Projektlabor Robotik MINTgrün

Was ist ein Verstärker? Ein Verstärker macht wie der Name schon verrät vor allem eins: Er verstärkt ein gegebenes Signal. Das bedeutet er hat mindestens einen Pin an dem er ein Eingangsignal erhält und mindestens einen Pin an dem er das gleiche Signal verstärkt wieder ausgibt. Im Tutorium haben wir gelernt, dass man ein Mosfet als Schalter verwenden kann um größere Lasten ein und aus zu schalten. Nehmen wir eine solche Schaltung an, wobei das MOSFET an Pin 2 des Arduinos angeschlossen ist und wir einen Motor mit dem Mosfet Steuern (Bild 1).

Dann ist der Motor an, wenn Pin 2 auf „HIGH“ ist (also 5V ausgibt) und aus wenn Pin 2 auf „LOW“ (0V) ist. Wir stellen uns diese Schaltung nun als Blackbox vor, welche einen Input und einen Output hat (und einen GND Pin) (Siehe Kasten in Bild 1).Wenn wir die Schaltung also so betrachten handelt es sich ja eigentlich schon um einen Verstärker da wir ein 5V Signal hinein geben auf der anderen Seite aber ein 7,4V Signal (oder mehr wenn man eine größere Spannungsquelle anschliesst) hinauskommt.

Wenn wir jetzt aber den Motor durch einen Lautsprecher austauschen haben wir das Problem, dass sich das Mosfet auf der Drain-Source Strecke wie eine Diode verhält, also Strom nur in eine Richtung leitet. Somit lässt sich also nur ein gleichstrom Signal verstärken. Wir wollen hier aber ein Wechselstromsignal (zB. Tonsignal) verstärken.

Um das beschriebene Problem zu lösen bauen wir das MOSFET in einen Spannungsteiler (Wikipedia: Spannungsteiler) mit den Widerständen R3 und R4 ein. Das Ausgangssignal greifen wir zwischen Drain und R3 ab. Ausserdem bauen wir das Gate des MOSFETs ebenfalls in einen weiteren Spannungsteiler (R_1 und R_2), warum wir das tun wird im weiteren klar werden. Unsere Schaltung sieht also nun aus wie in Abbildung 3 (Ignoriert die Kondensatoren erstmal).

Wir betrachten nun 2 Fälle:
1.) Das MOSFET ist durchlässig(ON): Es fällt (fast) keine Spannung am MOSFET ab. Das bedeutet die gesamte Spannung der externen Spannungsquelle muss an den Widerständen R3 und R4 abfallen. Nach den Regeln für Reihen-/Parallelschaltungen und dem Ohmschen Gesetz können wir also folgende Gleichungen aufstellen:
I_ges = I_1,2 + I_3,4 , wobei I_3,4 der Strom ist der durch R3 und R4 fliesst und I_1,2 analog dazu. Wir wollen I_ges gering halten, da I_ges dauerhaft unser Netzteil bzw. unseren Akku belastet und keinen Nutzen hat. Ich wähle hier willkürlich I_ges=1mA und I_1,2 = 0,5mA. Damit berechnet sich I_3,4 = 0,5mA ergibt. Wir wissen also nun wie groß die Ströme durch die Bauteile sind. Wir wählen R_4 groß im Vergleich zu dem ON-Widerstand des Mosfets (ca. 5 Ohm), also wieder willkürlich R_4 = 1kOhm**.

Exkurs: Warum brauchen wir R_4? Mosfets ändern ihren Widerstand R_DS(on)auch abhängig von dem Strom der auf der Drain-Source Strecke fliesst. Die lautstärke unseres Verstärkers ist von dem Verhältniss der Widerstände R_3 und R_DS,4 = R_DS + R_4 abhängig. Wir wollen also, dass der Strom der auf der DS-Strecke fliesst möglichst nur von der GS-Spannung abhängt. Da R_4 groß im Vergleich zu R_DS(ON) ist ist der Strom hauptsächlich von R_4 abhängig.

Nun können wir R_3 berechnen.