UPDATE: Dreistufiger Umschalter mit einfachem Kippschalter mit Mitte-Nullstellung

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Wer kennt sie nicht, die kleinen Miniatur-Kippschalter. Es gibt solche die man direkt in eine Leiterplatte löten kann und andere eignen sich um in eine Frontplatte zu verschrauben. Es gibt verschiedene Ausführungsformen. Es gibt ein-, zwei- und mehrpolige. Es gibt Umschalter und Umtaster und es gibt sogar solche welche für den einen Kontakt eine Schalt- und für den andern eine Tastfunktion haben. Es gibt auch solche mit Verriegelungsmechanismen und es gibt Miniatur-Kippschalter mit Mittelstellung, wobei in dieser Stellung beide Kontakte offen sind. Ein solcher Schalter, mit der Eigenschaft ON-OFF-ON, zeigt dieses Foto (Newsletter: siehe oben Link). Solche Miniatur-Kippschalter benötigen wir in diesem Elektronik-Minikurs, weil es darum geht auf drei Leitungen je ein logisches HIGH- oder LOW-Signal zu erzeugen, um damit drei verschiedene Schaltfunktionen zu steuern. Damit ist es möglich mit einem ON-OFF-ON-Kippschalter drei unterschiedliche analoge Signalquellen zu wählen, wie wir noch sehen werden…

Es werden zuerst IC-Grundschaltungen mit den beiden Methoden Aktiv-HIGH und Aktiv-LOW vorgestellt. Danach folgt die Erweiterung mit Puffer. Dies hat den Vorteil, dass der Ausgangswiderstand unabhängig niederohmig ist vom logischen Pegel. Danach werden zwei Schaltungen ohne IC mit je zwei Dioden und einem Transistor vorgestellt. Vor allem der Bastler hat in seiner Bauteileschublade oft eine grosse Menge Kleinsignal-Transistoren und eher weniger Logik-ICs. Im nächsten Kapitel folgt die Umschaltung von drei digitalen Signalen mittels Tristate-Puffern und im folgenden Kapitel die Umschaltung von drei analogen Signalen mittels eines HCMOS-Analog-Schalter-IC. Dabei streifen wir auch kurz das Thema des LinCMOS-Opamp. Das Schlusskapitel widmet sich der Umschaltung von drei Relais. Eine integrierte und eine diskrete Version. Beides hat Vor- und Nachteile. Bei der IC-Version wird auch das Thema Überspannungsimpuls und Latchup mit einem Link zum passenden Elektronik-Minikurs erörtert.


UPDATE: Spannungsregelschaltung mit elektronischer Brummsiebung

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In diesem Update geht es um hochfrequente Störprobleme in Form von sehr kurzzeitigen und steilflankigen Impulsen, oft als Nadelimpulse bezeichnet. Diese gelangen rückwirkend von einer digitalen Schaltung oder/und von einem zusätzlichen DCDC-Wandler zurück in das hier beschriebene Netzteil, das hauptsächlich dazu dient hochempflindliche analoge Schaltungen zu speisen. Deshalb vor dem Spannungsregler die zusätzliche elektronische Brummsiebung. Im neuen Kapitel HOCHFREQUENTE STÖRPROBLEME wird erklärt, was man tun kann, um die Qualität der Betriebsspannung für die analoge Schaltung zu erhalten. Bereits das Titelbild deutet an, worum es dabei geht…

Viel Erfolg mit dieser Unterstützung
wünscht Euer ELKO-Thomas


UPDATE: Einfaches Labornetzteil 0…20VDC / max. 3A mit NPN-Komplementärdarlingtonstufe und Überlastanzeige

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Worin besteht das aktuelle Update? Siehe Titelbild. Ein Leser stellte mir die Frage, welchen Sinn der Widerstand R1 zwischen Basis und Emitter des Längsregler-Leistungstransistor T1 erfüllt. Aus meiner Antwort entstand ein kleines Kapitel mit dem Titel WOZU DIENT R1 ZWISCHEN BASIS UND EMITTER VON T1?

Dem Elektronikeinsteiger, ob in einer Lehrausbildung oder als Student, der sich auch praxisorientiert mit dem Thema auseinandersetzen will, bietet sich hier das Verständnis zu erwerben, wie eine Spannungsreglerschaltung mit Strombegrenzung und Überlastanzeige funktioniert. Die Schaltung ist quasidiskret realisiert und erprobt. Quasidiskret heisst, es gibt als integrierte Bauteile einen Operationsverstärker und einen Komparator. Das sind fast die einzigen ICs. Fast, weil die Referenzspannungsquelle, die nach dem hochstabilen Bandgap-Prinzip arbeitet und deshalb selbst aus einigen Transistoren besteht, ist auch ein IC. Aber sonst besteht die Schaltung aus Transistoren, Dioden, Widerständen und Kondensatoren. Trotzdem ist die Schaltung einfach und überschaubar. Die Beschreibung ist differenziert, damit man die Details versteht. Zum Studium und für den Nachbau der Schaltung lohnt es sich daher unbedingt alles genau zu lesen.

Inhalte in Stichworten:
* Wie arbeitet die Spannungsregelung?
* Wozu dient R1 zwischen Basis und Emitter von T1? <———-UPDATE
* Warum braucht es eine zusätzliche Frequenzgangkompensation?
* Wie arbeitet die Strombegrenzung (I-Limiter)?
* Die OVERLOAD-Anzeige.
* Zwei unscheinbare aber wichtige Dioden, D1 und D2!
* Stabilität, Brummen und Rauschen.
* Wie hoch muss minimal die Eingangsspannung +Ue sein?
* Wie hoch darf maximal die Eingangsspannung +Ue sein?
* Belastung des Leistungstransistors, Kriterien und der Zweite Durchbruch.
* Grundlegendes zur Kühlung des Leistungstransistors.
* Kühlkörper-Online-Berechnungsprogramme.
* Platinenlayout zur Schaltung des Netzteiles.
* Testschaltung und die Frequenzgangkompensation.
* Welche Alternative gibt es für höhere Spannungen? Eine Prinzipschaltung.


Update: EMG-Vorverstärker Deluxe mit INA111

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Der linke Teil des Titelbildes zeigt symbolisch einen EMG-Vorverstärker mit aktiven Schirmtreibern (Active-Guard-Drive). Dies erlaubt zusätzlich die sehr hochohmige Messung intramuskulärer elektromyographischer Signale (Elektromyographie = EMG). Auf diese Schaltung folgt der Isolationsverstärker. Wenn man dort genau hinschaut, erkennt man, dass der ISO121 durchgestrichen ist. Dieser Isolationsverstärker war stets sehr teuer und er wird aktuell nicht mehr produziert. Dies motivierte mich eine wesentlich preiswertere Lösung mit einem linearen Optokoppler zu entwickeln. Dazu gibt es bereits einen neuen Elektronik-Minikurs:

Im rechten Teil des Titelbildes ist die Schaltung mit dem linearen Optokoppler HCNR200 von AVAGO angedeutet, die als ISO121-Ersatz eingesetzt werden kann. Das Update dieses Elektronik-Minikurses mit dem Hauptthema EMG-VORVERSTÄRKER-DELUXE, besteht in einer kleinen Einführung im Kapitel 8-KANAL-EMG-MESSANLAGE mit Bild 16.

Eine kleine Übersicht zu diesem Elektronik-Minikurs:

Es beginnt in Bild 1 mit einem einfachen und sehr preiswerten EMG-Vorverstärker, geeignet zur Messung von EMG-Signalen mittels Elektroden auf der Hautoberfläche. Diese Schaltung eignet sich auch als EMG-Biofeedback. Dies setzt allerdings voraus, dass man die verstärkte EMG-Spannung gleichrichtet, glättet und diese quasistationäre DC-Spannung in eine wahrnembare variable physikalische Grösse (z.B. Ton oder Licht) umgesetzt wird. Dies ist allerdings kein Thema in diesem Elektronik-Minikurs. Danach folgt das Haptthema EMG-VORVERSTÄRKER-DELUXE mit dem integrierten Instrumentationsverstärker INA111.


Isolations-/Trennverstärker (HCNR200)

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Isolationsverstärker – auch als Trennverstärker bezeichnet – kommen dann zur Anwendung, wenn Potentialtrennung oder/und Personenschutz gefordert sind. Da die Elektromyographie (EMG) in meinen Elektronik-Minikursen über analoge Schaltungstechnik oft im Fokus steht, ist der Isolationsverstärker ein ebenso wichtiges Thema. Bisher kam bei solchenProjekten stets der ISO121 zur Anwendung. Dieser Isolationsverstärker war stets teuer und wird aktuell nicht mehr produziert. Es gibt allerdings sehr preiswerte Alternativen, wenn man bereit ist, die Schaltung, die man braucht, selbst zu realisieren. Diese Alternativen heissen lineare Optokoppler. Die Ursache der Präzision besteht darin, dass einerseit von einer Infrarot-Sendediode das optische Signal durch die Isolationsbarriere zu der einen und anderseits direkt zu einer benachbarten Infrarot-Empfangsdiode als Feedbacksignal übertragen wird. Ein solcher Optokoppler ist der HCNR200 von der Firma Avago. Der vorliegende neue Elektronik-Minikurs zeigt und beschreibt einen Isolationsverstärker für den elektromedizinischen Einsatz. Thematisiert im Bereich der EMG.

Bevor es zu diesem Thema kommt, wird eine Methode mit induktiver hochisolierender galvanisch getrennter Kopplung vorgestellt und damit verbunden zwei völlig unterschiedliche Methoden zur Erzeugung eines PWM-Signales. Mehr dazu im neuen Elektronik-Minikurs:

Viel Spass wünscht
Euer ELKO-Thomas


Update: Erst das Modem, dann der Router… ROUTER-DELAY

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Die Zusammenarbeit zwischen Router und Modem ist wie folgt: Das Modem stellt eine physikalische und logische Verbindung zum Netzwerk des Providers her. Der Router stellt eine physikalische Verbindung zum Modem und eine logische Verbindung zum Internet her. Der Router benutzt also die Verbindung zwischen Modem und Provider, um ins Internet zu gelangen. Der Provider stellt innerhalb seines Netzwerks einen Zugangspunkt zum Internet bereit. Dies kann nur dann korrekt funktionieren, wenn zuerst das Modem und, entsprechend verzögert danach, der Router eingeschaltet wird. Dies besorgt die Schaltung des ROUTER-DELAY.

Es gibt offenbar Modems, die Probleme damit haben, wenn man es regelmässig z.B. des Nachts bei Nichtgebrauch ausschaltet, wie ich dies beim EVM-3230 von UBEE erfahren musste. Nachfragen bei CableCom brachte nur gerade die Erklärung, dass dieses Modem halt für den Dauereinsatz konzipiert sei. Warum dies so ist, konnte mir niemand erklären. Das ist natürlich ein ökologischer Unsinn. Ich halte es jetzt so, dass ich stets nur den Router bei Nichtgebrauch regelmässig ausschalte. So wird auch der nachfolgende Powerline-Stecker in den Standby-Modus versetzt.

Dazu habe ich in der Schaltung des ROUTER-DELAY zwei Erweiterungen realisiert: Eine zusätzliche Enable-Funktion für die Router-Aktivierung und ein Abschalten der Router-Einschaltverzögerung. Diese Verzögerung soll, wenn aktiviert, wie bisher ihre Funktion erfüllen, wenn das System Modem und Router ganz ausgeschaltet werden soll, wie bei längerer Abwesenheit oder nach einem 230VAC-Netzunterbruch. Die Möglichkeit zur Abschaltung der Router-Einschaltverzögerung dient dem Testzweck. Die maximal einstellbare Verzögerungszeit wurde verdoppelt. Zu dieser Thematik gibt es ein neues Kapitel mit der Bezeichnung „ANPASSUNGEN AN EIN NEUES MODEM“ in diesem Elektronik-Minikurs:


Mit Opamp oder 555er-CMOS: Ein einfaches Toggle-Flipflop zum Ein-/Ausschalten mit einer Taste

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Die Wurzeln dieses neuen Elektronik-Minikurses liegen in den Tiefen des ELKO-Forums, ein Elektronik-Forum, das ich immer wieder gerne weiterempfehle. Es gibt einen „harten Kern“ von Mitwirkenden, die sich mit viel Herzblut dafür einsetzen und der Spass kommt dabei nie zu kurz. Dies lockert die sonst eher trockene Materie willkommen auf. Auslöser zur Entstehung dieses neuen Elektronik-Minikurses zum Thema, wie man mit einem 555-Timer-IC ein Toggle-Flipflop mit prellfreiem Tasten realisiert, ist der Diskussions-Thread PROBLEM MIT FLIPFLOP vom 19.06.2012 von Erhard.

Man betrachte dazu bitte das Titelbild. Im linken Teil des Bildes sieht man die Problemlösung mit einem einfachen Operationsverstärker. Vorgeschlagener Typ ist der TL071, es eignen sich aber ebenso andere Typen. Mit einer positiven Rückkopplung (Mitkopplung) arbeitet er als Komparator mit Hysterese. Es ist also ein Schmitt-Trigger. Echte integrierte Komparatoren sind zwar deutlich schneller. Im vorliegenden Fall gibt es nur langsame Vorgänge und darum taugt ebenso ein Operationsverstärker.

Warum ein Vergleich zwischen der Problemlösung mit einem Operationsverstärker (Komparator) und dem 555-Timer-IC (CMOS-Version)? Ganz einfach, der gemeinsame Nenner ist die Schmitt-Trigger-Funktion. Beim 555-Timer-IC kommt sie durch die beiden Komparatoren (KA und KB) und dem RS-Flipflop (RS-FF) zustande. Die Schmitt-Trigger-Hysterese entsteht durch die Funktion des Fenster-Komparators, der sich aus den drei Widerständen mit je 100 k-Ohm ergibt. Deshalb ist die Hysterese fix auf einen Wert von 1/3*Ub eingestellt, sofern man den Anschluss Pin 5 nicht noch extra beschaltet. Alles Weitere im Detail erklärt, findet man hier:


Update: Das MonoFlipflop und eine praktische Anwendung

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Das Wort MonoFlipflop ist eine Wortschöpfung von mir. Dieses Wort bringt schlicht zum Ausdruck, dass hier eine CMOS-Schaltung im Spiel ist, die sowohl eine Flipflop- als auch eine Monoflopfunktion ausübt und für diese beiden Funktionen nur gerade ein einziges D-Flipflop zum Einsatz kommt. Das zweite D-Flipflop des selben IC (CD4013B oder MC14013B) dient als retriggerbares Monoflop zum Entprellen eines Tasters. Monoflop ist die Abkürzung von der Bezeichnung Monostabiler Multivibrator.

Die hier beschriebene Schaltung kann in Verbindung mit einer batteriebetriebenen Testschaltung eingesetzt werden, die man zum Test einer zu prüfenden Schaltung nur während maximal fünf Minuten benötigt. Andere Maximalwerte sind durch Anpassung eines zeitbestimmenden Widerstandes oder/und Kondensators möglich. Dabei wirkt die Monoflop-Funktion. Genügt bei einer Prüfung eine kürzere Zeit, kann man die Monoflopp-Zeit mit der selben Taste beenden und so die gesamte Schaltung ausschalten. Wohlverstanden ohne Standby-Strom. Drückt man erneut auf die selbe Taste, wird die Testschaltung erneut eingeschaltet. Beim vorzeitigen Aus- und wieder Einschalten wirkt alleine die Funktion des Toggle-Flipflop. Mit einem zusätzlichen Schalter kann man die verzögerte Abschaltung (Monoflop-Funktion) auch unterbinden. In diesem Fall hat man ein reines Toggle-Flipflop. Auf diese Weise bleibt die Testschaltung so lange in Betrieb, bis man ein weiteres Mal die Taste betätigt.

DAS EIGENTLICHE UPDATE befasst sich mit dem Entprellen der Drucktaste. Thematisiert wird in diesem Zusammenhang, dass es zwei verschiedene Arten des Triggerauslösers geben kann. Das berühmte retriggerbare Dual-Monoflop CD4538, bzw. MC14538 startet den Trigger und Retrigger stets mit der postiven Flanke. Dies in der Weise, dass die Monoflopzeit ebenfalls mit dieser Flanke beginnt. Egal ob am Eingang der HIGH-Pegel noch anliegt oder der LOW-Pegel wieder gültig ist. Diese Methode hat einen nicht zu unterschätzenden Nachteil, wenn Kontaktentprellung erzeugt werden soll. Die bessere Alternative ist die, dass das Monoflopp zwar mit der ersten ansteigenden Flanke des Eingangsimpulses startet, die Monoflopzeit aber erst beginnt, wenn am Eingang nach der ansteigenden wieder fallende Flanke den LOW-Pegel erzeugt.

Praktisch bedeutet dies: Wenn man die Taste drückt, wird in Richtung MonoFlipflop eine prellfreie steigende Flanke gesendet. Beendet man den Tastendruck, prellt der Tastenkontakt beim Öffnen ebenfalls. Dies löst aber erst die Monoflopzeit (z.B. 100 ms) aus. Dadurch ist eine Fehltriggerung des folgenden MonoFlipflop völlig unmöglich. Angedeutet wird dies hier im Diagramm des Titelbildes und genau beschrieben ist es in diesem Elektronik-Minikurs im Kapitel ZWEI UNTERSCHIEDLICHE ARTEN VON RETRIGGERBAREN MONOFLOPS!

Dieser Elektronik-Minikurs startet mit einem kurzen Einblick, wie man mit gewissen digitalen CMOS-ICs auch analoge Signale verstärken kann. Dies soll zeigen, dass es mit etwas Fantasie und Freude an Elektronik leicht ist, mehr aus digitalen CMOS-ICs herauszuholen, als das was man in den Datenblättern und in den üblichen Application-Notes liest. Das MonoFlipflop ist zwar kein Fantasieprodukt, aber ein Produkt das beim Entwurf etwas Fantasie voraussetzte und die Schaltung sehr nützlich sein kann.


555-Timer-IC in CMOS. Darum hat diese Version soviele Vorteile!

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Dieser 555-Newsletter-Beitrag soll dazu dienen, dass der ELKO-Leser einen leichteren Zugang zur modernen und zeitgemässen CMOS-Version des 555-Timer-IC findet. Ich stelle im ELKO-Forum immer wieder fest, wenn irgendwelche Fragen auftauchen zu einem Schaltungsproblem mit einem 555er, ist fast immer der alte NE555 (bipolare Schaltungstechnik) gemeint. Dies ganz einfach deshalb, weil der LMC555 und der TLC555 oft gar nicht bekannt sind. Es gibt auch noch andere 555er-IC-Fabrikate als CMOS-Versionen.

Der kürzlich verstorbene Schweizer Elektronik-Guru Hans Camenzind erfand im Jahre 1971 den NE555. Zu Beginn der 1980er-Jahren kam es zu einer Modernisierung durch die CMOS-Version, z.B. der LMC555 von National und der TLC555 von Texas-Instruments. Die 1980er-Jahre standen generell in der CMOS-Aufbruchsphase. Man sieht also, die CMOS-Version ist auch bereits gute 30 Jahre alt. Die Vorteile sind derart eindeutig, dass man auf die bipolare Version (NE555) getrost verzichten kann.

Im Falle einer Betriebsspannung von +15 VDC ist das so wenig ein Argument wie die bessere Treiberfähigkeit des NE555: Für +15 VDC (Worstcase +18 VDC) eignet sich die CMOS-Version TLC555. Und für die Treiberfähigkeit im unteren 100mA-Bereich kann man beim CMOS-Einsatz einen kleinen Transistor verwenden mit sehr wenig Schaltungsaufwand. Das Argument des Preisunterschiedes und des Mehrverbrauchs des Printplatzes ist hinfällig, weil es bei der CMOS-Version keinen Alu-Elko in der Betriebsspannung braucht, um die viel niedrigeren Stromtransienten abzublocken.

Wir kommen damit zum Titelbild: In drei Spalten werden Unterschiede zwischen der alten Bipolar- und der modernen CMOS-Version gezeigt. Im linken Spalten sieht man die Unterschiede der Betriebsströme und auch gleich die Grenzen der maximalen Frequenzen von Recheckspannungen am Ausgang. Bei der maximalen Frequenz von 6 MHz benötigt der LMC555 gerade mal 7 mA und der NE555 bei seiner Maximalfrequenz von nur gerade 600 kHz ganze 60 mA. Zu Buche schlägt auch der Stromvergleich bei niedrigeren Frequenzen. Die mittlere Spalte illustriert die Einfachheit eines zeitsymmetrischen Rechteckgenerators bei der CMOS-Version im Vergleich zu der mit bipolaren Version. In Bezug auf Einfachheit kommen weitere Vorteile. Im Spalten ganz rechts, werden die Stromtransienten (Stromimpulse) verglichen, wenn die Endstufe ihren Pegel umschaltet. Bei der CMOS-Version ist dieser Strom 14 mal niedriger und dies während einer Zeitdauer die 10 mal kleiner ist. Eine 140-fache Verbesserung! Genau deshalb ist nur beim NE555  bei der Betriebsspannung zusätzlich ein Alu-Elko notwendig.

Ich denke, all diese Argumente sind überzeugend genug, sich für den Einsatz der CMOS-Versionen des legendären 555-Timer-IC zu entscheiden.

UPDATE: Im folgenden Link hat es ein kleines Update, das aus einer Linkzusammenfassung aller Elektronik-Minikurse besteht, die mit der CMOS-Version des 555-Timer-IC (LMC555 und TLC555) zu tun haben. Der letzte Link verweist auf das Timer-555-ELKO-Buch, eine Zusammenarbeit von Patrick Schnabel und mir.

Viel Freude wünscht
der ELKO-Thomas

 


UPDATE: Gegentakt-Endstufe ohne Ruhestrom (Teil 2)

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DIE PRAKTISCHE UND VERZERRUNGSARME ANWENDUNG

Im Praxisteil wird eine ruhestromlose Audio-Enstufe vorgestellt, die in meinen selbstgebauten aktiven Küchenlautsprecherboxen seit Mitte der 1980er-Jahre täglich im Einsatz sind. Dabei wird auch thematisiert, warum es nur für die Schaltung mit dem Operationsverstärker eine stabilisierte, geregelte Betriebsspannung braucht und warum dies nicht auch für die Endstufen-Leistungstransistoren benötigt wird. Der Leser erkennt, dass es dadurch möglich ist, das Netzteil so leistungsarm wie möglich zu dimensionieren.

Jede Audioendstufe hat ein „mysteriöses“ Boucherot-Glied, ein R-C-Glied am Ausgang der Endstufe gegen GND. In der Regel wird dies meist andern Endstufenschaltungen abgeguckt – auch ich habe dies ursprünglich so getan – weil man kaum irgendwo Informationen findet, die einem nicht gleich hochkomplizierte Mathematik um die Ohren schlagen. Ein Leser schrieb dazu einen Beitrag, der schon lange Teil dieses Elektronik-Minikurses ist, der zu Lesen sich lohnt. Der Inhalt bestätigt, dass das Kopieren von andern Schemata und anschliessendem Probieren hier tatsächlich über Studieren geht, weil man ein Boucherot-Glied nur für eine einzige Frequenz exakt dimensionieren kann, das Audiosignal jedoch immer aus einem relativ breiten Frequenzspektrum besteht.

DAS NEUE IM UPDATE:

Soviel zur Einleitung, die nichts Neues enthält. Neu ist die Stereo-Klangregelung mit dem IC LM1036, angedeutet hier im Titelbild und im Elektronik-Minikurs genau beschrieben im Kapitel LAUTSTÄRKE, HÖHEN, BASS UND BALANCE. Diese Erweiterung geht zurück auf den Wunsch eines Lesers. Ein anderer Leser wollte wissen, warum es überhaupt eine symmetrische Speisung braucht. Diesem Thema widme ich ein neues Kapitel mit dem Titel WARUM EINE SYMMETRISCHE SPEISUNG? und ein zusätzliches Schaltschema (Bild 3).

Es gibt zusätzliche Links zu andern Elektronik-Minikursen mit kurzen Einleitungen. Diese Querverweisthemen haben mit dem Zusammenhang von Grenzfrequenz, Slewrate und Leistungsverbrauch von Opamps zu tun. Weiteres: Wie erzeugt man mit einem Netzwerk aus Widerständen und einem Trimmpot eine sichere und stabile einstellbare DC-Spannungsquelle im unteren 10mV-Bereich für den DC-Offset-Abgleich. Und dann noch dieses Thema: Was ist denn der Unterschied zwischen Rauschspannung und Rauschspannungsdichte. Wann gilt prioritär die Beachtung der Rauschstrom- und wann die der Rauschspannungsdichte.

Viel  Spass wünscht
Euer ELKO-Thomas