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OPamp? anfängerfrage

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Autor
Beitrag
deadwing
Ist häufiger hier
#1 erstellt: 01. Jul 2011, 14:02
Hallo,

Wirkt der OPamp wie ein Verstärker, d.h. kann ich damit hochohmige Kopfhörer betreiben etc?


[Beitrag von deadwing am 01. Jul 2011, 17:57 bearbeitet]
Rentner323
Stammgast
#2 erstellt: 02. Jul 2011, 13:41
http://de.wikipedia.org/wiki/Opamp
Das kann man so pauschal nicht sagen, es gibt sicherlich bestimmte Typen die auch mit hochomigen Kopfhörern zurechtkommen.
Radiowaves
Hat sich gelöscht
#3 erstellt: 03. Jul 2011, 08:40
Ein OpAmp ist ein "Verstärker". Genaugenommen: eine komplette Verstärkerschaltung in einem kleinen Gehäuse, von außen erst einmal grundlegend als "Black Box" zu betrachten. Nur, wenn man tiefer eindringen will oder muß, sind dann plötzlich die Innenschaltung und bestimmte Parameter von Interesse. Müssen wir hier aber schon.

Die normalen OpAmps sind an den Eingängen hochohmig (fließt also kein nennenswerter Strom rein oder raus, wenn man eine Spannung anlegt) und am Ausgang niederohmig (man kann also gut Strom ziehen, ohne daß die Ausgangsspannung zusammenbricht). Die Realität hat da natürlich Grenzen. Jeder Verstärker hat einen endlichen Ausgangswiderstand und wenn man ihn zu stark belastet (niederohmige Last), wird er in die Sättigung kommen, es werden Signalverfälschungen auftreten, im Audiobereich also z.B. Verzerungen. Ist er nicht kurzschlußfest, kann man ihn bei zu niederohmiger Last zerstören, im einfachsten Fall durch simples "Durchbrennen" interner Leiterbahnen oder Siliziumstrukturen.

Dein hochohmiger Kopfhörer ist nun vermutlich keine solche Last. 600 Ohm (sowas betrachte ich bei Kopfhörern als "hochohmig", oder meinst Du die extrem hochohmigen Kopfhörer, die man z.B. direkt an alten Detektorradios betreiben kann?) dürfte viele OpAmp-Schaltungen nicht vor Hürden bei der Stromlieferung stellen, man sollte allerdings doch schon im Datenblatt schauen, welcher maximale Ausgangsstrom gezogen werden darf.

Aber: die hochohmigen Kopfhörer benötigen für ausreichend Leistung (und ausreichend Lautstärke) eben eine recht hohe Spannung (sonst verhindert ihr hoher Innenwiderstand ja, daß genug Strom fließt, um Strom mal Spannung zu einer wahrnehmbaren Audioleistung zu bringen). Also muß ein Kopfhörerverstärker für hochohmige Kopfhörer ein höheres Spannungsniveau bieten als z.B. einer im MP3-Player, der 32-Ohm-Kopfhörer betreibt und damit aus 3 Volt glücklich ist.

Bei 600 Ohm benötigst Du 0.775 Volt Signalspannung, um eine Leistung von 1 Milliwatt zu erreichen. Diese 0.775 Volt sind ein Effektivwert, entsprechend einer Spitzenspannung von +/- 1.1 Volt. Bei 32 Ohm sind es nur 0.17 Volt Effektivwert für 1 Milliwatt. Übliche Wirkungsgrade für Kopfhörer sind so 90 - 100 dB/mW. Um einen Kopfhörer mit 90 dB/mW auf einen Schalldruck von 100 dB zu bringen, mußt Du 10 dB mehr Leistung reinfüttern als bei 90 dB, das ist Faktor 10 und bei Spannungen ist es Faktor Wurzel 10, also Faktor 3.2 - schon haben wir Ausgangsspannungen von etwa 2.5 Volt effektiv, für die man mindestens plusminus 5 Volt Versorgungsspannung vorsehen sollte - das ist das dreifache vieler MP3-Player. Da sieht man, warum die hochohmigen Kopfhörer an solchen Geräten nicht auf Pegel zu bekommen sind.

Anständige Vorverstärker für hochohmige Kopfhörer haben deshalb vergleichsweise hohe Ausgangsspannungen von sagen wir mal bis zu 10 Volt effektiv oder noch mehr. Das ist beim ausschließlichen Anschluß von hochohmigen Kopfhörern kein Problem, zumindest nicht, solange sie eingesteckt sind. Ihre 600 Ohm begrenzen bei 10 Volt effektiv Ausgangsspannung die Leistung auf moderate 167 Milliwatt. Für den Fall des Anschlusses von 32-Ohm-Walkmankopfhörern drückt man dann aber schon bei 10 Volt Ausgangsspannung 3 Watt durch die Kapseln und brennt diese wohl sofort ab. Da darf man nur vorsichtig aufdrehen und hat dann kaum Regelbereich. Und auch im Falle eines Kurzschlusses (den man beim Klinkensteckerziehen sofort hinbekommt) möge der Verstärker bitte heil bleiben. Ein einfacher Vorwiderstand am Ausgang wiederum, der den Stromfluß in solchen Fällen begrenzt, wirkt unter Gesichtspunkten der optimalen Bedämpfung des Systems Verstärker-Kopfhörer wieder ungünstig und macht aus jedem Impedanzgang des Kopfhörers (der Widerstand der Spule ist nicht konstant im gesamten Frequenzbereich) einen nicht glatten Frequenzgang. Lächerliche 16 Ohm Schutzwiderstand dürften dem 600-Ohm-Kopfhörer noch nicht viel an Beeinflussung und Verbiegung aufbürden, wären aber im Falle eines 16-Ohm-Kopfhörers schon 1:1 der Abnehmer der halben Ausgangsleistung.

Du siehst - so ganz einfach isses nicht und irgendwo muß man dann Kompromisse eingehen. Richtig "amtliche" Treiber für hochohmige Kopfhörer sind dann auch eher in der ambitionierten HiFi- und Studiotechnik zu finden (Lehmann, Funk Tonstudiotechnik). In dem PDF siehst Du auf Seite 2 unten auch in der grünen Tabelle, wo die Grenzen sind. Ein idealer Verstärker, der an 600 Ohm 260 mW leisten kann, müßte rechnerisch an 22 Ohm eine Leistung von 0.26*600/22 = 7 Watt leisten. Tut er aber nicht - bei 1.2 Watt ist Schluß. Begrenzend wirkt hier zum einen der Klirrfakor, der mit < 0.1% angegeben war und der wiederum steigt mit abnehmendem Lastwiderstand durch den zunehmenden Strom. Der Verstärker kann irgendwann nicht mehr nachliefern, ohne zu verzerren oder in die Gefahr des Durchbrennens zu gelangen (die bei dieser Platine durch Schaltungsmaßnahmen gebannt ist).


Für Dich und Deine Frage, ob man mit einem OpAmp einen hochohmigen Kopfhörer speisen kann: ja, kann man. Nimm einen für Audiozwecke geeigneten Op-Amp mit hoher Versorgungspannung, spendiere ihm auch das passende Netzteil und die passende Spannungsversorgung dafür, so daß er etwa +/5 Volt, besser +/- 10 Volt Effektivwert liefern kann. Die Betriebsspannung dürfte dann so bei +/- 10 bis +/- 20 Volt liegen, aus einer Batterie ist das nicht mehr zu holen, aus einem normalen Steckernetzteil auch nicht. Der OpAmp sollte gleichzeitig verzerrungsarm einen hohen Strom von bis sagen wir mal mindestens 100 mA erlauben (zum Anschluß niederohmiger Kopfhörer) und idealerweise kurzschlußfest sein, damit Du am Ausgang keine Schutzwiderstände in den Signalweg packen mußt.


[Beitrag von Radiowaves am 03. Jul 2011, 11:03 bearbeitet]
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