U, I
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Leistungsverstärker Funktionsprinzip: Elektrische Leistung (DC) Elektrische Signale (AC) Pneumatische Leistung Elektr. Leistung (AC) LeistungsVerstärker Ue(t) Thermische Verlustleistung (Wärme) Lautsprecher Luftdruckänderung PAC Wirkungsgrad: η = PDC Gleichstromleistung Eingang Ausgang Ie Ue (t) Ia Aktiver Vierpol RL Ua (t) Verlustleistung • ein Verstärker entspricht einem aktiven Vierpol • die Eingangsgrößen (U, I) werden verstärkt und über dem Ausgang an einen Lastwiderstand (RL) abgegeben • Ausgangsleistung >> Eingangsleistung dadurch ist die Zufuhr von Gleichstromleistung notwendig • Gleichstromleistung = Wechselstromleistung + Verlustleistung Anforderungen an einen Verstärker • Hauptaufgabe: Leistung verstärken • geringe Verzerrungen • geringes Rauschen • hohe Bandbreite • Linearität • keine Änderung der (dynamischen) Eigenschaften während des Betriebs (z.B. Temperaturdrift) • hoher Wirkungsgrad • geringe Kosten Übersicht Man unterscheidet die Leistungsverstärker entsprechend ihrer Betriebsart. Die verschiedenen Betriebsarten werden durch die unterschiedliche Platzierung der Arbeitspunkte festgelegt. Die Einteilung erfolgt in die Klassen A, B, AB, C und D. Klasse A - Verstärker Man spricht von einem Verstärker der Klasse A, wenn eine symmetrische Aussteuerung um den Arbeitspunkt erfolgt. Das bedeutet, der Arbeitspunkt liegt in der Mitte des dynamischen Aussteuerbereiches. Der Vorteil dieser Betriebsart liegt darin, dass A-Verstärker mit einem einzelnen Transistor aufgebaut werden können. Dieser arbeitet sehr linear und verstärkt beide Halbwellen annähernd gleich, wodurch die Verzerrungen äußerst gering sind. Es treten keine Übernahmeverzerrungen auf. Der Nachteil dieser Schaltung ist der äußerst schlechte Wirkungsgrad von maximal 25% bei voller Aussteuerung. Desweiteren ist bei Klasse A Verstärkern die Stromaufnahme konstant, d.h. der Verstärker verbraucht immer die gleiche Leistung, egal ob im Leerlauf oder unter Volllast. Somit ist der Wirkungsgrad in der Praxis noch weit geringer. Typische Schaltung IC (t) = I RL (t) Emitterschaltung U RL (t) + U CE (t) = U B RL URL (t) Ic (t) UB UCE (t) Ue (t) UB RL Ue(t) Betriebsspannung Lastwiderstand z.B. Lautsprecher Eingangsspannung z.B. Musiksignal Berechnung von Pmax Annahme: U CEmin (t) = 0V U CEmax (t) = U B U UB Û RL U CE UB 2 0 TP t AC Leistung 1 PAC (R L ) = TP ∫ Tp 0 i RL (t) * u RL (t)dt 2 u RL (t) PAC (R L ) = RL u RL (t) i RL (t) = RL u RLEff 1 = TP ∫ Tp 0 u 2RL (t)dt für sinusförmige Größen gilt: U 1 u RLEff = u RL mit u RL = B 2 2 1 u RLEff = UB 2 2 1 U 2B PACmax (R L ) = 8R L Der maximale Ausgangsleistung ergibt sich also aus Betriebsspannung zum Quadrat, geteilt durch das 8-fache des Lastwiderstandes. Beispiel: Betriebsspannung = 12V (Gleichstrom) Lastwiderstand = 4Ohm PACmax = 4,5 W (Sinusleistung) Für eine höhere Ausgangsleistung muss die Betriebsspannung erhöht, oder der Lastwiderstand verringert werden. Berechnung des Wirkungsgrades DC Leistung PDC PDC PDC PDC 1 = TP ∫ TP 0 IC (t) * U(t)dt U B TP U B U RL *sin ωt ( )dt = + ∫ 0 TP 2R L RL U B TP U B ( = + U RL *sin ωt)dt ∫ 0 R L TP 2 UB UB U 2B ( = + 0) = RL 2 2R L U(t)=U B U RL (t) IC (t) = ICAP + RL U U *sin ωt IC (t) = B + RL 2R L RL Maximale Ausgangsleistung Benötigte Gleichstromleistung 1 PACmax (R L ) = U B2 8R L PDC UB UB U 2B = + 0) = ( RL 2 2R L Wirkungsgrad η ηmax = PACmax PDC 1 U 2B 8R L 2U 2B R L 1 = = = = 25% 2 2 UB 8U B R L 4 2R L Der maximale Wirkungsgrad eines Klasse A Verstärkers beträgt 25%. Beispiel: Ein Musikverstärker mit 100W Sinusleistung bei einer typischen Last von 4Ohm: - Die abgegebene max. Wechselstromleistung PACmax = 100W - Die aufgenommene Gleichstromleistung PDC = 400W - Die als Wärme abgeführte Leistung PTh = PACmax - PDC = 300W -Die benötigte Betriebs-/Gleichspannung UB = 56,6V In der Realität wäre ein solcher Verstärkeraufbau schon aufgrund der enormen Wärmeverlustleistung nicht funktionsfähig. Der Klasse B - Verstärker Bei Klasse B-Verstärkern liegt der Arbeitspunkt an der Reststromgrenze. Im Leerlauf (ohne Eingangssignal) fließt somit beim B-Betrieb nur ein vernachlässigbar kleiner (Kollektor-)Strom. Der Vorteil der Leistungsverstärker im B-Betrieb liegt in ihrem hohen Wirkungsgrad. Der Nachteil des besteht darin, dass mit jedem Transistor nur eine Halbwelle verstärkt werden kann. Für einen vollständigen Gegentaktbetrieb (push-pull Betrieb) sind somit zwei Transistoren nötig, welche abwechselnd je eine Halbwelle verstärken. Nicht zu vernachlässigen sind die großen Übernahme-Verzerrungen in der Umgebung des Nulldurchganges. Typische Schaltung Komplementärer Emitterfolger (Kollektorschaltung) IC1(t) T1 UB….Betriebsspannung + NPN 1 UCE1(t) UB - Ue(t)…..Eingangssignal RL URL(t) + Ue(t) PNP T2 UCE2(t) 2 IC2(t) UB - T1/2….Transistor 1/2 Ergänzungen Um beide Halbwellen zu verstärken, wurden in der abgebildeten Schaltung je ein npn- und ein pnp-Transistor als Emitterfolger verwendet. Die beiden npn- und pnp-Transistoren sind „gepaart“, was bedeutet, dass sie identische Parameter besitzen. Ein Beispiel für solche gepaarte Transistoren sind die Transistoren 2N3904 und 2N3906. Die Schaltung arbeitet wie folgt: Unter der Annahme, dass noch keiner der beiden Transistoren leitet, erscheint keine Spannung am Ausgang. Sobald die Eingangsspannung die Schwellspannung des npn-Transistors überschritten hat, beginnt der Ausgang dem Eingang zu folgen. Das Komplementäre dazu spielt sich für die negative Halbwelle ab. Berechnung von Pmax Annahme: U CE1 (t) = 0V → T2 gesperrt ⇒ U RL (t) = U B U CE2 (t) = 0V → T1 gesperrt ⇒ U RL (t) = -U B U UB Û RL T1 U RL 0 TP -U B U RL (t) = U RL *sin ωt t T2 AC Leistung 1 PAC (R L ) = TP ∫ Tp 0 i RL (t) * u RL (t)dt 2 u RL (t) PAC (R L ) = RL i RL (t) = u RLEff u RL (t) RL 1 = TP ∫ Tp 0 u 2RL (t)dt für sinusförmige Größen gilt: u RLEff u RLEff 1 PACmax (R L ) = U 2B 2R L 1 u RL mit u RL = U B = 2 1 = UB 2 Der maximale Ausgangsleistung ergibt sich also aus Betriebsspannung zum Quadrat, geteilt durch das doppelte des Lastwiderstandes. Allerdings wird eine Negative und eine Positive Betriebsspannung benötigt. Beispiel: Betriebsspannung = 12V Æ durch Potentialverschiebung: +6V und -6V Lastwiderstand = 4Ohm PACmax = 4,5 W (Sinusleistung) Für eine höhere Ausgangsleistung wird eine höhere Betriebsspannung benötigt. Berechnung des Wirkungsgrades PDC 1 = TP ∫ TP 0 1 i C1 (t) * U Bdt + TP ∫ TP 0 i C2 (t) * U Bdt wegen Symmetrie gilt: TP 2 C1 0 PDC 2 = TP PDC 2U 2B = TP * R L PDC = ∫ i C(t) = i (t) * U B dt 2 B 2U TP * R L TP 2 0 ∫ U RL (t) U B *sin ωt = RL RL sin ωt dt TP 2 ⎡ 1 ⎤ cos − t ω ⎢⎣ ω ⎥⎦ 0 PDC 2U 2B 4U 2B 1 = * *2 = TP * R L 2πf TP * R L * 2πf PDC 2U 2B = π*RL DC Leistung TP *f = 1 Maximale Ausgangsleistung 1 PACmax (R L ) = U 2B 8R L Benötigte Gleichstromleistung PDC 2U 2B = π*RL Wirkungsgrad η ηmax = PACmax PDC 1 U 2B 8R L π = = = 78,5% 2 2U B 4 π*RL Der maximale Wirkungsgrad eines Klasse B Verstärkers beträgt 78,5%. Beispiel: Ein Musikverstärker mit 100W Sinusleistung bei einer typischen Last von 4Ohm: - Die abgegebene max. Wechselstromleistung PACmax = 100W - Die aufgenommene Gleichstromleistung PDC = 127,4W - Die als Wärme abgeführte Leistung PTh = PACmax - PDC = 27,4W - Die benötigten Betriebs-/Gleichspannungen UB = +28,3V und -28,3V In der Realität werden aufgrund der hohen Verzerrungen keine reinen Klasse B - Verstärker als Musikverstärker genutzt.
