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Stand 19.01.2016

Schaltungen für Audio und für's Auto

von K. Föllner
 

Ich habe nicht alle Schaltungen, so wie dargestellt oder gar nicht getestet, deshalb übernehme ich keine Garantie!

Hier sind weitere Schaltungen, die auch von mir verwendet werden.

Klein-Verstärker für PC-Boxen

Diese Schaltungen stammen nicht alle von mir, manche bekam ich per mail oder entnahm Teile allgemein zugänglichen Applikationsschriften. Sie werden hier zur Information ohne weitere Urheberhinweise aufgelistet.

Hier sind einige kleine, nützliche Zusatzschaltungen enthalten, die einiges ungemein erleichtern können.
Zusätzlich zu dieser Seite gibt es Schaltungen zum Thema Frequenzweichen (passiv und aktiv).

Übersicht:



Differenzschaltung:

Allgemeines:
Man verwendet die Differenzschaltung um aus zwei Musikkanälen die Unterschiede (Korrelation) zwischen beiden wiederzugeben. Das Grundsystem existiert schon seit den 70er Jahren, damals manchmal noch Pseudoquadro genannt. Man überlegte schon damals, wie man 4 Kanäle (Quadrophonie) in einem 2-kanaligen Stereosignal übertragen kann.
So funktioniert es bei Dolby: Dieses Grundprinzip wurde auch bei Dolby Surround angewandt. Man nahm "einfach" einen hinteren Kanal, verschob die Phase um -90° und mischte es (mit -3dB) in den linken, b.z.w. schob die Phase um +90° und mischte es abgeschwächt in den rechten Kanal mit hinein. Da Rauminformationen, wie Hall und Echo hauptsächlich nur im mittleren Frequenzbereich eine Rolle spielen, wurde dem hinteren Kanal vor dem Mixen ein Bandpassfilter von 100Hz bis 7kHz vorgeschaltet. Als vierten Kanal nahm man einen vorn in der Mitte (Center), den man abgeschwächt (-3dB) in beide Kanäle mixte. Er soll vor allem die Dialoge bei den Filmen und den Solisten bei Musik wiedergeben. Um die Kanaltrennung und den Rauschabstand zu erhöhen, verwendete man zusätzliche Ex- und Kompander.
Beide Kanäle lassen sich auch ohne diese zusätzlichen Filter nutzen. Sie sind einfach zu gewinnen: Der Center enthält nur das Summensignal, also L+R, was einem einfachen Monosignal entspricht. Der Rearchannel ist aus dem Stereosignal durch Differenzbildung (L-R, oder R-L) beider zu erhalten, dabei werden die Signale bei einer Phasendifferenz von 180° am lautesten wiedergegeben.
Da auch im einfachen Stereosignal Unterschiede (in Amplitude und Phase) zwischen beiden Kanälen vorhanden sind, werden gute Ergebnisse mit einer einfachen Differenzschaltung erzielt. Bei Stereo-Musik ist es dem aufwendigen Dolby Surround Pro Logic-Decodern überlegen, da es keine Pumpeffekte durch die dort verwendeten Expander gibt.
Das Ergebnis ist einfach verblüffend. Dadurch werden vor allem die Rauminformationen, wie Echos, Hall... wiedergegeben. Bei guten Stereoaufnahmen treten interessante Effekte auf, z.B. wenn beim Gesang der Nachhall nach hinten wandert. Allerdings dürfen die hinteren Speaker nicht zu laut sein, um das Gesamtergebnis nicht zu verschlechtern. Normalerweise sollte man sie bei normalen Stereoprogramm auf den Frontboxen gerade wahrnehmen können, ohne dass sie in den "Vordergrund" treten. Betreibt man sein System eine Weile damit und entfernt dann die hinteren Lautsprecher wieder, klingt alles zusammen plötzlich flach und eintönig.
Nachteil bei der einfachen Variante: Lautstärke hinten und Gesamteindruck abhängig von der Abmischung, die sich von Titel zu Titel stark unterscheiden kann.
Und im Auto gibt es noch den Nachteil für die Leute im Fond: die haben wenig davon, da für sie die hinteren Speaker zu laut sind. Bei einigen Radiosendern (z.B. Enjoy Radio) werden teilweise Titel mit zusätzlichen DSPs überrechnet, wodurch diese Effekte total überzogen wirken. Andersherum werden bei starker Komprimierung z.B. mit MP3 (128kb/s oder noch weniger) die Phasenverschiebungen zwischen den Kanälen "geschwächt" oder entfernt, was diese Surroundeffekte dann auch eliminieren kann.
Bei Musik ist der räumliche Eindruck besser als bei PRO LOGIC, was vielleicht auch an dem fehlendem Verzögerungsglied, sicher aber am erweiterten Frequenzgang (auch über 7 kHz hinaus) und dem diffusen Klangbild (der linke hinter LS gibt L-R, der rechte R-L wieder) liegt. Bei Filmen ist jedoch systembedingt der Raumeffekt schlechter. Das liegt an der schlechteren Kanaltrennung.
Eine einfachste Möglichkeit den hinteren Kanal zu nutzen, sind folgende passive Möglichkeiten:

1. für konventionelle nicht gebrückte (Low-Power)-Stereoendstufen:

Passive
                Differenzschaltung
Zum Test oder als einfachste Möglichkeit können die Widerstände, das Poti und die Elkos ja auch weggelassen werden. Dann müssen nur beide "-"Anschlüsse der Lautsprecher in der "Luft" zusammen geschaltet werden, und die negativen LS-Anschlüsse von der Radio-Endstufe bleiben frei. Bei dieser Schaltung ist aber der Pegel der hinteren Lautsprecher nicht einstellbar, wenn diese Schaltung einfach parallel an die gleiche Stereo-Endstufe wie die Frontkanäle angeschlossen wird. Dafür ist hier noch einmal ein Poti vor die Lautsprecher zu schalten.
Die Widerstände dienen dazu, dass über die Hecklautsprecher doch noch einige Seiteninformationen zu hören sind, wie viel wird durch das Potentiometer (je nach Geschmack und Lautsprecher bis 100Ohm/5W) rechts eingestellt. Die Widerstände links (je etwa 20Ohm/2W) dienen unter anderem zum Schutz der Brücken-Endstufen  Bei konventionellen Heimendstufen können die beiden deshalb weggelassen werden. Die beiden Kondensatoren (100µF bipolarer Elko mit parallel geschaltetem Folien-C) stellen nur einen Hochpass dar, der den Bassbereich (fu etwa 50...200Hz) etwas vom Lautsprecher fern hält. Optimal funktioniert diese Sache, wenn man eine getrennte Endstufe verwendet.
Achtung: Besonderheit bei Car-HiFi-Endstufen: Hier werden oft die Endstufen, um sie leicht im Mono-Brückenbetrieb verwenden zu können, schon an der Stromversorgung in Reihe geschaltet, so dass das obige so nicht nicht funktioniert. Es würde dann z.B. das Mono-Signal wiedergegeben.
Das Differenzsignal weist oft weniger als 10% der Spannung eines Einzel-Kanals auf. Bei schlechten Verstärkern mit großem Innenwiderstand kann durch die oben gezeigte passive Schaltung das Übersprechen der beiden Frontkanäle deutlich hörbar werden, dann muss man die aktive Variante verwenden, wodurch eine zusätzliche Endstufe nötig wird

2. für Brückenendstufen (High-Power)

Passive
                Differenzschaltung für High-Power
Das Prinzip bei dieser Version ist komplett identisch, nur dass eine höhere Leistung (ca. 4x so viel) abgegeben wird, da hier jeder Lautsprecher an einer gebrückten Endstufe hängt. Die Kondis (2 bipolare Elkos) sind ebenfalls empfehlenswert und können direkt in Reihe (z.B. vor den + jedes Lautsprechers) geschaltet werden.
 

Auch eine aktive Version ist möglich und sogar besser. Allerdings wird neben der Differenzschaltung eine zusätzliche Endstufe benötigt. Auch eine Monoendstufe ist möglich, dann wird nur ein Kanal verwendet und die Lautsprecher werden am Ausgang gegeneinander verpolt.

Möglichkeit mit 2 Ausgängen (L-R, R-L):

aktive
                Differenzschaltung (1 Ausgang)
angelehnt an: radio fernsehen elektronik 1974, Heft 19, S. 636 ff "Quadro-Effekt- ein Gerät zur pseudoquadrofonen Wiedergabe"
Es handelt sich hier um eine Prinzipschaltung, so sind geeignete Widerstände- (und so auch Kondensatoren) abhängig vom verwendeten Transistortyp, dem gewünschten Eingangswiderstand und der Versorgungsspannung auszuwählen. Die Eingangs-RC-Kombination sollten gleich als 100Hz-Hochpass verwendet werden. Wer will kann ja weitere Änderungen vornehmen, wie z.B. Arbeitspunktstabilisierung oder gleich die Möglichkeit in die hinteren Kanäle (z.B. L-R) den jeweiligen Frontkanal etwas mit hineinzumischen, um hinten einige Seiteninformationen (xL-R, xR-L) zu erhalten, um ein noch besseres Raum- und Klanggefühl wiederzugeben.

Will man beide Ausgangsstufen verwenden, sollten, damit keine Pegelunterschiede auftreten, die Transistoren rechts eine möglichst geringe Verstärkung (A) aufweisen. Das Poti wird benötigt, um die Verstärkung der unterschiedlichen Transistorschaltungen links auszugleichen. (Auch hier Transistoren mit möglichst geringen Verstärkungsfaktor wählen.) Man gibt ein Monosignal auf beide Eingänge und stellt es so ein, dass die Ausgangsspannung (Pegel) minimal wird.

OK, noch einiges zu den Werten, hier sind einige Annäherungen, die aber abhängig vom Transistortyp und der Spannung (Uv etwa 9...20V) sind: C1=C2=33nF bei R1=47k; R2=100k...500k (Ist der zu groß wird bei höheren Eingangsspannungen, besonders bei kleineren Uv wird T1 schnell übersteuert.); R3=R4=6,8k; R5=47k; R6=R7=100k; R9=10k; Pca. 10...25k; C3=10uF Elko + an Emitter. Man kann R8 (und das R9-Äquvalent) auch brücken, das R8-Äquivalent hat eine ähnliche Größenordnung wie R9. Bei diesen Größen sind nur simple Miniplast-08/15-Transistoren z.B. BC547A nötig, ich verwendete SC239D, da ich viele davon hatte.


OK, hier eine aufwendigere Version mit OPs. (OPVs)
Schaltungsbeschreibung:
Die obere Version ist nur für eine symmetrische Spannungsversorgung (+10V, 0V an Masse, -10V) geeignet, also nicht für den direkten Einbau ins Auto.
Ich bemühe insgesamt 8 OPs, wobei je 4 in einem Gehäuse (Standard-IC wie 741, LM2902, TL 084, TL 074 etc.) untergebracht sind. Die ersten 2 OPs (IC2A, IC2B) dienen zur Entkoppelung und Anpassung des Pegels von jedem Kanal. Mit P1 kann die Verstärkung zwischen 1 und 11 (0...+21dB) eingestellt werden, damit lässt sich die Eingangsempfindlichkeit zwischen 0,5Vss (0,1Vrms) und 6Vss (2,1Vrms) anpassen. Sollen noch größere Spannungen vertragen werden, sollte unbedingt ein Rail-to-Rail-OP benutzt werden.
Der nächste (IC2C) dreht die Phase und nach der anschließenden Summierung (Signal L-R) wird das Signal mit IC3A verstärkt, um den Pegelabfall, der durch die Differenzbildung entsteht, auszugleichen. Mit P3 lässt sich diese Verstärkung zwischen 6 und 27dB (bei 220k) einstellen.
IC3B dient wieder zur Phasendrehung eines Ausgangssignals, das mit den letzten beiden Stufen wieder phasenrichtig nach außen gegeben wird. Der Clou ist aber die Möglichkeit des Mischens: Zum Differenzsignal kann der jeweilige Front-Seitenkanal hineingemischt werden. Mit P2 kann der Seitenkanal im Bereich von 30dB "hinein geregelt" werden.
Die Reihen-Cs legen die untere Grenzfrequenz auf etwa 100Hz,

Differenzschaltung mit
                    OPs (symmetrisch)

gleiches Prinzip mit asymmetrischer Versorgung (dadurch mehr C's):

Differenzschaltung mit OPs (asymmetrisch)
R1...R5, R8...R15,R18..R20:  10k
R6, R16, R21, R22:   1k
R7, R17:    4k7
P1    2x 100k/lin
P2    2x 100k...220k/lin
P3    47k...220k/lin
D1  Schottky-Diode mit niedriger Flussspannung empfehlenswert
IC1  L7808 (bei größerer Versorgungsspannung am Eingang auch L7810 [>12,5V] oder L7812 [>14,5V])
IC2, IC3 siehe Text

C1: 470uF / 35V
C2: 10uF / 16V
C3...C5: 100nF
C6: 1uF
C7, C8, C9:    220nF oder mehr
C10, C11:  100nF...470nF
* C10 und C11 sind abhängig vom Eingangswiderstand der nächsten Stufe, je niedriger er, desto größer muss der Wert sein, Minimum sind 100nF, die bei Eingangswiderständen von mehr als 10kOhm eingesetzt werden können.
Der Frequenzbereich (-3dB) liegt bei ca. 100Hz und geht bis über 20kHz hinaus. Die hohe untere Grenzfrequenz ist Absicht, um den Bass vom "Surround"-Signal fernzuhalten. Im Differenzsignal sorgt ein Hochpass dafür.
C12...C20: 10uF / 16V
 



Center-Speaker im Auto:

Ein Center-Speaker wird (ich finde nicht erforderlich) in die Mitte des Armaturenbretts eingebaut, um z.B. die Stereobreitenstaffelung zu verbessern. Er gibt das einfache Mono-Signal wieder.
Will jemand im Auto einen Center-Speaker ohne zusätzliche Endstufe etc., ist das einfach möglich, wenn das Autoradio über mind. 2 Highpower-Endstufen verfügt.
Würde man an die +Anschlüsse des linken und rechten Kanals gehen, erhält man direkt ein Differenzsignal. Da das Radio aber gebrückte Endstufen hat, schließt man den + des Lautsprechers an den + des einen (egal ob L oder R) und den - des Lautsprechers an den - des anderen Kanals an. Das funktioniert nur bei High-Power-Ausgängen, andererseits hört man im "Center-Lautsprecher" nur einen Kanal, da die -Anschlüsse für beide Kanäle Masse-Potential haben.
Wer auf Nummer sicher gehen will, hängt an jeden Ausgang je einen (in Reihe) Elko dazwischen.
Das gleichzeitige Nutzen von Differenz- und Summenschaltung an einer Endstufe sollte man jedoch unterlassen.

Sucht jemand eine aktive Version: Die 1. aktive Differenzschaltung (mit den 4 Transistoren) modifizieren. An der unteren linken Transistorstufe der Kondensator nicht an den Kollektor, sondern an den Emitter zu hängen. Die beiden rechten Stufen und P1 können dann auch weggelassen werden. R5 wird dann direkt mit seinem Pendant zusammen geschalten und dort ist auch der Abgriff für den Ausgang.

Summe für center


Nach-/ Umrüsten (z.B.einer Soundkarte) auf einen optische Eingang:

Ein optischer Eingang kann ganz einfach integriert werden, auch wenn z.B. nur ein interner elektrischer Digitaleingang (z.B. Terratec DMX Fire, Creative SB Live) vorhanden ist. Das geschieht mit nur einer Handvoll von Bauteilen:
digitaler
                optisch->coax-Converter
Das hier ist eine Grundschaltung, um ein Gerät mit optischen Ausgang an eines mit elektrischem Digitaleingang anzuschließen. Das Empfangsmodul (TORX, Toslink von Toshiba) hat bereits alles integriert und besitzt einen TTL-Ausgang. Es gibt auch von anderen Firmen solche Module, die zum Teil (Sharp) auch besser sind.
Hat die Soundkarte nur einen TTL-Eingang für das interne CD-ROM, müssen die beiden Widerstände weggelassen werden. Will man die +5-Versorgung des Rechners benutzen, kann auch der Positivspannungsregler (7805 oder der kleinere 78L05) und die beiden Kondensatoren (Folien-C und Elko) vor ihm weggelassen werden. Das ist aber nicht immer unbedingt sinnvoll, da die Gleichspannung nicht so sauber ist. Es empfiehlt sich (dann vor allem) in die Stromversorgung vor dem TORX (also zwischen L7805 und dem 100n-Kondensator) einen kleinen Widerstand (z.B. 4,7 Ohm) zwischenzuschalten. Die 100n-Folie zur Spannungsstabilisierung sollte möglichst nah am TORX stehen.

Statt dem allgemein verbreiteten 7805 können auch andere beliebige 5V-Stabis, heute meist Low-Drop-Typen (z.B. LM2931, TLE4271 etc.) benutzt werden...

Für die optische Übertragung werden üblicherweise Toslink-Stecker verwendet, die auch als ODT (Optical Data Transmitter ?) bezeichnet werden. Daneben existieren noch die kleineren OPTI-Stecker, die jedoch hauptsächlich bei MD-Recordern zum Einsatz kommen.


Erweiterung um einen optischen Ausgang:

Das Erweitern auf einen optischen Ausgang ist noch etwas aufwendiger, da der elektrische Pegel von SPDIF (0,6Vss) auf TTL-Pegel (5V) "gewandelt" werden muss und erst dann dem TOTX173-LWL-Sendemodul (Toshiba oder Alternative) zugeführt werden kann. Angehoben wird der Pegel mit 2 (der 6 enthaltenen) nacheinander folgenden Invertern, die im Standard-Gatter 74HC04 oder einem äquivalenten CMOS-Typ (z.B. 4049) untergebracht sind. Der erste arbeitet als Schmitt-Trigger und erzeugt erst den eigentlichen TTL-Pegel. Statt des TOTX-173 können auch andere Alternativen mit TTL-Pegel, z.B. der TOTX178 verwendet werden, wobei es hier aber oft kleine Änderungen in der externen Beschaltung gibt. (siehe dazu das jeweilige Datenblatt)

Converter
                  elektr.>optisch



Umsetzer von AES/EBU auf elektrischen S/P-DIF (coax) und umgekehrt:


Erklärung zu AES/EBU: Dieses im Studiobereich benutzte Digital-Format benutzt die gleiche Modulation wie SP-DIF, nur dass sich die Pegel unterscheiden und die Übertragung symmetrisch erfolgt, um bessere Übertragungssicherheit (Störabstände) zu erhalten. Ein High-Signal ist auf +5V auf dem einen (Anschluss 2) und 0V auf dem anderen (3), bei Low-Pegel ist es umgekehrt. Die Masse wird an Anschluss 1 durchgeschleift. Die Wandlung von AES nach coaxialen SP-DIF geht damit denkbar einfach, einen Spannungsteiler am high-aktiven Part, das war's. R1=R2=330R, R3=91R. alles 1/4W.

AES/EBU->S/P-DIF
Umgekehrt ist es etwas aufwändiger, weil man mit einigen Invertern erst den Pegel wieder auf TTL bringen und dann treiben und 1x invertieren muss..

TTL->AES/EBU

Die obige Schaltung zeigt die Umsetzung von TTL auf AES/EBU. Wieder werden CMOS-Inverter aus dem 74HC04 bemüht.
Hat man als Eingang ein koaxiales SP/DIF-Signal, geht das so:
Also dazu aus der unteren rechten Schaltung (SPDIF->TTL) als Eingang nutzen.
Da nun nun aber 7 Inverter benötigen würde, ändert man die Beschaltung ab:
Man benutzt wieder die rechte Schaltung unten, aber nur bis zum ersten Inverter, das dortige am Ausgang anliegende invertierte TTL-Signal (der mit dem Strich darüber) gibt man auf die Schaltung oben und vertauscht die Ausgangspins 2 und 3 vom Steckeranschluss.


TTL-SP/DIF-Umsetzer:

Also hier ist die erste Schaltung, die mir per mail zugesandt wurde. Ich habe sie allerdings nicht ausprobiert... Sie soll aber auch auf längeren Strecken (mehrere Meter) zuverlässig digitale Audio-Signale übertragen. Der Vorteil mit dem Trafo: Die Gefahr von Brummen durch Masseschleifen bei Potentialunterschieden fällt praktisch weg. Vielleicht ist das für einige die Möglichkeit, auch mal mehr als 10...20m Kabel digital zu benutzen.

SP/DIF-TTL und
                    TTL-SP/DIF-Wandler

OK, für "Outsider" noch eine kurze Schaltungsbeschreibung:
linker Teil:  Die vier Exclusive-OR-Gatter (und Treiber) erzeugen jeweils oben ein High und unten ein Low (bei High am Eingang) oder umgekehrt, um ein über den HF-Trafo übertragbares Signal bereitzustellen, DC-frei ist es nach Standard sowieso. Dann folgt die Anpassung und schon der Cinch-Ausgang. Wie der HF-Übertrager auszusehen hat ist oben rechts zu sehen. Ein kleiner Ferrit-Ring wird dabei mit Kupferkabel umwickelt.
rechter Teil: Nach dem 75Ohm-Abschluss (reflexionsfrei) wird das Signal mit dem 1. Inverter auf TTL-Spannung gebracht. Er arbeitet im linearen Bereich und verstärkt so das Signal. Die Dioden (einfache 1N4148 [75V, 4Apeak] reichen) dienen nur zum Kurzschließen evtl. entstandener Störungen (Induktionsspitzen). Nach dem Pull-Down-Widerstand muss das Signal (zum 2. Mal) nur noch invertiert werden, damit die Gesamtphase wieder stimmt. Der Treiber kann bis zu maximal 25mA bereitstellen. Die Betriebsspannung Ub muss stabilisiert werden, am besten auf Werte zwischen 4,5...6,5V. Darunter werden die Gatter zu langsam.
Die Pin-Belegung der beiden ICs habe ich auch angegeben, um zusätzliches Suchen zu ersparen. Als ICs dienen High-Speed-CMOS-Standard-Schaltkreise, z.B. von MC74HC86 etc. von Motorola. Unterschiedlich sind meist die Verzögerungs- (Propagation Delay um 30ns) und Anstiegs-Zeiten (Transition Time ca.20ns).



Phono-Vorstufe (MM):

Viele neue Verstärker/Receiver besitzen trotz zahlreicher Audio-Eingänge oft keinen Phono-Eingang mehr. Das ist nur bedingt ein Manko, da ein externer getrennter mit oft besserer Qualität günstig aufgebaut werden kann.
In Phono-Vorstufen muss nicht nur der Pegel von den wenigen Millivolt (4mV) auf "normale" Eingangsspannungen (500mV) eines Verstärkers angehoben werden, Hauptaugenmerk gilt dem Frequenzverlauf, der nach einer IEC-standardisierten Kennlinie der RIAA (Record Industries Association of America) angepasst werden muss. Dabei werden die Höhen abgeschwächt und die Tiefen angehoben.
Die Schaltung ist für die weit verbreiteten magnetischen (Moving Magnet) Systeme gedacht. Moving Coil (MC) -Systeme besitzen meist eine noch geringere Ausgangsspannung und benötigen auch eine andere Kapazität am Ausgang.

RIAA-Filter

OK, die Werte zum Bild sind genau einzuhalten und hochwertige Bauelemente benutzen, das heißt Metallfilmwiderstände und MKP-Folienkondensatoren mit weniger als 1% Toleranz. Manchmal kann das Zusammensetzen der Werte aus 2 Bauteilen nötig werden.
R1=47k, R2=200, R3=20k, R4=2,0k, R5=5,0k, R6=100, R7=1,2k, R8=22
(C1=220n,) C2=150n, C3=15n, C4=220n
Was hier weggelassen wurde, ist ein Parallelkondensator am Eingang, dessen Größe aber vom einzelnen Magnetsystem abhängt. Die Größe liegt dabei im (ca. 50... 500 am besten wahlweise schaltbar) Picofarad-Bereich.

Das Netzwerk im Gegenkopplungszweig (R4/C2) und dem anschließenden R5/C3 sorgen für den Abfall des Pegels mit zunehmender Frequenz. Mit R3 und R2 wird der Pegel schon um bis zu 40dB (V=101) bei den tiefen Frequenzen verstärkt. Der 2. OPV dient dabei nur zur weiteren Pegelanhebung des gesamten Frequenzbereichs um noch einmal etwa 22dB (V=13).
Neben der Entkoppelung dienen C1 und C4 auch jeweils als Hochpass mit einer Grenzfrequenz von ca. 15Hz zur Rumpelunterdrückung vom Infraschall. Man kann C1 bei symmetrischer Spannungsversorgung auch weglassen. Das sollte man tun, wenn man einen Parallelkondensator am Eingang zum Abschluss verwenden will.

Üblicherweise verwendet man eine symmetrische Spannung für die OPVs (+15V, 0V an Masse, -15V). Zur Stabilisierung empfehle ich 2 Standard Festspannungsregler L7815 und viele Elkos und Folien-Cs. Wer es optimal machen will, benutzt zur Versorgung Akkus (z.B. 2x9V-Blöcke) und einen Schalter, um wahlweise die Spannungsquelle zu wählen. (aus, laden, Netz-Betrieb, Akku-Betrieb)

Was bei solchen Verstärkerstufen unbedingt zu beachten ist, ist die extrem saubere Spannungsversorgung und das Leiterplattenlayout (symmetrisch, möglichst wenig parallel verlaufende Signalzüge). Sonst wird man schnell von schlechter Kanaltrennung, Rauschen und Brummen (etc.) verfolgt. Eine komplette Abschirmung (auch von Netzteil und Vorstufe) kann ebenfalls nicht schaden.
Hier sollte man extrem rauscharme FET-Operationsverstärker benutzen. Ein Kandidat wäre vielleicht der SSM2017 von Analog Devices. Oder von der "Edelfirma" Burr-Brown (pm) OPA2134, OPA4134 oder OPA124. Zur Not (bei billigen Mini-Anlagen oder so) könnte man auch die rauscharmen Standard-IC TL071/TL081 (oder TL072/TL082) verwenden. Aus Qualitätsgründen sollte aber ein IC mit 4 integrierten OPVs für eine Stereovorstufe vermieden werden, da sich die Kenndaten dadurch verschlechtern könnten.



Hochohmige Phono-Vorstufe mit FETs:

Wer eine Vorstufe für Magnetsysteme (ebenfalls nach RIAA-Kennlinie) mit diskreten Bauteilen wünscht, hier ist eine Möglichkeit:

RIAA-Filter mit
                  FETs

Diese Schaltung arbeitet an einer Betriebsspannung zwischen +12...+24V, also +18V vom Stabi-IC mit weiteren Elkos und Folien-Kondensatoren. Als FETs müssen möglichst hochwertige Sperrschicht-Typen, also n-Channel-Junction-FETs (n-JFETs) eingesetzt werden. Eine übliche Möglichkeit dafür wäre z.B. ein BF 256C oder alternativ auch ein BF 245C. Für das parallele Eingangs-C gilt das gleiche wie bei der IC-Schaltung. Die untere Grenzfrequenz dürfte insgesamt bei etwas unter 20Hz liegen. Die obere Grenzfrequenz ist abhängig vom verwendeten Feldeffekt-Transistor und der Größe der Widerstände am Drain- und Source-Anschluss, sie liegt aber vermutlich (je nach FET und Beschaltung) um etwa 100kHz. Werden die Rs noch größer als in der Schaltung dargestellt, sinkt sie weiter, die Verstärkung steigt jedoch an. Wenn die Ausgangsspannung beim normalen Systemen nicht ausreichend groß ist, sollten die beiden 2,2k-Widerstände durch größere ersetzt werden, z.B. 22k.

Die Widerstände und Kondensatoren im Rückkopplungszweig (oben links) sind genau einzuhalten, <=1% Genauigkeit, das heißt Metallschichtwiderstände und hochwertige Folien-Cs. Die Werte muss man zusammensetzen.
Kondensatoren: 1680=1000+680pF parallel, 5,4n=2,7+2,7nF parallel (zur Not 2200p+2200p+1000p parallel)
Widerstände: 15,6M=10M+5,6M in Serie (zur Not 4x3,9M in Serie)
Der Rest sind standardisierte Norm-Werte...
Alle Elkos müssen mindestens die Spannungsfestigkeit der Betriebsspannung besitzen, üblich sind hier 25V.

Warum FETs? Diese besitzen im Vergleich zu bipolaren Transistoren zahlreiche Vorteile, sie sind im NF-Bereich vollkommen rückwirkungsfei, besitzen ein geringeres Eigenrauschen und einen wesentlich höheren Eingangswiderstand. Sie vereinen die Vorteile der Transistoren (geringe Baugröße, Varibilität etc.) und Röhren (vor allem die Verstärkungseigenschaften im NF-Bereich). Wesentliche Nachteile sind die Empfindlichkeit (dadurch leichte Zerstörbarkeit) und die durch die innere Kapazität hervorgerufene relativ geringe obere Grenzfrequenz bei größeren Verstärkungen. (Bei bipolaren Typen Leistungsbandbreite relativ leicht mehrere MHz, bei FETs im allgemeinen nur einige hundert kHz.)
Deshalb werden diese Unipolar-Typen oft bei hochohmigen (10MOhm) Eingangsstufen (Impedanzwandler) und in Endstufen eingesetzt.




Keinen Cinch-Ausgang am Autoradio?
Hier eine Not-Lösung:

von
                  High-Power-Lautsprecher auf Cinch

Bei vielen Autoradios (vor allem denen ab Werk!) fehlt ein einfacher Stereo-Cinch-Ausgang zum Anschluss einer Endstufe. Mit einem einfachen Spannungsteiler lässt sich das in den Griff kriegen. Es empfiehlt sich ein 1µF-Folienkondensator, an den die nachfolgenden Widerstände 5600Ohm und 2200 Ohm (Standard 1/4Watt) gehängt werden. Man nutzt nur die positive der beiden gebrückten Endstufen pro Kanal, das C soll Gleichspannungen entkoppeln, und die Widerstände die Ausgangs-Spannung heruntersetzen. Bei einer angenommenen Ausgangsspannung bei Vollaussteuerung von ca. 3,7Veff, ist sie am Line-out etwa noch 1Veff groß. Da sich die Eingangsspannungen zur Vollaussteuerung von Auto-Endstufen stark unterscheiden, ist es je nach Anwendung empfehlenswert, das Teilerverhältnis zu ändern, also den R2 (je nach Lautstärke auf 5,6...10kOhm) zu erhöhen. Mit den dargestellten Werten ergibt sich eine untere Grenzfrequenz von 20Hz.
 

Ausgangsspannung Ua nach dem Spannungsteiler R1 und R2
näherungsweise bei hochohmiger Belastung : 

Ua=Ue*R2/(R1+R2)
 

mit bekanntem Eingangswiderstand Ri der nachfolgenden Endstufe : 

Ua=Ue*Z/(R1+Z)
wobei   Z=1/(1/R2+1/Ri) = R2*Ri/(R2+Ri)
 

Gibt es Einstreuungen und Störungen, muss der Kondensator vergrößert und beide Widerstände verkleinert werden. (z.B. 10µ Elko bei 860Ohm, 330Ohm) Der Pluspol des Elkos muss dann zur +Klemme des Radioausgangs zeigen.
Der negative Lautsprecher-Ausgang wird nur entkoppelt über R3 auf Masse gezogen, um den Ausgang abzuschließen. Man kann diesen Zweig aber auch weglassen.

Prinzip bedingt ist die Qualität über einen Adapter am Radioendstufenausgang immer schlechter als bei einem richtigen Vorverstärkerausgang.

Für Stereo ist das ganze natürlich doppelt aufzubauen.
Für einfache Endstufen (keine Brücke) wird generell der untere Teil weggelassen, so kann es auch für Home-HiFi-Anwendungen benutzt werden.

Tipp 1: Um Störungen zu reduzieren, ist es auch möglich und sogar empfehlenswert, den Spannungsteiler erst kurz vor der Endstufe anzubringen oder wegzulassen und über das Cinch-Kabel die höhere Spannung zu führen. Die Endstufe muss aber die höheren Eingangsspannungen, die auch von einigen teureren Radios erzeugt werden (z.B. 2...6V), vertragen, dann ist nur ein Kondensator dazwischen schalten. Vorteil bei diesen hohen Spannungen ist die bessere Störsicherheit und größeren Geräuschspannungsabstände.
Tipp 2: Da schon einige Mails dazu kamen: Stimmt der Pegel an der Endstufe nicht, kann statt der beiden Widerstände ein Tandem-Poti (z.B. 10k) eingesetzt werden, linker Anschluss an Masse, rechts an den Kondensator und der Schleifer (Mitte) ist dann der Ausgang. Hiermit lässt sich die Ausgangsspannung genau an die Endstufe anpassen.
Tipp 3: Bei alten Radios ist evtl. ein relativ niederohmiger Lastwiderstand (teilweise bis 25Ohm) als Lautsprecherersatz notwendig.



Audio-Dämpfungsglied:
Dämpfungsglied


Hier eine einfache Schaltung zum Reduzieren von Audiopegeln. Links für unsymmetrische (Cinch oder Monoklinke) und rechts für symmetrische (XLR, Stereoklinke) Signale. Als Widerstände können 1/4-Watt-Typen eingesetzt werden, selbst bis +20 dBu Eingangspegel passt das. Ich versuchte die Widerstände aufgrund von externen Einflüssen nicht zu groß werden zu lassen. Der Eingangswiderstand sollte aber auch immer größer 15kOhm sein, um hier bei angenommenen 600Ohm-Ausgangswiderstand der vorherigen Stufe quasi keine relevante, zusätzliche Dämpfung zu erhalten.
Um keine Störungen zu bekommen, müssen die Widerstände in einem Metallstecker oder -Gehäuse verbaut sein.
Hier sind die Werte für typische Anwendungen, z.B. -4dB um Mixer-Outputs wieder auf 0dBu zu bringen... Als Empfehlung sind alle Widerstände mit 1% auszuwählen.
Der Eingangswiderstand berechnet sich aus Rin=R1+R2 bzw. für symmetrische Signale aus Rin=R3+R4+R5.
Die Dämpfung errechnet sich zu D1= 20*lg(R2/(R1+R2)) für unsymmetrische bzw. D2= 20*lg(R5/(R3+R4+R5)) für die symmetrische Variante.

Dämpfung
R1
R2
R3/R4
R5
3 dB
8,2 k
20 k
3,3 k
16 k
4 dB
9,1 k
15 k
5,1 k
18 k
6 dB
10 k
10 k
5,1 k
10 k
10 dB
12 k
5,6 k
8,2 k
7,5 k
12 dB
13 k
4,3 k
10 k
6,8 k
14 dB
12 k
3 k
6,8 k
3,3 k
20 dB
18 k
2 k
8,2 k
1,8 k
24 dB
30 k
2 k
7,5 k
1 k
30 dB
68 k
2,2 k
15 k
1 k
40 dB
43 k
430 R
18 k
360 R

Zu den Dezibel-Angaben noch einige Ergänzungen. Eigentlich ist die dB-Angabe nur ein logarithmisches Verhältnis:
[dB] = 20*lg(U2/U1) = 10*lg(P2/P1)

Für absolute Pegel nahm man für U1 bzw. P1 einen Referenzwert, den man durch den nachfolgenden Buchstaben kennzeichnete.
0dBm (1mW an 600R) = 774,6mV (Die 600R kommen aus alten Fernmeldezeiten.)
 später wurde diese Referenz als 0dBu übernommen

Eine andere Angabe ist die direkte Dezibel-Spannung:
0dBV = 1V

Für den HiFi-, PA- und Studiobereich haben sich mehrere Pegel als Quasi-Standard etabliert.
Denn die 0dB-Anzeige (LED) sagt oft nichts über den wirklichen Pegel (Spannung) am Ausgang aus.

  • -10dBV = 316mV (=-7,8dbu) im Home-HiFi-Bereich, aber auch an Studio-Mixern oft für Hilfs- oder Record-Ausgänge)
  • 0dB0 = 775mV als Studiopegel und Referenz
  • +4dBu =1228mV (=1,8dBV) Studiopegel aus US-TV (Reserve bis Übersteuerung +22dBu)
  • +6dBu = 1546mV (=3,8dBV) Studiopegel aus ARD-Festlegung (Reserve bis Übersteuerung +15dBu)

Die Bezeichnung 0dBr bezieht sich dann wieder auf die jeweilige Referenz also z.B. 0dBr = +4dBu (muss aber nicht!)

Insbesondere, wenn es aus dem Mischpult-Master in Effektgeräte rein geht, muss man genau schauen, ob es passt.
Bei mir akzeptierte der EQ z.B. nur maximal 11dBu als Eingangsspannung bei einer Referenz von 0dBu.

In BassCADe-Einheitenumrechner ist ab Version 3.4.2 ein solcher Pegelumrechner enthalten.



Passiver Mixer:

OK, wenn wir gerade bei billigen Sachen sind... ein passiver Mixer zum Einmischen und Einstellen von verschiedenen Musikquellen, oder der Handy-Freisprecheinrichtung (Mono-Eingang input 3)...
die Potis sind Tandem-Potis, haben also 2 Schleifer und eine Achse. Größe z.B. 10KiloOhm.(log)
der Widerstand danach kann auch 2...10kOhm haben, er dient zu Entkoppelung.
Das Prinzip funktioniert bei allen Quellen mit halbwegs hoher Ausgangsspannung (also über 100mV) und niedrigem Ausgangswiderstand.

passiver Mixer



Radio-Stummschaltung für Nachrüst-Navis:

Vielen setzen sich ein mobiles Navi (tomtom etc.) ins Auto, eine Stummschaltung des Radios bei Ansagen existiert dabei meist nicht. Die nachfolgende Schaltung reagiert auf das analoge Audiosignal und schaltet beim Vorhandensein desselben das Radio stumm. Über die obige Schaltung (Mixer) ließe sich dann auch der Navi-Ausgang mit der Endstufe verbinden.


Schaltungsbeschreibung:
R1/C1 und C2/R2 stellen einen Bandpass dar, der nur Frequenzen im Sprachbereich hindurch lässt. Dieses Signal wird dann mit IC1a verstärkt (V einstellbar über R6 bis etwa 30dB) entkoppelt und gleichgerichtet (D3) Diese Spannung lädt den Kondensator C7 schnell auf. C7 wird darauf nur langsam über R8 entladen. Mit R9 und D4 wird eine ca. 0,8V-Spannung als Schwelle erzeugt. Ist die Analogspannung größer, schaltet IC1b (Komperator) durch, worauf der Transistor T1 durchsteuert. Er agiert als Stromsenke. Wird der Strom über ihn zu groß, begrenzt er ihn.
Diese Schaltung muss über den Schaltplus (Kl.15) versorgt werden.

Bauteilwerte:
D1, D3, D4, D6, D7: Standarddiode (z.B. U=100V, I=0,5A)
D2: ZD6V8
D5: ZD24V (1/2W)
C1, C8: 10nF
C2: 33nF
C3: 10uF/35V
C4: 100nF
C5: 100uF/35V
C6: 100nF
C7: 10uF (probieren im Zusammenhang mit R8 Abschaltzeit)
C8: 100nF
IC1: Dual-OP: z.B. LM2904 (bei anderen Pinbelegung prüfen)
R1: 1k
R2, R3, R8: 100k
R4, R7: 10Ohm (1/2W)
R5, R9: 2,2k (1/8W)
R6: 100k
R10: 1k (abhängig von T1)
R11: 10Ohm 1/2W (je nach Strom)
T1: Standard-NPN-Transistor BCxyz (U>60V, Ic>500mA, h>30)



Generierung von Power-Kl. 15 oder remote-out:

Um zahlreiche Endstufen (größer 10) an einen remote-Ausgang (zum Aktivieren der Endstufen) anzuschließen, genügt bei einigen Radios der remote-out nicht mehr, da er manchmal nur 100...300mA treiben kann. Auch andere nachträglich verbaute Steuergeräte (Mobile-Navis, Freisprecheinrichtungen, Handy-Ladestationen etc.) kann man so mit einem zusätzlich generierten Schaltplus versorgen. Als Steuersignal wird die Klemme 15, Klemme 87 oder der remote-Ausgang des Radios benutzt. (Auto-ANTennen-Ausgang kann bei einigen Radios Probleme machen, da er nur aktiv ist, wenn das Tunerteil und nicht der CD-Player läuft. Dazu kann die folgende Schaltung verwendet werden. Statt eines Relais wird hier ein intelligenter High-Side-Switch verwendet. Bei einer genügend hohen Spannung am Eingang schaltet er die Spannung vom Dauerplus durch. (typ. Versorgungsspannungsbereich 6...20V) Um den Aufbau sehr einfach zu machen, werden hier in der oberen Schaltung (mit IC1) nur bedrahtete Exemplare mit high-aktivem Eingang benutzt. Als Steuersignal werden nur wenige Milli-Ampere (1...15mA) gezogen, hinten kann man Geräte mit mehreren Ampere (siehe Tabelle) versorgen. Für etwas größere Ströme ist ein Kühlkörper (größere Leiterplatte für den SMD-Typ etc.) nötig. Auch ein Switch mit kleinerem RDSon hilft, diese benötigen aber etwas mehr Kleinteile wie in der unteren Abildung zu sehen. Diese Switches erwarten eine open-Drain-Ansteuerung. Dafür brauchen sie oft keinen Masseanschluss. Die erste Anlaufstelle hierfür sind die ProFETs (BTSxyz) von Infineon, aber auch andere Halbleiterhersteller bieten hier niederohmige Alternativen (2...10mOhm) Vorsichtig mit dem Potenzial der Pins oder an der Kühlfahne (Pad), das nicht an die Fahrzeugmasse kommen darf.
Auch muss das hinten angeschlossene Gerät einen Verpolschutz haben, da diese Schaltung bei Verpolung durchschaltet.
IC1/IC2, siehe Tabelle unten, bei für alle Widerstände passen Werte von je 4,7...22 kOhm. Für die jeweilige Pinbelegung in das Datenblatt des Halbleiters schauen. Diese sind in der Tabelle direkt verlinkt.
Im ausgeschalteten Zustand fließen nur wenige MikroAmpere und entladen so die Batterie nicht.

 



max. Dauerstrom
Typ
Gehäuse
typ. Rdson
3,5 A
Infineon BTS640S2 (IC1)
TO220 / TO263 30
4,5 A
Infineon BTS441 (IC1)
TO220 / TO263
20
3,3 A
IR IPS6031 (IC1)
TO220 / TO263 / DPak 60
4,5 A
IR IPS6021 (IC1)
TO220 / TO263 / DPak 30
6,6 A
IR IPS6011 (IC1)
TO220 / TO263 / DPak 14
11A
Infineon BTS650 (IC2)
TO220 /TO263 / DPak
8
20 A
Infineon BTS550 (IC2) TO218/AB-5 5
25 A
Infineon BTS555 (IC2)
TO218/AB-5
3

...



Einfache Generierung eines Schaltplus-Signals vom Radio-CAN:

(Falls man nirgendwo sonst den Schaltplus her bekommt..)
In vielen neuen Fahrzeugen liegt am Radio kein Schaltplus (Kl. 15 oder Kl 87) mehr an, nur der Dauerplus (Kl.30). Die Information zum Status der Kl. 15 liegt dann auf dem CAN, der bei Einstecken des Schlüssels (evtl. auch früher oder später) geweckt wird.
Normalerweise ist es nötig über einen CAN-Transceiver und einen Mikrocontroller das Signal "herauszufiltern". Doch leider unterscheiden sich hier die CAN-Matrizen von verschiedenen Fahrzeugen, so dass es keine allg. Version geben würde. Das sehr aufwändig und kompliziert. Man könnte nun auch ohne solche Infos auf einfache Bus-Aktivität schauen.

In vielen Fällen sollte folgende Schaltung ebenfalls zufriedenstellend funktionieren.

CAN-Bus to switched supply

Bestückung:
Die Widerstände R1 und R2 (jeweils 62 Ohm, 1/4W) nur benutzen, wenn im Radio zuvor eine CAN-Terminierung war, diese nun aber fehlt. (z.B. durch Radiowechsel)
(120Ohm sind Standard beim CAN, es sind 2 Widerstände aus Verlustleistungsgründen.)
Sonst muss man die beiden (R1 und R2) weglassen. Teilweise werden auch hochohmige Terminierungen (z.B. 4,7k) verwendet. Hier kann man evtl. am Originalradio nachmessen und diesen Wert benutzen.

R3, R4, R7, R8 = 47kOhm. R6>1MOhm, R5, R10 =4,7kOhm, R9=10...100Ohm,
C1 je nach Zeit 1uF (Folie), C2=10nF (U>60V)
D1, D3 ist eine Standard-Diode >200V (kein Schottky-Typ), D2, D4 Z-Diode ZD32V
T1 npn-Darlington-Transistor (z.B. BC618, BCX38B/C, BST51) mit Uce>60V und hfe>3000.
T2 vorzugsweise pnp-Darlington-Transistor, ein normaler Standard-Transistor mit hoher Stromverstärkung (>100) tut es auch.
T3 Standard-npn-Transistor (z.B. BC547...)

T4 ProFET von Infineon: je nach Strom sind auch andere low-aktiven high-side-switches möglich...
BTS555 bis 25A (in Pin 2 / out Pin 1,5 / is Pin 4 / Vb Pin 3 und Kühlfahne, Tab)
BTS550P bis 20A (in Pin 2 / out Pin 1,5 / is Pin 4 / Vb Pin 3 und Kühlfahne, Tab)
BTS650P bis 11A (in Pin 3 / out Pin 1,2,6,7 / is Pin 5 / Vb Pin 4 und Kühlfahne, Tab)

Für Switches gilt folgende Beziehung (sqrt = Quadratwurzel)

Ipermmax = sqrt ( (Tmaxj-Tamb) / (Rdson * Rth) ) = sqrt (40K/(5mOhm*10K/W))

Ipermmax... permanenter Maximalstrom
Tmaxj... Maximale Sperrschichttemperatur in °C meist bei 150°C (üblich 125...200°C)
Tamb... maximale Umgebungstemperatur in °C (Innenraumanwendungen üblich 85°C)
Rdsonmax... maximaler Einschaltwiderstand des FETs bei Tmax (z.B. 5 Milliohm bei 150°C)
Rth... thermischer Widerstand in K/W (Kelvin pro Watt) abhängig vom FET-Gehäuse und Befestigung etc.

Schaltungsbeschreibung:

Wacht der CAN auf oder sendet er, dann liegt beim High-Speed-CAN ständig ein Pegel > 2V am CAN-High an. Bei low-Speed-CAN liegt das Signal zyklisch bei Aktivität bei > 3,5V.
Das wird benutzt, um T1 durchzuschalten, der dann C1 auflädt. Nach dessen kurzer Entprellzeit (wenige Millisekunden) wird auch T2 leitend und schaltet T3 und damit auch T4 durch. Sinkt das Eingangssignal wieder unter 1,1...1,7V beginnt sich C1 über R7 und R6 zu entladen, diese Zeit ist deutlich größer als die Einschaltzeit und es beginnt der Nachlauf, der je nach C1 und den Widerständen R6, R7, einige Hundert Millisekunden lang sein kann. Mit einem Elko an C1 (anstatt einer kleinen Folie) lassen sich hier auch Nachläufe bis zu einigen Sekunden erreichen.
D2 und D4 sind zum Schutz vor Überspannungen, D3 ist der Verpolschutz für die Schaltung.

Für den High-Side-Switch muss man beim jeweiligen Typ nach der Belegung sehen. Üblicherweise sind die äußeren Pins als Ausgang zusammen zu schalten.
Die Versorgung geschieht über das mittlere Pin und die Kühlfahne (Tab).



Passive DI-Box:

Die nachfolgende Schaltung, die in DI-Boxen verwendet wird, dient zur Erzeugung von niederohmigen symmetrischen (balanced) aus asymmetrischen (unbalanced) hochohmigen Signalen.
Vor allem im PA-Bereich, in dem symmetrische Eingänge Standard sind, kann damit eine wirksame Störunterdrückung erreicht werden.

DI-Box

Der "Clou" daran ist, dass das analoge NF-Signal nicht mehr gegen Masse "abgenommen" wird, sondern eine Differenzeingangsstufe die Spannung zwischen HOT (+ 2) und COLD (- 3) unabhängig vom Massepotenzial und deren Störungen einliest. Meist auftretende Störungen sind dann in beiden Leitungen gleichermaßen enthalten und löschen sich durch die Differenzbildung aus.



weitere Schaltungen unter:


Weitere Vorschläge für "kleine" Schaltungen?

Daran denken: Keine Urheberrechtsverletzungen!

Für alle Schaltungen und Texte gilt:
Ich übernehme keine Garantie für die Funktionen, auch hafte ich nicht für evtl. auftretene Schäden.