Spannungsverstärker

Ein Spannungsverstärker in einfachster Form ist jede Schaltung, die eine höhere Spannung als die Eingangsspannung abgibt. Wenn Sie gezwungen sind, mit einer festgelegten Spannung zu arbeiten, werden diese Verstärker üblicherweise verwendet, um die Spannung und damit die aus einem Stromkreis kommende Leistung zu erhöhen. Dies ist nützlich, um kleine Signale zu lesen und anzupassen, z. B. um ein Audiosignal zu verstärken, bevor es auf dem Weg zu den Lautsprechern gesendet wird. Der Spannungsverstärker ist eine Form des gemeinsamen Emitterverstärkers, der auf dem Transistor beruht; Die Verstärkung der Spannung hängt vom Verhältnis der Widerstände am Kollektor und am Emitter dieses Transistors ab.

Die folgenden Materialien gelten für einen Verstärker mit einer Verstärkung von 10. Wenn Sie diesen Faktor erhöhen oder verringern möchten, lesen Sie Schritt 2.

Materialien

Um diese Schaltung aufzubauen, benötigen Sie die unten aufgeführten Materialien. Die Namen bestimmter Instrumente, die in dieser speziellen Schaltung verwendet werden, sind in Klammern angegeben.

- Funktionsgenerator (BK Precision 4011A 5MHz Funktionsgenerator)

- Steckbrett (Global Specialties Proto-Board PB-503)

- Gleichstromversorgung (15 V, in unserem Steckbrett enthalten)

- Transistor (Q1 2N3904)

- Kondensator - 100nF

- Widerstände - 56 kOhm, 5, 6 kOhm, 6, 8 kOhm, 680 Ohm

Wenn Sie diese Schaltung für praktische Zwecke verwenden, können Sie jede gewünschte Gleichstromversorgung verwenden. Beachten Sie, dass Ihre Ausgangsspannung nicht größer sein darf als die von diesem Gleichstromnetzteil bereitgestellte Spannung. Daher würde ich Netzteile im Bereich von 9 bis 15 V DC empfehlen. Der Sinus-Eingang vom Funktionsgenerator ist einfach der Eingang, den Sie verstärken möchten.

Außerdem möchten Sie wahrscheinlich die von dieser Schaltung erzeugte Ausgangsspannung lesen oder verwenden, abhängig von Ihren Gründen für den Bau eines Spannungsverstärkers. Wenn Sie lediglich die Schaltung untersuchen möchten, können Sie die Ausgangsspannung mit einem Oszilloskop ablesen.

Auch diese Schaltung hat eine Spannungsverstärkung von 10. Für unterschiedliche Verstärkungswerte werden unterschiedliche Widerstände benötigt (siehe Schritt 2).

Schritt 1: Aufbau der Schaltung

Das erste Bild ist das Schema der Schaltung; unten rechts ist die Steckbrettansicht; und unten links ist unser Endprodukt.

Lassen Sie uns ein wenig über die Schaltung sprechen, bevor Sie mit dem Bau beginnen. Wenn wir den Sinus-Eingang vollständig ignorieren, können wir sehen, dass immer noch eine vollständige Schaltung und daher eine Spannung am Ausgang vorhanden ist. Basierend auf den Verhältnissen der hier verwendeten Widerstände berechnet sich diese Spannung (als Ruhespannung bezeichnet) zu etwa der Hälfte der Eingangsspannung. Wenn die Spannung bereits so groß ist, ist es sinnvoll, dass die Addition dieser Sinus-Eingangsspannung, auch wenn sie klein ist, zu einer viel größeren Ausgangsspannung führt. Daher der Verstärker!

Ein Hinweis zum Kondensator:
Die ersten beiden Widerstände stellen die Gleichspannung der Basis ein. Der Kondensator filtert den Gleichstrom aus dem Funktionsgenerator heraus und hinterlässt nur eine Sinuswelle, um zu verhindern, dass die Wechselspannung die Gleichspannungen stört.

Also fangen wir jetzt an, das Ding zu bauen! Der effizienteste und drahtloseste Weg, dies zu tun, besteht darin, alle Anschlüsse bis zum Ende zu belassen. Beginnend mit dem Transistor und den Widerständen sieht die Schaltung einfach genug aus, so dass ich nicht versuchen werde, Sie durch sie zu führen. Sobald diese Basis fertig ist, kann der Funktionsgenerator (unten links in rot und schwarz) angeschlossen und dann ausgegeben werden (hier als lila Draht dargestellt, der an eine Sonde angeschlossen ist).

Wenn Sie die Ergebnisse auf einem Oszilloskop betrachten möchten, empfehle ich, den TTL-Ausgang des Funktionsgenerators als externen Auslöser für das Oszilloskop zu verwenden. Wenn Sie es tatsächlich irgendwann anschließen wollen, stehe ich immer noch dafür ein, zuerst Ihre Arbeit zu überprüfen - Sie wissen nie, was schief gehen kann!

Schritt 2: Berechnung des Gewinns

Ein wesentlicher Bestandteil beim Bau eines Spannungsverstärkers ist das Wissen, um wie viel Ihre Spannung verstärkt wird! Sie können die Verstärkung Ihres Spannungsverstärkers bestimmen, indem Sie geeignete Widerstände auswählen (oberes Bild). Ein Oszilloskop zeigt an, wie stark Ihre Spannung tatsächlich verstärkt wird (unteres Bild).

Die Verstärkung dieses Spannungsverstärkers ist einfach das Verhältnis der Kollektorspannung (Vout) des Transistors zu seiner Basisspannung (Vin). Dieses Verhältnis entspricht dem Negativ des Verhältnisses der Kollektor- und Emitterwiderstände RC und RE, so dass Verstärkung = Vout / Vin = - RC / RE. In unserer Beispielschaltung (siehe oberes Bild) betrug das Verhältnis dieser beiden Widerstände 6800 Ohm (in Rot) / 680 Ohm (in Blau) = 10, sodass unser Spannungsverstärker eine Verstärkung von -10 hatte; Somit ist das Ausgangssignal das Produkt der Invertierung des Eingangssignals und der Erhöhung seiner Amplitude um den Faktor 10.

Um Spannungsverstärker mit anderen Verstärkungen zu bauen, wählen Sie die Widerstände RC und RE so, dass ihr Verhältnis der gewünschten Verstärkung entspricht.

Der negative Faktor in der Verstärkung zeigt an, dass die Eingangs- und Ausgangssignale vollständig phasenverschoben sind. Eine andere Art, über die invertierten Vorzeichen des Ausgangssignals nachzudenken, besteht darin, sich vorzustellen, dass die Schaltung das Signal horizontal um eine Phasenverschiebung von pi radian oder 180 Grad verschoben hat. Diese Phasenverschiebung / Vorzeichenumkehr kann durch Anzeigen der Eingangs- und Ausgangsspannungen auf einem Oszilloskop-Display bestätigt werden. Im obigen Oszilloskop-Anzeigebild lesen Kanal 1 und Kanal 2 die Ausgangs- bzw. Eingangssignale. Beachten Sie, dass die beiden Signale unterschiedlich skaliert angezeigt werden, sodass das Ausgangssignal von Kanal 1 verstärkt wird, obwohl es ungefähr so ​​groß zu sein scheint wie das Eingangssignal von Kanal 2.

Schritt 3: Mögliche Probleme

Eines der häufigsten Probleme bei Transistoren ist das Auftreten von Übersteuerungen. In diesem speziellen Fall tritt eine Übersteuerung auf, wenn die Spannung an der Basis höher als die am Kollektor ist. Dies führt dazu, dass ein Teil des Stroms von der Basis zum Kollektor fließt, im Gegensatz zur gewünschten Basis zur Erde.

Der Strom beginnt mit sehr geringen Verstärkungen abzufallen - etwa bei 1. Eine detailliertere Beschreibung der Berechnung finden Sie entweder selbst oder siehe unten *. Zum Glück denke ich nicht, dass dies für irgendjemanden ein zu großes Problem sein wird, denn warum sollte man sich mit einem Spannungsverstärker beschäftigen, der die Spannung nicht verstärkt?

Andere Probleme werden normalerweise durch unglückliche Verdrahtungsfehler verursacht. Es ist auch wichtig zu beachten, dass Ihr Widerstandsverhältnis zwar eine gewünschte Verstärkung von einem gewissen Betrag signalisieren kann, die Schaltungen jedoch kaum perfekt sind, so dass es zu Abweichungen kommen kann. Bei hoher Verstärkung ist die tatsächlich gesehene Verstärkung geringfügig kleiner als das Verhältnis, während bei niedrigeren Verstärkungen die tatsächlich gesehene Verstärkung geringfügig größer als das Verhältnis der Widerstände ist.

* Detailliertere Erklärung:
Wenn wir die 5, 6k- und 56k-Widerstände als Spannungsteiler betrachten, können wir berechnen, dass die Spannung an der Basis durchschnittlich 1, 36 Volt betragen wird. Eine Übersteuerung tritt daher auf, wenn der Kollektor 0, 6 Volt kleiner als dieser ist (unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls über einer Diode). Dies stellt sich als ungefähr 0, 8 Volt heraus. Da die Ausgangsspannung nur die Verstärkung ist, beginnt die Schaltung mit kleinen Verstärkungen in der Nähe von 0, 8 oder weniger zu klemmen.

Schritt 4: Bewerbungen und abschließende Kommentare

Der gemeinsame Emitterverstärker kann eine sehr nützliche Schaltung sein, nicht nur weil er ein Spannungssignal invertiert und verstärkt, sondern auch weil der Kondensator an seinem Eingang es ihm ermöglicht, die konstante Komponente eines Eingangssignals (den Gleichstromversatz) zu ignorieren und einen schwachen, niedrigen Wert aufzunehmen -Frequenzsignale (die AC-Komponente des Eingangs).

Seine Anwendungen umfassen die Verwendung in Lautsprechern zur Verstärkung von Audiosignalen und in Radios zur Verstärkung schwacher Funksignale, die von einer Antenne empfangen werden.

Viel Glück und viel Spaß mit Ihrem Spannungsverstärker! Fröhliches Bauen!