Leistungsverstärker

Leistungsverstärker
1. Versuchsziel
Im Praktikumsversuch „Leistungsverstärker“ soll eine Transistorschaltung zur Erzeugung großer
Wechselausgangsleistung aus kleiner Wechseleingangsleistung untersucht werden. Dabei steht der
transformatorlose („eisenlose“) Gegentakt-B-Verstärker im Mittelpunkt. Im Versuch lernen Sie die
Wirkungsweise, die Kennlinien und die Dimensionierung wesentlicher Schaltungsteile kennen.
2. Grundlagen
Der Gegentakt-B-Verstärker zeichnet sich durch einen großen Wirkungsgrad und kleine
Verzerrungen aus. Er wird deshalb bevorzugt als Leistungsverstärker eingesetzt. Zwei
Endstufentransistoren werden so angesteuert, dass im B-Betrieb während einer Halbperiode der
Eingangsspannung jeweils nur ein Endstufentransistor leitend ist. Die Summe der Ströme über
beide Halbperioden bildet im Lastwiderstand einen Wechselstrom. Da die Spannungsverstärkung
der Endstufe rund 1 ist, muss in der Vorstufe die gewünschte Verstärkung erreicht werden. Gut
eignet sich ein Differenzverstärker als Vorstufenverstärker.
Da beim eisenlosen Leistungsverstärker der Ausgangsstrom durch den Lastwiderstand und US
bestimmt wird, ist der Einbau einer elektronischen Sicherung vorteilhaft (nicht eingezeichnet), so
dass bei versehentlichem Kurzschluss am Ausgang die Endstufentransistoren nicht zerstört werden.
Beim transformatorlosen Leistungsverstärker hängen Betriebsspannung US, Lastwiderstand RL und
maximale Wechselausgangsleistung unveränderlich zusammen. Bei Vernachlässigung einiger
durch die Transistoren gegebener Einflüsse bestehen folgende Beziehungen:
=
Î
=
/
=
∙
Die Leistung ergibt sich als Produkt der Effektivwerte von Strom und Spannung:
=
∙
=
8∙
√2
√2
Bestimmend für die Dimensionierung der Schaltung sind die geforderte Wechselausgangsleistung,
der Lastwiderstand und die Belastbarkeit der Transistoren (Maximalwerte von Strom, Spannung,
Verlustleistung). Es gilt für jeden der beiden Transistoren:
=
∙
∙
und
=
∆
ist der thermische Widerstand zwischen dem Halbleiterkristall des Transistors und der
+
). ∆ ist die Differenz aus der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur
Umgebung (
und der Umgebungstemperatur.
3. Studienfragen
3.1. Erklären Sie die Wirkungsweise einer transformatorlosen Gegentakt-B-Endstufe!
3.2. Realisieren Sie eine Schaltung gemäß mit Komplementärtransistoren. Welche
Ansteuerschaltungen kommen hier in Frage?
3.3. Erläutern Sie das Wirkprinzip des Differenzverstärkers anhand der Versuchsschaltung.
Welche Bauelemente bilden das Gegenkopplungsnetzwerk? (Benutzen Sie das OV-Modell)!
3.4. Welche Eigenschaften besitzt eine elektronische Sicherung? Wie wirkt sie, und wie wird sie
schaltungstechnisch realisiert?
3.5. Wie arbeitet eine Brückenschaltung mit Leistungsverstärker?
3.6. Was versteht man unter den Begriffen A-, B-, AB-, C-Betrieb, wo finden sie ihre
Anwendung?
3.7. Warum treten im Betrieb bei kleiner Aussteuerung nichtlineare Verzerrungen auf? Wie kann
man sie verringern? Erläutern Sie das Zustandekommen von nichtlinearen Verzerrungen bei
großer Aussteuerung!
3.8. Wie konstruiert man die Steuerkennlinie einer Gegentaktendstufe?
3.9. Welche maximalen Betriebswerte müssen bei der Dimensionierung der Schaltung
berücksichtigt werden?
3.10. Erläutern Sie die Innenschaltung des integrierten Leistungsverstärkers A2030!
4. Aufgaben
4.1.Hausaufgaben
Wie groß darf der minimale Lastwiderstand sein, wenn folgende Werte vorgegeben werden:
Transistor KU 611; ϑ j=155°C; ϑ a=45°C; Rth=11K/W;
a) US=6V
b) US=12V
c) US=15V ?
Analysieren Sie die Versuchsschaltung, bestimmen Sie alle Ruheströme und –potentiale!
4.2.Versuchsaufgaben
4.2.1. Nehmen Sie den Verlauf der maximalen Ausgangsleistung in Abhängigkeit vom
Lastwiderstand bei US=12V auf! Beachten Sie dabei den Minimalwert von RL.
4.2.2. Nehmen Sie den Verlauf der maximalen Ausgangsleistung in Abhängigkeit von US
4V≤US≤14V bei RL=4Ω, 8Ω auf!
4.2.3. Bestimmen Sie bei US=12V und RL=4Ω den Wirkungsgrad η sowie die Restspannung UCES!
4.2.4. Tragen Sie bei konstanter Eingangsspannung die Spannungsverstärker V ≡ ua/ue über der
Frequenz auf, und bestimmen Sie die Grenzfrequenz des Amplitudenfrequenzganges bei
unterschiedlicher Gegenkopplung (US=12V, RL=4Ω)
5. Versuchsspezifische Hinweise
5.1. Unter dem Begriff maximale Ausgangsleistung ist die maximale Sinusleistung zu verstehen,
die noch verzerrungsfrei übertragen wird.
5.2. Die Versuchsaufgaben 4.2.1 – 4.2.3. sind bei f=1kHz und bei einer Gegenkopplung mit R =
3kΩ durchzuführen.
5.3. Die Darstellung der Amplitudenfrequenzgänge zu Aufgabe 4.2.4. erfolgt auf logarithmischem
Papier. Die Frequenz wird logarithmisch und die Spannungsverstärkung in Dezibel aufgetragen.
Als Eingangsspannungen werden folgende Werte für
empfohlen:
Gegenkopplung
Eingangsspannung
1kΩ
50mV
3kΩ
150mV
10kΩ
500mV
6. Schaltung des Leistungsverstärkers
7. Literatur
SEIFART, Analoge Schaltungen und Schaltkreise, Verlag Technik Berlin 1982
TIETZE/SCHENK, Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer-Verlag 2001
TOLK, Hauptparameter von Endstufen, rfe 1974, Heft 9
CZIRR, 100-W-HI-FI-Leistungsverstärker, rfe 1977, Heft 18
SALOMON, Eisenlose HF-Hochleistungsverstärker mit Transistoren, Funkamateur 1973 Heft 11
und 12, 1974 Heft 1
(Die letzten drei Literaturquellen finden sie unter:
I:\_Schaltungstechnik Praktikum\Versuch Leistungsverstärker\ Schaltungstechnik V1.pdf)