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Kleiner Verstärker / LTspice
#1
Hallo Bastler,

vor einigen Tagen bin ich durch Zufall auf eine Youtube-Playlist gestoßen, mittels der einem Laien ziemlich verständlich erklärt wird, wie ein Transistor funktioniert. Eine Röhre ist ja rudimentär gesehen nicht viel anders.

https://www.youtube.com/playlist?list=PL...e=view_all

Dabei kommt auch eine Schaltung vor, die ich einmal genauer anschauen und mit der ich etwas üben möchte.


.png   BC107_Verstärker.png (Größe: 52,24 KB / Downloads: 558)

Nun habe ich das Ganze mal in LTSpice übertragen:

   

Das Programm sieht dann folgendermaßen aus:

.zip   Verstärker.asc.zip (Größe: 726 Bytes / Downloads: 45)

Wenn ich die Schaltung simuliere, passiert auch genau das, was es soll.
   

Man sieht sehr schön, wie der Verstärker verstärkt. Das Thema ist eigentlich für Anfänger gedacht, die sich mal etwas näher einarbeiten wollen. Durch die Erklärung sind mir auch in der Röhrentechnik wieder einige Knoten aufgegangen, die ich vorher nicht verstanden habe. Vielleicht hat der ein- oder andere auch einen Nutzen davon und versteht so manches besser. Für die Profis unter uns darf hier auch gerne "mitgebastelt" werden. Für Verbesserungen, weitere Schritte und Tips würde ich mich freuen. Sicher werde ich zu gegebener Zeit auch mal die Schaltung auf dem Steckbrett nachbauen.

Nun freue ich mich schon auf Reaktionen.
Viele Grüße 
Philipp
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#2
Hallo Philipp und andere Interessenten,

einen guten Grundlagenkurs zu Verstärkerschaltungen mit Transistoren habe ich per Zufall auf den Seiten der Deutschen Welle (DW) gefunden. Der Link ist hier, leider alles in Englisch. Wieso auf den Seiten der DW? Keine Ahnung, ich vermute, das ist da "vergessen" worden.

Ich "spice" auch gerade herum, in einem anderen Zusammenhang. Mit LTSpice kann man noch weitere Einblicke in diese einfache Schaltung bekommen, ich habe ein paar Modifikationen vorgenommen.

   

Das ist im Wesentlichen dieselbe Schaltung, aber eine andere zeitliche Auflösung. Man kann erkennen wie groß das Ausgangssignal ist (kleines Kästchen), aber man sieht auch bereits mit dem bloßen Auge dass das kein reiner, sondern ein verzerrter Sinus ist. Der Grund ist die nichtlineare Kennlinie der Basis-Emitter-Strecke des bipolaren Transistors, eine Diodenkennlinie. D.h. der Basisstrom folgt nicht strikt linear der Basisspannung, aber bei einem bipolaren Transistor ist es der Basisstrom der die Verstärkungswirkung hervorruft, nicht die Basisspannung. Weil jede Schwingungsform abweichend vom reinem Sinus Oberwellen erzeugt habe ich LTSpice eine FFT (Fast Fourier Transformation, Analyse des Frequenzspektrums) durchführen lassen. Man sieht deutlich neben der Grundwelle von 1kHz die weiteren Oberwellen im 1kHz-Abstand. Selbst eine solch einfache Schaltung kann also bereits ordentlich ein Signal verfälschen.

   

Am Emitter gibt es den Widerstand R3. Dieser dient der Stromgegenkopplung und stabilisiert den Arbeitspunkt des Transistors bei Temperaturänderungen, da sich bei Halbleitern die elektrischen Parameter relativ stark mit der Temperatur ändern. Für Wechselspannungen, wie das 1kHz-Signal hier, ist der Widerstand mit dem Kondensator C2 überbrückt. Klemmt man den Kondensator ab, so wird auch das Wechselspannungssignal gegengekoppelt, d.h. der nichtlineare Einfluss der Basis-Emitter-Strecke nimmt ab und das Signal wird "getreuer" verstärkt:

   

Man sieht bereits mit bloßem Auge dass der Sinus eher wie ein Sinus aussieht. Natürlich sinkt jetzt durch die Gegenkopplung die Wechselspannungsverstärkung dramatisch (kleines Kästchen). Man muss eben einen Kompromiss eingehen, große Verstärkung und geringe Verzerrungen sind mit einer einzigen und so einfachen Stufe nicht möglich. Das Frequenzspektrum sieht jetzt auch besser aus. Es gibt zwar immer noch Oberwellen (und Rauschen), aber der Abstand zur Grundwelle ist wesentlich größer als im vorherigen Fall (man beachte die logarithmischen Skalen!).

   

Die LTSpice-Files hier, nur umbenannt und nicht gezippt:

.zip   Verstaerker_ohneGK.asc.zip (Größe: 2,19 KB / Downloads: 42)

.zip   Verstaerker_mitGK.asc.zip (Größe: 2,13 KB / Downloads: 66)
Nach Herunterladen einfach in *.asc umbennen.

Gruß,
Eric
Gruß, Eric
(Avatar † 24.07.2018 17:15 --- R.I.P.)

Das Internet macht Kluge klüger und Dumme dümmer.
Ein Haus ohne Katze ist nur ein Haufen Steine.
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#3
Hallo Eric,

vielen Dank, daß Du Dich gleich mit einklinkst. Die leichte Verzerrung ist mir auch schon aufgefallen, mein Gedanke war "Der Sinus ist aber irgendwie auch nicht sauber." Etwas anfangen, so wie Du, kann ich leider noch nicht, deswegen bin ich auf Deine leicht verständlichen technischen Ausführungen angewiesen. Diese Hintergründe, gerade auch mit den Oberwellen habe ich hier nicht kombiniert, obwohl ja bekannt ist, dass jede Schwingungsform ausser Sinus Oberwellen erzeugt.

Jetzt möchte ich noch zwei Fragen anbringen. Man entschuldige bitte die etwaige Naivität.
Dass man bei der sehr rudimentären Schaltung keine Wunder erwarten darf, ist klar, sonst wären die ganzen großen Amp-Hersteller ja etwas übermütig, hier geht es ja eig. nur um den Lerneffekt, aber könnte man diese Schaltung als z.b. "Hosentaschen-Signalverfolger" verwenden z.b. für den Multivibrator?

Zweite Frage, wo würde man ein Lautstärke-Poti einsetzen? Direkt am NF-Eingang etwa?

Und doch noch eine Frage zum C2 (Gegenkopplung). Was passiert, wenn ich den Wert des C2 verändere, hat dieser Wert Einfluß auf die Verzerrung? Würde es also Sinn machen, mit dem Wert dieses Kondensators zu experimentieren?
Viele Grüße 
Philipp
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#4
Hallo Philipp,

im Prinzip kann man den Verstärker an dem Multivibrator anklemmen, allerdings würde der komplett übersteuert. Der Multivibrator liefert ja bereits ein recht hohen Spannungspegel, der braucht nicht in der Spannung verstärkt zu werden. Was sinnvoller ist, ist eine Impedanzwandlung, also eine Stromverstärkung damit der Ausgang auch niederohmigere Lasten treiben kann. Dazu nimmt man bei Transistorschaltungen eine Kollektorschaltung (auch Emitterfolger genannt), und nicht wie oben in der Schaltung eine Emitterschaltung. Bei der Kollektorschaltung ist der Kollektor mit der Versorgungsspannung verbunden, die Basis der Eingang, der Emitter der Ausgang -- für einen Arbeitspunkt muss man hier noch sorgen. Schaltungsbeispiel bei DW unter 2.4.2. Rb1 = Rb2 = 10k. Re so klein wie möglich, je kleiner desto geringer die Ausgangsimpedanz aber je kleiner desto höher auch die Verlustleistung des Transistors. Mit Röhrenschaltungen ist das schlecht zu kombinieren weil es an einer niedrigen Versorgungsspannung fehlt, evtl. wie im Fall des Multivibrators die Heizspannung Einweggleichrichten und glätten.

LS-Poti immer da, wo es hochohmig ist, also am Eingang des Verstärkers... sonst sinkt bei Belastung die Spannung hinter dem Poti, da das Poti ja selber relativ hochohmig ist.

C2: Wenn man den kleiner im Kapazitätswert macht ändert man nur die Grenzfrequenz, d.h. den Übergang was als Gleichspannung (der Arbeitspunkt des Transistors) und als Wechselspannung (das Nutzsignal) betrachtet wird. Also je kleiner der Kondensator desto eher werden hohe Frequenz mehr verstärkt, niedrige Frequenzen geringer verstärkt. Kann man zur Klangbeeinflussung nutzen (Klangregelung), ist aber an der Stelle eher unüblich.
Wenn man einen Kompromiss zwischen Verstärkung und Verzerrung haben möchte, aber trotzdem den Emitterwiderstand zur Stabilisierung des Arbeitspunktes des Transistors in der Schaltung haben möchte, kann man den Emitterwiderstand auf zwei Widerstände in Reihenschaltung aufteilen und nur einen Widerstand durch einen Kondensator für Wechselspannungen überbrücken. Dann hat man eine Mischung aus Gleichspannungs- und Wechselspannungs-Gegenkopplung.

Gruß,
Eric
Gruß, Eric
(Avatar † 24.07.2018 17:15 --- R.I.P.)

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#5
Hallo,

wenn ihr nun theoretisch unterwegs seid und schon eine FFT gemacht habt, sollte es einfach sein, die Klirrfaktoren der Schaltungen auszurechnen. Das würde das Verständnis für diese Kenngröße vertiefen.

Die Ampltude der Oberschwindungen liegen ja vor. Diese werden ins Verhältnis gesetzt: siehe auch Klirrfaktor.

So könnte dann die Verbesserung der Schaltung auch via Kenngrößen bewertet werden.
Viele Grüße

Franz Bernhard


... und die Radios laufen nicht weg.....
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#6
Die Berechnung des Klirrfaktors ist mir noch unbekannt, da muss ich mich mal reinlesen. Da fehlt mir aber wohl noch viel Hintergrundwissen.

Leider konnte ich Eric's Datei nicht öffnen, da gab es ein Problem mit dem Archiv. Egal, hingesetzt und Eric's Modifikationen trotzdem in meine Datei gebastelt.

Dabei habe ich den Kompromiss, den Eric angesprochen hat, mal angewendet und dem Emitter-Widerstand R3 noch einen R6 spendiert. Den 100R hab ich dann 30/70 geteilt und den Kondensator dazwischen angeschlossen. Der RMS am Ausgang ist nun in die Höhe geschnellt, wobei der Sinus aber doch noch recht sauber aussieht.

FFT muss ich auch nochmal genau nachlesen, was das ist, hängt aber wohl, wie Franz Bernhard sagt auch mit dem Klirrfaktor zusammen.

Ach ja, Sinus sieht bei mir nun mit der Gegenkopplung samt geteiltem E-Widerstand so aus.

   

   

Nebenbei fordert Eric mich auch, endlich mal das LTSpice zu lernen. Interessantes Programm.
Viele Grüße 
Philipp
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#7
FFT = Fast Fouruier Transformation, zerlegt ein Signal in seine Frequenzanteile.

Mal ein schneller Versuch zur Erklärung: Wenn man zwei Sinussignale addiert, erhält man ein neues Sinussignal, dabei können Amplitude, Frequenz (und auch die Phase) unterschiedlich sein. Wenn man weitere Sinus-Signale geschickt addiert, kann man praktisch im Summe jedes Signal erzeugen, z.B. ein Rechtecksignal.

Schickt man nun ein Sinussignal durch einen Verstärker kommt "hinten" ein verstärktes, aber auch geändertes Signal heraus, weil der Verstärker eben nicht linear ist,siehe oben! Dieses geänderte Signal kann man als die Summe addierter Sinussignale interpretieren, das auch das verstärkte unverzerrte Eingangssignal enthält.

Eine FFT löst das Signal in seine Summenbestandteile frequenzabhängig auf; d.h. die im Ausgangssignal enthaltenen Bestandteile werden ausgerechnet. Summiert man diese aufgelösten Sinusschwingungen erhält man wiederum das analysierte Signal.

Dabei wird als dominates Signal natürlich das verstärkte unverzerrte Eingangssignal auftauchen, allerdings auch weitere Signale. Diese werden durch die Art und Qualität des Verstärkers beeinflußt.

Der Klirrfaktor ist nun ein Maß für die Signale, die eben nicht dem unverzerrten, verstärktem Eingangsignal entsprechen, allerdings wird das Eingangssignal auf einen 1KHz Sinus beschränkt.

Es ergbit sich aus der FFT-Mathematik, dass die neuentstandenen Signale gerade die Oberwellen sind, also Wellen, deren Frequenz ein ganzahliges Mehrfaches des Ausgangssignals ist.

Diese Zusammenhänge gelten übrigens für alle Schwingungsvorgänge, nicht nur für elektrische. Dazu wurde 1905 von einem gewissen Barkhausen promoviert. Jener Barkhausen hat dann auch eine Standardwerk über Röhren und ihrer Funktion geschrieben, indem u.a der Klirrfaktor erklärt wird.
Viele Grüße

Franz Bernhard


... und die Radios laufen nicht weg.....
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#8
Hallo zusammen,

der Klirrfaktor läßt sich mit LTspice auch in der Log-Datei anzeigen, die bei jeder Simulation erzeugt wird.

Füge mit dem Button .op die folgende Zeile ein:
Code:
.four 1kHz V(OUT)

Damit "mißt" LTspice die Spannung an OUT und erzeugt in der Log-Datei eine Tabelle mit den Daten der Grundwelle [1 kHz] plus standardmäßig 8 Oberwellen. In der Zeile unter der Tabelle wird der Klirrfaktor ausgegeben (Total Harmonic Distortion).

Bei dieser Schaltung würde ich aber für den Klirrfaktor nicht die ersten 5 Schwingungen heranziehen, und ich würde auch wesentlich mehr Schwingungen anzeigen. Wenn man die Simulationszeit mal auf
Code:
.tran 1000ms
stellt, sieht man in den ersten Millisekunden ein Einschwingen, das einen höheren Klirrfaktor hat.
Um die Aufzeichnung erst nach dem Einschwingen - z.B. erst nach 10 ms - zu beginnen, gibt man
Code:
.tran 0 1000ms 10ms
ein.

Gruß, Frank
Keiner von uns kommt lebend hier raus. Also spart nicht alles für später auf. Eßt leckeres Essen. Spaziert in der Sonne. Springt ins Meer. Sagt die Wahrheit und tragt euer Herz auf der Zunge. Seid albern. Seid freundlich. Seid komisch. Bastelt mit Radios. Für nichts anderes ist Zeit.
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#9
Kann mir jemand kurz erklären, was der Unterschied zwischen einem klassischen Verstärker und einer Kollektorschaltung ist, also einem Emitterfolger?

Dass der Ausgang statt am Kollektor am Emitter hängt und der Kollektor direkt an der Versorgungsspannung ist klar, aber so ganz raff ich das nicht, warum das so ist.
Viele Grüße 
Philipp
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#10
Die verschiedenen Schaltungen haben verschiedene Eigenschaften.

Hier ist eigentlich alles gut zusammengefasst:
https://de.wikipedia.org/wiki/Transistor...chaltungen
Grüße
Christoph
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#11
Kann mir jemand kurz erklären:
klassischen Verstärker:ist Spannungsverstärkung Vu100 bis 500
Kollektorschaltung ist: ist STROMVERSTÄRKUNG Vu kleiner 1
Lieber fünfmal scheitern als gar nicht probieren.
Viele Grüße aus Fraham
Helmut
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#12
Dankeschön!
Viele Grüße 
Philipp
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