Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik SOA von NPN/PNP-Transistoren


von Holger L. (symetron)


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Moin

Ich werkle gerade an einer AB-Endstufe. Kleinleistung, so um 10 Watt, 
gemittelt.

MOSFET sind da ein bisschen schwierig, weil fast durchgehend für 
Schaltbetrieb optimiert. Da guckt man ins Datenblatt, in das 
SOA-Diagramm, und stellt fest, dass die DC-Kurve ganz fehlt. Gut, Audio 
ist kein DC. Aber so ein 50 Hz-Buckel dauert auch schon 10 ms. Wird eng. 
Außer ich nehme die schweineteueren linearen von IXYS.

Bisher dachte ich: Nehme ich halt ein NPN / PNP-Darlington-Pärchen. Die 
Verheizen XY Watt und um den Rest muss ich mir keine Sorgen machen.

Möglicherweise eine Fehlannahme.

Jetzt stöbere ich ein bisschen bei Mouser, und finde das hier:

https://www.mouser.de/datasheet/2/308/1/MJF122_D-2315850.pdf

Und prompt lächelt mich auf Seite 3 ein SOA-Diagramm an. Und der 
verträgt wohl auch nur 2 A bei 15 V VCE.

Passt alles noch, im AB-Betrieb heißt ja viel Strom = wenig VCE. Aber 
wenn ich jetzt 100 Watt veheizen möchte. Muss dann nach "linearen" 
PNP/NPN Transistoren suchen?

von Günter N. (gnatz)


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NPN und PNP Transistoren sind immer linear. Bei den gewünschten 10 W 
würde ich "einfache" Transistoren nehmen. Darlingtons sind da unnötig. 
2A Kollektorstrom reichen da auch aus. Als Anregung einfach Schaltungen 
von alten Radios ansehen.

100 W sind für einen einzelnen Transistor zu viel. Auch wenn das die 
maximal zulässige Verlustleistung ist, bekommt man die nicht mit 
"normalen" Kühlblechen abgeführt. Da schaltet man besser mehrere 
Transistoren parallel (mit Emitterwiderstand zur Symmetrierung).

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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'Lineare' BJT in dem Sinne gibt es nicht, weil sie das alle können. Es 
hängt vom drumherum ab.
Ich gucke für sowas immer zuerst bei Elliot und siehe da, er hat sowas 
mit Darlingtons, wenn auch in Sziklai Konfiguration:
https://sound-au.com/project76.htm

Die Sziklais geben natürlich eine hohe Verstärkung und deswegen kannste 
die direkt mit einem OpAmp antreiben.

von Peter D. (peda)


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Holger L. schrieb:
> Ich werkle gerade an einer AB-Endstufe. Kleinleistung, so um 10 Watt

Da gibts doch fertige ICs, z.B. LM1875.
Die habe auch gleich Schutz gegen Kurzschluß, Übertemperatur usw. 
eingebaut.

Oder bis 100W: TDA7293

von Michael B. (laberkopp)


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Holger L. schrieb:
> Aber wenn ich jetzt 100 Watt veheizen möchte. Muss dann nach "linearen"
> PNP/NPN Transistoren suchen?

Jedenfalls nicht nach Darlingtons in TO220.

Es gibt genügend 'Audio' Leistungstransistoren und die besten Ergebnisse 
erzielt man derzeit mit

Es gibt inzwischen NJL/MJL3281A/1302A=2SC3281A/2SA1302A=2SC5200/2SA1943 
, die dramatisch besser sind, hohe Verstärkung, gleichmässig über den 
Strom.

https://dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.30

Gut, für 10W übertrieben, wenn man da aus didaktischen Gründen keinen IC 
will, tun es tatsächlich TO220 oder sogar TO126/SOT89/SOT223. Welches 
Modell da gerade 'hohe Verstärkung, gleichmässig über den Strom' bietet 
weiss ich aber nicht.

2SB649A , 2SD669A ?

von Peter D. (peda)


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In meinem Onkyo werkelt ein 2SC5198/2SA1941 Paar.
Onkyo gibt dafür 130W sinus an, Toshiba jedoch nur 70W.
Die Schaltung im Onkyo sieht aber nicht danach aus, als daß sie einen 
Ausgangskurzschluß verkraftet.

von Michael B. (laberkopp)


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Peter D. schrieb:
> Da gibts doch fertige ICs, z.B. LM1875.
> Die habe auch gleich Schutz gegen Kurzschluß, Übertemperatur usw.
> eingebaut.
> Oder bis 100W: TDA7293

Mein Auto fährt auch 'bis 350km/h'.

Wenn es den Grand Canyon herunterfällt.

Die nötige 'high Efficiency' Extrabeschaltung damit der TDA7293 die 100W 
aushält übersteigt an Aufwand einen diskreten 100W Audiocerstärker, ist 
also völliger Humbug. 55W kann der Chip real liefern. Das reicht 
natürlich für chinesische '8000W Verstärker'.

von Günter N. (gnatz)


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Peter D. schrieb:
> Da gibts doch fertige ICs, z.B. LM1875.
> Die habe auch gleich Schutz gegen Kurzschluß, Übertemperatur usw.
> eingebaut.

Es kommt darauf an, was man erreichen will. Wer Erfahrungen mit 
Schaltungen sammeln will, sollte auf diskrete Bauteile zurückgreifen. 
Einfacher ist natürlich die Verwendung fertiger ICs, wobei der 
Lerneffekt geringer ist. Wer es sich einfach machen will, sollte 
konsequenterweise gleich fertige Module kaufen.

von Michael B. (laberkopp)


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Matthias S. schrieb:
> Ich gucke für sowas immer zuerst bei Elliot

Im Prinzip eine gute Idee, und die Schaltung mit 9W an 8 Ohm und 18W an 
4 Ohm passt auch genau in die Anforderung, aber ich finde diese 
Schaltung trotzdem unmöglich, sie stammt auch nicht von Elliott (der 
erwähnt nur dass man anstelle der 1N4007 wohl besser 3A Dioden nehmen 
soll), sondern Rohit Balkishan.

Die Schaltung hat KEINERLEI Schutz vor Kurzschluss und Überlastung, 
zudem
finde ich es unmöglich, den nicht bei kapazitiven Lasten stabilen TL074 
mit 10-100(22)nF zu belasten, man nimmt den Betonklotz an der Sitze 
einer Lette die man auf der Nase balancieren soll. Das widerspricht 
nicht nur sämtlicher Schaltungstheorie, sondern macht auch nichts als 
Probleme "Due to the high slew rate of TL074, the capacitor C5 must have 
a minimum value of 22nF.  If after a few moments of powering up, the amp 
goes into oscillation or produces a humming sound (with speakers 
connected) or you find that the power transistor supplies drop (this may 
happen even without connecting the speakers), accompanied by mild 
heating up of the o/p transistors then the culprit surely is the opamp 
(A2).  To solve this problem, simply increase the value of C5, and test 
it again.  Make sure that oscillation / hum does not set in even when 
you connect/disconnect an audio source"

Also eine Schaltung, die eher zeigt, wiean es NICHT bauen soll.

von Peter D. (peda)


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Michael B. schrieb:
> Die Schaltung hat KEINERLEI Schutz vor Kurzschluss und Überlastung,

Zuverlässiger Schutz ist bei diskreten Aufbauten schon eine 
Herausforderung.
Viele verzichten darauf oder schalten das Lautsprecherrelais, was nicht 
zuverlässig ist. Ein Relais braucht Zeit zum Abfallen bzw. kann durch 
den Überstrom verschweißt sein. Der Schutz sollte daher ohne viel Umwege 
direkt an der Basis des Endtransistors eingreifen.

Schnell sind beim Anklemmen der Lautsprecherkabel mal nicht alle Litzen 
unter der Klemme. Und wenn man dann das Kabel bewegt, können sie sich 
berühren. Dadurch sind schon viele Verstärker gestorben. Oder nach 
zuviel Alkohol und Lautstärke auf Anschlag.

von Peter N. (alv)


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Peter D. schrieb:
> Schnell sind beim Anklemmen der Lautsprecherkabel mal nicht alle Litzen
> unter der Klemme.

Das frage ich mich schon sit Jahrzehnten:
Warum haben Lautsprecherkabel immer "offene" Litzen?
Warum werden keine Kabelschuhe oder Aderendhülsen verwendet, oder die 
Litzenenden wenigstens verzinnt?

: Bearbeitet durch User
von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Peter N. schrieb:
> Warum werden keine Kabelschuhe oder Aderendhülsen verwendet, oder die
> Litzenenden wenigstens verzinnt?

Es dir aber freigestellt, sowas zu machen. Vermutlich werden viele 
Endkunden davon noch nie gehört haben und klemmen deswegen die Litzen 
ohne alles. Und bei Zimmerlautstärken ist das auch kein Problem.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Peter D. schrieb:
> Zuverlässiger Schutz ist bei diskreten Aufbauten schon eine
> Herausforderung.

Nicht direkt. Zumal im Leistungsbereich bis 10W dann ja ein einfacher 
Überstromschutz reicht. Die SOA des Endstufentransistors geht bei diesem 
Strom ja noch von U_ce = 0 .. Vcc.

> Viele verzichten darauf oder schalten das Lautsprecherrelais

Das ist kein entweder - oder. Ein Lautsprecherrelais schützt auch vor 
Einschaltplopp und DC. Und vor allem schützt es den Lautsprecher.

Die angesprochene Schutzschaltung schützt aber den Verstärker. In meinen 
Eigenbauten lasse ich die auch meistens weg. Da gibt es weder lose 
Litzen noch bastle ich im Vollrausch an der Verkabelung. Auch 
Meerschweine - die dem Hörensagen nach ganz gern an Lautsprecherkabeln 
nagen - habe ich keine.

Bühnenequipment ist natürlich eine andere Baustelle. Meist geht es bei 
solchen Schaltungen aus den Netz aber darum, sie idotensicher zu machen. 
Ein sinnloses Unterfangen!

von Manfred P. (pruckelfred)


Angehängte Dateien:

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Holger L. schrieb:
> Ich werkle gerade an einer AB-Endstufe. Kleinleistung, so um 10 Watt,
> gemittelt.

Ich kämpfe gerade damit, mir die Schuhe zuzubinden.

Es gibt jede Menge Schaltungen, die man nachbauen kann.
Als Anhang ein Auszug aus den Siemens-Schaltbeispielen 1972.

Peter D. schrieb:
> Zuverlässiger Schutz ist bei diskreten Aufbauten schon eine
> Herausforderung.

Für Dich? Es gab jede Menge diskreter Endstufen, die Kurzschluß oder 
Leerlauf klaglos überstanden.

von Christian S. (roehrenvorheizer)


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Holger L. schrieb:
> "linearen"
> PNP/NPN Transistoren suchen?

Günter N. schrieb:
> NPN und PNP Transistoren sind immer linear.

Matthias S. schrieb:
> 'Lineare' BJT in dem Sinne gibt es nicht, weil sie das alle können.

Mein Senf dazu: Lineare Transistoren habe ich noch nie gesehen und auch 
noch nicht vom Hörensagen kennen gelernt. Linear wird die 
Gesamtschaltung nur aufgrund ordentlicher Gegenkopplung.

Gemeint sind möglicherweise Transistoren, die speziell für Audiozwecke 
gezüchtet sind, was Transitfrequenz, SOA, möglichst konstanter 
Stromverstärkungsfaktor unabhängig vom Kollektorstrom, Verlustleistung 
und Spannungsfestigkeit angeht.

Wenn die vorgeschlagenene Typen nicht reichen für 10Watt. Wie wäre es 
mit TIP 41 und TIP42? Und ja, das sind keine Darlingtons. Für ein bissl 
Audio-Verstärker bauen sind die allemal gut genug.Damit dürften sogar 
über 20 Watt möglich sein.

mfg

von E34 L. (nostalgiker)


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IRF530 und IRF9530

sind für Audio Endstufen geeignet.

Hat Pioneer in seinen Verstärkern für HiFi 1000fach bewiesen ;)

: Bearbeitet durch User
von Abdul K. (ehydra) Benutzerseite


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Bei denen mußt du aber den Hersteller angeben. Und es sind auch keine 
bipolaren wie oben gewünscht.

von Michael B. (laberkopp)


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Christian S. schrieb:
> Wie wäre es mit TIP 41 und TIP42?

Uralte Dinger die keine besondere Audioqualität zulassen (nicht besser 
als IC-Verstärker, aber wir wissen natürlich nicht, ob er die überhaupt 
anstrebt)

E34 L. schrieb:
> IRF530 und IRF9530
> sind für Audio Endstufen geeignet

Nein, die sind nicht mal elektrisch komplementär ähnlich, sondern nur 
geometrisch gleich, P leitet aber nur halb so gut wie N, man bräuchte 
den doppelt so grossen P. Diese steinalten MOSFETs haben zwar noch eine 
grössere SOA, aber für Audio eine viel zu hohe UGS(th). Für Audio 
verwendete man laterale MOSFETs wie BUZ900-903 2SK176 2SJ56 2SK1058 
2SJ162. Wenn es unbedingt sein muss heute also 
ALF/ECF/ECX08/10/16P16/20+ALF/ECF/ECX08/10/16N16/20 (Exicon lateral, 
eigentlich ist lateral nicht gut, hohe Kapazität, aber kein 2nd 
breakdown und besser parallelschaltbar wegen niedriger UGS(th) und damit 
geringerer Spannungsabweichung der UGS(th) von Exemplar zu Exemplar als 
vertikale MOSFETs) oder eben welche mit wirklich grosser SOA, nicht dem 
Witz eines IRF530, wie
lineare MOSFET mit grossem SOA Bereich: FDL100N50: (100V/20A oder 
20V/100A DC), IXFK-FX420N10T (10A bei 30V DC, 0.09K/W) IXFK-FX170N20P 
(30A Bei 30V DC 0.12K/W), IPT008N06NM5LF bis IPB110N20N3LF, IXTA15N50L2 
bis IXTX90N25L2

von Peter D. (peda)


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Manfred P. schrieb:
> Für Dich? Es gab jede Menge diskreter Endstufen, die Kurzschluß oder
> Leerlauf klaglos überstanden.

Nö, für mich nicht, aber viele Kaufteile sind ungenügend geschützt. 
Meinen Onkyo (130W) möchte ich jedenfalls nicht unter Last 
kurzschließen, der wird sicher die Hufe strecken.

Bei 10W ist das noch kein großes Problem mit dem SOA, aber ich vermute 
einen Schreibfehler, darunter schreibt er ja 100W.

Die DDR ELA Einschübe 50W mit KDxxx liefen sehr zuverlässig und die 
konnte man unter Last kurzschließen. Die Schutzschaltung war eine Art 
Widerstandsmeßbrücke, die Emitterwiderstände mit dem Lastwiderstand 
bildeten die eine Hälfte der Brücke. Bei zu kleiner Impedanz wurde 
aussteuerungsabhängig die Basisspannung geklemmt. Es gab also keine 
Ansprechzeitverzögerung, wo der Transistor bereits überlastet werden 
konnte.

von Holger L. (symetron)


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Hallo

Zuerst einmal vielen Dank für die vielen Hinweise, und aufgezählten 
Bauteile. Passende MOSFET kosten irgendwie immer über 10 Euro. Ich werde 
in der nächsten Iteration mit TIP2955 und TIP3055 losziehen. Die sind 
explizit für "Audio Amplifier" gedacht.

https://www.mouser.de/datasheet/2/389/tip2955-1852114.pdf

Die haben sogar ein gemeinsames Datenblatt, mit dem Hinweis, für den 
PNP-Typ einfach ein Minus vor einige Werte zu setzen.

Tatsächlich ist das jetzige Ziel überschaubare 10 Watt. Die 100 Watt 
waren für irgendwann-später-wenn-mal-Zeit-ist. Ich gehe davon aus mein 
Wohnzimmer mit 10 Watt absolut angemessen beschallen zu können.

Weitere To-Dos: Überstromschutz. Intern habe ich die Verdrahtung ja im 
Griff. Extern mit der Lautsprecher-Verkabelung kann's tatsächlich mal 
dumm laufen.

Der jetzige Stand ist hier dokumentiert (Für den Eigenbedarf ohne 
Anspruch auf Irgendwas)

http://audiophobe.de/Ordered/AudioAmpPowerStage-001/index.html

Zur Zeit schwitzen da ein BD909 / BD911, die haben den Belastungstest 
auch gut überstanden.

von Michael B. (laberkopp)


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Holger L. schrieb:
> Ich werde in der nächsten Iteration mit TIP2955 und TIP3055 losziehen.

Damals war das Audio, so 1974.

Kann man bei deiner Schaltung machen, die ist eh hoch unlinear was durch 
Gegenkopplung nur zum Teil ausgeglichen werden kann.

Deine Schaltung ist übrigens keine ClassAB sondern eine Edwin-Endstufe.

Das Layout ist weitgehend so, wie man es nicht macht.

https://www.buecher.de/shop/akustik-und-schall/audio-power-amplifier-design-ebook-pdf/self-douglas/products_products/detail/prod_id/39190062/

: Bearbeitet durch User
von Peter D. (peda)


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Holger L. schrieb:
> http://audiophobe.de/Ordered/AudioAmpPowerStage-001/index.html
> bei 20 kHz deutliche Übernahmeverzerrungen.

Das war zu erwarten, die Endstufe hat keinen Ruhestrom (C-Betrieb).
Bei Vollaussteuerung hört man das kaum, aber bei kleinen Lautstärken 
zischelt es.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Michael B. schrieb:

> E34 L. schrieb:
>> IRF530 und IRF9530
>> sind für Audio Endstufen geeignet
>
> Diese steinalten MOSFETs haben zwar noch eine
> grössere SOA, aber für Audio eine viel zu hohe UGS(th)

Letzteres ist Blödsinn. Es bedeutet lediglich, daß man eine geeignete 
Schaltungstechnik verwenden muß. Das hat man in den Anfangszeiten, als 
alle MOSFET höhere U_gs_th hatten als heute, ausreichend geübt.

Entweder setzt man sie herkömmlich als Sourcefolger ein (kopiert also 
die Schaltung mit Bipolartransistoren), dann braucht man eine um ca. 10V 
höhere (aber kaum belastete) Versorgungsspannung für die 
Spannungsverstärkerstufe. Für hohe Ausgangsleistungen ist das das Mittel 
der Wahl (auch wenn die genannten MOSFET dafür etwas klein sind). Das 
wird/wurde auch für Bipolar-Endstufen so gemacht.

Oder man betreibt sie "falsch herum" quasi als gemischtes Bipolar+MOSFET 
Sziklai-Paar, wie das z.B. Elektor mit dem HEXFET-MPA zeigt. Bis auf die 
grenzwertige Frequenzkompensation ist das eine sehr vernünftige 
Endstufe, die für 50W an 8Ω bis 70W an 4Ω sehr gut taugt.

von Holger L. (symetron)


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> Das war zu erwarten, die Endstufe hat keinen Ruhestrom (C-Betrieb).
> Bei Vollaussteuerung hört man das kaum, aber bei kleinen Lautstärken
> zischelt es.

Ich habe mich hieran orientiert:

https://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/endstu_p.htm

von Michael B. (laberkopp)


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Axel S. schrieb:
> Letzteres ist Blödsinn. Es bedeutet lediglich, daß man eine geeignete
> Schaltungstechnik verwenden muß.

Es bedeutet dass man zur Stromverteilung bei Parallelschaltung hohe 
Unterschiede in der UGS, ausgleichen muss um dennoch halbwegs anständige 
Stromverteilung zu bekommen und damit recht hochohmige 
Source-Widerstände braucht, die (neben dem Spannungsverlust und damit 
einhergehender Verlustleistung) den Ausgang der Endstufe zunächst mal 
hochohmig machen, was man durch starke Gegenkopplung auch nur teilweise 
ausgleichen kann, also immer schlechter als bei bipolaren da steht.

Oh Mann, wenn die Honks hier wenigstens die Grundlagen kennen würden...

Und auch ohne Parallelschaltung steht man mit MOSFETs mit hoher UGS(th) 
schlechter da.

von E34 L. (nostalgiker)


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> E34 L. schrieb:
>> IRF530 und IRF9530
>> sind für Audio Endstufen geeignet

Also bei meinem Pioneer A-209 (Schaltbild gibts bei Tanya) hat das über 
Jahre problemlos funktioniert.

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