Forstærkere

Elektroniske forstærkere eller “forstærkere” er enheder, der øger signalets effekt. De anvendes i alt fra radio til computere. Det er vigtigt at forstå forstærkere, hvis du vil være elektroingeniør eller blot lære at finjustere dit lydsystem. Tusindvis af ingeniører har bidraget til et bedre forstærkerdesign i årenes løb, og vi vil blot nævne nogle få af dem her. Området for forstærkerdesign er enormt, så vi vil kun dække nogle grundlæggende ting her med links til sider, der går mere i detaljer om aspekter af dette emne.

1.) Hvordan de fungerer og det grundlæggende
2.) Effektforstærkere
3.) Forstærkere til højttalere og musikinstrumenter
4.) Transistorforstærkere
5.) Rørforstærkere, hvordan de fungerer
6.) 3 Rørforstærkermodel

1.) Hvordan de fungerer

I den mest grundlæggende forstand tager en forstærker et svagt signal og tilføjer strøm fra en strømforsyning til det for at gøre det større i udgangssiden.

To grundlæggende eksempler på behovet for en forstærker:

Audio – Thomas Edison og Emile Berliner udviklede kulmikrofonen. Jævnstrøm passerer mellem to metalplader med kulstof imellem, og en af disse plader er membranen, som vibrerer, når lydbølgerne rammer den. Denne ændrede afstand mellem de to plader ændrer modstanden, og på udgangssiden har man således et jævnstrømssignal, der bliver til vekselstrøm, når det moduleres.
Problem: Udgangen af en mikrofon er et svagt signal, fordi der er behov for en lav jævnspænding for at få en mikrofon til at fungere. Nu er vi nødt til at tage dette svage signal og enten sende det over lang afstand (som telefonsystemet) eller sætte det ind i en højttaler. Der var brug for forstærkere til dette formål.

Radio – Da Alexanderson, Fessenden, Hull og andre udviklede radiotransmission og radartransmission, havde de brug for en måde at tage de svage radiobølger, der blev registreret af vakuumrør, på og forstærke signalet, så det kunne forsyne en højttaler. Der var også brug for forstærkere (som f.eks. triodevakuumrøret) til at tage svage signaler med lyd og video (tv) og omdanne signalet til enten megawatt-signaler (til en sender) eller flere watt til at drive en højttaler i modtageren.

Gain – ordet gain bruges til at beskrive forstærkerens evne til at mangedoble effekt. For at måle gain skal du måle indgangs- og udgangseffekten. Decibel bruges til at måle gain ved hjælp af ligninger. Gain er logaritmisk og måles i en potens af 10. For at beregne forstærkning af en given forstærker skal du bruge den række ligninger, der findes på denne wikiside >

Oscillatorer – når en forstærker forbindes til et filter og derefter tilbage til sin egen indgang, skaber du en lineær oscillator. Oscillatorer bruges i ure, radio, fjernsyn,filtre og mange andre ting. De bruges til at afstemme kredsløb og er vigtige værktøjer til at få ting til at fungere. Mere om oscillatorer >

2.) Effektforstærkere

I signalkæden henviser effektforstærkeren til den sidste forstærker. Effektforstærkerenkan forstærke signalet til høje niveauer til brug for at drive en antenne, magnetron (radar), højttaler eller langdistancedatatatransmissionstråd/fiber.

Effektforstærkere findes i klasser for at beskrive, hvor meget af det sinusformede signal der forstærkes. Forstærkeren kan være konstrueret til at blive slukket i en halv cyklus, hvilket ændrer den bølgeform, der kommer igennem.
Klasser (analogt): A, B, AB, CC-klasser (analoge): (analog): A, B, AB, CC D, E, F, G, S, T
Læs mere om klasser her.

Nedenfor: Til venstre: rørforstærker til en magnetron i en tidlig mikrobølgeovn. De store cylinderformede sølv og gule enheder er kondensatorer.
Under: Til højre: Moderne halvlederforstærker til en magnetron.

3.) Forstærkere til højttalere og musikinstrumenter Forstærkere, der bruges til at drive højttalere, tager en lille mængde signal, der genereres af en mikrofon, radiomodtager, fjernsyn eller anden enhed, og omdanner det til et kraftigt signaltilstrækkeligt til at drive de stærke elektromagneter, der findes i højttalere. Audio-forstærkerkredsløb består af: Kondensatorer: filterkondensatorer, koblingskondensatorer Resistorer Vakuumrør eller transistorer Rektifikatorer – konverterer vekselstrøm til jævnstrøm. Kan være siliciumdioder eller rørrettere Dioder og rørrettere Forstærkerkredsløb til at drive elektromagnetiske højttalere var den største udfordring for de tidlige lydingeniører. Selv om højttaleren først blev teoretiseret i 1870’erne, tog det mere end 40 år, før vi så den første funktionelle højttaler klar til kommercielt salg. Grunden til dette er, at der skulle udvikles anden teknologi som vakuumrør og avanceret matematik for elektriske kredsløb for at kunne fremstille en lydforstærker, der rent faktisk producerede musik og stemme i modsætning til rå apparater, der kunne få en højttaler til at producere en grim og ukontrolleret brummende lyd. Det var C.W. Rice og E.W. Kellogg, der først udførte opgaven med at fremstille elektronik, der kunne forøge lydsignalet nøjagtigt og bevare det oprindelige signals rige og rene bølgeformer. Til højre: den første fungerende højttalerprototype (1921) og dens forstærker, der fyldte et helt skab.

Video: Corbin Irvin, elektroingeniør, viser os delene i en klassisk rørforstærker på Edison Tech Center:

4.) Transistorforstærkere Transistorer har “transresistens”, hvilket betyder, at de halvledere, de er fremstillet af, kan ændre modstandsværdier. Transistorer kan bruges både som afbryder og forstærker. Transistoren har tre ledninger: en indgang (kollektor), en spænding (base) og en udgang (emitter). Transistor som afbryder: Når du bruger den som afbryder, vil strøm på basisledningen give mulighed for at strømme fra indgangen (kollektor) til udgangen (emitter); når du holder op med at tilføre strøm, fungerer den som en åben afbryder, og signalet vil ikke strømme fra kollektor til emitter. Når man bruger dette som en switch, siges transistoren at være “mættet”, da den maksimale spændingsmængde, som den kan håndtere, strømmer igennem. Tænk på dette som en simpel “on”- eller “off”-afbryder uden nogen halvvejs muligheder. Transistor som forstærker: I en forstærker tilfører man en lille mængde strøm til transistoren på alle tidspunkter, og dette lukker “kontakten”, så signalet kan passere gennem enheden. Når man tilføjer denne positive spænding til enheden, er det for at “bias” enheden. Når det svage indgangssignal passerer igennem, bliver det stærkere på grund af forspændingen, hvilket øger udgangssignalet. Dette er godt, men giver ikke rigtig en stor forstærkning. To transistorer: Når vi sætter to transistorer sammen, kan vi få den ene til at levere et let forstærket vekselstrømssignal til den næste transistors basisledning, hvorved et kraftigere signal kan strømme gennem den anden transistor og foretage mere dramatiske ændringer i den anden transistor.vekselstrømsbølgeformen forbliver intakt som det oprindelige signal, den er bare stærkere. Så man kan forestille sig, at der er ophobet et stort vandtryk i den ene side af en ventil (kollektorsiden), det venter bare på at løbe ned i røret, og alt, hvad man skal gøre, er at dreje på en knap og foretage små justeringer på basissiden, så åbner døren sig delvist eller helt. Vandet vil strømme igennem, eller bare sive igennem. Det er sådan, vi får en lille indsats (et svagt signal) til at styre en alvorlig mængde strøm.

For at lave en operationsforstærker bruger man flere transistorer sammen med modstande og kondensatorer, på denne måde kan man forstærke en række frekvenser. Ved at anvende både negative og positive spændinger til enheden kan du få forstærkeren til at skabe op til 12 volt(+) med 12 volt(-), på denne måde har du nok strøm til at få en højttaler til at fungere. Der er 1000 måder at designe disse kredsløb på, men du kan starte med et par grundlæggende modeller.

Kondensator anvendes før transistoren: Transistorforstærkere anvender en kondensator før transistorens indgang for at “centrere” det jævnstrømssignal, der kommer fra en mikrofon. Mikrofonerresonerer, hvilket skaber negativ og positiv jævnstrømsenergi. De bruger også en “bias”, men af en anden grund end transistorer. Forspændingen i mikrofonen giver enheden energi og sætter 0 db op over 0 spænding. Forspændingen i de fleste mikrofoner kræver, at du forsyner den med ca. 2 volt, men det kan være anderledes.Kondensatoren før transistoren bringer den 2 volts forspænding ned til faktisk 0, og fjerner derfor DC-offset.Transistoren har brug for dette for at virke.

Komplikationer: Det bliver kompliceret at oprette et forstærkerkredsløb på grund af ting som signalstøj. Vi anbefaler, at du begynder at bygge enkle forstærkere fra byggesæt for at få det grundlæggende ned. Derefter kan du så finpudse mere kraftfulde og dyre systemer.

Lær ved at bygge:
Byg dine egne forstærkere og effektpedaler (har enkle byggesæt til rådighed) >
Vintage Vacuum Tube Amp Kits (guitarforstærkere i fuld størrelse med højttalere) >

Ovenfor: I en triode opvarmer en glødetråd katoden, katoden og gitteret er forbundet til vekselstrømssignalet. I (1.) er gitteret negativt ladet og afstøder elektroner og blokerer dem muligvis endda helt for at nå frem til katoden. I (2.) er gitteret ikke negativt ladet, og elektronerne passerer frit igennem til den buede ydre plade, som er katoden. Bemærk: del (1.) og (2.) sker ikke samtidig, de er kun vist sammen til denne grafik.

5.) Brug af vakuumrør til forstærkning Triodens fremkomst i 1906 revolutionerede telefon og radio. Der findes mange slags vakuumrør, der bruges til forstærkning, og vi bruger stadig nogle af dem i dag. Rørforstærkere kan bruge tetroder, trioder og pentoderør til at udføre signalforstærkningsopgaven. Triodeforstærkeren: Dette rør har en varm katode i midten omgivet af et metalgitter med en anode omkring dette. Katoden udsender elektroner, og i vakuumet strømmer elektronerne frit gennem gitteret til anoden. Ved at give gitteret negativ energi frastøder man flere elektroner, hvilket betyder, at færre elektroner kan passere gennem gitteret for at nå frem til anoden. Hvis man tager et svagt lydsignal (en varierende spænding) og anvender det på gitteret, vil man lade mere strøm gå gennem gitteret ved positive spidser og mindre ved negative, og dermed kan man i høj grad forstærke signalet. Det dårlige ved rørforstærkere er, at de bruger mere strøm og plads end transistorer.Den varme katode i et rør er lavet af en wolfram- og thoriumglødetråd. Denne glødetråd vil ligesom en glødepære brænde ud efter et antal timer, og røret skal udskiftes. Når du tilslutter en forstærker til en højttaler, vil forstærkerens opførsel ændre sig. Højttalerimpedansen vil ændre sig, når belastningen ændres, og dette påvirker hele systemet. Fordele i forhold til transistorer: Guitarister vil hævde, at lyden fra en rørforstærker er bedre end den fra transistorbaserede forstærkere. Rørforstærkersystemer har ikke-lineær clipping og mere andenordensharmonisk forvrængning, der er masser af detaljerede artikler derude om dette emne. Solid state-forstærkere designet til guitarister bruger nu currentfeedback-kredsløb til at øge udgangsimpedansen, hvilket giver en lignende lyd fra højttaleren som en rørforstærker ville gøre.

6.) Eksempel på en forstærker med tre rør

Vi vil bruge en simpel guitarforstærker med tre rør til at demonstrere, hvordan signalet omdannes fra et svagt signal på 0,9 volt til et kraftigt signal, der er kraftigt nok til at drive en stor højttalermembran. Vores grafik er en forenklet udgave af den Fender Champ-Amp, der vises i “Onkel Dougs” videoer. Se den 38 minutter lange video, der er anført nederst her, for at gå mere i dybden, hvis du har brug for det. I vores diagrammer nedenfor har vi udeladt modstande og de fleste kondensatorer for at fokusere på virkningen af forstærkning.

I grafikken ovenfor kan du se layoutet, som består af en strømforsyning (transformer) forbundettil et ensretterrør og to andre rør. Transformeren omdanner 120 V fra væggen til tre separate linjer. Den 6 V-ledning forsyner blot glødetrådene i de to forstærkerrør med strøm. Den holder glødetrådene varme, så rørene kan fungere. 5 V-ledningen går til strømretteren og varmer det pågældende rør op. Den anden højspændingsledning fører vekselstrømmen til ensretteren, hvor den omdannes til jævnstrøm ved at afbryde de negative sider af bølgeformen. Modstande og transformatorer andre steder i systemet hjælper med at udjævne jævnstrømssignalet og fjerne de buede bump.

Guitarsignalet, der genereres af pickupperne, er forbundet til gitteret i forforstærkerens triode-rør. Anoden i røret er blevet forsynet med en meget stærk150 volts + DC. Så denne plade lægger virkelig et træk på alle nærliggende negative ioner (elektroner).På katoden i midten af røret er den meget varm, hvilket stimulerer genereringen af masser af elektroner, men gitteret er som standard i en negativ tilstand, hvilket blokerer for elektronernes passage over anoden. Vekselstrømssignalet fra guitaren ændrer gitteret, så millioner af elektroner kan strømme over på den anden side i et mønster, der gengiver guitarens bølgeform.

Vekselstrømmen følger nu jævnstrømslinjen fra anoden til et andet gitter (12AX7-rør) i det samme rør. En kondensator blokerer DC-strømmen og lader kun AC-signalet passere. Dette signal er nu stærkere end det oprindelige signal fra guitarstrengen, og dette 2. gitter reagerer endnu stærkere og lader en mere ekstrem vekselstrømsbølgeform passere fra katode til anode.Signalet er således blevet forstærket to gange allerede i dette forforstærkerrør.

Signalet fra forforstærkerrøret sendes videre til pladerne i det endelige rør. Det sidste rør i denne kæde har hele 320 volt DC med en ekstremt stærk + ladning. Endnu en gang reagerer nettet på vekselstrømmen, og mange elektroner strømmer over i samme mønster som vekselstrømsbølgeformen. Dette vekselstrømssignal passerer en transformer, der transformerer strømmen til en spænding, som højttaleren kan bruge. Normalt påvirker de 320 volt, der går gennem transformatorspolen, ikke højttalersiden af transformeren, fordi jævnstrøm ikke kan passere gennem en transformer.

Video, fuld beskrivelse af dette kredsløb:
How Tube Amplifiers Work, beskrivelse af kredsløb – strømforsyning (18 min) >
Og del 2 (20 min) af beskrivelsen af dette kredsløb til en Fender Champ-Amp >

Video: Den første højttalerprototype, denne video viser dig de rør, der blev brugt i denne 1921prototype.

Typer af forstærkere:
Operationsforstærkere
Differentielle forstærkere
Isolationsforstærkere
Negative feedback-forstærkere
Instrumenteringsforstærkere

Videre læsning:
Transistorteori >
Operationsforstærkere >
Halvlederelektronik >
Radio >

Relaterede emner:

Højttalere	Vakuumrør	Mikrofoner
Fjernsyn	Elektriske guitarer	Mere ting