Messungen an einem älteren Vollverstärker

ein Freund bat mich seinen Verstärker zu messen, er stammt vermutlich aus den frühen Achtziger Jahren. Er hat damals angeblich etwa knapp 2500 DM gekostet.


 

Innenleben des Yamaha

die Elektronik ist aufklappbar

geschirmt untergebrachter Analogteil

Nach dem Öffnen des Deckels erscheinen links eine Verstärkerplatine, rechts und links davon die Endstufenkühlkörper, rechte Seite ein getakteter Netztrafo, vorne Schalter.

Der Verstärkerteil läßt sich wartungsfreundlich nach oben aufklappen. Bereits entfernt (nicht sichtbar im Foto) eine vollflächige zusätzliche Abschirmleiterplatte, die den Verstärkerteil auch nach unten hin verschließt. Die Lautsprecherbuchsen sind nicht original.

Die Leiterplatte enthält auch den Phonoverstärker, der untere Schiebeschalter ist der Wahlschalter der Phonoeingangsimpedanz, der Flachbandbowdenzug wurde an diesem Schalter entfernt.

reichhaltige Elektronik

Netzschalter

Ein Blick auf die Endstufenelektronik, eine Gegentaktendstufe mit JFET Differenzverstärkereingängen. Es sind zwei mal drei Ausgangstransistoren je Kanal. Der Staub der Jahre hat sich angesetzt, das hier ist aber noch eine harmlose Menge.

Zeigt den Netzschalterbereich und jede Menge Verbindungen, viele davon steckbar.

Flachband Bowdenzug Phonowahlschalter

defekter Kondensator

Fingerhut

zeigt den defekten Flachbandbowdenzug des Phonowahlschalters. Er ist oben an der Schnecke abgerissen, da ist fast nichts mehr zu machen, Neuteil empfehlenswert oder ein Uhrmacher. Keine Angst - der Phonowahlschalter kann auch manuell gestellt werden, so oft  wird er schließlich nicht benötigt.

ein defektes getauschtes Bauteil, ein Kondensator aus dem getakteten Netzteil. Er hat noch funktioniert, Kapazität und ESR in Ordnung. Aber wie lange noch? Die Brühe kommt schon raus. Man bemerke den Aufdruck: no PCB's, damit berührt man ihn schon etwas lieber.

digitalis purpurea

nein kein Digitalverstärker, sondern nur ein Fingerhut. Aus dem Garten passend zur Jahreszeit Mitte Juni. Anspruchslose, pflegeleichte aber gifitige Schönheit der Natur.

Was am Verstärker sofort postiv ins Auge fällt ist der wartungsfreundliche Aufbau, die Verstärkerplatine kann noch oben weggeklappt werden und alle Bauteile sind ohne größere Schraubereien gut zugänglich und leicht austauschbar. Die Endstufenkühlkörper sind ein wenig klein geraten, haben jedoch durch die vielen Rippen ein große Oberfläche, trotzdem wurde der Verstärker bei starker meßtechnischer Belastung sehr warm, für den Genuß des normalen Musiklieberhaber aber nicht als Problem anzusehen. Die vielen Kabel und Leitungen entsprechen dem Stand der kommerziellen Technik, wobei die Signalkabel aber geschirmt sind. Der Verstärker wiegt dank seines getakteten Netzteils nur knapp 13 kg. Das Gewicht ist bedingt durch das getaktete Netzteil sehr gering, vergleichbare Exemplare mit traditionellem Transformator bringen gern 10 kg mehr auf die Waage.

Messungen:

Zuerst die übliche Prozedur mit dem Oszilloskop die Grundfunktionen prüfen: sieht der Sinus sauber aus, Rechteckantwort, nur geringe Gleichspannung am Ausgang, bis mehrere zehn kHz keine stark abfallende Amplitude am Oszilloskop?  - war alles o.k.

Anmerkung: der Verstärker wurde entwickelt und spezifiziert für Lasten von 8 Ohm bis 16 Ohm. Ein Betrieb mit 4 Ohm ist im Prinzip unzulässig, ich tue es hier aber trotzdem. An den 4 Ohm wird er schlechtere Messwerte und dadurch leichter erkennbare Verschlechterungen zeigen als an 8 Ohm. Bedenkenswert ist aber auch, viele 8 Ohm Lautsprecher haben Frequenzbereiche, in denen die Lautsprecherimpedanz deutlich unter die 8 Ohm sinkt - daher sollte der Verstärker auch mit niederen Impedanzen zurecht kommen, zumindest kurzzeitig, darauf hin zielt der 4 Ohm Test auch.

Genau genommen kann man Verstärker gar nicht explizit für 4 Ohm oder 8 Ohm bauen, dem Verstärker ist das eigentlich gleichgültig, er orientiert sich an Ausgangsströmen und Aussteuerung - nur jetzt kommt das berühmte "aber":

die Kombination der verwendeten internen DC Betriebsspannungen der Gegentaktendstufe und die Aussteuerung entscheidet letztendlich über die sinnvolle Last. Der Verstärker hat relativ hohe DC Betriebsspannungen deutlich über +/-60 Volt, für einen leistungsstarken 8 Ohm Verstärker eine sinnvolle Wahl. Werden nun aber 4 Ohm angeschlossen, könnten rein theoretisch enorm hohe Leistungen von mehreren hundert Watt am Ausgang abgegriffen werden, für derart hohe RMS Leistungen sind die verbauten Transistoren und Kühlkörper nicht ausgelegt. Könnte man beipielsweise bis auf max. ca. 40 Volt am Ausgang aussteuern wären das bei Rechteck etwa 400 Watt RMS, das macht er nicht lange mit. Bei 8 Ohm wären es 200 Watt RMS, ein himmelweiter Unterschied. Um ihn bis zur vollen Aussteuergrenze 4 Ohm tauglich zu machen, müßte die Betriebsspannung bei den verbauten Kühlkörpern und Transistoren deutlich reduziert werden, gleichzeitig müssten aber auch viele interne Verstärkerbauteile entsprechend der niedrigeren Betriebsspannung angepasst und optimiert werden.

Der Hersteller hat den Verstärker bewußt so ausgelegt, daß er an 8 Ohm - 16 Ohm bedenkenlos verwendet werden kann und bei dieser Impedanz seine maximale Ausgangsleistung abgeben kann und auch optimal arbeitet. Ein Betrieb an 4 Ohm hin bis zu vertretbaren Ausgangsspannungen ist durchaus vertretbar, man sollte nur genau wissen was man da tut.

Im Betrieb mit niederohmigeren Lasten verschlechtern sich im Normalfall die Parameter aller Verstärker, egal ob Hifi oder Operationsverstärker, da jedoch dieser Verstärker ohnehin schon gute Ergebnisse zeigt, ist die höhere Belastung sinnvoll um die Grenzen besser zu zeigen, außerdem ist von Interesse wie er auf harte Lasten reagiert.

Verallgemeinern jedoch darf man diese Anschlußmöglichkeit niederohmigerer Lasten jedoch keinenfalls für jeden Verstärker, die Möglichkeit des Vorhandenseins einer internen Schutzbeschaltung, die zu niedrige Impedanzen erkennt besteht durchaus, wahrscheinlich würde der Verstärker dann bewußt abschalten um sich zu schützen. Sehr wahrscheinlich wäre diese Impedanzgrenze dann aber bestimmt nicht bei 4 Ohm sondern noch viel kleiner. Der fließende Übergang zum Kurzschlußschutz, den viele Verstärker (nicht alle) haben ist somit nicht mehr weit.

Warum all dieses zähe Gerede und die ewig langen Erklärungen wie, warum und wann ein 4 Ohm Betrieb an einem 8 Ohm Verstärker möglich ist? Ganz einfach weil es natürlich nicht alle Leser wissen können - und es kann sonst schwer nachvollziehbar sein, warum sich diese Meßreihe hier über allgemeine Gebote hinwegzusetzen erlaubt. Hinzu kommt, daß im Moment gar kein vernüftiger 8 Ohm Lastwiderstand zur Verfügung stand, sonst wäre diese Meßreihe zum Vergleich dazugekommen.

Überhaupt eröffnet man mit der Einführung der Variablen "Lastimpedanz vs. Meßreihe" eine dritte Dimension, idealerweise kämen noch hinzu die interessanten Messungen mit Parallelkapazitäten. Problem dabei ist keinesfalls, daß man diese nicht gern machen würde, einzig und allein: die Zeit.

Klirrfaktormessungen:

Klirrfaktor 1 kHz 0dBVrms

Klirrfaktor 1 kHz 10dBVrms

Klirrfaktor 1 kHz -10dBVrms

erste Messung Klirrfaktor bei 1 kHz, 4 Ohm, Ausgangsspannung 0dBVrms = 1 Volt rms.

Analyzereinstellungen: Horizontalskalierung 1 kHz/DIV, Vertikalskalierung 10dB/DIV, Reflevel (oberste Linie) 0dBVrms. Die Harmonischen sind sehr niedrig, keine K2 oder K3 zu erkennen, harm. Verzerrungen < -88 dB = ca. < 0,004% Ein Wehrmutstropfen, zwischen DC und 1 kHz viele kleine Nadeln, das sind Harmonische der 50Hz Netzfrequenz, also 100, 150, 200, 250 Hertz usw. Die haben hier normalerweise nichts zu suchen. Dies würde den THD+Noise (Total Harmonic Distortion + Noise) verschlechtern, die Störungen laufen hier unter der Kategorie "Noise". Eine Ursachenangabe wäre nur Spekulation.

zweite Messung Klirrfaktor bei 1 kHz, 4 Ohm, Ausgangsspannung 10dBVrms = ca. 3 Volt rms.

Analyzereinstellungen: Horizontalskalierung 1 kHz/DIV, Vertikalskalierung 10dB/DIV, Reflevel (oberste Linie) 10dBVrms.  Harmonischen K2 und K3 sind erkennbar, Harm. Verzerrungen ca.  -85 dB, gut. Um Zeit zu sparen wurde die Messung beim Sprung abgebrochen.

dritte Messung Klirrfaktor bei 1 kHz, 4 Ohm an einer kleinen Ausgangsspannung von -10dBVrms = ca. 0,3 Volt rms.

Analyzereinstellungen: Horizontalskalierung 1 kHz/DIV, Vertikalskalierung 10dB/DIV, Reflevel (oberste Linie) -10dBVrms. Harmonische K2 und K3 sind keine erkennbar, harm. Verzerrungen besser  -80 dB, prima.

Klirrfaktor 10 kHz -10dBVrms

Klirrfaktor 10 kHz 0dBVrms

Klirrfaktor 10 kHz 10dBVrms

vierte Messung Klirrfaktor - bei 10 kHz, 4 Ohm nun mit einer kleineren Ausgangsspannung von -10 dBV rms = ca. 0,3 Volt rms.

Analyzereinstellungen: Horizontalskalierung 5 kHz/DIV, Vertikalskalierung 10dB/DIV, Reflevel (oberste Linie) -10dBVrms. Die Harmonischen sind K2 und K3 sind keine erkennbar, Harmonische Verzerrungen ca.  -80 dB, sehr gut für 10 kHz. Habe das erste Gefühl das Rauschen zieht etwas an.

fünfte Messung Klirrfaktor - bei 10 kHz, 4 Ohm nun mit einer Ausgangsspannung von 0 dBV rms = 1 Volt rms.

Analyzereinstellungen: Horizontalskalierung 5 kHz/DIV, Vertikalskalierung 10dB/DIV, Reflevel (oberste Linie) 0dBVrms. Die Harmonische K3 (30 kHz) liegt bei ca. -78 dB = ca. 0,02% immer noch sehr wenig für diese Frequenz, aber K3 ist dominierend mit keinem erkennbaren K2, Verhalten ist typisch für viele Gegentaktendstufen.

sechste Messung Klirrfaktor - bei 10 kHz, 4 Ohm nun mit einer Ausgangsspannung von 10dBVrms = ca. 3 Volt rms.

Analyzereinstellungen: Horizontalskalierung 5 kHz/DIV, Vertikalskalierung 10dB/DIV, Reflevel (oberste Linie) 10dBVrms. Die Harmonische K3 (30 kHz) liegt bei ca. -74 dB, immer noch gut für diese Frequenz, aber K3 ist dominierend mit keinem erkennbaren K2. Der Klirrfaktor zieht so langsam an.

Untersuchung des Noise

siebte Messung, nähere Untersuchung des Netzbrumm - bei ca. 920 Hertz Signal, 4 Ohm an einer Ausgangsspannung von 0 dBVrms.

Analyzereinstellungen: Horizontalskalierung 200 Hz/DIV, Vertikalskalierung 10dB/DIV, Reflevel (oberste Linie) 0dBVrms. Zu sehen ist die Grundwelle K1, viele Netzharmonische und Mischprodukte. Von links beginnend: 50 Hz, 100 Hz, 150 Hz, (200 Hz nicht zu sehen) bis hinauf auf 2000 Hz am rechten Ende des Analyzers. Die Störungen bei -80 dB befinden sich auf sehr kleinem Level, aber sie mischen sich mit dem gesamten Musiksignal.

Bis jetzt ist zu sagen, Klirrniveau sehr erfreulich niedrig,  Was aufällt sind Netz Harmonische.

Messung des Dämpfungsfaktors:

Dämpfungsfaktor an 4 Ohm und 3 Vrms

Dämpfungsfaktor an 4 Ohm, gemessen an 8 Ohm würden sich die Werte noch deutlich erhöhen.

Messung des dynamischen Innenwiderstandes

Zugehöriger dynamischer Innenwiderstand.

Amplitudengang

mit zwei 3457A Multimetern.

Blau ist die Messung im Leerlauf ohne Last - ein superglatter Frequenzgang  - supergut - da spielt jetzt wirklich alles eine Rolle, von den Meßkabeln bis hin zur Genauigkeit der Multimeter.

Rot ist die Messung an 4 Ohm, zu sehen der Spannungsabfall verursacht durch den dynamischen Verstärkerinnenwiderstand. Die Welligkeit ist jedoch schon etwas stärker ausgeprägt. Mit 8 Ohm werden die Messwerte irgendwo dazwischen liegen.

Dämpfungsfaktor

Amplitudengang

Ein und Ausgangsspannungen der Messung

Linkes Diagramm aus gleicher Messung, nur diesmal etwas größer und anders skaliert um die Feinheiten besser zu sehen. Linear im Leerlauf, unter Last zunehmende Welligkeit.

Rechtes Doppeldiagramm die Meßwerte der Ein- und Ausgangsspannungen, zu sehen die Linearität vom Generator 3336B über die Frequenz.

Phasengang ist mit Phasenmessern, die eine gemeinsame Masse zwischen Ein- und Ausgang erfordern nicht meßbar, da diese schaltungstechnisch nicht auf selbem Potential liegt. Daher bei diesem Verstärker nicht den Minuspol des Ausgangs mit der Masse des Eingang verbinden.

Anstiegszeiten und Slew Rate

die Slew Rate interessiert schon noch, daher nichts wie ran an die Rechtecke:

slew rate Messung mit 20 Volt rms

Rechteckantwort auf einen 3325A.

Etwa 16 kHz mit 20 Volt RMS an 4 Ohm. Ein und Ausschwingvorgang wunderbar ohne Makel - geradezu vorbildlich - am Scope keine sichtbaren Überschwinger. Die Einschwingzeit ist ein wenig lang, aber für Audio ausreichend. Die endliche Bandbreite nimmt hohe Frequenzanteile heraus, die normalerweise für ein etwas verbogenes Bild, bzw. leichte Überschwinger verantwortlich wären. Nicht so besonders dynamisch und schnell aber sehr schönes Einschwingverhalten.

  • Anstiegszeiten etwa 3 µs.

  • Slew Rate in diesem Diagramm etwa 30 Volt / 2,5 µs entsprechend 12 Volt / µs.

  • Ausgangsleistung etwa (20V*20V)/4Ohm = 100 Watt rms.

 

Noch eine Rechteckantwort, diesmal aber mit mächtig Leistung. 16 kHz Rechtecke mit 30 Volt rms an 4 Ohm. Verstärker schwingt immer noch super exzellent sauber ein, keine sichtbaren Überschwinger, sieht aus wie ein aperiodischer Einschwingvorgang wie aus dem Lehrbuch. Trotz allem Lobes, wenn er jetzt noch schneller ansteigen würde wäre es genial schön. Aber so ist das nun, der Kuhhandel mit der Geschwindigkeit, will man keinerlei Überschwinger müssen meist Opfer an der Geschwindigkeit gebracht werden, gibt man zu viel Speed ohne den Amp fest in der Gegenkopplung zu halten ist das Überschwingen schon sehr ausgeprägt. Ich kenne allerdings keinen High Speed Verstärker (ich meine jetzt Operationsverstärker) der nicht mindestens minimal überschwingt. Die Kunst liegt darin beides hinzubekommen Speed und Präzision.

  • Anstiegszeiten etwa 8 µs

  • Slew Rate in diesem Diagramm etwa 30 Volt / 2 µs entsprechend 15 Volt / µs.

  • Die Ausgangsleistung in diesem Bild (30V*30V)/4Ohm = 225 Watt RMS

Hier liegen satte 225 Watt RMS mit 16 kHz Rechtecken an 4 Ohm, ich hab's dem Ding noch mal richtig eingeschenkt. Die für 8 Ohm ausgelegte Betriebsspannung hätte ausgereicht an 4 Ohm noch brutalere Leistungen für kurze Momente ans Licht zu befördern. Wäre mit Garantie noch was an Leistung drin gewesen, ich hab nicht weiter aufgedreht bevor es die Transitoren killen könnte, ich möchte es nicht ausreizen zu wissen, ob der Verstärker dagegen eine Schutzschaltung hat oder nicht, ich kann es nicht sagen. Bei 30 Volt fließen bereits 7,5 Ampere aus dem Ausgang raus, das reicht nun wirklich. Wunderschöner vorbildlicher, kaum zu verbessernder Einschwingvorgang, allerdings könnte er ein bisschen schneller sein.

Der Verstärker wurde bei dieser Leistung sehr schnell sehr warm, ein paar Minuten genügten dafür, lang hätte er das nicht mitgemacht bei den kleinen Kühlkörpern - aber egal - dieses hohe Rechtecksignal entspräche einer Musik, das könntest Du Dir nicht im geringsten vorstellen was das für ein gräßlicher Lärm wäre (z.B. mit einem 300 Hz Rechteck), die lautesten Technoliebhaber wären liebste Weisenknaben dagegen.

Phono Input

Untersuchung des Amplitudengang.

Dieser ist nicht so ganz einfach zu messen, es sind nur kleine Eingangsspannungen als Signal zu gebrauchen, auch die Meßdynamik am Verstärkerausgang bedingt durch die RIAA Kennlinie sinkt bei hohen Frequenzen um ca. 40 dB ab.

Amplitudengang des Phono Eingang.

Eine kurze Untersuchung der Phono Eingänge klärt ob diese noch korrekt arbeiten. Getestet wurde der Moving Magnet Eingang mit 47 kOhm. Amplitudengang des Phono Eingang. Zu sehen die Gesamtverstärkung mit der RIAA Entzerrung. Der Volume Regler und die Eingangsspnnung entsprachen den genannten Einstelllungen. Der RIAA Verlauf müßte in Ordnung sein, ohne ihn jetzt explizit mit der auf 1 kHz normierten RIAA Sollkurve zu vergleichen. Der rote Kanal ist ein wenig lauter als der blaue. Das kann jetzt am RIAA Entzerrer liegen, an einer unterschiedlichen Gegenkopplungseinstellung der beiden Endstufen oder am Lautstärkepotentiometer. Die Abweichung ist allerdings gering und nicht besonders bedeutsam, da man diesen Lautstärkeunterschied kaum hören wird. Von den übrigen Einflußfaktoren wie unterschiedlicher Wirkungsgrad der beiden Lautsprecher und Aufstellungsort mal ganz abgesehen.

 

Ein- und Ausgangsspannungen während der Messung

Dieses Bild zeigt die beiden dazugehörigen Ein- und Ausgangsspannungen während der Messung. Zu sehen wie die RIAA Entzerrung die tiefen Frequenzen anhebt und die höheren zunehmend absenkt. Aus dem Diagramm läßt sich die Konstantheit des Frequenzgenerators und des Multimeters beurteilen, sie liegt bei recht konstanten 4.87mV RMS über Frequenz.

Harmonische Verzerrungen Phono Input

Spektrum Phono Kanal rechts

Spektrum Phono Kanal links

Zeigt das Spektrum des Moving Magnet 47 kilo Ohm Eingangs bei einer Signalfrequenz von ca. 1030 Hertz. Für die Messung wurde eine hochwertige Soundkarte benutzt, die Verstärkerausgangsspannung wurde über einen Abschwächer reduziert und die Karte auf etwa 69% ausgesteuert, bei dieser prozentualen Aussteuerung arbeitet sie nach Erfahrungswerten mit sehr hoher Linearität und damit niedrigem Eigenklirrfaktor.

Gemessen wurde THD als auch THD+Noise, wobei THD+Noise hier auch die DC Komponenten in der Berechnung mit berücksichtigt, sie ist hauptsächlich für den hohen Wert von über 2% verantwortlich, normalerweise sollte diese bei Audio Messungen nicht berücksichtigt werden, wenn man DC nicht als Noise betrachten will.

Anmerkung: die THD und THD+N Berechnung hat in diesem Diagramm so oder so nur einen akademischen Nutzen, da ja das Diagramm selbst die Details viel besser zeigt, die Zusammenfassung in nur eine Zahl, macht den Sinn besonders dann wenn das Diagramm nicht gezeigt wird.

Nicht berücksichtigt in der Phono Input Klirrfaktormessung ist die Entzerrung durch die RIAA Kennlinie. Von 1 kHz zu 2 kHz unterdrückt sie jeweils etwa um weitere 2 dB die Harmonischen, wer den Klirrfaktorwert ganz exakt wissen will, sollte die RIAA Entzerrung für alle Harmonischen mit einbeziehen. Die Klirrfaktorwerte sind niedrig.

Man könnte noch vieles Messen, reicht schon aus, wirklich sehr schöne Ergebnisse nach meinem Empfinden, ein sehr guter Verstärker.

Es kann sein, daß diese Messungen fehlerbehaftet oder falsch sind. Die Darstellungen haben keinerlei Anspruch auf Richtigkeit.