Common emitter amplifier

Hoi,

Ik ben wat aan het stoeien met elektronica en wil vanuit het 'niets' een simpele 1 trap versterker zelf ontwerpen.
De basic of een klasse A versterker. Oftewel een common emitter amplifier.
Ik begrijp het principe hoe het werkt, maar ik wil mijn eigen ontwerp maken.
Het probleem waar ik tegenaan loop zijn de weerstanden.
Bij uitleg op YouTube zijn de weerstanden al bepaald.
Hoe bereken je die?
Ik weet dat dit te maken heeft met de voedingsspanning en de hFE van de transistor.
Ik heb een Peak metertje die voor mij de exacte hFE geeft omdat dit welliswaar kan varieren door bijvoorbeeld temperatuur etc.
Ook kan ik met de Peak meter de Ic 5.02mA geven bij Ib bijvoorbeeld 0.759V.
Als voorbeeld heb ik gekozen voor een BC337 NPN.
NPN vind ik het handigste denken op de een of andere manier.
De hfe=420 gemeten met de Peak. Dat komt behoorlijk overeen met wat in de datasheet staat.

probleem 1:
Nu Rc kun je bepalen door .5*Vcc/Ic.
Welke Ic moet ik nu nemen? In de datasheet staat Ic =500mA.
Ik weet dat je met de load line +/-de helft van de maximale waarde moet nemen.

probleem 2:
R2(dus de onderste aan de basis) wordt ook bepaald door de wet van ohm.
U R2=(Ue+Ube)/Ibias. Waarbij aangenomen dat Ibias=10*Ib
Dan moet ik eerst Re weten.
Deze wordt vaak kortgesloten door een parallel condensator.
Dus Re komt dan te vervallen. Terwijl deze belangrijk is voor de stabiliteit van de schakeling.
Als Re komt te vervallen wat wordt de spanning over R2 dan?
Als ik dit weet dan kan ik ook R1 berekenen: (Vcc-V R2)/Ibias.

Ik heb zelf de volgende benadering gemaakt, maar die stikt waarschijnlijk van de fouten, want het valt mij op dat de waarden van de weerstanden erg laag zijn in verhouding tot wat ik bij andere schakelingen zie.

Vcc=10V
Ic=500mA

Uc=.5*Vcc=5V
Rc=5/5mA=1KOhm
Ib=1mA
Ibais=10*Ib=10mA
U Rb=1.5V/10mA=150 Ohm
U R1=(Vcc-Vrb)/Ibias=(10-1.5)/10mA=850 Ohm

Als iemand mij wilt helpen: mijn voorkeur gaat uit naar vuistregels.
Ik ben al wat ouder en vind lange formules lastig te onthouden.
Ik ben niet zo interlectueel.
Het hoeft niet perfect te zijn. Als ik maar een richtlijn heb.

alvast bedankt als iemand mij wil helpen

RAAF12

Golden Member

In 2018 heb ik hier iets geplaatst waarmee je heel eenvoudig een versterkertrapje kan berekenen.
Als je die doc download staat er precies beschreven hoe het in zijn werk gaat.

https://www.eserviceinfo.com/download.php?fileid=66823 blz. 25

Vce is de helft van de voedingspanning dat is het startpunt.

Grensovergang Spanje-Algarve (9-6-2024) https://www.youtube.com/watch?v=sserlsJy0wI&t=210s

Even voor de goede orde:

Er bestaat zoiets als een HFE en een hfe. Een transistor (maar ook bij buizen kan dat) versterker wordt in de ontwerpfase altijd op twee manieren bekeken. Meestal gaat men eerst kijken naar het gelijkstroom gedrag. men berekend de instelweerstanden. Daarvoor wordt het HFE getal in grote (hoofd) letters gebruikt. Ook wel gelijkstroomversterking genoemd.

De wisselstroom versterking wordt aangegeven in kleine letters. dat is dus de hfe. In de datasheets worden deze waarden meestal beide gegeven. Vaak zitten ze bij elkaar in de buurt maar dat hoeft dus niet. Bij wisselspanning gaan de interne capaciteiten (en eventuele inducties) een rol spelen en komt er dus ook een stukje frequentie afhankelijkheid bij.

Ook kan ik met de Peak meter de Ic 5.02mA geven bij Ib bijvoorbeeld 0.759V.

Het is niet voldoende om uit gaan van een paar metingen aan de transistor. Om alles echt goed uit te rekenen moet je de hele transistor karakteristiek gebruiken. Zoek dus de uitgebreide datasheet op en gebruik die helemaal. Of maak die karakteristiek zelf met je piek meter. Maar dat is wel even werk en niet makkelijk.

Eerst neem je een beslissing wat voor versterker je wilt gaan bouwen. In jouw geval dus klasse A. Dat betekend een forse rustroom door het rechte deel van de overdrachts karakteristiek. Je zoekt dus het meest rechte deel van de karaktarsitiek en zorgt dat daar de ruststroom komt te liggen. Die sinus die je straks in je versterker gaat stoppen komt er dan ook weer als een sinus uit. Bij buizen is de overdrachts karakteristiek vaak krommer dan bij transistoren. De sinus vervormt dan meer. Dat verklaart het mooie geroemde warme buizen geluid.

Je leest in de karakteristiek de collectorstroom af. Maakt nog een vermogens berekening met de bij klasse A gebruikelijke halve voedingsspanning om te zien of de transistor dit vermogen wel aan kan.

Met de nu bekende collector stroom kun je met de HFE de rest van de weerstanden berekenen. Maar let op dat je een of andere terug koppeling realiseert. Anders kan de transistor thermisch wegrennen. Dat kun je doen door bijvoorbeeld een emitter weerstand te plaatsen. Neemt de collectorstroom door opwarming dan toe, dan neemt ook de stroom door de emitterweerstand toe, waardoor de spanning over de emitterweerstand weer zal stijgen. De spanning over de basis-emitter overgang moet dan kleiner worden. Daardoor neemt de collectorstroom weer af. De transistor werkt zo zijn eigen opwarming tegen.

Dit is een manier. Met een weerstand tussen collector en basis kan je iets vergelijkbaars maken.

Om de uiteindelijke versterking en het fase gedrag van je transistor versterker uit te rekenen zul je met de wisselspannings parameters van de transistor moeten gaan werken. Zitten er capaciteiten of inducties in je schakeling dan zul je met de frequentie afhankelijke impedanties daarvan moeten gaan rekenen.

Het berekenen van een RIAA https://nl.wikipedia.org/wiki/RIAA_Recording_Curve en https://www.fransvaneeckhout.be/bijleren/elektronica_riaa_correctie.ht… correctie versterker was hiervoor altijd een leuke oefening.

Frederick E. Terman

Honourable Member

Op 31 maart 2023 18:53:27 schreef Markkyboy:
Als iemand mij wilt helpen: mijn voorkeur gaat uit naar vuistregels. [...]
Het hoeft niet perfect te zijn. Als ik maar een richtlijn heb.

Het is heel gemakkelijk met vuistregels een tor in te stellen.
Het onderstaande verhaal ziet er misschien lang uit, maar begin bij het begin en haast je niet, dan valt het alles mee.

We nemen voor het gemak (vuistregels!) aan:

  • De stroomversterking van de tor is altijd heel hoog. Daaruit volgt dan ook:
    • De basisstroom is altijd zo goed als nul
    • De collector- en emitterstromen zijn altijd zo goed als gelijk aan elkaar
  • De basis-emitter(gelijk)spanning is altijd precies 0,6 V.

We gaan uit van het 'vier weerstanden schema': de basis wordt ingesteld met een spanningsdeler van twee weerstanden, en in emitter en collector zit elk ook een weerstand. Daarmee is de instelling heel gemakkelijk en blijft hij heel stabiel.

Eerst moeten we een voedingsspanning kiezen. Stel, die nemen we 12 V.
Nu kiezen we een instelstroom (collectorgelijkstroom). Niet die 500 mA! Dat is de maximumstroom. Die hebben we niet nodig.
We nemen hier eens 1 mA.

Nu kiezen we de emitterspanning. Hoe hoger, hoe stabieler de schakeling ingesteld wordt, maar er moet ook 'ruimte' overblijven voor de collectorspanning. We nemen 2 V. Iets minder kan ook, maar 2 V rekent makkelijk.

Omdat de emitterstroom 1 mA is (gelijk aan de collectorstroom), weten we nu de emitterweerstand: 2 kΩ.
Verder weten we nu de basis(instel)spanning: 2,6 V.
Die 2,6 V maken we met een spanningsdeler. We kiezen de stroom in die spanningsdeler 1/10 van de emitterstroom: 0,1 mA.
De onderste weerstand is dus vanzelf 2,6/0,1 = 26 kΩ. Over de bovenste valt de rest van de 12 V, dus 9,4 V; die wordt dus 94 kΩ.

Nu de collector(instel)spanning. Op de emitter staat 2 V, maar als we straks gaan aansturen, gaat die spanning ook wisselen. Zeg dat we die alle ruimte gaan geven, dat hij dus tussen 0 en 4 V kan variëren. Dan blijft er voor de collector een ruimte van 12 tot (een haartje meer dan) 4 V over. We zetten de collector voor het gemak halverwege, dus op 8 V.
Over de collectorweerstand moet dus 4 V vallen; omdat er 1 mA door loopt, moet hij dus 4 kΩ zijn.

Nu is de tor helemaal ingesteld. Als we nu via een condensator een signaal aanbieden op de basis, kunnen we het versterkte signaal van de collector ook weer via een condensator afnemen.
Maar de versterking is de verhouding van collector- en emitterweerstand, dus hier zou dat 4k/2k = 2 zijn. Dat is niet zo hoog!

Stel, we willen een versterking van 10.
Dan zou de emitterweerstand eigenlijk 400 Ω moeten zijn. Moeten we nu overnieuw beginnen?
Nee, we zetten parallel over de emitterweerstand nóg een weerstand, maar dan met een condensator ermee in serie. Zodoende verlagen we de totale weerstand alleen voor wisselstroom (dus voor het signaal), maar blijft de oude waarde van 2 kΩ gelden voor gelijkstroom (de instelling).
Om 400 ohm te krijgen als je er al 2000 hebt, moet je er 500 Ω aan parallel zetten, plus die condensator dus.

Nu hebben we dit gemaakt (V3 en F1 stellen natuurlijk de transistor voor):

Nu moeten we nog twee dingen doen. Ten eerste, de onderdelen vervangen door 'echte'. De transistor wordt een BC337, en voor de weerstanden nemen we de dichtstbij liggende standaardwaarden uit de E-reeks. Dat komt niet zo nauw!

Ten tweede: we moeten de condensatoren nog uitrekenen.
C1 moet bij de laagste frequentie nog groot genoeg zijn t.o.v. de ingangsweerstand van de spanningsdeler (20k ongeveer) en de transistor; ik rond het samen af op 10 kΩ. (R1, R2 en de tor staan voor het ingangssignaal immers allemaal parallel). Voor een 'kantelpunt' van 15 Hz kom je dan op 1/(2pi x 15 x 10k) = 1 µF.
C2 moet groot genoeg zijn t.o.v. de weerstand van de volgende trap, hier voorgesteld door R6, die ik ook maar even 10 kΩ neem, zodat C2 ook 1 µF wordt.
En C3 moet groot genoeg zijn t.o.v. die 500 ohm. Dat is duidelijk de laagste weerstand, en C3 wordt dus de grootste condensator van de drie: 22 µF.

Nu hebben we dit schema gemaakt (let niet op de andere onderdelennummering):

Simetrix

Je ziet dat de instelspanningen en -stroom wel iets afwijken, maar daarvoor waren het ook vuistregels.
En dit is de versterking:

De rode lijn is wat de ontwerpboekjes laten zien. En inderdaad; het is nét geen tien maal (20 dB), maar het scheelt zowat niks.
Dit is echter 'onbelast', dus zonder dat er een verbruiker op de uitgang aangesloten is.
Als ik die belasting van 10 k er weer aan hang, krijg ik de groene lijn. De versterking is dan minder, want de belasting hangt (voor het signaal) in feite parallel aan de collectorweerstand, zodat die in totaal kleiner wordt, en de versterking daarmee ook: de groene lijn.

Als je van te voren weet wat de belasting is, kun je die alvast meerekenen in de berekening. Dat geldt dus altijd, alleen vaak lees je er niets over, en hier wel. :)

Het laagfrequent kantelpunt ligt hoger dan die 15 Hz, doordat er op drie plaatsen in de schakeling zo'n kantelpunt ligt.
--
Nu hoor ik al allerlei mensen roepen: 'Die collectorspanning kies je fout!', 'Die collectorstroom is te klein!', 'De condensatoren moet je anders nemen!'. Nu, dat kan, en dat mag; wie dat wil kan de hele oefening gewoon opnieuw doen met de nieuwe aanname. Het principe blijft gelijk.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org
blackdog

Golden Member

Hi Frederick E. Terman

Helemaal TOP deze uitleg!

Groet,
Bram

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.
Arco

Special Member

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard-, firm-, en software ontwikkeling: www.arcovox.com
eSe

Honourable Member

@Frederick E. Terman

Geweldig goede uitleg. Ik kan wel wat dingen doen met elektronica, maar vroeg me altijd af: Hoe begin je eraan, een versterker?

Dit is het fijne van deze site, mensen met een grote kennis die het kunnen vertalen naar begrijpbare taal.

Heerlijk.

Groetjes,
eSe

CChheecckk yyoouurr dduupplleexx sswwiittcchh..

Ja. Dankjewel.
Goede en begrijpbare uitleg.

Geachte Heer Terman,

Ik begrijp uw uitleg.
Het is me helemaal duidelijk alleen hoe komt u aan Ue en Uc.

Uce=Vcc/2?

Misschien een domme vraag. Maar ik stel hem toch.
Is daar ook een vuistregel voor?
Ik ben bang dat ik van de waps raak als ik ooit met een andere spanning moet werken.

Maar vooralsnog bedankt!
Dit is helemaal wat ik bedoel met vuistregels!

groetjes Markkyboy.

RAAF12

Golden Member

Volgens mij is dat al langs gekomen, de collector (Uce) op de halve voedingspanning en deze

Wat daar instelpunt wordt genoemd is de halve voedingspanning. In het rechte deel blijven anders gaan de sinushelften van het signaal vervormen. 'Loopt vast tegen de voedingspanning'
Maar FET kan er vast nog wel een beter verhaal van maken.

[Bericht gewijzigd door RAAF12 op zaterdag 1 april 2023 18:41:50 (34%)

Grensovergang Spanje-Algarve (9-6-2024) https://www.youtube.com/watch?v=sserlsJy0wI&t=210s
Frederick E. Terman

Honourable Member

Op 1 april 2023 17:59:08 schreef Markkyboy:
Het is me helemaal duidelijk alleen hoe komt u aan Ue en Uc.
Uce=Vcc/2?

We begonnen met een (gekozen) voeding van 12 V.
Voor de emitterspanning is de vuistregel dat je die op een spanning van ergens tussen de 1/10 en 1/4 van de voeding zet. Hier leek 2 V dus een mooi getal.

Lees nog eens de uitleg die daarna komt: in werking (tijdens het versterken van een signaal) gaat die emitterspanning óók op en neer. Daar reserveer je nog wat meer ruimte voor. In ons geval namen we 'worst case': het hele gebied tussen 0 en 4 V voor de emitterspanning.
Nu, als de emitter mag stijgen tot 4 V, dan mag de collector dálen tot (iets meer dan) 4 V, en verder dalen kan ook niet natuurlijk.
Dus de collector kan dan bewegen tussen 4 en 12 V. Het midden daarvan is 8 V, dus dat is een aardige instelwaarde voor de collectorspanning.

Bedenk wel dat het bij het versterken van kleine signalen niet zo belangrijk is waar het instelpunt is, zolang het signaal maar 'ruimte' genoeg heeft. Maar uit een microfoon zal bijv. 0,01 V komen, en uit de eerste transistor van de microfoonversterker dus misschien 0,1 of 0,2 V. Dan is het echt niet nodig exact in het midden van het spanningsgebied te gaan zitten; een paar volt hoger of lager werkt ook.

Het is dan best mogelijk dat er ándere redenen zijn om een bepaalde instelling te kiezen. Maar dan zijn dat geen vuistregels meer.

Hier nog eens de beschreven situatie, echter vóór het toevoegen van C3 en R5. Bij 'volle uitsturing' benutten de collector- en de emitterspanning bijna alle ruimte. Klik = groter.

Simetrix

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Dank U wel Heer Terman.

Ik vind dat u een compliment verdient!
U legt het kort en bondig eenvoudig en duidelijk uit .
In ieder geval zo dat ik het begrijp.

Hartstikke bedankt!

Het zou wel heel makkelijk zijn om de schakeling over te nemen op te bouwen en niet meer naar om te kijken.
Ik snap dat de Vcc niet mag aangesloten worden op het ingangssignaal.
Vandaar natuurlijk C5.
Maar ik wil het rekensommetje helemaal afmaken en vraag me af hoe de condensators berekend worden.
Ik ken de formule Xc=1/(2*pi*f*c).
Als je de gewenste impedantie weet kun je de condensator berekenen door de formule om te draaien c=1/(2*pi*f*Xc).
Dat is mijn beredenering.
Ik zou het verder niet weten hoe het zou moeten.

Groetjes Markkyboy

[Bericht gewijzigd door Henry S. op maandag 3 april 2023 21:18:10 (14%)

Mooi uitgelegd, zo doe ik dat zelf ook altijd. :)
Misschien een idee om dit stukje samen met het 4r schema bij de schema's op deze site te zetten. Dan kan iedereen dit als naslag werk gebruiken.

PE2BAS