Versterkers

Elektronische versterkers of “amps” zijn apparaten die het signaalvermogen verhogen. Ze worden in van alles gebruikt, van radio tot computers. Inzicht in versterkers is essentieel als je elektrotechnicus wilt worden of als je je audiosysteem wilt leren aanpassen. Duizenden ingenieurs hebben in de loop der jaren bijgedragen tot een beter versterkerontwerp; wij zullen er hier slechts enkele noemen. Het gebied van versterkerontwerp is enorm, dus we zullen hier slechts enkele basisprincipes behandelen met links naar pagina’s die in meer detail ingaan op aspecten van dit onderwerp.

1.) Hoe ze werken en basics
2.) Vermogensversterkers
3.) Versterkers voor luidsprekers en muziekinstrumenten
4.) Transistorversterkers
5.) Buizenversterkers, hoe ze werken
6.) 3 Model buizenversterker

1.) Hoe ze werken

In de meest elementaire zin neemt een versterker een zwak signaal en voegt er vermogen van een voeding aan toe om het aan de uitgang groter te maken.

Twee basisvoorbeelden van de behoefte aan een versterker:

Audio – Thomas Edison en Emile Berliner ontwikkelden de koolstofmicrofoon. Gelijkstroom vloeit tussen twee metalen platen met koolstof ertussen; een van die platen is het membraan dat trilt wanneer er geluidsgolven op vallen. De veranderende afstand tussen de twee platen verandert de weerstand en dus heb je aan de uitgang een gelijkstroomsignaal dat wisselstroom wordt naarmate het moduleert.
Probleem: de uitgang van een microfoon is een zwak signaal omdat een lage gelijkspanning nodig is om een microfoon te laten werken. Nu moeten we dat zwakke signaal nemen en het ofwel over lange afstand verzenden (zoals het telefoonsysteem) of het in een luidspreker stoppen. Hiervoor waren versterkers nodig.

Radio – Toen Alexanderson, Fessenden, Hull en anderen spraakradio en -radio ontwikkelden, hadden zij een manier nodig om de zwakke radiogolven die door vacuümbuizen werden gedetecteerd, op te vangen en het signaal te versterken zodat het een luidspreker van stroom kon voorzien. Versterkers (zoals de triode vacuümbuis) waren ook nodig om zwakke signalen voor audio en video (televisie) op te vangen en dat signaal om te zetten in megawatts signaal (voor een zender), of enkele watts om een luidspreker aan de ontvangerkant van stroom te voorzien.

Gain – het woord gain wordt gebruikt om het vermogen van de versterker te beschrijven om vermogen te vermenigvuldigen. Om de versterking te meten, moet u het ingangs- en uitgangsvermogen meten. Decibels worden gebruikt om de versterking te meten door middel van vergelijkingen. De versterking is logaritmisch, gemeten tot de macht 10. Om de versterking van een bepaalde versterker te berekenen gebruikt men de reeks vergelijkingen op deze wiki pagina >

Oscillatoren – wanneer een versterker wordt aangesloten op een filter en dan terug op zijn eigen ingang creëert men een lineaire oscillator. Oscillatoren worden gebruikt in klokken, radio, televisie, filters, en vele andere dingen. Ze worden gebruikt om schakelingen af te stemmen, en zijn belangrijke hulpmiddelen om dingen te laten werken. Meer over oscillatoren >

2.) Vermogensversterkers

In de signaalketen verwijst de vermogensversterker naar de eindversterker. De eindversterker kan het signaal opvoeren tot hoge niveaus om een antenne, magnetron (radar), luidspreker of lange-afstandsdatatransmissiedraad/vezel aan te drijven.

Een eindversterker kan in klassen worden ingedeeld om aan te geven hoeveel van het sinusoïdale signaal wordt versterkt. De versterker kan zo worden ontworpen dat hij voor de helft van een cyclus wordt uitgeschakeld, waardoor de doorkomende golfvorm verandert.
Klassen (analoog): A, B, AB, CC Klassen (digitaal): D, E, F, G, S, T
Lees hier meer over klassen.

Onder: Links: buisversterker voor een magnetron in een vroege microgolfoven. De grote cilindrische zilveren en gele apparaten zijn condensatoren.
Onder: Rechts: moderne solid-state versterker voor een magnetron.

3.) Versterkers voor luidsprekers en muziekinstrumenten Versterkers die worden gebruikt om luidsprekers aan te drijven, nemen een kleine hoeveelheid signaal op dat wordt opgewekt door een microfoon, radio-ontvanger, televisie of ander apparaat en zetten dit om in een krachtig signaal dat sterk genoeg is om de sterke elektromagneten in luidsprekers aan te drijven. Audioversterkerschakelingen bestaan uit: Capacitors: filtercondensators, koppelcondensators Resistors Vacuümbuizen of transistors Rectifiers – zetten wisselstroom om in gelijkstroom. Dit kunnen silicium diodes of buisgelijkrichters zijn Diodes en buisgelijkrichters Versterkerschakelingen om elektromagnetische luidsprekers aan te drijven vormden de grootste uitdaging voor de vroege audio-ingenieurs. Hoewel de eerste theorie over de luidspreker dateert uit de jaren 1870, duurde het meer dan 40 jaar voordat de eerste functionele luidspreker voor de verkoop beschikbaar was. De reden hiervoor is dat andere technologieën, zoals vacuümbuizen en geavanceerde wiskunde voor elektrische circuits, moesten worden ontwikkeld om een audioversterker te maken die daadwerkelijk muziek en stemgeluid produceerde, in tegenstelling tot ruwe apparaten die een luidspreker een lelijk en ongecontroleerd zoemend geluid konden laten produceren. Het maken van elektronica die het audiosignaal nauwkeurig kon versterken met behoud van de rijke en zuivere golfvormen van het oorspronkelijke signaal was de taak die voor het eerst werd uitgevoerd door C.W. Rice en E.W. Kellogg. Rechts: het eerste werkende luidsprekerprototype (1921) en de bijbehorende versterker die een hele kast in beslag nam.

Video: Corbin Irvin, elektrotechnicus, toont ons de onderdelen van een klassieke buizenversterker in het Edison Tech Center:

4.) Transistorversterkers Transistors hebben “transweerstand”, hetgeen betekent dat de halfgeleiders waarvan zij zijn gemaakt van weerstandswaarde kunnen veranderen. Transistors kunnen zowel als schakelaar of als versterker worden gebruikt. De transistor heeft drie aansluitingen: een ingang (collector), spanning (basis), en uitgang (emitter). Transistor als schakelaar: Als u de transistor als schakelaar gebruikt, zal er stroom van de ingang (collector) naar de uitgang (emitter) vloeien als u de stroomtoevoer stopt, dan gedraagt de transistor zich als een open schakelaar en zal er geen signaal van de collector naar de emitter vloeien. Wanneer dit als een schakelaar wordt gebruikt, wordt gezegd dat de transistor “verzadigd” is, aangezien de maximale hoeveelheid spanning door de transistor stroomt die hij aankan. Beschouw dit als een eenvoudige “aan” of “uit” schakelaar zonder mogelijkheden halverwege. Transistor als versterker: In een versterker zet u steeds een kleine hoeveelheid spanning op de transistor en dit sluit de ‘schakelaar’, waardoor het signaal door het apparaat kan gaan. Door deze positieve spanning aan het apparaat toe te voegen, wordt het apparaat ‘voorgespannen’. Wanneer het zwakke ingangssignaal passeert, wint het aan kracht door de bias, waardoor het uitgangssignaal wordt versterkt. Dit is goed, maar het zorgt niet echt voor een grote versterking. Twee transistoren: Wanneer we twee transistors samenvoegen, kunnen we de ene een licht versterkt wisselspanningssignaal laten leveren aan de basisleiding van de volgende, waardoor een krachtiger signaal door de tweede transistor kan stromen en meer dramatische veranderingen in de tweede transistor teweegbrengt. U kunt zich dus voorstellen dat aan één kant van een klep (de collectorzijde) een grote hoeveelheid waterdruk is opgebouwd, het wacht er gewoon op om door de pijp te stromen, u hoeft alleen maar aan een knop te draaien en kleine aanpassingen te maken aan de basiszijde en de klep zal gedeeltelijk of helemaal opengaan. Het water stroomt erdoor, of druppelt er gewoon doorheen. Zo maken we van een klein beetje inspanning (zwak signaal) een serieuze hoeveelheid vermogen.

Om een operationele versterker te maken gebruik je meerdere transistors samen met weerstanden en condensatoren, op deze manier kun je een scala aan frequenties versterken. Door zowel negatieve als positieve spanningen op het apparaat aan te brengen kun je de versterker tot 12 volt(+) met 12 volt(-) laten maken, op deze manier heb je genoeg vermogen om een luidspreker te laten werken. Er zijn 1000 manieren om deze schakelingen te ontwerpen, maar u kunt beginnen met een paar basismodellen.

Capacitor gebruikt vóór de transistor: transistorversterkers gebruiken een condensator vóór de ingang van de transistor om het gelijkstroomsignaal dat van een microfoon komt, te ‘centreren’. Microfoons resoneren, waardoor negatieve en positieve gelijkstroom-energie ontstaat. Zij gebruiken ook een ‘bias’, maar om een andere reden dan transistors. De bias in de microfoon activeert het apparaat en zet 0 db boven 0 spanning. De bias in de meeste microfoons vereist dat je hem voorziet van ongeveer 2 volt, maar het kan anders zijn.De condensator voor de transistor brengt de 2 volt bias terug tot werkelijk 0, en verwijdert daardoor de DC offset.De transistor heeft dit nodig om te werken.

Complicaties: Het maken van een versterkerschakeling wordt gecompliceerd door zaken als signaalruis. Wij raden u aan te beginnen met het bouwen van eenvoudige versterkers uit bouwpakketten om de basis onder de knie te krijgen. Daarna kunt u krachtigere en duurdere systemen tweaken.

Leren door bouwen:
Bouw je eigen versterkers en effectpedalen (heeft eenvoudige bouwpakketten beschikbaar) >
Vintage Vacuum Tube Amp Kits (full size gitaarversterkers met luidsprekers) >

Hierboven: in een triode verhit een gloeidraad de kathode, de kathode en het rooster zijn verbonden met het wisselspanningssignaal. Bij (1.) is het rooster negatief geladen en stoot elektronen af, mogelijk zelfs volledig blokkerend dat ze de kathode bereiken. Bij (2.) is het rooster niet negatief geladen en stromen elektronen vrij door naar de gebogen buitenplaat die de kathode is. Note: deel (1.) en (2.) gebeuren niet tegelijkertijd, ze zijn alleen samen afgebeeld voor deze grafiek.

5.) Het gebruik van vacuümbuizen om te versterken De komst van de triode in 1906 betekende een revolutie voor telefoon en radio. Er zijn vele soorten vacuümbuizen gebruikt om te versterken en we gebruiken er vandaag nog enkele. Buisversterkers kunnen tetroden, trioden en pentode vacuümbuizen gebruiken om het signaal te versterken. De triode versterker: Deze buis heeft een hete kathode in het midden, omgeven door een metalen rooster met daaromheen de anode. De kathode zendt elektronen uit, en in het vacuüm stromen de elektronen vrij door het rooster naar de anode. Door het rooster negatief te bekrachtigen stoot u meer elektronen af, dit betekent dat minder elektronen door het rooster kunnen gaan om bij de anode te komen. Als je een zwak audiosignaal (een variërende spanning) op het rooster toepast, laat je meer stroom door het rooster gaan bij positieve pieken en minder bij negatieve, waardoor je het signaal enorm kunt versterken. Het vervelende van buizenversterkers is dat ze meer stroom en ruimte verbruiken dan transistors.De hete kathode in een buis bestaat uit een gloeidraad van wolfraam en thorium. Deze gloeidraad zal, net als bij een gloeilamp, na een aantal uren doorbranden en de buis zal dan vervangen moeten worden. Wanneer je een versterker op een luidspreker aansluit zal het gedrag van de versterker veranderen. De impedantie van de luidspreker zal veranderen naarmate de belasting verandert, en dit heeft gevolgen voor het gehele systeem. Voordelen ten opzichte van transistors: Gitaristen zullen beweren dat het geluid van een buizenversterker beter is dan dat van versterkers die op transistors zijn gebaseerd. Buizenversterkers hebben een niet-lineaire clipping en meer tweede-ordeharmonische vervorming, er zijn genoeg gedetailleerde artikelen over dit onderwerp. Solid state versterkers ontworpen voor gitaristen gebruiken nu currentfeedback circuits om de uitgangsimpedantie te verhogen, dit geeft een vergelijkbaar geluid uit de luidspreker als een buizenversterker zou doen.

6.) Voorbeeld van een driebuizenversterker

We zullen een eenvoudige gitaarversterker met drie buizen gebruiken om te demonstreren hoe het signaal wordt omgezet van een zwak signaal van 0,9 volt in een krachtig signaal dat voldoende is om een groot luidsprekermembraan van stroom te voorzien. Onze grafiek is een vereenvoudigde versie van de Fender Champ-Amp die in “Oom Doug’s” video’s te zien is. Zie de 38 minuten durende video die hier onderaan staat om er dieper op in te gaan als dat nodig is. In onze schema’s hieronder hebben we weerstanden en de meeste condensatoren weggelaten om ons te concentreren op de werking van de versterking.

In de afbeelding hierboven zie je de layout die bestaat uit een voeding (transformator) verbonden met een gelijkrichterbuis en twee andere buizen. De transformator zet 120 V uit de muur om in drie afzonderlijke leidingen. De 6 V leiding voedt alleen de gloeidraden in de twee versterkerbuizen. Hij houdt de gloeidraden warm zodat de buizen kunnen werken. De 5 V-lijn gaat naar de gelijkrichter en verwarmt die buis. De andere hoogspanningslijn brengt wisselstroom naar de gelijkrichter waar het in gelijkstroom wordt omgezet door de negatieve kanten van de golfvorm af te kappen. Weerstanden en transformatoren elders in het systeem helpen het gelijkstroomsignaal af te vlakken en de kromme hobbels te verwijderen.

Het door de pickups opgewekte gitaarsignaal wordt aangesloten op het rooster in de triodebuis van de voorversterker. De anode in de buis is voorzien van een zeer sterke150 volt + gelijkspanning. Op de kathode in het midden van de buis is het zeer heet wat de vorming van veel elektronen stimuleert, maar het rooster is standaard in een negatieve toestand, waardoor de doorgang van elektronen over de anode wordt geblokkeerd. Het wisselspanningssignaal van de gitaar verandert het rooster, waardoor miljoenen elektronen naar de andere kant stromen in een patroon dat de golfvorm van de gitaar nabootst.

De wisselspanning volgt nu de gelijkstroomleiding van de anode naar een ander rooster (12AX7-buis) in de zelfde buis. Een condensator blokkeert de gelijkstroom en laat alleen het wisselspanningssignaal door. Dit signaal is nu sterker dan het signaal van de oorspronkelijke gitaarsnaar en dit 2e rooster reageert nog sterker, waardoor een nog extremere wisselspanning van kathode naar anode gaat.Het signaal is dus al tweemaal versterkt in deze voorversterkerbuis.

Het signaal van de voorversterkerbuis wordt doorgegeven aan de platen van de laatste buis. De laatste buis in deze keten heeft maar liefst 320 volt gelijkstroom met een extreem sterke + lading. Opnieuw reageert het rooster op de wisselstroom en stromen er vele elektronen over in hetzelfde patroon als de wisselstroomgolfvorm. Dit wisselspanningssignaal passeert een transformator die de stroom transformeert tot een spanning die de luidspreker kan gebruiken. Normaal gesproken heeft de 320 volt die door de transformatorspoel gaat geen effect op de luidsprekerzijde van de transformator omdat gelijkstroom niet door een transformator kan.

Video, volledige beschrijving van deze schakeling:
How Tube Amplifiers Work, beschrijving van schakeling – voeding (18 min) >
En deel 2 (20 min) van de beschrijving van deze schakeling voor een Fender Champ-Amp >

Video: Het eerste luidsprekerprototype, deze video toont u de buizen die in dit prototype uit 1921 zijn gebruikt.

Typen versterkers:
Bedrijfsversterkers
Differentiële versterkers
Isolatieversterkers
Negatieve terugkoppelingsversterkers
Instrumentatieversterkers

Verder lezen:
Transistor Theorie >
Operationele Versterkers >
Halfgeleiderelektronica >
Radio >

Verdere onderwerpen:

Luidsprekers	Vacuümbuizen	Microfoons
Televisie	Elektrische gitaren	More Stuff