Förstärkarkopplingar

Differentialförstärkare som mäter skillnaden mellan två spänningar.

Matningsspänningar med avkopplingskondensatorer ej inritade.

Förstärkare med variabel förstärkning från +1 ggr. till -1 ggr.

Förstärkare med spänningsstyrd förstärkning från +1 ggr. till ~ +100 ggr.

Bootstrapped förstärkare med mycket hög inimpedans för växelspänning och 20 MOhm för DC. Förstärkningen är 101 ggr. och den används till högimpediva givare som t.ex. piezomikrofoner.

 

Spänningsföljare med hög inimpedans och som klarar höga frekvenser.		11 ggr. förstärkare med hög inimpedans och som klarar höga frekvenser.

Förstärkare med både differentiell ingång och utgång samt variabel förstärkning. Med de angivna värdena är förstärkningen mellan 4 ggr. och 1820 ggr. Förstärkaren är mycket användbar både som instrumentförstärkare och för audiokopplingar där man vill jobba med balanserade signaler som inte plockar upp så mycket störningar. Samtidigt så störs inte en balanserad signal om det finns störningar på signalnollan.

Matningsspänningar och avkopplingskondensatorer ej inritade.

Förstärkare med negativ utresistans

Förstärkare med negativ utresistans. D.v.s. den kompenserar för belastningens interna serieresistans. Detta kan användas om man vill tvinga t.ex. en likströmsmotor att hålla konstant varvtal trots att belastningen varierar eller få en högtalare att röra sig efter signalen utan att påverkas av vare sig sina egna eller lådans resonanser.

Låter detta för bra för att vara sant? Inte alls. Tekniken har använts länge och utvecklades av Audio Pro som senare har sålt den till YAMAHA som nu gör alldeles utmärkta aktiva högtalare med hjälp av den.

Naturligtvis så finns det en del problem med denna enkla koppling som jag skall försöka redogöra för. När en högtalar eller motorlindning rör sig i sitt magnetfält alstras det en spänning, en mot-EMK (EMK=Elektro Magnetisk Kraft). Om man gör tvärt om och lägger en spänning över lindningen så tvingas den röra sig i magnetfältet med en viss hastighet så att mot-EMKn blir lika stor som den pålagda spänningen, annars ökar strömmen och tvingar spolen att röra sig fortare tills de är lika. Detta är grunden för att en högtalare eller motor fungerar.

Tyvärr så har koppartråden i lindningen en resistans (i en högtalare mellan 3 och 8 Ohm). När det börjar gå ström i lindningen så orsakar det resistiva spänningsfallet att en stor del av den pålagda spänningen lägger sig över serieresistansen istället för över den verkliga lindningen som skall tvinga högtalaren att röra sig. Detta gör att den inte följer den pålagda spänningen. Speciellt inte när belastningen ändras vid olika frekvenser (resonanser m.m.).

Den här visade kopplingen mäter hur mycket ström som går genom högtalaren och ökar sedan utspänningen med lika mycket som försvinner över den interna serieresistansen. Hela signalen lägger sig då över lindningen och tvingar högtalaren att följa efter. För att detta skall fungera så måste förhållandena mellan R2, R1 och RINTERN, RKOMP vara lika. I praktiken så får man minska RKOMP lite för att förhindra självsvängning och DC drift. Problemen man sedan stöter på är många. T.ex. så ändrar lindningen sin resistans med temperaturen. Den interna induktansen gör så att kopplingen bara lämpar sig för de lägre frekvenserna såsom bas och en bit upp i mellanregistret. Induktansen ändrar sig dessutom beroende på högtalarkonens läge vilket ger problem när man försöker kompensera bort den med en induktans i serie med RKOMP. Lika så ändrar sig mot-EMKn med konens läge beroende på att en större del av lindningen lämnar magnetfältet vid stora konutslag. Detta är mycket olika på olika högtalarkonstruktioner. Det gäller att hitta en högtalare som är så linjär som möjligt i detta avseende för annars tvingas den att göra mycket större utslag vid stora amplituder för att skapa den förväntade mot-EMKn. Detta ger en stor övertonshalt som är mycket lätt att höra, vilket också gör det lätt att prova hur bra högtalaren är (= hur linjär den är). Om ni skickar in en stark 20 Hz signal så att ni ser ett stort konutslag så skall ni inte höra något från högtalaren eftersom det är mycket ovanligt att man kan höra även en stark signal på 20 Hz. Normalt så känner man den mer än man hör den. Om ni nu hör ett brummande så är det den tredje övertonen (= 60 Hz) som bildas när konen gör en extra stort utslag runt topparna på grund av högtalarens olinjäritet. Denna övertonshalt skall naturligtvis vara så liten som möjligt för att få låg distorsion. Om ni börjar prova olika högtalare så kommer ni att märka att många av dem har en mycket stor olinjäritet.

Men för att kunna använda kopplingen praktiskt så behöver ni kunna ställa in RKOMP med en trimpot. Detta gör ni enkelt om ni kopplar in den enligt ritningen nedan. Ni kan nu öka RKOMPs värde lite så ni får lite justermarginal uppåt (eller ändra på förhållandet mellan R1 och R2).

Med potentiometern i sitt nedre läge fungerar förstärkaren som vanligt men ju högre upp ni vrider den desto mer kompenserar kretsen för högtalarens resistans. Vrid upp den tills högtalaren börjar självsvänga och vrid sedan ned den såpass mycket att ni har en liten marginal.

Men nu en mycket stor VARNING! När ni har passerat jämnviktsläget med potentiometern så vill förstärkarens utgång lägga sig på ena matningsspänningens nivå och högtalaren kommer efter en kort tid att brinna upp. Sätt därför in en snabb säkring på förstärkarens utgång som du kan byta efter varje gång som du har vridit för mycket på potentiometern (såvida du inte har ett obegränsat lager av högtalare och tycker att säkringar är för dyra).

Det går bra att använda en vanlig förstärkare under förutsättning att den har en positiv (icke inverterande) förstärkning som är reglerbar mellan ca 20 till 200 ggr. Den måste dock ha en mycket låg nedre brytfrekvens. Den bör vara 1Hz eller lägre för att inte påverka resultatet alltför mycket vid 20Hz. De flesta förstärkare brukar ha en högre brytfrekvens (mellan 5 och 20Hz) men det brukar inte vara så svårt att sänka den. Parallellkoppla alla kondensatorer i signalvägen och i återkopplingen med kondensatorer som har mycket högre värden. Se till så att det bara är en av dessa kondensatorer som bestämmer den nedre brytfrekvensen för annars kommer förstärkaren att fasvrida mer än 90° vid riktigt låga frekvenser och det kan orsaka självsvängning. Kontrollera förstärkarens fasvridning från 0.1Hz till 100kHz.

Här ovan visas hur ni skall koppla in en förstärkare för att kompensera för högtalarresistansen. Ni använder förstärkarens volymkontroll för att ställa in graden av kompensation. Ni kan ändra värdet på RKOMP för att anpassa den till förstärkningen och den volym ni vill få ut för en viss insignal.

En liten varning kan vara på sin plats om ni tänker använda denna koppling i en bil för att förbättra lågbasen ur en liten låda. Tänk på att temperaturen i en bil varierar inom stora områden vilket påverkar högtalarens resistans. Ni måste därför ha en stor säkerhets marginal till självsvängning. Kretsen blir då inte lika effektiv men visst kan den göra nytta ändå.

Det får naturligtvis inte finnas något delningsfilter före själva högtalaren utan alla filter måste sitta före förstärkarkopplingen (dvs. vid Uin här ovan eller ännu tidigare).

Lycka till med experimenterandet. Det är trots allt en fascinerande koppling. Om ni har ett DC kopplat system som i den första ritningen så måste ni prova följande. Lägg ned högtalaren på rygg och balansera kretsen till gränsen för självsvängning. Lägg en liten tyngd på högtalarkonen. Konen kommer nu endast att sjunka ner med en mycket låg hastighet. Om ni kopplar in ett oscilloskop till förstärkarens utgång så kommer ni att se hur den kämpar emot för att förhindra att konen rör sig. I ett perfekt balanserat system med en ideal förstärkare skulle inte konen röra sig alls.

Likaså kommer ni att se hur utgången kämpar emot när ni försiktigt trycker på konen med fingret.

Denna förstärkarkoppling lämpar sig bäst för slutna lådor eller open air. För basreflex lådor kan man inte utnyttja den här tekniken lika enkelt då dess princip bl.a. går ut på att högtalarens utslag minskar vid basreflexens frekvensområde. Högtalaren får helt andra värden som beror på hur stark kompenseringen är och detta gör det svårt att räkna på en basreflexlåda.

En annan sak man bör tänka på är att filtrera bort de lägsta frekvenserna till förstärkaren. Om ni inte gör det så kommer högtalaren att bottna mekaniskt så fort ni vrider upp volymen lite över normal ljudnivå. Tänk på att djupa bastoner kräver stora konutslag vilket de flesta högtalare inte klarar av.

Som avslutning kan jag nämna att det har funnits andra system där man inte har använt högtalaren som rörelsegivare utan placerat en piezoelektrisk givare på högtalaren för att kunna styra dess rörelse. Philips försökte med detta för många år sedan men det slog tydligen inte så väl ut. Tidningen Allt om Elektronik har publicerat ett bygge med denna teknik för en bashögtalare. Om ni är intresserade av detta ämne rekommenderar jag att ni läser den artikeln för att se vad de kom fram till.