introduction

in this wiki we will talk about amplification as a part of scientific communication.

what’s amplification?

to know about amplification, we must understand the principle of sound at first.

what’s sound?

Sound, seen in a biological way, „triggers the listening organ“ (1a) but it‘s also understandable as „spreading of local pressure variations“ (1a) or as the „move of molecules“ (1a) in a physical way. Which means, for a transmission of sound molecules have to be around.

Schall ist biologisch gesehen die „Reizung des Gehörs“ (1a) er ist aber auch als „Ausbreitung lokaler Druckschwankungen“ (1a) bzw. als die „Schwingung von Teilchen“ (1a) in physikalischer Hinsicht zu verstehen. Das bedeutet, für die Übertragung von Schall müssen Moleküle anwesend sein.

Soundwaves, which are „the periodic moving of stimulated airmolecules“ (1b), are made by swinging „soundsources“ (1c) (e.g. strings, plates, air columns,…). The speed of sound depends on factors like air humidity (—> change of density). (1d)

Schallwellen, also „die periodische Auslenkung angeregter Luftmoleküle“ (1b) werden von schwingenden „Schallquellen“ (1c) (das können Saiten, Platten, Luftsäulen o.Ä. sein) erzeugt. Die Schallgeschwindigkeit ist dabei abhängig von Faktoren wie u.a. der Luftfeuchtigkeit (—> Änderung der Dichte). (1d)

Amplifiers

Amplifiers use transistors to increase the electric signals that are converted into sound by the amplifier.

In Verstärkern werden zur Verstärkung der elektrischen Signale Transistoren genutzt, die vom Verstärker in Töne umgewandelt werden.

There are two types of amplifiers. The first one, the tube amplifier is the older one, which we will talk about very briefly. The second kind, the amplifier that uses transistors, is the technology we will talk about mainly.

Es gibt zwei Arten von Verstärkern. Der erste, der Röhrenverstärker ist älter, weshalb ich nur sehr knapp davon erzählen werde. Der zweite Art, ein Verstärker der Transistoren nutzt, ist die Technologie, über die ich hauptsächlich berichten werde.

Remember, to be increased by the transistor the sound signals are transferred into electric signals. And increased electric signals are transferred back into sound signals to be hearable louder (roughly explained).

Nicht vergessen, um durch den Transistor verstärkt zu werden, werden akustische Signale in elektrische Signale umgewandelt. Und diese elektrischen Signale werden zurück in akustische Signale umgewandelt, die man lauter hören kann (grob erklärt).

what‘s a transistor

A transistor contains of (2a):

• 3 semiconductor (often silicon)

1. the base (thin layer)
2. the collector (thick layer)
3. the emitter (thin layer)

But a transistor won‘t work without a power circuit, that is why you can see one in the picture below. ⤵️

And if you want to know more about semiconductors, you can read the short chapter and/or follow the link for a more extended explanation.

Ein Transistor besteht aus (2a):

• 3 Halbleiter Kristallen (meist Silizium)

1. die Basis (dünne Schicht)
2. der Collector (dickere Schicht, außen)
3. der Emitter (dickere Schicht, außen)

Da ein Transistor ohne ein Stromkreis nicht funktionieren kann, ist im unteren Bild einer zusehen. ⤵️

Und wenn du noch mehr über Halbleiter wissen willst, kannst du das dazugehörige Kapitel lesen und/oder dem link für ausführlicheren Erklärungen folgen.

how does a transistor work?

The transistor consists of two circuits:

1. Working circuit (above detector and collector)
2. Control circuit (above detector and base)

Thereby he works like a switch because if the voltage is higher than 0.6 V in the control circuit, flows electricity in the working cicuit (it is switched on). And if the voltage doesnt exceed 0.6 V, flows no electricity in the working circuit (3a).

Der Transistor besteht aus zwei Stromkreisen:

1. Arbeitsstromkreis (über Ermitter und Kollektor)
2. Steuerstromkreis (über Ermitter und Basis)

Dadurch funktioniert er wie ein Schalter, wenn im Steuerstromkreis eine Spannung von 0,6 V überschritten wird, fließt im Arbeitsstromkreis der Strom (wird sozusagen eingeschaltet). Und wenn die Spannung von 0.6 V nicht überschritten wird, fließt kein Strom im Arbeitsstromkreis (er ist sozusagen ausgeschaltet).

It also amplifies electricity, by triggering a small current (in the control circuit) a larger one (in the working circuit). And this ratio between the collector current and the base current is known as the „Verstärkungsfaktor“ (3b).

Außderm verstärkt der Transistor Strom, indem die kleine Stromstärke im Steuerstromkreis eine größere im Arbeitsstromkreis auslöst. Und dieses Verhältnis vom Kollektorstrom (Arbeitsstromkreis) und Basisstrom (Steuerstromkreis) wird als Verstärkungsfaktor bezeichnet.

semiconductor

A semiconductor works basically with the known electron exchange (negative flows to positive, positive electrons to negative). The semiconductor diode is always p-semiconductor (positive) or n-semiconductor (negative). They never change. The electrons flow in the respective directions, depending on how the connections are polarized. When the charge carrier are meeting, the barrier layer reduces (—> forward direction). If the charge carrier don’t meet (with polarity reversal) the electrons are flowing from the barrier layer and the resistance increases (—> blocking direction). (2b)

Halbleiter funktionieren grundsätzlich über den allseits bekannten Elektronenaustausch (negative Ladungen bewegen sich zur positiv geladenen Diode und andersherum). Die Halbleiterdioden eines Transistors sind immer entweder p-Halbleiter (positiv) oder n-Halbleiter (negativ). Die verändern ihre Polung nicht. Je nach dem wie die Anschlüsse der Energiequelle gepolt sind, werden die Ladungen in die jeweiligen Richtungen geleitet (negativ zu positiv, positiv zu negativ). Treffen die Ladungsträger zusammen, so vermindert sich die Sperrschicht zwischen den Halbleitern (-> Durchlassrichtung). Treffen die Ladungsträger nicht an der Sperrschicht aufeinander (bei Umpolung), so werden die Ladungsträger von der Sperrschicht weggetrieben und der Widerstand wird größer (—> Sperrrichtung). (2b)

You can read this (in German) to know more about semiconductor diodes.

Auf dieser Seite (auf deutsch) wird die Funktionsweise von Halbleiterdioden näher erklärt.

tube amplifier

A tube amplifier consists of a tube in which is a vacuum. In there is a wire (cathode), a „collecting plate“ (anode) and a control grid. When the tube is heated, the cathode realeases electrons, which are moving to the postive charged anode. A voltage is created on the control grid.The more negatively charged it is, the less electricity flows in the tube. Because particle with the same charge repel each other, and because of that it is difficult for the electrons to arrive the anode.

In order of that the control grid controls the electricity flow of the tube (4).

Ein Röhrenverstärker besteht aus einer Röhre, worin sich ein Vakuum befindet. Dort ist einmal ein Draht (Kathode), ein „Auffangblech“ (Anode) und das Steuergitter aufzufinden. Bei Erhitzung der Röhre werden Elektronen von der Kathode aus abgegeben, die von der Anode angezogen werden, da diese positiv geladen ist. Am Steuergitter ist eine Spannung angelegt. Je negativer diese Spannung des Steuergitters geladen ist, desto weniger Strom fließt in der Röhre. Da sich Teilchen mit derselben Ladung (in den Fall negativ) abstoßen, dadurch haben es die Elektronen, die von der Kathode ausgehen, deutlich schwieriger zur Anode zu gelangen.

Daraus lässt sich schlussfolgern, dass sich durch das Steuergitter der Stromfluss der Röhre kontrollieren lässt.

the use of amplification

In the past tube amplifier were used to exchange messages over long distances. But it was soon noticed that there were many cons like the high power consumption (3c).

As a replacement came the transistor in 1947. It needed less electricity, was smaller and had „a longer life“. Today transistors are used for every tool which switchs, amplifies or calculates (3c), like a alarm system, phones, radios, speakers and so on (3a,b).

Röhrenverstärker wurden früher z.B. für den Austausch von Nachrichten über größere Entfernungen genutzt. Jedoch bemerkte man schnell das diese Art von Verstärkern mehrere Nachteile hat, z.B. der hohe Verbrauch an Strom.

Als Ersatz kam 1947 der Transistor. Er benötigte wenig Strom, war kompakt und hatte eine „längere Lebensdauer“. Transistoren werden heute in allen Geräten genutzt, wo geschaltet, verstärkt oder gerechnet werden muss, wie z.B. in Alarmanlagen, Handys, Radios, Lautsprechern usw.

sources

(1): https://media.dav-medien.de/sample/9783777625669_p.pdf

(1a): chapter 1.1

(1b): chapter 1.1.1

(1c): chapter 1.1.1

(1d): chapter 1.1.4, sound speed and air humidity

(2): http://www.generalatomic.com

(2a): B.IV (4. Immer noch wichtig - der Transistor)

(2b): B.IV (1. Halbleiterdioden)

(3): Schulbuch von Herr Knierim

(3a): Page 84

(3b): Page 85

(3c): Page 87

(4): https://www.likehifi.de/allgemein/faszination-roehre-so-funktionieren-roehrenverstaerker/