Kratspeaker

Een tijd geleden alweer hebben Kevin en ik gewerkt aan een kratspeaker. De basis van dit apparaat is een zelf ontworpen versterker, aangevuld met twee 12V 7Ah loodaccu's en een scheidingsfilter. De versterker was een opdracht voor het vak Elektronische Basisschakelingen.

Ik ga stap voor stap proberen de elektronische versterker schakeling door te nemen, niet zo zeer met berekeningen, maar meer met tekst. Zo probeer ik het leesbaar te houden voor degene zonder al te veel technische achtergrond, en de mensen met de technische achtergrond snappen het hopelijk nog wat beter!

De spanningversterking van deze versterker is iets meer dan 30 keer (en nog aanpasbaar als het terugkoppelnetwerk wordt aangepast) waarbij er een vervorming van 0.1% THD is gemeten. De voedingspanning kan makkelijk (mits goed gekoeld) oplopen tot 30 Volt.

Opbouw

De versterker bestaat uit een klasse AB eindtrap, met ervoor een ingangstrap en tussentrap. De versterker werkt volgens hetzelfde principe als een op-amp, namelijk eerst een verschilpaar, met daarna een versterkende trap met op het eind een vermogenstrap.

De ingangstrap

Bij de ingangstrap is er dus gekozen een opamp ingangstrap na de te bouwen. De ingangstrap van een opamp bestaat uit drie delen, namelijk een stroomspiegel, een verschilpaar en een constante stroombron. Blok vier bestaat uit een gedeelte van de terugkoppeling.
Buiten alle blokken om is er een Vin te zien. Dit is het ingangssignaal. Deze was standaard ingesteld op een sinusvormig signaal met een piek-piek waarde van 100mV. De bovenste lijn is de voedingslijn met als spanning Vss. De meest onderste lijn is de negatieve lijn.
In blok 1 wordt het verschilpaar uitgelicht. Er wordt voor de gate ingang van de MOSFET (MN1) een instelpunt ingesteld. Dit door middel van de weerstanden die parallel ervoor zitten. De weerstanden R1 en R2 hebben dezelfde waarde, waardoor het signaal rond op het instelpunt netjes rond de 1/2*Vss komt te zitten. Verder moest er ook voldaan worden aan een ingangsimpedantie van minimaal 50kΩ. De waarde van R1//R2 moet dus een minimale waarde van 50kΩ hebben. Eenmaal het signaal ingesteld komt het aan bij het gedeelte met 2 MOSFETS. Dezen vormen het verschilpaar. De MOSFETS zijn gekozen vanwege hun oneindig hoge ingangsimpedantie.
In blok 2 is er een stroomspiegel uitgelicht. Deze is weer ontworpen met 2 PNP transistors (Q1, Q2). Dit deel van de schakeling kopieert (/spiegelt) een stroom. Een van de twee transistors is geconfigureerd als een diode wat in dit geval Q1 is. Zijn gate zit vast aan zijn drain. De stroom door deze transistor is gelijk aan wat er op de drain (en gate) inkomt. De andere transistor (Q2) wordt gebruikt als output. Deze tweede transistor heeft dezelfde gate-source spanning als de eerste transistor. Mocht Q2 dezelfde K waarde hebben, dan is de stroom door Q2 gelijk aan die door Q1.
In blok 3 is de constante stroombron uitgelicht. Dit gedeelte zorgt voor een constante stroom in deze trap. Deze constante stroombron zit in de schakeling, omdat er geen gebruik gemaakt mocht worden van meer dan 2 vrijstaande bronnen. Dit gedeelte van de schakeling opgebouwd uit 2 NPN transistors (Q3, Q4) samen met 2 weerstanden (R3, R4). De constante stroombron is nodig voor een stabiele schakeling en voert een constante stroom aan, namelijk 10mA. Verder is precies bekend hoe groot het ampèrage is, wat analyse aan het netwerk makkelijker maakt. De constante stroombron werkt door terugkoppeling. Als de spanning over R4 groter wordt (en er dus meer stroom loopt), wordt transistor Q3 verder open gestuurd, waardoor op de basis van Q4 een lagere spanning komt te staan. Hierdoor gaat er weer minder stroom lopen en blijft dat zo afgeregeld worden.

De tussenversterker

Bij de versterkertrap is er gekozen voor een GES uitgevoerd met een PNP transistor. Deze trap wordt aangestuurd door de ingangstrap, die door middel van feedback de juiste versterking genereerd op deze trap.
De versterking gebeurt in het gedeelte aangeven met blok 1. Er komt een klein signaal de schakeling in. Dan wordt dit signaal versterkt, waardoor er op de collector van de PNP transistor (Q7) een groter signaal komt te staan. Dit signaal splitst zich dan vervolgens tussen de UIT1 en de diodeschakeling afgebeeld in blok 2.
In blok 2 zijn er twee diodes in serie te zien. Deze diodes zorgen voor een verschil tussen de spanning op UIT1 en UIT2. Dit verschil is te zien in de evenwichtstand van beiden. Dit verschil lag rond de 1,4V. De spanning op UIT1 ligt hoger dan de UIT2. Er kan dus gezegd worden dat de evenwichtsstand van de spanning op UIT2 ongeveer 1,4V lager ligt dan de evenwichtsstand van de spanning op UIT1.
En in blok 3 is er weer constante stroombron uitgelicht. Deze bestaat uit de 2 NPN transistors (Q5, Q6) en de 2 weerstanden (R7, R8). Net zoals bij de ingangstrap zorgt dit gedeelte voor een constante aanvoer van stroom.
Naast alle drie de blokken zijn er nog meerdere ingangs- en uitgangslijnen te zien. De bovenste lijn is de positieve lijn. Deze zit op de spanning van Vss.
De onderste lijn is de negatieve lijn. Verder komt er halverwege blok 1 bij IN een signaal in. Dit is het outputsignaal van de eerste trap. En de laatste twee lijnen die te vinden zijn, zijn de uitgangen van deze trap. Dit zijn de UIT1 en de UIT2. Zoals al eerder gezegd komt er op de IN een klein signaal in, wat wordt verwerkt naar 2 versterkte signalen op de UIT1 en de UIT2.

De eindtrap

Bij de eindtrap is er gekozen voor een klasse AB eind trap. Dit is voornamelijk gedaan omdat dit soort eindtrappen zuiniger zijn dan de klasse A eindtrappen. In een pure klasse A versterker gaat er veel vermogen verloren.
De ingangen IN1 en IN2 zijn grote signalen. Deze signalen zijn in de vorige trap versterkt aangeleverd. De IN1 komt in op de basis van een NPN transistor (Q8). Op de collector van deze transistor wordt een spanning van Vss geleverd. Het uitgangssignaal komt dan over het pootje van de emitter te staan en gaat naar het knooppunt voor de ingang van blok 2 in deze trap. Naast IN1 samen met een NPN transistor hebben we ook de IN2 nog. Deze gaat gecombineerd met een PNP transistor. Deze PNP transistor is eigenlijk hetzelfde als de NPN, alleen de stromen en spanningen lopen tegengesteld. Beide signalen samen zorgen voor een netjes en vloeiend eindsignaal.
Naast dit alles is er nog 1 lijn te zien in het midden van dit blok. Deze lijn is de terugkoppeling en komt binnen op het vierde blok van de ingangstrap.
Blok 2 zijn de ontkoppelcondensatoren voor de uitgang, ofwel speaker. Er wordt gebruikt gemaakt van 2 parallelle condensatoren in dit geval. Beide parallelle condensatoren zouden ook vervangen kunnen worden door 1 grotere condensator. Ze zorgen ervoor dat signalen niet via de voedingsleiding in een ander deel van het circuit te recht komen. Of anders gezegd, de DC spanning van het versterkte signaal wordt eruit gefilterd. Deze condensatoren moeten een grote waarde hebben. Er moet wel opgelet worden dat de waardes van de condensatoren niet te hoog worden gekozen. De tijd dat het duurt voordat de condensator volledig is opgeladen gaat dan omhoog, wat voor een lange opwarmtijd kan zorgen.
Blok 3 is de uitgang. In het figuur hierboven is te zien dat wij uitgaan van een 10Ω weerstand. De uiteindelijke speaker die gebruikt gaat worden heeft een weerstand van 8Ω. Het signaal over RL is het uiteindelijke uitgangssignaal. Dit is versterkt en al. Deze versterking moet gelijk zijn aan zo’n 30 keer.

In blok 4 is een deel van de terugkoppeling in beeld gebracht. Het gedeelte in het blok zorgt voor een correcte terugkoppeling met juiste waardes. De weerstanden R5 en R6 zorgen voor een spanningsdeler. Voor R6 is er een weerstandswaarde van 33kΩ gekozen en voor de R5 is een weerstandswaarde van 1kΩ gekozen. Zo komt er netjes een versterkingsverhouding uit van 1:33. De versterking zou moeten voldoen aan de 33 keer. Er is speciaal voor gekozen om een verhouding van iets meer dan 30 keer te nemen. De versterking kan beter iets te hoog dan te laag liggen, zodat we in ieder geval zeker zijn dat uit tests blijkt dat alles in ieder geval 30 keer versterkt wordt.

Het krat

Voor het krat wordt er gebruik gemaakt van een gewoon Grolsch krat, zoals veel gezien in de omgeving van Enschede. Hier wordt de bodem uit gehaald, waarna de twee speakers op hun plaats gezet kunnen worden. Dit gebeurt door deze in een houten plank te plaatsen. Verder wordt er een standaard scheidingfilter geinstalleerd, naast de accu's die de stroom moeten leveren voor het geheel om te werken. Samen met nog wat andere componenten (radio, schakelaar en stereo-to-mono) wordt het geheel afgemaakt.

Hopelijk inspireerd jullie dit ook tot het maken van een zelfgebouwde kratspeaker/radio!

Foto's en video