Dit hoofdstuk behandelt hoe versterkende elementen worden ingesteld, hoe meerdere versterkertrappen aan elkaar worden gekoppeld, welke condensatoren daarbij worden gebruikt, en welke klassen van instelling er zijn. Een goede versterkerschakeling zorgt ervoor dat signalen met minimale vervorming worden versterkt terwijl het versterkende element niet te heet wordt.
Versterkende elementen moeten zo worden ingesteld dat ze:
In de praktijk volstaat meestal een voedingsspanning. De benodigde spanningsverschillen worden met weerstanden gerealiseerd. Dit betekent dat je met slim geplaatste weerstanden de juiste spanningen op de verschillende aansluitingen van een transistor of FET kunt krijgen, zonder dat je aparte spanningsbronnen nodig hebt.
Bij een bipolaire transistor moet de basis-emitterovergang altijd geleiden. Bij een FET wordt de stroom geregeld door de spanning tussen gate en source, waarbij de gate zelf nauwelijks stroom opneemt.
Een enkele versterkertrap geeft vaak niet voldoende versterking. Meerdere trappen moeten achter elkaar worden geschakeld. Elke versterkertrap geeft zijn versterkte signaal door naar de volgende trap. Daarbij moet de gelijkstroom/spanning worden geblokkeerd, zodat de gelijkstroominstelling van de volgende versterkertrap niet wordt verstoord. Alleen de wisselspanning (het signaal) mag worden doorgegeven.
Een simpel draadje of printspoortje volstaat niet, want dat zou ook de gelijkspanning doorlaten. We hebben iets nodig dat alleen de wisselspanning (het nuttige signaal) overbrengt en de gelijkspanning blokkeert.
Bij weerstandskoppeling wordt het signaal via een condensator doorgegeven. De naam is enigszins misleidend - het eigenlijke koppelelement is de condensator, niet de weerstand. De naam komt van de manier waarop de schakeling is opgebouwd, met weerstanden die de gelijkstroominstelling regelen.
Ontkoppelcondensatoren: Condensatoren parallel aan emitter- of sourceweerstanden. Ze zorgen ervoor dat de weerstand voor wisselstroom veel lager is, waardoor de versterking toeneemt. Voor gelijkstroom (instelling) blijft de weerstand gewoon werken. Dit werkt omdat een condensator voor gelijkstroom een oneindig hoge weerstand heeft (blokkeert), maar voor wisselstroom juist een lage impedantie biedt (laat door).
Bij transformatorkoppeling doorloopt het uitgangssignaal de primaire wikkeling van een transformator. De secundaire stuurt de volgende versterkertrap aan. Een transformator werkt alleen met wisselspanning (het signaal), waardoor gelijkspanning automatisch wordt geblokkeerd.
Vroeger werd transformatorkoppeling veel toegepast in audioversterkers, maar tegenwoordig is weerstandskoppeling gebruikelijker. Bij hogere radiofrequenties zijn de benodigde transformatoren veel kleiner en handiger, omdat de zelfinductie van de wikkelingen veel lager mag zijn.
Condensatoren worden onderscheiden naar hun dielectricum (isolatiemateriaal tussen de platen). Elke type heeft specifieke eigenschappen die het geschikt maken voor bepaalde toepassingen. De keuze hangt af van de gewenste capaciteit, de werkfrequentie en de maximale spanning.
Lucht is een uitstekend dielectricum voor hoge frequenties omdat het nauwelijks verliezen geeft. De dielectrische constante van lucht is echter laag, waardoor de capaciteit beperkt blijft. Dit is geen probleem, want bij hoge frequenties zijn juist kleine capaciteiten nodig.
| Eigenschap | Beschrijving |
|---|---|
| Dielectricum | Lucht |
| Capaciteit | Laag (max. ~500 pF) |
| Frequentiebereik | Zeer goed voor hoge frequenties, nauwelijks verliezen |
| Instelbaarheid | Bijna altijd variabel (draaicondensator) |
| Toepassing | Afstemmen van kringen op bepaalde frequentie |
| Spanning | Grote plaatafstand = hoge spanning mogelijk (>1 kV) |
Mica is een groep mineralen die gemakkelijk in heel dunne plaatjes te splijten zijn. Sommige micamineralen zijn zelfs doorzichtig. Mica is een goed dielectricum en geschikt voor hoge frequenties, hoewel lucht net iets betere eigenschappen heeft.
| Eigenschap | Beschrijving |
|---|---|
| Dielectricum | Mica (mineraal, splijtbaar in dunne plaatjes) |
| Frequentiebereik | Goed voor hoge frequenties |
| Uitvoering | Vast of als trimmer |
| Capaciteit | Typisch tientallen tot honderden pF |
Keramische condensatoren zijn zeer veelzijdig en worden veel gebruikt in elektronica. Het keramische materiaal heeft meestal goede hoogfrequent-eigenschappen, waardoor ze geschikt zijn voor HF-toepassingen en ontkoppelingsdoeleinden (het afvoeren van ongewenste hoge frequenties).
| Eigenschap | Beschrijving |
|---|---|
| Dielectricum | Keramisch materiaal |
| Frequentiebereik | Meestal goede HF-eigenschappen |
| Capaciteit | Enkele pF tot >100 nF |
| Nadeel | Capaciteit vaak temperatuurafhankelijk |
| Toepassing | HF-schakelingen, ontkoppeling (afvoeren ongewenste HF) |
| Vorm | Meestal plat rond of rechthoekig |
Sommige kunststoffen (plastics) zijn goed te gebruiken als dielectricum, voornamelijk voor frequenties tot enkele MHz. Er zijn verschillende soorten, zoals polystyreen en polycarbonaat, elk met hun eigen eigenschappen.
| Eigenschap | Beschrijving |
|---|---|
| Dielectricum | Kunststof (polystyreen, polycarbonaat, etc.) |
| Frequentiebereik | Tot enkele MHz |
| Opbouw | Opgerold (meer zelfinductie) of gestapeld (beter voor HF) |
| Capaciteit | nF-bereik typisch |
Elco's kunnen extreem hoge capaciteiten bereiken (tot duizenden microfarad), maar werken alleen tot enkele tientallen kHz. Ze worden vooral toegepast in voedingen voor het afvlakken van gelijkspanning en als koppelcondensator in audioschakelingen.
| Eigenschap | Beschrijving |
|---|---|
| Capaciteit | Zeer hoog (tot duizenden μF) |
| Frequentiebereik | Beperkt tot enkele tientallen kHz |
| Polariteit | Bipolair! Heeft + en - aansluiting |
| Toepassing | Afvlakking in voedingen, koppelcondensator in audioschakelingen |
| Type | Capaciteit | Frequentie | Toepassing |
|---|---|---|---|
| Lucht | Laag (pF) | Zeer hoog | Afstemmen HF-kringen |
| Mica | pF | Hoog | HF, trimmers |
| Keramisch | pF - nF | Hoog | HF, ontkoppeling |
| Kunststof | nF | Tot MHz | Algemeen |
| Elco | Zeer hoog (μF) | Laag (kHz) | Voeding, audio |
Bij versterkers speelt de balans tussen rendement (hoeveel van het gelijkstroomvermogen wordt omgezet in nuttig wisselstroomvermogen) en vervorming (harmonischen). We onderscheiden klassen A, B, C en AB.
Een versterkend element wordt gevoed met gelijkstroom en kan stroom maar een kant op transporteren. Om wisselstroom te versterken, moet je dus "betalen" met een extra portie gelijkstroomvermogen. Bij voorversterkers met kleine vermogens is dit geen probleem, maar bij een zender die bijvoorbeeld 100 W afgeeft aan de antenne kan de eindversterker wel 300 W of meer aan gelijkstroomvermogen nodig hebben. Het verschil gaat verloren als warmte.
Het ingangssignaal blijft altijd boven het afknijpniveau. De volledige golfvorm wordt versterkt, waardoor de uitgangsstroom dezelfde vorm heeft als de ingangsspanning.
| Eigenschap | Klasse A |
|---|---|
| Versterkt deel | Volledige periode (100%) |
| Vervorming | Minimaal |
| Rendement | Laag: max. ~25% |
| Toepassing | Waar lage vervorming belangrijk is |
Het afknijpniveau ligt precies in het midden van het ingangssignaal. Alleen de positieve helft van de periode wordt versterkt, de negatieve helft wordt onderdrukt.
| Eigenschap | Klasse B |
|---|---|
| Versterkt deel | Halve periode (50%) |
| Vervorming | Meer dan klasse A |
| Rendement | Hoger: tot ~40% |
| Herstel | Golfvorm herstelbaar met laagdoorlaatfilter |
Het afknijpniveau ligt hoger, zodat alleen het middelste deel van de positieve halve periode wordt versterkt. Van de te versterken halve periode ligt alleen het middendeel boven het afknijpniveau.
| Eigenschap | Klasse C |
|---|---|
| Versterkt deel | Minder dan halve periode (<50%) |
| Vervorming | Groot |
| Rendement | Hoogst: tot ~60% |
| Beperking | Niet geschikt voor alle soorten signalen |
Compromis tussen A en B. Een volledige halve periode wordt versterkt, plus een klein deel van de andere helft. Dit voorkomt vervormingsproblemen rond het afknijpniveau, waar versterkende elementen (vooral transistoren) de neiging hebben minder lineair te worden.
| Eigenschap | Klasse AB |
|---|---|
| Versterkt deel | Iets meer dan halve periode |
| Vervorming | Minder dan klasse B |
| Rendement | Tussen A en B in |
| Klasse | Versterkt | Rendement | Vervorming |
|---|---|---|---|
| A | Hele periode | ≤25% | Minimaal |
| B | Halve periode | ~40% | Meer |
| C | | ~60% |
Meest |
|
| AB | >Halve periode | Tussen A en B | Minder dan B |
Ezelsbruggetje: A = Alles versterken (laag rendement), B = Beetje (halve periode), C = Centje (alleen het midden, hoogste rendement). Hoe meer je versterkt, hoe lager het rendement maar ook hoe minder vervorming.