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NF-Vorverstärker

Elektrikforum Foren-Übersicht -> Hausaufgaben
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Franz12
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Anmeldungsdatum: 10.05.2011
Beiträge: 1

BeitragVerfasst am: 10.05.2011 18:07    Titel: NF-Vorverstärker Antworten mit Zitat
Moin,
ich habe diese Schaltung in Physik als Hausarbeit bekommen. Aufgebaut und gemessen habe ich auch schon, nur leider verstehe ich die Funktionsweise dieser Schaltung leider nicht. Ich weiß, dass die Kondensatoren zur Glättung und Filterung von nicht erwünschten Störsignalen fungieren. Ich weiß aber nicht wofür die Widerstände in der Schaltung sind und weshalb ein Feldeffekttransistor (FET) verbaut wurde.

Über eine Antwort würde ich mich sehr freuen!

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Hallo!

Schau dir mal diesen Ratgeber an. Dort findet man viele Antworten!


Octavian1977
Inventar
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Anmeldungsdatum: 05.10.2006
Beiträge: 14367
Wohnort: Wiesbaden

BeitragVerfasst am: 10.05.2011 23:43    Titel: Antworten mit Zitat
So mal sehen ob ich das noch alles zusammenbekommen:

Der FET ist schon mal deswegen da um die Spannungsquelle Ue möglichst wenig zu belasten.
Ein FET benötigt weniger Energie als ein Standart Transistor.
Leider ist das Schaltsymol des FETs falsch der Pfeil gehört an das Gate, bei dieser Schaltung wohl in richtung des schwarzen balkens.

der Kondensator am Eingang soll Gleichspannungen abblocken.
der Widerstand erhöht nochmals die Eingangsimpedanz.
R2 soll verhindern, daß Spannungen am Gate des FET stehenbleiben und zu Fehlfunktionen führen um die Eingangsimpedanz nicht unnötig zu senken ist dieser sehr groß.
Da der FET keine große Leistung bringt steuert dieser einen Leistungstransistor an.
C5 und C6 schließen Wechselspannungen in der Versorgungsspannung kurz. C5 für niedrige Frequenzen und C6 für hohe Frequenzen.
so über den Rest darfst Du Dir mal selbst Gedanken machen.
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79616363
Inventar
Inventar


Anmeldungsdatum: 05.05.2008
Beiträge: 4442

BeitragVerfasst am: 11.05.2011 04:32    Titel: Antworten mit Zitat
Hallo und wilkommen im "Chaotenforum" Wink,

Octavian hat es ja schon gesagt, der Pfeil beim JFET ist falsch angesetzt - Spielt aber keinen Tango, denn wenn da BF245 dran steht, dann ist's ein N-Kanal JFET und den Rest kann man sich denken ...

C6 und C5 sind relativ langweilig.
C6 entkoppelt niederfrequente Störungen in der Versorgungsspannung.
C5 ist nötig, um auch höherfrequente Störungen wegzubügeln.
Elkos (wie C6) haben zwar vergleichsweise hohe Kapazitäten, schwächeln bei Hochfrequenz aber ganz gewaltig. Deswegen schaltet man hier einen Folienkondensator oder Keramikkondensator weit kleinerer Kapazität parallel - Die haben ihre Vorzüge nämlich im höheren Frequenzbereich.
Dieser Schutz muss sein, weil die Schaltung intern auch mit weit höheren Frequenzen als dem Hörbereich klar käme - Und das soll da ja nicht rein und alles verstopfen.

Machen wir weiter und schauen uns C1 am Eingang an. Das ist wieder ein Elko und der koppelt einfach die Wechselspannung aus und ignoriert Gleichspannungen.
Das geht hier deshalb gut, weil der Arbeitspunkt vom Gate des sehr hochohmigen Eingangs etwa bei GND liegt - Na ja, diese winzige Wechselspannung wird dem polarisierten Elko nix machen und es tritt kein wirklich komisches Verhalten ein.
Allerdings wär da (bei grad mal 1µF) schon über nen Folienkondensator nachzudenken gewesen.
Anders würde es bei höheren Eingangsspannungen aussehen!
Bei ner höheren Spannung kann ein gepolter Elko schnell zum Silvesterknaller werden und hat kurz davor ne sehr seltsame Kennlinie, die an ne Diode erinnert.

Aber bei gerade mal 1µF hätte man auch nen Folienkondensator nehmen können.

Dass Elkos im hohen Frequenzbereich etwas schwächeln, macht hier nix. Bis 20kHz (und soweit hören wir) spielen die kleineren Elkos ganz gut mit.

R1 gehört zum guten Ton und das obwohl er bei der eigentlichen Funktion eigentlich nicht viel macht. Der Eingang des JFET ist im Normalbetrieb so hochohmig, dass da 1k mehr oder weniger gar nicht mehr auffällt.
R1 wird erst dann wichtig, wenn sich der Verstärker nicht im Normalzusand befindet.
T1 ist ein JFET (kein IGFET - J- steht fur Junction, IG steht für isaolatet Gate), d.h. es kann durchaus sein, dass ein Strom vom Gate aus fliesst - Im normalen Betrieb ist das aber nicht der Fall!
Im Katastropenfall wird aber R1 den Gatestrom auf zulässige Werte begrenzen, so dass nix (sofort) kaputt geht.
Deshalb gehört dieser Vorwiderstand zur Ehre des Schaltungsdesigners rein Wink

R2 ist nur dazu da, dass das Gate vorgespannt wird.
Pi mal Daumen darf man R2 (1M) auch als Eingangswiderstand des Vorverstärkers auffassen. Der minimale (bzw. fast nicht messbare) Gatestrom verbiegt das zwar etwas, aber als gute Schätzung kann man das durchgehen lassen.

Würde man das Gate dauerhaft frei driften lassen, dann würde (wegen parasitärer Ströme) UGS=0 und der BF245B wird einen sagenhaften IDS von (typischerweise) 12mA bis 25mA ziehen - Die Exemplarstreuungen sind bei JFETs hier wirklich so übel!

Weil sich aber beim Einschalten ein Zustand ergibt, bei dem UGS zwar kurzfristig Null ist (C2 und C3 sind ja noch nicht aufgeladen), fliesst dieser Strom aber kurzzeitig und lädt über den Sourcestrom C2 und C3 auf.
Das Sourcepotential geht also stetig nach oben, bis UGS die Dropp-Off-Spannung erreicht.
Dass hier noch der R4 drin hängt ändert die Sache etwas, ändert sie ändert nichts grundsätzlich.
Das legt nur den Arbeitspunkt (hoffentlich) besser fest. R5 mit seinen gerade mal 100 Ohm können wir hier (zunächst) getrost vergessen.

Dass da bei C2 gleich mit 1000µF draufgehauen wird, ist mir etwas unverständlich. Aber okay, viel hilft viel und verschlechtern tut das den Frequenzgang sicher nicht und C3 verbessert das hochfrequente Verhalten.
Theoretisch müsste sich die Spannung von C3 bzw. C3 auf so ca. 2,7V einpendeln.

Kommen wir nun zur Bedeutung von R3. Der Fusspunkt von R3 ist Wechselspannungsmässig auf das Potentilal von C2 und C3 festgenagelt. Bei diesem fetten Elko wird man bei hörbaren Frequenzen kein Wackeln hören.
Dieser Punkt ist wechselstromtechnisch als fest anzusehen.

Zusammen mit dem BF245C und dem Drain Widerstand R3 ergibt sich damit eine Wechselspannungsverstärkung von 4,7k/0,1k=47.

Nicht gerade toll (wenn es z.B. um ein Mikrofon geht). Sein Part ist im Wesentlichen den Eingang möglichst hochohmig zu machen.
Dass er dann auch noch verstärken tut, ist eine Gefälligkeit von ihm.
Aber jetzt kommt's gleich ...

Zum BC560 an sich ist nicht viel zu sagen, es ist halt ein Kleinleistungs-PNP, der zur rauscharmen Klasse gehört und das muss bei Vorverstärkern halt so sein.
Ein BC558 würde zwar auch gehen, aber mehr rauschen.

Der PNP BC560 ist als invertierender Verstärker auf volle Kanne geschalten - Der soll (ohne Rücksicht auf Verluste oder Signalformen) alles geben was er kann.
Das kann der schon und zwar (im Vergleich zum JFET) relativ niederohmig - Allerdings verbeult es ihm heftigst die Signalformen.

Ja und jetzt? Laut aber kaum mehr verständlich?

Nein, so schlimm ist's nicht - Hier kommt die Gegenkopplung ins Spiel und die biegt das (im sprichwörtlichsten Sinn) wieder gerade.

R6 ist die Gegenkopplung. T1 versucht immer ausgeglichen zu bleiben und wenn ihm T2 eine quer reinschiesst, dann versucht er es auch auzugleichen - Damit passt das hinterher mit der Signalform wieder (ein wenig Schwund gibt' aber immer, wenn was gemacht wird).
Das ist hier etwas trickreich gemacht, denn R6 dient gleichzeitig auch noch als Kollektorwiderstand für T2.

Da ja T2 schon invertiert muss die Gegenkopplung aus Sicht von T2 eine Mitkopplung sein. Deswegen macht man das am Source-Anschluss von T1.
Ein kleiner Vorteil ist dabei sogar, dass T1 auf eine Kopplung über den Source-Anschluss sogar schneller reagieren kann, als wenn das entsprechend umgekehrte Signal auf Gate landen würde.

R7 ist nur noch Larifari um T2 etwas zu schützen und Rückwirkungen zu mildern.

Das Kollektorpotential von T2 liegt natürlich auch jenseits von Gut und Böse, aber dieser Glechstromanteil wird halt wieder von C4 weggebügelt.

Das war's mal zum Prinzip. Zum Rechnen hab ich heut keine Lust und in SPICE einkloppen will ich's jetzt auch nicht.

Vom Prinzip her müsst die Schaltung funktionieren. Es ist ein nicht invertierender Verstärker mit einer Spannungsverstärkung von etwa 100.
Der Eingangswiderstand beträgt etwa 1 MOhm und der Ausgangswiderstand dürft rtwas mehr als so gefühlte 12 KOhm sein Wink

Wie es nun mit den Übertragungswerten aussieht, kann ich Dir aufgrund der bei mir derzeit herrschenden Rechenfaulheit nicht sagen Wink
Ich hoff aber, dass das Prinzip dieser Schaltung rüberkam.

Tja, so ne einfach aussehende Schaltung und doch so viel Schweinkram dahinter.
Das ist aber das Schicksal von genialen Lösungen, sie sehen einfach zu einfach aus Wink

Viele Grüsse,

Uli
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Anmeldungsdatum: 05.05.2008
Beiträge: 4442

BeitragVerfasst am: 11.05.2011 18:34    Titel: Antworten mit Zitat
Soooo, hab mir mal die Mühe gemacht und das in LTspice reingekloppt.
Als Versorgungsspannung hab ich 12V angenommen (9V würden auch gehen).
Als Signal hab ich ein Sinus 10mV mit einem Innenwiderstand von 1 MOhm angenommen.
Was raus kommt siehst Du hier und das sieht gar nicht mal so schlecht aus ...



Achso ja, das SPICE-Modell von nem BC560 hatte ich grad nicht zur Hand, deswegen hab ich einfach nen BC557C genommen. Die unterscheiden sich von der hier massgeblichen Charakteristik kaum - Nur der BC557 rauscht etwas mehr.

Das "Hochfahren" des Verstärkers hab ich übrigens durch ein Delay von 1s ausgeblendet.

LTspice kann man übrigens umsonst runterladen und es verursacht auch keine Folgekosten. Allerdings sind nicht gleich alle Libs dabei, die man so im täglichen Nahkampf braucht Wink

Wenn Du ne fertige Lib für den BF245 und Konsorten brauchst, dann kannst Du die entweder selbst zusammenbasteln (die Hersteller sind da mit den Modellen sehr freigiebig) oder ich kann Dir auch eine schicken.

Viele Grüsse,

Uli

Nachtrag:

Ich hab über den eigentlich katastrophal hohen Wert von C2 gemeckert. Er ist allerdings wirklich sehr sehr hoch.
Ich hab deshalb mal den Bereich bei 10Hz untersucht (das liegt bereits deutlich unter unserer Hörschwelle).
Hier ist tatsächlich eine winzige Phasenverschiebung schon zu erkennen. Die ist aber so winzig, dass man sie nur ausrechnen kann, mit messen wird es schon schwieriger und mit hören geht schon gar nix Wink


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Anmeldungsdatum: 05.05.2008
Beiträge: 4442

BeitragVerfasst am: 14.05.2011 04:03    Titel: Antworten mit Zitat
Bevor hier Missverständnisse aufkommen, Franz12 hat sich per PN bei mir gemeldet.
Ich bin aber der Meinung, dass das hier ein Forum ist und harmlose bzw. zielführende Meinungen öffentlich ausgetauscht werden sollten.

Ich erlaub mir deshalb einen Teiltext aus der PN zu zitieren:

Franz12 hat folgendes geschrieben:
... Eine Frage wäre da jedoch noch offen geblieben.
Auf dem von unsererem Lehrer ausgeteilten Schaltungsbild sind Angaben zum Frequenzgang gemacht worden:
  • 3Hz - 140kHz (-0,1dB)
  • 1.5Hz - 300kHz (-3dB)
  • 1Hz - 450kHz (-6dB)

Was kann ich jetzt genau mit diesen Angaben anfangen.

(Sorry @Franz12, ich hab mir erlaubt das etwas zu formatieren ...)

Nun da steh ich auch erst mal wie der Ochs vorm Berg und weiss nicht richtig was gemeint ist.

Meine bescheidene Meinung dazu:

Die Einheit Bel gibt im Zusammenhang mit negativen Zahlen eine Leistungsdämpfung an.
Das ist ja bei der Schaltung auch irgendwie klar, denn hier wird ganz klar darauf gebaut, dass das Signal eine Wechselspannung ist und Gleichspannungsanteile werden unterdrückt.

Je niederfrequenter das Signal wird, desto mehr nähert sich die Sache schnellerem Gleichstrom Laughing und unsere Massnahmen zur Wechselstromauskopplung bzw. Stabilisierung des Source-Arbeitspunkts verschlechtern sich.
Damit wird die Verstärkung sinken, wenn wir auf sehr niedrige Frequenzen gehen.
Im umgekehrten Fall steigen bei hohen Frequenzen die Auswirkungen parasitärer Kapazitäten in den Bauteilen, welche die Verstärkung ebenfalls dämpfen.

Die Einheit Bel ist eigentlich nicht wirklich eine, sondern nur eine Zahl, die nen speziellen Namen hat Wink Ähnlich wie Prozent.

Es gilt einfach: L=lg(P2/P1)

  • Wobei P2 die Ausgangsleistung und P1 die Eingangsleistung ist.
  • Die Funktion lg() ist der Zehnerlogarithmus.


Für L ergibt sich z.B. der Wert 1 Bel (B), wenn das Leistungsverhältnis P2 / P1 = 10 ist.

Weit gebräuchlicher ist das Mass dB (Dezibel).
Das bedeutet nur, dass wir den Wert in Bel durch zehn teilen sollen.
Dh. 1 Dezibel = 1/10 Bel.

Das ist aber nix Anschauliches - Aber versuchen wir das mal zu verdeutlichen.



Nehmen wir an, wir hätten ne ideale Spannungsquelle (meinetwegen auch Gleichstrom) mit 1V.
Da dran hängen wir nen Spannungsteiler aus zwei Widerständen a 1 Ohm. Damit liefert unsere Spannungsquelle erst mal ne Leistung von 1V/2 Ohm = 0,5W. Als Strom fliessen offensichtlich 0,5A.

Den "oberen" Widerstand des Spannungsteilers verstehen wir als Innenwiderstand der Spannungsquelle.

Den "unteren" Widerstand verstehen wir als Eingangswiderstand des Verbrauchers.

Welche Leistung kommt nun noch am (gesamten)Verbraucher an?
Nun, die Spannung am Eingangswiderstand ist ganz offensichtlich 0,5V und der Strom im gesamten Spannungsteiler beträgt nach wie vor 0,5A.
Im Verbraucher werden also noch 0,25W verbraten.

Feine Sache, wir haben also P2=0.25W und P1=0,5W. Also ist P2/P1=0,5

Schauen wir mal was unser Zehnerlogarithmus dazu sagt ...
Lg(0,5)=-0,30103 Bel - Also ca. -3 Dezibel!
Wir würden also von ner Dämpfung von 3 dB reden.

Sorry, blöder konnt ich's nicht erklären Rolling Eyes
Die ganzen Ströme, Spannungen und Widerstände hätten wir gar nicht gebraucht. Das sollte das nur anschaulicher machen.

Hoffentlich finden andere Forenmitglieder schönere und bessere Beispiele ...

Da sind wir dann fast beim Problem der Leistungsanpassung - Da weiss ich aber nicht, ob ich damit nicht ne ganz fremde Baustelle aufreissen würde ... Das rechnen wir aber bei Interesse gerne aus Wink

Zu R3 in der Schaltung gibt es auch noch etwas zu sagen. R3 hat nur eine Bedeutung, solange T2 noch nicht ins Spiel kommt. Nur wenn T2 durchgeschmurgelt oder gar nicht da wäre, würde man am Drain die Spannungsverstärkung von 47 messen können.

T2 ist aber böse und drückt mit seiner BE-Strecke R3 gnadenlos weg - Re zusammen mit hFE von T2 ist jetzt das Mass aller Dinge.
Weil aber der Emitter von T2 an direkt + hängt, sind beide Transistoren gezwungen zu verstärken, was das Zeug hält "Walking on the edge" ...
Man lässt R3 aber drin, weil er T2 hilft überschüssige Elektronen loszuwerden, wenn T1 aufmacht - Das macht die Sache nen Tick schneller.
Allerdings haben wir jetzt eine "Extremverbeulung" der Kurven. Im Prinzip kommen nur sehr steile zackige Rechtecke raus.

Besserung bringt erst die Gegenkopplung durch R6 wieder, der nur durch R5 eine Chance hat gegenzukoppeln. Durch diese Gegenkopplung haben die beiden Transistoren gewissermassen ne Art miteinander zu "reden". Wenn T2 sagt "es ist zu viel", dann regelt T1 runter und umgekehrt. Dadurch bleiben beide "vernünftig" und wir haben wieder ein sauberes Ausgangssignal.

Über das Verhältnis der Widerstände lohnt es sich nachzudenken - Wobei es nicht ganz so trivial ist wie es den ersten Anschein hat - Als grobe Schätzung langt aber der triviale Ansatz.

Diese lustige kleine Schaltung hat mer Dynamit in sich als man zunächst denkt.

Nur mit sehr viel Mühe könnte man mit Hilfe von Modellen das zu Fuss ausrechnen.
Unser fleissiges Lieschen (LTspice) kann auch nur rechnen, macht das akribisch mit Modellen (wo wir lieber gar nicht dran denken das zu Fuss machen zu wollen) und kann sehr schnell rechnen.
Die Dämpfungen zu Fuss ausrechnen zu wollen wär ne Sisyphusarbeit. So Sachen überlässt man besser Programmen, die SPICE kennen. Ich bin zwar ein Freund vom Selberrechnen, aber da streck ich dann auch die Flügel und vertrau in erster Näherung auf mein Bauchgefühl.

Wenn das ne Hausarbeit werden soll, dann wär ich mir an Deiner Stelle nicht zu schade meine qualitativen Aussagen mit den quantitativen Belegen durch LTspice oder Pspice (und Konsorten) zu untermauern.
Wie gesagt, es gibt beide Programme frei und ohne Folgekosten im Netz! Na ja, Pspice nur in ner abgespeckten Version, die aber auch nicht ohne ist.

Mal ne indiskrete Frage. An was für nem Bildungsinstitut werden solche Fragen gestellt?
Gut okay, es kommt hier sehr drauf an wie tief man ins Detail geht, aber aus dem Ding kann man zur Not ne echte Doktorarbeit machen.

Viele Grüsse,

Uli
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Octavian1977
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Anmeldungsdatum: 05.10.2006
Beiträge: 14367
Wohnort: Wiesbaden

BeitragVerfasst am: 14.05.2011 15:20    Titel: Antworten mit Zitat
ich wäre sowieso dafür die Einheit Bel in Reis umzutaufen.
schließlich hat Reis das Telefon zuerst erfunden.
Bel war nur derjenige der seine ähnliche Version besser verkauft hat.
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Klaus1
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Anmeldungsdatum: 31.07.2014
Beiträge: 1

BeitragVerfasst am: 31.07.2014 20:08    Titel: Antworten mit Zitat
Hallo, der Beitrag ist zwar schon älter aber ich habe eine Frage zu einem fast gleichen Verstärker.
Ich habe diesen Verstärker mit fast gleichem Aufbau als Bausatz bei ELV "Rauscharmer NF-Vorverstärker" gekauft und zusammengebaut.Angegeben sind als Eingangsspannung <1mVss-100mVss. Was ist das ss? Ich wollte den Verstärker, um mit einer Spule 50Hz Kabel in der Erde zu finden Das Ergebnis ist aber sehr schlecht. Wenn ich mit dem Finger an den Eingang beim Verstärker fasse, ist eine leise Änderung in den Kopfhörern zu hören.Wenn ich an die Basis vom Transistor anfasse gibt es keine Änderung.
Meine Spule mit einem Z von 80 Ohm bei 50 Hz empfängt nur was, wenn ich den Lötkolben daneben lege. Da hatte ich schon andere Verstärker die besser waren aber eben leider nicht ausreichend genug.
Früher hatte ich mal so einen kleinen Verstärker mit 3 DDR Transistoren und gleicher Spule. Da habe ich Kabel in der Erde finden können. Was ist an dem Verstärker falsch oder was machen ich falsch?

Gruß
Klaus1
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bigdie
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Anmeldungsdatum: 23.11.2013
Beiträge: 6737

BeitragVerfasst am: 31.07.2014 21:28    Titel: Antworten mit Zitat
SS bedeutet Spitze Spitze. Ein kabel in der Erde finden aufgrund der 50Hz ist sehr schwierig. Das magnetfeld eines Kabels entsteht nur, wenn Strom fließt, und hebt sich zudem fast wieder auf, wel der Strom ja in beiden Richtungen immer gleich groß ist. Da hat man erfolg bei 1cm Putz aber in 60cm Erde kaum.
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