Wel de fijne versterker, niet de hitte

Audioversterkers vind je in stereotorens, mobiele telefoons en gehoorapparaten. Door een nieuwe techniek zijn ze nu lichter, kleiner en zuiniger.

Versterkers van klasse D maken blokjes van een golf

De Europese Unie is er niet aan te pas gekomen en ministers van milieu hebben er geen weet van. Toch is een veelgebruikt apparaat bezig zich van energieslurper tot toonbeeld van efficiency om te vormen: de audioversterker. Die nieuwe versterker heet ‘klasse D’, en hij zet ruim 90 procent van de energie uit de batterij of het lichtnet om in geluid, de rest wordt als warmte afgevoerd. Heel wat beter dan de gebruikelijke versterkers, die niet verder komen dan 50 procent geluid en 50 procent warmte. Een gemiddelde A/B-stereoversterker verbruikt al gauw 40 tot 80 watt, ook als hij zacht aan staat.

Audioversterkers zijn overal. Je hebt ze als centraal element in de stereotoren, te herkennen aan de grote volumeknop en de keuzeschakelaar met CD, Tuner en Aux. Maar ze zitten ook in elke tv, autoradio, smartphone, tablet of laptop. En natuurlijk ook in de geluidsinstallaties waarmee popmuzikanten hun publiek doof maken, en in de gehoorapparaatjes die ze dan op latere leeftijd moeten dragen.

Die audioversterkers zijn noodzakelijk om het zwakke elektronische signaal uit een cd, radio, microfoon of basgitaar hoorbaar te maken. Pas na versterking heb je een signaal dat zoveel in stroom en spanning varieert, dat je er het membraan van een luidspreker of een hoofdtelefoon mee in beweging kunt zetten.

Tot in de jaren zestig werkten versterkers met elektronenbuizen. Buizenversterkers maken de laatste jaren weer een comeback als nicheproduct voor audiofielen, maar in versterkerland geeft de transistor al een halve eeuw de toon aan. Traditioneel doen transistors dat in een schakeling die wordt aangeduid als klasse A/B (zie kader), maar de nieuwkomers van klasse D zijn bezig aan een onstuitbare opmars. Versterkers in die nieuwe klasse zijn kleiner, lichter, goedkoper en zuiniger. Geen wonder dat het merendeel van de op de wereld aanwezige versterkers inmiddels geruisloos naar klasse D is gepromoveerd. „De klasse D versterker zal de huidige generatie versterkers op den duur vervangen”, profeteert Jan-Peter van Amerongen, directeur van de Groningse hightech onderneming Hypex Electronics.

Doorslaggevend voordeel van de klasse D is dat hoge rendement. Gunstig voor de energierekening en het klimaat, maar daarmee houdt de winst niet op. Een laag energieverbruik betekent ook: minder zware transformatoren voor de voeding en een langere gebruiksduur per batterij of acculading. En een lage warmteproductie maakt een zeer compacte bouw mogelijk, zonder grote koelprofielen.

Hifi-liefhebbers moesten tot voor kort weinig van die klasse D hebben. Een schril geluid, was hun oordeel. Maar daar komt snel verandering in. Hypex speelt daarin een belangrijke rol. Hun ontwerpen worden gebruikt door Bosch, Bower & Wilkins, Rotel, NAD en tal van andere fabrikanten van topklasse audioapparatuur. Ze bouwen de Hypex-modules in, of nemen een licentie op de door Hypex ontwikkelde en gepatenteerde principes. En oogsten juichende recensies in de audiopers.

Audio-amateurs

De kiem voor dat succes werd een jaar of tien geleden gelegd, en dat was grotendeels te danken aan een Belgisch technicus. Hypex produceerde rond 2002 versterkers voor audio-amateurs die zelf hun luidsprekers bouwden. Van Amerongen bedacht dat die nieuwe klasse D daar misschien heel geschikt voor was. „Ik hoorde dat er bij Philips in Leuven een Belg werkte die daar al heel ver mee was. Hij heette Bruno Putzeys. Ik heb hem opgezocht, hij heeft zijn ontwerpen gedemonstreerd en ik was onmiddellijk overtuigd.”

Putzeys (41) is elektrotechnicus. Hij toonde Van Amerongen in zijn Leuvense laboratorium een paar plaatjes op de oscilloscoop – een instrument waarop je audiosignalen kunt afbeelden en waaraan je kunt zien of ze tijdens hun tocht door de versterker niet vervormen. Vervorming is een zeker teken van slecht geluid, maar daar bleek in de Universal Class D Amplifier (Ucd) die Putzeys bij Philips had uitgevonden geen sprake van te zijn. De meetwaarden waren zelfs beter dan die van de meeste conventionele versterkers.

Putzeys kreeg bij Philips voor zijn werk weinig waardering. „Er heerste daar een omgekeerd not-invented-here-syndroom”, zegt Putzeys. „Als iemand een goede technologie verzon, werd dat genegeerd, in de veronderstelling dat zoiets alleen buiten Philips gebeurde. Maar Van Amerongen was meteen verkocht toen ik hem de oscilloscoopplaatjes liet zien. Hij was de eerste die een dure licentie kocht om UcD onder eigen beheer te maken. Bij Philips was steeds minder budget voor mijn research en uiteindelijk ben ik in 2004 helemaal naar Hypex overgestapt.”

En zo kwam het ook met de geluidskwaliteit van klasse D goed. Putzeys is nu chef R&D bij Hypex en zijn naam wordt in de audiowereld met eerbied uitgesproken. Het vooraanstaande hifi-merk NAD adverteert nu met zijn nieuwe vlaggeschip, de M22. En kondigt trots aan dat deze 300 watt stereoversterker „de nieuwste versterkertechnologie van Hypex” gebruikt.

Maar wat is het geheim van die wonderklasse? Het geheim is pulsbreedte-modulatie. Dat is een techniek die wel lijkt op digitale signaalbewerking maar daar toch wezenlijk van verschilt.

Bij pulsbreedte-modulatie wordt het geluidssignaal dat uit de cd-speler, ipod of pick-up komt zo bewerkt dat het niet meer uit golfvormen, maar uit blokjes van variërende breedte bestaat. Het voordeel van deze bewerking is dat met dat bewerkte signaal twee transistors aan het werk kunnen worden gezet die erg goed zijn in het schakelen van flinke vermogens: ‘mosfet-transistors’. Ze zetten een toegevoerde voedingspanning razendsnel aan en uit, volgens het blokjessignaal. Dan heb je na enige bewerking weer het oorspronkelijke signaal, maar dan veel krachtiger. Schakelende versterkers, zo worden de versterkers van de klasse D ook wel genoemd.

Dat schakelen gebeurt praktisch verliesvrij en zonder veel warmteproductie. Dit in tegenstelling tot de procedure in traditionele A/B-versterkers, waar de transistoren die de stroom en de spanning aan de luidspreker leveren voor een veel gecompliceerdere taak staan: ze moeten het onbewerkte audiosignaal in al zijn grillige vormen versterken. Wat betekent dat ze niet aan of uit staan, maar daar voortdurend tussenin zitten. Helaas is dat precies het gebied waar transistoren niet erg efficiënt zijn. Vandaar dat je op de bovenkant van de gemiddelde A/B-versterker je handen kunt warmen.

Blokvormig

Dan heeft de klasse D het een stuk gemakkelijker: alleen maar schakelen. Het is wel gecompliceerder dan het klinkt. Om te beginnen is het niet zo dat het binnenkomende, golfvormige audiosignaal zo wordt afgekapt dat er een blokvormig signaal ontstaat. Dat zou tot afgrijselijke geluiden uit de luidsprekers leiden. De omzetting in blokjes geschiedt op nauwkeurig bepaalde tijdstippen, en buitengewoon vaak. Zo’n 400.000 keer per seconde bekijkt een ‘comparator’ in de versterker welk niveau het binnenkomende signaal heeft. Een laag niveau wordt omgezet in een smal blokje, een hoog niveau in een breed blokje en alle variaties daartussenin krijgen ook hun blokbreedte, 400.000 blokjes per seconde.

Bij de pulsbreedte-modulatie van klasse D blijft het signaal min of meer analoog: een signaal waarin de breedte van de blokjes varieert. Met dat signaal kunnen de mosfets aan het einde van de versterker aan de slag. Ze maken er al schakelend een krachtiger signaal van, dat wel als probleem heeft dat het zwaar verontreinigd is met allerlei hoge frequenties – het resultaat van die bewerking met 400.000 Hz. Maar daar weet een filter dat die hoge frequenties eruit haalt – een ‘laagdoorlaatfilter’ - raad op. Alles boven het hoorbare gebied (ongeveer 20.000 Hz) wordt weggesneden. En daar is het oorspronkelijke signaal weer, maar nu sterker.

Maar heeft de geluidskwaliteit niet te lijden van die bemonstering? Die geschiedt – net als bij pulscode-modulatie – met tussenpozen, zij het met ultrakorte tussenpozen. Leidt dat niet tot verlies van informatie die in het oorspronkelijke signaal nog wel aanwezig was?

„Nee”, zegt Putzeys. „Dat is een hardnekkig misverstand.” Hij verwijst naar het principe dat de Zweedse elektrotechnicus Harry Nyquist (1889-1976) al in 1928 formuleerde. „Het theorema van Nyquist zegt dat als je een signaal vaker bemonstert dan twee keer de hoogste frequentie die in het signaal zit, je ook de stukjes signaal tussen de bemonsteringstijdstippen perfect kunt reconstrueren.”

Wat daarbij ook helpt is de fascinerende techniek die terugkoppeling heet. „Bij het schakelen door de mosfets worden fouten gemaakt”, zegt Putzeys. „Maar die kun je herstellen.” Voordat het signaal aan de luidspreker wordt aangeboden, wordt het vergeleken met het oorspronkelijke signaal aan het begin van de versterker. Afwijkingen worden bliksemsnel gecorrigeerd, het verbeterde signaal gaat nogmaals door de versterker en het hoorbare resultaat is ‘schoner’. „Voor de luisteraar is het alsof er helemaal geen fout is opgetreden.”

Dat klinkt behoorlijk contra-intuïtief, wil Putzeys wel toegeven. „Maar daar hebben we de wiskunde voor: om de beperkingen van onze intuïtie te omzeilen.”