Transistorverstärker - Endstufen

Die Transistorendstufen werden in Klassen eingeteilt, die man einfach der Reihe nach mit den Anfangsbuchstaben des Alphabets bezeichnet hat. Sie unterscheiden sich vor allem im Arbeitspunkt der Endstufentransistoren.

Klasse-A-Endstufen

Den Klasse-A-Betrieb kennen wir schon vom Vorverstärker. Der Arbeitspunkt liegt etwa in der Mitte der Arbeitsgeraden. Um eine hohe Ausgangsleistung zu erhalten, geht man nahe an die Grenzwerte des Transistors. Dadurch treten die Nachteile dieser Betriebsart zutage. Im Leerlauf fließt ein nicht unerheblicher Ruhestrom. Die am Transistor auftretende Verlustleistung ist hier sogar am größten.

Klasse-A-Endstufe

Klasse-A-Arbeitspunkt

Wenn durch den Lautsprecher ständig ein Gleichstrom fließt, ist die Membran des Lautsprechers nicht mehr in ihrer Ruheposition. Dadurch ist sie nicht mehr gleichmäßig in beide Richtungen aussteuerbar und es kann zu Verzerrungen kommen. Die Elektronik des Klasse-A-Verstärkers erzeugt dagegen verhältnismäßig geringe nichtlineare Verzerrungen. Vorteilhaft ist auch der einfache Aufbau.



Klasse-B-Endstufen

Die Klasse-B-Endstufe soll die Nachteile beseitigen. Der Arbeitspunkt wird so gelegt, dass kein Ruhestrom fließt. Allerdings kann so der Transistor nur noch in eine Richtung ausgesteuert werden. Eine Halbwelle des Signals wird unterdrückt, da die Basis-Emitter-Diode dann gesperrt ist.

Klasse-B-Arbeitspunkt

Die Lösung ist, die zweite Halbwelle von einem zweiten Transistor verstärken zu lassen. Am einfachsten geht das durch Verwendung von komplementären Transistoren, die je nach Polarität der Eingangswechselspannung abwechselnd leitend werden.

Klasse-B-Endstufe

Das Oszillogramm stellt die beiden getrennten Halbwellen dar. Am Lautsprecher werden beide Halbwellen wieder vereint.

Klasse-B Halbwellen

In Ruhe liegt das Basis- und Emitterpotential der beiden Transistoren etwa bei der halben Betriebsspannung. Beide Endstufentransistoren sind gesperrt. Während der positiven Halbwelle steigt das Basispotential an und der obere npn-Transistor wird leitend. Durch den Lautsprecher fließt ein Ladestrom in den Ausgangskondensator. Bei der negativen Halbwelle leitet der pnp-Transistor und der Kondensator kann sich über den Lautsprecher wieder entladen. Damit bei langsamen Wechseln, also niedrigen Frequenzen, dem Kondensator nicht der Strom ausgeht, muss er ausreichend groß sein. Die Endstufentransistoren solcher Gegentaktendstufen müssen nach gleicher Stromverstärkung ausgesucht werden, damit die Symmetrie erhalten bleibt.

Klasse-B-Endstufe 1. HalbwelleKlasse-B-Endstufe 2. Halbwelle

Leider hat auch diese Betriebsart einen Nachteil. Die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren beginnen erst beim Überschreiten der Flussspannung der Dioden zu leiten, bei Siliziumtransistoren etwa 0,7V. Der untere Teil der Signalhalbwellen geht verloren. Das macht sich beim Zusammensetzen der Kurven bemerkbar, wie man schön an der gelben Kurve auf dem Oszillograf sehen kann. Es entstehen relativ große Übernahmeverzerrungen.

Klasse-B Übernahmeverzerrung

Klasse-AB-Endstufen

Diese Verzerrungen lassen sich vermeiden, wenn das Basispotential der Endstufentransistoren um den Betrag der Flussspannung angehoben wird. Dazu legt man zwei Halbleiterdioden in den Basisspannungsteiler. Die Basisspannung des oberen npn-Transistors liegt jetzt 0,7V oberhalb der halben Betriebsspannung und damit dem Emitterpotential, und beim pnp-Transistor 0,7V darunter.

Klasse-AB Endstufe

Beide sind also kurz davor leitend zu werden. Das überlagerte Eingangssignal öffnet die Transistoren jetzt sofort, wodurch die Übernahmeverzerrungen vermieden werden.

Klasse-AB Ausgangssignal

Da der Arbeitspunkt im Vergleich zum Klasse-B-Betrieb wieder etwas mehr an den A-Betrieb heranrückt, gab man dieser Betriebsart jetzt keinen neuen Buchstaben, sondern nennt solche Endstufen Klasse-AB-Verstärker.

Quasikomplementäre-Gegentaktendstufen

Anfangs standen kaum komplementäre Pärchen von Leistungstransistoren zur Verfügung. Es war einfacher Transistoren gleichen Leitungstyps zu produzieren. Einer solchen Gegentaktendstufe muss eine Phasenumkehrstufe vorgeschaltet werden, die dafür sorgt, dass jeder Endstufentransistor eine andere Halbwelle des Signals verstärkt. Eine Möglichkeit ist die Verwendung eines Übertragers mit zwei Sekundärwicklungen. Eleganter geht das über eine Transistorstufe bei der das Signal einmal am Kollektor und einmal am Emitter um 180° phasenverschoben zur Verfügung steht.

Phasenumkehrstufe

Eine andere Variante ist der Einsatz von zwei komplementären Vorstufentransistoren, die einfacher zu beschaffen sind. Man kann sie auch mit den Endstufentransistoren zu einem Darlingtontransistor kombinieren.

Quasikomplementär Darlington

Klasse-C-Endstufen

Für den NF-Bereich ungeeignet ist der Klasse-C-Verstärker. Haupteinsatzgebiet sind HF-Senderendstufen. Der Transistor bekommt keine Basisvorspannung, wodurch nur eine Halbwelle des Signals und auch die nur unvollständig verstärkt wird. Durch die nichtlineare Kennlinie der Basis-Emitter-Diode entstehen viele Oberwellen. Der hohe Wirkungsgrad wird hier mit sehr starken Verzerrungen erkauft.

Klasse-C-Endstufe

Erst der Schwingkreis am Ausgang formt aus den "Impulsen" wieder eine vollständige Sinusschwingung und unterdrückt die Oberwellen. Klasse-C-Verstärker eignen sich deshalb nur zur Verstärkung einzelner Frequenzen oder schmaler Frequenzbänder.

Klasse-D-Endstufen

Am effektivsten arbeiten Verstärker im Schalterbetrieb. Über den Endtransistoren entsteht nur wenig Verlustleistung, da im gesperrten Zustand der Strom durch den Transistor fast 0 ist und im durchgeschalteten Zustand ist die Spannung über ihm sehr gering.

Klasse-D-Arbeitspunkte

Im Klasse-D-Verstärker wird das Signal darum in eine pulsweitenmodulierte Rechteckschwingung umgewandelt. Fälschlicherweise wird der D-Verstärker auch Digitalverstärker genannt, aber das D war einfach nur der nächste Buchstabe im Alphabet. Auch wenn die Endstufentransistoren nur zwischen zwei Zuständen umschalten, ist der Klasse-D-Verstärker doch ein Analogverstärker, weil sich die Pulsweite stufenlos mit dem Signal ändert.

Klasse-D-Blockschaltbild

Ein Generator erzeugt eine Dreieckschwingung mit einer Frequenz weit oberhalb der höchsten zu verstärkenden Frequenz. Sein Signal wird mit dem Eingangssignal des Verstärkers in einem Komparator verglichen. Immer wenn die Amplitude des Eingangssignals die Amplitude des Generatorsignals über- oder unterschreitet, schaltet der Ausgang des Komparators um. Die untere Abbildung macht das Prinzip sichtbar.

Klasse-D-PWM Erzeugung

Die Pulsweite ändert sich mit der Eingangsamplitude. Wie schnell sich die Pulsweite ändert, hängt von der Eingangsfrequenz ab.

Klasse-D-PWM Signal

Am Ausgang des D-Verstärkers wird die überlagerte Hochfrequenz mit einem Tiefpass wieder ausgefiltert und so das originale analoge Eingangssignal wiedergewonnen. Das gelingt am besten, wenn die Frequenzen von Generator- und Eingangssignal möglichst weit auseinander liegen.

Klasse-D-Endstufe

Im dargestellten Oszillogramm war das Verhältnis nur 1:10, weshalb ein einfacher Tiefpass die Generatorfrequenz nicht ausreichend unterdrücken kann und das Ausgangssignal erscheint noch verzerrt.

Klasse-D-Ausgangssignal



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