Class-A Transistor Eintaktverstärker

Die Ausgangsstufe einer Verstärkerschaltung ist sehr oft eine Leistungsstufe. So stellt zum Beispiel eine Audioendstufe dem angeschlossenen Lautsprecher ausreichend Leistung zur Raumbeschallung zur Verfügung. Transistorschaltungen verstärken sowohl Spannungen als auch Ströme, deren Produkt die Leistung ist. In diesem Kapitel wird das Prinzip des Eintaktverstärkers als Class-A Verstärker in den Varianten Class-A Verstärker mit Ausgangsübertrager und Class-A Verstärker in Kollektorschaltung beschrieben.

Transistoren in der Emittergrundschaltung eignen sich zur Spannungs- und Stromverstärkung. In der Kollektorgrundschaltung verfügen sie nur über eine Stromverstärkung. in diesem Webprojekt sind die Eigenschaften mit diversen Rechenbeispielen zum Kleinleistungsverstärker in Emitterschaltung ausführlich beschrieben. Ein Verstärker für höhere Ausgangsleistungen besteht aus mehreren Verstärkergruppen. Die Eingangsstufen mit einem oder mehreren Vorverstärkern sind auf Spannungsverstärkung ausgelegt. In Audioverstärkern findet hier die Klangbeeinflussung durch einfache Hoch- und Tiefpassfilter oder eines Equalizers statt. Da bipolare Transistoren eine Steuerleistung zur Ansteuerung der Basis-Emitterstrecke benötigen, folgt eine Treiberstufe. Sie gibt ein in der Spannung verstärktes Signal an die Endstufe weiter, die auf Stromverstärkung optimiert ist.

Im Schaltungsprinzip des Eintaktverstärkers wird das Eingangssignal nur mit einer Verstärkerstufe, hier einem bipolaren Transistor verstärkt. Er benötigt einen Gleichspannungs-Arbeitspunkt, der zur Großsignalverstärkung fast mittig auf der Ausgangskennlinie liegt. Die Arbeitsgerade ist so zu berechnen, dass die Verlustleistung des Transistors, gegeben durch seine Verlustleistungshyperbel, nicht überschritten wird. Der Arbeitswiderstand wird so berechnet, dass bei gegebener Betriebsspannung nie mehr als der im Datenblatt angegebene maximale Kollektorstrom nicht fließen kann. Die maximale Betriebsspannung sollte nur halb so groß sein, wie die vom Hersteller angegebene Durchbruchspannung der Transistorstrecke zwischen Kollektor und Emitter. Der interne Link gibt weitere Informationen zu den wichtigsten Transistorgrenzwerten.

Eine Transistorendstufe arbeitet als Großsignalverstärker. Dabei verursacht die nicht lineare Steuerkennlinie Signalverzerrung, die als Klirrfaktor gemessen werden können. Durch geeignete Schaltungserweiterungen lassen sich die Verzerrungen minimieren.

Das Bild zeigt das Ausgangskennlinienfeld eines Transistors im A-Betrieb. Das hier zu beschreibende Arbeitsprinzip des Class-A Verstärkers ist von der absoluten Größe des Kollektorstroms unabhängig. Erfolgt die maximale Aussteuerung so, wie sie für den Idealfall eingezeichnet ist, vereinfacht sich die Leistungsbetrachtung auf die dargestellten Gleichungen. Für die maximale DC-Verlustleistung im Arbeitspunkt gilt: \[{P_{tot}} = \frac{U}{2} \cdot \frac{{{I_{C\,\max }}}}{2} = \frac{{U \cdot {I_{C\,\max }}}}{4}\] Für die maximale Wechselstrom Nutzleistung im Arbeitspunkt gilt: \[P = \frac{{\Delta {U_{CE}}}}{{2\,\sqrt 2 }} \cdot \frac{{\Delta {I_C}}}{{2\,\sqrt 2 }} = \frac{{\Delta {U_{CE}} \cdot \Delta {I_C}}}{8}\] Für die Maximalaussteuerung gilt mit: \[\Delta {U_{CE}} \approx U\quad \quad \Delta {I_C} = {I_{C\,\max }}\] \[P = \frac{{U \cdot {I_{C\,\max }}}}{8} = \frac{{{P_{tot}}}}{2}\]

Ohne Ansteuerung durch ein Signal fließt der halbe maximal erlaubte Kollektorstrom und am Kollektor ist die halbe Betriebsspannung messbar. Es wird viel Ruheleistung in Form von Wärme umgesetzt. Im Ausgangskennlinienfeld ist die Gleichstromleistung als Rechteckfläche dargestellt. Sie ist das Produkt aus der halben Betriebsspannung und dem halben Maximalstrom.

Wird der Transistor durch das positive maximal erlaubte Signalmaximum ausgesteuert, dann erreicht Kollektorspannung einen Wert nahe null und es fließt der maximale Kollektorstrom. Die Ansteuerung mit dem negativen Maximum des Signals sperrt den Transistor. Der Kollektorstrom geht gegen null und am Kollektor ist die Betriebsspannung messbar. Die Wechselstromleistung wird mit Effektivwerten ermittelt. Im Arbeitspunkt bleibt für sie die Fläche eines der beiden Dreiecke unter der Arbeitsgeraden übrig. Der Flächeninhalt entspricht der halben Gleichstromverlustleistung.

Auf das Signal bezogen errechnet sich der Wirkungsgrad aus dem Verhältnis der abgegebenen Signalleistung zur zugeführten Gesamtleistung und könnte bei Vollaussteuerung im Idealfall maximal 50% betragen. Im realen Betrieb kann der Transistor nur bis Sättigungsspannung zwischen Kollektor und Emitter leitend gesteuert werden. Ein totales Sperren ist nur möglich, wenn das Steuersignal bis in den stark gekrümmten Kennlinienbereich der Basis-Emitterdiode reicht. Dabei entstehen zunehmend nichtlineare unerwünschte Verzerrungen im Ausgangssignal. Der tatsächliche Wirkungsgrad ist daher wesentlich geringer. Für die Class-A Eintaktverstärker gelten die folgenden Aussagen:

Der Class-A Verstärker hat eine konstant hohe Gleichstrom Verlustleistung.
Die Verlustleistung verringert sich bei Signalansteuerung.
Der theoretisch mögliche Wirkungsgrad liegt bei 50%. Im Realfall sind 30% anzunehmen.
Mit zunehmender Aussteuerung erhöht sich wegen der gekrümmten Eingangskennlinie der Klirrfaktor.

Class-A Verstärker mit Ausgangsübertrager

Das Ausgangssignal am Kollektor des Class-A Verstärkers hat immer einen Gleichspannungsanteil (Offset) und ist die additive Mischspannung aus AC- und DC-Anteilen. Für einen Audioverstärker mit angeschlossenem Lautsprecher ist das nachteilig. Das Magnetsystem des Lautsprechers spannt die Lautsprechermembran vor, die dann nicht frei nach beiden Richtungen schwingen kann. Durch einen zum Verstärkerausgang in Reihe geschalteten Kondensator kann der Lastwiderstand von der Gleichspannung entkoppelt werden. Der dabei entstehende Hochpass begrenzt den Übertragungsbereich für tiefe Frequenzen.

Der Arbeitswiderstand im Kollektorzweig kann ein NF-Ausgangsübertrager sein. Sein Wirkwiderstand ist vernachlässigbar klein. Der Lastwiderstand, zum Beispiel ein Lautsprecher, wird mit dem Übersetzungsverhältnis des Übertragers ü = n1 / n2 in den Kollektorzweig transformiert. Der Arbeits- oder Kollektorwiderstand errechnet sich zu: RC = ü²·RLast. Da Transformatoren nur Signalfrequenzen übertragen, fließt sekundär kein Gleichstrom durch den Lastwiderstand RLast. Es entsteht dort keine Gleichleistung und die Lautsprechermembran kann frei in beide Richtungen schwingen. Der Wirkungsgrad des Verstärkers verbessert sich nicht, es bleibt beim maximalen theoretischen Wert von 50%.

Bei fehlender Signalansteuerung hat der Class-A Verstärker mit Ausgangsübertrager im Kollektorzweig keinen Wirkwiderstand und am Kollektor ist maximal die Betriebsspannung abzüglich einer kleinen Emitterspannung am Emitterwiderstand messbar. Der Emitterwiderstand stabilisiert den Arbeits- oder Ruhepunkt gegen Temperaturschwankungen.

Wird der Transistor mit einem Signal angesteuert, so wird der Lastwiderstand mit dem Übertragungsverhältnis in den Kollektorzweig transformiert, wodurch sich die Arbeitsgerade ergibt. Wird der Transistor als Signalverstärker betrieben, könnte er theoretisch soweit leitend gesteuert werden, solange die Kollektor-Basis-Diodenstrecke gesperrt bleibt. Mit dem dann theoretischen Wert UCB = 0 V, wird für das Steuersignal die maximale positive Signalamplitude erreicht. Am npn-Transistor als Verstärker ist die theoretisch kleinste Kollektor-Emitter-Spannung UCE erreicht und es fließt der maximale Kollektorstrom. Beim Sperren des Transistors steigt infolge der Selbstinduktion des Übertragers die Kollektorspannung über den Wert der Betriebsspannung und erreicht dabei fast ihren doppelten Wert. Im Datenblatt des Transistor muss dieser Wert oder größer als maximal erlaubte Kollektorspannung angegeben sein.

Der Einsatz eines Ausgangsübertragers hat mehrere Nachteile. Es sind spezielle Niederfrequenz-Transformatoren notwendig, die bei höheren Leistungen groß und schwer sind. Sie müssen so bemessen sein, dass sie durch den auf der Primärseite fließenden Gleichstrom nicht in die magnetische Sättigung gelangen. Die auch sonst nicht linearen Kennlinien der Übertrager verursachen lineare und nichtlineare Verzerrungen.

Class-A Verstärker in Kollektorschaltung

Die Kollektorschaltung benötigt zur Arbeitspunkteinstellung einen Emitterwiderstand. Mit dieser Stromgegenkopplung werden auch die nichtlinearen Verzerrungen minimiert. Das parallel zum Emitterwiderstand abgegriffene Ausgangssignal ist mit Gleichspannung überlagert und somit eine Mischspannung. Zur DC freien Auskopplung des Signals ist ein Koppelkondensator notwendig. Er erhöht den Wert der unteren Grenzfrequenz und verringert die Bandbreite des Verstärkers. Die Kollektorstufe zeichnet sich durch eine hohe Eingangsimpedanz aus und belastet eine vorgeschaltete Treiberstufe nicht. Die maximale Ausgangssignalleistung steht bei Anpassung zur Verfügung, wobei der Wert des Lastwiderstands gleich dem der Ausgangsimpedanz, dem Wert des Emitterwiderstands ist.

Ohne Signal teilt sich die Betriebsspannung zur Hälfte wie in Gleichung Gl.(1) angegeben auf. Mit Gl.(2) errechnet sich die Leerlaufleistung, die am Transistor in Wärme umgesetzt wird: \[{U_{CE}} = {U_{RE}} = \frac{U}{2}\quad (1)\quad \quad {P_{DC}} = \frac{1}{{{R_E}}}{\left( {\frac{U}{2}} \right)^2}\quad (2)\] Mit den Gleichungen Gl.(3) und Gl.(4) lassen sich bei Vollaussteuerung die Spitzenwerte des Signals berechnen: \[{\widehat u_{a\,\max }} = \frac{{{{\widehat u}_{CE}}}}{2}\quad (3)\quad \quad {\widehat i_{a\,\max }} = \frac{{{{\widehat i}_C}}}{2}\quad (4)\] Für eine optimale Leistungsanpassung kann mit Gl.(5) dann die maximale theoretische Sinusausgangsleistung unter Verwendung der Effektivwerte berechnet werden: \[{P_{a\,\max }} = \frac{1}{8}\,{u_{CE}}\,{i_C}\quad (5)\]

Bei maximaler Signalansteuerung hat erreicht der Kollektorstrom seinen Maximalwert, der dem doppelten Ruhegleichstrom entspricht. Am Transistor hat die Kollektor-Emitter-Spannung ihren niedrigsten Wert von ca. 0,5 V und die Ausgangsspannung am Emitterwiderstand ihren Maximalwert. Die Class-A Kollektorschaltung hat damit einen theoretischen Wirkungsgrad von maximal 50% und ist nicht besonders wirtschaftlich.