Hi,

heute gibt es wieder ein Tutorial für die Ohren . . . und zwar ordentlich.

Beim letzten Mal hatten wir die musikalischen Fähigkeiten des Arduino ausgelotet und mit dem Befehl tone  eine nette kleine Melodie wiedergegeben.

Wenn du statt des Piezo-Töners einen kleinen Lautsprecher verwendet hast, dann hast du bestimmt bemerkt, dass die Musik recht leise herauskommt. Da wollen wir heute elektronische Abhilfe schaffen.

Wir schieben ein kleines Tutorial zu einer der wichtigsten Grundschaltungen aus der Analogelektronik ein: Einen Verstärker!

Und schon geht es los . . .

Verstärker sind überall

Verstärker findest du in vielen Geräten und Anwendungsgebieten, nicht nur in der Musikwiedergabe. Auch die meisten elektrischen Messgeräte haben einen Vorverstärker, der das zu messende Signal verstärkt und es dabei möglichst wenig beeinflussen soll. Alle Radios und Funkgeräte müssen das Antennensignal zunächst vorverstärken, um es weiterzuverarbeiten.

Da diese Geräte meistens einen Lautsprecher haben, kommt hinten gleich noch ein Verstärker dran. Wie du siehst, ist diese Schaltung allgegenwärtig.

Grund genug, dem Verstärker eine eigene Lektion zu widmen.  Den Mini-Audioverstärker aus dieser Lektion kannst du in allen kommenden Sound-Projekten mit dem Arduino nutzen.

Verstärker sind dazu da, ein schwaches Signal in ein starkes umzuwandeln, soweit so klar, das sagt ja auch schon der Name. Aber was bedeutet das genau?  Dazu blicken wir nochmal zurück zur Lektion 9.

Transistor revisited

Dort bei der Schaltung zur  Motoransteuerung hast du bereits ein wichtiges Halbleiter-Bauelement kennengelernt, den Transistor. Wir hatten ihn dort als Schalter benutzt. Mit einem kleinen Strom an der Basis haben wir einen größeren Motorstrom durch die Kollektor-Emitter Strecke des Transistors ein- oder ausgeschaltet. Die Abbildung zeigt einen typischen Transistor und sein Schaltzeichen.

 

transistor

 

Genau das gleiche Prinzip nutzen wir beim Verstärker auch, aber statt des binären Schaltens, also den Transistor entweder komplett gesperrt oder komplett durchlässig zu betreiben, arbeiten wir im Zwischenbereich. Das heißt, wir stellen den Transistor über eine konstante Vorspannung so ein, dass er sozusagen gerade halb offen ist. In der Fachsprache heißt das, wir stellen den Arbeitspunkt ein.

Sehen wir uns zunächst den Schaltplan an:

Analogverstaerker_Schaltplan

Die Teileliste:

  • 1 x NPN Kleinsignal-Transistor BC 337, BC548, oder ähnlich
  • 2 x Widerstand 10 kOhm
  • 1 x Widerstand 50 Ohm
  • 1 x Kondensator 100nF
  • 1 x Elektrolyt-Kondensator 100 µF
  • 1 x Lautsprecher 8 Ohm
  • 1 x Spannungsversorgung 5V – 9 V (Arduino oder Batterie)

Wie du siehst, haben wir diesmal noch weitere neue Bauteile dabei, nämlich zwei Kondensatoren. Dazu später mehr. Wir schauen uns erstmal an, wie die Schaltung grundsätzlich funktioniert.

Das Eingangssignal ist ein schwaches Audiosignal, also ein Wechselstrom, der mit einer bestimmten Frequenz um die Nulllinie herum oszilliert. Dieses Signal wird  zwischen C2 und dem Minuspol angelegt, das ist also der Eingang des Verstärkers.

Wie der Transistor verstärkt

Die Widerstände R1 und R2 bilden einen Spannungsteiler. Sie sind gleich groß, deshalb liegt die Basis des Transistors auf halber Betriebsspannung. Das ist wichtig für die Funktion der Schaltung.  Denn wir wollen den Transistor möglichst nicht in seinen Extremzuständen haben: Komplett leitend (also Basis auf Plus) oder komplett geschlossen (also Basis auf Masse).

Vielmehr soll er mit seiner Durchlässigkeit den kleinen Schwankungen des Basisstroms folgen, die wir über den Eingang einkoppeln, nur eben mit größerem Hub, also mit einem Verstärkungseffekt.

Daher legen wir die Basis auf die halbe Betriebsspannung, damit ist der Transistor sozusagen halb offen. Und wenn nun ein kleiner Basisstrom über den Eingangskondensator eingekoppelt wird, schwankt die Basisspannung ein wenig um diesen Referenzwert herum. Dadurch wird die Transistorstrecke im gleichen Maße durchlässiger, sie folgt den Schwankungen der Basisspannung.

Jetzt stell dir vor, das Eingangssignal, das ja eine kleine Wechselspannung ist, steigt etwas an. Dann wird die Basisspannung positiver, der Transistor öffnet sich weiter und mehr Strom fließt durch die Kollektor-Emitter Strecke. Diese bildet aber mit R3 auch einen Spannungsteiler. Die Spannung am Ausgang sinkt, wenn der Transistor stärker durchschaltet, weil dann sein effektiver Widerstand kleiner wird. Daher wirkt die Schaltung invertierend: Ein ansteigendes Signal  an der Basis (man sagt auch eine positive Flanke) führt dazu, dass das Ausgangssignal abfällt, es ist also ein invertierender Verstärker. Für ein Audiosignal ist das kein Problem, die Wellenform kehrt sich damit zwar komplett um, aber das Ohr hört diesen Unterschied nicht.

Damit haben wir die Grundfunktion der Verstärkung erklärt, aber wozu sind jetzt diese Kondensatoren gut?

Auf dem Bild siehst du die typischen Bauformen dieses Schaltelements.

kondensatoren

 

Stromspeicher und Wechselstrom-Ventil: Der Kondensator

Das Eingangssignal für den Verstärker liegt zwischen dem Kondensator C2 und Masse, also dem Minuspol der Batterie.

Wie gesagt ist es ein Wechselstromsignal, das sich schnell ändert. Der Kondensator ist ein Bauteil, das immer dann vorkommt, wenn es um Wechselstrom und schnell veränderliche Signale geht.

Das Schaltzeichen des Kondensators sieht ein wenig so aus,  wie das für die Batterie. Das hat auch seinen Grund. Im Inneren besteht ein Kondensator aus zwei leitenden Metallflächen, die voneinander isoliert sind. Eigentlich unterbricht der Kondensator damit den Stromkreis, und tatsächlich: Wenn du in einen einfachen Stromkreis aus Batterie, Widerstand und LED noch einen Kondensator einbauen würdest, dann würde die LED ausgehen.

Allerdings nicht sofort, denn der Trick bei diesem Bauelement ist, dass auf den Platten Ladungen verschoben werden können und dadurch eine Ladung im Kondensator gespeichert wird. Er wirkt also wie ein kleiner Akku.  Am Anfang ist er leer, wenn dann die Spannung eingeschaltet wird fließt erstmal ein Strom hindurch, die LED leuchtet und dabei lädt sich der Kondensator gleichzeitig auf. Die LED wird immer dunkler und erlischt irgendwann. Jetzt ist der Kondensator vollständig aufgeladen und unterbricht den Stromkreis.

kondensator_laden_entladen_Schaltplan

 

Er kann aber genauso wieder entladen werden. Ziehe dazu die Batterie ab und ersetze sie durch eine Drahtbrücke. Wenn du jetzt den Kondensator herausziehst und umgekehrt wieder einbaust, dann siehst du genau dasselbe kurze Aufleuchten der LED, diesmal aber ganz ohne angeschlossene Stromversorgung. Denn diesmal wurde die im Kondensator gespeicherte Energie wieder entladen.

Wie lange dieser Vorgang des Aufladens dauert, liegt einmal am fließenden Strom und dann an der Kapazität des Kondensators, das ist die Größe mit der das Bauelement gekennzeichnet wird. Mit den Werten aus der Beispielschaltung R=220 Ω und C=100 µF dauert das Aufleuchten weniger als eine Sekunde, ist aber noch deutlich erkennbar.

Gemessen wir die Kapazität in der Einheit Farad, wobei in der Praxis meistens sehr kleine Werte vorkommen, man hat es fast ausschließlich mit pF oder µF- Angaben zu tun.

Für Gleichstrom sperrt sich also der Kondensator, nachdem er aufgeladen wurde. Ganz anders sieht es aus, wenn der Kondensator im Wechselstromkreis verwendet wird: Er wird dann durch die wechselnde Stromrichtung ständig aufgeladen und wieder entladen. Dadurch hat er vielfältige Effekte auf das Signal, man kann durch den geschickten Einsatz von Kondensatoren ein verrauschtes Signal glätten, es in der Zeit verschieben, bestimmte Frequenzen herausfiltern und vieles mehr. Dies sind aber fortgeschrittenere Themen, denen wir uns erstmal noch nicht widmen wollen.

Der Kondensator schützt die Ein- und Ausgänge

In unserer Verstärkerschaltung dienen die Kondensatoren am Ein- und Ausgang dazu, die Audiosignale von der Gleichspannung zu entkoppeln. An der Transistorbasis liegt ja im Ruhezustand 2.5 V an. Diese würden natürlich auch auf die Signalquelle gegeben, wenn du einen Stecker am Eingang anschließt.

Aber wir haben ja gesehen, dass der Kondensator Gleichstrom sperrt, während er Wechselstrom durchlässt und deshalb verwenden wir am Eingang den 100 nF Kondensator, um die Signalquelle nicht mit der Gleichspannung zu belasten. Am Ausgang ist es genau das Gleiche: Ein Gleichspannungsanteil im Signal würde die Membran des Lautsprechers konstant auslenken. Das führt zu Verzerrungen und belastet den Lautsprecher  unnötig. Der Kondensator C2 schafft Abhilfe. Er sperrt den Gleichspannungsanteil, lässt aber das Audiosignal passieren.

Soviel erstmal in aller Kürze zu Kondensatoren. Sie werden dir in deiner Maker-Karriere noch oft begegnen, weil sie in der Elektronik so wichtige Bauteile sind.

Technisch gibt es verschiedene Bauformen, zum Beispiel Keramikkondensatoren oder Elektrolytkondensatoren. Größere Kapazitäten, etwa ab 10 µF aufwärts werden fast immer als Elektrolyt-Kondensator ausgeführt, so wie der auf der Abbildung rechts liegende. Bei diesen Typen musst du unbedingt die Polung beachten. Die Minus-Seite ist immer auf dem Gehäuse deutlich markiert.

Hier nochmal der komplette Aufbau:

Aufbau

Du kannst natürlich statt des Battery-Packs auch die Spannungsversorgung des Arduino nutzen. Im Bild ist der Eingang mit einem Adapter für Mono-Klinkenstecker verbunden. Das ist eine einfache Möglichkeit, um einen externen Line-Ausgang anzuschließen, wenn du die Schaltung damit testen möchtest.

Der Batteriestrom fließt übrigens die ganze Zeit durch den Basisspannungsteiler R1 und R2, auch wenn kein Signal am Eingang liegt. Deswegen versuchen wir, diese Widerstände  möglichst groß zu wählen. Dann fließt weniger Strom, so dass die Batterie nicht zu sehr belastet wird. Trotzdem solltest du die Spannungsversorgung trennen, wenn der Verstärker nicht benutzt wird, denn sonst zieht er die Batterie langsam leer.

Den kleinen Verstärker kannst du für spätere Arduino Projekte aufheben, immer wenn es um Musikerzeugung geht, wird er dir gute Dienste leisten. Vielleicht hast du sogar Lust, das Projekt auf eine kleinen Lochrasterplatine aufzulöten. Damit hast du ein festes Verstärkermodul, das du nach Belieben in anderen Projekten nutzen kannst. In diesem Fall denk daran, einen Ein/Aus-Schalter zwischen Batteriefach und Verstärker zu setzen, damit die Batterien nicht ständig leer gezogen werden.

Für einen Lautstärkeregler kannst du den Widerstand R3 durch ein 100 Ohm Potentiometer ersetzen.

So, geschafft für heute. Wir haben heute einiges an Theorie hinter uns gebracht, weil wir den Arduino mal liegen gelassen haben und einen kurzen Einblick in die analoge Schaltungstechnik gewagt haben. Diese ist immer noch sehr wichtig für die ganzen Ein- und Ausgabekanäle wie Sensoren, Motoren oder eben Verstärkerschaltungen.

Natürlich konnten wir hier nur einen sehr groben Einblick geben, aber wenn du Interesse daran hast, findest du in der Maker-Community Unmengen an Material in jedem erdenklichen Schwierigkeitsgrad.

Auf jeden Fall hebe den Verstärker auf, denn du brauchst ihn noch für spätere Projekte. Bis dahin viel Spaß und bis zum nächsten Mal!

Stark! Einfach lernen, wie Du eine Verstärkerschaltung mit Transistor baust.

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