Förstärkare

Elektroniska förstärkare eller ”förstärkare” är enheter som ökar signaleffekten. De används i allt från radio till datorer. Att förstå förstärkare är viktigt om du vill bli elektrotekniker eller helt enkelt lära dig att finjustera ditt ljudsystem. Tusentals ingenjörer har bidragit till en bättre förstärkarkonstruktion under årens lopp, vi kommer bara att nämna några få här. Området för förstärkarkonstruktion är enormt, så vi kommer bara att täcka några grunder här med länkar till sidor som går in mer i detalj på aspekter av detta ämne.

1.) Hur de fungerar och grunderna
2.) Effektförstärkare
3.) Förstärkare för högtalare och musikinstrument
4.) Transistorförstärkare
5.) Rörförstärkare, hur de fungerar
6.) 3 Rörförstärkarmodell

1.) Hur de fungerar

I den mest grundläggande bemärkelsen tar en förstärkare en svag signal och lägger till kraft från en strömförsörjning till den för att göra den större i utgången.

Två grundläggande exempel på behovet av en förstärkare:

Audio – Thomas Edison och Emile Berliner utvecklade kolmikrofonen. Likström passerar mellan två metallplattor med kol emellan, en av plattorna är membranet som vibrerar när ljudvågorna träffar den. Det förändrade avståndet mellan de två plattorna ändrar motståndet och därmed har man i utgången en likströmssignal som blir växelström när den moduleras.
Problem: Mikrofonens utgång är en svag signal eftersom det krävs en låg likspänning för att mikrofonen skall fungera. Nu måste vi ta den svaga signalen och antingen skicka den över långdistans (som telefonsystemet) eller sätta den i en högtalare. För att göra detta behövdes förstärkare.

Radio – När Alexanderson, Fessenden, Hull och andra utvecklade röstradioöverföring och radio behövde de ett sätt att ta emot de svaga radiovågorna som vakuumröret upptäckte och förstärka signalen så att den kunde driva en högtalare. Förstärkare (som t.ex. triodröret) behövdes också för att ta emot svaga signaler som transporterar ljud och video (TV) och förvandla den signalen till antingen megawatt av signal (för en sändare) eller flera watt för att driva en högtalare i mottagarsidan.

Vinst – ordet vinst används för att beskriva förstärkarens förmåga att multiplicera effekten. För att mäta förstärkning måste du mäta ingångs- och utgångseffekten. Decibel används för att mäta förstärkning genom ekvationer. Gain är logaritmisk, mätt i en tiopotens. För att beräkna förstärkningen för en viss förstärkare använder du ekvationsserien som finns på denna wikisida >

Oscillatorer – när en förstärkare ansluts till ett filter och sedan tillbaka till sin egen ingång skapar du en linjär oscillator. Oscillatorer används i klockor, radio, TV,filter och många andra saker. De används för att ställa in kretsar och är viktiga verktyg för att få saker att fungera. Mer om oscillatorer >

2.) Effektförstärkare

I signalkedjan avser effektförstärkaren den sista förstärkaren. Effektförstärkaren kan förstärka signalen till höga nivåer för att användas för att driva en antenn, magnetron (radar), högtalare eller tråd/fiber för långdistansdataöverföring.

Effektförstärkare finns i olika klasser för att beskriva hur mycket av den sinusformade signalen som förstärks. Förstärkaren kan utformas så att den kan stängas av under en halv cykel, vilket ändrar den vågform som kommer igenom.
Klasser (analogt): A, B, AB, CC-klasser (analogt): A, B, AB, CC-klasser (digitalt): D, E, F, G, S, T
Läs mer om klasser här.

Nedan: Vänster: Rörförstärkare för en magnetron i en tidig mikrovågsugn. De stora cylindriska silverfärgade och gula enheterna är kondensatorer.
Under: Till höger: modern halvledarförstärkare för en magnetron.

3.) Förstärkare för högtalare och musikinstrument Förstärkare som används för att driva högtalare tar en liten mängd signal som genereras av en mikrofon, radiomottagare, TV eller annan enhet och omvandlar den till en kraftfull signaltillräckligt för att driva de starka elektromagneter som finns i högtalare. Audioförstärkarkretsar består av: Kondensatorer: filterkondensatorer, kopplingskondensatorer Resistorer Vakuumrör eller transistorer Rektifierare – omvandlar växelström till likström. Kan vara kiseldioder eller rörlikriktare Dioder och rörlikriktare Amplifierarkretsar för att driva elektromagnetiska högtalare var den största utmaningen för tidiga ljudingenjörer. Trots att högtalaren först teoretiserades på 1870-talet tog det mer än 40 år innan vi såg den första fungerande högtalaren redo för kommersiell försäljning. Anledningen till detta är att annan teknik som vakuumrör och avancerad matematik för elektriska kretsar måste utvecklas för att man skulle kunna tillverka en ljudförstärkare som faktiskt producerade musik och röst i motsats till grova anordningar som kunde få en högtalare att producera ett fult och okontrollerat surrande ljud. Att göra elektronik som korrekt kunde öka ljudsignalen med bibehållande av den ursprungliga signalens rika och rena vågformer var den uppgift som först utfördes av C.W. Rice och E.W. Kellogg. Till höger: den första fungerande prototypen av en högtalare (1921) och dess förstärkare som upptog ett helt skåp.

Video: Corbin Irvin, elingenjör, visar oss delarna i en klassisk rörförstärkare på Edison Tech Center:

4.) Transistorförstärkare Transistorer har ”transresistans”, vilket innebär att de halvledare de är gjorda av kan ändra motståndsvärde. Transistorer kan användas både som brytare och förstärkare. Transistorn har tre ledningar: en ingång (kollektor), en spänning (bas) och en utgång (emitter). Transistor som brytare: När du använder den som en omkopplare, kommer spänning på basledningen att låta strömmen flöda från ingången (kollektorn) till utgången (emittern), när du slutar att tillföra ström fungerar den som en öppen omkopplare och signalen kommer inte att flöda från kollektorn till emittern. När transistorn används som en omkopplare sägs den vara ”mättad” eftersom den maximala spänningsmängd som den kan hantera flödar genom den. Tänk på detta som en enkel ”på”- eller ”av”-brytare utan några halvvägsalternativ. Transistor som förstärkare: I en förstärkare applicerar du en liten mängd ström på transistorn hela tiden och detta stänger ”kontakten”, vilket gör att signalen kan passera genom enheten. Genom att lägga till denna positiva spänning till enheten ”förspänns” enheten. När den svaga ingångssignalen passerar igenom får den styrka från förspänningen, vilket ökar utgångssignalen. Detta är bra men ger inte riktigt någon stor förstärkning. Två transistorer: När vi sätter ihop två transistorer kan vi låta den ena leverera en något förstärkt växelströmssignal till basledningen i nästa transistor, vilket gör att en kraftigare signal kan flöda genom den andra transistorn och göra mer dramatiska förändringar i den andra transistorn.Växelströmssignalens vågform förblir intakt som den ursprungliga signalen, den är bara starkare. Du kan alltså föreställa dig att en stor mängd vattentryck samlas på ena sidan av en ventil (kollektorsidan), det väntar bara på att rusa ner i röret, allt du behöver göra är att vrida på en ratt och göra små justeringar på bassidan så kommer dörren att öppnas delvis eller helt. Vattnet kommer att strömma igenom, eller bara sippra igenom. Det är så här vi får en liten ansträngning (svag signal) att styra en stor mängd kraft.

För att göra en operationsförstärkare använder man flera transistorer tillsammans med motstånd och kondensatorer, på så sätt kan man förstärka en rad olika frekvenser. Genom att applicera både negativa och positiva spänningar på enheten kan du få förstärkaren att skapa upp till 12 volt(+) med 12 volt(-), på så sätt har du tillräckligt med kraft för att få en högtalare att fungera. Det finns 1000 sätt att konstruera dessa kretsar men du kan börja med några grundläggande modeller.

Kondensator som används före transistorn: Transistorförstärkare använder en kondensator före transistorns ingång för att ”centrera” den likströmsignal som kommer från en mikrofon. Mikrofonerresonerar, vilket skapar negativ och positiv likströmsenergi. De använder också en ”bias”, men av en annan anledning än transistorer. Förspänningen i mikrofonen ger enheten energi och sätter 0 db över 0 spänning. Förspänningen i de flesta mikrofoner kräver att du förser den med ungefär 2 volt, men det kan vara annorlunda.Kondensatorn före transistorn för ner förspänningen på 2 volt till den faktiska 0, och tar därför bort likströmsförskjutningen.Transistorn behöver detta för att fungera.

Komplikationer: Det blir komplicerat att skapa en förstärkarkrets på grund av saker som t.ex. signalbrus. Vi rekommenderar att du börjar bygga enkla förstärkare från byggsatser för att lära dig grunderna. Därefter kan du finjustera kraftfullare och dyrare system.

Lär dig genom att bygga:
Bygg dina egna förstärkare och effektpedaler (har enkla byggsatser tillgängliga) >
Vintage Vacuum Tube Amp Kits (fullstora gitarrförstärkare med högtalare) >

Ovan: I en triod värmer glödtråden upp katoden, katod och gitter är kopplade till växelströmssignalen. I (1.) är gallret negativt laddat och stöter bort elektroner, eventuellt blockerar det dem helt från att nå katoden. I (2.) är gallret inte negativt laddat och elektronerna passerar fritt till den böjda yttre plattan som är katoden. Observera att delarna (1.) och (2.) inte sker samtidigt, utan de visas bara tillsammans i den här figuren.

5.) Användning av vakuumrör för att förstärka Triodens intåg 1906 revolutionerade telefon och radio. Det finns många olika typer av vakuumrör som används för att förstärka och vi använder fortfarande några av dem idag. Rörförstärkare kan använda tetrod-, triod- och pentodvakuumrör för att utföra signalförstärkningen. Triodförstärkaren: Detta rör har en varm katod i mitten omgiven av ett metallgaller med anoden som omger detta. Katoden avger elektroner, och i vakuumet flödar elektronerna fritt genom gallret till anoden. Genom att ge negativ energi till gallret stöter man bort fler elektroner, vilket innebär att färre elektroner kan passera genom gallret för att komma till anoden. Om du tar en svag ljudsignal (en varierande spänning) och applicerar den på gallret kommer du att släppa igenom mer ström genom gallret vid positiva spikar och mindre vid negativa, vilket gör att du kan förstärka signalen kraftigt. Det dåliga med rörförstärkare är att de förbrukar mer ström och utrymme än transistorer.Den heta katoden i ett rör består av en filament av volfram och torium. Denna glödtråd, precis som en glödlampa, kommer att brinna ut efter ett antal timmar och röret måste bytas ut. När du ansluter en förstärkare till en högtalare kommer förstärkarens beteende att förändras. Högtalarimpedansen kommer att förändras när belastningen förändras, och detta påverkar hela systemet. Fördelar jämfört med transistorer: Gitarrister kommer att hävda att ljudet från en rörförstärkare är bättre än ljudet från transistorbaserade förstärkare. Rörförstärkarsystem har icke-linjär clipping och mer andra ordningens harmoniska distorsion, det finns gott om detaljerade artiklar om detta ämne. Solid state-förstärkare avsedda för gitarrister använder nu strömåterkopplingskretsar för att öka utgångsimpedansen, vilket ger ett liknande ljud från högtalaren som en rörförstärkare skulle göra.

6.) Exempel på en förstärkare med tre rör

Vi kommer att använda en enkel gitarrförstärkare med tre rör för att visa hur signalen omvandlas från en svag signal på 0,9 volt till en kraftfull signal som är tillräcklig för att driva ett stort högtalarmembran. Vår grafik är en förenklad version av Fender Champ-Amp som visas i ”Uncle Dougs” videor. Se den 38 minuter långa videon som anges längst ner här för att gå mer på djupet om du behöver. I våra diagram nedan har vi utelämnat motstånd och de flesta kondensatorer för att fokusera på förstärkningens verkan.

I diagrammet ovan ser du layouten som består av ett nätaggregat (transformator) som är anslutet till ett likriktarrör och två andra rör. Transformatorn omvandlar 120 V från väggen till tre separata ledningar. Den 6 V långa linjen ger bara ström till glödtrådarna i de två förstärkarrören. Den håller glödtrådarna varma så att rören kan fungera. 5 V-ledningen går till strömriktaren och värmer upp det röret. Den andra högspänningsledningen leder växelströmmen till likriktaren där den omvandlas till likström genom att de negativa sidorna av vågformen kapas bort. Resistorer och transformatorer på andra ställen i systemet hjälper till att jämna ut likströmssignalen och tar bort de böjda pucklarna.

Gitarrsignalen som genereras av pickuperna ansluts till gallret i förförstärkarens triodrör. Anoden i röret har försetts med en mycket stark 150 volts + DC. Så den plattan drar verkligen åt alla närliggande negativa joner (elektroner).På katoden i mitten av röret är det mycket varmt vilket stimulerar genereringen av massor av elektroner, men gallret är som standard i ett negativt tillstånd, vilket blockerar elektronernas passage över anoden. Växelströmssignalen från gitarren förändrar gallret så att miljontals elektroner kan strömma över till andra sidan i ett mönster som replikerar gitarrens vågform.

Växelströmmen följer nu likströmslinjen från anoden till ett annat galler (12AX7-rör) i samma rör. En kondensator blockerar likströmmen och låter endast växelströmssignalen passera. Denna signal är nu starkare än den ursprungliga gitarrsträngens signal och detta 2:a gitter reagerar ännu starkare och låter en mer extrem växelströmsvågform passera från katod till anod. signalen har alltså förstärkts två gånger redan i detta förförstärkarrör.

Signalen från förförstärkarröret förs vidare till plattorna i det sista röret. Det sista röret i denna kedja har hela 320 volt likström med en extremt stark +-laddning. Återigen reagerar nätet på växelströmmen och många elektroner strömmar över i samma mönster som växelströmmen. Denna växelströmssignal passerar en transformator som omvandlar strömmen till en spänning som högtalaren kan använda. Normalt påverkar de 320 volt som går genom transformatorspolen inte högtalarsidan av transformatorn eftersom likström inte kan passera genom en transformator.

Video, fullständig beskrivning av den här kretsen:
How Tube Amplifiers Work, description of circuit – power supply (18 min) >
Och del 2 (20 min) av beskrivningen av den här kretsen för en Fender Champ-Amp >

Video: Den första prototypen av en högtalare, den här videon visar de rör som användes i den här prototypen från 1921.

Typer av förstärkare:
Operationsförstärkare
Differentierade förstärkare
Isolationsförstärkare
Negativa återkopplingsförstärkare
Instrumenteringsförstärkare

Fortsatt läsning:
Transistorteori >
Operationsförstärkare >
Halvledarelektronik >
Radio >

Relaterade ämnen:

Högtalare	Vakuumrör	Mikrofoner
Television	Elektriska gitarrer	Mer saker