In einem anderen Thread hatte ich eine einfache Verstärkerschaltung für
ein Elektret-Mikrofon gezeigt. Weil dort aber ein dynamisches Mikrofon
zu verstärken war und der andere Thread nicht weiter gestört werden
soll, stelle ich die hier nochmal mit ausführlicher Funktionserklärung
vor.
Die groben Eckdaten sind:
Spannungsverstärkung:~100fach (40dB)
Ausgangspegel bei einem Mikro mit -40dB Empfindlichkeit und 1Pa: ~2Vpp
100Hz-Unterdückung: ~20dB (ausgangsbezogen), ~60dB (eingangsbezogen)
Ausgangswiderstand: ~500R
Die Schaltung besteht aus einer pnp-Stromquelle zur Versorgung der
Elektret-Kapsel und einem npn-Emitterfolger. Man könnt nun meinen, solch
eine Schaltung hat gar keine Spannungsverstärkung. Das stimmt auch und
es stimmt auch wieder nicht. Zur Erklärung müssen wir uns genauer mit
dem Inneren eines Elektret-Mikros befassen.
Im Mikro gibt es einen N-Kanal-JFet (z.B. den Typ K1109 von UTC), der
die Spannung der Elektret-Folie mit seiner Steilheit in einen
Drainstromhub umsetzt. Normalerweise wird dann in die Drainleitung ein
rel. niederohmiger Widerstand von typisch etwa 2k2 geschaltet und die
dort entstehende Signalspannung weiter verstärkt. Siehe dazu auch das
angehängte Datenblatt von Ekulit.
Eine Empfindlichkeit von -40dB bedeutet ein Signal an 10mV an 2k2 bei
1Pa. Daraus kann man einen Stromhub von dI=10mV/2,2k=4,5µA im JFet
ermitteln. Der interne JFet ist also im Prinzip eine Stromquelle mit
einem Stromhub von 4,5µA/Pa. Der Ausgangskennlinie im Datenblatt des
JFet kann man beim normalen Arbeitspunkt einen Ausgangswiderstand von
etwa 240kOhm entnehmen. Wenn es nun gelingt, den JFet auf eine
Konstantstromquelle arbeiten zu lassen und nicht wie gewöhnlich auf
einen niederohmigen Widerstand, dann wirkt als Lastwiderstand nur der
Ausgangswiderstand des JFet und es ergibt sich ein Drainspannungshub von
4,5µA/Pa*240k. Dieser Spannungshub ist dann um etwa den Faktor
240k/2,2k~100 größer als bei der üblichen Beschaltung. Damit ist die
gewünschte Spannungsverstärkung erreicht.
Nun muss das Signal nur noch niederohmig bereitgestellt werden, was in
diesem Fall mit einem npn-Emitterfolger gemacht wurde, ein N-Kanal-JFet
geht auch. Der pnp-Transistor bildet die Stromquelle zur Versorgung der
Kapsel. Ihr Strom ist von der Ausgangsgleichspannung abhängig, so daß
sich eine gewisse Stabilisierung ergibt. Der Kondensator verhindert, daß
die Signalspannung auf der Konstantstrom zurückwirkt und gleichzeitig
bewirkt er die Unterdrückung von Störspannungen auf der Versorgung.
Beim Nachbau bitte beachten, daß die in den Elektret-Kapseln verbauten
JFets große Streuungen aufweisen. Daher ist es wahrscheinlich, daß der
750k-Widerstand auf die verwendete Kapsel angepasst werden muss. Zum
Abgleich stellt man mit dem Widerstand eine Ausgangsgleichspannung von
etwa 5V bei 9V Versorgung ein.
Hallo,
Elliot schrieb:> In einem anderen Thread hatte ich eine einfache Verstärkerschaltung für> ein Elektret-Mikrofon gezeigt. Weil dort aber ein dynamisches Mikrofon> zu verstärken war und der andere Thread nicht weiter gestört werden> soll, stelle ich die hier nochmal mit ausführlicher Funktionserklärung> vor.> ...
Danke für die Erklärung.
rhf
Die Schaltung geht nur fuer Elektretkapseln, die minfestens 9V
Versorgungsspannung vertragen. Der Widerstand im Emitter ist auch an den
Nennstrom der Kapsel anzupassen.
Da ist aber Stefans Schaltung besser geeignet, weil die der dynamischen
Kennlinie von solchen Kapseln besser angepasst ist, wenn die
Widerstaende passend gewaehlt werden. Es sind dabei immer drei zu
aendern fuer die drei unterschiedlichen am haeufigsten Auftretenden
Kapselnennstroemen.
Andere Variante kombiniert Basis und Kollektorschaltung.
Roland F. schrieb:> Danke für die Erklärung.
Ja ebenfalls ein Danke von mir.
Ich habe die Schaltung ausprobiert - läuft. Das ist eine ziemlich
raffinierte Idee.
Den 750kΩ Widerstand musste ich auf 3,3MΩ erhöhen. Ich erhalte einen
Ausgangspegel von ca. 150mV (400mVpp) wenn ich laut spreche.
Elliot, kannst du eventuell noch erklären, warum der Ausgangswiderstand
der Schaltung viel geringer als 4,7kΩ ist?
Dieter schrieb:> Die Schaltung geht nur fuer Elektretkapseln, die minfestens 9V> Versorgungsspannung vertragen.
Nein. Die Spannung an der Kapsel ist Ausgangsgleichspannung+0,7V. Wie
hoch man die einstellt, hängt von der nötigen Ausgangsaussteuerung ab.
Man kann die Kapsel auch mit z.B. 2V betreiben. Beim Anlegen der
Versorgung ist der pnp wegen des Kondensator zunächst stromlos, die
Kapsel auch, so daß sich keine Spannungsüberhöhung ergibt. Nach etwa 1s
ist die Schaltung betriebsbereit.
Und natürlich kann man die Schaltung auch auf 5V-Versorgung
dimensionieren.
Stefan ⛄ F. schrieb:> Elliot, kannst du eventuell noch erklären, warum der Ausgangswiderstand> der Schaltung viel geringer als 4,7kΩ ist?
Der Transistor arbeitet als klassischer Emitterfolger, d.h. sein
Eingangswiderstand ist etwa B*RE~500*4,7k=2,3MOhm (ohne Last am
Ausgang), und sein Ausgangswiderstand ist etwa Quellwiderstand
(=Ausgangswiderstand Kapsel) geteilt durch B, also ~240k/500=480R.
Das liegt daran, das Eingang und Ausgang des Emitterfolgers etwa gleiche
Signalspannungen haben, aber diese Kreise über die Stromverstärkung des
Transistors verkoppelt sind. Die Quelle wird also nur mit dem 1/B-fachen
Strom der Spannung am Emitterwiderstand belastet und der Ausgang liefert
den B-fachen Strom der aus der Quelle gezogen wird.
Es gibt auch im Netz reichlich Beschreibungen.
Stefan ⛄ F. schrieb:> Elliot, kannst du eventuell noch erklären, warum der Ausgangswiderstand> der Schaltung viel geringer als 4,7kΩ ist?
Die Ausgangsimpedanz einer Kollektorschaltung ist in der Regel immer
deutlich geringer als der Emitterwiderstand.
Noch ein Hinweis:
Weil die Kapsel sehr hochohmig betrieben wird, darf die kapazitive Last
nicht groß sein, weil anderenfalls der Frequenzgang oben abgeschnitten
wird. So wie gezeigt, also ohne Kabel zwischen Kapsel und Verstärker,
liegt die obere Grenzfrequenz bei über 100kHz. Bei einer Lastkapazität
von 30pF sinkt die obere Grenzfrequenz auf ~20kHz ab. Man sollte also
Kapsel und Schaltung direkt beieinander aufbauen bzw. ohne langes Kabel
verbinden.
Ich habe gerade mal in der Krabbelkiste nach einem Electret Mikro
gesucht, aber leider keins gefunden. Sonst hätte ich die Schaltung auch
selbst gerne mal aufgebaut.
Der Rauschspannungsabstand dürfte bei dieser Schaltung wohl auch sehr
hoch sein?
L J schrieb:> Der Rauschspannungsabstand dürfte bei dieser Schaltung wohl auch sehr> hoch sein?
Ja, war meiner Erinnerung nach (> 10 Jahre her, daß ich mir das
ausgedacht und aufgebaut hatte) ganz gut, schließlich wird das
eigentliche Signal nicht erst ganz klein gemacht und dann wieder
verstärkt.
In Elliots Schaltung ist der erste Transistor eine Konstantstromquelle.
Ueber die Gleichspannungsgegenkopplung am Emitter des zweiten
Transistors stellt sich eine mittlere Spannung am Mikro ein. Das bringt
mehr Signal als nur ein Spannungsabfall am Widerstand abgegriffen.
Deshalb sind beim OP auch Konstantstromquellen in der
Differenzverstaerkerstufe.
Stefan ⛄ F. schrieb:> Ungünstig finde ich, dass Arbeistpunkt und Ausgangspegel stark von den> verwendeten Bauteilen abhängen.
Bei den verwendeten JFets halt unvermeidlich (laut Datenblatt geht Idss
von 40µA...600µA). Aber irgendwas ist ja immer.
Stefan ⛄ F. schrieb:> Ist es nicht eher ein Gyrator?
Ein Gyrator ist eine Transformationsschaltung, die eine Impedanz in ihre
duale umwandelt, also z.B. eine Induktivität in eine Kapazität.
Vielleicht wärst du so nett und würdest diese Eigenschaft meiner
Schaltung mal im Detail erklären. Ich kann das da nämlich nicht sehen.
Elliot schrieb:> Ein Gyrator ist eine Transformationsschaltung, die eine Impedanz in ihre> duale umwandelt, also z.B. eine Induktivität in eine Kapazität.
Oder wie im vorliegend Fall genau umgekehrt. Eine Kapazität wird in eine
Induktivität umgewandelt.
Ohne Kondensator wäre deine Transistorschaltung annähernd eine
Konstantstromquelle. Durch den Kondensator wird der Transistor aber
Träge gemacht, so dass er für Wechselstrom einen sehr hohem
Innenwiderstand hat, für Gleichstrom jedoch einen geringen. Er wirkt wie
eine Konstantstromquelle mit einer sehr großen in Reihe geschalteten
Induktivität.
Oder anders gesagt: Durch die Invertierung des Transistors wird die
Wirkung des Kondensators in eine simulierte Spule umgekehrt.
Ich kenne das Prinzip von analogen Telefoanlagen. Früher wurden die
Telefone vom "Amt" durch ein Relais mit 1,5kΩ und besonders hoher
Induktivität versorgt:
1
Relais 1 Telefon 1
2
3
- 60V o----XXXXX----+-----[====]-----|
4
|
5
=== Koppelkondensator für die Sprache
6
|
7
- 60V o----XXXXX----+-----[====]-----|
8
9
Relais 2 Telefon 2
Der Gleichstromwiderstand der Relais bestimmte die Stromstärke mit der
das Telefon versorgt wurde. Die Induktivität der Relais war vorteilhaft,
um eine gute Lautstärke zu erreichen, denn nur ein sehr geringer Anteil
des Sprach-Signals ging in Richtung der Stromversorgung (Batterien)
verloren.
Die Relais wurden durch Halbleiter ersetzt und die Speisespannung von
60V auf 48V reduziert. Kleine lokale Telefonalagen hatten sogar oft nur
24V.
Damit der Speisestrom der Telefone trotz unterschiedlicher
Leitungslängen immer die gewünschten 30mA hatte, setze man
Konstantstromquellen ein. Und damit diese nicht die Hälfte des
Sprachsignals verschluckten, hat man sie mittels Kondensator zu einem
Gyrator aufgebohrt.
Im analogen Telefon-Netz passiert prinzipiell das Gleiche wie in deiner
Schaltung mit dem Electret Mikrofon.
Siehe auch
Beitrag "Re: Gyrator mit Mosfet"Beitrag "Gyrator zum entkoppeln"https://sound-au.com/articles/gyrator-filters.htm#s3
Das Prinzip ist jedes mal das Gleiche.
Stefan ⛄ F. schrieb:> Ohne Kondensator wäre deine Transistorschaltung annähernd eine> Konstantstromquelle. Durch den Kondensator wird der Transistor aber> Träge gemacht, so dass er für Wechselstrom einen sehr hohem> Innenwiderstand hat, für Gleichstrom jedoch einen geringen. Er wirkt wie> eine Konstantstromquelle mit einer sehr großen in Reihe geschalteten> Induktivität.
Naja, es ist ja klar, daß der Ausgangswiderstand des pnp durch
niederohmiger werdende Ansteuerung ansteigt, das hab ich ja auch extra
so gemacht, aber unter einem Gyrator verstehe ich so eine Anordnung wie
sie im Tietze/Schenk ausführlich beschreiben ist. Einen so mächtigen
Begriff wie Gyrator auf eine so einfache Filterei anzuwenden ist schon
etwas übertrieben. Der umfasst nämlich deutlich mehr als nur etwas
Impedanzanstieg mit der Frequenz.
Ich finde an deiner Schaltung jedenfalls raffiniert, dass sie selbst die
Spannung gar nicht verstärkt, sondern das Mikrofon dazu bringt, den
gewünschten Pegel zu liefern.
Stefan ⛄ F. schrieb:> Ich finde an deiner Schaltung jedenfalls raffiniert, dass sie selbst die> Spannung gar nicht verstärkt, sondern das Mikrofon dazu bringt, den> gewünschten Pegel zu liefern.
Ja, genau das war der Sinn der Übung.
Da habt ihr die Rechnung ohne die Millerkapazität gemacht.
Die ist der Grund, weshalb man die Mikros nicht so hoch verstärken
lässt.
Danke für das Datenblatt.
Fmmjpu schrieb:> Da habt ihr die Rechnung ohne die Millerkapazität gemacht.> Die ist der Grund, weshalb man die Mikros nicht so hoch verstärken> lässt.
Ob der Effekt tatsächlich den Frequenzgang beschneidet, hängt von den
Eigenschaften der Elektretfolie ab. Wenn die vor allem eine große
Kapazität darstellt, dann gibt es nur eine kapazitive Teilung mit der
vergrößerten Rückwirkungs-/Eingangskapazität des JFet und die wäre
frequenzunabhängig und würde nur die mögliche Verstärkung begrenzen.
Wenn die aber überwiegend hoch ohmsch ist, dann wird der Frequenzgang
beschnitten.
Leider habe ich weder zu den verwendeten JFets noch zu den Folien
irgendwelche diesbezüglichen Angaben. Lediglich die große
Eingangskapazität der JFets deutet auf ebenfalls große Kapazitäten der
Folie hin. Es gibt durchaus JFets mit vergleichbar großer Eingangs- aber
sehr kleiner Rückwirkungskapazität (z.B. 2SK161). Da dürfte sich der
Effekt in Grenzen halten.
Stefan ⛄ F. schrieb:> Kleine lokale Telefonalagen hatten sogar oft nur> 24V.
Ich habe so eine 24V Telefonanlage.
Die Telefone sind direkt parallelgeschaltet. Kein Kondensator.
Sie werden über 260 Ohm vom J-Relais mit 24V versorgt.
Elliot schrieb:> Leider habe ich weder zu den verwendeten JFets noch zu den Folien> irgendwelche diesbezüglichen Angaben.
Doch, das Datenblatt sagt Stromanpassung.
Ich nutze dafür den Eingangswiderstand einer Emitterschaltung.
Da bekommst du mit dem halben Aufwand einen besseren Frequenzgang
bei mindestens gleicher Verstärkung.
Fmmjpu schrieb:> Die Telefone sind direkt parallelgeschaltet. Kein Kondensator.
Ja kenne ich.
Der Haken dabei ist, dass die analogen Telefone schon lange nicht mehr
nur aus Trafos und Kohlemikrofon bestehen, sondern Elektronik enthalten.
Das eine läuft mit 6V, das andere vielleicht mit 12V. Bei der
Parallelschaltung kommt es vor, dass von den beiden Telefonen nur eins
gut funktioniert. Insbesondere, wenn da noch ein Anrufbeantworter, eine
Freisprech-Einrichtung oder eine fancy Beleuchtung drin ist.
Elliot schrieb:> Damit ist doch der Ausgang mit 2k2 gemeint
Und das ist ja wohl Stromanpassung bei dem FET in Sourceschaltung
oder bist du da anderer Auffassung?
Fmmjpu schrieb:> Ich nutze dafür den Eingangswiderstand einer Emitterschaltung.> Da bekommst du mit dem halben Aufwand einen besseren Frequenzgang> bei mindestens gleicher Verstärkung.
Dass die Verstärkung mit einer Emitterschaltung höher ist, kann schon
sein, aber dafür hat eine Emitterschaltung wiederum einen geringeren
Rauschspannungsabstand und mehr Verzerrungen!
Stefan ⛄ F. schrieb:> Das eine läuft mit 6V
Mit mindestens 6V. Die Üblichen Telefon IC's laufen ab 3V
also kein Problem mit der direkten Parallelschaltung.
Ist halt eine Forderung, dass sie in Parallelschaltung
gut arbeiten müssen.
Und auch eine elektronische Sprechkapsel muss das können
was eine Kohlekapsel auch kann. Sonnst ist die Schaltung
ungeeignet.
L J schrieb:> 20210416_112139.jpg
Fließt da nicht zu viel Gleichstrom durch das Mikrofon? Die mir
bekannten wollen je nach Modell mit maximal 0,5 bis 1 mA betrieben
werden.
Stefan ⛄ F. schrieb:> Fließt da nicht zu viel Gleichstrom durch das Mikrofon? Die mir> bekannten wollen je nach Modell mit maximal 0,5 bis 1 mA betrieben> werden.
Bei den mir bekannten E-Mics aus den 90ern sind es 2k2. Aber du hast
schon recht, bei den meisten modernen E-Mics genügt ein 10k Widerstand
bei 9V Vcc.
L J schrieb:> ...
Bei der Schaltung verstärkst du jeden Müll auf der Versorgungsspannung
mit.
Die Emitterschaltung ist da besser, weil der Vorwiderstand vom Mikro
mit dem Eingangswiderstand der Emitterschaltung einen Spannungsteiler
bildet.
Fmmjpu schrieb:> Und das ist ja wohl Stromanpassung bei dem FET in Sourceschaltung> oder bist du da anderer Auffassung?
Ich stimme dir da zu, aber das hatte ich nicht gemeint. Ich meinte
Angaben zur Folie und zur Rückwirkungskapazität des JFet, um damit den
Miller-Effekt beurteilen zu können.
Ich hatte zuerst auch die Variante "Verstärkung mit dem FET in der
Elektretkapsel" probiert.
Allerdings nicht so wie Elliot, sondern das Elektret galvanisch
zwischen Collector und Emitter PNP. Das macht die Schaltung nochmal
einfacher.
Mit der Emitterschaltung und Stromanpassung hört sich das besser an.
Ich habe inzwischen alle Sprechkapseln, wie im Bild gezeigt, umgebaut.
ElektretMikroVV.png
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