Referat Leistungsverstarker - transistorbetriebsarten, leistungsmerkmale und - berechnungen, schaltungsentwurf

LEISTUNGSVERSTARKER

1.) TRANSISTORBETRIEBSARTEN

1.1.) TRANSISTOR IM A-BETRIEB

PRINZIPSCHALTUNG

SIGNALBILD

VORTEIL:

Ein Transistor im A-Bertrieb weist von allen Betriebsarten einen geringstmöglichen Klirrfaktor und die geringstmöglichen Verzerrungen auf , da nur ein Transistor benötigt wird , welcher die volle Periode eines Signals verarbeitet .

NACHTEIL:

Man benötigt zur Arbeitspunkteinstellung einen DC-Anteil , der von einem AC-Signal überlagert wird . Das bedeutet , daß man permanente DC-Verluste hat , was zu einem äußerst schlechten Wirkungsgrad von führt .

ANWENDUNG:

NF - Technik

1.2.) TRANSISTOR IM B-BETRIEB

PRINZIPSCHALTUNG

SIGNALBILD

VORTEIL:

Da nur positive bzw. negative Halbwellen je Transistor verarbeitet werden , ist kein DC-Anteil zur Potentialanhebung nötig . D.h.: Der Wirkungsgrad erhöht sich auf maximal .

NACHTEIL:

1.) Das Komplementärproblem : Man benötigt ein sogenanntes Transistorpärchen , da der

B-Betrieb 2 Transistoren (= weiterer Nachteil gegnüber A-,und C-Betrieb) vom jeweiligen npn- und pnp-Typ erfordert . D.h.: Ist einer der beiden defekt , so müssen beide getauscht werden .

2.) Das Toleranzenproblem bei der Stromverstärkung : Diese wird jedoch im Verhältnis der Stromverstärkungen der jeweiligen Typen mit : toleriert .

3.) Das Verzerrungsproblem : Es kann , wie im Signalbild ersichtlich , zu Übernahme -verzerrungen kommen . Diese resultieren aus der nichtlinearen Eingangskennlinie der Transistoren .Auf diese Besonderheit wird in weiterer Folge noch eingegangen.

ANWENDUNG:

NF - Technik

1.3.) TRANSISTOR IM AB-BETRIEB

PRINZIPSCHALTUNG :

SIGNALBILD

VORTEIL:

Wesentlicher Vorteil ist die Reduzierung der Übernahmeverzerrungen , allerdings auf Kosten des Wirkungsgrades , da ein geringer Ruhestrom fließt . D.h.: Der AB-Betrieb stellt einen Kompromiß zwischen Verlustleistung und Wirkungsgrad dar . Der Ruhestrom entsteht durch das Einfügen der beiden Dioden , welche das jeweilige Potential um ca. 0,6V anheben bzw. senken . Dadurch wird allerdings mehr als eine Halbwelle je Transistortyp übertragen .

NACHTEIL :
Hier gelten bis auf die Übernahmeverzerrungen die gleichen Nachteile wie für den B-Betrieb .

ANWENDUNGEN :

Diese Betriebsart findet heutzutage kaum noch Anwendung .

1.4.) TRANSISTOR IM C-BETRIEB

PRINZIPSCHALTUNG                                 SIGNALBILD

VORTEIL

Die Vorteile liegen im Wirkungsgrad , welcher theoretisch bei liegt , und bei der Art der Anwendung als Frequenzvervielfacher .

NACHTEIL

Der Nachteil dieser Betriebsart liegt in der Signalrekonstruktion , da vom Eingangssignal nur die Spitze vorhanden ist .

ANWENDUNG

HF-Technik

2 . ) ALLGEMEINES

Von den erwähnten Betriebsarten , werden Leistungsverstärker vorzugsweise als Gegentaktverstärker , welche dem B-Betrieb entsprechen gebaut . Die in Abb. 3 und Abb. 4

dargestellte Grundschaltung mit Signalbild zeigt 2 Transistoren , welche als Emitterfolger arbeiten . Für Ue > 0 übernimmt der npn-Transistor die Übertragung , während der pnp-Transistor sperrt , für Ue < 0 gilt der umgekehrte Zustand . Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang der Wechsel von der positiven auf die negative Halbwelle und umgekehrt .

in diesem Bereich kommte es zu den schon erwähnten Übernahmeverzerrungen .

2.1.) DIE ÜBERNAHMEVERZERRUNGEN

Zu diesem Zweck wird zunächst eine Kollektorgrundschaltung betrachtet .

Wenn die Eingangsspannung Ue die Schleusenspannung Us 0,5V überschreitet , wird der Transistor leitend (siehe Abb. 9+10). Die Schleusenspannung Us resultiert aus der inneren Potentialschwelle des p-n Übergangs des Transistors . Bringt man nämlich neutrales n- und p-Silizium zusammen , so diffundieren über den p-n Übergang Löcher in die n-Zone und Elektronen in die p-Zone (Ausgleichsbestreben) . Durch den Zufluß von Löchern bzw. den Abfluß von Elektronen ergibt sich eine Potentialanhebung der n-Zone gegenüber der p-Zone . Die entstehende 'Potentialschwelle' wirkt mit ihrem elektrischen Feld dem Ausgleichsbestreben entgegen . Wird der p-n Übergang in Durchflußrichtung betrieben , so wird die innere Potentialschwelle mit steigender Spannung zunehmend abgebaut . Dadurch wird es den Elektronen der n-Seite und den Löchern der p-Seite möglich , auf die andere Seite zu diffundieren . Die Sperrschicht wird von Ladungsträgern überschwemmt . Es kommt zu einem Stromfluß , der im konventionellen Sinn von der p-Seite (Anode) zur n-Seite (Katode) gerichtet ist . Der Strom steigt steil an , wenn entsprechend der inneren Potentialschwelle eine gewisse Schwellenspannung (auch Schleusenspannung) überschritten wird . Diese liegt bei Germanium bei etwa 0,2V , bei Silizium bei etwa 0,5V .

Ab diesem Potential folgt die Ausgangsspannung Ua der Eingangsspannung Ue abzüglich der Differenz der Basis-Emitterspannung von (Siehe Abb. 10) .

Überschreitet weiters die Eingangsspannung die Betriebsspannung (in Abb. 10 mit Ub = 4,5V angenommen) , so wird die Kollektordiode leitend , so geht der Transistor dann aus dem aktiven Betriebsbereich in den Sättigungsbereich über . Die Ausgangsspannung Ua nähert sich der Betriebsspannung .

Dieses Verhalten tritt natürlich auch im Gegentaktbetrieb für beide Transistoren auf (siehe Abb.12) . Dies ist der Grund , warum es zu Übernahmeverzerrungen der Halbwellen kommt .

3 . ) LEISTUNGSMERKMALE UND - BERECHNUNGEN

Die wesentlichsten Leistungsangaben erfolgen durch :

1.) Die Nutzleistung (bzw. Ausgangsleistung) . P ab

2.) Die Batterieleistung (bzw. zugeführte Leistung) P zu

3.) Die maximale Verlustleistung ..Pv max

3.1.) DIE NUTZLEISTUNG

Zur Berechnung der Ausgangsleistung wird der Effektivwert von Ausgangsstrom oder

Ausgangsspannung über den Lastwiderstand eingesetzt .

 

3.2.) DIE BATTERIELEISTUNG

Aus Abb. 14 ist ersichtlich , daß Strom und Spannung unterschiedlich sind . Es können allerdings nur Anteile gleicher Frequenz zu einer Leistung führen .

D.h.: Um die Leistung zu ermitteln muß das Flächenintegral gebildet werden :

Eingesetzt ergibt dies :

Daraus folgt :

Die Leistung der Quelle 1 (+Ub) entspricht der errechneten Leistung von

Für die Leistung der Quelle 2 (-Ub) gilt sinngemäß :

Die zugeführte Leistung (gesamte Batterieleistung) errechnet sich aus der Summe der beiden Teilleistungen der Quelle 1 und der Quelle 2 .

Daraus folgt :

3.3.) DIE MAXIMALE VERLUSTLEISTUNG

Die Verlustleistung ergibt sich aus der Differenz von zugeführter und abgegebener Leistung .

Aufgrund der Symetrie lassen sich zwei wesentliche Aussagen treffen , welche zur Vereinfachung dieser Formel dienen :

2.)

Daraus folgt :

Die einzige Variable in der Gleichung ist  , da es sich beim Lastwiderstand und der Betriebsspannung um konstante Größen handelt . Die Formel ist somit eine quadratische Funktion , welche aufgrund ihrer Vorzeichen einer nach unten geöffneten Parabel entspricht .

Siehe Abb. 15

Um das Maximum ( entspricht der maximalen Verlustleistung) zu erhalten , ist nach zu differenzieren und die erste Ableitung gleich Null zu setzen .

Um die Höhe der maximalen Verlustleistung zu errechnen , ist nun das abgeleitete in die Verlustleistungsformel einzusetzen :

( Für beide Transistoren )

Diese Verlustformel gibt die Gesamtverluste an . D.h.: Für beide Transistoren . Sinngemäß ergibt die maximale Verlustleistung für einen Transistor , aufgrund der schon erwähnten Symetrie , die Hälfte der gesamten maximalen Verlustleistung :

( Für einen Transistor )

Betrachtet man weiters die Masche (siehe Abb.16) , so läßt sich der maximale Kollektor - bzw. Laststrom bei Vernachlässigung von bestimmen .

Der maximale Laststrom ist somit :

Nun läßt sich , wie in Abb. bereits vorweggenommen , jener Strom ermitteln , welcher bei maximaler Verlustleistung fließt . Wie bereits errechnet , ist der Kollektor - bzw. Laststrom bei der maximalen Verlustleistung :

Durch die obige Maschengleichung ist der maximale Kollektor - bzw. Laststrom definiert .

In die Formel eingesetzt ergibt , daß der bei maximaler Verlustleistung auftretende Kollektor - bzw. Laststrom etwa 64% des maximalen Kollektor - bzw. Laststromes ist .

3.4.) DER WIRKUNGSGRAD

3.5.) ZUSAMMENFASSUNG UND LEISTUNGSDIAGRAMM

1.) DIE AUSGANGS (NUTZ-) LEISTUNG

ALLGEMEINE MAXIMALE

2.) DIE BATTERIELEISTUNG (zugeführte Leistung)

ALLGEMEINE MAXIMALE

Da es sich um die gesamte Batterieleistung handelt , also von und , ist aufgrund der Symetrie mit dem Faktor 2 zu multiplizieren .

3.) DIE VERLUSTLEISTUNG

ALLGEMEINE

MAXIMALE

Aufgrund dieser Formelzusammenstellung lassen sich die Leistungsverhältnisse im Leistungsdiagramm darstellen . Zu beachten ist der Aussteuerungsgrad m , welcher sich aus aus dem Verhältnis der variablen Größe zur konstanten Größe zusammensetzt . D.h.:

Abb. 17

Die in Abb. 18 dargestellten Funktionen entsprechen dem Verhältnis von Batterieleistung (zugeführte Leistung ) zu max. Ausgangsleistung (KURVE 1) , dem Verhältnis von Ausgangsleistung zu max. Ausgangsleistung (KURVE 2) und dem Verhältnis von Verlustleistung zu max. Ausgangsleistung (KURVE 3) .

D.h.:

KURVE 1 :     bei einem Aussteuerungsgrad von m = 1

KURVE 2 :    bei einem Aussteuerungsgrad von m = 1

KURVE 3 :    bei einem Aussteuerungsgrad von m =

DAS LEISTUNGSDIAGRAMM

4 . ) SCHALTUNGSENTWURF

4.1.) ANFORDERUNGEN

1.) Die Stromverstärkung soll konstant gehalten werden

2.) Temparaturkompensation des Arbeitspunktes

3.) Maßnahme gegen Verzerrungen (Bei Verwendung von OPVs : Mittels Gegenkopplung)

4.) Schutzmaßnahmen gegen möglichen Kurzschluß am Lastwiderstand treffen , da dieser meist 

ein Lautsprecher ist und somit aus einer Kombination aus R , L und C besteht .

(Serienschwingkreis ! ! !)

5.) Bei Verwendung von OPVs als Vorverstärker , ist die Qualität der Spannungsversorgung

unerheblich , d. h. sie können einen 'Brumm' aufweisen und es ist keine

Spannungsstabilisierung notwendig .

6.) Bei Verwendung von OPVs ist weiters darauf zu achten , daß der Frequenzbereich des

OPVs der Verstärkung entsprechend ausreicht , da sonst der Klirrfaktor unnötigerweise

ansteigen würde .

4.2.) SCHALTUNGEN UND DEREN BESCHREIBUNGEN

Zu Abb. : Der am Eingang liegende Kondensator C1 dient als Gleichspannungsfilter . Da aber am OPV ein Gleichstrom fließen muß , ist zwischen Kondensator und + Eingang des OPVs der Widerstand R1 gegen Masse geschaltet , der diese Anforderung ermöglicht . Der OPV ist als Elektrometerverstärker (Nichtinvertierender Verstärker) geschaltet , der die Aufgabe der Spannungsverstärkung übernimmt . Deshalb wird auch das rückgeführte Signal direkt vom Ausgang der Endstufe abgegriffen , da aufgrund der vernachläßigbar kleinen Spannungsverstärkung der Transistorstufe (ist als Emitterfolger geschaltet . D.h.) die erwünschte Spannung ausschließlich vom OPV zu liefern ist . Die Spannungsverstärkung wird mittels den Widerständen R2 und R3 nach der bekannten Formel : definiert .

Der Kondensator C2 dient zur Potentialtrennung , damit sich der OPV auf das Gleichspannungspotential der Eingänge einstellen kann . C2 bestimmt somit die untere Grenzfrequenz des OPVs . Die obere Grenzfrequenz ist vom OPV-Typen abhängig und somit aus dem Datenbuch abzulesen . Die Dioden D1 und D2 dienen zur Temperaturkompensation . Sie müssen am Kühlblech der Endstufentransistoren befestigt sein um den Temperatur-einflüssen der Transistoren entgegenwirken zu können . D.h. Steigt die Temperatur des Transistorhalbleiterkristalls , so gibt der Transistor die Wärme an die Umgebung und somit an das Kühlblech ab . Dort befinden sich die Dioden ,welche von der Erwärmung ebenfalls beeinflußt werden und aufgrund ihrer Beschaltung der Transistorerwärmung entgegenwirken .Die Widerstände R6 und R7 bilden gemeinsam mit den Dioden einen Spannungsteiler , wobei auch die Möglichkeit besteht , zur Temperaturkompensation anstelle der Dioden Widerstände einzusetzen , welche sich wie folgt verhalten :

(Die Bezeichnung der Widerstände anstelle der Dioden : Statt D1 => Rd1 ; Statt D2 => Rd2 )

Die Transistoren T1 und T2 dienen gemeinsam mit den Trimmpotentiometern TPot1 und TPot2 zur Strombegrenzung . D.h.: Fließt ein größerer Strom als vorgesehen über den Endstufentransistor T3 oder T4 , so fließt ein entsprechend der Trimmpot-Einstellung größerer Strom über die Basis von T1 bzw. T2 und öffnet vermehrt den entsprechenden Transistor . Dadurch wird der entsprechenden Basis des Transistors T3 bzw. T4 der Strom entzogen , was eine Reduzierung des Kollektor - bzw. Laststrom des jeweiligen Transistors zur Folge hat . Dies hat den Vorteil , daß wie unter Punkt 4 erwähnt , ein möglicher Kurzschluß am Ausgang keine Zerstörung der Endstufentransistoren bewirkt , da im schlechtesten Fall die Transistoren T1 und T2 voll durchschalten und die Basis der Transistoren T3 und T4 somit am Massepotential hängen und die Transistoren gesperrt sind .

Der Widerstand R4 empfiehlt sich speziell bei auftretender kapazitiver Last , wie sie bei einem Lautsprecher auch erwartet werden kann , als Maßnahme gegen Schwingungen . Dieser ist mit anzunehmen . Dies ist ein Erfahrungswert , welcher aus der Praxis übernommen wurde .

Die Emitterwiderstände Re1 und Re2 werden aus dem Grund eingesetzt , da es unmöglich ist , exakt gleiche Transistorenpärchen zu erhalten . Als Richtwert nimmt man für die Emitterwiderstände ein Zehntel des Lastwiderstandes oder man errechnet den Wert mit einer angenommenen Spannung von und den zu erwartenden maximalen

Laststrom . Bei einer wie in der Schaltung eingezeichneten Verwendung von Strombegrenzern wird jene Spannung mit 1V angegeben .

Zu ergänzen ist noch die Vorsichtsmaßnahme einer zusätzlichen Beschaltung von Entstörkondensatoren zwischen Plus - und Minusversorgung gegen Masse .

Um den Schaltungsaufwand zu reduzieren , besteht die Möglichkeit die Strombegrenzung und die Temperaturkompensationsschaltung wegzulassen und den OPV-Ausgang direkt an die Basen von T3 und T4 zu führen .(siehe Abb. 20) . Es gibt etliche Anforderungen , die keinen qualitativ hochwertigen Verstärker vorraussetzen (zB.: Sprachübertragung) und keine allzu große Verstärkung benötigen (zB.:Kopfhörerverstärker). Bei dieser Art der Anwendung ist allerdings ein Widerstand (R5) zwischen Basis und Ausgang erforderlich. R5 dient zur Linearisierung der nichtlinearen Basis-Emitterdiodenstrecke der Endstufentransistoren . Errechnet wird er aus dem 100-fachen kleineren Strom des zu erwartenden maximalen Ausgangstroms und der . Der Grund dafür ist , daß Signale unter der Basis-Emitterdiodenspannung nicht übertragen werden können , da die Transistoren T3 und T4 erst in etwa bei dieser Spannung zu arbeiten beginnen .

Um die bei Leistungsverstärkern anfallenden großen Lastströme bewältigen zu können , ist es notwendig Darlingtontransistoren als Endstufentransistoren einzusetzen .

Weiters wird realistischerweise in der Praxis kaum eine höherer Spannungsverstärkung mittels OPV über 40dB erzeugt ( ) . D.h. Ist die Spannungsverstärkung höher , so gibt es die Möglichkeit mittels Treiberstufe , welche als NF-Kleinsignalschaltung zu dimensionieren ist ,

diese Anforderung schaltungstechnisch zu realisieren (siehe Abb. 21)

Diese Schaltung (Abb. 21) zeigt weitere Aspekte eines NF-Leistungsverstärkers . Da nur ein relativ kleines Signal mittels Treiberstufe verstärkt wird , reicht ein Emitterverstärker , welcher nur von positiver Versorgungsspannung gegen Masse betrieben wird , aus , um das Signal für die OPV-Spannungsverstärkung aufzubereiten . Diese Stufe ist äußerst empfindlich .Aufgrund der relativ kleinen Signale ist unbedingt ein rauscharmer Transistortyp für T7 zu wählen , da sonst das Transistorrauschen ebenfalls verstärkt werden würde und es somit zu einer unnötigen Qualitätsminderung des Verstärkers käme. Da nur kleine Spannungen (d.h.: im mV-Bereich) verstärkt werden , ist darauf zu achten , daß keine Verzerrungen bzw. Rückkopplungen von der Versorgungsspannung mitverstärkt werden . Als Gegenmaßnahme ist ein Widerstand (Rv) zwischen Batteriespannung und Emitterverstärker zur Strombegrenzung und ein Elko (Cs3) in Serie zum Vorwiderstand Rv gegen Masse zwecks Stabilisierung beigefügt . Die Versorgungsspannungen selbst müssen somit , da sie wegen ihrer Innenwiderstände keine idealen Spannungsquellen darstellen , wegen ihrer 'Schwingneigung' mit zwei weiteren Elkos (Cs1 und Cs2) stabilisiert werden . Der Aufbau der Emitterstufe ist mittels spannungsgesteuerter Stromgegenkopplung realisiert . Zusätzlich ist der Widerstand Rx , wie bei der spannungsgesteuerten Stromgegenkopplung , zu der Basis-Kollektordiode parallel-geschaltet . Dieser dient zur Einstellung der Verstärkung von T7 , da sonst die maximale Transistorverstärkung wirksam wäre . Der Widerstand Rx kann somit auch als Trimm-Pot. ausgeführt sein .Weiters bewirkt er eine Reduzierung der Exemplarstreuung , da sich aufgrund der Gegenkopplung ein Regelverhalten einstellt . Ein weiterer Vorteil des Rx liegt somit in der Arbeitspunktstabilisierung.

Zur Dimensionierung der Emitterstufe sind folgende Faktoren zu berücksichtigen :

1.) Der Arbeitspunkt sollte bei 50% der pos. Versorgungsspannung liegen , um eine maximale

Amplitude des Wechselspanungssignals gewährleisten zu können .

2.) Der Eingangswiderstand der folgenden Schaltung (OPV-Schaltung) ist zu ermitteln , da

dieser dem Lastwiderstand der Emitterschaltung entspricht .

3.) Aufgrund der Ausgangsspannung , welche sich durch den endgültigen Lastwiderstand und 

der Leistung der Endstufe errechnet , folgt nach Abzug der max. Spannungsverstärkung

der OPV-Stufe die zu liefernde Signalspannung der Treiberstufe .