förstärkningen i en transistorförstärkare bestäms av förhållandet mellan R1 och R2. Ingen typ av belastning på förstärkarens utgång har någon påverkan på förstärkningen. Det spelar ingen roll om det är en belastning eller inte och vad belastningen har för egenskaper. Spänningen ut från förstärkaren är endast beroende på värdena på R1 och R2. Från högtalarens perspektiv så upplever den att det är kortslutning bakåt det vill säga 0 ohm. En transistorförstärkares uteffekt till högtalaren är alltså beroende av högtalarens impedans vid olika frekvenser. När högtalarens impedans ökar så minskar förstärkarens effekt och vice versa. Sambandet beror på att uteffekten från förstärkaren tecknas P(w) = I(ampere) x U(volt). DVS: spänningen multiplicerat med strömmen är lika med effekten.

 

Högtalarelementets samspel med förstärkaren

Högtalarens talspole genererar själv en spänning när den rör sig. Den benämns ”Mot-EMK” (ElektroMotorisk Kraft) Högtalarens mot-EMK skickas tillbaka genom R1/R2 och förstärks och dämpar därmed direkt ut sig själv på förstärkarens utgång. Det gör att resistensen på förstärkarens utgång betraktas som 0 ohm av högtalaren och fenomenet kallas för 100 % dämpfaktor.

Impedans är ju samma sak som resistans men varierar med frekvensen. Impedansen 8 ohm (nominellt) i ett högtalarelement motsvarar oftast av en resistans på ungefär 6 ohm. Merparten av vanliga högtalarelement håller impedansen 8 ohm endast mellan ungefär 400-600 Hz. Vid en bredbandshögtalares resonansfrekvens som ligger runt kanske 40 Hz är impedansen hög, typiskt 30-40 ohm. Ovanför 600 Hz så ökar impedansen långsamt för att typisk nå upp ända till 30/40 ohm vid 10 KHz och högre. Högtalarelementets impedans varierar alltså med upp till med flera hundra procent beroende på frekvens.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

FIG 2. Högtalarens impedanskurva. (Bild: Lenard Audio)

 

Tillverkarna av högtalare har naturligtvis koll på fenomenet och vissa tillverkare lägger en magnetisk kortslutning jämte talspolen för att minimera impedansförändringarna. Det fungerar men minskar högtalarelementets verkningsgrad väsentligt. Högtalaren behöver betydligt mera elektrisk effekt för att avge samma akustiska effekt som en högtalare utan denna egenskap. Verkningsgraden sjunker alltså. Det finns mycket mer att säga om högtalare till exempel om ”Thiel Small” parametern men det tar för mycket utrymme i denna artikel. Här är en bra länk för er som vill veta mer: https://en.wikipedia.org/wiki/Thiele/Small_parameters

 

Transistorförstärkarens effektkurva

Om vi tittar på hur en transistorförstärkare beter sig gentemot ett högtalarelement så ser effektkurvan ut ungefär som nedan. Effekten påverkas påtagligt olika vid olika impedans.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

FIG 3 Transistorförstärkarens effektkurva på utgången jämfört med högtalarens impedansförändring. (Bild: Lenard Audio)

 

Rörförstärkarens beteende

En rörförstärkare behöver principiellt inte någon återkoppling för att fungera bra. Men de flesta rörförstärkare har ändå en återkoppling som är mycket blygsam. Den är mest till för att ta bort brum och brus och i någon mån även minska distorsion. (Notera att högklassiga triodförstärkare med till exempel slut-triod röret ”300 B” oftast inte har återkoppling.) Eftersom rörförstärkare av olika skäl inte är helt faslinjära mest på grund av utgångstransformatorns egenskaper så kan en alltför kraftig återkoppling få förstärkaren att oscillera. Så kallad ”motorboating” det vill säga mycket lågfrekvent svängning och det är faktiskt ganska vanligt förekommande i dåligt konstruerade eller felaktigt trimmade rörförstärkare. Därför är möjligheterna med hög återkoppling omöjlig.

Rörförstärkare med rörtyperna tetroder eller pentoder i slutsteget som matas med konstant skärmgallerspänning fungerar som en konstant strömgenerator på utgångstransformatorns sekundärlindning där högtalaren är ansluten. När högtalarelementets impedans ökar med frekvensen så ökar följaktligen spänningen från förstärkaren. Förstärkaren strävar alltså efter att hålla konstant ström och därmed öka och minska spänningen vart efter högtalarelementets impedans ändras.

Det är delvis förklaringen till att vi tycker rörförstärkaren låter starkare än transistorförstärkare med samma högtalartyp ansluten. Det är också förklaringen till att vi (i alla fall jag och många andra) tycker att rörförstärkaren låter mera tilltalande eller ”levande” som många audiofiler uttrycker det. Förklaringen är aningen enkelt serverad och det finns mycket mer teknik att dyka ner i men då blir artikeln rörig och svår att förstå om man inte har ingående kunskaper om elektronik och också förstärkarteknik.

 

Olika tillverkare – olika konstruktioner

Det viktigt att påpeka att alla rörförstärkare beter sig inte exakt lika beroende på konstruktion. Den vanligaste principen för slutsteg i Hifi förstärkare från 1960 talet kallas ”Ultralinjär” koppling eller benämns efter upphovsmannen: ”Williamson”-koppling. Denna koppling har extremt många fördelar men följsamheten av högtalarens impedansförändring är något mindre än så kallad ”tetrod-koppling”. Se bilder här under på Ultralinjär sk. Williamsson koppling.

 

FIG 4. En rörförstärkare kompenserar för impedansförändringen i högtalaren. (Bild: Lenard Audio)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

FIG. 5 Med ”Tetrod-koppling kompenserar rörförstärkaren i princip helt impedansändringen. (Bild: Lenard Audio)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Olika tillverkare från denna tid har olika preferenser bland de ledande Hifi tillverkarna. Dynaco, Leak, Mullard med flera använde Ultralinjär koppling men till exempel Quad, Scott, Pioneer, Trio/Kenwood och McIntosh hade oftast inte det. Alla de här förstärkarna låter fantastiskt bra trots lite olika konstruktion. Jag vill också nämna Erik Andersson och Audio Innovations som byggde fantastiskt fina förstärkare med stor insikt och tekniskt kunnande.

Länk: http://www.erikasson.se/about-me.php

Det finns naturligtvis många andra att nämna i rörhistorien.

 

Summering

Rörförstärkaren uppför sig som en konstant strömgenerator i motsats till transistorförstärkaren. Rörförstärkaren strävar efter att utjämna effekten vartefter högtalarens impedans ändrar sig. Transistorförstärkaren gör inte det och därför måste högtalarna special konstrueras för att motverka transistorslutstegets egenskaper.

Notera att många transistorförstärkare har suveräna statiska mätdata och mycket låg distorsion jämfört med många rörförstärkare men de dynamiska distorsionerna, som är svåra att mäta, kan i många fall vara lägre på rörförstärkare. Typiskt är transientintermodulations distorsion som jag nämnde inledningsvis.

Högtalarutvecklingen

Tro nu inte att inte högtalartillverkarna har noterat skillnaden och det konstrueras naturligtvis högtalare som är speciellt anpassade för transistorförstärkare. Typiskt exempel på det i transistorförstärkarens barndom är B&O i Danmark som vid presentationen av transistorreceivern BeoMaster 1000 i slutet av 1960 talet kom med något som kallades ”tryckkammarhögtalare”. Bortsett från namnet som betecknade en helt lufttillsluten enhet med låg verkningsgrad var de konstruerade med elektriska delningsfilter och högtalarelement som hyggligt matchade transistorförstärkarens egenskaper. Priset man fick betala var effekt. Beomaster 1000 lämnade 2x15 watt och lät som en rörförstärkare med betydligt lägre effekt. Men det var verkligen ett imponerande ljud för sin tid och konstruktionen står sig faktiskt än idag. Det fanns mängder av tillverkare som gick på samma linje och dagens kvalitetshögtalare är ofta omsorgsfullt konstruerade för dagens förstärkare. Man ska alltså inte ge sig till att jämföra en rörförstärkare och en transistorförstärkare på samma högtalare. Det blir inte helt rättvist i ena eller andra riktningen.

 

Rörförstärkare och uteffekt

Rörförstärkare har problem med att få höga effekter till rimliga priser. Både slutrör, utgångstransformatorer och nätdelar blir mycket dyrbara vid höga effektuttag. Det beror bland annat på vilka rörtyper som används. Man kan dela in rörförstärkare i ungefärliga klasser på 5w, 15w, 35w, 60w och 100watt i Hifi sammanhang. Högre effekt än så är mycket dyrbart och heller inte nödvändigt för Hifi system i hemmet. En rörförstärkare på 2x15 watt med basreflexhögtalare, till exempel Carlsson OA 5, ger mer än tillräckligt akustiskt ljud tryck för ett stort vardagsrum. Det är också viktigt att påpeka att människans uppfattning av effekt är olinjär. En förstärkare på 20 watt låter inte dubbelt så starkt som en på 10 watt. Man måste öka effekten till 40 watt för att uppleva det akustiska ljud trycket som dubbelt så starkt. Högtalarens verkningsgrad är också otroligt viktig. En basreflex högtalare har en verkningsgrad på 1-2%. En modern sluten högtalarlåda av typen ”tryckkammare” har omkring 0,3 % verkningsgrad. Men, eftersom effekt inte är något dyrbart problem i transistorförstärkare så är det ett mindre problem.

När det gäller högtalare för rörförstärkare så är högtalare med hög verkningsgrad nödvändiga. Gärna basreflex och bashorn. De blir tyvärr ganska stora men har ofta 4-6 gånger så högt akustiktryck som högtalare för transistorförstärkare. Ett bra exempel är Carlsson högtalare från 1960 talet som jag nämnde ovan. De är av typen basreflex och konstruerade för rörförstärkare även om de såldes under 1970 talet med Sonabs transistorförstärkare i stereopaket. Carlsson OA 6 som var flaggskeppet i Carlsson serien har två stycken rörslutsteg inbyggda i högtalarlådan, ett för bas och ett för diskant/mellanregistret. Båda med slutpentoden EL86 i pushpull koppling. OA 6 i fint skick är idag dyrbara klenoder som säljs för mycket höga priser.

 

Slutligen

Det finns naturligtvis mycket mer att säga och om man vill grotta ner sig tekniskt så finns det en del bra web sidor. Till exempel: Lenard Audio Men för att göra artikeln ovan någorlunda lättsmält för även icke tekniker så stannar jag här. Tro alltså inte att rörförstärkare alla gånger är himmelriket och totalt överlägsna dagen välkonstruerade transistorförstärkare men lyssna gärna på en bra anläggning och ni kommer att notera att det är en njutning och man blir inte trött av att lyssna. Det låter helt enkelt behagligt om välkonstruerade rörförstärkare. Ett bra exempel på det är ju musiker. Gitarrister använder rörförstärkare i stor utsträckning. En bra avslutning är att nämna att rörförstärkaren också har en förlåtande återgivning av digitalt inspelad och kodad musik som t.ex. från Spotify. Utgångstransformatorn fungerar som ett utmärkt transientfilter och en hel del konstiga distorsioner som uppstår vid (dålig) kodning dämpas på ett fördelaktigt sätt.

 

-SLUT-

 

Om du vill ha en rörförstärkare reparerad eller modifierad så kan det hända att jag har tid från gång till annan att hjälpa dig. Kontakta mig så hör jag av mig om jag har möjlighet.

 

 

Fortsättning:

Jag har fått en del mail som frågar om vad återkoppling är och hur den kan reducera brum, brus och minska distorsion osv i förstärkare.

Här följer den enkla förklaringen om just rörförstärkare:

 

Man matar tillbaka en minskad signal i motfas från högtalarutgången på en förstärkare till något av ingångsstegen. Eftersom rörförstärkare har en mängd komponenter som orsakar fasolinjäritet (fasen på signalen ändrar sig med ändrad frekvens mellan in och utgång) så kan man endast göra en mycket måttlig återkoppling annars är det risk för att förstärkaren blir ostabil och börjar självsvänga som en oscillator. Förfarandet att återkoppla minskar naturligtvis förstärkarens signalkänslighet. Men det fina i kråksången är att alla signalförändringar som åstadkoms i själva förstärkaren och alltså inte finns med i insignalen från kanske skivspelare eller Iphone släcks ut av återkopplingen. Alltså, de signaler som förstärkaren själv skapar, brum, brus och distorsioner, matas tillbaka i motfas på ingången och dämpas effektivt ut. De signaler som kommer från signalkällan påverkas också och dämpas men inte på samma sätt som den information som förstärkaren själv skapar. Därför minskar brum, brus och distorsioner på ett effektivt sätt. Om man dessutom gör motkopplingsslingan frekvensberoende så kan man påverka förstärkarens frekvenssvar och få en mycket linjär frekvensgång. Eller så kan man lägga en potentiometer i återkopplingsslingan i serie med en kondensator och få t.ex. en baskontroll.

Otaliga konstruktioner använder återkoppling som justering av frekvensgången. Till exempel RIAA steg för att korrigera frekvensgången i LP skivor använder ofta återkoppling i stället för passiva filter.

I gamla och noggrant konstruerade rörförstärkare fanns ibland en justering av återkopplingen för att kompensera för högtalarens variation av impedansen. Högtalare har ju som jag nämnt tidigare en egenresonans där impedansen är betydligt högre än nominellt värde.

 

Kunskapen och nyttjandet av återkoppling är en tidigt upptäckt företeelse och finns dokumenterad från 1930 talet. För er som vill veta mer så finns det en bok utgiven av Philips mellan år 1940 och 1950 som heter "Radiorör och deras användning" . Skriven av Diplom Ing. J.Deketh på Philips i Eindhoven och översatt och bearbetad av professor E. Löfgren. Det är en otroligt omfattande information om i stort sett allt som har med radiorör att göra. Det finns ett avsnitt som behandlar återkoppling i dess olika former med matematiska formler. Försök få tag i ett ex av den boken!

Det finns säkert modernare litteratur men man ska ha klart för sig att elektronrören var i stort sett färdigutvecklade i alla grundläggande former omkring år 1940. Senare utveckling handlar mest om förfining och miniatyrisering. Därför är även äldre litteratur högst relevant än idag.

Många kretslösningar har dock tillkommit långt långt senare som till exempel Williamsson koppling som ni också ser i nedanstående schema.

 

Exempel

Nedanstående bild är schema av en av världens mest sålda slutsteg: Dynaco Mark III. Där ser ni hur signalen från utgångstransformatorns sekundärlindning är kopplad via ett motståndsnät på 680 ohm till jord och 1000 ohm och en kondensator på 750 mmf direkt på katoden på förförstärkarens pentoddel av 6AN8. Vidare finns en intern återkoppling: kondensatorn på 390 mmf från ena rörets skärmgaller till katoden på 6AN8. För övrigt är Williamsson kopplingen med uttag på utgångstransformatorn till skärmgallren på KT 88 i praktiken en återkopplingsslinga.