Verstärker der Klasse-B
Klasse-B Verstärker verwenden zwei oder mehr Transistoren, die so vorgespannt sind, dass jeder Transistor nur während eines halben Zyklus der Eingangswellenform leitend ist
Um die volle Leistungseffizienz des vorherigen Klasse-A-Verstärkers durch Reduzierung der Verlustleistung in Form von Wärme zu verbessern, ist es möglich, die Endstufenschaltung mit zwei Transistoren in der Endstufe so zu gestalten, dass ein so genannter Klasse-B-Verstärker entsteht, was auch als Push-Pull-Verstärkerkonfiguration (Gegentaktverstärker-Konfiguration) bezeichnet wird.
Gegentaktverstärker verwenden zwei „komplementäre“ oder angepasste Transistoren, von denen einer ein NPN- und der andere ein PNP-Typ ist, wobei beide Leistungstransistoren zusammen das gleiche Eingangssignal in gleicher Größe, aber in entgegengesetzter Phase empfangen. Dies führt dazu, dass ein Transistor nur die eine Hälfte oder 180o des Eingangswellenformzyklus verstärkt, während der andere Transistor die andere Hälfte oder die restlichen 180o des Eingangswellenformzyklus verstärkt und die resultierenden „beiden Hälften“ an der Ausgangsklemme wieder zusammengesetzt werden.
Also beträgt der Leitungswinkel für diese Art von Verstärkerschaltung nur 180o oder 50% des Eingangssignals. Diese Schiebe- und Zugwirkung der abwechselnden Halbzyklen durch die Transistoren gibt dieser Schaltungsart ihren amüsanten Namen „Push-Pull“, wird aber allgemein als Class-B-Verstärker bezeichnet, wie unten gezeigt.
Klasse B Push-Pull-Transformator-Verstärkerschaltung
Die obige Schaltung zeigt eine Standardverstärkerschaltung der Klasse B, die einen symmetrischen, mittig angezapften Eingangstransformator verwendet, der das ankommende Signal in zwei gleiche Hälften aufteilt, die um 180o phasenverschoben sind. Ein weiterer mittig angezapfter Transformator am Ausgang wird verwendet, um die beiden Signale zu rekombinieren, die eine erhöhte Leistung an die Last liefern. Die Transistoren, die für diese Art von Transformator-Gegentakt-Verstärkerschaltung verwendet werden, sind beides NPN-Transistoren, deren Emitteranschlüsse miteinander verbunden sind.
Hier wird der Laststrom zwischen den beiden Leistungstransistoren aufgeteilt, der in dem einen Transistor ab- und in dem anderen während des Signalzyklus zunimmt, wodurch Ausgangsspannung und Strom auf Null reduziert werden. Das Ergebnis ist, dass beide Hälften der Ausgangswellenform nun von Null auf das Doppelte des Ruhestroms schwingen, wodurch die Verlustleistung reduziert wird. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Verstärkers auf ca. 70% nahezu verdoppelt.
Unter der Annahme, dass kein Eingangssignal anliegt, führt jeder Transistor den normalen Ruhestrom des Kollektors, dessen Wert durch die Basisvorspannung am Cut-Off-Punkt bestimmt wird. Wenn der Transformator genau mittig angezapft wird, fließen die beiden Kollektorströme in entgegengesetzte Richtungen (Idealzustand) und es kommt zu keiner Magnetisierung des Transformatorkerns, wodurch die Möglichkeit von Verzerrungen minimiert wird.
Wenn ein Eingangssignal an der Sekundärseite des Treibertransformators T1 anliegt, sind die Transistor-Basis-Eingänge wie gezeigt „gegenphasig“ zueinander, d.h. wenn die TR1-Basis den Transistor positiv antreibt, erhöht sich sein Kollektorstrom, während gleichzeitig der Basisstrom von TR1 weiter negativ wird und der Kollektorstrom dieses Transistors um den gleichen Betrag abnimmt und umgekehrt. Daher werden negative Hälften durch einen Transistor und positive Hälften durch den anderen Transistor verstärkt, wodurch dieser Gegentakt-Effekt entsteht.
Im Gegensatz zur DC-Bedingung sind diese Wechselströme ADDITIV, was dazu führt, dass die beiden Ausgangshalbzyklen kombiniert werden, um die Sinuswelle in der Primärwicklung des Ausgangstransformators zu reformieren, die über der Last auftritt.
Klasse B Verstärkerbetrieb hat keine DC-Vorspannung, da die Transistoren am Cut-off vorgespannt sind, so dass jeder Transistor nur dann leitet, wenn das Eingangssignal größer als die Basis-Emitterspannung ist. Bei einem Null-Eingang gibt es also keinen Ausgang und es wird keine Energie verbraucht. Dies bedeutet, dass der tatsächliche Q-Punkt eines Klasse-B-Verstärkers auf dem Vce-Teil der Lastleitung liegt, wie unten gezeigt.
Klasse B Ausgangskennlinien
Der Verstärker der Klasse B hat den großen Vorteil, dass im Ruhezustand (d.h. ohne Eingangssignal) kein Strom durch die Transistoren fließt, also keine Leistung in den Ausgangstransistoren oder Transformatoren abgeführt wird, wenn kein Signal vorhanden ist, im Gegensatz zu Class-A-Verstärkerstufen, die eine signifikante Basisvorspannung benötigen, wodurch viel Wärme abgeführt wird – auch wenn kein Eingangssignal vorhanden ist.
Der gesamte Umwandlungswirkungsgrad ( η ) des Verstärkers ist also größer als der der äquivalenten Klasse A mit Wirkungsgraden von bis zu 70%, so dass nahezu alle modernen Gegentaktverstärker in dieser Klasse B betrieben werden.
Transformatorloser Klasse B Gegentaktverstärker
Einer der Hauptnachteile der obigen Klasse-B-Verstärkerschaltung ist, dass sie symmetrische Transformatoren mit Mittenabgriff verwendet, was den Bau teuer macht. Es gibt jedoch einen anderen Typ von Klasse-B-Verstärker, den komplementär symmetrischer Klasse-B-Verstärker, der keine Transformatoren in seinem Design verwendet, daher ist er transformatorlos und verwendet stattdessen komplementäre oder passende Paare von Leistungstransistoren.
Da keine Transformatoren benötigt werden, ist die Verstärkerschaltung bei gleicher Ausgangsleistung wesentlich kleiner, auch gibt es keine magnetischen Streueffekte oder Transformatorverzerrungen, die die Qualität des Ausgangssignals beeinflussen. Ein Beispiel für eine „transformatorlose“ Class-B-Verstärkerschaltung ist unten aufgeführt.
Transformatorlose Klasse B Endstufe
Die obige Klasse-B-Verstärkerschaltung verwendet für jede Hälfte der Wellenform komplementäre Transistoren und während Klasse-B-Verstärker eine viel höhere Verstärkung als die Klasse-A-Typen haben, ist einer der Hauptnachteile von Klasse-B-Push-Pull-Verstärkern, dass sie unter einem Effekt leiden, der allgemein als Crossover-Verzerrung (Übernahmeverzerrung) bekannt ist.
Hoffentlich erinnern wir uns aus unseren Tutorials über Transistoren, dass es ungefähr 0,7 Volt (gemessen von der Basis bis zum Emitter) braucht, um einen Bipolartransistor zum Leiten zu bringen. In einem reinen Klasse-B-Verstärker sind die Ausgangstransistoren nicht „vorgespannt“ auf einen „EIN“ Betriebszustand.
Dies bedeutet, dass der Teil der Ausgangswellenform, der unter dieses 0,7-Volt-Fenster fällt, nicht genau wiedergegeben wird, da beim Übergang zwischen den beiden Transistoren (wenn sie von einem Transistor zum anderen umschalten), die Transistoren nicht genau am Nulldurchgangspunkt stoppen oder zu leiten anfangen, selbst wenn sie speziell angepasste Paare sind.
Die Ausgangstransistoren für jede Hälfte der Wellenform (positiv und negativ) haben jeweils einen Bereich von 0,7 Volt, in dem sie nichtleitend sind. Das Ergebnis ist, dass beide Transistoren genau zur gleichen Zeit „AUS“ geschaltet werden.
Eine einfache Möglichkeit zur Beseitigung von Crossover-Verzerrungen in einem Class-B-Verstärker besteht darin, zwei kleine Spannungsquellen zur Schaltung hinzuzufügen, um beide Transistoren an einem Punkt etwas oberhalb ihres Cut-Off-Punktes vorzuspannen. Dies würde uns dann eine so genannte Class-AB-Verstärker Schaltung geben. Es ist jedoch unpraktisch, der Verstärkerschaltung zusätzliche Spannungsquellen hinzuzufügen, so dass PN-Anschlüsse verwendet werden, um die zusätzliche Vorspannung in Form von Siliziumdioden bereitzustellen.
Der Class AB Verstärker
Wir wissen, dass die Basis-Emitter-Spannung größer als 0,7 V sein muss, damit ein Silizium-Bipolartransistor zu leiten beginnt. Wenn wir also die beiden Spannungsteiler-Vorspannwiderstände, die an die Basisanschlüsse der Transistoren angeschlossen sind, durch zwei Silizium-Dioden ersetzen würden, wäre die an die Transistoren angelegte Vorspannung jetzt gleich dem Durchlassspannungsabfall der Diode. Diese beiden Dioden werden allgemein als Vorspannungsdioden oder Kompensationsdioden bezeichnet und sind so gewählt, dass sie den Eigenschaften der passenden Transistoren entsprechen. Die Schaltung unten zeigt die Diodenvorspannung.
Klasse AB Verstärker
Die Klasse-AB-Verstärkerschaltung ist ein Kompromiss zwischen der Klasse-A- und der Klasse-B-Konfiguration. Wegen der sehr kleinen Diodenvorspannung leiten beide Transistoren auch ohne Eingangssignal leicht. Das Eingangssignal bewirkt, dass die Transistoren in ihrem aktiven Bereich wie gewohnt arbeiten, wodurch jegliche Crossover-Verzerrung in reinen Klasse-B-Verstärkerkonstruktionen eliminiert wird.
Ein kleiner Kollektorstrom fließt, wenn kein Eingangssignal anliegt, ist aber wesentlich geringer als bei der Class-A-Verstärkerkonfiguration. Das bedeutet, dass der Transistor für mehr als einen halben Zyklus der Wellenform „EIN“ ist, aber weniger als ein voller Zyklus, was einen Leitungswinkel von 180o bis 360o oder 50% bis 100% des Eingangssignals ergibt, abhängig von der zusätzlich verwendeten Vorspannung. Die am Basisanschluss des Transistors anliegende Diodenvorspannung kann durch Hinzufügen zusätzlicher Dioden in Reihe um ein Vielfaches erhöht werden.
Verstärker der Klasse B werden denen der Klasse A bei Hochleistungsanwendungen wie z.B. Audio-Endstufen und PA-Systeme stark vorgezogen. Wie bei der Class-A-Verstärkerschaltung besteht eine Möglichkeit, die Stromverstärkung (Ai) eines Class-B-Push-Pull-Verstärkers deutlich zu erhöhen, in dem in seiner Ausgangsschaltung Darlington-Transistorenpaare anstelle einzelner Transistoren verwendet werden.