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- Auszug aus ELEKTA -

15. Transistorverstärker

Als ein vorläufiger Abschluß der kleinen Reihe soll jetzt ein kleiner NF-Verstärker entwickelt werden. Als Besonderheit soll dieser an 1,5V, also einer einzigen Batteriezelle, arbeiten können und einen 8W-Lautsprecher treiben. Obwohl inzwischen auch kleine Batterien z.B. für 3V oder 6V erhältlich sind, hat ein 1,5V-Betrieb auch Vorteile: Bei kleinen und mittleren Lautstärken ist der Wirkungsgrad höher und bei gleicher Größe hat eine 1,5V-Batterie immer eine erheblich größere Kapazität. Letzteres bedeutet, daß die Batterie bei gleicher Stromaufnahme länger hält, zudem sind 1,5V-Batterien oft wesentlich billiger und leichter erhältlich. Eine Alkali-Mangen-Lady-Zelle hat eine Kapazität von ca. 400mAh. Bei einem Durchschnittsverbrauch von 10mA hält sie also 40 Stunden. Der rund 5x größere 9V-Block hält auch nicht länger, während eine Mignon-Zelle rund 4x so lange hält.

Diätkost

Viel Leistung kann man aus V_CC=1,5V Betriebsspannung natürlich nicht herausholen. Liegt z.B. die Verstärkerausgangsspannung in Ruheposition bei ½V_CC=0,75V, so ist theoretisch eine maximale Aussteuerung bis aus ±0,75V möglich. Durch die Sättigungsspannung der Transistoren sind jedoch nur ca. ±0,55V machbar. Da die Batteriespannung unter Belastung oder durch Entladung auch noch reduziert wird, kann man mit rund U_s=±0,4...0,5V rechnen. Die Sinusleistung an 8W beträgt dann P=U_s²/2R=15mW. Dies hört sich nicht viel an, ist jedoch für normale Zimmerlautstärke völlig ausreichend (Vorraussetzung: Der Wirkungsgrad des Lautsprechers darf nicht zu schlecht sein) und für Kopfhörer recht viel. Zum Vergleich: ein normaler, kleiner Lautsprecher hat eine maximale Belastbarkeit von typisch 250..500mW, wobei die Verzerrungen dann schon reicht hoch sein werden. Da nicht nur die Ausgangsspannung, sondern auch die Ansteuerspannung jedes einzelnen Transistors durch die kleine Betriebsspannung begrenzt wird, müssen für optimale Ausnutzung von V_CC die Ausgangstransistoren in Emitterschaltung arbeiten. In sehr vielen NF-Leistungsverstärkern mit höherer Betriebsspannung wird dagegen die bekanntere Gegentakt-Emitterfolgerschaltung verwendet.

Der maximale Ausgangsstrom beträgt in unseren Fall ca. I_s=U_s/R_L=62,5mA. Wenn der Transistor eine Stromverstärkung von B=150 hat, dann beträgt der maximale Basistrom I_sB=I_s/B=417µA. Dies ist für einen Verstärkereingang recht viel, so das sich eine 2. vorgeschaltete Transistorstufe empfiehlt. Auch können so durch Gegenkopplung die Verzerrungen gegenüber einer Einzelstufe reduziert werden. Als IC-Designer würde man wahrscheinlich sogar 3 oder 4 Stufen einsetzen, jedoch soll unsere diskrete Schaltung möglichst einfach werden. Dafür hat man bei einer diskreten Schaltung den Vorteil, an jeder Stufe sich den optimalen Transistor ausuchen zu können.

Die größte Leistungsverstärkung erhält man durch eine Emitterschaltung, während eine Basisschaltung nur eine Spannungsverstärkung und ein Emitterfolger nur eine Strömverstärkung liefert. Bei unserer kleinen Betriebsspannung hat der Emitterfolger auch den Nachteil, daß die Ausgangsspannung immer um U_BE kleiner als die Eingangsspannung ist. Wenn man nun unserer Emitterschaltung in der Endstufe einen Emitterfolger direkt vorschalten wollte, so müßte die Eingangsspannung an der Basis des Emitterfolgers bereits 2·U_BE»1,4V betragen, was bei nicht mehr neuer Batterie kaum möglich wäre. Günstiger ist es also zu der Emitterschaltung in der Endstufe auch die Vorstufe in Emitterschaltung auszuführen. Damit erschwert sich allerdings die Gegenkopplung, da nun beide Stufe das Signal invertieren und sich so insgesamt ein nicht-invertierender Verstärker ergibt. Für eine Gegenkopplung ist aber immer eine Invertierung nötig. Deshalb bietet es sich nun an entweder jede Stufe einzeln gegenzukoppeln oder irgendeinen Ausweg zu suchen. Erstere Methode ist für die Gesamtverzerrungen ungünstiger und erschwert auch die Arbeitspunkteinstellung. Die Alternative ist deshalb die bessere Wahl und kann durch einen sogenannten Differenzverstärker aus zwei Transistoren realisiert werden. Dieser hat in etwa die gleichen Eigenschaften wie eine Emitterschaltung, jedoch einen invertierenden und einen nicht-invertierenden Eingang. Auch wird die Arbeitspunkteinstellung wesentlich einfacher, da sich die Basis-Emitter-Spannungen der beiden Transistoren kompensieren. Grob würde sich dann folgendes Schalbild ergeben :

Bild 1 : Prinzipschaltbild des Verstärkers

Man erkannt unmittelbar den zweistufigen Aufbau und die Gegenkopplung über den Spannungsteiler vom Ausgang zum rechten, invertierenden Eingang. Einiges ist allerdings nur ansatzweise vorhanden oder sogar in der realen Schaltung nicht machbar. Kritisch ist vor allem die Zusamenschaltung der Basen der Ausgangstransistoren. Der obere Transistor müßte ein Basispotential von V_CC-U_BE erhalten und der untere eines von U_BE. Beides gleichzeitig ist aber nur für einen sehr engen Betriebsspannungsbereich möglich. Schon bei geringen Schwankungen würde sich der Ruhestrom stark ändern. Auch der Kollektorwiderstand des Differenzverstärkers hat großen Einfluß auf den Ruhestrom der Ausgangstransistoren. Bei zu großen Ruheströmen würde die Batterie sehr schnell entladen werden und bei zu kleinen wären die Verzerrungen zu hoch, günstig ist ein Strom um 1mA.

Auch die Arbeitspunkteinstellung des Differenzverstärkers muß in der Praxis noch optimiert werden, damit Temperaturschwankungen und Versorgungsänderungen sich nicht zu stark auf die Schaltungsfunktion auswirken. Da der maximale Basisstrom der Endstufentransistoren bereits zu ca. 500µA berechnet wurde, sollte der Differenzverstärker ebenfalls mit rund 1mA Ruhestrom arbeiten. Eine reale Schaltung, welche diese Überlegungen berücksichtigt, können Sie hier simulieren:

Bild 2 : Der fertige Verstärker in PSpice simuliert

Um die Kopplung zwischen den beiden Verstärkerstufen zu verbessern, wurde ein Teil des Differenzverstärkers verdoppelt. Dadurch erhöht sich zwar die Offsetspannung, jedoch ist dies hier wegen der kapazitiven Kopplung unkritisch. Auch wurden die Lastwiderstände durch einen sogenannten Stromspiegel mit pnp-Transistoren ersetzt. Der Transistor Q4 stellt mit J1 den Ruhestrom des Differenzverstärkers weigehend unabhängig von anderen Einflüssen ein. Eine weitere Verbesserung würde der Einsatz einer Stromquellen anstelle von R6 bringen, jedoch ist die Schaltung bereits kompliziert genug. Für die Ruhestromeinstellung der Endstufe müssen keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden, da ein Ruhestrom von 1..2mA genügt und gewisse Schwankungen toleriert werden können. Wenn der Stromspiegel ideal wäre, so würde der Ausgangsruhestrom der 1. Stufe Null sein. Da dies aber z.B. wegen der endlichen Stromverstärkung B nicht so ist, entsteht ein gewisser Ruhestrom der in 1. Näherung proportional zu 1/B ist. Diesen Strom verstärkt die Endstufe mit B, so daß der Endstufenruhestrom insgesamt recht stabil ist. Es bleibt aber z.B. eine geswisse Betriebsspannung- und Temperaturabhängigkeit. Einen Abgleich könnte man vorsehen, indem man die Emitter der Stromspiegelausgangstransistoren nicht direkt mit V_CC verbindet, sondern über einen Widerstand (z.B. je 22W). Schaltet man dann zwischen den Emittern ein 100W-Poti mit Schleifer an V_CC, so kann man den Ruhestrom bequem einstellen. Alternativ kann man auch ein 50W-Poti verwenden, dann ohne die Widerstände.

Die Verstärkung mit Gegenkopplung wird durch R3 und R4 auf ca. V=5 eingestellt. Ohne diese Gegenkopplung wäre sie merklich höher. Diese offene Verstärkung berechnet sich zu:

V » S_Diff·RL·ß » I_CDiff/U_T·R_L·ß » 25

Man erkennt: selbst mit der 2. Stufe ist die Verstärkung nicht allzu hoch. Ein gewisses Verbesserungspotential ergibt sich durch erhöhen der Ruheströme. Ebenfalls leicht berechnen kann man den Eingangswiderstand (ohne Gegenkopplung):

R_in » 2ß/S_CDiff » 2U_T/I_CDiff·ß » 10kW

Durch die Gegenkopplung wird er noch erhöht (auf ca. 50kW), so daß in der Praxis R2 den Gesamteingangswiderstand bestimmt.

Was man in der Simulation nicht immer bemerkt

Bei gegengekoppelten Verstärkern ist Schwingneigung oft ein Thema. Hier jedoch weniger, da nur zwei Stufen vorhanden sind. Die Millerkapazitäten sorgen für eine gewisse Sicherheit, sind jedoch recht unkritisch. Wichtig und im Simulationsschaltbild nicht eingezeichnet ist ein Abblockkondensator (z.B. 4,7µF) an V_CC. Sinnvoll ist er vor allem, wenn der Innenwiderstand der Batterie recht hoch ist. Dies ist vor allem bei kleinen Batterien oder bei fast endladener Batterie der Fall. In der Praxis war der Verstärker sehr stabil, leichte HF-Schwingungen traten jedoch ohne Abblockkondensator auf, wenn in Serie zur Batterie ein Ampère-Meter mit langen Zuleitungen lag. Da ein realer Lautsprecher sich vor allem bei hohen Frequenzen nicht wie ein reller 8W-Widerstand verhält, sondern induktiv , sollte man vom Verstärkerausgang nach Masse ein Serien-RC-Glied (ca. 22W+10nF) schalten. Dieses sorgt auch bei hohen Frequenzen für eine gewisse Mindestlast und stabilisiert so zusätzlich den Verstärker. Sinnvoll ist das RC-Glied auch deshalb, damit trotz Verwendung unterschiedlicher Transistoren der Verstärker stabil bleibt. Kritisch bezüglich Schwingneigung sind vor allen Transistoren mit hoher Stromverstärkung, wenn diese auch andere Vorzüge haben (höherer Eingangswiderstand und weniger Verzerrungen).

Nun einige Tips zum Aufbau

Kann man auch andere Transistoren verwenden?

Ja natürlich. Tatsächlich wurden die Typen BC549C (pnp-Transistoren), BC559C (npnp-Transistoren) und BF245A (FET) eingesetzt. Wichtig ist vor allem eine relativ hohe Stromverstärkung und niedrige Sättigungsspannung, auch sollten die Typen in der kompletten Vorstufe einheitlich (aus der selben Serie) sein. Der JFET sollte eine Schwellspannung unter 1,5V haben. Deshalb wurde der A-Typ eingesetzt, ähnliche Typen wären der BF244A oder BF256A.

Sollte man eine eigene Platine oder eine gefädelte einsetzen?

Beides ist nicht kompliziert. Wenn man nur einen oder zwei Verstärker aufbaut, ist man mit der Fädeltechnik natürlich schneller. Auch können damit leicht kleine Änderungen oder Erweiterungen vorgenommen werden.

Bild 3 : Aufbau des Verstärkers (Ausgangskondensator direkt am Lautsprecher

Der Ruhestrom wurde bei voller Batterie (V_CC=1,53V) mit 6,5mA gemessen. Dieser höhere Wert geht voll auf die Endstufe und liegt sicher an der höheren Stromverstärkung der Endtransistoren als in der Simulation. Durch einen Emitterwiderstand von 3,3W bei T8 kann man ihn auf ca. 2mA reduzieren. Die Verstärkung wurde durch Verringerung von R4 auf 560W auf V=8 erhöht.

Wie kann man den Verstärker möglichst klein aufbauen?

In SMD-Technik. Als Transistoren kann man dann die Typen BC849C/859C einsetzen oder auch BC808-40/818-40 (geringere Sättigungsspannung, günstig für die Endstufe). Relativ groß sind auch die Kondensatoren, hier empfehlen sich SMD-Elkos mit geringer Spannungsfestigkeit. Eine Größe von 15mmx30mmx3mm ist damit sicher möglich. Platz kann zusätzlich auf Kosten der Baßwiedergabe sparen, indem man die Koppelkondensatoren verkleinert. Kritisch ist aber vor allem der Ausgangselko. Mit den gewählten 1000µF erhält man eine untere Grenzfrequenz von 20Hz, was bereits sehr gut ist. 470µF sind ebenfalls ohne weiteres möglich. Im eigenen Aufbau wurden zwei 220µF-Elkos eingesetzt, da diese kompakter waren als ein Einzelkondensator. Reserven hinsichtlich der Kapazität bzw. der unteren Grenzfrequenz bestehen vor allem am Eingang, da dieser recht hochohmig ist und hier eigentlich auch 4,7µF völlig ausreichen.

Kann man den Verstärker auch für 3V einsetzen?

Dafür sind einige kleine Änderungen sinnvoll. Vor allem sollte die Ausgangsruhespannung auf ca. 1,5V eingestellt werden, um den Aussteuerbereich zu optimieren. Dazu kann man einen Widerstand vom invertierenden Eingang nach Masse schalten. Außerdem sollte man die Ausgangstransistoren verstärken, z.B. durch Einsatz der Typen BC327-40 (pnp) bzw. BC337-40 (npn), welche für höhere Ströme ausgelegt sind.

Kann man auch einen 4W-Lautsprecher anschließen?

Ja, kaputt geht nichts. Eventuell sollte man jedoch die Ausgangstransistoren verstärken, z.B. durch Einsatz der Typen BC327-40 bzw. BC337-40.

Kann man auch einen hochohmigen Kopfhöhrer anschließen?

Ja, bei sehr hochohmigen Typen geht die Leistung und damit die Lautstärke deutlich zurück. Kopfhöhrer im 20..50W-Bereich sind aber sehr gut geeignet. Durch die hochohmigere Last steigt die offene Verstärkung und die Verzerrungen nehmen ab. Wenn man sehr kleine Batterien einsetzt, macht es auch einen Sinn den Ruhestrom zu verringern, z.B. durch Erhöhung von R6. Die kleinen In-Ohr-Kopfhörer haben oft eine sehr mäßige Klangqualität, insbesondere die Baßwiedergabe ist oft schlecht. Auch im Wirkungsgrad gibt es erhebliche Unterschiede.

Wie kann man den Eingangswiderstand erhöhen?

Am besten durch Vorschalten eines Emitterfolgers. Kleine Verbesserungen kann man aber auch durch Verdoppeln der Widerstände R2 bis R4 erzielen.

Wie kann man die Ausgangsleistung erhöhen?

Durch Verringerung der Lastimpedanz (z.B. auch 4W) oder durch eine höhere Betriebsspannung (z.B. 3V). Ebenfalls wichtig ist es den Wirkungsgrad des Lautsprechers zu erhöhen, insbesondere sollte man die Baßwiedergabe durch ein hohes Resonanzvolumen optimieren. Eine Methode die Leistung zu Vervierfachen ist der Brückenbetrieb. Wenn die Endstufentransistoren verstärkt werden ist dies bei unseren Verstärker aufgrund des Differenzverstärkers sogar ohne zusätzliche Phasenumkehrstufe möglich. Allerdings Verdoppelt sich der Schaltungsaufwand, so daß man zuerst zu den anderen Methoden greifen sollte.

Wie kann man die Klangqualität erhöhen?

Der Lautsprecher und seine Umgebung sind sicher wesentlich kritischer als die meisten Modifikationen am Verstärker. Optimieren kann man aber z.B. die untere Grenzfrequenz über die Koppelkondensatoren. Auch könnte man die Ruheströme aller Stufen erhöhen. Dies erhöht die Schleifenverstärkung und dadurch den Klirrfaktor THD. Relativ bezüglich THD viel bringt es auch R6 durch eine Transistorstromquelle zu ersetzen.

Womit kann man den Verstärker kombinieren?

Eine schöne Anwendung wäre ein Mittelwellenradio. Mit 1,5V-Betriebsspannung kann man leicht einen verbesserten Detektorempfänger bauen. Auch ein Audio-Testverstärker mit Kopfhörer wäre sinnvoll. Eine Tastspitze könnte man mit dem Verstärkereingang verbinden und über diese Spitze in andere NF-Schaltungen hineinhören, z.B. die Signalstärke, Frequenz oder Verzerrungen abschätzen. Sinnvoll für diese Anwendung ist ein den Eingangswiderstand per Emitter- oder Source-Folger zu erhöhen. Natürlich muß man nicht immer einen Lautsprecher oder Kopfhörer am Ausgang anschließen. Läßt man die niederohmige Last weg, so steigt die offene Verstärkung an und die Verzerrungen sinken deutlich. Dann kann man den Verstärker auch problemlos als Vorverstärker für Signale bis ca. 1MHz einsetzen (C4 bis C5 verringern). Wenn man echte HF-Transistoren einsetzt, dann kann man sogar einen HF-Breitbandverstärker (z.B. mit dem BF224/324) bis gut 100MHz realisieren. Für eine geringe Rauschzahl sollte man dann den Rückkopplungsspannungsteiler niederohmiger machen. Zu guter Letzt ist der Verstärker natürlich auch dort einsetzbar, wo eigentlich gar keine hohen Anforderungen gestellt werden, z.B. als Treiberverstärker für eine Sirene usw.

Link : Grundkurs Analogtechnik

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Gekürzt in ELEKTOR Heft 9/2000.

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Stand: Mai 20, 2000.