Schaltungsanalyse einer Komplementärendstufe

Die folgende Schaltung stellt eine 3 Watt Komplementärendstufe dar, die in einfachen Rundfunkgeräten, Schallplattenverstärkern oder Kassettengeräten zur Anwendung kam. Ihr übersichtlicher Aufbau gestattet es, das Zusammenwirken der einzelnen Schaltungselemente zu verstehen. Der Verstärker arbeitet mit einer unsymmetrischen Versorgungsspannung. Die Signalauskopplung für den Lautsprecher erfolgt daher über einen Auskoppelkondensator. Er trennt den niederohmigen Lautsprecher galvanisch von der Gleichspannung und verhindert so den annähernden Kurzschluss der Betriebsspannung bei leitender Endstufe. Der Lautsprecher wird nur vom Signal beeinflusst. Da seine Membrane von keiner DC-Komponente vorgespannt ist, treten keine zusätzlichen Verzerrungen auf. Die mit 470 μF hohe Kapazität des Auskoppelkondensators ist notwendig, da er als Gleichspannungsquelle für den unteren pnp-Endstufentransistor V4 dient. Die Vorstufe mit V1 wird ebenfalls von dieser Mittenspannung versorgt, die laut Hersteller bei 11,5 V liegt.
Komplementärendstufe

Parallel zu den theoretischen Überlegungen zum Schaltungsverhalten konnten wichtige Eigenschaften mit dem Simulationsprogramm Multisim überprüft werden. Für die Vorstufe V1 wurde ein BC556, für den Treiber V2 ein BC337 gewählt. In der Endstufe kamen der BD137 als npn-Transistor V3 und der BD138 als V4 im pnp-Zweig zum Einsatz. Der NTC-Widerstand wurde durch einen gleich großen normalen Widerstand ersetzt.

DC-Analyse und Arbeitspunktbetrachtungen:

Mit dem Einschalten der 24 V Betriebsspannung ist die Basis des Transistors V3 positiver als sein Emitter. Der Transistor leitet und der 470 μF Ausgangselko wird geladen. Der Emitter des pnp-Transistors V1 ist dadurch positiver als seine Basis und der Transistor leitet. Sein Kollektorstrom fließt über den 1,2 kΩ Widerstand nach Masse ab. Die Spannung an diesem Widerstand lässt auch den npn-Transistor V2 leiten. Durch seinen Kollektorstrom ist der Stromkreis von der Betriebsspannung über die Widerstände 120 Ω, 150 Ω und dem 100 Ω Poti geschlossen.

Mit dem Poti wird der Ruhestrom für die Endstufentransistoren eingestellt. Nach Serviceunterlagen des Herstellers sollen es ohne Signaleinspeisung 10 mA sein. Die Spannung über dem Poti sollte dann ca. 1,2 V betragen und entspricht der Summe aus 2·(UBE + URE) für die Endstufentransistoren V3 und V4. Die Endstufe hat damit einen für den AB-Betrieb definierten Arbeitspunkt.

In der Simulation ließ sich ohne Signal der geforderte Ruhestrom entweder auf 8 mA oder 12 mA einstellen. Für die weitere Simulation wurde der erste Wert gewählt. Die Spannung zwischen beiden Basisanschlüssen der Endtransistoren betrug dann 1,3 V. Am Auskoppelelko stellte sich eine Mittenspannung von 12 V ein.

Parallel zum Poti ist ein NTC-Widerstand geschaltet, der zusammen mit den Endtransistoren auf deren Kühlkörper montiert ist. Er gewährleistet die thermische Arbeitspunktstabilisierung der beiden Transistoren. Erwärmen sich diese, so wird der Widerstandswert des NTC kleiner, wodurch die Vorspannungen von V3 und V4 sinken. Eine geringere DC-Ansteuerung der Endstufe vermindert deren Ruhestrom und die bestehenden Wärmeverluste. Die Transistoren kühlen ab und durch diesen Regelkreis wird der Arbeitspunkt stabil gehalten.

Die Mittenspannung am Ausgangselko ist gleichzeitig Versorgungsspannung für den Vorstufentransistor V1. Seine Basisvorspannung wird dagegen der Betriebsspannung entnommen und über Widerstände herabgeteilt, wobei der 22 μF Kondensator für zusätzliche Stabilität sorgt. Durch diese Schaltungsvariante entsteht ein Regelkreis, der die DC-Mittenspannung stabilisiert. Sollte sich die Endstufe aus unbestimmtem Grund unsymmetrisch verhalten und V4 dem Elko zu viel Strom entnehmen, dann sinkt die Mittenspannung ab. Das dabei ebenfalls abnehmende Emitterpotenzial von V1 lässt diesen Transistor weniger gut leiten. Der abnehmende Kollektorstrom von V1 bewirkt durch die galvanische Kopplung zwischen V1 und V2, dass Letzterer auch weniger leitet. Sein Kollektorpotenzial wird positiver. Als Folge nimmt die Ansteuerung von V4 ab und von V3 zu. Der Ausgangselko kann sich nachladen und die ursprünglichen Arbeitspunkte stellen sich wieder ein.

Der Vorstufentransistor V1 besitzt mit seinem 820 Ω Emitterwiderstand eine große Stromgegenkopplung. Damit ist sein statischer Arbeitspunkt gegen thermische Schwankungen sehr gut stabilisiert. Das ist die Voraussetzung für einen ebenfalls stabilen Arbeitspunkt des Treibers V2, da die galvanische Kopplung jede Arbeitspunktverschiebung von V1 verstärkt an den Treiber weiterleitet.

Das dynamische Verhalten, Analyse des Signalwegs

Das NF-Signal gelangt über einen 0,1 μF Koppelkondensator direkt an die Basis des Vorstufentransistors V1. Dieser arbeitet in Emitterschaltung, wobei das Signal über die Reihenschaltung 220 μF und 15 Ω den Massebezug hat. Der Transistor besitzt mit dem 10 μF Kondensator und dem 18 kΩ Widerstand zwischen Basis und Emitter eine Bootstrapschaltung. Zusammen mit dem kleinen Emitterwiderstand erhöht sie bei richtiger Dimensionierung den Stufeneingangswiderstand. Die Vorstufe wird daher schon von sehr kleinen Signalspannungen sicher angesteuert.

Der Verstärker wurde mit dem 1 kHz-Sinus Audiotestsignal angesteuert. Mit dem Spitzenwert von 190 mV am Eingang wird eine unverzerrte Vollaussteuerung mit 10 Vs erreicht. Das Simulationsprogramm errechnet dazu einen Gesamtklirrfaktor von THD/K=0,7%. Im Datenblatt wird der Klirrfaktor bei diesen Verhältnissen mit 1% angegeben. Selbst mit einer sehr kleinen Eingangsamplitude von 1 mVs liefert der Verstärker ein unverzerrtes Ausgangssignal mit 54 mVs. Der Klirrfaktor ist erwartungsgemäß extrem klein und wurde zu 0,02% bestimmt. Die Diagramme zeigen die Signale an den in der Schaltung bezeichneten Messpunkten.

Ein-/Ausgangssignale an der Komplementärendstufe
Vorstufen-/Treibersignale
Der Transistor V1 steuert mit seinem Kollektorsignal die Basis des Treibertransistors V2. Beide arbeiten in der Emittergrundschaltung. Den Oszillogrammen ist zu entnehmen, dass im Schaltungsverbund die Spannungsverstärkung nur von der Treiberstufe geliefert wird. Alleinstehend sollte V1 auch über Spannungsverstärkung verfügen. Die Signalrückkopplung vom Ausgang wirkt dem entgegen. Das Kollektorsignal des Treibers V2 steuert die Komplementärendstufe direkt an.

Der 470 pF Kondensator zwischen Kollektor und Basis stellt eine Spannungsgegenkopplung für hohe Frequenzen dar. Der betroffene Frequenzbereich liegt nicht im hörbaren Bereich. Er könnte aber mit der NF an der gekrümmten Eingangskennlinie des Transistors V2 zu Modulationsprodukten führen. Deren Differenzsignalband würde im Hörbereich liegt. Eine fehlende Gegenkopplung könnte zu Pfeifstörungen führen, beziehungsweise die Güte des Verstärkers durch das Auftreten von Signalverzerrungen und einem entsprechend höheren Klirrfaktor herabsetzen.

Die Komplementärendstufe mit den Transistoren V3 und V4 wird vom Kollektorsignal des Treibers direkt angesteuert. Beide Endstufentransistoren arbeiten in Kollektorschaltung mit hoher Stromverstärkung. Ihre Spannungsverstärkung ist bedingt durch die Emitterwiderstände kleiner als 1. Die positive und negative Signalhalbwelle lässt die Transistoren abwechselnd leitend werden. Bei gesperrten V3 dient der Auskoppelelko als Betriebsspannungsquelle für den pnp-Transistor V4.

Zur Vollaussteuerung benötigt die Endstufe einen relativ hohen Basissteuerstrom. Während für V4 der Basisstromkreis durch den dann ebenfalls vollständig leitenden Treiber sehr niederohmig ist, gilt das für V3 mit den beiden Basisvorwiderständen nicht. Der maximal mögliche Basisstrom ist geringer und damit vermindert sich auch die Stromverstärkung. Diese Unsymmetrie wird durch den 100 μF Kondensator behoben, der zwischen dem Ausgang und den beiden Vorwiderständen geschaltet ist. Die Wirkungsweise dieses Bootstrap-Kondensators ist beim Seriengegentaktverstärker im AB-Betrieb näher erklärt worden. Das Ausgangssignal wird über den Kondensator phasengleich an die Basis zurückgekoppelt. Dadurch erhöht sich das Basispotenzial und der Basisstrom wird von der Ansteuerung unabhängig. In dieser Bootstrap-Schaltung wirkt der 150 Ω Widerstand wie eine Konstantstromquelle.

Signale beim Einsatz eines Bootstrapkondensators

In den Oszillogrammen der Simulation erkennt man deutlich, wie das über den Bootstrapkondensator zurückgekoppelte Signal auf die Mittenspannung von 12 V aufaddiert ist. Dadurch werden im Signalmaximum Spannungen erreicht, die über der Betriebsspannung von 24 V liegen. Das ermöglicht eine symmetrische Vollaussteuerung, die im rechten Diagramm bei dazu abgeklemmtem Bootstrapkondensator nicht gegeben ist. Das im Positiven verzerrte Ausgangssignal macht sich durch einen hohen Klirrfaktor bemerkbar.

Das Ausgangssignal wird über den 820 Ω Widerstand auf den Emitter des Vorstufentransistors V1 zurückgekoppelt. Es ist dort phasengleich zum NF-Eingangssignal an der Basis. Hierbei handelt es sich um eine Gegenkopplung über alles. Der parallel zum Widerstand liegende 10 nF Kondensator macht die wirksame Impedanz der Rückkopplung für höhere Frequenzen niederohmiger. Das hat sicherlich einen eher negativen Einfluss auf die obere Grenzfrequenz des Verstärkers. Der Signalstromkreis wird über die Reihenschaltung 220 μF und 15 Ω nach Masse geschlossen. Für den Audiobereich kann der Elko als Signalkurzschluss betrachtet werden. Die Spannungsverstärkung dieser Schaltung ist aus dem Verhältnis des 820 Ω Rückkoppelwiderstands zum 15 Ω signalwirksamen Emitterwiderstand bestimmbar. Daraus errechnet sich eine Spannungsverstärkung von knapp 55 entsprechend 35 dB.

Das folgende Diagramm zeigt das Ergebnis der simulierten Frequenzanalyse. Die praktisch erreichte Gesamtverstärkung bestätigt die Überlegungen. Eine Verkleinerung des Kondensators verschiebt die obere Grenzfrequenz nach oben. Ohne Kondensator gibt die Simulation einen Wert oberhalb 100 kHz an.

Frequenzgang der Komplementärendstufe

Die untere Grenzfrequenz wird, wie vielfach zu lesen ist, praktisch nur durch den Auskoppelelko und der Lautsprecherimpedanz bestimmt. Mit 470 μF und 16 Ω errechnet sich ihr Wert zu 21 Hz. Gemessen wurden 60 Hz, da die Vorstufe mit V1 noch über Hochpässe verfügt. Mit der Eingangsimpedanz beeinflusst der Einkoppelkondensator das Frequenzverhalten.

Einen besonders großen Einfluss hat der Emitterkondensator auf die untere Grenzfrequenz, da der Stromverstärkungsfaktor des Transistors mit in die Rechnung eingeht. Die Bootstrap-Schaltung könnte auch einen Beitrag liefern. Wie hoch der Einfluss der einzelnen Kondensatoren auf die untere Grenzfrequenz ist, wurde im Simulationsprogramm praktisch ermittelt. Die folgende Tabelle stellt die Ergebnisse dar.

Caus/μF Cein/μF CBoot/μF CE/μF fgu/Hz
470 0,1 10 220 60
1000 0,1 10 220 55
470 1 10 220 55
470 0,1 47 220 60
470 0,1 10 470 37

Abschließend ist noch zu prüfen, ob der Verstärker die vom Hersteller angegebene Sinusleistung von 3 W abgibt. Nach der üblichen Gleichung setzt die Endstufe bei 24 V Betriebsspannung und Vollaussteuerung an der Lautsprecherimpedanz mit 16 Ω die Maximalleistung von 4,5 Watt um. Mit dem Wirkungsgrad von 70% sind praktisch 3,15 W erreichbar.

B-Signalleistungsformel

Die Simulation ergab eine Spitzenamplitude des Signals von 10 V bei Vollaussteuerung. Mit der eingesetzten Lautsprecherimpedanz errechnen sich die angegebenen 3 Watt, genau 3,12 W. Mit relativ wenig Bauteilen und einer einfachen Schaltung kann ein recht guter Audioverstärker aufgebaut werden. Die Verlinkung liefert weitere Informationen zum Serien-Gegentaktverstärker.