|
Een universeel tweetraps transistorversterkertje voor audio dat de mogelijkheid biedt diverse soorten tegenkoppeling in te bouwen. Hierdoor wordt het geschikt om alle mogelijke soorten audiosignalen naar een hoger niveau te tillen. |
Theoretische achtergronden over 'versterking'
Drie soorten audiosignalen
In de meeste gevallen hebt u bij audioversterking te maken met:
- Versterken van lijnsignalen.
- Versterken van microfoonsignalen.
- Versterken van RIAA-signalen.
Deze laatste toepassing mag ouderwets lijken, maar er zijn genoeg audiofielen die hun oude LP's koesteren en een voorversterker voor een platendraaier is nog steeds een gewilde schakeling. Dit ontwerp kan voor elke toepassing geschikt gemaakt worden door aanpassing van een paar tegenkoppelelementen.
Wat zijn de eisen?
Om het versterkertje echt universeel te houden moet u zich eerst afvragen hoe groot de versterking moet zijn. Om de kans op oscillaties zo klein mogelijk te maken moet u de versterking niet groter kiezen dan strikt noodzakelijk is om alle praktische toepassingen te kunnen realiseren. Bij RIAA-versterkers leveren de elementen bij de laagste frequenties de laagste signalen. De uitgangsspanning bij de bassen bedraagt bij de meeste elementen nog maar zo'n 0,5 mV. Om een eindversterker volledig uit te sturen is meestal 1 V voldoende, zodat de grootste versterking van een pick-up voorversterker 2.000 maal moet bedragen. Omdat signalen afkomstig van DVD, CD, video of tuner niet groot genoeg zijn om een normale eindversterker uit te sturen, moeten deze ook nog versterkt worden. Een versterking van 10 maal is voor deze toepassingen echter meer dan voldoende.
Tegenkoppeling
Versterkers hebben de gewoonte om, naast hetgeen dat ze moeten doen, uit eigen beweging nog het een en ander erbij te verzinnen: brom, ruis en vervormingen. U moet dus een truc bedenken om te bereiken dat alleen ú bepaalt wat de versterker wel of niet doet, zonder afhankelijk te zijn van de individuele karaktereigenschappen van de gebruikte componenten. Dat doet u door tegenkoppeling toe te passen: een deel van de uitgangsspanning wordt teruggekoppeld naar de ingang van de versterker.
In onderstaande figuur is de bekende voorstelling van een versterker in de vorm van een driehoek getekend. Een deel van de uitgangsspanning zal door de spanningsdeler die gevormd wordt door R1 en R2 op de inverterende ingang terecht komen. Wanneer u als voorbeeld neemt dat R1 9 kΩ is en R2 1 kΩ, dan zal op de inverterende ingang één tiende deel van de uitgangsspanning terecht komen. Een verschilversterker streeft er steeds naar het spanningsverschil tussen zijn beide ingangen nul te maken. Als u dus 10 mV op de ingang van de schakeling aanlegt zal de versterker zijn uitgangsspanning zó instellen, dat op de inverterende ingang ook 10 mV staat. Dat kan alleen als de uitgangsspanning gelijk is aan 100 mV.
 |
| De gebruikelijke manier om een spanning tien maal te versterken. (© 2018 Jos Verstraten) |
In bepaalde gevallen kan het noodzakelijk zijn een frequentie-afhankelijke tegenkoppeling toe te passen, bijvoorbeeld bij een RIAA-correctie. Wanneer u R1 vervangt door een condensator, zoals getekend in onderstaande figuur, zal de tegenkoppelfactor voor verschillende frequenties anders zijn. Zoals bekend neemt de impedantie van een condensator af bij stijgende frequentie. In dit voorbeeld zal dat tot gevolg hebben dat bij toenemende frequentie een groter deel van de uitgangsspanning op de inverterende ingang terecht komt, waardoor de versterking voor hoge frequenties af zal nemen.
 |
| Een condensator in de tegenkoppeling zorgt voor een frequentie-afhankelijke versterking. (© 2018 Jos Verstraten) |
IC's of transistoren?
Wanneer u aan versterking denkt staan twee mogelijkheden open. U kunt als versterker een IC nemen of u kunt de versterker met transistoren opbouwen. Nu wil het geval dat normaal verkrijgbare versterker-IC's een ruis hebben die voor gevoelige signaaltjes toch wel wat aan de hoge kant is. Weliswaar bestaan er IC's die hierop goede uitzonderingen vormen, maar de verkrijgbaarheid daarvan is voor een normaal mens meestal een onoverkomelijk probleem, waarbij nog komt dat de prijs ook niet altijd even prettig overkomt. Blijft dus de mogelijkheid over om zélf een versterker te bouwen met normaal verkrijgbare ruisarme transistoren.
De eenvoudigste transistor versterker
In onderstaande figuur ontwaart u de gebruikelijke manier om spanningen te versterken met een transistor. De ingangsspanning die op de basis staat zal tot gevolg hebben dat er op de emitter een spanning komt te staan die 0,6 V lager is. Als er 2,0 V op de ingang staat, dan zal er dus op de emitter 2,0 V - 0,6 V = 1,4 V overblijven. De wet van Ohm leert dat de stroom door R2 derhalve 36 μA zal bedragen. Daar de belangrijkste eigenschap van een transistor bestaat uit het versterken van stromen, zal deze emitterstroom enkele honderden malen groter zijn dan de basisstroom. Dit betekent, aangezien de transistor maar drie pootjes heeft en de stroom toch ergens vandaan moet komen, dat bijna de gehele emitterstroom van de collector komt. U kunt in de praktijk dan ook stellen dat de collector- en de emitterstroom gelijk zijn. Dus zal de spanning over R1 volgens de heer Ohm gelijk zijn aan 14 V. U ziet dus dat de spanning over de collectorweerstand tien maal groter is dan die over de emitterweerstand. Deze verhouding wordt, doordat de collector- en de emitterstroom gelijk zijn, bepaald door de verhouding van R1 en R2.
Stel nu dat de spanning op de basis 0,1 V lager zou worden. De spanning op de emitter zal nog steeds 0,6 V lager zijn dan de basis, dus de spanning over de emitterweerstand zal ook 0,1 V zakken. Hierdoor zal de emitterstroom afnemen. De collectorstroom zal dan evenveel afnemen, waardoor de spanning over R1 1,0 V af zal nemen, omdat R1 tien keer groter is dan R2. Het hele verhaal kan kort samengevat worden met de constatering dat de versterking van de schakeling tien maal bedraagt.
 |
| Een versterkertrap met een transistor. De versterking wordt bepaald door de verhouding tussen de twee weerstanden. (© 2018 Jos Verstraten) |
Eerder werd gesteld dat er een versterking van 200 maal nodig is. U kunt dit bereiken door middel van de tegenkoppeling maar dan moet de versterking van de schakeling zonder tegenkoppeling, de zogenaamde open lus versterking, vele malen hoger zijn. Zo'n 10.000 maal is toch wel nodig om de vervorming klein te houden. Als u de schakeling uit de vorige figuur gebruikt zouden er vier van deze trappen achter elkaar moeten staan. Het is dus zinvol te zoeken naar methoden om de versterking per trap op te voeren. U kunt dit doen door de verhouding tussen R1 en R2 te veranderen, omdat deze verhouding de versterking bepaalt. Er komt dan echter een probleem om de hoek kijken. U moet namelijk de spanning op de basis creëren. De grootte van de spanning zal altijd door weerstanden bepaald worden. De meeste weerstanden hebben een tolerantie van 5 %. Voegt u hierbij de wetenschap dat de aangegeven basis/emitter-spanning van 0,6 V in de praktijk best wel eens iets hoger of lager uit kan vallen, dan kunt u alleen maar besluiten dat bij hele kleine emitterspanningen de zaak erg onbetrouwbaar wordt. Op deze manier is de versterking dus niet op te voeren. U kunt echter de zaak ook op een andere manier benaderen. R1 moet groter of R2 moet kleiner. Dit hoeft echter alleen maar op te gaan voor de versterking van wisselspanningen.
Een condensator helpt u een eind op weg
Het is bekend dat een condensator de eigenschap heeft geen gelijkstroom door te laten. Als u parallel aan R2 een condensator zet, dan zal voor de gelijkstroominstelling de zaak niet veranderen, terwijl voor wisselspanningen deze condensator een weerstandsverlaging zal betekenen. Hierdoor kunt u dus de signaalversterking groot maken. In onderstaande figuur is deze schakeltechniek voorgesteld. Als u de waarde van C1 groot genoeg kiest, zal hij in het gehele audiogebied zo'n lage weerstand hebben dat de wisselstroomversterking bepaald wordt door de verhouding van R1 en R3, terwijl de gelijkstroominstelling door R1 en R2 bepaald wordt.
 | |
| Door het toevoegen van één condensator worden de gelijk- en wisselspanningsversterkingen gescheiden. (© 2018 Jos Verstraten) |
U denkt misschien dat het verstandig is R3 geheel weg te laten om de versterking zo hoog mogelijk te maken. Als u dat echter doet zullen alleen de transistoreigenschappen de versterking van de trap bepalen. Omdat er tussen transistoren van hetzelfde type nogal wat verschillen voorkomen, zeker in de versterkingsfactor, zal dit de kans vergroten dat elke versterker die op deze manier wordt gebouwd zich anders gaat gedragen. Daarom beperkt men ook voor wisselspanningen de versterking tot een vaste waarde door R3 toe te voegen. De versterking van deze trap zal dus R1/R3 = 390 bedragen.
De tweede trap
Wij hebben reeds vastgesteld dat een totale versterking van ongeveer 2.000 nodig is, dus een tweede trap is onvermijdelijk. Als u aan de collector van de transistor de basis van een tweede koppelt, krijgt u de situatie die in onderstaande figuur is getekend. Doordat de basis van T2 zijn stroom betrekt via R1, zal de collectorspanning van T1 zakken. In de praktijk zal blijken dat deze spanning ongeveer 4 V zal worden. Op de emitter van T2 zal derhalve zo'n 3,4 V staan. De emitterstroom zal dan ongeveer 1 mA zijn. Ook de collectorstroom zal deze waarde hebben, waardoor er over R5 4,7 V zal staan. Hierdoor zal de collectorspanning dus 20 V - 4,7 V = 15,3 V zijn.
Voor de tweede trap zal de gelijkspanningsversterking R5/R4 gelijk zijn aan 1,4 en de wisselspanningsversterking R5/R6 gelijk zijn aan 47.
De totale wisselspanningsversterking van T1 en T2 zal iets lager zijn dan het product van de afzonderlijke versterkingsfactoren van T1 en T2, omdat de basis van T2 een extra belasting vormt die er voor zorgt dat de collectorweerstand van T1 kleiner zal zijn dan de 390 kΩ van R1. De totale versterking zal dus geen 390 x 47 = 18.330 bedragen, maar iets minder.
 |
| Met een tweede trap wordt de totale versterking opgevoerd. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het voorgestelde schema is in theorie klaar, maar in de praktijk zal deze schakeling niet werken. Het geheel is instabiel. Als er namelijk maar iets verandert aan de basisspanning van T1 zal het geheel volledig anders worden ingesteld en zal de spanning op de collector van T2 of te hoog of te laag worden. Kortom, er moet een gelijkspanningstegenkoppeling wordt ingevoerd. Als de basisspanning van T1 wordt verzorgd door de emitterspanning van T2, zoals getekend is in onderstaande figuur, is aan deze voorwaarde voldaan.
Stel bijvoorbeeld dat de basisspanning van T1 iets omhoog zou gaan. Het gevolg zal dan zijn dat de collectorspanning tien maal zo sterk zal dalen, dus ook de emitterspanning van T2. Via de toegevoegde weerstand zal deze spanningsdaling ook op de basis van T1 terecht komen. Deze daling zal de veronderstelde stijging dus compenseren.
 |
| De schakeling van de vorige figuur, aangevuld met een gelijkstroominstelling via R7. (© 2018 Jos Verstraten) |
De praktische schakeling van de versterker
Het volledig schema
In onderstaande figuur is de schakeling nog eens getekend, verrijkt met een tegenkoppelnetwerk. De waarde van de tegenkoppelcomponenten R9, R10, R11, C4 en C5 is naar believen in te vullen voor elke gewenste toepassing. Om het geheel echt universeel te houden is ook een extra aansluiting naar buiten gebracht, waardoor het mogelijk is buiten de print om een tegenkoppeling tot stand te brengen tussen de uitgang en de 'FB' (Feedback) aansluiting. Dit kan nuttig zijn als er behoefte bestaat aan omschakelbare karakteristieken. Aan de ingang ziet u nog twee componenten welke nog niet behandeld zijn, namelijk R7 en C3. Deze zorgen ervoor dat op de ingang van de versterker geen gelijkspanning staat. Voor T1 kunt u het best de ruisarme BC109 toepassen, voor T2 een BC107. De waarde van de positieve voedingsspanning +Ub is niet kritisch en kan liggen tussen 12 Vdc en 20 Vdc.
 |
| Het praktisch schema van de ruisarme universele voorversterker. (© 2018 Jos Verstraten) |
In de onderstaand figuur staat de print-layout waarop u alle componenten kunt aanbrengen. De uitvoering van het printje is zo gekozen dat het haaks op een andere print gemonteerd kan worden door middel van de aansluitingen. Deze worden gevormd door vijf stukjes blank montagedraad die in de daarvoor bestemde gaten vastgesoldeerd worden en daarna haaks tegen de print gebogen.
 |
| De print voor de voorversterker. (© 2018 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2018 Jos Verstraten) |
Peak Electronics DCA75
