Informations- und Kommunikationstechnik

Class-A Verstärker in Emitterschaltung

Die letzte Stufe einer Verstärkerschaltung ist oftmals 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 oder Class-A Verstärker mit weiteren Varianten beschrieben.

Transistoren in der Emittergrundschaltung eignen sich zur Spannungs- und Stromverstärkung, während sie in der Kollektorgrundschaltung nur eine Stromverstärkung haben. Ein Leistungsverstärker besteht aus mehreren Verstärkergruppen, bei denen die Eingangsstufen mit dem Vorverstärker auf Spannungsverstärkung ausgelegt sind. 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 eher auf Stromverstärkung ausgelegt ist.

Das Schaltungsprinzip des Eintaktverstärkers verarbeitet das vollständige Signal hier mit nur einem bipolaren Transistor. Er benötigt dazu einen Arbeitspunkt, der bei einer Großsignalverstärkung in der Mitte der Ausgangskennlinie liegt. Da die Verlustleistung des Transistors nicht überschritten werden darf, ist die Arbeitsgerade so zu berechnen, dass sie die Verlustleistungshyperbel nicht schneidet. Der Arbeitswiderstand wird so berechnet, dass bei gegebener Betriebsspannung der maximale Kollektorstrom nicht überschritten wird. Die maximale Betriebsspannung sollte nur halb so groß sein, wie die vom Hersteller angegebene Durchbruchspannung der Transistorstrecke zwischen Kollektor und Emitter. Der folgende Link liefert weitere Informationen zu den wichtigsten Transistorgrenzwerten.

Eine Transistorendstufe arbeitet immer als Großsignalverstärker. Die nicht lineare Steuerkennlinie verursacht Signalverzerrung, die durch Schaltungserweiterungen zu minimieren sind.

Verlust-/Nutzleistung im Ausgangskennlinienfeld

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.

Ohne Signalansteuerung fließt der halbe maximal erlaubte Kollektorstrom. Am Kollektor ist die halbe Betriebsspannung messbar. Es wird also eine beachtliche Ruheleistung in Form von Wärme umgesetzt. Im Ausgangskennlinienfeld ist die Gleichstromleistung als Rechteckfläche dargestellt, die sich aus der halben Betriebsspannung und dem halben Maximalstrom ergibt.

Die Vollaussteuerung des Transistors durch das positive Maximum des Signals verringert die Kollektorspannung auf nahezu null, wobei der maximale Kollektorstrom fließt. Das negative 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 Eintakt-Verstärkerstufe 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.

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Class-A Verstärker mit Ausgangsübertrager

Das Ausgangssignal am Kollektor des Class-A Verstärkers ist stets von Gleichspannung überlagert. Das ist bei einem Audioverstärker mit angeschlossenem Lautsprecher nachteilig. Der Lastwiderstand kann mit einem in Reihe geschalteten Kondensator von der Gleichspannung entkoppelt werden. Der dadurch entstehende Hochpass begrenzt den Übertragungsbereich für tiefe Frequenzen.

Class-A Verstärker mit Ausgangsübertrager

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 in den Kollektorzweig transformiert. Da Transformatoren nur Signalfrequenzen übertragen, fließt kein Gleichstrom durch den Lastwiderstand RL und erzeugt dort keine Gleichleistung, mit der eine Lautsprechermembran in eine Richtung vorgespannt wird. Der Wirkungsgrad des Verstärkers verbessert sich nicht, es bleibt beim maximalen theoretischen Wert von 50%.

Bei fehlender Signalansteuerung befindet sich im Kollektorzweig kein Wirkwiderstand und die Kollektorspannung entspricht der Betriebsspannung abzüglich der Basis-Emitter-Steuerspannung und der Emitterspannung. Der kleine Emitterwiderstand stabilisiert den Arbeits- oder Ruhepunkt gegen Temperaturschwankungen.

Bei der Ansteuerung mit einem Signal wird der Lastwiderstand mit dem Übertragungsverhältnis in den Kollektorzweig transformiert, wodurch sich die Arbeitsgerade ergibt. Der Transistor könnte bis ucmax = UBetr − UBE − UE0 leitend gesteuert werden, wobei dann der maximale Kollektorstrom icmax fließt. Beim Sperren des Transistors steigt infolge der Selbstinduktion des Übertragers die Kollektorspannung über den Wert der Betriebsspannung und erreicht dabei fast ihren doppel Wert. Entsprechend hoch muss die Kollektordurchbruchspanung des Transistors sein.

Diese Übertragertechnik besitzt 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.

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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.

Class-A Verstärker in Kollektorschaltung

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. Mit den Gleichungen Gl.(3) und Gl.(4) lassen sich bei Vollaussteuerung die Spitzenwerte des Signals berechnen. Für die erstrebte Leistungsanpassung kann mit Gl.(5) dann die maximale theoretische Sinusausgangsleistung unter Verwendung der Effektivwerte berechnet werden.

Bei voller Leitfähigkeit erreicht der Kollektorstrom seinen Maximalwert, der dem doppelten Ruhegleichstrom entspricht. Die Spannung am Transistor zwischen Kollektor und Emitter hat dann ungefähr 0 V und die Ausgangsspannung mit U ihren Maximalwert. Die Class-A Kollektorschaltung arbeitet mit einem Wirkungsgrad von maximal 50% ebenfalls recht unwirtschaftlich.