Transistorversterkers
Overgang van buizen naar transistoren
 
Servers » TechTalk » Historisch perspectief » Audio » Buizenversterkers » Tips en trucs » Transistor » Eerste transistorversterkers

De overgang van buizen naar transistoren gebeurde traag. De eerste transistoren hadden slechte eigenschappen, ze konden niet gebruikt worden voor radiotoepassingen (maximale frekwentie van ongeveer 50kHz), ze konden geen al te sterke stroom leveren (maximaal 100mA) en de maximale spanning was ook niet al te hoog (ongeveer 20V). Dergelijke transistoren konden enkel gebruikt worden voor laagvermogen toepassingen zoals hoorapparaten en het audio gedeelte van draagbare radiotoestellen. Van ghettoblasters was er nog geen sprake.
-

-

De eigenschappen van de eerste transistoren waren zo slecht dat de overgang heel geleidelijk gebeurde, men bouwde bijvoorbeeld hybride radiotoestellen met buizen in het hoogfrekwente gedeelte en transistoren in het audio gedeelte. De kwaliteit van het audio gedeelte was heel slecht en het vermogen dat gehaald kon worden was lager dan met een normale eindtrap met een EL84. Maar er zijn ook andere factoren die de trage overgang van electronenbuis naar transistor verklaren, namelijk de prijs van de transistoren.

Maar op deze pagina's over versterkers willen we vooral kijken naar de echte versterkers. Daarvoor zal men moeten wachten tot er betere transistoren op de markt komen.

De eerste reeks bruikbare transistoren waren die met kode OC (de letter "O" voor 0V gloeispanning en de "C" voor laagvermogen triodes). In radiotoepassingen konden de OC44 en OC45 gebruikt worden op de middengolf en lange golf met neutrodyne (onderdrukking van de millercapaciteit) en de OC70 tot OC74 werden in de audiotrap gebruikt met een vermogen van ongeveer 100mW. Veel transistoren uit die periode zijn niet meer buikbaar wegens de gebrekkige fabricagemethodes.

Er bestonden toen enkel PNP transistoren, zodat men een transformator nodig had om de twee fasen te genereren (een faseomkeertrap met een transistor was niet mogelijk wegens de lage ingangsimpedantie van transistoren). Een uitgangstransformator kon vermeden worden als men luidsprekers van 16Ω gebruikte. Dit was nog de prehistorie.

De meer betrouwbare transistoren zijn te vinden in de AC-reeks, zoals de AC125, AC126, AC127 en AC128. In tegenstelling met buizen bestaan er nu complementaire transistoren, zodat men versterkers kan bouwen zonder koppelcondensatoren.

Een eerste schakeling gebruikt een AC125 als PNP voortrap. Er is geen stabilisatie van het werkpunt van de eindtrappen en de gebruikte elko's hebben een zodanige lage waarde dat de bandbreedte sterk beperkt is in het laag gebied. Dit is een manier om de warmte-ontwikkeling in de eindtrappen te beperken en toch redelijk veel lawaai te produceren. De schakeling heeft geen tegenkoppeling.

De weerstand R40 moet een zodanige waarde hebben dat de stroom door de eindtrappen 3.4mA bedraagt. De stroom is echter sterk afhankelijk van de temperatuur van de eindtransistoren, dit is vooral het geval met germanium transistoren, de enige transistoren die toen beschikbaar waren. Er is geen compensatie van de temperatuur van de eindtrappen, waardoor de stroom sterk kan oplopen als de transistoren warm worden. Het systeem om de eindtrappen te stabiliseren wordt gerealiseerd met de emitterweerstand van 10Ω, maar daardoor verliest men een deel van het audiovermogen.

De schakeling kan op de volgende manier verbeterd worden:

  • De weerstand R40 moet vervangen worden door een NTC-weerstand die dicht bij de eindtrappen geplaatst moet worden. De waarde moet zodanig gekoren worden dat de ruststroom van de eindtrappen beperkt wordt. Men kan nu de emitterweerstand verlagen naar bijvoorbeeld 4.7Ω.

  • Het werkpunt van de eindtrappen moet gestabiliseerd worden. R16 moet gekoppeld worden aan de emitter van de AC127 en zijn waarde moet verlaagd worden tot 33kΩ.
Maar het blijft een versterker voor een laag vermogen, men kan in het beste geval een vermogen van 1W halen met beide aanpassingen. De AC132 is een alternatief op de AC128. De transistoren werden gekoeld door een metalen plaatje die over de transistor geschoven werd en de warmte afvoerde naar een koelplaat.

De schakeling heeft als kenmerk dat de stroom door de drivertransistor ook door de luidspreker loopt. Voor een stroom van 1mA heeft dit geen invloed op de geluidskwaliteit (die toch maar matig is). Door de weerstand R38 naar de luidspreker en niet naar de massa te laten lopen bekomt men een wat hoger vermogen (bootstrap effekt)

Een paar germaniumtransistoren:

OC72
Transistor die in een stuurtrap gebruikt werd (de stuurtrap had doorgaans een transformator voor de fase-omkering). De eigenschappen zijn niet bijster: I: 50mA, P: 100mW, U: 32V. In de eindtrap gebruikte men twee OC74 (I: 300mA, P: 500mW, U: 20V). De eerste transistor uit deze reeks was de OC70 die enkel als voortrap gebruikt kan worden: I: 10mA, P: 125mW, U: 20V. De stroomversterking van de transistor bedroeg 15×. Alle transistoren uit de OC-reeks zijn tegenwoordig onbruikbaar door beschadiging van het kristal.

AC153
Een wat modernere germanium transistor, werd soms gebruikt in eindtrappen. I: 500mA, P: 600mW, U: 32V. Toen al gebruikte iedere fabrikant (Philips, Valvo,...) zijn eigen kodes, en dat is nooit meer goed gekomen zodat men duizenden referenties kan vinden voor transistoren die nagenoeg identiek zijn. Het vermogen wordt enkel gehaald als de transistor goed gekoeld wordt.

AC128
Deze transistor is compatibel met de AC153. I: 1A, P: 1W, U: 32V. Hier ook wordt het vermogen enkel gehaald als de transistor goed gekoeld wordt. De complementaire transistor is de AC128. Een paar jaren later zal de AC127/K en AC128/K op de markt komen. Dit zijn dezelfde transistoren, maar met een rechthoekige metalen behuizing zodat de transistoren direct op een koelplaat gemonteerd kunnen worden voor een betere warmte afvoer. Met een voedingsspanning van 12V haalt men dan een vermogen van ongeveer 2W.

AC187/01 AC188/01
De laatste versie laagvermogen transistoren. I: 2A, P: 1W, U: 25V. Deze transistoren zijn ook te vinden onder de referentie AC187/K en AC188/K. Men kon een audiovermogen halen van 4W en dat is ook het maximum dat gehaald kan worden met deze transistoren. De schakeling met AC187/AC188 lijkt dan veel op de volgende schakeling. Omdat men een wat hoger vermogen heeft kan men de bandbreedte uitbreiden naar het laag. Deze transistoren werden in de betere versterkers gebruikt.

Dit is een versterker voor een vermogen van maximaal 10W (8W rms continu). Dit is ongeveer de basisschakeling die in veel versterkers gebruikt zal worden. Er wordt voor het eerst een silicium transistor gebruikt (BC107).

Er is een tegenkoppeling voorzien via de weerstand van 1kΩ. Met de weerstand van 33Ω heeft men een spanningsversterking van 30X. De gevoeligheid van de versterker is 190mV voor een uitgangsspanning van 5.7V rms. De condensator van 68nF bepaalt de maximale werkingsfrekwentie van de versterker en zorgt voor de stabiliteit.

Nagenoeg alle negatieve eigenschappen van de vorige schakeling zijn opgelost:

  • Er is een gelijkspanningsstabilisatie van de uitgangsspanning en de spanning is instelbaar met de trimmer van 100kΩ.

  • De stroom door de eindtrappen wordt gestabiliseerd door de NTC van 25Ω. De diode beperkt de maximale spanning (vooral bij koude transistoren belangrijk) en hier is er ook een instelling van de ruststroom. De diode wordt gebruikt in doorlaatrichting en een zener is niet nodig, men kan evengoed een 1N4148 gebruiken.
Omdat de ruststroom automatisch gestabiliseerd wordt kunnen de emitterweerstanden beperkt worden tot 0.5Ω, dit betekent minder verliezen. Er worden eindelijk condensatoren met normale waarden gebruikt, waardoor de bandbreedte ook uitgebreid wordt naar de lage tonen.

Hoewel de maximale dissipatie en maximale stroom van de eindtrappen beperkt is (4W en 1A bij de eerste AD161/AD162 transistoren) is dit een versterker met zeer goede eigenschappen. De germaniumtransistoren hebben een "kromme" curve zoals de buizen, waardoor de scherpe overgang tussen geleiding en sperren vermeden wordt. Zoals men een buizenklank heeft, heeft men ook een germaniumklank.

De "D" was vroeger het teken van een vermogenstriode (PD500, de parallel stabilisatorbuis van de hoogspanning van kleurentelevisies). Dezelfde letter wordt nu gebruikt voor vermogenstransistoren.

De eindtrappen AD161 en AD162 hebben een hoge stroomversterking (minimum 80×) maar toch wordt er gekozen om een relatief hoge stroom door de drivertrappen te laten lopen (115mA). Eigenlijk had men de stroom kunnen beperken tot 15mA (weerstand van 82Ω verhogen tot 680Ω en weerstand van 220Ω verhogen tot 1500Ω). Dit zal de dissipatie door de drivertransistor beperken.

Bij het inschakelen wordt de luidsprekerelko opgeladen, dit veroorzaakt een luide plop. Ook de volgende schakeling heeft dit probleem, dat enkel opgelost kan worden door een symmetrische voeding.

De schakeling heeft nog één minpunt, namelijk dat de stroom van de drivertrap nog steeds door de luidspreker loopt. Deze stroom bedraagt 115mA bij dit ontwerp en is wel aan de hoge kant. In de volgende schakeling zal dit probleem aangepakt worden.

De schakeling gebruikt slechts één voortrap, waardoor de gevoeligheid minder is. Mocht de gevoeligheid te laag zijn, dan kan je een deel van de vorige schakeling gebruiken. De stroom door deze voortrap is ongeveer 5mA. Het gelijkspanningswerkpunt kan ingesteld worden met de trimmer over de collector. De condensator van 50µF zorgt voor de bootstrap: de condensator brengt het wisselspanningscomponent van de uitgang over naar de voortrap zodat de uitstuurbaarheid groter wordt. De bootstrapschakeling kan ook gebruikt worden bij de vorige versterker.

Er is een automatische stabilisatie van het werkpunt (halve voedingsspanning op de eindversterkertrap), die eventueel kan bijgesteld worden via de weerstand van 50kΩ.

De ruststroom wordt bepaald door de zener diode van 5.6V, de weerstand van 300Ω en de NTC van 1kΩ. De ruststroom kan ingesteld worden met de trimmer van 3kΩ. Over de kring staan drie emitter-collector overgangen, dus een spanning van ongeveer 0.5V. De instelling bepaalt de ruststroom van de drivertrap AC127/AC152 en ook de ruststroom van de eindtrappen.

De AD166 kan een hogere stroom leveren (maximaal 5A) en heeft ook een maximale dissipatie van 27W (als de transistor zeer goed gekoeld wordt). De AD166 gebruikt een TO-3 behuizing die ook zal gebruikt worden door de meeste vermogenstransistoren (2N3055,...). Deze transistor heeft echter enkele nadelen:

  • Transistoren die een hogere stroom kunnen leveren (dikkere basislaag) hebben een veel lagere versterking, dit is de reden dat er een drivertrap met twee transistoren nodig is, terwijl de vorige schakeling dit niet nodig had.

  • Deze transistoren bestonden enkel in PNP-uitvoering waardoor men een quasi-complementaire eindtrap moest bouwen. De werking is redelijk symmetrisch, de stroom door de eindtrap wordt bepaald door de spanning over de bijhorende weerstand van 40Ω.
Er is een tegenkoppeling van de uitgang naar de basis van de voortrap. We hebben hier te maken met een stroomsturing, waardoor de ingangsimpedantie zeer laag wordt. De schakeling is daarom niet zo optimaal, de versterker heeft een extra voortrap nodig met een lage uitgangsimpedantie om de amplitude te versterken.

Omdat men met een enkelvoudige voeding werkt is er een koppelcondensator naar de luidspreker nodig. Deze zal later vermeden kunnen worden met versterkers met symmetrische voedingen.

Deze versterker levert een vermogen van 10W rms en kan eindelijk concurreren met buizenversterkers. Maar voor hogere vermogens is men nog altijd aangewezen op buizen, en dit tot in de jaren 1970. Voor public address versterkers (sonorisatie van grote ruimtes) hebben veel fabrikanten gekozen voor lijneindtrappen (EL504) die robuster waren dan de EL34 (en deze buizen waren doorgaans ook goedkoper...). Hier kan je enkele public address versterkers met lijneindtrappen vinden.

De ideale versterker met germanium transistoren gebruikt de voortrap van de vorige schakeling (hogere ingangsimpedantie en gevoeligheid) gekoppeld aan de drivertrap en complementaire eindtrap van de laatste versterker.

De voeding is hier een symmetrische voeding via een transfo met middenaftakking voor 10 + 10V (voorzien 25VA per kanaal). De gevoeligheid bedraagt 250mV voor een vermogen van 10W. Het voordeel van de symmetrische voediung is dat brom beter onderdrukt kan worden. Voor de voedingselko's kies je een zo groot mogelijke waarde.

De twee extra diodes zijn een finishing touch. Ze zijn eigenlijk niet nodig, maar ze worden soms geplaatst bij esoterische versterkers, waarbij ze de audiokwaliteit fenomenaal verhogen. De diodes die een spanningsval in geleiding hebben van 0.7V zorgen ervoor dat er geen al te hoge continu stroom door de luidspreker loopt als de gelijkspanningsinstelling verloopt. Je kan deze diodes gewoon overbruggen, maar enkel als je zeker bent dat de gelijkspanningsinstelling niet verloopt. Het beste is de diodes niet te gebruiken, dan heb je ook geen transfo nodig met een middenaftakking..

Bij een buizenversterker kan men onderdelen gebruiken met een tolerantie van 20% of meer (behalve op bepaalde plaatsen). Dit is niet het geval bij transistorversterkers waar de tolerantie bij 5% ligt. Een minderwaardige transistor kan de geluidskwaliteit van de versterker naar beneden halen (meer dan met buizenversterkers).

Rechts enkele vermogentransistoren: de AD162 met een maximale dissipatie van 4W en de meer moderne BDY20 (siliciumtransistor, europees equivalent van de 2N3055). Door over te schakelen op een grotere behuizing kon de AD166 een hoger vermogen dissiperen.

De eeerste transistorversterkers hadden geen tegenkoppeling en de audiokwaliteit was niet bijster goed, maar dat was niet belangrijk: men wou een compacte versterker hebben die op batterijen kon werken. Door geen tegenkoppeling te gebruiken kon men een dure transistor uitsparen. Deze versterkers werden gebruikt in hoorapparaten, draagbare radio's enz. waar de audiokwaliteit niet zo belangrijk was.

Toen men ook transistorversterkers ging gebruiken in meer hoogwaardige versterkers was men verplicht tegenkoppeling te gebruiken. Bij de overgang van germanium naar siliciumtransistoren moest de tegenkoppeling opgevoerd worden, want siliciumtransistoren schakelen meer abrupt. De vervormingen ontstonden vooral aan de eindtrap die in classe AB werkte (de voortrappen werken allemaal in classe A en hebben dit probleem niet).

Indien men nu nog steeds buizenversterkers gebruikt, is dat omdat transistorversterkers een sterke tegenkoppeling nodig hebben om de vervorming te onderdrukken, en die sterke tegenkoppeling gaat ten koste van de musicaliteit van de versterker.

Publicités - Reklame

-