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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Gegentaktendstufe mit OpAmp


Autor: Alfons Geigenberger (alibaba55)
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Hallo,

mit großem (Anfänger)-Intersse habe ich diesen Artikel:
http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaere...
über eine Gegentaktendstufe gelesen. Besonders interessant erscheint es 
mir, dass mit Hife eines OpAmps die Probleme der Übernahmeverzerrungen 
recht einfach lösbar sind.

Mit LTSpice habe ich diese Schaltung nachgebaut; sehr schön kann man 
sehen, wie der OpAmp die Übernahmeverzerrung durch einen Spannungssprung 
ausgleicht: Bild1: grüne Kurve.

Will man aber einen Verstärker mit noch größerer Leistung bauen, dann 
ist man durch die maximal mögliche Spannung des OpAmps limitiert.

Nur teilweise umgehen kann man das mit einem zweiten 
Gegentaktverstärker, der gegenphasisch arbeitet:  Bild2   (Bitte 
entschuldigt die etwas unübersichtliche 'Verdrahtung'). Dadurch 
verdoppelt sich die Spannungsdifferenz am Lautsprecher, nach meiner 
laienhafter Berechnung quadriert sich die Leistung:

R=U/I   Leistung= U*I    ->  Leistung ist U*U/R  -> (auf I aufgelöst)

Bei 12 Volt und 4 Ohm gilt: Leistung =  12*12 / 4  =  36 Watt
Bei 24 Volt und 4 Ohm gilt: Leistung = 24*24 / 4  =  144 Watt  (spannung 
gegen der Gegenphase)

Das ist ja nun wirklich nicht schlecht, besonders, weil man ja keine so 
hohen Trafo-Spannungen braucht.

Trotzdem bewegt mich folgende Frage: Gibt es eine (einfache und 
elegante) Möglichkeit, den Vorteil der Verwendung eines OpAmps mit einem 
Gegentaktverstärker hinsichtlich der Übernahmeverzerrung zu verbinden 
mit einer noch deutlich größeren Leistung? Ich denke daran, den OpAmp 
mit einer kleinen Spannung zu betreiben (z.B. 12 Volt) und die 
Gegentaktendstufe mit einer separaten und deutlich größeren Spannung?? 
Dabei sollten aber über die Rückkopplung der Endstufe an den Neg. 
Eingang des OpAmps die Übernahmeverzerrungen noch ausgleichbar sein.

Ich habe diverse Schaltungen mit LTSpice ausprobiert; zum Beispiel mit 
zwei in Emitterschaltung an den OpAmp angehängten npn-Transistoren (um 
das Invertieren der Verstärkung durch nur einen Transistor wieder zu 
beseitigen). Es ist aber extrem schwierig, die Transistoren so zu 
betreiben, dass nichts übersteuert.  Die Verstärkung der Transistoren 
ist einfach viel zu groß! So groß, dass der OpAmp nur noch in einem 
'Mini-Voltbereich' arbeitet, der dem Klang sicherlich nicht gut tun 
würde.

Viele Grüße!!

Kleine Frage am Rande: Sind die Elkos zum Schutz der Lautsprecher vor 
Gleichstrom für den Klang nachteilig?  (wahrscheinlich würde ja einer 
genügen)

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Albert Geig schrieb:
> Bei 24 Volt und 4 Ohm gilt: Leistung = 24*24 / 4  =  144 Watt  (spannung
> gegen der Gegenphase)
> Das ist ja nun wirklich nicht schlecht, besonders, weil man ja keine so
> hohen Trafo-Spannungen braucht.
Nur kann eben dein OpAmp nicht bis auf 24V aussteuern und auch die 
BE-Spannungen mußt du da noch abziehen...

> Ich habe diverse Schaltungen mit LTSpice ausprobiert;
Nein, du hast sie simuliert. Wenn du das in der Praxis ausprobierst, 
werden da noch andere Effekte auftreten...
Insbesondere wirst du z.B. erst mal den Basisistrom für die 
Endstufentransistoren aufbringen müssen. Mit 1kOhm vor der Basis sieht 
das schlecht aus...
Und dann wird dein OpAmp nicht beliebig schnell den Übernahmebereich 
durchqueren und anschliessend noch den Transistor aufsteuern können.

> Besonders interessant erscheint es mir, dass mit Hife eines OpAmps die
> Probleme der Übernahmeverzerrungen recht einfach lösbar sind.
Wenn es tatsächlich soooo einfach wäre, dann würden alle anderen was 
falsch machen...

Autor: ArnoR (Gast)
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Albert Geig schrieb:
> Besonders interessant erscheint es
> mir, dass mit Hife eines OpAmps die Probleme der Übernahmeverzerrungen
> recht einfach lösbar sind.

Das ist ein großer Irrtum. Der OPV muss einen Spannungssprung von ca. 
1,4V machen. Dazu braucht er eine gewisse Zeit t=1,4V/(dU/dT), die von 
der SlewRate abhängt und nie null wird. Deshalb kann man auf diese Art 
die Übernahmeverzerrungen nicht beseitigen. In deinen Diagrammen sieht 
alles nur wegen der vollkommen unrealistischen Zeiten so gut aus. Nimm 
einen realen OPV und eine Frequenz von 10kHz. Du wirst dich wundern...

Autor: Albert Geig (Gast)
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Danke für die Antworten!
Es ist mir klar, dass so eine Simulation teilweise erheblich von der 
Realität abweichen kann. Und auch dass die Dimensionierung der Bauteile 
noch ein gewisses 'Feintuning' braucht.

Ich habe diese Schaltung aber bereits für einen kleinen 
Kopfhörerverstärker (BC 560 und BC 570) ausprobiert und war mit dem 
(Klang)Ergebnis sehr zufrieden, ja es klang sogar richtig gut!! Außerdem 
denke ich, dass die Jungs vom 'Elektronik-Kompendium' (sh obigen Link) 
ja auch eine gewisse Ahnung von der Materie haben.

Viel spannender aber wäre für mich die Antwort auf die Frage, ob es eine 
Möglichkeit gäbe, die Komplementär-Transistoren mit einer höheren 
Spannung zu betreiben; eben so wie ich es versucht habe, oben zu 
beschreiben.

Viele Grüße!

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Deine Simulation zeigt das Verhalten mit einem 100R Lastwiderstand. 
Weiter unten rechnest du aber mit 4R Lasten. Das paßt nicht zusammen.

Mache mal eine Simulation mit einer niederohmigen und vor allem 
komplexen Last, die die Kabelkapazität und Schwingspuleninduktivität 
enthält und das bei 20kHz. Dann sieht deine heile Verstärkerwelt ganz 
anders aus...

Kai Klaas

Autor: Albert Geig (Gast)
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Also bei einem Lastwiderstand von 4 Ohm und einem Vorwiderstand von 100 
Ohm vor den 'Endstufentransistoren' und bei einer Frequenz von 200 Herz 
funktioniert (allerdings natürlich nur in der Simulation) die Schaltung 
noch sehr gut.

Aber weiterhin bewegt mich die Frage: Gibt es eine (einfache und
elegante) Möglichkeit, den Vorteil der Verwendung eines OpAmps mit einem
Gegentaktverstärker hinsichtlich der Übernahmeverzerrung zu verbinden
mit einer noch deutlich größeren Leistung? Ich denke daran, den OpAmp
mit einer kleinen Spannung zu betreiben (z.B. 12 Volt) und die
Gegentaktendstufe mit einer separaten und deutlich größeren Spannung??
Da Prinzip der 'Regulation' der Lautsprecherkurve mit Hilfe des OpAmp's 
sollte aber weiterhin angewendet sein.
A. Geig

Autor: Albert Geig (Gast)
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Hier noch der Screenshot

mfg
A.G.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Albert Geig schrieb:
> Ich denke daran, den OpAmp
> mit einer kleinen Spannung zu betreiben (z.B. 12 Volt) und die
> Gegentaktendstufe mit einer separaten und deutlich größeren Spannung??
Das bringt nichts, der Ausgang vom Opamp kommt nur bis von Vneg+2V bis 
Vpos-2V, und dann fallen wie schon erwähnt an den BE-Strecken noch 
jeweils die Diodenspannungen ab. Mit +-12V am Opamp bekommst du also 
bestenfalls +-9,5V am Ausgang heraus.
Die Ausgangsspannung am Opamp wird noch kleiner, wenn du mal einen 
anständigen Basisstrom brauchst, denn Leistungstransistoren haben z.B. 
eine Stromverstärkung von 50. D.h. für 2A Ausgangsstrom brauchst du 40mA 
am Opamp...

Für Google: was du machen willst ist eine "B-Endstufe".

Albert Geig schrieb:
> dass die Jungs vom 'Elektronik-Kompendium' (sh obigen Link)
> ja auch eine gewisse Ahnung von der Materie haben.
Haben sie sicher auch. Aber dann lies dir mal den Abschnitt "Warum zwei 
Betriebsspannungen?" durch.

Autor: Alfons Geigenberger (alibaba55)
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Deshalb wollte ich ja das Endstufenpärchen mit zwei (Wegen der 
Invertierung des Signals) in Emitterscahltung betriebenen 
NPN-Transistoren ansteuern - mit den oben beschriebenen Problemen: "Es 
ist aber extrem schwierig, die Transistoren so zu betreiben, dass nichts 
übersteuert.  Die Verstärkung der Transistoren ist einfach viel zu groß! 
So groß, dass der OpAmp nur noch in einem 'Mini-Voltbereich' arbeitet, 
der dem Klang sicherlich nicht gut tun
würde."

Wie jeder hier sicher merkt, bin ich nur ein interessierter Laie. Und um 
gedanklich weiterzukommen frage ich hier - und danke für die bisherigen 
Antworten!!

A.G.

Autor: Alfons Geigenberger (alibaba55)
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Vielleicht noch zur Eingrenzung meiner Idee: Ein Emitterfolger kann ja 
die Spannung nicht verstärken: Im Gegenteil, die Spannung der Endstufe 
ist geringfügig geringer als die Spannung, mit der diese Transistoren 
angesteuert werden. (Deshalb die geringere Spannung der 
Endstufentransistoren im 'Kompendium')

Ich würde gerne dieses Endstufenpärchen mit einer höheren (nicht wie im 
Kompendium-Beitrag mit einer niedrigeren) Spannung betreiben - und damit 
das Sinn macht, die Steuerspannung zwischen OpAmp und Endstufenpärchen 
vorher noch verstärken. Und dann aber das Resultat per Rückkopplung 
dennoch vom OpAmp 'kontrollieren' lassen.

Ist viel verlangt - aber vielleicht geht's ja.

A. G.

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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>R=U/I   Leistung= U*I    ->  Leistung ist U*U/R  -> (auf I aufgelöst)

>Bei 12 Volt und 4 Ohm gilt: Leistung =  12*12 / 4  =  36 Watt
>Bei 24 Volt und 4 Ohm gilt: Leistung = 24*24 / 4  =  144 Watt  (spannung
>gegen der Gegenphase)

Das stimmt so nicht. Die 12Vs (bei +-12V DC Versorgung) sind die 
Spitzenspannung am Lastwiderstand (Verluste am Transistor wegen 
Aussteuerung mal vernachlaesigt)

Die Leistung am Widerstand errechnet sich aber aus der Effektivspannung. 
Und die ist bei Sinusfoermigen Groessen   12V / 1.41 = 8.5V

Damit ergibt sich fuer die Leistung am 4 Ohm Widerstand:

8.5 * 8.5 / 4 = 18.1W

Autor: Valentin Buck (nitnelav) Benutzerseite
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Eine B-Endstufe ist wirklich schöner!
Im Idealfall besteht die aus drei Bauteilen, mit Eingangs- und 
Ausgangskondensator aus fünf.
Hier mal ein Beispiel eines Kopfhörerverstärkers (funktioniert), einfach 
an deinen Leistungsbereich anpassen.

Mit freundlichen Grüßen,
Valentin Buck

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Albert Geig schrieb:
> Ist viel verlangt - aber vielleicht geht's ja.
Natürlich gehts, aber das mußt du nicht neu erfinden, das haben die 
OP-Hersteller üblicherweise als AppNote irgendwo rumfahren...

Und sieh dir mal so eine Schaltung an:
http://www.mikrocontroller.net/attachment/73524/OP...
http://www.audiofanatic.it/Schemi/Tipo/Stato_solid...
http://www.electronicecircuits.com/electronic-circ...
http://skema-elektronik.blogspot.com/2009/02/12-wa...
Mit diesem Schaltungstrick sparst du dir die BE-Spannung...

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Valentin Buck schrieb:
> Eine B-Endstufe ist wirklich schöner!
Das dürfte aber eine A-Endstufe sein...
http://de.wikipedia.org/wiki/Endstufe_%28Elektrote...

Autor: Alfons Geigenberger (alibaba55)
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Vielen, vielen Dank für die tollen Tip's!!  :-) :-)

.... einen Nachteil hat's aber: Als zukünftiger Patentinhaber wähnte ich 
mich schon irgendwo in der Südsee mit einem Cocktailglas in der Hand 
......  :-)

Jetzt werde ich aber erstmal die Links sorgfältig studieren.

A. Geig

Autor: Jens G. (jensig)
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>Albert Geig schrieb:
>> Ist viel verlangt - aber vielleicht geht's ja.
>Natürlich gehts, aber das mußt du nicht neu erfinden, das haben die
>OP-Hersteller üblicherweise als AppNote irgendwo rumfahren...

>Und sieh dir mal so eine Schaltung an:
>http://www.mikrocontroller.net/attachment/73524/OP...
>http://www.audiofanatic.it/Schemi/Tipo/Stato_solid...
>http://www.electronicecircuits.com/electronic-circ...
>http://skema-elektronik.blogspot.com/2009/02/12-wa...
>Mit diesem Schaltungstrick sparst du dir die BE-Spannung...

Damit spart man aber auch wirklich nur die BE-Spannung - mehr nicht. 
Letztendlich steuern die nur so wait aus, wie es der OPV vermag - also 
eigentlich immer noch nicht am Ziel.
Diese Schaltungen lassen sich aber auch aufmotzen, um wirklich die 
Betriebsspannung auszunutzen. Und zwar einen R zw. OPV-Ausgang und 
Masse, und einen zw. OPV-Ausgang und Kollektoren (dort also dafür 
auftrennen). Verhältnis zw. beiden so 1:2 oder so, und so Pi mal Daumen 
paar mal größer als die Rbe in den OPV-Spannungsleitungen (liese sich 
genau berechnen, damit der OPV schön im mittleren Bereich operiert). 
Damit kann man schonmal den Aussteuerungsbereich des OPV auf den Bereich 
der Endstufe bringen. Ob die Schaltung einen Namen hat, weis ich nicht - 
wurde aber gern in Verbindung mit dem TDA2030 so gemacht.
Und wenn das nicht wirklich reicht, könnte man direkt in die 
OPV-Betriebsspannungsleitungen noch Z-Dioden reinmachen, so daß größere 
Betriebspannungen (für die Endstufe) auf ungefährliche für den OPV 
reduziert werden.
Das Widerstandsnetzwerk am OPV-Ausgang muß dann entsprechend 
umdimensioniert werden, weil ja dann noch mehr Lastspannung mit wenig 
OPV-Hub gemacht werden kann.

Autor: Alfons Geigenberger (alibaba55)
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Hallo Jens,

ja, das mit dem nicht erreichten Ziel sehe ich auch so.

Aber diese Zeilen verstehe ich nicht:

"Und zwar einen R zw. OPV-Ausgang und
Masse, und einen zw. OPV-Ausgang und Kollektoren (dort also dafür
auftrennen)."

Könntest Du eine kleine Skizze posten?

A.G.

Autor: Jens G. (jensig)
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nehmen wir also den hier (war mal die Basis für einen Verstärker 
meinerseits vor etlichen Jahren):

http://www.audiofanatic.it/Schemi/Tipo/Stato_solid...

Verbindung TDA2030 Pin 4 zu den Kollektoren auftrennen, und 10Ohm dort 
längst rein.
Zusätzlich von Pin 4 10Ohm quer nach Masse.
Die Basiswiderstände waren aber 2,2Ohm bei mir.
Und R7 muß von den Kollektoren ausgehen (nicht von Pin4 aus)
Damit hat man quasi eine interne Zusatzverstärkung von rund 1,5 bis 2 
(ohne diese Zusatzschaltung wäre es nur 1 gewesen), und kann damit volle 
Betriebspannung ausnutzen (abzüglich Ucesat).
Durch die Rückkopplung über R7 bleibt die Gesamtverstärkung natürlich 
gleich. Es ist eben nur die Verstärkung OPV-Ausgang zu Transistorausgang 
etwas erhöht, weil durch das Widerstandsnetzwerk der OPV-Ausgang erst 
bei höheren Transistorausgangsspannungen entsprechend entlastet wird. Es 
ist praktisch eine Stromgegenkopplung.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Natuerlich kann ma den Betriebsspannungsbereich eines OpAmp 
vergroessern, speziell mit Emitterfolger hintendran. Dies geschieht 
durch Stromquellen in der jeweiligen Speisungsleitung. Ist aber ueberall 
beschrieben. Allenfalls siehe auch : LM4702CTA fuer +-75V

Autor: Jens G. (jensig)
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@A...aha Soooo.
Bezieht sich dein Update auf meinen? Jedenfalls sehe ich beim LM4702 
nicht das, was ich beschrieben habe (schon gar nicht eine 
Aussteuerungserweiterung betzüglich Spannung)

Autor: Jens G. (jensig)
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@Albert Geig
Ach ja: der TDA ist natürlich bereits ein Leistungs-OPV, der durch die 
Zusatzschaltung aufgebohrt wird. Läßt sich grundsätzlcih auch mit 
Kleinleistungs-OPV machen, aber da muß man bei den Transistoren für 
kräftige Stromverstärkung sorgen (also mindestens Darlington). Auch ist 
dann alles deutlich hochohmiger).

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Ja. so aehnlich. Der im link
http://www.audiofanatic.it/Schemi/Tipo/Stato_solid...
bezeichnete Verstaerker kann nur mit der maximalen Speisespannung des 
OpAmp betrieben werden, wenn man mehr will, dann muss man die 
Widerstaende in den Speisungspfaden durch Stromquellen ersetzen, und 
dann hat man ueber dem OpAmp +-15V Zehnerdioden. Ich sah mal eine 
Schaltung, wo der Poster 500V Hub machte.
Der LM4702, ist im Wesentlichen eine Endstufe ohne die 
Endstufentransistoren. Heisst die haben das Problem mit dem Hub bereits 
geloest. Dieser Typ macht 150V hub, was fuer viele Anwendungen genuegen 
sollte.

Autor: Jens G. (jensig)
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na gut, das mit den Z-Dioden hatte ich schon weiter oben gesagt, um den 
OPV mit höherer Spannung anzufreunden. Die Zusatz-R's braucht man aber 
trotzdem, um den geringen OPV-Hub auf den höheren Transistorhub zu 
bringen.

Autor: Alfons Geigenberger (alibaba55)
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Hallo,

Danke erstmal für die Hilfen!

Ich hab's mir ungefähr so vorgestellt:
sh. Bild (grün: OpAmp Eingang Blau: Lautsprecher-Ausgang)

Ist so etwas realisierbar?

A.G.

Autor: ulrich (Gast)
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Die Schaltung könnte so ähnlich gehen, ist aber nicht ganz einfach 
Stabil gegen Schwingungen zu bekommen.

Hier mehrfach angesprochen und wohl besser ist die Schaltung, wo die 
Versorgungsspannungsanschlüsse des OPs zur Steuerung der 
Endstufentransistoren genutzt werden. Die Schaltung ist umstritten, und 
geht nicht mit jedem OP. Das verhalten ohne Abblockkondensatoren am OP 
ist halt oft nicht genau spezifiziert. Für die Stabilität braucht man 
ggf. auch eine Induktivität am Ausgang.

In der Grundschaltung kommt man da auch nicht zu höheren Spannungen als 
der OP verträgt. Mit extra Zenerdioden, oder 2 Transistoren in 
Basisschaltung geht es aber ziehmlich einfach da auch deutlich höheren 
Spannungen zu erlauben.

Ein paar der Schatungen findet man hier:
http://sound.westhost.com/amp_design.htm#nogood

Auch wenn das hier unter nicht gut gezeigt wird, es kann immerhin 
funktionieren, wenn auch nicht gut und immer zuverlässig.

Autor: Jens G. (jensig)
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>Ein paar der Schatungen findet man hier:
>http://sound.westhost.com/amp_design.htm#nogood

Die letzte Schaltung in Bild 16 geht schon in die Richtung, die ich 
meinte. Nur daß C1 ein R sein müsste, der auch etwas in der 
Größenordnung wie R3 sein sollte (die beiden bestimmen praktisch die 
Zusatzverstärkung, um die der Output höher ist als der OPV-Output).
Die dort abgebildete Schaltung hat aber praktisch eine sehr hohe 
Zusatzverstärkung, was durch C1 für hohe Frequenzen etwas gedämpft wird, 
was aber der Stabilität abträglich ist. Auch trägt der OPV praktisch nix 
zum Ausgangssignal (Strom) bei - man hat also bereits bei kleinsten 
Signalen Ubernahmeverzerrungen (weil der OPV immer einen Mindeststrom 
fließen lassen muß, um überhaupt die Transistoren aufzusteuern.
Mit einem R statt C1 hat man da an der Stelle nur einen rel. sanften 
Verstärkungsknick beim Einsatz der Transistoren, weil anfangs der OPV 
mit zum Ausgangsstrom beiträgt, und erst bei höheren Strömen durch die 
Transistoren unterstützt wird (was ein "höherer Strom" ist, hängt 
natürlich vom OPV ab (ob LeistungsOPV wie der TDA2030, oder nicht)).

Autor: Egon (Gast)
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Hallo,

aus meiner Studienzeit vor 30 Jahren habe ich mir diesen Anhang
aufbewahrt, funktioniert bis heute ohne Probleme in mehrfacher
Ausführung.
Für Euch aber sicher völlig uncool.

Autor: Jens G. (jensig)
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>aus meiner Studienzeit vor 30 Jahren habe ich mir diesen Anhang
>aufbewahrt, funktioniert bis heute ohne Probleme in mehrfacher
>Ausführung.
>Für Euch aber sicher völlig uncool.

genau das mit R3 und R4 zw. OPV und Ausgang (und VT1/3 als Z-Dioden) 
meinte ich in meinen bisherigen Ausführungen

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Für Euch aber sicher völlig uncool.

Keineswegs! Die Schaltung arbeitet nach dem Prinzip der Stromentlastung 
und ist von mir in vereinfachter Version schon oft zum Einsatz gekommen. 
Man muß lediglich berücksichtigen, daß die Ruhestromaufnahme gewisser 
OPamps stark schwanken kann, was sich dann in unterschiedlichen 
Arbeitspunkten äußert, oft aber nicht der Rede Wert ist.

Leider kann man diese Schaltung mit vielen Simulatoren nicht richtig 
simulieren, da diese den lastabhängigen Versorgungsstrom von OPamps 
meist nicht oder wenn, dann falsch modellieren.

Kai Klaas

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