Verstärker

Elektronische Verstärker oder „Amps“ sind Geräte, die die Signalleistung erhöhen. Sie werden in allen Bereichen eingesetzt, vom Radio bis zum Computer. Das Verständnis von Verstärkern ist der Schlüssel, wenn Sie Elektroingenieur werden oder einfach lernen wollen, Ihr Audiosystem zu optimieren. Tausende von Ingenieuren haben im Laufe der Jahre zu einem besseren Verstärkerdesign beigetragen, wir werden hier nur einige wenige erwähnen. Das Gebiet des Verstärkerdesigns ist riesig, daher werden wir hier nur einige Grundlagen behandeln und Links zu Seiten angeben, die detaillierter auf Aspekte dieses Themas eingehen.

1.) Wie sie funktionieren und Grundlagen
2.) Leistungsverstärker
3.) Verstärker für Lautsprecher und Musikinstrumente
4.) Transistor-Verstärker
5.) Röhrenverstärker, wie sie funktionieren
6.) 3 Röhrenverstärker

1.) Wie sie funktionieren

Im einfachsten Sinne nimmt ein Verstärker ein schwaches Signal auf und fügt ihm Energie von einer Stromversorgung hinzu, um es am Ausgang zu vergrößern.

Zwei grundlegende Beispiele für die Notwendigkeit eines Verstärkers:

Audio – Thomas Edison und Emile Berliner entwickelten das Kohlemikrofon. Gleichstrom fließt zwischen zwei Metallplatten mit Kohlenstoff dazwischen, eine dieser Platten ist die Membran, die schwingt, wenn Schallwellen auf sie treffen. Durch den sich ändernden Abstand zwischen den beiden Platten ändert sich der Widerstand, so dass man am Ausgang ein Gleichstromsignal erhält, das bei der Modulation in einen Wechselstrom umgewandelt wird.
Problem: Das Ausgangssignal eines Mikrofons ist ein schwaches Signal, da eine niedrige Gleichspannung erforderlich ist, damit ein Mikrofon funktioniert. Nun müssen wir dieses schwache Signal entweder über weite Entfernungen (wie beim Telefonsystem) senden oder es in einen Lautsprecher einspeisen. Dazu wurden Verstärker benötigt.

Radio – Als Alexanderson, Fessenden, Hull und andere den Sprechfunk und das Radio entwickelten, brauchten sie eine Möglichkeit, die schwachen Radiowellen, die von den Vakuumröhren erfasst wurden, aufzunehmen und das Signal zu verstärken, damit es einen Lautsprecher versorgen konnte. Verstärker (wie die Trioden-Vakuumröhre) wurden auch benötigt, um schwache Signale, die Audio- und Videosignale (Fernsehen) übertragen, in ein Megawatt-Signal (für einen Sender) oder in einige Watt für einen Lautsprecher auf der Empfängerseite umzuwandeln.

Verstärkung – das Wort Verstärkung wird verwendet, um die Fähigkeit des Verstärkers zu beschreiben, die Leistung zu multiplizieren. Um die Verstärkung zu messen, muss man die Eingangs- und Ausgangsleistung messen. Die Verstärkung wird mit Hilfe von Gleichungen in Dezibel gemessen. Die Verstärkung ist logarithmisch und wird als Potenz von 10 gemessen. Um die Verstärkung eines bestimmten Verstärkers zu berechnen, verwendet man die Gleichungsreihe auf dieser Wiki-Seite >

Oszillatoren – wenn ein Verstärker an einen Filter und dann wieder an seinen eigenen Eingang angeschlossen wird, entsteht ein linearer Oszillator. Oszillatoren werden in Uhren, Radio, Fernsehen, Filtern und vielen anderen Dingen verwendet. Sie werden zum Abstimmen von Schaltkreisen verwendet und sind wichtige Werkzeuge für den Betrieb von Geräten. Mehr über Oszillatoren >

2.) Leistungsverstärker

In der Signalkette bezieht sich der Leistungsverstärker auf den Endverstärker. Der Leistungsverstärker kann das Signal auf einen hohen Pegel verstärken, um eine Antenne, ein Magnetron (Radar), einen Lautsprecher oder ein Kabel bzw. eine Faser für die Datenübertragung über große Entfernungen zu betreiben.

Leistungsverstärker werden in Klassen eingeteilt, um zu beschreiben, wie viel des sinusförmigen Signals verstärkt wird. Der Verstärker kann so ausgelegt werden, dass er für die Hälfte eines Zyklus ausgeschaltet wird, wodurch sich die Wellenform des Signals ändert.
Klassen (analog): A, B, AB, CCKlassen (digital): D, E, F, G, S, T
Lesen Sie hier mehr über die Klassen.

Unten: Links: Röhrenverstärker für ein Magnetron in einem frühen Mikrowellenofen. Die großen zylindrischen, silbernen und gelben Bauteile sind Kondensatoren.
Unten: Rechts: moderner Halbleiterverstärker für ein Magnetron.

3.) Verstärker für Lautsprecher und Musikinstrumente Verstärker, die zum Antrieb von Lautsprechern verwendet werden, nehmen eine winzige Signalmenge auf, die von einem Mikrofon, einem Radioempfänger, einem Fernseher oder einem anderen Gerät erzeugt wird, und wandeln sie in ein starkes Signal um, das ausreicht, um die starken Elektromagneten in Lautsprechern anzutreiben. Audioverstärkerschaltungen bestehen aus: Kondensatoren: Filterkondensatoren, Koppelkondensatoren Widerständen Vakuumröhren oder Transistoren Gleichrichter – wandeln Wechselstrom in Gleichstrom um. Dies können Siliziumdioden oder Röhrengleichrichter sein Dioden und Röhrengleichrichter Verstärkerschaltungen zur Ansteuerung elektromagnetischer Lautsprecher waren die größte Herausforderung für die frühen Tontechniker. Obwohl der Lautsprecher erstmals in den 1870er Jahren theoretisiert wurde, dauerte es mehr als 40 Jahre, bis der erste funktionstüchtige Lautsprecher für den Verkauf bereit war. Der Grund dafür ist, dass andere Technologien wie Vakuumröhren und fortgeschrittene Mathematik für elektrische Schaltkreise entwickelt werden mussten, um einen Audioverstärker zu bauen, der tatsächlich Musik und Sprache erzeugte, im Gegensatz zu groben Geräten, die einen Lautsprecher dazu bringen konnten, ein hässliches und unkontrolliertes Brummen zu erzeugen. C.W. Rice und E.W. Kellogg stellten sich der Aufgabe, eine Elektronik zu entwickeln, die das Audiosignal unter Beibehaltung der reichhaltigen und reinen Wellenformen des ursprünglichen Signals akkurat verstärken konnte. Rechts: der erste funktionierende Lautsprecher-Prototyp (1921) und der dazugehörige Verstärker, der einen ganzen Schrank einnahm.

Video: Corbin Irvin, Elektroingenieur, zeigt uns die Teile eines klassischen Röhrenverstärkers imEdison Tech Center:

4.) Transistorverstärker Transistoren haben einen „Transwiderstand“, d.h. die Halbleiter, aus denen sie bestehen, können ihre Widerstandswerte ändern. Transistoren können sowohl als Schalter als auch als Verstärker verwendet werden. Der Transistor hat drei Anschlüsse: einen Eingang (Kollektor), eine Spannung (Basis) und einen Ausgang (Emitter). Transistor als Schalter: Wenn du ihn als Schalter verwendest und Strom an die Basisleitung anlegst, kann Strom vom Eingang (Kollektor) zum Ausgang (Emitter) fließen; wenn du die Stromzufuhr unterbrichst, verhält er sich wie ein offener Schalter und das Signal fließt nicht vom Kollektor zum Emitter. Bei der Verwendung als Schalter wird der Transistor als „gesättigt“ bezeichnet, da die maximale Spannung, die er verarbeiten kann, durch ihn fließt. Stellen Sie sich dies als einen einfachen „Ein“- oder „Aus“-Schalter vor, bei dem es keine halben Sachen gibt. Transistor als Verstärker: In einem Verstärker legen Sie jederzeit eine kleine Menge an Strom an den Transistor an, wodurch der „Schalter“ geschlossen wird und das Signal durch das Gerät fließen kann. Durch das Anlegen dieser positiven Spannung an das Gerät wird dieses „vorgespannt“. Wenn das schwache Eingangssignal durchläuft, gewinnt es durch die Vorspannung an Stärke, was sich auf das Ausgangssignal auswirkt. Das ist gut, führt aber nicht wirklich zu einer großen Verstärkung. Zwei Transistoren: Wenn man zwei Transistoren zusammenschaltet, kann man ein leicht verstärktes Wechselstromsignal an die Basisleitung des nächsten Transistors leiten, so dass ein stärkeres Signal durch den zweiten Transistor fließen kann und der zweite Transistor stärkere Veränderungen erfährt.Die Wechselstromwellenform bleibt wie das ursprüngliche Signal erhalten, sie ist nur stärker. Man kann sich also vorstellen, dass sich auf der einen Seite eines Ventils (der Kollektorseite) eine große Menge Wasserdruck angesammelt hat, der nur darauf wartet, die Leitung hinunterzuströmen, und man braucht nur einen Knopf zu drehen und leichte Veränderungen an der Basisseite vorzunehmen, und schon öffnet sich die Tür teilweise oder ganz. Das Wasser sprudelt oder tröpfelt einfach durch. Auf diese Weise können wir mit einem kleinen Aufwand (einem schwachen Signal) eine große Menge an Leistung steuern.

Um einen Operationsverstärker zu bauen, verwendet man mehrere Transistoren zusammen mit Widerständen und Kondensatoren, um eine Reihe von Frequenzen zu verstärken. Indem man sowohl negative als auch positive Spannungen an das Gerät anlegt, kann der Verstärker bis zu 12 Volt (+) mit 12 Volt (-) erzeugen, so dass man genug Leistung hat, um einen Lautsprecher zu betreiben. Es gibt 1000 Möglichkeiten, diese Schaltungen zu entwerfen, aber man kann mit ein paar grundlegenden Modellen beginnen.

Kondensator vor dem Transistor: Transistorverstärker verwenden einen Kondensator vor dem Eingang des Transistors, um das von einem Mikrofon kommende Gleichstromsignal zu „zentrieren“. Mikrofone schwingen und erzeugen dabei negative und positive Gleichstromenergie. Sie verwenden ebenfalls eine „Vorspannung“, aber aus einem anderen Grund als Transistoren. Die Vorspannung im Mikrofon erregt das Gerät und setzt 0 db über 0 Spannung. Die Vorspannung in den meisten Mikrofonen erfordert, dass man sie mit etwa 2 Volt versorgt, aber das kann auch anders sein.

Der Kondensator vor dem Transistor bringt die 2-Volt-Vorspannung auf den tatsächlichen Wert 0 herunter und beseitigt so den Gleichstrom-Offset.

Der Transistor braucht das, um zu funktionieren: Das Erstellen einer Verstärkerschaltung wird durch Dinge wie Signalrauschen kompliziert. Wir empfehlen, mit dem Bau einfacher Verstärker aus Bausätzen zu beginnen, um die Grundlagen zu erlernen. Danach kann man an leistungsstärkeren und teureren Systemen feilen.

Lernen durch Bauen:
Baue deine eigenen Verstärker und Effektpedale (hat einfache Bausätze im Angebot) >
Vintage Vacuum Tube Amp Kits (Gitarrenverstärker in voller Größe mit Lautsprechern) >

Oben: in einer Triode heizt ein Glühfaden die Kathode auf, die Kathode und das Gitter sind mit dem Wechselstromsignal verbunden. Bei (1.) ist das Gitter negativ geladen und stößt die Elektronen ab, möglicherweise sogar ganz davon ab, die Kathode zu erreichen. Bei (2.) ist das Gitter nicht negativ geladen und die Elektronen können ungehindert zur gekrümmten äußeren Platte, der Kathode, durchdringen. Hinweis: Teil (1.) und (2.) finden nicht gleichzeitig statt, sie sind nur für diese Grafik zusammen dargestellt.

5.) Die Verwendung von Vakuumröhren zur Verstärkung Das Aufkommen der Triode im Jahr 1906 revolutionierte das Telefon und den Rundfunk. Es gibt viele Arten von Vakuumröhren, die zur Verstärkung eingesetzt werden, und einige von ihnen werden auch heute noch verwendet. Röhrenverstärker können Tetroden, Trioden und Pentoden-Vakuumröhren zur Signalverstärkung verwenden. Der Triodenverstärker: Diese Röhre hat eine Glühkathode in der Mitte, die von einem Metallgitter umgeben ist, um das herum sich die Anode befindet. Die Kathode emittiert Elektronen, und im Vakuum fließen die Elektronen ungehindert durch das Gitter zur Anode. Wenn man das Gitter negativ bestromt, stößt man mehr Elektronen ab, was bedeutet, dass weniger Elektronen durch das Gitter zur Anode fließen können. Nimmt man ein schwaches Audiosignal (eine schwankende Spannung) und legt es an das Gitter an, lässt man bei positiven Spannungsspitzen mehr Strom durch das Gitter fließen und bei negativen weniger, so dass man das Signal stark verstärken kann. Das Schlechte an Röhrenverstärkern ist, dass sie mehr Strom und Platz verbrauchen als Transistoren.Die Glühkathode in einer Röhre besteht aus einem Wolfram- und Thoriumfaden. Dieser Glühfaden brennt, wie bei einer Glühbirne, nach einigen Stunden durch und die Röhre muss ersetzt werden. Wenn Sie einen Verstärker an einen Lautsprecher anschließen, ändert sich das Verhalten des Verstärkers. Die Lautsprecherimpedanz ändert sich, wenn sich die Last ändert, und das wirkt sich auf das gesamte System aus. Vorteile gegenüber Transistoren: Gitarristen werden argumentieren, dass der Klang eines Röhrenverstärkers besser ist als der von Verstärkern auf Transistorbasis. Röhrenverstärker haben nichtlineare Übersteuerungen und mehr harmonische Verzerrungen zweiter Ordnung; es gibt viele detaillierte Artikel zu diesem Thema. Solid-State-Verstärker, die für Gitarristen entwickelt wurden, verwenden jetzt Stromrückkopplungsschaltungen, um die Ausgangsimpedanz zu erhöhen, was zu einem ähnlichen Klang aus dem Lautsprecher führt, wie es ein Röhrenverstärker tun würde.

6.) Beispiel für einen Drei-Röhren-Verstärker

Anhand eines einfachen Gitarrenverstärkers mit drei Röhren wollen wir demonstrieren, wie das Signal von einem schwachen 0,9-Volt-Signal in ein starkes Signal umgewandelt wird, das ausreicht, um eine große Lautsprechermembran zu betreiben. Unsere Grafiken sind eine vereinfachte Version des Fender Champ-Amps, der in „Onkel Dougs“ Videos gezeigt wird. In dem 38-minütigen Video, das hier unten aufgeführt ist, können Sie bei Bedarf noch mehr in die Tiefe gehen. In unseren Diagrammen unten haben wir Widerstände und die meisten Kondensatoren weggelassen, um uns auf die Wirkung der Verstärkung zu konzentrieren.

In der Grafik oben sehen Sie das Layout, das aus einer Stromversorgung (Transformator) besteht, die mit einer Gleichrichterröhre und zwei anderen Röhren verbunden ist. Der Transformator wandelt 120 V aus der Wand in drei separate Leitungen um. Die 6-V-Leitung versorgt nur die Glühfäden in den beiden Verstärkerröhren. Sie hält die Glühfäden heiß, damit die Röhren arbeiten können. Die 5-V-Leitung geht an den Leistungsgleichrichter und wärmt die Röhre auf. Die andere Hochspannungsleitung führt Wechselstrom zum Gleichrichter, wo er in Gleichstrom umgewandelt wird, indem die negativen Seiten der Wellenform abgeschnitten werden. Widerstände und Transformatoren an anderen Stellen im System helfen, das Gleichstromsignal zu glätten, indem sie die gekrümmten Buckel entfernen.

Das von den Tonabnehmern erzeugte Gitarrensignal wird an das Gitter in der Vorverstärker-Triodenröhre angeschlossen. Die Anode in der Röhre wurde mit sehr starken150 Volt + Gleichstrom versorgt. Auf der Kathode in der Mitte der Röhre ist es sehr heiß, was die Erzeugung vieler Elektronen anregt, aber das Gitter ist standardmäßig in einem negativen Zustand und blockiert den Durchgang von Elektronen über die Anode. Das Wechselstromsignal der Gitarre verändert das Gitter, so dass Millionen von Elektronen in einem Muster, das der Wellenform der Gitarre entspricht, auf die andere Seite strömen.

Der Wechselstrom folgt nun der Gleichstromleitung von der Anode zu einem anderen Gitter (12AX7-Röhre) in der gleichen Röhre. Ein Kondensator blockiert den Gleichstrom und lässt nur das Wechselstromsignal durch. Dieses Signal ist nun stärker als das ursprüngliche Signal der Gitarrensaite, und dieses zweite Gitter reagiert noch stärker, so dass eine noch extremere Wechselstromwellenform von der Kathode zur Anode gelangt.

Das Signal der Vorverstärkerröhre wird also bereits zweimal in dieser Röhre verstärkt. Die letzte Röhre in dieser Kette hat satte 320 Volt Gleichspannung mit einer extrem starken + Ladung. Auch hier reagiert das Netz auf den Wechselstrom, und viele Elektronen strömen in demselben Muster wie die Wechselstromwellenform durch. Dieses Wechselstromsignal durchläuft einen Transformator, der den Strom in eine Spannung umwandelt, die der Lautsprecher nutzen kann. Normalerweise wirken sich die 320 Volt, die durch die Trafospule fließen, nicht auf die Lautsprecherseite des Transformators aus, weil Gleichstrom nicht durch einen Transformator fließen kann.

Video, vollständige Beschreibung dieser Schaltung:
Wie Röhrenverstärker funktionieren, Beschreibung der Schaltung – Stromversorgung (18 min) >
Und Teil 2 (20 min) der Beschreibung dieser Schaltung für einen Fender Champ-Amp >

Video: Der erste Lautsprecherprototyp, dieses Video zeigt Ihnen die Röhren, die in diesem Prototyp von 1921 verwendet wurden.

Verstärkertypen:
Betriebsverstärker
Differenzverstärker
Isolationsverstärker
Verstärker mit negativer Rückkopplung
Instrumentenverstärker

Weiter lesen:
Transistortheorie >
Betriebsverstärker >
Halbleiterelektronik >
Funk >

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