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Die 1W Miniatur-OP-Endstufe
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Im folgenden wird die Entwicklung einer kleinen Kopfhörerendstufe beschrieben.
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Inhalte der Seite:
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Wie es dazu kam:
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Eines Tages kam mein Bruder zu mir und meinte, dass ich ihm einen kleinen Verstärker bauen solle, der die Ausgangsleistung seines Discman’s anhebe. Ein paar Gedankengänge und Rückfragen
später, war auch schon der 1. Prototyp aufgebaut. Er bestand aus einem OP des Types MC1458P und hatte eine Ausgangsleistung von ca. 100mW. Dies war natürlich zu wenig. Weiterhin war da noch das Problem
der Spannungsversorgung, denn die 3V, die ein modifizierter Discman hergeben könnte, reicht irgendwie nicht aus, um den OP zu betreiben. Der 2. Prototyp bestand aus einer OP-Gruppe und einem kleinen
ungeregelten Hochsetzsteller zur Stromversorgung, der natürlich die Leistung nicht packte, die die zudem falsch dimensionierte OP-Kette allein im Leerlauf brauchte. Nach Rücksprache entschlossen wir uns,
zur Stromversorgung einen kleinen Modellbauakku (7,2V) zu verwenden. Die daraufhin entstandene 3. Version war in der Lage, mit einem kapazitiven Tiefsetzsteller die Betriebsspannung der OP’s zu erzeugen.
Nach einigen Verbesserungen im Bereich der Entstörung und der Ausgangsleistung kam Prototyp 4, der als Endstufe dann nur noch einen OP hat, aber für die Stromverstärkung mit Emmitterfolgertransistoren am
Ausgang bestückt war. Diese endgültige Version passte dann sogar in eine Streichholzschachtel und hatte eine Ausgangsleistung von immerhin 1W. (bei ca. 2W Eigenverbrauch!). Nach mehreren Wochen
erfolgreicher Anwendung als Taschenverstärker und Handflächenheizer starb auch der Prototyp, da er nicht kurzschlussfest war. Also ging ich wieder zurück zum OP-Verstärker, der nach ein paar Abänderungen
zu dem geworden ist, was nun hier ausgestellt wird.
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Die Schaltung: (Version 5)
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Verbesserte Prinzipschaltung des OP-Verstärkers mit dem OP-Amp. MC1458.
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Beschreibung der Schaltung:
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Angewandt wurde der OP-IC MC1458P, der sich bei vorangegangenen Versuchen als robust und einfach in der Handhabung erwies. Der als Inverter geschaltene Vorverstärker dient rein zur
Spannungsverstärkung. Die Endstufe, die ebenfalls aus solchen OP’s besteht und als Impedanzwandler geschaltet ist, dient zur Stromverstärkung. Die Ausgänge der OP’s untereinander sind über Widerstände zu
trennen, da sich sonst die Verstärker-IC’s gegenseitig überlasten und somit eine unnötig hohe Verlustleistung haben.
Schaltungsvorteile:
- Ein Schaden durch Überlastung ist so gut wie unmöglich, da die OP’s Dauerkurzschlussfest sind.
- Sehr geringe Leistungsaufnahme im Leerlauf (ca. 5-10mA)
- Zur Leistungserhöhung kann dieses Schaltungsprinzip leicht durch zusätzliche OP-IC’s erweitert werden
- Gute Klangqualität, da keine Emmitterfolgertransistoren nötig
- Kann durch SMD-Bauweise auf Briefmarkengröße minimiert werden. Hier ist jedoch für größer dimensionierte Kupferstellen zu sorgen, um eine bessere Kühlung zu erreichen.
- Sehr hohe Verstärkung einstellbar
- Frequenzgang bis ca. 100kHz
Schaltungsnachteile:
- Positive und Negative Versorgung mit ca. +-10V gegen Masse für anständige Ausgangsleistung erforderlich
- Je mehr OP’s verwendet werden, desto teurer wird es! Ab ca. 5 IC’s rentiert sich eher eine Transistorendstufe
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Das Problem mit der Betriebsspannung
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Wie schon erwähnt ist zum Betrieb der Endstufe eine pos. und eine neg. Betriebsspannung erforderlich. Hierfür gibt es eine Menge an Schaltregler-IC’s, auf die man zurückgreifen kann. Dennoch
wollte ich selbst eine möglichst kleine Spannungsversorgung aufbauen, die für Batteriebetrieb geeignet ist, und den OP-Verstärker versorgen kann.
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Variante 1:
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Variante 1 - Prinzipschaltung für die Betriebsspannungserzeugung
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Hier wurde zur Erzeugung der neg. Betriebsspannung ein kapazitiver Inverter herangezogen. Die beiden T’s bilden eine Halbbrücke, die den Kondensator C5 wechselnd an +Ub oder GND legen. Durch
Diode D2 wird die im Kondensator gespeicherte “negative” Ladung zu C4 addiert. Somit entsteht hier eine neg. Spannung, die vom Betrag her unter Last etwas kleiner ist, als Ub-2,1V. D1 dient als
Verpolungsschutz. L1 fängt die beim kommutieren der beiden T’s entstehende Stromspitzen ab, und speist diese über D4 in den positiven Ausgangskreis. Der CMOS-IC 4093, der zweckmäßig als SMD-Variante zu
wählen ist, ist für die Takterzeugung und Ansteuerung der Kommutierungstransistoren nötig. Die Taktfrequenz kann über C2 und R13 bestimmt werden. Betrieben wird die Schaltung an max. 15VGS.
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