Een virtuele, maar simpele “hands-on” tutorial.

Bij prutsen met gitaarelectronica, bots je al snel op de transistor. De transistor is zowat de hoeksteen van de electronicawereld. We kunnen dus maar beter snappen hoe die dingen werken.

Er zijn verschillende soorten transistoren (PNP, NPN, germanium, silicium, fet, mosfet,…). We beperken het hier tot de NPN Bipolaire Junction Transistor (BJT). Voorbeelden zijn: 2N3904, BC108, BC109, MPSA18, BC547, BC337, etc… Je ziet ze bijna overal inzitten. Zeer simpel uitgedrukt: een BJT-transistor is te begrijpen als een “current-to-current device”. Een bepaalde ingangsstroom (die loopt tussen Basis en Emitter), doet een stroom door de transistor lopen (van Collector naar Emiter). Zonder deze ingangsstroom, doet de transistor niets. Is de ingangsstroom te groot, dan gaat de transistor stuk.

Een voorname kenmerk van de transistor, is de vaste verhouding tussen de “B->E ingangsstroom” en “C->E werkingsstroom”, ook wel Beta of Hfe genoemd. Zo kan een transistor bijv. een Beta/Hfe-waarde hebben van 100. Dit betekent dat de onderlinge verhouding tussen B->E- stroom en C->E-stroom honderd is.
Concreet: hebben we een B->E stroom van 1 milli-ampère => er loopt een C->E stroom door de transistor van 100 milli-ampère.
Verandert de ingangsstroom (stijgen of dalen, bijv. met 0.1 milli-ampère), dan verandert de werkstroom evenredig (nl met 10 milli-ampère). Op die manier kan een elektrisch spanningssignaal (zoals bijv. een gitaarsignaal) versterkt worden.

Heel simpel uitgelegd, gebeurt er het volgende:

een ingangssignaal “kietelt” de B->E-stroom, en laat deze variëren / vibreren.
die variatie wordt, gezien de vaste Beta of Hfe verhouding, in de transistor “versterkt” naar een evenredige C->E-stroomvariatie.
die C->E-stroomvariatie loop door een gekozen Collectorweerstand. De weerstand zet de C->E-stroomvibratie om naar een spanningsfluctuatie (uitgangsspanning).
die resulterende uitgangsspanning is vele malen groter dan de aanvankelijke ingangsspanning. Het ingangssignaal is bijgevolg versterkt.

Vooraleer een transistor zoiets kan doen, moet die evenwel naar een bepaald werkpunt worden ingesteld: “biassen”. Een verkeerd werkpunt geeft rare uitkomsten (bijv. geen signaal, een zeer klein signaal, een sterk vervormd signaal, etc…).

Op het net zijn tal van tutorials te vinden over hoe je een transistor kan instellen / biassen. De één is al duidelijker dan de ander. Soms wordt er uitgegaan van een bepaalde transistorgrafiek (te vinden op de datasheet van de specifieke transistor – bijv. hieronder), dan weer worden er allerlei berekeningen gemaakt op basis van de specifieke Hfe / Beta waarde (eveneens in de datasheet terug te vinden).

Vb van transfer curve (grafiek methode)

Hieronder een virtuele, maar “hands-on” benadering, waarvoor je eigenlijk niets meer dan een multimeter van doen hebt.

Stap 1. Meet de C->E stroom bij een zekere B->E stroom.

Een transistor heeft een bepaalde ingangsstroom nodig om te kunnen werken. We gaan dit creëren dmv een spanningsdeler van 2 weerstanden tussen de voedingsspanning (+9 volt) en grond/massa. Als vertrekpunt nemen we de waarden 1 Mega-ohm, en 100 Kilo-ohm. De Basis van de transistor verbinden we met het knooppunt van onze spanningsdeler. Hierdoor krijgt de transistor een bepaalde B->E-stroom.

De Emitter van de transistor wordt verbonden met grond/massa. De Collector blijft voorlopig onverbonden.

Met de multimeter op mA-stand (om een stroomsterkte te meten) verbind je de zwarte pen met de Collector van de transistor, de rode pen verbind je met de +9 V van de spanningsbron. De multi-meter wordt dus ahw tussen transistor en voedingsspanning gekoppeld. Op die manier meet je hoeveel stroom er door de multimeter vloeit, en bijgevolg dus ook doorheen de transistor. In dit voorbeeld kan aflezen: 0,442 milli-ampère.

Maw. een bepaalde B->E stroom (gegenereerd door de spanningsdeler 1 Mega-Ohm en 100 Kilo-Ohm) doet een C->E stroom door te transistor vloeien van 0,442 milli-ampère.

Stap 2. Bereken een geschikte Collectorweerstand (wet van Ohm).

Het uitgangssignaal wordt meestal afgenomen aan de Collector van de transistor. Om een maximale “uitzwaai” van signaal te verkrijgen, is het handig om op die plaats ongeveer de helft van de voedingsspanning te zien. In ons voorbeeld is de voedingsspanning +9 volt; we mikken bijgevolg op een Collector-spanning van 4.5 Volt. We gaan dit bewerkstelligen door de Collector via een bepaalde weerstand te verbinden met +9 volt. Het is deze weerstand die zal zorgen voor een spanningsval van 4.5 volt tussen voedingsspanning en Collector-spanning.

Nu we weten dat er 0,442 milli-ampère door de transistor loopt, kunnen we de waarde berekenen. 4.5 Volt over 0.000442 Ampère geeft een weerstandswaarde van 10180 Ohm, of 10 Kilo-Ohm.

De multi-meter kunnen we nu vervangen we door de weerstand, et voila: we zien 4.7 volt op de Collector .
De transistor is nu netjes gebiassed.

Stap 3. De ingangs en uitgangscondensator.

Condensatoren blokkeren gelijkstromen en -spanning, maar laten wisselende spanningen en stromen door. Zonder deze condensatoren is er met onze transistor weinig aan te vangen.

Op het knooppunt 1 Mega-Ohm || 100 Kilo-Ohm || Basis transistor, koppelen we een ingangscondensator van bijv. 1 µF.

Idem voor betreft de uitgang (thv collector transistor & collectorweerstand): we voegen daar een uitgangscondensator in (het voorbeeld: 10 µF).

De uitgangscondensator krijgt een “lading” (bijv. een volumeknop) die minstens 10 keer de waarde van de Collectorweerstand is. Aan de ingang schakelen we onze gitaar.

Et voila: we zien mooi hoe een sinus-signaal van 0.2 volt versterkt wordt naar een zeer stevige +4.5 volt.

We zien ook dat ondanks de voorzorg van”maximale swing”, het uitgangssignaal sterk vervormd is. Dat is o.m. te verklaren door het feit dat onze transistor eerder rudimentair en voor maximale versterking is gebiassed. Ook de eerder lage voedingsspanning van +9 volt zit daar voor iets tussen. Bij een spanning van +18 volt of +24 volt kan het signaal makkelijker ongehinderd maximaal uitzwaaien, en zal het veel minder vervormen (er is meer “headroom”).

Maar onze transistor zal wel al minstens een “overdrive”-sound geven, en daar is het toch allemaal om te doen 😆 .

In de praktijk zal de werking van de transistor verder verfijnd door ook de Emiter van een zekere weerstand te voorzien. Hierdoor wordt de schakeling stabieler en de versterking opgeschoond (meer lineair).

Bij wijze van voorbeeld werd aan bovenstaande schakeling een Emiterweerstand toegevoegd van 1 Kilo-Ohm. De Collector-weerstand werd volgens stappen 1 en 2 herberekend. We zien opnieuw dat de Collector-spanning mooi 4.5 Volt is; de weerstandswaarde zelf is evenwel significant hoger.

Bekijken we de signalen, dan is uitgangssignaal bijna identiek aan dat van de ingang; de versterking is iets minder. Wat we dus opbrengen aan stabiliteit, binden we in aan signaalversterking.

Afsluitend.

Een Emiterweerstand brengt stabiliteit, maar geeft minder versterking. Om dit te verhelpen, kan de Emiterweerstand “overbrugd” worden met een zekere condensator. Deze zorgt ervoor dat de Emiter vanaf een bepaalde signaalfrequentie wordt “ontkoppeld” en bijgevolg geen of slechts gering wordt beïnvloed door wisselende C->E stroomvariaties.

Door te spelen met de waarde van ingangs- en uitgangscondenstor, kan je het frequentieverloop van de transistor gaan bijsturen. Bijv. een eerder lage ingangswaarde (bijv. 2 nF, of 4n7 nF) zal vooral de hogere tonen doorlaten. Die worden bijgevolg meer versterkt, waardoor je een zeer schelle versterker bouwt (zie Rangemaster).

Je kan ook 2 (of meer) schakelingen na elkaar plaatsen. De uitgang van schakeling 1 wordt de ingang van schakeling 2 (zie Big Muff). Onnodig te zeggen dat er meer en fellere overdrive / distortion zal zijn.