Leistungsverstärker

INHALTSANGABE:


1.1.) TRANSISTOR IM A - BETRIEB........................................................3

1.2.) TRANSISTOR IM B - BETRIEB........................................................4

1.3.) TRANSISTOR IM AB - BETRIEB.....................................................5

1.4.) TRANSISTOR IM C - BETRIEB........................................................6


2. ) ALLGEMEINES....................................................................7

2.1.) DIE √úBERNAHMEVERZERRUNGEN...........................................7



3.1.) DIE NUTZLEISTUNG.......................................................................8

3.2.) DIE BATTERIELEISTUNG..............................................................9

3.3.) DIE MAXIMALE VERLUSTLEISTUNG.......................................10

3.4.) DER WIRKUNGSGRAD.................................................................12

3.5.) ZUSAMMENFASSUNG UND LEISTUNGSDIAGRAMM..........13


4.1.) ANFORDERUNGEN........................................................................15

4.2.) SCHALTUNGEN UND DEREN BESCHREIBUNGEN................15

1.) TRANSISTORBETRIEBSARTEN

1.1.) TRANSISTOR IM A - BETRIEB

PRINZIPSCHALTUNG

Abb. 1
SIGNALBILD

Abb. 2
VORTEIL:
Ein Transistor im A - Bertrieb weist von allen Betriebsarten einen geringstmöglichen Klirrfaktor und die geringstmöglichen Verzerrungen auf, da nur ein Transistor benötigt wird, welcher die volle Periode eines Signals verarbeitet .

NACHTEIL:
Man ben√∂tigt zur Arbeitspunkteinstellung einen DC - Anteil, der von einem AC - Signal √ľberlagert wird. Das bedeutet, dass man permanente DC - Verluste hat, was zu einem √§u√üerst schlechten Wirkungsgrad von
f√ľhrt .

ANWENDUNG:
NF - Technik


1.2.) TRANSISTOR IM B - BETRIEB

PRINZIPSCHALTUNG

Abb. 3


SIGNALBILD

Abb. 4
VORTEIL:
Da nur positive bzw. negative Halbwellen je Transistor verarbeitet werden, ist kein DC - Anteil zur Potentialanhebung nötig. D.h.: Der Wirkungsgrad erhöht sich auf maximal
.
NACHTEIL:
1.) Das Komplementärproblem : Man benötigt ein sogenanntes Transistorpärchen, da der
B - Betrieb 2 Transistoren (= weiterer Nachteil gegn√ľber A - ,und C - Betrieb) vom jeweiligen npn - und pnp - Typ erfordert. D.h.: Ist einer der beiden defekt, so m√ľssen beide getauscht werden .
2.) Das Toleranzenproblem bei der Stromverstärkung : Diese wird jedoch im Verhältnis der Stromverstärkungen der jeweiligen Typen mit :
toleriert .
3.) Das Verzerrungsproblem : Es kann, wie im Signalbild ersichtlich, zu √úbernahme - verzerrungen kommen. Diese resultieren aus der nichtlinearen Eingangskennlinie der Transistoren .Auf diese Besonderheit wird in weiterer Folge noch eingegangen.

ANWENDUNG:
NF - Technik


1.3.) TRANSISTOR IM AB - BETRIEB

PRINZIPSCHALTUNG :

Abb. 5
SIGNALBILD

Abb. 6
VORTEIL:
Wesentlicher Vorteil ist die Reduzierung der √úbernahmeverzerrungen, allerdings auf Kosten des Wirkungsgrades, da ein geringer Ruhestrom flie√üt. D.h.: Der AB - Betrieb stellt einen Kompromi√ü zwischen Verlustleistung und Wirkungsgrad dar. Der Ruhestrom entsteht durch das Einf√ľgen der beiden Dioden, welche das jeweilige Potential um ca. 0,6V anheben bzw. senken. Dadurch wird allerdings mehr als eine Halbwelle je Transistortyp √ľbertragen .

NACHTEIL :
Hier gelten bis auf die √úbernahmeverzerrungen die gleichen Nachteile wie f√ľr den B - Betrieb .

ANWENDUNGEN :
Diese Betriebsart findet heutzutage kaum noch Anwendung .

1.4.) TRANSISTOR IM C - BETRIEB

PRINZIPSCHALTUNG SIGNALBILD



Abb. 7 Abb. 8


VORTEIL
Die Vorteile liegen im Wirkungsgrad, welcher theoretisch bei
liegt, und bei der Art der Anwendung als Frequenzvervielfacher .

NACHTEIL
Der Nachteil dieser Betriebsart liegt in der Signalrekonstruktion, da vom Eingangssignal nur die Spitze vorhanden ist .

ANWENDUNG
HF - Technik

2. ) ALLGEMEINES


Von den erwähnten Betriebsarten, werden Leistungsverstärker vorzugsweise als Gegentaktverstärker, welche dem B - Betrieb entsprechen gebaut. Die in Abb. 3 und Abb. 4
dargestellte Grundschaltung mit Signalbild zeigt 2 Transistoren, welche als Emitterfolger arbeiten. F√ľr Ue> 0 √ľbernimmt der npn - Transistor die √úbertragung, w√§hrend der pnp - Transistor sperrt, f√ľr Ue <0 gilt der umgekehrte Zustand. Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang der Wechsel von der positiven auf die negative Halbwelle und umgekehrt .
in diesem Bereich kommte es zu den schon erwähnten Übernahmeverzerrungen .

2.1.) DIE √úBERNAHMEVERZERRUNGEN

Zu diesem Zweck wird zunächst eine Kollektorgrundschaltung betrachtet .

Abb. 9
Abb. 10


Wenn die Eingangsspannung Ue die Schleusenspannung Us
0,5V √ľberschreitet, wird der Transistor leitend (siehe Abb. 9+10). Die Schleusenspannung Us resultiert aus der inneren Potentialschwelle des p - n √úbergangs des Transistors. Bringt man n√§mlich neutrales n - und p - Silizium zusammen, so diffundieren √ľber den p - n √úbergang L√∂cher in die n - Zone und Elektronen in die p - Zone (Ausgleichsbestreben). Durch den Zuflu√ü von L√∂chern bzw. den Abflu√ü von Elektronen ergibt sich eine Potentialanhebung der n - Zone gegen√ľber der p - Zone. Die entstehende "Potentialschwelle" wirkt mit ihrem elektrischen Feld dem Ausgleichsbestreben entgegen. Wird der p - n √úbergang in Durchflu√ürichtung betrieben, so wird die innere Potentialschwelle mit steigender Spannung zunehmend abgebaut. Dadurch wird es den Elektronen der n - Seite und den L√∂chern der p - Seite m√∂glich, auf die andere Seite zu diffundieren. Die Sperrschicht wird von Ladungstr√§gern √ľberschwemmt. Es kommt zu einem Stromflu√ü, der im konventionellen Sinn von der p - Seite (Anode) zur n - Seite (Katode) gerichtet ist. Der Strom steigt steil an, wenn entsprechend der inneren Potentialschwelle eine gewisse Schwellenspannung (auch Schleusenspannung) √ľberschritten wird. Diese liegt bei Germanium bei etwa 0,2V, bei Silizium bei etwa 0,5V .
Ab diesem Potential folgt die Ausgangsspannung Ua der Eingangsspannung Ue abz√ľglich der Differenz der Basis - Emitterspannung von
(Siehe Abb. 10) .
√úberschreitet weiters die Eingangsspannung die Betriebsspannung (in Abb. 10 mit Ub = 4,5V angenommen), so wird die Kollektordiode leitend, so geht der Transistor dann aus dem aktiven Betriebsbereich in den S√§ttigungsbereich √ľber. Die Ausgangsspannung Ua n√§hert sich der Betriebsspannung .
Dieses Verhalten tritt nat√ľrlich auch im Gegentaktbetrieb f√ľr beide Transistoren auf (siehe Abb.12). Dies ist der Grund, warum es zu √úbernahmeverzerrungen der Halbwellen kommt .

Abb. 11
Abb.12

3. ) LEISTUNGSMERKMALE UND - BERECHNUNGEN


Die wesentlichsten Leistungsangaben erfolgen durch :

1.) Die Nutzleistung (bzw. Ausgangsleistung) ............................ P ab

2.) Die Batterieleistung (bzw. zugef√ľhrte Leistung) .....................P zu

3.) Die maximale Verlustleistung ...............................................Pv max

3.1.) DIE NUTZLEISTUNG


Abb.13
Abb.14



Zur Berechnung der Ausgangsleistung wird der Effektivwert von Ausgangsstrom oder
Ausgangsspannung √ľber den Lastwiderstand eingesetzt .






3.2.) DIE BATTERIELEISTUNG

Aus Abb. 14 ist ersichtlich, dass Strom und Spannung unterschiedlich sind. Es k√∂nnen allerdings nur Anteile gleicher Frequenz zu einer Leistung f√ľhren .
D.h.: Um die Leistung zu ermitteln muss das Flächenintegral gebildet werden :





Eingesetzt ergibt dies :









Daraus folgt :
Die Leistung der Quelle 1 (+Ub) entspricht der errechneten Leistung von

F√ľr die Leistung der Quelle 2 ( - Ub) gilt sinngem√§√ü :

Die zugef√ľhrte Leistung (gesamte Batterieleistung) errechnet sich aus der Summe der beiden Teilleistungen der Quelle 1 und der Quelle 2 .
Daraus folgt :




3.3.) DIE MAXIMALE VERLUSTLEISTUNG

Die Verlustleistung ergibt sich aus der Differenz von zugef√ľhrter und abgegebener Leistung .



Aufgrund der Symetrie lassen sich zwei wesentliche Aussagen treffen, welche zur Vereinfachung dieser Formel dienen :

1.)
2.)


Daraus folgt :


Die einzige Variable in der Gleichung ist
, da es sich beim Lastwiderstand
und der Betriebsspannung
um konstante Größen handelt. Die Formel ist somit eine quadratische Funktion, welche aufgrund ihrer Vorzeichen einer nach unten geöffneten Parabel entspricht .
Siehe Abb. 15

Abb. 15

Um das Maximum ( entspricht der maximalen Verlustleistung) zu erhalten, ist nach
zu differenzieren und die erste Ableitung gleich Null zu setzen .






Um die Höhe der maximalen Verlustleistung zu errechnen, ist nun das abgeleitete
in die Verlustleistungsformel einzusetzen :


( F√ľr beide Transistoren )


Diese Verlustformel gibt die Gesamtverluste an. D.h.: F√ľr beide Transistoren. Sinngem√§√ü ergibt die maximale Verlustleistung f√ľr einen Transistor, aufgrund der schon erw√§hnten Symetrie, die H√§lfte der gesamten maximalen Verlustleistung :




( F√ľr einen Transistor )
Betrachtet man weiters die Masche
(siehe Abb.16), so lässt sich der maximale Kollektor - bzw. Laststrom bei Vernachlässigung von
bestimmen .

Abb. 16
Der maximale Laststrom ist somit :

Nun lässt sich, wie in Abb.15 bereits vorweggenommen, jener Strom ermitteln, welcher bei maximaler Verlustleistung fließt. Wie bereits errechnet, ist der Kollektor - bzw. Laststrom bei der maximalen Verlustleistung :




Durch die obige Maschengleichung ist der maximale Kollektor - bzw. Laststrom definiert .
In die Formel eingesetzt ergibt, dass der bei maximaler Verlustleistung auftretende Kollektor - bzw. Laststrom etwa 64% des maximalen Kollektor - bzw. Laststromes ist .




3.4.) DER WIRKUNGSGRAD


3.5.) ZUSAMMENFASSUNG UND LEISTUNGSDIAGRAMM


1.) DIE AUSGANGS (NUTZ - ) LEISTUNG

ALLGEMEINE MAXIMALE






2.) DIE BATTERIELEISTUNG (zugef√ľhrte Leistung)

ALLGEMEINE MAXIMALE



Da es sich um die gesamte Batterieleistung handelt, also von
und
, ist aufgrund der Symetrie mit dem Faktor 2 zu multiplizieren .

3.) DIE VERLUSTLEISTUNG

ALLGEMEINE



MAXIMALE



Aufgrund dieser Formelzusammenstellung lassen sich die Leistungsverhältnisse im Leistungsdiagramm darstellen. Zu beachten ist der Aussteuerungsgrad m, welcher sich aus aus dem Verhältnis der variablen Größe zur konstanten Größe zusammensetzt. D.h.:



Abb. 17

Die in Abb. 18 dargestellten Funktionen entsprechen dem Verhältnis von Batterieleistung
(zugef√ľhrte Leistung ) zu max. Ausgangsleistung
(KURVE 1), dem Verhältnis von Ausgangsleistung
zu max. Ausgangsleistung
(KURVE 2) und dem Verhältnis von Verlustleistung
zu max. Ausgangsleistung
(KURVE 3) .

D.h.:
KURVE 1 :
bei einem Aussteuerungsgrad von m = 1
KURVE 2 :
bei einem Aussteuerungsgrad von m = 1
KURVE 3 :
bei einem Aussteuerungsgrad von m =


DAS LEISTUNGSDIAGRAMM


Abb. 18

4. ) SCHALTUNGSENTWURF


4.1.) ANFORDERUNGEN

1.) Die Stromverstärkung soll konstant gehalten werden

2.) Temparaturkompensation des Arbeitspunktes

3.) Maßnahme gegen Verzerrungen (Bei Verwendung von OPVs : Mittels Gegenkopplung)

4.) Schutzmaßnahmen gegen möglichen Kurzschluß am Lastwiderstand treffen, da dieser meist
ein Lautsprecher ist und somit aus einer Kombination aus R, L und C besteht .
(Serienschwingkreis ! ! !)

5.) Bei Verwendung von OPVs als Vorverstärker, ist die Qualität der Spannungsversorgung
unerheblich, d. h. sie können einen "Brumm" aufweisen und es ist keine
Spannungsstabilisierung notwendig .

6.) Bei Verwendung von OPVs ist weiters darauf zu achten, dass der Frequenzbereich des
OPVs der Verstärkung entsprechend ausreicht, da sonst der Klirrfaktor unnötigerweise
ansteigen w√ľrde .


4.2.) SCHALTUNGEN UND DEREN BESCHREIBUNGEN

Abb. 19


Zu Abb.19 : Der am Eingang liegende Kondensator C1 dient als Gleichspannungsfilter. Da aber am OPV ein Gleichstrom flie√üen muss, ist zwischen Kondensator und + Eingang des OPVs der Widerstand R1 gegen Masse geschaltet, der diese Anforderung erm√∂glicht. Der OPV ist als Elektrometerverst√§rker (Nichtinvertierender Verst√§rker) geschaltet, der die Aufgabe der Spannungsverst√§rkung √ľbernimmt. Deshalb wird auch das r√ľckgef√ľhrte Signal direkt vom Ausgang der Endstufe abgegriffen, da aufgrund der vernachl√§√üigbar kleinen Spannungsverst√§rkung der Transistorstufe (ist als Emitterfolger geschaltet. D.h.
) die erw√ľnschte Spannung ausschlie√ülich vom OPV zu liefern ist. Die Spannungsverst√§rkung wird mittels den Widerst√§nden R2 und R3 nach der bekannten Formel :
definiert .
Der Kondensator C2 dient zur Potentialtrennung, damit sich der OPV auf das Gleichspannungspotential der Eing√§nge einstellen kann. C2 bestimmt somit die untere Grenzfrequenz des OPVs. Die obere Grenzfrequenz ist vom OPV - Typen abh√§ngig und somit aus dem Datenbuch abzulesen. Die Dioden D1 und D2 dienen zur Temperaturkompensation. Sie m√ľssen am K√ľhlblech der Endstufentransistoren befestigt sein um den Temperatur - einfl√ľssen der Transistoren entgegenwirken zu k√∂nnen. D.h. Steigt die Temperatur des Transistorhalbleiterkristalls, so gibt der Transistor die W√§rme an die Umgebung und somit an das K√ľhlblech ab. Dort befinden sich die Dioden ,welche von der Erw√§rmung ebenfalls beeinflu√üt werden und aufgrund ihrer Beschaltung der Transistorerw√§rmung entgegenwirken .Die Widerst√§nde R6 und R7 bilden gemeinsam mit den Dioden einen Spannungsteiler, wobei auch die M√∂glichkeit besteht, zur Temperaturkompensation anstelle der Dioden Widerst√§nde einzusetzen, welche sich wie folgt verhalten :
(Die Bezeichnung der Widerstände anstelle der Dioden : Statt D1 => Rd1 ; Statt D2 => Rd2 )




Die Transistoren T1 und T2 dienen gemeinsam mit den Trimmpotentiometern TPot1 und TPot2 zur Strombegrenzung. D.h.: Flie√üt ein gr√∂√üerer Strom als vorgesehen √ľber den Endstufentransistor T3 oder T4, so flie√üt ein entsprechend der Trimmpot - Einstellung gr√∂√üerer Strom √ľber die Basis von T1 bzw. T2 und √∂ffnet vermehrt den entsprechenden Transistor. Dadurch wird der entsprechenden Basis des Transistors T3 bzw. T4 der Strom entzogen, was eine Reduzierung des Kollektor - bzw. Laststrom des jeweiligen Transistors zur Folge hat. Dies hat den Vorteil, dass wie unter Punkt 4 erw√§hnt, ein m√∂glicher Kurzschlu√ü am Ausgang keine Zerst√∂rung der Endstufentransistoren bewirkt, da im schlechtesten Fall die Transistoren T1 und T2 voll durchschalten und die Basis der Transistoren T3 und T4 somit am Massepotential h√§ngen und die Transistoren gesperrt sind .
Der Widerstand R4 empfiehlt sich speziell bei auftretender kapazitiver Last, wie sie bei einem Lautsprecher auch erwartet werden kann, als Maßnahme gegen Schwingungen. Dieser ist mit
anzunehmen. Dies ist ein Erfahrungswert, welcher aus der Praxis √ľbernommen wurde .
Die Emitterwiderst√§nde Re1 und Re2 werden aus dem Grund eingesetzt, da es unm√∂glich ist, exakt gleiche Transistorenp√§rchen zu erhalten. Als Richtwert nimmt man f√ľr die Emitterwiderst√§nde ein Zehntel des Lastwiderstandes oder man errechnet den Wert mit einer angenommenen Spannung von
und den zu erwartenden maximalen
Laststrom. Bei einer wie in der Schaltung eingezeichneten Verwendung von Strombegrenzern wird jene Spannung mit 1V angegeben .
Zu ergänzen ist noch die Vorsichtsmaßnahme einer zusätzlichen Beschaltung von Entstörkondensatoren zwischen Plus - und Minusversorgung gegen Masse .

Um den Schaltungsaufwand zu reduzieren, besteht die M√∂glichkeit die Strombegrenzung und die Temperaturkompensationsschaltung wegzulassen und den OPV - Ausgang direkt an die Basen von T3 und T4 zu f√ľhren .(siehe Abb. 20). Es gibt etliche Anforderungen, die keinen qualitativ hochwertigen Verst√§rker vorraussetzen (zB.: Sprach√ľbertragung) und keine allzu gro√üe Verst√§rkung ben√∂tigen (zB.:Kopfh√∂rerverst√§rker). Bei dieser Art der Anwendung ist allerdings ein Widerstand (R5) zwischen Basis und Ausgang erforderlich. R5 dient zur Linearisierung der nichtlinearen Basis - Emitterdiodenstrecke der Endstufentransistoren. Errechnet wird er aus dem 100 - fachen kleineren Strom des zu erwartenden maximalen Ausgangstroms und der
. Der Grund daf√ľr ist, dass Signale unter der Basis - Emitterdiodenspannung nicht √ľbertragen werden k√∂nnen, da die Transistoren T3 und T4 erst in etwa bei dieser Spannung zu arbeiten beginnen .



Abb. 20

Um die bei Leistungsverstärkern anfallenden großen Lastströme bewältigen zu können, ist es notwendig Darlingtontransistoren als Endstufentransistoren einzusetzen .
Weiters wird realistischerweise in der Praxis kaum eine h√∂herer Spannungsverst√§rkung mittels OPV √ľber 40dB erzeugt (
). D.h. Ist die Spannungsverstärkung höher, so gibt es die Möglichkeit mittels Treiberstufe, welche als NF - Kleinsignalschaltung zu dimensionieren ist ,
diese Anforderung schaltungstechnisch zu realisieren (siehe Abb. 21)




Abb. 21

Diese Schaltung (Abb. 21) zeigt weitere Aspekte eines NF - Leistungsverst√§rkers. Da nur ein relativ kleines Signal mittels Treiberstufe verst√§rkt wird, reicht ein Emitterverst√§rker, welcher nur von positiver Versorgungsspannung gegen Masse betrieben wird, aus, um das Signal f√ľr die OPV - Spannungsverst√§rkung aufzubereiten. Diese Stufe ist √§u√üerst empfindlich .Aufgrund der relativ kleinen Signale ist unbedingt ein rauscharmer Transistortyp f√ľr T7 zu w√§hlen, da sonst das Transistorrauschen ebenfalls verst√§rkt werden w√ľrde und es somit zu einer unn√∂tigen Qualit√§tsminderung des Verst√§rkers k√§me. Da nur kleine Spannungen (d.h.: im mV - Bereich) verst√§rkt werden, ist darauf zu achten, dass keine Verzerrungen bzw. R√ľckkopplungen von der Versorgungsspannung mitverst√§rkt werden. Als Gegenma√ünahme ist ein Widerstand (Rv) zwischen Batteriespannung und Emitterverst√§rker zur Strombegrenzung und ein Elko (Cs3) in Serie zum Vorwiderstand Rv gegen Masse zwecks Stabilisierung beigef√ľgt. Die Versorgungsspannungen selbst m√ľssen somit, da sie wegen ihrer Innenwiderst√§nde keine idealen Spannungsquellen darstellen, wegen ihrer "Schwingneigung" mit zwei weiteren Elkos (Cs1 und Cs2) stabilisiert werden. Der Aufbau der Emitterstufe ist mittels spannungsgesteuerter Stromgegenkopplung realisiert. Zus√§tzlich ist der Widerstand Rx, wie bei der spannungsgesteuerten Stromgegenkopplung, zu der Basis - Kollektordiode parallel - geschaltet. Dieser dient zur Einstellung der Verst√§rkung von T7, da sonst die maximale Transistorverst√§rkung wirksam w√§re. Der Widerstand Rx kann somit auch als Trimm - Pot. ausgef√ľhrt sein .Weiters bewirkt er eine Reduzierung der Exemplarstreuung, da sich aufgrund der Gegenkopplung ein Regelverhalten einstellt. Ein weiterer Vorteil des Rx liegt somit in der Arbeitspunktstabilisierung.
Zur Dimensionierung der Emitterstufe sind folgende Faktoren zu ber√ľcksichtigen :
1.) Der Arbeitspunkt sollte bei 50% der pos. Versorgungsspannung liegen, um eine maximale
Amplitude des Wechselspanungssignals gewährleisten zu können .
2.) Der Eingangswiderstand der folgenden Schaltung (OPV - Schaltung) ist zu ermitteln, da
dieser dem Lastwiderstand der Emitterschaltung entspricht .
3.) Aufgrund der Ausgangsspannung, welche sich durch den endg√ľltigen Lastwiderstand und
der Leistung der Endstufe errechnet, folgt nach Abzug der max. Spannungsverstärkung
der OPV - Stufe die zu liefernde Signalspannung der Treiberstufe .

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