DIY - E-Gitarrenverstärker

1. Projektbeschreibung

Ziel des Projektes ist es einen Gitarrenverstärker für E-Gitarren zu erstellen. Dieser soll Batterie betrieben und für Kopfhörer sowie auch Lautsprecher geeignet sein. Ich hatte mir hierbei noch die Einschränkung gesetzt möglichst nur Bauteile zu verwenden die ich schon vorhanden hatte. Hierdurch sind Bauteile verwendet, die nicht unbedingt für einen Audioverstärker geeignet sind.

Einschränkungen des DIY Verstärkers:

• bei einem aktiven Tonabnehmer konnte kein klarer Klang erzeugt werden
• die Lautstärke konnte bei dieser Schaltung nur bedingt geregelt werden, Der Lautstärkeregler der E-Gitarre kann hier jedoch gut verwendet werden
• eine gute Verzerrung kann nur durch eine volle Aussteuerung erzeugt werden, eine andere Möglichkeit ist es die Impedanz Anpassung der Endstufe zu verstimmen. Die so erzeugte Verzerrung zeigte jedoch keinen klaren Klang
• die Endstufe benötigt einen Widerstand (z.B. Lautsprecherimpedanz) um einen Ton zu erzeugen
• Der Klasse A Verstärker ist nicht Energieeffizient

 2. Funktionsweise eines Tonabnehmer

Ein Tonabnehmer besteht aus einem Magneten und einer um diesen gewickelten Spule. Die Saiten einer E-Gitarre bestehen aus einem ferromagnetischen Material. Schwingungen auf der Saite führen zu einer Veränderung der Feldstärke des Magnetfeldes und induzieren so eine Spannung in die Spule des Tonabnehmers. Diese liegt in der Größenordnung von einigen mV bis 100 mV und gilt es zu verstärken. Mehr Informationen über Tonabnehmer findet Ihr zum Beispiel hier:

Tonabnehmer (E-Gitarre) – Wikipedia (letzter Zugriff am 09.03.2023)

 3. Benötigte Bauteile

 3. Schaltungen

3.1 Verpolschutz und Tiefenentladungsschutz

Als Verpolschutz wird in diesem Fall eine 1N5818 Schottky Diode verwendet. Diese kann bei 25°C laut Datenblatt einen Strom von 1A aushalten. Der Verstärker ist für den Betrieb mit 4 AA Standard Batterien ausgelegt. Bei 4 neuen Alkaline Batterien kann die Spannung bis zu 6,4V betragen. Für den Verstärker ergibt sich bei einer 8 Ohm Lautsprecherimpedanz und einer Spannung von 6,4V ein Strom von 800 mA. Eine Verwendung von einen MOSFET Verpolschutz, wie bei dem Projekt Labornetzteil, ist für diesen Strom nicht notwendig. Jedoch kann die Ausgangsleistung hierdurch noch verbessert werden. 

Ein Tiefenentladungsschutz wird für die Verwendung von NiMH Akkus notwendig. Diese reagieren anders als NiCd Akkus, empfindlich auf Tiefenentladung. Ein NiMH Akku ist bei ca. 1V entladen. Tiefere Entladungen können zu einem Verlust der Kapazität führen. Um eine Tiefenentladung zu vermeiden soll die Schaltung bei ca. 4,2 Volt abschalten. Zum schalten wird der P-MOSFET Q2 verwendet. Dieser schaltet wenn an seinem Gate eine um die Threshold Voltage niedrigere Spannung als am Source anliegt.

Um die Schaltschwelle von 4,2V zu erkennen, wird ein selbst entwickelter Transistorkomparator verwendet. Dieser ist schon aus dem Projekt RS232 Wandler bekannt.  Der npn - Transistor ist voll durchgeschaltet, wenn an seiner Basis eine Spannung von etwa 0,6 V anliegt. Die Schaltschwelle wird über den Spannungsteiler über R4 und R5 eingestellt. An der realen Schaltung, wurde mit einer einstellbaren Spannungsquelle und verschiedenen Widerstandswerten für R3 noch eine Feinabstimmung durchgeführt. Ist die Schaltschwelle über den 4,2V, ist der Widerstand R5 zu erhöhen oder R4 zu verringern. Ist die Schwelle unter 4,2V, so muss entweder R4 erhöht oder R5 verringert werden. In meinem Fall lag die Schaltschwelle bei 3,9V und wurde durch R3 parallel zu R5 auf ungefähr 4,2 V angehoben.

3.2 Vorverstärker und Signalverstärkung

Zur Verstärkung des Gitarrensignals wird ein Operationsverstärker (OPV), der LM358, verwendet. Dieser wird im DIP-8 Package mit zwei OPVs ausgeliefert. Operationsverstärker werden Üblicherweise mit einer positiven und negativen Spannung versorgt. Um den Schaltungsaufwand zu minimieren, wird in diesem Fall der  OPV nur an einer positiven Spannung und GND Potential angeschlossen. Das erzeugen einer negativen Spannung entfällt somit. Für das Wechselsignal ist das Bezugspotential anzuheben, da sonnst die negative Halbwelle fehlt. Hierfür werden die Spannungsteiler R1/R2 und R10/R11 verwendet. Durch diese Beschaltung bleibt für den OPV als Verstärkerschaltung der nicht invertierender Verstärker.

Vorverstärkung

Der Eingang des Verstärkers wird durch ein Kondensator vom Eingang der Vorverstärkung getrennt. Dies soll Verhindern, dass der Strom vom Spannungsteiler (R1/R2) über den Tonabnehmer abfließt. Ein Kondensator wirkt wie eine Sperre für Gleichstrom und ist durchlässig für Wechselstrom. Wobei der Widerstand Xc für den Wechselstrom abhängig von der Frequenz und der Kapazität des Kondensators ist.

Xc = 1/(2*Pi*f *C)

f - Frequenz des Wechselsignals Hz 

C - Kapazität in F (C1 = 4,7uF)

Bei einer normal gestimmten Gitarre liegt die Tiefste Frequenz bei 82,41 Hz. Für diese Frequenz ergibt sich ein Wiederstand von 410 Ohm der zur Impedanz am Tonabnehmer hinzukommt. Kleinere Kapazitäten erhöhen den Widerstand wodurch die Signale mit niedriger Frequenz stärker gedämpft werden. Wird ein Elko verwendet, so ist die negative Seite auf der Seite des Tonabnehmers, da durch den Spannungsteiler auf der Verstärkerseite das höhere Potential liegt.

Das Signal vom Tonabnehmer entsteht durch eine hochohmige Spule. Bei meiner Gitarre liegt die Impedanz bei ca. 6,9 kOhm. Die Ausgangsleistung des Tonabnehmers ist gering. Der Eingang des Gitarrenverstärkers muss dementsprechend Hochohmig gegen GND und V+ sein. Der Eingang vom Operationsverstärker ist in der Regel sehr Hochohmig. Der Spannungsteiler vor dem OPV bestimmt weitestgehend die Eingangsimpedanz. Spannungsteiler und Verstärkung müssen aufeinander Abgestimmt sein. Wird z.B. der Spannungsteiler so gewählt, dass am Eingang ein Viertel von V+ anliegt, wäre als maximaler Verstärkungsfaktor  A = 2 möglich. (A = 2, Ruhelage Ue = 1/4V+ --> Ua = 1/2 V+, positive Aussteuerung Ue 1/2 V+ --> Ua = V+, negative Austeuerung Ue = 0 --> Ua = 0 )

Die Anforderung der Hochohmigkeit, macht die Abstimmung schwieriger. Um diese zu vereinfachen wird der Vorverstärker verwendet. Der Ausgang des Vorverstärkers kann höhere Leistungen erbringen, wodurch die nachfolgende Verstärkungsschaltung einfacher Abstimmbar ist. Der Spannungsteiler des Vorverstärkers ist hier auf 0,09 * V+ ausgelegt und ist möglichst Hochohmig. Bei z.B. einer Betriebsspannung von 4,8V ergibt sich eine Spannung von 0,432V. Bei einem Signal von +- 100mV wäre eine Verstärkung von 9 möglich. Die Verstärkung wird durch die Widerstände R6 und R7 bestimmt:

A = Ua/Ue = 1 + (R6 / R7)  

Durch einen Schalter kann bei dem Vorverstärker zwischen einer Verstärkung von 1 ( R7 unendlich ) und einer Verstärkung 3 gewählt werden. Dies ermöglicht eine Höhere Verstärkung, falls der Signalverstärker nicht ausreicht.

R8 wird für die Interne Beschaltung des OPVs benötigt. Ohne diesen Widerstand kommt es innerhalb des OPVs zu unkontrollierten Ein- und Abschaltvorgängen. (Dies hat mich einiges an Zeit für die Fehlersuche gekostet. Im Datenblatt kann man diesen Widerstand in Anwendungsbeispielen sehen jedoch einen Hinweis auf die Notwendigkeit auf diesen gab es in meinen Datenblatt nicht. Hier ein Danke an den Forum Eintrag von Rüdiger S. (rudi8) https://www.mikrocontroller.net/topic/482389 (letzter Zugriff am 25.03.2023) ) 

Signalverstärker

Der Eingang des Signalverstärkers wird durch ein Kondensator vom Ausgang der Vorverstärkung getrennt. Dies verhindert eine Beeinflussung der Beschaltungen der einzelnen Verstärker. Am Signalverstärker wird die Eingangsspannung bei 4,8V auf etwa 0,15V gezogen. Der Vorverstärker liefert bei einer Verstärkung von 1, 0,43V und bei einer Verstärkung von 3, 1,3V. Selbst mit verstärkten Signalen ist die Ausgangsspannung des Vorverstärkers größer als die Mittelspannung am Eingang des Signalverstärkers. Bei Verwendung eines Elkos ist der positive Pol gegen den Ausgang des Vorverstärkers zu setzten. 

Die Signalverstärkung ist Variabel und wird über ein 10kOhm Potentiometer eingestellt. R13 wird wie bei der Vorverstärkung für den OPV benötigt.  

3.3 Endstufe

Der Eingang der Endstufe wird wieder durch eine Kapazität getrennt. Die Spannungspegel der beiden Seiten sind nicht definiert. Weswegen kein Elko verwendet wird. Keramik Kondensatoren haben keine Polung. Da ich nur 100nF Kondensatoren vorhanden hatte, sind hier 4 parallel geschaltet um etwa 400nF zu erzeugen.

Um Rauschen zu minimieren ist ein Tiefpass in Reihe geschaltet (R14 und C7). Die Grenzfrequenz ist auf 5kHz eingestellt. Die Frequenzen einer Gitarre für den vollen Klang liegt etwa in diesem Bereich. Die Zeitkonstante des RC-Gliedes berechnet sich wie folgt:

T = R * C

für die Auslegung nach der Grenzfrequenz gilt folgende Gleichung:

T = 1 / (2 * pi * fc)

T = 1 / (2 * 3.14 * 5000 Hz) = 31,83 us

Bei der Verwendung eines 100nF Kondensators ergibt sich für R:

R = T / C = (31,83 * 10^-6 s) / (100 * 10^-9 F) = 318,3 s/F = [s/(As/V)] = 318,3 Ohm 

Für die Endstufe wurde sich für einen Klasse A Verstärker entschieden. Hierbei wird ein Transistor, Röhre oder Mosfet im Verstärkerbetrieb so angesteuert, dass ohne Signal die halbe Spannung über den Angeschlossenen Lautsprecher abfällt und die andere Hälfte über das Verstärkerelement. Bei anliegendem Signal ändert sich der Widerstandswert des Verstärkerelementes. Als Verstärker Element wird hier ein n-Mosfet vom Typ IRF44ZN verwendet. Da Bauteile und Betriebsspannung Schwankungen haben, wird die Voraussteuerung über ein Potentiometer eingestellt. Im Schaltplan wird dies als Impedanzanpassung beschrieben.

Der Lautsprecher wird über ein Schraubterminal angeschlossen. Möchte man einen AUX Eingang einer Musikbox oder PC anschließen, sind diese oft Hochohmig. Damit ein Signal entsteht, wird ein Widerstand am Anschluss J3 benötigt.