Leistungsverstärker

1. ANFORDERUNGEN

Während die Aufgabe des Vorverstärkers darin besteht, eine möglichst große Spannungsverstärkung zu erzielen, braucht der Leistungsverstärker in der Regel die Spannung nicht zu erhöhen. Er muß dafür sorgen, daß das Signal mit großer Leistung an den Verbraucher geliefert wird, d.h., das Produkt aus Signalspannung und -strom muß im Verbraucherwiderstand besonders groß sein.

Die Endstufen arbeiten immer als Großsignalverstärker und verursachen leicht Signalverzerrungen, welche durch Gegenkopplung über den Leistungsverstärker klein gehalten werden können.

Forderungen an eine Endstufe:

niedriger Ausgangswiderstand und hoher Eingangswiderstand

hohe Ausgangsspannung und/oder hoher Ausgangsstrom

hoher Wirkungsgrad

Kurzschlußfestigkeit

Besondere Beachtung verdient die Verlustleistung der stark beanspruchten Endstufen. Sie führt zu Erwärmung und kann so das Bauteil zerstören. Hochleistungsverstärker dürfen deshalb nur in Schaltungen verwendet werden, die eine hohen Wirkungsgrad haben.

(Gleichung 1)

Der Wirkungsgrad kann im Idealfall 1 oder 100% betragen. Je kleiner er ist, um so mehr elektrische Energie geht in der Schaltung als Wärme verloren. Gute Leistungsverstärker erreichen in der Endstufe einen Wirkungsgrad von ca. 70%. Ebenso soll der Leistungsverstärker die in der Wechselspannung enthaltenen positiven und negativen Spannungsanteile gleichermaßen verstärken.

2. GRUNDLAGEN

Haupteigenschaften der drei Transistor-Grundschaltungen:

Tabelle 1:

Leistungsstufen sind daher häufig als Kollektorschaltung ausgeführt (V_I=B;V_U=1). Sie erlauben damit auch eine Anpassung des meist niederohmigen Lastwiderstandes an den oft hochohmigen Ausgang der Spannungsverstärkerstufe. Um diese Anpassung zu unterstützen, den Eingangswiderstand der Leistungsstufe möglichst hoch zu machen, wird in den Endstufen häufig die Darlingtonschaltung verwendet.

Schaltungen mit nur einem Transistor im Ausgangskreis können Strom entweder nur in die Last hinein liefern oder aus der Last aufnehmen. Für Signale beider Polaritäten am Ausgang benötigt man somit einen großen Ruhestrom. Diesen Nachteil vermeiden Schaltungen mit einem Transistor für jede Polarität , sogenannte Gegentaktschaltungen.

3. BETRIEBSARTEN

Je nach Lage des Arbeitspunktes unterscheidet man zwischen A-, AB-, B- und C-Verstärkern.

Tabelle 2:

A-Verstärker:

Beide Polaritäten eines Eingangssignals werden in einem Transistor nahezu linear verstärkt. Der Kollektorruhestrom muß größer gleich der maximalen Amplitude des Ausgangssignalstromes sein. Ein Wirkungsgrad von höchstens 25 % kann erreicht werden.

AB- und B-Verstärker:

Arbeitspunkt liegt nahe dem Sperrbereich bzw. Bei U_BE = 0. Für jede Polarität des Signals ist ein eigener Transistor erforderlich. Wirkungsgrade bis 78 % werden erreicht.

C-Verstärker:

Arbeitspunkt weit im Sperrbereich. Ausgangsstrom stark verzerrt. Einsatz in Senderendstufen. Unerwünschte nichtlineare Verzerrungen im Ausgangsstrom werden ausgesiebt.

Bild 1

3.1. Arbeitspunkteinstllung

Je nach Betriebsart muß gewünschter Arbeitspunkt eingestellt und stabilisiert werden.

Ein Emitterwiderstand erweist sich bei Endstufen wegen der zusätzlichen Verlustleistung als ungünstig.

Bei einem Arbeitspunkt in der Nähe der Leistungshyperbel erreicht man im allgemeinen einen großen Aussteuerbereich.

Thermische Probleme müssen beachtet werden: P_vmax, I_cmax und U_CEmax dürfen nicht überschritten werden.

3.2. Schaltungsstruktur

Man unterscheidet Eintaktstufen und Gegentaktstufen.

Endstufen

Eintaktstufen Gegentaktstufen (A-, AB-Verstärker)

Parallelspeisung Serienspeisung

beider Transistoren beider Transistoren

Transistoren vom gleichen Komplementärtransistoren

Leitungstyps

4. EINTAKTENDSTUFEN

Die Last kann direkt in den Emitter- oder Kollektorkreis des Leistungstransistors geschaltet oder über einen Transformator an die Endstufe gekoppelt sein. Transformatorische Ankopplung bringt neben den Vorteil der galvanischen Trennung auch einen beinahe doppelt so hohen Wirkungsgrad.

4.1. Emitterfolger mit ohmscher Last

Im A-Betrieb muß ein relativ großer Ruhestrom I_C fließen, da ja beide Signalpolaritäten verstärkt werden sollen.

Bild 2

4.1.1. Ausgangsleistung:

Für ein möglichst großes Ausgangssignal legt man den Arbeitspunkt in die Mitte der Widerstandsgeraden, so daß gilt:

(Gleichung 2)

(Gleichung 3)

Für einen ohmschen Lastwiderstand erhält man als maximale Ausgangsleistung:

(Gleichung 4)

4.1.2. Wirkungsgrad:

Die von den Spannungsquellen abgegebene Leistung beträgt: (Gleichung 5)

Mit der maximalen Ausgangsleistung aus Gleichung 4 erhält man den maximalen Wirkungsgrad:

(Gleichung 6)

Die im Transistor auftretende Verlustleitung läßt sich leicht aus der Differenz von P_ges und der im Lastwiderstand aufgenommenen Leistung berechnen:

(Gleichung 7)

Die Verluste im Transistor sinken mit wachsender Aussteuerung.

Beispiel:

Berechne zu nebenstehender Schaltung die maximale Ausgangssignalleistung in R_L wenn im Ruhezustand das Emitterpotential 0 V beträgt und V_CC > V_EE .

Maximale Leistung in R_L bei Vollaussteuerung: (Gleichung 8)

Die Ausgangsamplitude wird im negativen Aussteuerbereich begrenzt durch:

(Gleichung 9)

Setzt man Gleichung 9 in Gleichung 8 ein, erhält man: (Gleichung 10)

Für vorgegebenes R_L muß R_E gewählt werden. Kleine Werte von R_E vergrößern den negativen Aussteuerbereich, allerdings wächst damit auch der Ruhestrom.

Ist R_L frei wählbar, erhält man die maximale Ausgangssignalleistung durch dP_{a max}/dR_L = 0. Unter Verwendung der Quotientenregel: ergibt sich: R_L = R_E

Mit diesem optimalen Lastwiderstand erhält man: .

Da sich jetzt der Strom auf R_E und R_L gleichmäßig aufteilt, wird der Wirkungsgrad nochmals halbiert:  = 12,5 %

4.2. Parallelschaltung von Transistoren:

Bild 2:Bei der Parallelschaltung von Bipolartransistoren wird eine gleichmäßige Aufteilung des Laststromes durch die Emitterwiderstände erreicht

In Leistungsstufen treten häufig hohe Verlustleistungen an den Transistoren auf. Wenn zur Aufnahme dieser Verlustleistung ein Einzeltransistor nicht ausreicht, schaltet man mehrere Transistoren parallel. Um eine gleichmäßige Aufteilung des Laststromes I_L in die beiden Teilströme I_C1 und I_C2 (und damit eine gleichmäßige Verteilung der Verlustleistung auf beide Transistoren) zu erreichen, sind die Widerstände R_E erforderlich.

Wegen der unvermeidlichen Exemplarstreuungen ( auch bei gepaart ausgesuchten Transistoren) besonders der Basis-Emitter-Spannung U_BE und der Stromverstärkung B wird ohne die Emitterwiderstände der Transistor mit der größeren Stromverstärkung und dem größeren Basisstrom (bei gleicher Spannung U_BE) einen größeren Strom I_C übernehmen. Dadurch wird er wärmer als der andere Transistor, wodurch der Basisstrom I_B infolge des negativen Temperaturkoeffizienten der Schwellspannung und die Stromverstärkung B noch weiter steigen. Damit wird die Stromverteilung noch ungünstiger, was schließlich zur Zerstörung beider Transistoren durch Überlastung führen kann.

Durch die Gegenkopplungswirkung der Emitterwiderstände wird eine gleichmäßige Stromaufteilung I_C1 I_C2 erzwungen. Die Widerstände R_E sind so zu dimensionieren, daß die Exemplarstreuung

DU_BE = U_BE1 - U_BE2

klein ist gegen die Spannung U_B. Diese Schaltung ist beim Parallelschalten von Bipolartransistoren (auch bei Darlingtontransistoren) immer anzuwenden - gleichgültig, ob der Lastwiderstand R_L in der gemeinsamen Kollektor- oder der gemeinsamen Emitterleitung liegt.

5. GEGENTAKTVERSTARKER

Gegentaktverstärker arbeiten im B- oder AB-Betrieb. Wegen der geringen Ruheströme (I_co=0 im B-Betrieb oder sehr kleiner Ruhestrom im AB-Betrieb, siehe Bild 3). ist die Ruheverlustleistung ( ohne Ansteuerung) daher sehr klein. Damit bleibt der Wirkungsgrad auch bei kleinen Signalleistungen groß im Vergleich zu Verstärkern im A-Betrieb. Die aufgenommene Gleichstromleistung ist hierbei abhängig von der Signalleistung, das heißt, sie wächst mit der Aussteuerung.

Für jede Polarität des Signals ist ein eigener Leistungstransistor vorhanden, man erreicht damit auch große Ausangssignalleistung.

5.1. Komplementärendstufe

Sie erweist sich als die beste schaltungstechnische Lösung für die Realisierung einer Gegentaktendstufe. Man benötigt dafür NPN- und PNP-Transistoren.

Bild 3:

In Bild 3 wirken die beiden Transistoren als Emitterfolger. Sie sollten möglichst komplementärsymmetrische Kennlinien aufweisen.

Die Emitterströme der beiden Transistoren fließen abwechselnd und in entgegengesetzter Richtung durch die Last.

Der Strom durch die Dioden D₁ und D₂ bewirkt eine Anhebung (Absenkung) des Basispotentials der Transistoren, wodurch die Endstufe im AB-Betrieb arbeitet. Die sogenannten 'Übernahmeverzerrungen' werden dadurch weitgehend vermieden.

Sie entstehen im reinen B-Betrieb dadurch, daß erst die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren überschritten werden muß, ehe ein Strom durch die Last fließen kann.

Diese Pegelverschiebung kann auch durch zwei komplementäre Emitterfolger erreicht werden (Bild 4). Man erhält dadurch den zusätzlichen Vorteil eines hohen Eingangswiderstandes.

Bild 4:

Der Aussteuerbereich der Schaltung in Bild 3 ist näherungsweise +/- U_CC/2.

Die gegebene Schaltung ist nicht kurzschlußfest, R_L darf daher nicht zu klein sein, weil das die Transistoren T₁ und T₂ überlasten würde.

Die beiden Stromquellen in Bild 3 und 4 müssen bei Aussteuerung den Basisstrom für T₁ und T₂ liefern. Der Maximalwert beträgt: . Haben die beiden Transistoren die gleiche Stromverstärkung gilt:

I₀₁ = I₀₂ > I_b.

Ohne Aussteuerung bewirkt dieser Strom einen Spannungsabfall von 0,6 V - 0,7 V an jeder Diode und liefert somit die zur Vermeidung der Übernahmeverzerrungen benötigte Pegelverschiebung an den Eingängen von T₁ und T₂.

Der Emitterruhestrom der beiden Endtransistoren wird meist wesentlich kleiner gewählt als I₀₁ bzw. I₀₂ , dazu müssen auch die Basis-Emitter-Spannungen kleiner sein als die Spannungsabfälle an den Dioden. Das wird durch die Emitterwiderstände R_E1 und R_E2 erreicht. Sie werden so gewählt, daß an ihnen ohne Aussteuerung eine Spannung von 0,1 V abfällt. Diese stromgesteuerte Spannungsgegenkopplung wirkt auch stabilisierend auf den Arbeitspunkt aus.

Häufig werden parallel zu diesen Widerständen, wie in Bild 4 Dioden geschaltet, wodurch bei großer Aussteuerung der Spannungsabfall an den Widerständen nicht zu groß wird.

5.1.1. Ausgangsleistung

Zur Berechnung der Betriebsgrößen Spannungsverstärkung v_u, Stromverstärkung v_i, des Eingangswiderstandes z_e und des Ausgangswiderstandes z_a für die Schaltungen in Bild 3 und 4 können diese wie ein gewöhnlicher Emitterfolger betrachtet werden, da ja für jede Signalpolarität ein eigener Emitterfolger gleicher Eigenschaft existiert.

Spannungsverstärkung v_u: sie beträgt zwischen den Klemmen 1 und 2 bekanntlich: v_u 1

Stromverstärkung v_i: v_i 

Eingangswiderstand z_e: z_e = r_be + (R_E + R_L)  R_L

Ausgangswiderstand z_a: z_a = R_E + (r_be + R_G) /  R_G / 

Ausgangssignalleistung P_a: Gleichung 8

Da für jede Signalhälfte der jeweilige Transistor von U_CERest bis zur Versorgungsspannung ausgesteuert werden kann, ergibt sich eine maximale Ausgangsspannungsamplitude von

Setzt man in Gleichung 8 ein, erhält man:

Gleichung 9

Mit Gleichung 8 und 9 ergibt sich: Gleichung 10

Die Grenzen für die Ausgangsleistung sind gegeben durch: maximal zulässigen Kollektorstrom

maximal zulässige Kollektor-Emitterspannung

Maximal zulässige Verlustleistung der Transistoren.

Ist eine bestimmte Leistung gefordert so gilt: Je kleiner R_L, desto größer der notwendige Strom durch T₁, T₂

Je größer R_L desto größer die notwendige Spannung U_CE. (Glg. 8)

Ist hingegen ein bestimmter Lastwiderstand vorgegeben, so sieht man aus Gleichung 9, daß:

die Ausgangssignalleistung quadratisch mit der Betriebsspannung steigt; ist dazu auch der maximale Strom I_cmax vorgegeben, so steigt sie linear mit der Betriebsspannung.

5.1.2. Wirkungsgrad

Da laut Schaltung in Bild 3 die positive und die negative Versorgungsspannung U_CC/2 bzw. -U_CC/2 betragen und eine Quelle nur jeweils für eine halbe Periode Strom liefern muß, gilt:

Gleichung 11

Für den Wirkungsgrad erhält man damit und mit Gleichung 8:

Gleichung 12

Wie man aus gleichung 12 deutlich erkennt, führt eine unnötig große Betriebsspannung zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades.

Da die maximale Ausgangsspannungsamplitude ca. U_CC/2 beträgt (Restspannung vernachlässigt) ergibt sich für die maximale Gleichstromleistung:

Gleichung 13

und weiters für den maximalen Wirkungsgrad:

Gleichung 14

Tatsächlich erreicht man in praktischen Schaltungen nur Wirkungsgrade zwischen 60 und 65%.

Bei NF-Verstärkern hat man durchschnittlich nur einen Wirkungsgrad von 15 -20%, weil nur selten Vollaussteuerung auftritt.

Die Verlustleistung in beiden Transistoren zusammen erhält man wie früher aus der Differenz der Gleichstromleistung und der an die Last abgegebenen Leistung:

P_vges = P₌ - P_a.

Mit aus Gleichung 8 errechnet man:

Gleichung 15

Möchte man berechnen, bei welcher Ausgangsleistung die maximalen Verluste in den Transistoren auftreten, so muß man die Ableitung von P_vges nach P_a Null setzen:

Gleichung 16

Vergleicht man diesen Wert mit der maximalen Ausgangsleistung:

  Gleichung 17

so sieht man, daß ungfähr bei der Hälfte der maximalen Ausgangsleistung die Endstufentransistoren am stärksten belastet werden.

Den Maximalwert erhält man durch Einsetzen von Gleichung 16 in Gleichung 15 zu:

Gleichung 17

5.2. Quasikomplementärendstufe

Für große Ausgangsleistungen ist es schwierig, komplementäre Paare von Transistoren herzustellen, weshalb man häufig die Schaltung für die Komplementärendstufe so modifiziert, daß Endstufentransistoren gleichen Leitungstyps verwendet werden können. Es wird dazu eine als 'npn-Ersatztransitor' und eine als 'pnp-Ersatztransistor' wirkende Darlingtonschaltung nach Bild 5 verwendet.

Für die obere Darlingtonschaltung in Bild 5 ist leicht einzusehen, daß sich die Schaltung wie ein einziger npn-Transistor behandeln läßt.

Für die untere Schaltung des Ersatztransistors überlegt man sich mit Hilfe des Kleinsignalersatzschaltbildes nach Bild 6, daß der Kollektor von T₂ wie dem Emitter des pnp-Ersatztransistor entspricht.

Zu beachten ist, daß der pnp-Ersatztransistor nur eine Basis-Emitter-Spannung von 0,5V - 0,7V benötigt, während der npn-Ersatztransistor 2 mal eine Basis-Emitter-Spannung, also 1V - 1,4V benötigt, um leitend zu werden.

Die Widerstände R' werden benötigt um den Ruhestrom der Treibertransistorn T₄ und T₃ etwas zu erhöhen, was ein besseres Kleinsignalverhalten bewirkt.

Bild 6

Bild 5

5.3. Ausgangsstrombegrenzung

Die Endtransistoren bei der Grunddschaltung einer Komplementärendstufe können bei zu kleinen Lastwiderständen bzw. Bei Kurzschluß überlastet werden. Mit zwei zusätzlichen Transistoren wie in Schaltung Bild 7 kann dies vermieden werden.

Die Widerstände R_E müssen so dimensioniert werden, daß bei Ausgangsströmen oberhalb des üblichen Arbeitsbereiches, an ihnen eine Spannung abfällt, die die Transistoren R₃ und R₄ aufsteuert und dadurch die Basis-Emitter-Spannungen der Endtransistoren soweit verringert werden, daß diese keinen Schaden erleiden.

Im normalen Betriebsbereich beeinflußt diese Art der Strombegrenzung die Arbeitsweisen der Schaltung nicht.

Bild 7