www.Hobby-Electronics.info

  • Vergroot lettergrootte
  • Standaard lettergrootte
  • Verklein lettergrootte

De transistor als versterker

Zoals reeds vermeld in het eerste deel van dit hoofdstuk, is een transistor een uitstekende versterker. Onderstaande afbeelding toont een voorbeeld.

Het ingangssignaal wordt met de versterker verbonden via C1. C1 voorkomt dat er gelijkstroom gaat lopen via R1 door de signaalbron, bijvoorbeeld een microfoon. Gelijkstroom kan de microfoon beschadigen (tenzij het een elektreetmicrofoon is; een microfoon met ingebouwde versterker).

De eigenschappen van transistor T1 zijn: hFE=100 en UBE=0.6V.

De OUT-aansluiting wordt verbonden met een eindversterker die in ingangsweerstand heeft van 10k. Voor maximale vermogensoverdracht moet de uitgangsweerstand van onze versterker gelijk zijn aan de ingangsweerstand van de eindversterker. De uitgangsimpedantie van een versterker is gedefinieerd als uOUT/iOUT. (Weten we het nog? Kleine letters geven wisselspanningen en -stromen aan, hoofdletters gelijkspanningen en -stromen.) In ons geval is UOUT = US - URC = 9V - URC => uOUT = -uRC. iOUT = iRC. Dus de uitgangsimpedantie van onze versterker is uRC/iRC = RC. RC moet, voor maximale vermogensoverdracht, dus 10k zijn. Om de schakeling stabiel te houden bij een zo hoog mogelijke versterking moet URE US/5 zijn. Aangezien US = 9V, moet URE 1.8V zijn. Dit betekent dat de spanning op de OUT-pin kan variëren tussen 1.8 en 9V. De maximale AC uitgangsspanning (uOUT,max) is dus 9-1.8=7.2Vtt. Uiteraard kan dit alleen bereikt worden als de rustspanning (als uIN=0) precies tussen 1.8 en 9V ligt. Dit betekent dus dat UOUT=1.8+(9-1.8)/2=5.4V. We weten al dat RC=10k, dus IC = (9-5.4V)/10k = 0.36mA. We verwaarlozen IB, dus IE zal ook 0.36mA zijn. RE=URE/IE=1.8/0.36m=5k.

UB = UBE + URE. UBE is altijd 0.6V, dus uRE = uB. Als C1 groot genoeg is, is uIN = uB = uRE.

Nu we dit weten, kunnen we de versterking A van de versterker berekenen, die gedefinieerd is als: A = uOUT/uIN = -uRC/uRE=-(iC∙RC)/(iE∙RE). Aangezien iC=iE (hFE is groot genoeg is om iB te verwaarlozen), is A=-(iC∙RC)/(iC∙RE) = -RC/RE. De versterking bedraagt dus -10k/5k =-2.

UR1 = US-UBE-URE = 9-0.6-1.8 = 6.6V. IR1=IC/hFE=0.36mA/100=3.6μA. R1 = 6.6V/3.6μA = 1.8M.

Helaas hebben transistors met dezelfde type-aanduiding een groote spreiding in de hFE. Zo kan een 2N3904-transistor een stroomversterking hebben die ligt tussen de 100 en 300. De vraag is is: zal onze versterker nog steeds werken als hFE = 300? Laten we een kijken...

IB = (US-UBE-URE)/R1. IC = hFE∙IR1. We verwaarlozen IB, dus IE = IC.

URE = IE∙RE = IC∙RE = hFE∙IR1∙RE = hFE∙RE∙(US-UBE-URE)/R1. URE uit de haakjes werken geeft:

URE = hFE∙RE∙(US-UBE)/R1 - hFE∙RE∙URE/R1 =>

URE+(hFE∙RE/R1)∙URE = hFE∙RE∙(US-UBE)/R1 => (1+hFE∙RE/R1)∙URE = hFE∙RE∙(US-UBE)/R1

Hierin in URE de enige onbekende. Als we alle andere variabelen invullen, krijgen we:

(1+300∙5k/1.8M)∙URE = 300∙5k∙(9-0.6)/1.8M => 1.833∙URE=7 => URE = 7/1.833 = 3.8V.

IB = (8.4-3.8)/1.8M = 2.6μA. IC = 300∙2.6μA = 0.767mA.

Echter, IC,max = US/(RC+RE)=9/15k=0.6mA. Dus is hFE∙IB > IC,max, hetgeen betekent dat de transistor verzadigd is en zicht dus gedraagt als een gesloten schakelaar!

Oplossing: Zorg dat URE (en daarmee IC) onafhankelijk is van hFE. Omdat UBE een (nagenoeg) vaste waarde heeft, bereiken we dit als we de basisspanning (ten opzichte van massa) constant houden. Dit kunnen we realiseren door een extra weerstand (R2) toe te voegen die samen met R1 de spanning US door een vaste waarde deelt:

Zorg dat IR1 >> IB. Anders is de basisspanning alsnog afhankelijk van IB en dus ook van hFE. Laten we de juiste waarde voor R1 en R2 bepalen.

Als we de basisstroom mogen verwaarlozen, geldt: IR1≈IR2.

UR2 = UBE+URE = 0.6+1.8V = 2.4V. UR1 = US-UR2 = 9-2.4 = 6.6V. Dus R1:R2=6.6:2.4. Bijvoorbeeld R1=33k and R2=12k. In dat geval is IR1(=IR2) = 6.6V/33k = 0.2mA, hetgeen veel groter is dan IB (enkele μA).

Zoals gezegd bedraagt de spanningsversterking van deze schakeling slechts (-)2. In veel gevallen zal dat niet genoeg zijn. We kunnen de versterking heel eenvoudig verhogen door een weerstand en een condensator toe te voegen zoals in onderstaande afbeelding: de meestgebruikte transistorversterker.

Condensator C2 sluit RE2 kort voor wisselspanningen. Dus voor gelijkspanningen geldt RE = RE1 + RE2, en voor wisselspanningen geldt RE = RE1. Als RE1 = 500ohm en RE2 = 4.5k, hebben we een versterker met dezelfde eigenschappen als voorheen, alleen bedraagt de versterking nu 10k/500=20.

De impedantie van C2 moet veel kleiner zijn dan RE1:

1/(2∙π∙fmin∙C2) « RE1 => C2 » 1/(2∙π∙fmin∙RE1) waarin fmin de laagste frequentie is die de versterker moet kunnen verwerken.

Voorbeeld: als fmin = 20Hz, C2 » 1/(2∙π∙20∙500) = 16μF. 47 of 100µF is een goede keus.

De AC ingangsweerstand is ongeveer R1//R2 = 8.8k. De impedantie van C1 moet dus veel lager zijn dan 8.8k => C1 » 1/(2∙π∙20∙8.8k) = 0.9μF. 10µF is een goede keus. De plus-pool van C1 moet verbonden zijn met de versterker, tenzij de bron een DC-component heeft die hoger is dan UR2 (in ons voorbeeld 2.4V).

U bent bezoeker nummer: