Transistor als audioversterker

De vervorming kan men beperken door een weerstand te gebruiken op de basis of de emitter: de weerstand zet de wisselspanning om in een wisselstroom als de spanningsval over de weerstand voldoende groot is ten opzichte van de spanningsval tussen emitter en basis. Een andere mogelijkheid is een tegenkoppeling toe te passen.

Als voortrap kan men ook een op-amp gebruiken: een LM471 heeft bijvoorbeeld een beperkte slew rate zodat de eindversterker geen zeer hoge frekwenties moet versterken (frekwenties boven de 500kHz). Dit heeft geen invloed op de uiteindelijke geluidskwaliteit, maar zorgt er wel voor dat ultrasone frekwenties niet doorkomen.

Stroommeting van de eindtrappen

Een toepassing van op-amps: de stroommeting door de eindtrappen (versterker met instelbare negatieve polarisatie). Over de cathodemeetweerstand van 1Ω zit er slechts een lage spanning. Men kan de spanning versterken om een meter aan te sturen en eventueel een led laten oplichten als de kathodestroom te hoog wordt.

Twee kleine transistorvoorversterkers

Deze versterkers verhogen de amplitude van het signaal om bepaalde versterkers goed te kunnen aansturen (of om bijvoorbeeld een tegenkoppeling toe te passen bij een versterker die daarvoor niet voorzien was). Deze voorversterkers hebben allemaal een tegenkopppeling om de versterkingsfactor vast te leggen en om de vervorming te beperken. Er zijn twee versies van de schakeling: één die voorzien is voor een positieve voedingsspanning en één voorzien voor een negatieve spanning.

Kleine hybride versterker

Een microfoonversterker met phantom transistor voorversterker en eindtrap met de triode-pentode ECL82 om het geluid van een vergaderzaal over te brengen naar een dactyloruimte (dat was in de jaren 1980...).

Voorbeelden van transistorversterkers

Van een versterker uit een radio of pick up die ongeveer 500mW kan keveren tot een aparte versterker met een vermogen van 10W. De overgang van buis naar transistor is zeer geleidelijk gebeurd want de transistoren hadden slechtere eigenschappen en waren veel duurder. De transistoren waren beperkt in frekwentie (waardoor ze eerst niet gebruikt konden worden in het hoogfrekwente gedeelte van radio's), ze hadden een lagere versterking in vergelijking met buizen, waardoor er meer transistoren nodig waren om een bepaalde versterking te halen en ze waren beperkt in de maximale stroom en vermogen. De eerste transistoren konden slechts een lage stroom leveren (10mA), lager dan de stroom van een gewone triode.

Bespreking van een commerciele hybride versterker

De versterker gebruikt op-amps in de voortrap en EL84 in de eindtrap.

De schakeling die we willen vervangen is een Williamson schakeling. Een williamsonschakeling wordt doorgaans gebruikt om een paar EL34, EL509 of KTxx aan te sturen, maar de laatste transistorversie kan ook gebruikt worden in een kleinere versterker met EL84, EL300, EL504 of PL508. Hoe ironisch: om deze transistorversterkers te testen gebruik ik een voeding met buizen, een Philips PE1530 De buizen die de stroom moeten leveren zijn twee parallel geschakelde EL34. De spanning gaat tot 330V (150mA max), er is een negatieve roostervoorspanning tot -85V beschikbaar en twee onafhankelijke 6.3V wisselspanning uitgangen.

Vervanging van een volledige Williamsonschakeling door transistoren

• Transistoren worden doorgaans met een stroom gestuurd, niet met een spanning. Zonder speciale maatregelen heb je enorme vervormingen.

• Om de eindtrappen te sturen heb je een sweep nodig van 10 à 40V effectief, dus een relatief hoge voedingspanning. De gain van hoogspanningstransistoren is beperkt.

Mosfets gebruiken in de plaats van triodes is vaak ook geen oplossing, want de interne capaciteiten zijn veel te hoog bij mosfets. Bij een triode heeft men roostercapaciteiten van enkele pF (ECC81: C g1 = 2.3pF), bij mosfets is dat enkele nF. Zelfs een small signal mosfet zoals de BSS127 heeft een gatecapaciteit van 25pF. Om dezelfde bandbreedte te hebben als met triodes moet de stroom tienmaal zo sterk zijn.

Men zegt vaak dat de kenmerken van de buizen sterk kunnen verschillen. Maar de transistoreigenschappen kunnen nog meer verschillen! De stroomversterking van een transistor van eenzelfde type gaat van 100 tot 800. De schakeling is ontworpen om daar rekening mee te houden, maar het is aangeraden om transistoren van eenzelfde klasse te gebruiken (BC546B, bijvoorbeeld).

Bij deze schakelingen die een hoge sweep moeten hebben (spanningszwaai) is het gebruik van hoogspanningstransistoren noodzakelijk want we hebben een relatief hoge spanning nodig om aan de gewenste sweep te geraken. Gebruik geen schakeltransistoren (geschikt voor schakelende voedingen), deze hebben een zeer lage gain bij zwakke stromen, ze zijn ontworpen om met hoge stromen te werken en presteren zeer slecht als signaalversterkers. Transistoren die in video-eindtrappen van televisies gebruikt werden zijn daartegenover zeer geschikt.

Bij defekt van een transistor moeten alle transistoren vervangen worden, dit is eigen aan transistorschakelingen. Bij de volgende schakelingen, als er doorslag is in de triode gaan de transistoren ook defekt. Doorslag kan gebeuren als de triodes niet perfect luchtledig zijn.

Inleiding (en afsluiting)

• Berekening van de nodige versterking
• Transistorkeuze
• Bandbreedte
• Welke schakeling is het uiteindelijk geworden?

Dubbele long tail schakeling met 4 transistoren

De dubbele long tail met 4 transistoren is de meest eenvoudige. De schakeling heeft een hoge versterking, is lineair, heeft een lage uitgangsimpedantie en levert een signaal met een grote amplitude waarvan de gelijkloop tussen beide uitgangen zeer goed is, maar als de clipping optreedt is het niet aangenaam.

Symmetrische cascodeschakeling met 4 transistoren (een long tail is altijd symmetrisch)

Deze schakeling levert een nagenoeg perfect signaal zonder enige overshoot. De spanningsversterking is minder en hangt in grote mate af van de stroomversterking van de onderste transistoren.

Dubbele long tail met transistoren en triodes

De long tail met transistoren en triodes heeft een hoge versterking en een soft clipping. Men gebruikt hier best een ECC81 die een voldoende hoge stroom kan leveren bij een relatief lage anodespanning. De ECC83 is niet geschikt (onvoldoende lineair bij stromen boven de 1mA en lage anodespanning) en de ECC82 heeft een te lage gain.

Symmetrische cascode met transistoren en trioden

De cascode met transistoren en triodes bleek de beste combinatie te zijn met een uiterst lineair signaal, een redelijk hoge versterking en een softe clipping. De voorversterker heeft echter een hogere uitgangsimpedantie. De transistoren die hier een wat hogere stroom moeten leveren presteren beter.

Enkelvoudige concertinaschakeling met transistoren

Dit is een complete versterker met twee transistoren BF422 (spanningsversterking en concertina fasedraaier) gevolgd door twee vermogensbuizen PL504 lijneindtrap. De schakeling is eenvoudig, stabiel en levert in de getoonde configuratie een vermogen van 10W RMS (continu vermogen).

De cascodeschakeling is inherent stabiel (geen overshoot of ringing) en de hogere stroom die de onderste transistoren moeten leveren zorgen ervoor dat ze in een optimale instelling werken waardoor de lagere spanningsversterking van een cascode gedeeltelijk gecompenseerd wordt.

Ik heb de verschillnde schakelingen grondig getest, en een dubbele long tail is aangeraden om een voldoende symmetrie tussen de twee uitgangen te bekomen, beter dan 2% in de slechts mogelijke omstandigheid, namelijk een kant aangestuurd en de tweede kant aan de massa via een condensator (aansturing via de base van de transistoren).

De combinatie transistor en triode hebben de voordelen van beide componenten, met vooral een softe signaalbegrenzing als de limieten bereikt zijn. Maar de uiteindelijke versterker werd gebouwd met twee transistoren (met cathodyne fasedraaier) en twee vermogensbuizen.

Voor ik een versterker definitief bouw (op een metalen frame) maak in een monobloc om de schakeling grondig te controleren. De schakeling rechts is een volledige versterker met een voedingstransfo, een voedingsprint, een voorversterkerprint (met twee transistoren) een balanseindtrap en een outputtransformator.

De schakeling wordt grondig getest met sinus en blokgolfsignalen op verschillende frekwenties (met een dymmy load) om de stabiliteit en het vermogen op alle frekwenties te testen. Nadien wordt een test gehouden in reële omstandigheden met muziek en een goede luidspreker.