Waarom klinkt auto-bias zo opmerkelijk goed?
Ik weet wel dat ik de auto-bias unit zelf heb uitgevonden en dat Guido Tent er een prachtige universele unit van heeft gemaakt. Natuurlijk snapt iedereen dat ik en Guido zoveel mogelijk van deze units willen verkopen. Dus zou men kunnen denken dat deze tekst alleen voor reclamedoeleinden geschreven wordt.
Niets is minder waar. Met verbazing heb ik de afgelopen maanden geconstateerd hoe extreem goed onze auto-bias klinkt en ik ben op zoek gegaan in de literatuur, in eerdere onderzoeken van mij, plus nieuw werk, waarom deze extreme toename in detaillering en diepteweergave en strakheid en schoonheid in de bas optreedt. Wat veroorzaakt dat, hoe komt het dat ik overduidelijk dieper in het geluidsbeeld kan horen en veel meer details waarneem? Na grondig speurwerk, plus hulp van studenten, waarbij ik met name Lukasz Jaszczuk noem, kwamen de brokstukken van de verklaring bij elkaar. In deze tekst staat de uitleg over de wetenschappelijke verklaring van de toename van de kwaliteit van de geluidsweergave.
The oude Rc//Cc situatie
Onderstaand schema geeft de schakeling van de UL40-S2 rondom de oude schakeling van de bias van de eindbuizen. De kathodes van beide eindbuizen zijn aangesloten op een gezamenlijke weerstand Rc = 220 Ohm naar aarde met parallel daaraan een elco Cc = 1000 uF. De ruststromen door de twee eindbuizen veroorzaken een spanning over deze Rc//Cc combinatie en dat zorgt voor de automatische instelling van het werkpunt van de eindbuizen. Enig verschil tussen B2 en B3 wordt opgevangen door P4, die een deel van de spanning over Rc//Cc naar de stuurroosters regelbaar maakt, waardoor in rust de beide ruststromen door de eindbuizen exact gelijk ingesteld kunnen worden.
Klik schema voor vergroting.
Als de uitsturing van de eindbuizen vergroot wordt, neemt de gemiddelde stroom door de eindbuizen toe en de spanning over Rc//Cc neemt (door Cc vertraagd) ook toe. Daardoor wordt bij hogere uitsturing de ruststroom instelling van de eindbuizen anders. Het instelpunt hangt dus af van het signaalniveau, van de mate van uitsturing. Hoe groter de uitsturing wordt, des te meer de ruststromen afgeknepen worden.
Als de buizen B2 en B3 exact gelijk aan elkaar zouden zijn (wat nooit het geval is), dan zouden de veranderde ruststromen door de eindbuizen ook bij grotere uitsturing onderling even groot zijn. Maar de buizen zijn nooit precies aan elkaar gelijk, dus reken er maar op dat bij grotere uitsturing de ruststromen onderling toch verschillend zijn geworden. Dit verschil zal de kern van de uitgangstransformator gaan magnetiseren, er loopt nu immers een netto gelijkstroom door de primaire wikkeling. Deze DC-magnetisatie is ongewenst, zoals verderop zal blijken.
Er bestaat een eenvoudige meting om het hierboven beschreven effect aan te tonen. Regel met P4 in de Rc//Cc situatie de ruststromen exact gelijk af zonder muziek. Stuur nu met toenemend uitgangsniveau een 50 Hz sinus door de versterker en constateer dat deze eenzijdig vervormd raakt (zie foto). Met P4 valt deze vervorming steeds weg te regelen, maar bij ieder uitgangsniveau moet P4 anders worden ingesteld. Dus de gelijkheid van de ruststromen hangt van het uitgangsniveau af. De wezenlijke oorzaak hiervan is natuurlijk dat de twee eindbuizen nooit exact aan elkaar gelijk zijn.
Stabileit met de nieuwe auto-bias unit
Heel anders wordt de situatie als de nieuwe auto-bias unit van Guido en mij wordt toegepast. Deze meet per eindbuis de ruststroom in een smal venster rondom de gewenste ruststroom en trekt zich niets aan van het uitsturingsniveau van de eindbuizen. Of de versterker in klasse A of AB staat te spelen, of de eindbuizen zijn onderling ongelijk, de ruststromen worden rotsvast gestabiliseerd op de ingestelde waarde en driften niet weg. Daardoor treedt er nu geen DC-magnetisatie van de kern op. Ook dit is weer eenvoudig meetbaar met de 50 Hz sinusspanning. Deze blijft dan onvervormd, mits men natuurlijk de AC-balans met P3 correct heeft ingesteld (hierover later meer).
Klik schema voor vergroting.
Dit verklaart precies waarom de basweergave van de UL40-S2 duidelijk waarneembaar strakker is geworden. De hiervoor beschreven vervorming in de lage frequenties (vooral daar is uitgangstrafo gevoelig voor DC-magnetisatie) is nu afwezig en de bastonen klinken nu onaangetast schoon. Maar er is nog meer aan de hand.
Wat gebeurt er in de kern van de the opt?
In mijn AES-paper 7125 (zie de sectie "Publicaties") bericht ik over een conflict dat in de uitgangstrafo ontstaat als microdetails moeten worden weergegeven. De vermogens en spanningen van die microdetails zijn zo klein dat ze nauwelijks de magnetische domeinen (gebiedjes van Weiss met hun Bloch-wanden) in beweging kunnen brengen. Bij zulke geringe signaalniveaus stort de beweeglijkheid van de magnetische gebiedjes (= magnetische permeabiliteit) in. Het resultaat is dat de kleine signaaltjes nauwelijks meer door de uitgangstrafo heen kunnen komen; ze verschijnen dan extra verzwakt bij de luidsprekerklemmen. Afhankelijk van de ingestelde luidheid en het rendement van de gebruikte luidspreker en de luisterafstand kunnen de microdetails juist onder de ondergrens van ons gehoor (threshold of hearing) vallen en worden ze niet meer waargenomen.
Er is echter een situatie waarbij dit effect geminimaliseerd wordt. Dat is wanneer de eindbuizen zo'n gering mogelijke inwendige weerstand (plate resistance) hebben. Dan zijn de eindbuizen door hun laagohmige gedrag nog steeds in staat om de microdetails door de transformator heen te drukken. Nu is mijn Super Triode schakeling van de UL40-S2 precies zo'n laagohmige schakeling en dat verklaart waarom de ST-mode zo goed klinkt. De microdetails worden goed waargenomen.
Maar hoe komt het dan dat de nieuwe auto-bias unit hier ook nog invloed op heeft? Nu haal ik de resultaten van de metingen van Lukasz aan. Onderstaande grafiek toont de versterking (verticale as, genormaliseerd op 0 dB) als functie van de uitgangsspanning (horizontale as) gemeten vanaf de ingang naar de uitgang van de versterker PR20HE-S2 (zie elders op mijn site). De rode kromme toont hoe de berekende versterking afhangt van de uitgangsspanning, terwijl de gestippelde kromme de gemeten versterking weergeeft. Deze meting is bij 20 Hz verricht met de Rohde&Schwarz UPV Audio Analyzer, zowaar een uiterst hoogwaardig niet mis te verstaan meetapparaat.
Klik op de grafiek voor een vergroting.
Wat blijkt: onder een bepaalde uitgangsspanning neemt de versterking af, zoals door mij voorspeld in mijn paper. Maar er blijkt nog iets: als we de berekende en gemeten versterking met elkaar vergelijken, dan is de gemeten versterking een factor 10 naar rechts verschoven. Dus in de praktijk treedt de voorspelde verzwakking al bij hogere uitgangsspanningen op dan was berekend. Wat is daarvan de oorzaak? Deze bleek te liggen in de ongelijkheid van de ruststromen door de eindbuizen. Bij de meting van Lukasz verschilden die ongeveer 0,3 mA, een gering verschil, maar toch al voldoende om enige DC-magnetisatie in de kern op te wekken. Zelfs deze geringe magnetisatie is al voldoende om de permeabiliteit van de kern extra te verlagen en daarmee de versterking extra te laten afnemen.
Passen we nu de auto-bias unit toe, dan worden de ruststromen binnen 0,05 mA (of nog beter) aan elkaar gelijk gehouden en dan begint de gemeten versterking (stippellijn) de berekende versterking (rode lijn) te benaderen. Het netto effect daarvan is dat pas bij een 10 x lagere ingangsspanning (10 x is identiek aan 20 dB) de voorspelde extra verzwakking gaat optreden. In andere woorden: met de auto-bias unit is het mogelijk om onverzwakt 20 dB dieper in het geluidsbeeld te luisteren, de microdetails worden nu duidelijker onverzwakt waarneembaar. Dat is precies wat ik kan horen. De toename van detaillering en de openheid van het geluidsbeeld zijn extreem als de ruststromen de auto-bias unit exact gelijk zijn.
Samenvatting
Met bovenstaande verklaringen heb ik kunnen uitleggen en meten waarom de basweergave schoner is geworden en waarom de microdetails beter worden gehoord als de nieuwe auto-bias unit wordt toegepast.
Wat adviezen voor optimale instelling
Ik adviseer om de ruststromen van de 6550 eindbuizen in te stellen op 80 mA. Hierbij bedraagt de hoogspanningsvoeding Vo = 355 V, dus de anode dissipatie wordt dan Pa = 355 * 0,08 = 28,4 W en dat ligt voldoende onder de Pa,max-waarde van 40W zodat de buizen een redelijk lang leven beschoren is. Metingen tonen aan dat dan de versterker over nagenoeg zijn gehele vermogensbereik in klasse A werkt. Opnieuw bevordert dit een optimale geluidsweergave omdat nu de dynamische dempingsfactor vervorming (DDFD) wordt geminimaliseerd.
Er zijn drie methoden om de AC-balans met P3 optimaal in te stellen. De eerste is dat men een sinustoon van 1000 Hz door de versterker stuurt (tot ongeveer 20 Vtt over de met 4 Ohm belaste uitgang). Men regelt P3 dan af op minimaal geluid (zwak hoorbaar zingen) van de uitgangstrafo. De tweede methode is dat men met een vervormingsmeter de vervorming meet en met P3 minimaliseert bij 20 Vtt op de belaste uitgang bij een toon van 1000 Hz. De derde methode is dat men de oscilloscoop in de X/Y-mode zet, de ingangsspanning op de X-as en de uitgangsspanning op de Y-as. Op het scherm verschijnt dan een nagenoeg rechte lijn (Lissajoux meting) en door instelling van P3 kan deze optimaal recht worden gemaakt. De instellingen van P3 in alle drie meetmethodes komen met elkaar overeen. De vierde methode is: zet P3 exact in zijn middenstand, niks meten, gewoon doen, je zit dan nagenoeg volledig op het optimum.
Nawoord
De lezers van mijn website hebben de afgelopen maand kunnen merken dat ik fiks met de UL40-S2 bezig ben geweest. Het bleek zinvol te zijn om alles nog eens helemaal na te lopen en om nieuwe inzichten toe te passen. Het eindresultaat is dat de UL40-S2 in ST-mode met de auto-bias unit een overduidelijke verbeterde geluidsweergave realiseert. Dat is prachtig, maar wat ik er persoonlijk ook heel bevredigend vind, is dat ik precies kan verklaren waarom die verbeteringen zijn opgetreden. Objectiviteit en subjectiviteit beginnen naar elkaar toe te kruipen en daar ben ik heel blij mee. Ik wens ieder veel luistergenot.
(Menno van der Veen, juni 2008)