Verstärker der Klasse-A
Common Emitterverstärker sind der am häufigsten verwendete Verstärkertyp, da sie eine große Spannungsverstärkung haben Common Emitter (CE)-Verstärker sind so konzipiert, dass sie aus einer relativ kleinen Eingangsspannung von nur wenigen Millivolt einen großen Ausgangsspannungshub erzeugen und werden hauptsächlich als „Kleinsignalverstärker“ eingesetzt, wie wir in den vorherigen Tutorials gesehen haben. Manchmal wird jedoch ein Verstärker benötigt, um große ohmsche Lasten wie einen Lautsprecher oder einen Motor in einem Roboter anzutreiben und für solche Anwendungen, bei denen hohe Schaltströme benötigt werden, sind Leistungsverstärker erforderlich.
Die Hauptfunktion des Leistungsverstärkers, der auch als „Großsignalverstärker“ bezeichnet wird, ist die Abgabe von Leistung, die das Produkt aus Spannung und Strom an die Last ist. Grundsätzlich ist ein Leistungsverstärker auch ein Spannungsverstärker mit dem Unterschied, dass der an den Ausgang angeschlossene Lastwiderstand relativ gering ist, z.B. ein Lautsprecher von 4Ω oder 8Ω, wodurch hohe Ströme durch den Kollektor des Transistors fließen. Aufgrund dieser hohen Lastströme müssen die Ausgangstransistoren, die für Endstufen wie den 2N3055 verwendet werden, höhere Spannungs- und Leistungseinstufungen aufweisen als allgemeine, die für kleine Signalverstärker wie den BC107 benutzt werden.
Da wir daran interessiert sind, maximale AC-Leistung an die Last zu liefern, während wir die minimal mögliche DC-Leistung aus dem Netzteil verbrauchen, geht es uns vor allem um den „Wandlungswirkungsgrad“ des Verstärkers. Einer der Hauptnachteile von Leistungsverstärkern und insbesondere von Class-A-Verstärkern ist jedoch, dass ihr Gesamtwirkungsgrad sehr gering ist, da große Ströme einen erheblichen Leistungsverlust in Form von Wärme bedeuten. Der prozentuale Wirkungsgrad von Verstärkern ist definiert als die in der Last abgeleitete effektive Ausgangsleistung geteilt durch die gesamte DC-Leistung, die der Versorgungsquelle entnommen wird, wie unten gezeigt.
Leistungsverstärker-Effizienz
Dabei ist:
η% – der Wirkungsgrad des Verstärkers.
Pout – die Ausgangsleistung des Verstärkers, die an die Last abgegeben wird.
Pdc – die dem Netz entnommene Gleichspannung.
Bei Leistungsverstärkern ist es sehr wichtig, dass das Netzteil des Verstärkers so ausgelegt ist, dass es die maximal verfügbare Dauerleistung für das Ausgangssignal liefert.
Klasse A Verstärker
Die am häufigsten verwendete Art der Endstufenkonfiguration ist der Class-A-Verstärker. Der Class-A-Verstärker ist die einfachste Form des Leistungsverstärkers, der einen einzigen Schalttransistor in der üblichen Emitter-Schaltungskonfiguration verwendet, um einen invertierten Ausgang zu erzeugen. Der Transistor ist immer so vorgespannt, dass er während eines kompletten Zyklus der Eingangssignal-Wellenform eine minimale Verzerrung und maximale Amplitude des Ausgangssignals erzeugt.
Das bedeutet, dass die Class-A-Verstärkerkonfiguration die ideale Betriebsart ist, da es auch während der negativen Zyklushälfte keine Frequenzweichen- oder Abschaltverzerrungen zur Ausgangswellenform geben kann. Endstufen der Klasse A können einen einzelnen Leistungstransistor oder Paare von Transistoren verwenden, die miteinander verbunden sind, um den hohen Laststrom zu teilen. Beachten Sie die untenstehende Class-A-Verstärkerschaltung.
Einstufige Verstärkerschaltung
Dies ist die einfachste Class-A-Leistungsverstärkerschaltung. Sie verwendet als Endstufe einen Eintakt-Transistor, wobei die ohmsche Last direkt an die Kollektor-Klemme angeschlossen ist. Wenn der Transistor „EIN“ schaltet, senkt er den Ausgangsstrom durch den Kollektor, was zu einem unvermeidlichen Spannungsabfall über den Emitterwiderstand führt und damit die negative Ausgangsleistung begrenzt. Der Wirkungsgrad dieser Schaltungsart ist sehr gering (weniger als 30%) und liefert kleine Leistungen für eine große Belastung der Gleichstromversorgung. Eine Verstärkerstufe der Klasse A führt den gleichen Laststrom, auch wenn kein Eingangssignal anliegt, so dass große Kühlkörper für die Ausgangstransistoren benötigt werden.
Eine weitere einfache Möglichkeit, die Strombelastbarkeit der Schaltung zu erhöhen und gleichzeitig eine größere Leistungssteigerung zu erzielen, besteht darin, den Eintakt-Transistor durch einen Darlington-Transistor zu ersetzen. Bei diesen Bauelementen handelt es sich im Wesentlichen um zwei Transistoren in einem Gehäuse, einen kleinen „Pilot“-Transistor und einen weiteren größeren „Schalt“-Transistor. Der große Vorteil dieser Geräte ist, dass die Eingangsimpedanz entsprechend groß und die Ausgangsimpedanz relativ gering ist, wodurch die Verlustleistung und damit die Wärme im Schaltgerät reduziert wird.
Darlington Transistor-Konfigurationen
Die Gesamtstromverstärkung Beta (β) oder der hfe-Wert eines Darlington-Bausteins ist das Produkt aus den beiden Einzelverstärkungen der Transistoren und sehr hohe β-Werte sowie hohe Kollektorströme sind im Vergleich zu einer einzelnen Transistorschaltung möglich.
Um die volle Leistungsfähigkeit des Class-A-Verstärkers zu verbessern, ist es möglich, die Schaltung mit einem Transformator zu entwerfen, der direkt in der Kollektorschaltung angeschlossen ist, für eine Schaltung, die als transformatorgekoppelter Verstärker bezeichnet wird. Der Transformator verbessert den Wirkungsgrad des Verstärkers, indem er die Impedanz der Last mit der des Ausgangsverstärkers über das Übersetzungsverhältnis ( n ) des Transformators abgleicht.
Transformatorgekoppelte Verstärkerschaltung
Wird der Kollektorstrom, Ic auf unter den durch die Basisvorspannung eingestellten Arbeits-Q-Punkt reduziert, bricht durch Schwankungen im Grundstrom der magnetische Fluss im Transformatorkern zusammen und verursacht eine induzierte EMK in den Primärwicklungen des Transformators. Dadurch steigt die momentane Kollektorspannung auf den doppelten Wert der Versorgungsspannung 2Vcc an, was einen maximalen Kollektorstrom von zweimal Ic ergibt, wenn die Kollektorspannung am Minimum ist. Der Wirkungsgrad dieser Art von Class-A-Verstärker-Konfiguration kann wie folgt berechnet werden.
Die Kollektorspannung ist:
Der Effektivstrom des Kollektors ist:
Die an die Last abgegebene Leistung (Pac) ist daher:
Die durchschnittliche Leistungsaufnahme aus dem Netz (Pdc) ist gegeben durch:
und somit ist der Wirkungsgrad eines transformatorgekoppelten Class-A-Verstärkers gegeben als:
Ein Ausgangstransformator verbessert den Wirkungsgrad des Verstärkers durch Anpassung der Impedanz der Last an die Ausgangsimpedanz des Verstärkers. Durch die Verwendung eines Ausgangs- oder Signalwandlers mit einem geeigneten Übersetzungsverhältnis sind Wirkungsgrade von bis zu 40% möglich, wobei die meisten handelsüblichen Class-A-Leistungsverstärker in dieser Konfiguration erhältlich sind. Der Transformator ist jedoch aufgrund seiner Wicklungen und seines Kerns ein induktives Bauelement, daher sollte der Einsatz von induktiven Bauelementen in Verstärkerschaltkreisen am besten vermieden werden, weil die erzeugten Rückspannungen den Transistor ohne ausreichenden Schutz beschädigen können.
Ein weiterer großer Nachteil dieser Art von transformatorgekoppelten Class-A-Verstärkerschaltungen sind die zusätzlichen Kosten und die Größe des erforderlichen Audio-Transformators. Die „Klasse“ oder Klassifizierung, die einem Verstärker gegeben wird, hängt tatsächlich vom Leitungswinkel ab, dem Teil des 360o Eingangswellenformzyklus, in dem der Transistor leitend ist. Im Class-A-Verstärker beträgt der Leitungswinkel volle 360 Grad oder 100% des Eingangssignals, während in anderen Verstärkerklassen der Transistor während eines geringeren Leitungswinkels leitet. Es ist möglich mehr Leistung und Effizienz als beim Class-A-Verstärker zu erreichen indem man zwei komplementären Transistoren in der Endstufe verwendet, wobei der eine Transistor ein NPN- oder N-Kanal-Typ, während der andere Transistor ein PNP- oder P-Kanal (das Komplement) ist, der in einer sogenannten „Push-Pull“-Konfiguration angeschlossen ist. Diese Art der Leistungsverstärker-Konfiguration wird allgemein als Class-B-Verstärker bezeichnet und ist eine weitere Art von Audioverstärker-Schaltung, auf die wir im nächsten Tutorial eingehen werden.