3W-Verstärker
für 12V (6-18V),
Mini-Endstufe
6NFE26: 3W-Endstufe
Dieser Verstärker soll mit so wenig Aufwand wie möglich ausreichend Dampf in gediegener Technik bereitstellen. Ein Hochpegelsignal (z.B. vom Tonbandgerät, CD-Spieler, MP3-Player, Memostecker oder sonstigem Rechenwerk) soll auf eine mindeststandardmäßige Lautsprecherleistung verstärkt werden, sodaß kleine Boxen mit ca. 10l Volumen ausgesteuert werden können. Der folgende Verstärker mit der Identifikation "6NFE" ist der beste einfache Transistorverstärker mit Endstufe den man sich denken kann. Die Schaltung ist für Einsteiger am besten geeignet. Das Grundprinzip ist zwar nicht neu, aber diese Variante ist von mir entnostalgisiert worden, das heißt: gute alte einfache Technik wurde verbessert, ohne sie künstlich aufzublähen und ohne das bisher erreichte zu verschlechtern. Das Gerät funktioniert und erfreut seit 2008 einwandfrei.
Der Schaltplan enthält die klassische Schaltungstechnik der 1. Generation von Transistorverstärkern; das ist die erste vernünftig funktionierende Schaltung gewesen. Davor gab es nur stark unsymmetrische Schaltungen die ohne Last überhaupt nicht funktionierten oder Übertragerschaltungen die für Transistoren eigentlich & normalerweise unangemessen sind. Die Version verwendet die einfachste Ruhestromeinstellung die es gibt, bestehend aus D1 und R7. Außerdem ist keine Bootstrapschaltung vorhanden wie in den 1960er- und 1970er- Jahren üblich, sondern eine vernünftige Konstantstromquelle mit zwei Transistoren (T5 und T6). Es ist ja schon sehr lange her, daß man mit Transistoren sparen mußte. So ist es optimal und der Klirrfaktor ist dreimal besser (siehe Oszillogramm unten).
Die Funktion
Mit RP1 (10kΩ) wird die Lautstärke eingestellt. R2 (2,2kΩ) dient einerseits als Schutz vor Überlastung des Transistors T1 (BC547B) und andererseits zusammen mit C2 (220pF) als Tiefpaß gegen Hochfrequenzeinstreuung. C3 (1µF/16V) ist ein Koppelkondensator der die Gleichspannung an der Basis T1 vom Eingangsanschluß fern hält. R5 (4,7kΩ) und C1 (100µF) bilden zusammen einen Tiefpaß gegen Betriebsspannungsbrummen. R3 (150kΩ) und R4 (220kΩ) ergeben einen Spannungsteiler für die Einstellung der Mittelpunktspannung am Ausgang, wobei R5 mit einzurechnen ist; dabei ist auch die BE- Spannung von T1 zu berücksichtigen. T1 fungiert als Differenzverstärker - einfacher geht es nicht; dabei ist die Qualität hervorragendt. Selbst wenn harmonische Verzerrungen entstehen, werden sie nicht als so störend empfunden. Ein unsymmetrischer Aufbau begünstigt nämlich eher "die guten" geradzahligen Oberwellen. Die Verstärkung wird über den Gegenkopplungsspannungsteiler aus den Widerständen R8 (470Ω) und R7 (47Ω) (durch deren Quotienten) eingestellt; C4 (220µF) entkoppelt dabei die Mittelpunktspannung vom Massepotential. Zur Verstärkungserhöhung kann man R8 erhöhen und R7 erniedrigen, dabei C4 vergrößern. T2 (BC557B) erledigt die Spannungsverstärkung. Sein differentieller Kollektorwiderstand wird durch die Konstantstromquelle aus T5 (BC547B), T6 (BC547B) und R10 (56 Ohm) sehr groß. Damit wird die Linearität verbessert und die Leerlaufverstärkung angehoben. Die Ausgangstransistoren T3 (BD139) und T4 (BD140) sorgen für die anschließende Stromverstärkung.
Der Aufbau
Die Schaltung kann auf Punktrasterplatine aufgebaut werden und kommt am besten in ein Metallgehäuse. Dabei ist darauf zu achten, daß kein Betriebsstrom über die NF-Abschirmung fließt, da dort sonst Brummanteile mit eingekoppelt werden. Deswegen ist die Betriebsspannnung auch gegenüber vom Eingang angeschlossen, damit der Endstufenstrom nicht über die Masseleitung auf der Platine fließt. Im Zweifelsfall laufen die Masseleitungen alle auf einem Punkt zusammen. Die Diode D1 wird direkt an das Beinchen des Transistors T3 gelötet. Damit ist schon eine ausreichende Ruhestromstabilisierung gewährleistet. Die beiden Endtransistoren werden z.B mit je einem 8x8mm Vierkant-Aluminiumstab gekühlt; diese haben eine große Wärmekapazität für Leistungsspitzen. Als sekundäre Energiequelle dient ein ungeregeltes 12V/1A - Steckernetzteil. C7 (4,7mF) ist auf dem Modul nur ein 10nF-Kondensator; der Elko ist zumindest bei der Stereoausführung im Netzteil.
Für Anfänger noch der Hinweis, daß die Kühlflächen der Endtransistoren keinesfalls miteinander verbunden werden dürfen (daher hier einfach getrennte Kühler), da sie mit dem Kollektor verbunden sind.
Klirrfaktor
Der Klirrfaktor liegt bei 1% mit einer Ausgangsleistung von 3W an 8Ω; bei 0,5W sind es nur 0,1%. Er wurde mit einer Behelfsschaltung eingeschätzt. Wenn man auf Linearität größeren Wert legt, dann sollte man eine Lautsprecherimpedanz von 8Ω nicht unterschreiten, denn die Stromverstärkung von bipolarenTransistoren sinkt spätestens bei ihrem halben Nennstrom stark ab, wie auch aus dem Datenblatt des jeweiligen Herstellers hervorgeht. Dadurch wird dann die Spannungsverstärkerstufe niederohmiger belastet, was wiederum zu einer geringeren Leerlaufverstärkung und mithin zu höherem Klirrfaktor führt.
Das Oszillogramm zeigt die Differenz zwischen Original und Ausgangssignal bei einem 1kHz Sinussignal. Darunter desgleichen, aber unter Verwendung einer Bootstrap-Mitkopplung anstelle einer KSQ bei der ansonsten gleichen Schaltung.
Belastbarkeit und Kühlung
Bei einer Betriebsspannung von 17V im Leerlauf wird auf Anschlag (10% Begrenzung) eine Ausgangsleistung von 3W an 8Ω erreicht. Soll der Verstärker dauernd 3W Sinusleistung liefern, dann sollte man nochmal über eine großzügigere Dimensionierung der Kühler nachdenken; dann könnte man auch gleich 18V UB stabilisiert anschließen. Natürlich ist auch Batteriebetrieb möglich. Den Betrieb an einem 4 Ω-Lautsprecher hat die Schaltung auch schon längere Zeit überlebt. Die BD 139/140 -Transistoren können bis zu 1,5 A vertragen, kurzzeitig sogar noch mehr.
Für höhere Leistung
Für eine höhere Ausgangsleistung braucht man eine höhere Betriebsspannung. Bei entsprechender Kühlung könnte man noch 24V anschließen und käme damit auf eine Ausgangsleistung von rund 8W an 8Ω. Die Transistoren wären damit an der Grenze ihrer Belastbarkeit angelangt. Für mehr Leistung sollte die Ausgangsstufe daher mit zwei zusätzlichen stärkeren Transistoren erweitert werden.
Fourieranalyse
Eine neuerliche Fourieranalyse zeigt sogar noch deutlich bessere Werte, jedenfalls an 8Ω ohmscher Last:
UB= 18V; IR= 4mA; ua= 13,75Vss; RL= 8Ω; fo= 1kHz
Aktualisiert am 4.3.2020
Der Klirrfaktor liegt bei 1% mit einer Ausgangsleistung von 3W an 8Ω; bei 0,5W sind es nur 0,1%. Er wurde mit einer Behelfsschaltung eingeschätzt. Wenn man auf Linearität größeren Wert legt, dann sollte man eine Lautsprecherimpedanz von 8Ω nicht unterschreiten, denn die Stromverstärkung von bipolarenTransistoren sinkt spätestens bei ihrem halben Nennstrom stark ab, wie auch aus dem Datenblatt des jeweiligen Herstellers hervorgeht. Dadurch wird dann die Spannungsverstärkerstufe niederohmiger belastet, was wiederum zu einer geringeren Leerlaufverstärkung und mithin zu höherem Klirrfaktor führt.
Das Oszillogramm zeigt die Differenz zwischen Original und Ausgangssignal bei einem 1kHz Sinussignal. Darunter desgleichen, aber unter Verwendung einer Bootstrap-Mitkopplung anstelle einer KSQ bei der ansonsten gleichen Schaltung.
Belastbarkeit und Kühlung
Bei einer Betriebsspannung von 17V im Leerlauf wird auf Anschlag (10% Begrenzung) eine Ausgangsleistung von 3W an 8Ω erreicht. Soll der Verstärker dauernd 3W Sinusleistung liefern, dann sollte man nochmal über eine großzügigere Dimensionierung der Kühler nachdenken; dann könnte man auch gleich 18V UB stabilisiert anschließen. Natürlich ist auch Batteriebetrieb möglich. Den Betrieb an einem 4 Ω-Lautsprecher hat die Schaltung auch schon längere Zeit überlebt. Die BD 139/140 -Transistoren können bis zu 1,5 A vertragen, kurzzeitig sogar noch mehr.
Für höhere Leistung
Für eine höhere Ausgangsleistung braucht man eine höhere Betriebsspannung. Bei entsprechender Kühlung könnte man noch 24V anschließen und käme damit auf eine Ausgangsleistung von rund 8W an 8Ω. Die Transistoren wären damit an der Grenze ihrer Belastbarkeit angelangt. Für mehr Leistung sollte die Ausgangsstufe daher mit zwei zusätzlichen stärkeren Transistoren erweitert werden.
Fourieranalyse
Eine neuerliche Fourieranalyse zeigt sogar noch deutlich bessere Werte, jedenfalls an 8Ω ohmscher Last:
UB= 18V; IR= 4mA; ua= 13,75Vss; RL= 8Ω; fo= 1kHz
Aktualisiert am 4.3.2020