De versterker

Dit hoofdstuk is een inleiding tot de versterkers die in de praktijk gebruikt worden .
Later zien we de fundamentele schakelingen met hun bijzonderheden.

Wat is versterken en tot wat dient het ?

Een bekende toepassing: je bezit waarschijnlijk een audioversterker of een radio. Met een knop kan je het geluid naar wens regelen. Door het verdraaien van die knop – of iets equivalents – zal de versterking beïnvloed worden. Je werkt in op de versterking.

Een uitermate zwak signaal bijv. uit de leeskop van een CD (compact disc) of een andere audiobron is niet voor je gehoor geschikt. Na versterking kunnen we via de luidspreker(s) genieten (?) van de muziek of wat dan ook.

Bij dit voorbeeld hebben we als eis dat er niets aan de eigenschappen van het bronsignaal mag veranderen behalve de grootte van het signaal. De vorm van het resultaat MOET identiek aan die van de bron zijn, we willen immers geen vervormd signaal. De energie voor de versterking komt niet van de hemelse dauw maar uit de voeding. De energie van de voeding moet dus in audio- of wisselspanningsenergie omgezet worden en dit ZONDER vervorming.

Hoe is dat mogelijk ?

We gaan terug naar de grafiek van de collector en de belastinglijn. Op deze lijn vinden we de instelling terug volgens de gebruikte transistor en de uitwendige elementen. We moeten een statisch punt kiezen opdat het bronsignaal optimaal kan behandeld (versterkt) worden. Dit instelpunt levert ons:
Ic = 1 mA
Vce = 2.7 V

Op het eerste gezicht lijkt dat instelpunt niet erg gelukkig gekozen en dat is ook zo. Met een wisselspanning aan de ingang (basis) komen we snel in de verzadiging waardoor we het signaal vervormen. Laten we nu dat punt langs de belastinglijn naar beneden verschuiven door de basisspanning bij middel van de deler te veranderen ( lagere spanning op die basis).

Indien we dat niet goed doen kunnen we het sperpunt (Vce = Vcc) bereiken. In de ander zin kunnen we het verzadigingspunt bereiken (Vce=0=).

Tussen beide uitersten kunnen we dit punt geleidelijk laten verschuiven. De Ib varieert waardoor de spanningsval over Rc zich aanpast. Deze spanningsval volgt het ritme van de stroom ( U= R.I) en zal vari�ren van 0 V (niets) als de transistor gesperd is, tot een spanning U bij verzadiging. Deze spanning is een reproductie van de stroom die we door de spanningsval over Rc recuperen . Merk op dat we de beide uiterste punten moeten vermijden om vervorming te voorkomen.

Een tweede belangrijk punt: hoe laten we het instelpunt over de belastingslijn verschuiven, wetende dat alle elementen vast zijn ?

Indien de uitwendige elementen van de transistor vast zijn moet iets anders dit punt doen verschuiven.

Dit andere “ding” is niets anders dan ( in ons voorbeeld ) het audio-wisselsignaal dat we samen met de vaste instelgelijkspanning aan de basis toevoeren. De positieve toename voegt zich bij de instelgelijkspanning en laat meer Ib vloeien. Het gevolg is een grotere IC ( dus stroomversterking !) waarbij V op de collector zal dalen.

Overzicht: een positieve toename van het audiosignaal doet op de collector een negatieve (maar met identieke vorm) toename ontstaan. In spanning is er een versterking zoals we verder zullen zien (naargelang de uitwendige elementen). Op gelijkaardige manier zal een negatieve toename op de basis, een positieve doen ontstaan op de collector (minder stroom Ib).

Op de figuur hierboven zien we een sinusvormig signaal als stroom door de collector. Dit signaal wordt door een sinusspanning op de basis veroorzaakt. De verandering van Ic wordt door Rc vertaald in een verandering van spanning over de klemmen van Rc, en dus ook over de collector en de emitter van de transistor.

Hoe wordt de wisselpanning aan de versterker (op de basis) toegevoerd en hoe van de collector afgenomen ?

Herinner je dat we WISSELSPANNING versterken bijv. van een microfoon of een andere geluidsbron .

Voor het aanleggen moeten we de wisselspanning toevoegen aan gelijkstroominstelling en bij de afname moet wisselspanning onttrokken worden aan de collector. De gelijkstroom-component op de collector hebben we niet nodig. We kennen een basiselement dat hiervoor geschikt is, namelijk de condensator: immers, een condensator stopt DC maar laat AC (wisselspanning) door. De condensator moet daarvoor wel correct bepaald zijn ( voldoende groot ).

De condensator vertoont een reactantie die functie is van zijn capaciteit en van de gebruikte frequentie. De keuze mag dus niet willekeurig zijn: de reactantie moet voor AC minimaal en voor DC maximaal zijn.

De schakeling veranderen we als volgt :

Het is duidelijk dat, zowel aan de ingang als aan de uitgang, een condensator het werk kan doen. Zie de figuur hiernaast:

Men noemt dit koppelcondensatoren. Naargelang de frequentie, LF (laagfrequent), HF (hoogfrequent), SHF …. , is voor koppelcondensatoren een goede keuze van waarde en technologie vereist.

Emittordiode en wisselstroomweerstand :

De basis/emitter-junctie van een transistor heeft een invloed op de lage frequenties, de frequentie is relatief, maar vooral voor kleine signalen van belang . Hetgeen volgt dient vooral voor de volledigheid van deze cursus. We kunnen in dit kader niet tot de grond van de zaak doorgaan, maar deze kennis is van belang om de versterking door een transistor goed te begrijpen.

Je herinnert je nog wel dat de junctie van een diode tevens een condensator-effect vertoont (zie varicap …) De minderheidsladingen spelen hier een rol.

Bij het opbouwen van een schakeling zoals hierboven sturen we een signaal naar de basis van de transistor en laden hierdoor de emitter van de transistor met minderheidsladingen. Bepalen we nu de doorlaatweerstand van deze diode:

Zonder deze uitleg ten gronde te ontwikkelen, gaan we er van uit dat de wisselstroom- weerstand van de emittordiode ( genoteerd als r’e en Ie de emittorstroom ) gelijk is aan:

Door deze waarde kunnen we in het volgend hoofdstuk op een eenvoudige manier de versterking bepalen. Denk er om dat het hier om een vereenvoudigde berekening gaat; een meer grondige uitleg valt echter buiten het bestek van deze cursus.