Vraag over bepalen versterkingsfactor

Elke MOS fet of chip is gevoelig voor statische lading. Ik denk wel een fet een stuk minder dan een chip

De stroom loopt van de voeding via Rd de fet en Rs naar massa. Die stroom is overal even groot, dus de verhouding van de weerstanden Rd/Rs bepaalt dan ook de verhoudind van de spanning over de weerstanden en daarmee dus ook de versterking factor.

In de praktijk zal de versterking iets minder zijn omdat de fet op de gate ook wat spanning nodig heeft om de source stroom te regelen.

Maar een powerfet als de Irf520 is het niet zo handig. Die heeft een flinke condensator ingebouwd tussen gate en source, en dat is slecht voor de hoge tonen.

Het is al weer een tijd geleden maar in deze schakeling gebruik je geen power mosfet maar een jfet

Op 14 juni 2018 19:35:58 schreef deKees:
..., dus de verhouding van de weerstanden Rd/Rs bepaalt dan ook de verhoudind van de spanning over de weerstanden en daarmee dus ook de versterking factor.

In de praktijk zal de versterking iets minder zijn..

Volgens TS is de spanningsversterking 3,5x bij gebruik van Rd = 480Ω en Rs = 22Ω.
Het ziet er naar uit dat er niet echt een eenvoudige rekenregel is. De instelling van de FET speelt een grote rol. Bij een transistor ligt dit allemaal een stuk eenvoudiger.

@TS,
Waarom kies je voor een FET als versterker?
Meestal is voor dit doel een transistorversterker eenvoudiger.

Op 14 juni 2018 19:35:58 schreef deKees:
De stroom loopt van de voeding via Rd de fet en Rs naar massa. Die stroom is overal even groot, dus de verhouding van de weerstanden Rd/Rs bepaalt dan ook de verhoudind van de spanning over de weerstanden en daarmee dus ook de versterking factor.

In de praktijk zal de versterking iets minder zijn omdat de fet op de gate ook wat spanning nodig heeft om de source stroom te regelen.

Maar een powerfet als de Irf520 is het niet zo handig. Die heeft een flinke condensator ingebouwd tussen gate en source, en dat is slecht voor de hoge tonen.

Bedankt voor alle reacties!

Als ik alles snel doorreken krijg ik dit (er van uit gaande dat het gedrag van de fet bij een vaste r1 en r2 het zelfde blijft):

Ig=12/370000=0,03 mA
Vg=(100K/270K+100K)*12=3,2 V

Bij Rs=100ohm, versterking ongeveer 1,4x
Igs=12/580=20mA
Vgs=(100/580)*12=2,0 V

Bij Rs=22ohm, versterking ongeveer 3,5x
Igs=12/502=23mA
Vgs=(22/502)*12=0,5 V

Maar ik kan hier dus de versterkingsfactor (1,4x en 3.5x) nergens uit halen. Ziet iemand waar mijn denkfout zit, of wat ik fout doe?

Verder ben ik bezig met het testen van verschillende versterker opstellingen (de volgende wordt een common emitter transistor amp.), en is dat de reden dat ik een fet versterker bouw.

De keuze van de irf520 is omdat ik die hier toevallig had liggen, en op zich komt er nog best redelijk geluid uit, maar het kan ongetwijfeld beter met een meer geschikte fet.

Je aanname is niet helemaal correct.
In een FET is de gate stroom zo klein dat we die in de regel kunnen uitsluiten in de berekening van de instelling.
Mosfets en junction Fets zijn spannings gevoede componenten, dat betekend dat de stroom in de gate verwaarloosbaar klein zal zijn.

De stroom die vloeit door de weerstand spanningsdeler voor de gate dient hier slechts voor de juiste DC bias instelling en meestal kunnen we vrij kiezen in de orde van enkele milli Ameperé.
Of kan die stroom vrij laag gekozen worden in de orde van enkele honderden micro Amperé's zoals dat bijvoorbeeld bij een juntion Fet is.

Wat betreft de versterking van de Mosfet kun je deze heel makkelijk berekenen.
Je berekend de DC spanningsval over de weerstand van de drain, en deelt die op de spanningsval over de source.
Over de drainweerstand valt een spanning van 7,52 Volt.
En over de sourceweerstand valt een spanning van 2,4 Volt.
De versterkingsfactor wordt dan 7,52 / 2,4 = 3,13 maal.

Dat betekend dat bij een insturing van 1 Volt piek-piek, op de uitgang de spanning op de drain 3,13 Volt piek-piek zal zijn.

Op 15 juni 2018 10:12:53 schreef Martin V:
Je aanname is niet helemaal correct.
In een FET is de gate stroom zo klein dat we die in de regel kunnen uitsluiten in de berekening van de instelling.
Mosfets en junction Fets zijn spannings gevoede componenten, dat betekend dat de stroom in de gate verwaarloosbaar klein zal zijn.

De stroom die vloeit door de weerstand spanningsdeler voor de gate dient hier slechts voor de juiste DC bias instelling en meestal kunnen we vrij kiezen in de orde van enkele milli Ameperé.
Of kan die stroom vrij laag gekozen worden in de orde van enkele honderden micro Amperé's zoals dat bijvoorbeeld bij een juntion Fet is.

Wat betreft de versterking van de Mosfet kun je deze heel makkelijk berekenen.
Je berekend de DC spanningsval over de weerstand van de drain, en deelt die op de spanningsval over de source.
Over de drainweerstand valt een spanning van 7,52 Volt.
En over de sourceweerstand valt een spanning van 2,4 Volt.
De versterkingsfactor wordt dan 7,52 / 2,4 = 3,13 maal.

Dat betekend dat bij een insturing van 1 Volt piek-piek, op de uitgang de spanning op de drain 3,13 Volt piek-piek zal zijn.

Helder verhaal, bedankt.

Ok, dan ziet het er naar uit dat mijn metingen niet kloppen en ik de weerstanden (Rd/Rs) op elkaar moet delen (zelfde als spanningsverhouding) om de versterking te krijgen. Wat in mijn geval 480/100=4,8x(ipv 1,4x) en 480/22=20x (ipv 3x) is. Wel raar dat het op gehoor niet voelt als 20x, maar meer als 3x (zal wel een logaritme ding zijn).

Als laatste had ik de spanningsval over de Fet (Vds) totaal over het hoofd gezien (5.1V in het originele schema). Is dit een vast gegeven uit de spec. sheet, of moet je die ook los berekenen per geval?

Wel raar dat het op gehoor niet voelt als 20x, maar meer als 3x (zal wel een logaritme ding zijn).

Deze Mosfets zijn hier dan ook niet voor bedoeld. Deze zijn om zo hard mogelijk aan of uit te zijn. Het lineaire gebied wat nodig is voor in een versterker is erg klein en zal inderdaad ook niet recht zijn. Het niet recht zijn van het lineaire gebied kan zich uiten in veranderende versterkingsfactor of zoals jij zegt het lijkt logaritmisch. Maar logaritmisch is het ook niet. Dit component is bedoeld Voor in een geschakelde voeding, een H-brug om motoren aan te sturen of om een solenoid aan te sturen.

Waarom trouwens een extra versterker?
PC boxjes met ingebouwde versterker kun je toch zo aan die MP3 speler hangen?

Uit deze grappige versterkertjes kun je ook best aardig geluid trekken. Prima voor achtergrondmuziek. En kost minder dan een postzegel.

EDIT: En voor minder dan een hele euro heb je zelfs 2x15W! En ook de luxe uitvoering is heel goedkoop en werkt prima!

[Bericht gewijzigd door Benadski op vrijdag 15 juni 2018 15:11:50 (17%)]

Daar kan je zelf niet tegenop bouwen. Echter is TS een tikkeltje eigenwijs en vind zelf graag dingen opnieuw uit. En daar is op zich niets mis mee.

Het vervelende is dat het werkpunt gigantisch afwijkt van "normaal". De karakteristieken beginnen pas bij Vgs = 4.5 V. Nu is Vgs << 4.5 V en we hebben geen idee hoe groot dan de steilheid g_fs is en de reciproke daarvan. Die laatste (de source impedantie) komt schijnbaar in serie met de externe source weerstand en kan dus behoorlijk effect hebben op de spanningsversterking.

Op 15 juni 2018 15:04:54 schreef Benadski:
Uit deze grappige versterkertjes kun je ook best aardig geluid trekken. Prima voor achtergrondmuziek. En kost minder dan een postzegel.

EDIT: En voor minder dan een hele euro heb je zelfs 2x15W! En ook de luxe uitvoering is heel goedkoop en werkt prima!

Een belangrijk nadeel van deze El Cheapo versterkertjes: De koper leert niks van het gedrag van electronische componenten.

Waarom niet met een gewone transistor een versterkertrapje bouwen? Daarin zijn de gelijkstroominstellingen en de versterkingsfactor veel makkelijker uit te rekenen.

[Bericht gewijzigd door dawmast op vrijdag 15 juni 2018 22:10:58 (24%)]

Op 15 juni 2018 22:10:08 schreef dawmast:
Waarom niet met een gewone transistor een versterkertrapje bouwen? Daarin zijn de gelijkstroominstellingen en de versterkingsfactor veel makkelijker uit te rekenen.

Ik heb inmiddels op basis van mijn originele schema (de R1/R2, Rc/Re transistor versterker opbouw, is volgens mij klasse-A), nog twee concept versterkers gemaakt m.b.v. een bc107b (gangbare transistor) en een bd675 (zit een darlington in, en had ik daarom hoge verwachtingen van).

De bc107b voldoet prima, en met Re is de versterking prima te regelen (deze opzet is een groot succes).

De bd675 doet het op zich prima als je exact het goede q-punt hebt (zo niet vervormt het signaal enorm), maar de versterking is net als de irf520 fet lastig met Re te regelen (als je Re lager maakt loopt de versterking eerst op vanaf een bepaald punt, en daarna daalt deze weer, zonder echt ergens te pieken).

Nu mijn vragen:

1) Het is me tot nu toe niet gelukt om het q-punt en bijbehorende Vg op de basis van de spec. sheet uit te rekenen. Op dit moment gebruik ik voor r2 een regelbare weerstand (in de r1 range) en luister ik op basis van een muziek audio signaal waar het q-punt zit. Heeft iemand tips om het basis voltage op een handige manier (ongeveer) te bepalen zodat je zonder regelbare weerstanden kan werken en gelijk de goede R1/R2 waardes in je breadboard kan prikken?

2) Klopt het dat de bd675 in principe niet geschikt is voor deze versterker opzet, of doe ik ergens iets fout, en kan ik er met betere instellingen toch een goed regelbaar signaal uit krijgen.

Alvast dank voor alle tips, trucs en ideeën!

Met vriendelijke groet,
Rick

Die BD675 is best wel een goed ding, maar is gemaakt voor veel grotere stromen. De interne opbouw ziet er zo uit:

Dus dan krijg je een stel extra weerstanden die je hier eigenlijk niet wilt omdat die de instelling in de war sturen.

Op 17 juni 2018 22:44:48 schreef deKees:
Die BD675 is best wel een goed ding, maar is gemaakt voor veel grotere stromen. De interne opbouw ziet er zo uit:

[bijlage]

Dus dan krijg je een stel extra weerstanden die je hier eigenlijk niet wilt omdat die de instelling in de war sturen.

Je lijkt gelijk te hebben. Net een darlington versie gemaakt van m'n bc107b versterker (extra gewone bc107b npn transistor ervoor), en die gaat als een trein. Q-punt luistert wel heel erg nauw in vergelijking met een enkele transistor (je moet de variabele weerstand heel voorzichtig goed zetten). En ik zou in dit geval al helemaal niet weten hoe je in hier 2 Q-punten moet berekenen die precies geschikt zijn voor 2 transistors tegelijk. Mocht iemand hier nog wat informatie over willen delen, dan is dat zeer welkom (zowel voor een enkele als darlington bc107 klasse-A versterker opzet).

Gegevens van m'n gewone bc107b versterker: R1=20K, R2=1,6K(op gehoor), Rc=1000ohm, Re=22ohm.

Gegevens van m'n darlington bc107b versterker: R1=20K, R2=2,3K(op gehoor), Rc=1000ohm, Re=8ohm.

Maargoed .. ik heb al m'n test-versterkers aan de praat gekregen, dus op zich is het geslaagd. Volgende project gaat toch weer iets digitaals worden denk ik, want dat zit voor mijn gevoel toch net wat logischer in elkaar.

Ja, inderdaad, 'digitaal' en 'logica' is wel een goede combinatie

Heeft iemand tips om het basis voltage op een handige manier (ongeveer) te bepalen zodat je zonder regelbare weerstanden kan werken en gelijk de goede R1/R2 waardes in je breadboard kan prikken?

Wat je in elk geval niet moet doen, is naderhand zomaar de waarde van Re gaan veranderen.

Het berekenen van een transistor 'vierweerstandenschema' is niet zo moeilijk. Ik geef een voorbeeld met getallen; je kunt zelf je eigen waarden kiezen en op dezelfde manier rekenen. Het gaat hier om de rustwaarden, de instelspanningen en -stromen, kortom: het werkpunt.

Kies eerst je voedingsspanning: 12 V. Kies een emitterspanning: 1 V.
Kies de collectorstroom: 2 mA. De emitterstroom is ongeveer hetzelfde.
De emitterweerstand is nu bekend: Re= 1/0,002= 500 Ω.
Kies de collectorspanning: meestal ongeveer halverwege de emitterspanning en de voedingsspanning, dus zeg 7 V. (Dat is echter niet altijd nodig; je kunt ook een andere spanning kiezen, bijvoorbeeld om een grotere weerstand te kunnen gebruiken. Zolang het signaal maar niet vastloopt tegen de voedings- of emitterspanning).

Over de collectorweerstand valt dus 5 V, zodat Rc= 5/0,002= 2500 Ω.

De basis-emitterspanning is, bij deze kleine stromen, ongeveer 0,55 V. De basisspanning wordt dus 1,55 V.
Kies de stroom in de basisspanningsdeler; meestal 1/20 à 1/10 van de colletorstroom: laten we zeggen 0,1 mA.
De onderste basisweerstand is nu bekend: Rb1= 1,55/0,0001= 15,5 kΩ.

Over de bovenste, Rb2, valt 10,45 V. Met verwaarlozing van de basisstroom wordt die dus 104,5 kΩ. Reken je de basisstroom wél mee (bijvoorbeeld ca. 1/200 van de collectorstroom), dan zou je op 95 kΩ uitkomen. Maar we gaan tóch nog afronden.

Nu is de transistor ingesteld. De spanningsversterking is vrij nauwkeurig Rc/Re, dus 5.
Vind je dat te weinig, dan moet je niét zomaar Re gaan verkleinen. Wat je wel kunt doen, is een serieschakeling van een kleinere R met een condensator maken en die parallel aan Re schakelen.
Voor de instelling, dus gelijkstroom, verandert er dan niets, maar voor het signaal heb je nu een kleinere effectieve Re'.

in de praktijk neem je natuurlijk 'gewone' weerstandswaarden, bijvoorbeeld Re= 560, Rc= 2700, Rb1= 15 k en Rb2= 100 k. Dat komt helemaal niet zo nauw.
Als je dit nu in elkaar soldeert, en het signaal in- en uitkoppelt met condensatoren zoals je deed, zul je zien dat dit gegarandeert goed werkt met de voorspelde versterking en praktisch geen vervorming.
De versterking zou nu 2700/560= 4,8 worden. Hieronder zie je dat dat goed uitkomt, zowel voor een bipolaire transistor (een 'gewone'), als voor een FET.

--
Als de verbruiker die je aansluit een niet zo hoge weerstand heeft, wordt daardoor je effectieve collectorweerstand lager: de belasting staat, voor het signaal, hieraan parallel. De voedingsspanning en de massa zijn voor het signaal (wisselspanning) immers hetzelfde punt: op de voeding is de wisselspanning óók nul. Eventueel voeg je ter plaatse nog een ontkoppelcondensator tussen plus en massa toe (hier niet getekend).
Voor een precieze versterkingsberekening moet je de effectieve collectorweerstand (dus Rc parallel met de belasting) delen door de effectieve emitterweerstand (dus Re parallel met de kleinere weerstand van hierboven).

--
Deze berekening kun je ook voor de darlington (een echte of een zelf met twee transistoren gemaakte) gebruiken. Alleen wordt de basisspanning dan bijvoorbeeld 1,1 of 1,2 V hoger dan de emitterspanning.
Ook voor de FET kun je zo rekenen, maar dan moet je de gate-sourcespanning uit de datasheet halen (kijk wel bij jouw drainstroom), of zelf door meting bepalen hoe hoog hij moet zijn voor de juiste instelstroom. Voor die IRF kom je dan op bijna 4 V uit; voor een sourcespanning van 1 V zou de gate dus op bijna 5 V moeten komen.

--
De grootte van de condensatoren hangt ervan af hoe laag de laagste frequentie is die je wilt versterken. Dat kun je gemakkelijk zelf uitrekenen (denk aan een RC-filter).

Hi Frederick E. Terman,

Ik vind je uitleg toppy
Echter wel op één omissie na, weet jij welke?

Groet,
Bram

Zou ik hem dan, eh, ge-omitteerd hebben?
Ik wil nog een hint.

(Veertig jaar terug in de tijd. Examens.
Prof: 'Aha, maar legt U het nog eens anders uit mijnheer, want ik begrijp U nog niet helemaal.'
Ik (zenuwen): 'Wat, begrijpt U het niet? Het is anders zo eenvoudig!')

Hi Frederick E. Terman,

Hint: Wat is de impedantie aan de bovenzijde van R3 en R4?

Het is zo makkelijk om het te vergeten, en ik denk dat jij het in het "eggie" nooit vergeten zal,
maar wat denk je er van om een ontkoppel condensator toe te voegen?

Maar mijn opmerking is vooral voor de beginners van belang en ik denk dat het goed is om aan te geven dat dit ontkopel component echt noodzakelijk is in de praktijk.

Groet,
Bram

Ahh.. grappig genoeg noemde ik wél het feit dat voeding = massa voor het signaal.
Ik heb er gauw een opmerking over een ontkoppelcondensator bijgeplakt - net of die er al die tijd al stond.

Goed punt van aandacht als de draden of printbanen alweer wat langer zijn.

Op 21 juni 2018 11:26:07 schreef Frederick E. Terman:
[...]Wat je in elk geval niet moet doen, is naderhand zomaar de waarde van Re gaan veranderen.

-- 8< knip 8< --

--
Deze berekening kun je ook voor de darlington (een echte of een zelf met twee transistoren gemaakte) gebruiken. Alleen wordt de basisspanning dan bijvoorbeeld 1,1 of 1,2 V hoger dan de emitterspanning.
Ook voor de FET kun je zo rekenen, maar dan moet je de gate-sourcespanning uit de datasheet halen (kijk wel bij jouw drainstroom), of zelf door meting bepalen hoe hoog hij moet zijn voor de juiste instelstroom. Voor die IRF kom je dan op bijna 4 V uit; voor een sourcespanning van 1 V zou de gate dus op bijna 5 V moeten komen.
[bijlage]

--
De grootte van de condensatoren hangt ervan af hoe laag de laagste frequentie is die je wilt versterken. Dat kun je gemakkelijk zelf uitrekenen (denk aan een RC-filter).

Dit helpt zeker een hoop bij het maken van dit soort circuits. Bedankt voor de uitleg!

Nog 2 vragen n.a.v. hiervan:
1) In welke orde van grootte ligt de condensator waarde waarmee je een parallel weerstand naast Re kan zetten. Ik las ergens ongeveer 1/10 van Re, maar dat lijkt me wat groot (zou hier 50F zijn ..).
2) Stel je gebruikt een een variabele weerstand naast Re (voor volume). Is er dan een truc om dit zo te bouwen dat je van lineair naar logaritmische converteert (zodat het gelijkmatig is voor je gehoor). Of heb je dan gewoon een log. var. weerstand nodig?

Op 22 juni 2018 12:31:44 schreef RickD007:
1) In welke orde van grootte ligt de condensator waarde waarmee je een parallel weerstand naast Re kan zetten. Ik las ergens ongeveer 1/10 van Re, maar dat lijkt me wat groot (zou hier 50F zijn ..).

Die vormt samen met de verkleinende Re een filter. De kantelfrequentie wil je (ruim) buiten de werk-frequenties van je versterker hebben.

2) Stel je gebruikt een een variabele weerstand naast Re (voor volume). Is er dan een truc om dit zo te bouwen dat je van lineair naar logaritmische converteert (zodat het gelijkmatig is voor je gehoor). Of heb je dan gewoon een log. var. weerstand nodig?

Kwa volume zie ik meestal dat het signaal gewoon "max versterkt" wordt en dat er dan met een potmeter een verzwakking aan het begin gebeurt....