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Einfacher Audio Verstärker Gegentaktstufe

Einfacher Audio-Verstärker

In diesem Artikel geht es um den Bau eines einfachen Verstärkers für analoge Audiosignale. Es handelt sich hierbei um eine sehr einfache Schaltung mit Bauteilen, die leicht zu beschaffen sind oder meistens auch schon im Bastelzimmer herum liegen. Der Verstärker kann zum Beispiel direkt an die Kopfhörer-Buchse von einem Smartphone Lautsprecher angeschlossen werden oder in eine Empfängerschaltung integriert werden. Der Verstärker arbeitet als Gegentaktstufe und bietet einen guten Kompromiss aus Lautstärke, Tonqualität und Energieverbrauch. Trotzdem darf man sich hier nicht die gewohnte Qualität von der Heim-Stereoanlage erwarten.

Das Audio Signal aus dem Smartphone

Bevor es um den eigentlichen Verstärker geht, werfen wir einen Blick auf das Audiosignal. Die folgenden Screenshots vom Oszilloskop wurden an der Kopfhörerbuchse von einem Samsung Galagxy J5 (2016) bei rund 70 % Lautstärke gemessen. Da die meisten Kopfhörer einen Widerstand von etwa 30 bis 80 Ohm haben, wurde die Messung mit einem 40 Ohm Widerstand durchgeführt.

Im ersten Screenshot sieht man einen kurzen Ausschnitt vom Signal während der Musik-Wiedergabe. Der zweite Screenshot zeigt ein Sinus-Signal von 400 Hz. Man erkennt am zweiten Bild, dass sowohl die Spannung als auch die Frequenz recht stabil sind. Das Signal wurde mit einer Ton-Generator-App erzeugt. Die Ausgangsspannung (Spitze-Spitze) liegt je nach eingestellter Lautstärke bei den meisten Smartphones oder MP3-Playern bei höchstens 0,5 Volt (500 mV).

Oszilloskop Musik Kopfhörerausgang Smartphone
Oszilloskop 400 Hz Kopfhörerausgang Smartphone

Audio-Signale sind Wechselspannungen. Je höher die Amplitude ist, desto höher ist auch die Lautstärke. Die Tonhöhe wird wiederum durch die Frequenz bzw. Periodendauer bestimmt. Je höher die Frequenz ist, desto höher ist auch die Tonhöhe. Die folgende Grafik zeigt links einen tiefen Ton und rechts einen hohen Ton mit jeweils zwei verschiedenen Pegeln:

Audioverstärker Verhältnis Tonhöhe Frequenz und Lautstärke

Schaltplan

Der Schaltplan besteht aus insgesamt drei Transistoren (2x NPN, 1x PNP). Über das Potentiometer P1 wird die Lautstärke eingestellt. Der Transistor Q1 dient als Treiberstufe (Gegenkopplungsverstärker) für Q2 & Q3, damit auch kleine Spannungen verstärkt werden. Die Schaltung ist für eine Betriebsspannung von etwa 5 bis 9 Volt geeignet. Für die anschließenden Messungen wurde vom bereits erwähnten Smartphone ein Sinus-Signal von genau 1000 Hz erzeugt. Die Lautstärke wurde am Smartphone auf etwa 80 % gestellt, was an P1 eine Spitze-Spitze-Spannung (Pk-Pk) von etwa 150 mV ergibt.

Schaltplan Audioverstärker Gegentaktstufe

Bauteile

Bezeichnung Wert
Kondensator C1 470 µF (Elko)
Kondensator C2 5 - 10 µF (ungepolt)
Kondensator C3 470 µF (Elko)
Potentiometer P1 20 K
Widerstand R1 100 K
Widerstand R2 330 Ω


Bauteile

Bezeichnung Wert
Transistor Q1 BC 549
Transistor Q2 BC 549
Transistor Q3 BC 558
Diode D1 1N4002
Diode D2 1N4002


Potentiometer P1 (Steuerung Lautstärke)

Das Potentiometer bildet mit 20 Kiloohm eine gute Einstellungsmöglichkeit von der Lautstärke. Es handelt sich hierbei um einen veränderbaren Spannungsteiler, mit dem die Amplitude stufenlos einstellbar ist. Es muss nicht unbedingt ein 20 Kiloohm Potentiometer verwendet werden, es geht auch mit Potentiometern die nur einige Hundert Ohm haben. Die zuvor eingespeisten 150 mV Pk-Pk werden bei halber Potentiometer-Stellung auf rund 75 mV Pk-Pk reduziert und gehen weiter in den Koppelkondensator C1.

Koppelkondensator C2

Beim Koppelkondensator handelt es sich um einen umgepolten Keramikkondensator. Der Kondensator lässt nur die Wechselspannung passieren. Da der Kondensator verschiedene Frequenzen und auch recht niedrige Frequenzen passieren lassen muss, darf er nicht zu klein gewählt werden. Grundsätzlich gilt: Je niedriger die Frequenz, desto größer muss die Kapazität sein. Zu überdimensionierte Kondensatoren sind ebenfalls nicht sinnvoll. Sinnvolle Kapazitäten für den Koppelkondensator sind 1 bis 10 Mikrofarad. C2 hat keinen Einfluss auf die Arbeitspunkteinstellung der nachfolgenden Transistoren.

Transistor Q1

Über den Transistor Q1 wird die recht kleine Signalspannung so verstärkt, dass die nachfolgenden Transistoren der Gegentaktstufe gut gesteuert werden können. R1 dient als Gegenkopplung für Q1. Die Gegenkopplung regelt gewissermaßen den Basisstrom, sodass die unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren (hFE) eines Transistors kaum Einfluss haben. Es gilt zu verhindern, dass Q1 nicht in die Sättigung kommt und immer ein mittlerer Kollektorstrom fließt, sodass Q1 nach unten und oben schön aussteuern kann. Wird die Schaltung mit etwa 8 Volt versorgt, so liegt die Sinusspannung zwischen 3,6 bis 5,6 Volt. Die Spitze-Spitze Spannung liegt also bei etwa 2 Volt. Der folgende Screenshot zeigt die Spannungsmessung zwischen Kollektor an Q1 und Masse mit den zuvor erwähnten werten:

Audioverstärker Messung Kollektor von Q1

Transistoren Q2 & Q3

Die beiden Transistoren Q2 & Q3 werden als Kollektorschaltung betrieben. Der NPN Transistor Q2 verstärkt die positive Halbwelle und der PNP Transistor Q3 verstärkt die negative Halbwelle. Der Arbeitspunkt des jeweiligen Transistors kann sich so nur in eine Richtung bewegen. Normalerweise fließt über diese Schaltung kein Ruhestrom. Kommt kein Audiosignal, fließt auch kein Strom. Da die Dioden beide Transistoren auch ohne Audiosignal leicht öffnen, fließt immer ein kleiner Ruhestrom von einigen wenigen Milliampere. Der Wirkungsgrad dieser Schaltung im Betrieb beträgt fast 80 Prozent. Optimal ist es, wenn sowohl Q2 als auch Q3 möglichst gleiche Eigenschaften haben (Stromverstärkungsfaktor etc.).

Serienschaltung Diode D1 & D2

Der NPN-Transistor schaltet erst ab einer Spannung von etwa 0,7 Volt durch. Auch der PNP-Transistor schaltet im negativen Bereich auch erst ab einer Spannung von 0,7 Volt durch. Dadurch würden sehr kleine Signale erst gar nicht verstärkt werden. Auch bei höheren Spannungen käme kein Sinus mehr zustande, da die Signale nahe dem Nulldurchgang von den beiden Transistoren abgeschnitten werden. Daraus würde eine Verzerrung entstehen, die auch deutlich zu einem hörbaren Qualitätsverlust führt. Über die zwei Dioden werden die Arbeitspunkte der Transistoren verschoben, sodass auch sehr kleine Signale verstärkt werden, weil die Transistoren immer genug weit offen sind.

Der folgende Screenshot zeigt die Spannungsmessung an den Basen der Transistoren. Man erkennt sofort, dass der Spannungsunterschied zwischen den Basisspannungen 1,4 Volt beträgt. An jeder Diode fallen etwa 0,7 Volt ab, wodurch ein Unterschied von 1,4 Volt zustande kommt. Der gelbe Sinus ist die Spannung an der Basis von Q2, der blaue Sinus ist die Spannung an der Basis von Q3.
Achtung: Der blaue Sinus hat ein Offset von -1 Volt zur besseren Übersicht! Tatsächlich liegt die obere Spitzenspannung nach D2 (Blau) genau in der unteren Spitzenspannung vor D1 (Gelb)

Audioverstärker Messung an Dioden

Kondensator C3

Der dritte Kondensator dient als Stromversorgung von Q3. Der NPN-Transistor braucht eigentlich eine negative Spannung. Da es neben der Versorgungsspannung von etwa 5 bis 9 Volt keine weitere Spannungsquelle gibt, dient Q3 als Ersatz dafür. Während der positiven Halbwelle wird der Kondensator geladen und dient während der negativen Halbwelle als Spannungsversorgung. Dieser Kondensator darf auch nicht zu klein sein, da er sonst zu wenig Energie für Q3 liefert. Außerdem muss er groß genug sein, damit wie auch bei C1 tiefe Frequenzen durch den Kondensator können.


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