Leistungsverstärker sind Röhren- oder Transistorverstärker, die mindestens eine Leistung von 1 W an einem niederohmigen Ausgang erzeugen. Leistungsverstärker werden benutzt, um z.B. Lautsprecher, Relais oder Motoren anzutreiben. Umgangssprachlich werden sie auch als Endstufe bezeichnet. Die Verstärker werden nach der Lage des Arbeitspunktes der Endstufentransistoren eingeordnet.
Folgende Betriebsarten gibt es:
- A-Betrieb
- B-Betrieb
- AB-Betrieb
- C-Betrieb
- D-Verstärker (Schaltbetrieb)
Erläuterungen
Der Ruhestrom bezeichnet die Stromaufnahme einer Transistorendstufe, die nicht angesteuert wird (kein Eingangssignal).
Der Wirkungsgrad einer Transistorendstufe ist das Verhältnis zwischen der maximalen Verlustleistung der Endstufentransistoren zur Ausgangsleistung.
A-Betrieb
Beim Eintakt-A-Verstärker liegt der Arbeitspunkt etwa in der Mitte des linearen Teils der Transistorkennlinie. Daher hat diese Stufe einen etwas hohen Ruhestrom der nicht von der Aussteuerung abhängig ist und einen geringen Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad liegt hier im einstelligen Prozentbereich. Im A-Betrieb ist die erreichbare Verstärkung gegenüber den Gegentaktendstufen gering, wobei es fast keine Verzerrungen gibt. Weitere Infos unter Transistorverstärker
B-Betrieb
Das Bild zeigt eine Grundschaltung der Gegentakt-B-Endstufe mit 2 npn-Transistoren, Gegentaktansteuerung durch Eingangstransformator und unsymetrischer Betriebsspannung:
Mit dem Basisspannungsteiler R1/R2 wird der Arbeitspunkt eingestellt.
Beim Gegentakt-B-Verstärker werden 2 Transistoren gleichstrommäßig parallel geschaltet. Der Arbeitspunkt der Transistoren liegt im unteren Drittel der Transistorkennlinie. Daher ist der Ruhestrom viel geringer als beim Eintakt-A-Verstärker. Desweiteren ist der Wirkungsgrad mit theoretischen 78% (Praxis: ca. 50%) sehr viel höher. Diese Endstufe kann auch bei kleinen Betriebspannungen eingesetzt werden. Der Nachteil dieser Endstufe ist der nötige Einsatz von Eingangs- und Ausgangstransformatoren, welche sehr teuer sind.
AB-Betrieb
Das Bild zeigt die Grundschaltung einer Komplementär-AB-Endstufe mit Eintaktansteuerung und symetrischer Betriebsspannung:
Der Gegentakt-AB-Verstärker hat einen etwas höheren Ruhestrom als der Gegentakt-B-Verstärker.
Der Vorteil hier ist, dass durch die gleichstrommäßige Reihenschaltung der Transistoren die teuren Transformatoren eingespart werden können (eisenlose Endstufe).
Man benötigt für diese Enstufe jedoch eine Basisvorspannung für die Endstufentransistoren, um die Übernahmeverzerrung zu beseitigen (zu kompensieren). Dies geschied entweder durch einen Widerstand oder besser mit Dioden. Die Diode hat den Vorteil, dass bei steigender Sperrschichttemperatur der Transistoren der Ruhestrom konstant bleibt. Dazu muss die Diode wärmeleitend mit den Transistoren verbunden werden (z.B. wenn man sie auf das Kühlblech schraubt). Der beschriebene Vorgang wird auch als Temperaturkompensation bezeichnet.
Die AB-Endstufe ist ein Kompromiss zwischen Verstärkung und Verzerrung.
AB-Endstufen sind die am verbreitesten Endstufen in der Unterhaltungselektronik. Sie treten in integrierter Bauform als IC (z.B. die Hybrid STK-Typen) oder bei teureren Verstärkern in diskreter Bauform auf.
Bei der Gegentaktendstufe ist es notwendig, dass beide Endstufentransistoren Q1/Q2 die gleichen Daten aufweisen (Transistorpärchen). Dies gilt auch für den Betrag der Schwellspannung.
Betrachtung ohne NF-Eingangssignal ("gleichspannungsmäßige" Betrachtung):
Da an der Basis von Q1 und Q2 genau die Schwellspannung liegt sind beide gerade so leitend. Beide Transistoren besitzen die gleiche Leitfähigkeit (Pärchen), daher ist der Betrag der Emitterspannungen der selbe: -Ue (für Q2) = +Ue (für Q1). Da die Emitter zusammengeschaltet sind heben sich beide Spannungen auf, daher hat man am Lautsprecher nun 0V. Damit sich an Q1 und Q2 die Schwellspannung einstellt muss Q3 auch gerade so leitend sein. Damit ist es Notwendig, dass an Q3 auch die Schwellspannung anliegt. Da der Emitter von Q3 in diesem Fall auf -60V liegt und die Basis um die Schwellspannung positiver sein muss ist eine Basisspannung von -60V + Schwellspannung (hier z.B. 0,7V) vonnöten. Diese Spannung wird durch den Basisspannungsteiler R3/R4 eingestellt. Die Dioden D1/D2 und der Widerstand R2 dienen zur Einstellung der Basisvorspannungen von Q1/Q2. D1 und D2 bewerkstelligen auch die Temperaturkompensation. C2 dient zur Abblockung der Basisspannung von Q3. Dies ist notwendig, da sonst die Spannung "rückwärts" in den Vorverstärker fließt.
Der Transistor Q3 ist der einzige Treiber für Q1 und Q2, daher spricht man hier auch von einer Eintaktansteuerung. Bei der Gegentaktansteuerung hätte Q1 und Q2 einen eigenen Treibertransistor.
Betrachtung mit positiver Halbwelle:
Die positive Halbwelle gelangt über C2 an die Basis von Q3, wodurch dieser leitfähiger wird (Uce von Q3 sinkt). Dies hat zur Folge, dass die Basis von Q2 negativer wird. Q2 steuert durch und man hat am Ausgang eine negativ ansteigende Spannung (entspr. dem Sinus). Über D1 und D2 kommt die negativ ansteigende Spannung auch an die Basis von Q1. Dieser sperrt dementsprechend.
Betrachtung mit negativer Halbwelle:
Die negative Halbwelle kommt über C2 an die Basis von Q3. Dieser steuert zu und die Basis von Q1 wird positiver. Dies hat zur Folge, dass Q1 mehr durchsteuert und man am Ausgang eine positiv, dem Sinus entsprechend, ansteigende Spannung hat. Über R2, D1 und D2 kommt die positive Spannung auch an die Basis von Q2, wodurch dieser total sperrt.
Damit ist klar, dass Q1 die positive und Q2 die negative Halbwelle vertstärkt. Da beide Emitter zusammengeschaltet sind, werden beide Halbwellen wieder zu einem kompletten Sinus zusammengesetzt. Natürlich geht das auch mit nichtsinusförmigen Signalen, z.B. Musik, Sprache etc.. Da jeder Endstufentransistor nur eine Halbwelle verstärken muss kann er dafür den KOMPLETTEN linearen Bereich seiner Kennlinie verwenden. Dadurch ist auch der Wirkungsgrad höher und auch die Ausgangsleistung.
Wie man sieht dreht der obenstehende End-Verstärker die Phase des Signals um 180°. Deshalb ist es notwenig am Eingang des End-Verstärkers ein um 180° gedrehtes Signal einzuspeisen.
unsymetrische Betriebsspannung:
Natürlich ist es auch möglich die besprochene Schaltung mit einer unsymetrischen Spannung zu betreiben. Diese Schaltung funktioniert ähnlich, jedoch sind dort die Spannungswerte anders. Die Emitter der beiden Endstufentransistoren liegen dort auf der Hälfte der Betriebsspannung und nicht auf 0V wie bei der symetrischen Betriebsspannung. Deshalb ist es bei dieser Betriebsspannung notwendig durch einen Ausgangskondensator die Emitterspannung abzublocken, da sonst der Lautsprecher durchbrennen würde.
Boucherot-Glied:
Ich weiß es nicht ganz genau. Aber ich glaube, dass dieser Teil des Verstärkers die Schwingneigung der Endstufe bei besonders langen Lautsprecherkabeln oder ungünstigen kapazitiven/induktiven Konstellationen der Last am Ausgang etc. verhindert.
Protection:
Was nicht in der Schaltung eingezeichnet ist, ist das sehr oft verwendete Lautsprecherrelais am Ausgang. Dieses hat die Aufgabe die Lautsprecher zu schützen. Schaltet man den Verstärker ein, so hörte man bei älteren Geräten ein Knacken aus dem Lautsprecher. Das Relais verhindert das indem es die Lautsprecher verzögert hinzuschaltet. Weiterhin hat das Relais zusammen mit einer Schutzschaltung (Protection) die Aufgabe bei einem Defekt der Endstufe die Lautsprecher sofort abzuschalten. Die Schutzschaltung misst dazu bestimmte Spannungswerte im Verstärker. Ein Spannungswert könnten die 0V an den Emittern der Endstufentransistoren sein. Bei einem Defekt der Endstufe währen dort zu 99,9% Gleichspannungswerte ungleich 0V.
C-Betrieb
Dieser Verstärker wird meist in HF-Endstufen (Senderendstufen) eingesetzt (z.B. im Amateurfunk).
Der Arbeitspunkt wird so gewählt, dass bei kleiner Aussteuerung noch kein Ruhestrom fließt, daher verzerren diese Endstufen sehr stark.
Der Wirkungsgrad im C-Betrieb kann mit bis zu 90% sehr hoch sein.
Als Last benutzen diese Endstufen HF-Schwingkreise.
D-Verstärker
Diese Endstufen arbeiten im Impulsbetrieb. In Abhängigkeit des Einganssignals wird die Impulsdauer geändert. Die Endstufentransistoren arbeiten dabei im effektiveren Schaltbetrieb und haben dadurch eine geringere Verlustleistung. Diese Enstufen steuern z.B. Motoren oder Relais an. Der D-Betrieb wird auch in Verbindung mit der Pulsdauermodulation für die Verstärkung der Tonfrequenz in Hochleistungssendern für Amplitudenmodulation verwendet.
Sonstiges
Bild einer AB-Gegentaktendstufe in diskreter Bauweise:
Unter (1) sind die Endstufentransistoren zu erkennen. Diese werden von den 2 Treibertransistoren (2) angesteuert (Gegentaktansteuerung).
Die 2 Elektrolytkondensatoren (oder Elkos) unter (3) sind dazu da die Symetriespannung zu sieben (Entfernung des 100 Hz Brummen von der Graetzbrücke). Desweiteren haben sie die Aufgabe die Betriebsspannung für die Endstufe zu buffern, damit die Spannung bei hoher Stromaufnahme, besonders bei Bässen, nicht zusammenbricht (verursacht Verzerrungen).
Der IC unter (4) ist der Quellenumschalter, welcher vom Mikrocomputer des Receivers/Verstärkers angesteuert wird.
Siehe auch: Transistorverstärker, Arbeitspunkt