Versterkers
tegenkoppeling en voorwaartse regeling
TechTalk
Root server » TechTalk » FAQ bruingoed » Tegenkoppeling en voorwaartse regeling
-

-

In verschillende processen wordt er terugkoppeling gebruikt. De thermostaat die de verwarming stuurt is bijvoorbeeld een vorm van terugkoppeling. Een regeling die minder bekend is, is de voorwaartse regeling. Hier gebruikt men bijvoorbeeld de buitentemperatuur om te bepalen hoeveel gestookt moet worden.

De terugkoppeling (of tegenkoppeling) kan de fout niet volledig onderdrukken: er moet immers een fout zijn om die te kunnen corrigeren. De voorwaartse regeling kan een systeem perfekt regelen als de werking van het systeem volledig in formules kan omgezet worden.

Bij versterkers wordt er ook een tegenkoppeling gebruikt om de vervorming te beperken door een deel van het uitgangssignaal (met de fout) in tegenfase terug naar de ingang te sturen. Het is niet mogelijk de vervorming volledig te onderdrukken, maar bijvoorbeeld die met een faktor 100 te reduceren. Hoe beter het signaal is zonder tegenkoppeling, hoe beter het signaal zal zijn met tegenkoppeling. De terugkoppeling veroorzaakt in dit voorbeeld een verzwakking van 100× van het signaal. Om dit te compenseren moet de versterker twee extra versterkertrappen hebben. Bij de normale tegenkoppeling is het niet mogelijk enkel het foutsignaal terug te sturen. De engelse benaming van tegenkoppeling is feedback.

Een ander systeem om fouten te verminderen is de voorwaartse regeling of feed forward waarbij men een berekende foutsignaal op de ingang stuurt om de fout die normaal zou optreden tegen te werken. Zo'n systeem werkt natuurlijk enkel als men precies weet welke vervormingen er ontstaan. In electronische schakelingen wordt de tegenkoppeling vaker gebruikt dan de voorwaartse regeling.


De meeste audioversterkers krijgen een monofasige voeding. De spanning wordt gelijkgericht en gefilterd. Men probeert de rimpelspanning onder de 5% te krijgen (onbelast) en minder dan 10% bij volle belasting. Een betere filtering kost meer geld (zwaardere elko's en vermogendiodes), men corrigeert de brom die door een gebrekkige filtering ontstaat door andere middelen.

We hebben hier een modale versterkertrap uitgerust met 1 transistor. We hebben op de ingang een signaal dat versterkt oet worden, dat is het signaal 1 groen, dat men versterkt en omgepoold op de uitgang kan terugvinden (2 groen).

Maar we hebben ook een rimpel op de voedingsspanning, dat is het signaal 3 rood. Dit signaal kan men terugvinden op de uitgang, weliswaar met een verminderde amplitude, maar goed hoorbaar als een 100Hz brom. De storing komt op de uitgang terecht via de collectorweerstand (aangeduid met de rode stip).

Via een weerstand (met blauwe stip) en een condensator wordt een deel van de rimpel naar de basis van de transistor gestuurd, dit is het signaal 5. De transistor versterkt ook dit signaal, dit is het signaal 6 blauw die de rimpel 4 perfekt onderdrukt.

Alles hangt af van de waarde van de correctieweerstand (de weerstand met de blauwe streep). Een berekening wordt onderaan de pagina gegeven.

Hoe de voorwaartse regeling toegepast wordt is te zien op deze schematische voorstelling van de audiotrap van een televisie. Het deel dat de brom onderdrukt is in het rood aangegeven. Men gebruikt een deel van de rimpel op de voedingsspanning (+2). De voedingsspanning wordt natuurlijk geffilterd, maar er blijft een rimpel over van 10V en deze rimpel is terug te vinden op de uitgang als brom uit de luidspreker indien men geen correctiemaatregelen neemt.

De eerste versterkers met transistoren uit de jaren 1960 (met discrete componenten) hebben ook een voorwaartse regeling om de brom te verminderen. De elko's die voor de filtering gebruikt worden hebben een waarde van 500µF, dit is te weinig om de rimpel voldoende te onderdrukken. De brom wordt onderdrukt door een deel van de rimpel naar een versterkertrap te sturen.


De schakeling links is een Mullard versterker, één van de eerste schakelingen met transistoren. Mullard was vooral bekend om zijn buizenversterkers, en Mullard heeft de overgang naar getransistoriseerde schakelingen niet overleeft. De versterker die hier getoond wordt heeft een voortrap, een stuurtrap en een balanseindtrap. Er is eigenlijk weinig verschil met een buizenversterker... Deze schakeling gebruikt zowel een tegenkoppeling als een voorwaartse regeling.

De uitgangstrap is een balanseindtrap met twee transistoren OC81 (maximale dissipatie van 600mW, maximale spanning van 10V, maximale stroom van 200mA en stroomversterking van 50×). De vervorming ontstaat vooral in deze trap (en in de stuurtrap), maar de rimpel heeft weinig invloed, omdat we met een symmetrische uitgang werken. Een rimpel werkt in op beide takken en werkt elkaar dus tegen. De tegenkoppeling wordt naar de stuurtrap gestuurd.

De stuurtrap geeft een vervorming van het signaal en is ook gevoelig voor de rimpel op de wisselspanning. De tegenkoppeling werkt op de twee laatste trappen, daar waar de vervorming het meest aanwezig is. De tegenkoppeling is de groene lijn, de voorwaartse regeling de blauwe lijn. De rimpel wordt via deze weerstand naar de basis van de transistor gestuurd. Deze transistor die asymmetrisch werkt is het meest gevoelig voor een rimpel op de voedingsspanning. De transistor is een OC81D (die geen verbeterde versie is van de OC81: 150mW dissipatie, 16V voedingsspanning, 10mA en 20× stroomversterking).

De voorversterkertrap is eerder een aanpassingstrap, om de hoge impedantie van een kristalaftaster aan te passen aan de lage inwendige weerstand van een transistorversterker. De gebruikte transistor is een OC71: 125mW, 10V, 10mA en 30× versterking. De trap wordt stroomgestuurd (via weerstand R2) en de totale versterking van de trap is laag. Deze trap produceert ook weinig brom want er is een extra filtertrap voorzien (R9 en C2).

Als men de eigenschappen van de transistorversterker vergelijkt met die van een buizenversterker, dan merkt men goed dat deze eerste transistorversterkers heel zwak presteerden, met een vermogen van 1W. Een buizenversterker met één ECL86 had een driemaal hogere vermogen (en had genoeg aan 1/3 van de componenten). Het is dan ook niet verwonderlijk dat men buizen is blijven gebruiken tot in de jaren 1970.

Mensen vragen mij soms, waarom dergelijke schakelingen online zetten? Dit is eenvoudig: electronica leert men door schakelingen te analyseren. Als electronica bachelors de school verlaten, dan weten ze eigenlijk niets: ze kunnen geen schakelende voeding herstellen, ze weten niet hoe een batterijlader werkt, ze kunnen geen wasmachine herstellen of een zekering vervangen. De licenciaat electronica studenten van in de jaren 1970 konden radiotoestelen en televisies herstellen, platenspelers repareren en de koolborstels van een universele motor vervangen.

Vergelijking tegenkoppeling en voorwaartse regeling

Met tegenkoppeling kan men niet de vervorming volledig onderdrukken, maar slechts reduceren. Er moet een fout aanwezig zijn om die te onderdrukken. De tegenkoppeling vermindert de versterking met een factor 100 (dit is een voorbeeld). De vervorming wordt met eenzelfde factor gereduceerd. De vervorming is dus niet weg, maar sterk verzwakt. De vermindering van de versterking moet gecompenseerd worden door extra versterkertrappen. Veronderstel dat iedere trap een versterking van 10× heeft, dan moet de versterker twee extra trappen hebben. Een te sterke tegenkoppeling heeft als nadeel dat de versterker minder musicaal werkt: het is beter een versterker te ontwerpen die goed klinkt zonder tegenkoppeling, zodat men slechts weinig moet terugkoppelen (en hier zijn de buizenversterkers in het voordeel).

De voorwaartse regeling is enkel mogelijk als men de storing en de versterking van het element kent. In het eerste voorbeeld bovenaan de pagina kent men de rimpel op de voedingsspanning (waarde Ux). De rimpel op de uitgang wordt verzwakt door de collectorweerstand (verhouding collectorweerstand en transistor impedantie). De dynamische weerstand van de transistor is hoog, de transistor werkt als een variabele stroombron. Op de uitgang hebben we een rimpel van bijvoorbeeld Ux × 0.8.

De transistortrap heeft bijvoorbeeld een versterking van -10×. Om de rimpel op de uitgang tegen te werken moet men dus een signaal toevoegen van (Ux × 0.8) × 0.1. We kennen de ingangsimpedantie van de transistor, het is dus eenvoudig de waarde van de weerstand te berekenen, namelijk een waarde 12.5 hoger dan de ingangsimpedantie van de transistor. Dit is de weerstand met de blauwe streep.

In tegenstelling met de tegenkoppeling is het in theorie mogelijk de storing volledig te onderdrukken. Dat het in de praktijk niet mogelijk is wordt veroorzaakt door de tolerantie van de componenten. Men moet ook de storing perfekt kunnen berekenen. Indien componenten verouderen en verlopen is de correctie minder goed. De correctie blijft echter normaal werken als men de rimpel verhoogt of verlaagt (zolang de versterker zijn werk kan doen).

Veel schakelingen passen een dergelijke voorwaartse regeling toe op een onzichtbare manier zoals bij de audio versterker hierboven. Het onderdeel dat voor de regeling zorgt doet bijvoorbeeld ook dienst als polarisatieweerstand. Dit is nog meer het geval bij geïntegreerde schakelingen, waar men een zeer goede onderdrukking van de rimpel kan bekomen (alle componenten van het IC hebben dezelfde toleranties).

Op amps en geintegreerde audioversterkers hebben een ingebouwe correctie van de voedingsrimpel. Zolang de voedingsspanning boven een mimimumwaarde blijft om de belasting correct aan te sturen moet men geen rekening houden met een eventuele rimpel.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's

-