Endstufe mittlerer Leistung: 10...25W mit 24V -Trafo
10NFE42: Hifi-Endstufe mit 10 Transistoren
Aktualisiert am19.01.2022
Netzbetriebene Niederfrequenz-Endstufen klassifiziert man schaltungstechnisch und in gewisser Weise auch leistungsmäßig am besten nach der Netztrafo- Wechselspannung, da eine Endstufe für eine bestimmte maximale Betriebsspannnung ausgelegt sein muß. Die Gleichspannung am Ladeelko ist als klassifizierend nicht so gut geeignet, da dort die Talspannung und die Spitzenspannung, also zwei verschiedene Werte auftreten. Die Trafospannung ist der gemeinsame Nenner und sorgt für Klarheit beim Nachbau. 24Veff ergeben 29-34V Gleichspannung, im Leerlauf sogar 35V. Diese Endstufe funktioniert auch mit 12V Gleichspannung.
Die Ausgangsleistung
Die Sinus- Ausgangsleistung der hier vorgestellten Schaltung beträgt bei Betrieb mit einem 24V~ -Trafo ca. 10W an 8Ω und 20W an 4Ω, die Impulsleistung erreicht 25W an 4Ω. Damit sind die verwendeten Transistoren optimal im linearen Bereich ausgesteuert. Bei geringerer Betriebsspannung können auch weniger als 4Ω angeschlossen werden, wobei sich der Wirkungsgrad etwas verschlechtert. Man achte auf gute Kühlung der Endtransistoren.
Die Schaltungsart
Auch diese Schaltung geht auf eine urtümliches Konzept zurück. Einige Verbesserungen gegenüber anderen Schaltplänen dieser Art sind aber bestechend. Dazu gehören:
- Transistoren moderner Bauart, die eine
höhere
und gleichmäßigere Stromverstärkung
aufweisen.
- Eine Konstantstromquelle die bei
gleicher
Aussteuerfähigkeit gegenüber der alten
Bootstrap-Schaltung
die Leerlaufverstärkung und die Linearität
erhöht.
- Eine polsymmetrische Komplementärendstufe aus zwei Compoundschaltungen, die man spannungsmäßig höher aussteuern kann, als die Darlington-Schaltung und die Quasi-Komplementär-Schaltung.
- Eine Überstrombegrenzung die an Einfachheit nicht zu überbieten ist.
Die Endtransistoren
Als Endtransistoren würden BD243/ BD244 (0,20- 0,40 €) zu dem verhältnismäßig einfachen Aufbau passen. Sie haben 6A maximalen IC und sind seit 1973 erhältlich. Moderner sind MJE 15030/31 (77€ct a.D.2010), diese haben 8A max. und bis 4A noch eine relativ hohe Stromverstärkung von um die 100.
Funktionstest
Diese Version ist als Modul 2 x ins Reine gebaut worden. In mehreren Funktionstests sind keine Probleme aufgetreten, jedenfalls keine Schwingneigung und keine ungewöhnlichen Verzerrungen. Getestet wurden alle Sinusfrequenzen von 20Hz bis 30kHz von 0V bis zur Begrenzung, und zwar an einem stark induktionsbehafteten Hochleistungsdrahtwiderstand, der sonst immer wieder Probleme macht, wo einige Lautsprecher schon einwandfrei laufen. Es wurden dabei Impedanzen von ca. 0,01Ω bis 1kΩ durch Anzapfungen hergestellt. Eine Klirrfaktormessung steht noch aus, aber die Computer-Simulation ergab einen Wert von unter 0,05% Klirr bei Vollaussteuerung an 8Ω.
Schaltplan
Die Schaltung ist ähnlich wie die 12V- Mini-Endstufe "6NFE27" auf der vorhergehenden Seite konzipiert und stellt ihre logische Fortsetzung dar. Durch die Verbundschaltung (Compound-Schaltung) sieht der Verstärker die Ausgangslast nunmehr etwa 100 mal schwächer als bei der einfachen Ausgangsstufe. Entspechend geringer ist der Klirrfaktor trotz höherer Ausgangsleistung. Die Compound-Schaltung ist linearer als die Darlingtonschaltung und kann um +- UBE höher ausgesteuert werden. Die thermische Stabilisierung der End-Transistoren mit Transistor und Trimmer entspricht bereits der Technik die auch für sehr hochwertige Hifi-Verstärker eingebaut wird. Neu ist der Thermofühlertransistor als PNP-Typ, dadurch wird Experimenten zufolge eine bessere Temperaturstabilität erreicht und die Emitterwiderstände konnten auf 0,33Ω verringert werden. Durch den Auskoppelelko entfällt eine Lautsprecherschutzschaltung und das Gerät kann außerdem mit einer einfachen Batteriespannung betrieben werden.
Die Strombegrenzung habe ich Ende 2010 entwickelt. Sie besteht aus T10, D1 und D2. Bei 4A spricht sie an und kappt die Amplituden.
Sie wurde mit Null-Ohm-Kurzschlüssen getestet, bis die Kühlkörper heiß wurden.
Leserfrage (1): Wie funktioniert die Strombegrenzung?
Der Schaltplan unten ist für ein Simulationsprogramm vereinfacht und überarbeitet worden. Dort sollte es einfacher sein, durchzusteigen. Wenn der Lastwiderstand 4Ω unterschreitet, fließen bei 35V UB bis zu 4A abwechselnd von den Endtransistoren T9 und T10 (oben sind es T7 + T8) über die Emitterwiderstände R13 und R14 zum Ausgang. Betrachten wir nur mal die positive Halbwelle des Signals. Diese muß durch R13 hindurch und verursacht an ihm ein Spannungsgefälle von
U = I x R; U = 4A x 0,33Ω = rund 1,3V. Als nächstes vergegenwärtigen wir uns, daß am Thermoregler konstant ca. 1,3V anstehen, also zwischen den Basen der Transistoren T7 und T8. Wenn nun T2 versucht, T7 und T9 noch weiter durchzusteuern, dann hat er die 1,3V vom Thermoregler und die Durchlaßspannung von D2, also 0,7V + 1,2V = 1,8V zur Verfügung. Zur Basis-Emitterstrecke T7 von ca 0,6V addiert sich nun aber 1,32V. Das sind zusammen 1,92V. Irgendwo reicht es also nicht mehr ganz für 4A weil D3 unten festhält, denn R14 ist ja ohne Laststrom und verbindet D3 mit der Last. Merke: Immer die gegenüberliegende Diode leitet. T3 verhindert nun noch zusammen mit R7, daß T2 überlastet. Das ist eine weitere Konstantstromquelle. Insgesamt verfügt die Schaltung somit über drei Konstantstromquellen . Ich hoffe ich konnte alle Klarheiten beseitigen. Vielleicht verbessere ich den Text eines Tages noch.
Bild oben: Fourier-Analyse bei Vollaussteuerung an 8 Ohm.
Hinweise
Der Schleifer des Potis sollte vorsichtshalber mit dem Emiter-Ende verbunden sein, damit es keinen Kurzschluß gibt, falls der Schleifer mal keinen Kontakt hat.
Der passende Trafo hat 2x12V / 3,33A / 80VA. Hier ist die Schaltung für den Klangregler, und da ist die Schaltung für die Einschaltstrombegrenzung
Fortsetzung folgt...
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