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.
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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.
Ungünstig finde ich, dass Arbeitspunkt und Ausgangspegel stark von den verwendeten Bauteilen abhängen.
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.
Dieter schrieb: > In Elliots Schaltung ist der erste Transistor eine Konstantstromquelle. Ist es nicht eher ein Gyrator?
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: > Doch, das Datenblatt sagt Stromanpassung. Damit ist doch der Ausgang mit 2k2 gemeint, nicht die Folie.
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?
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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.
L J schrieb: > dafür hat eine Emitterschaltung wiederum einen geringeren > Rauschspannungsabstand und mehr Verzerrungen! Man muss das halt richtig machen. Wenn du mit einer Stromquelle auf einen nicht linearen Widerstand, BE-Strecke gehst, bleibt der Strom unverzerrt. Den Rauschspannungsabstand bestimmt der FET in der Elektretkapsel. https://lh3.googleusercontent.com/-apqzqzwiIcM/YFZtJoclO9I/AAAAAAAACGs/T315o_noGjQ4S0TU_xfI8uEkUzLLbs4eQCLcBGAsYHQ/image.png
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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.
Eine aalglatte Kennlinie halte ich bei Mikrofon-Vorverstärkern ohnehin für sinnlos, weil kein Mikrofon perfekt ist.
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.
http://www.openmusiclabs.com/learning/sensors/electret-microphones/index.html http://www.openmusiclabs.com/wp/wp-content/uploads/2011/03/2SK5961.pdf Im Datenblatt setzen die 15pF dafür an.
Hier mal ein Beispiel, was für ein JFET in so einem Mikro sein kann: https://www.elektronik-labor.de/Labortagebuch/Tagebuch1115.html#fet Und hier ein ganz einfacher Verstärker und Varianten: https://www.elektronik-labor.de/Labortagebuch/Tagebuch0917.html#mic Simulation: https://www.elektronik-labor.de/Notizen/1017Mikrofonamp.html
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.
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