Versuchsumdruck Leistungsverstärker mit Transistor

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STUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen
Prof. Dr.-Ing. U. Bochtler, Armin Huth
Praktikum Schaltungstechnik I
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Versuch 6
Version 1.1 vom 11.05.2001
Versuchsumdruck
Leistungsverstärker mit Transistor - Endstufe
Inhalt
0. Verwendete Geräte und Zubehör ........................................................................ 2
1. Einleitung............................................................................................................ 2
2. Grundlagen......................................................................................................... 2
2.1 Betriebsarten eines Verstärkers.................................................................... 2
2.2 Signalaufzeichnungen der verschiedenen Betriebsarten.............................. 5
2.3 Gegenkopplung ............................................................................................ 6
2.4 Frequenzgang .............................................................................................. 7
2.5 Darlington-Schaltung .................................................................................... 8
2.6 Leistungverstärker mit MOS-Feldeffekttransistoren...................................... 8
2.7 Wirkungsgrad ............................................................................................... 9
2.8 Transistorverlustleistung............................................................................. 10
3. Vorbereitung zu Hause ..................................................................................... 11
4. Versuchsaufbau................................................................................................ 11
5. Versuchsdurchführung...................................................................................... 12
6. Literaturhinweise .............................................................................................. 15
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Versuch 6
0. Verwendete Geräte und Zubehör:
1 Oszilloskop Infinium
1 Netzgerät HP E3631
1 Funktionsgenerator HP 33120A
1 Multimeter 3650D
1 Multimeter HP 34401A
1 Steckbrett
Transistorschaltung
1. Einleitung
Leistungsverstärker werden in der Praxis eingesetzt, um Elektroniken mit geringer
Ausgangsleistung an Bauelemente anzupassen, die größere Leistungen benötigen, z. B.
Kleinmotoren oder Lautsprecher. Leistungsverstärker werden in diesen Anwendungen mit
einer zeitlich veränderlichen Spannung angesteuert, die möglichst unverzerrt verstärkt
werden soll. In der Regel übernimmt die Vorstufe in einem Leistungsverstärker die
Spannungsverstärkung und die Endstufe die Stromverstärkung des Eingangssignals.
In diesem Versuch sollen Kenntnisse der Bereiche “statische Übertragungskennlinien"“
“Betriebsarten“ und “Belastungsfälle“ der Endstufe vermittelt werden.
2. Grundlagen
2.1 Betriebsarten eines Verstärkers
Man gliedert Verstärker nach Betriebsarten, die sich aus der Arbeitspunkteinstellung der
Endtransistoren ergibt. Man unterscheidet die klassischen Fälle A -, AB -, und B – Betrieb.
Sonderentwicklungen von NF – Leistungsverstärkern bestehen aus Kombinationen dieser
Betriebsarten. Im HF – Bereich und für große Leistungen wird auch der C – Betrieb benutzt.
In digitalen Leistungsverstärkern wird das NF – Signal pulsdauermoduliert. Auch die Endstufe arbeitet digital mit geringen Verlusten im Durchlaß- und Sperrzustand.
Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau verschiedener Betriebsarten und deren Arbeitspunkteinstellungen.
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a) B - Betrieb
b) AB – Betrieb
c) A – Betrieb
Bild 1: Betriebsarten von Leistungsverstärkern und Arbeitspunkteinstellung
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Die reine Endstufe hat je nach Betriebsart, Transistorkennlinie und Belastung eine mehr oder
weniger nichtlineare Übertragungskennlinie Ua = f(Ue). Infolgedessen treten starke oder
geringe Verzerrungen des Ausgangssignals auf (Bild 2).
a) B – Betrieb
≈ 2 ⋅U BE
Ua
Ua
Übernahmeverzerrungen
Ue
t
t
b) AB – Betrieb
Ua
Ua
Ue
t
t
Bild 2: Spiegelung
Transistoren
eines
Sinussignals
an
den
nichtlinearen
Übertragungskennlinien
von
In Bild 2 a) ist die Übertragungskennlinie und die Ausgangsspannung für Gegentakt-BBetrieb zu sehen. In Nullpunktnähe wird der Strom auch in dem leitenden Transistor sehr
klein und sein Innenwiderstand hoch. Daher ändert sich die Ausgangsspannung bei
Belastung in diesem Bereich weniger als die Eingangsspannung. Dies ist die Ursache für
den Kennlinienknick in Nullpunktnähe. Die damit verbundenen Verzerrungen der
Ausgangsspannung werden als Übernahmeverzerrungen bezeichnet. Läßt man nun durch
beide Transistoren einen kleinen Ruhestrom fließen, so verkleinert sich ihr Widerstand in
Nullpunktnähe, und man erhält die Übertragungskennlinie in Bild 2 b). Man erkennt, dass die
Übernahmeverzerrungen beträchtlich kleiner sind. Macht man den Ruhestrom etwa so groß
wie den maximalen Ausgangsstrom, so würde man eine solche Betriebsart als Gegentakt-ABetrieb bezeichnen. Die Übernahmeverzerrungen verkleinern sich jedoch schon beachtlich,
wenn man nur einen Ruhestrom fließen läßt, der einen kleinen Bruchteil des maximalen
Ausgangsstromes beträgt. Eine solche Betriebsart heißt Gegentakt-AB-Betrieb und bei ihr
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sind die Übernahmeverzerrungen bereits so klein, dass man sie durch Gegenkopplung leicht
auf nicht mehr störende Werte heruntersetzen kann.
2.2 Signalaufzeichnungen der verschieden Betriebsarten
2.2.1 B – Betrieb
Eingangssignal
Ausgangssignal
Schulter
Bild 2c: Ein- und Ausgangsspannung im B-Betrieb
Das Eingangssignal ist das Sinussignal (bei farbiger Darstellung: Gelb), welches mit der
Einstellung von 50mV/div gemessen wurde.
Das Ausgangssignal ist das Sinussignal mit den Schultern (bei farbiger Darstellung: Grün),
welches mit der Einstellung von 200mV/div gemessen wurde.
2.2.2 AB-Betrieb
Eingangssignal
Ausgangssignal
Schulter
Bild 2d: Ein- und Ausgangsspannung im AB-Betrieb
Das Eingangssignal ist das Sinussignal (bei farbiger Darstellung: Gelb), welches mit der
Einstellung von 50mV/div gemessen wurde.
Das Ausgangssignal ist das Sinussignal mit den Schultern (bei farbiger Darstellung: Grün),
welches mit der Einstellung von 500mV/div gemessen wurde.
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2.2.3 A – Betrieb
Eingangssignal
Ausgangssignal
Bild 2e: Ein- und Ausgangsspannung im A-Betrieb
Das Eingangssignal ist das Sinussignal (bei farbiger Darstellung: Gelb), welches mit der
Einstellung von 50mV/div gemessen wurde.
Das Ausgangssignal ist das Sinussignal mit der kleineren Amplitude (bei farbiger
Darstellung: Grün), welches mit der Einstellung von 1V/div gemessen wurde.
2.3 Gegenkopplung
Bindet man die Endstufe mit einer Vorstufe in eine Gegenkopplung (GK) ein, so kann eine
gute Linearisierung erreicht werden, da der Operationsverstärker bestrebt ist, die Differenzspannung zwischen seinen beiden Eingängen auf null zu regeln. Wird also vom Ausgang
des Leistungsverstärkers das verzerrte Signal auf einen Eingang des Operationsverstärkers
zurückgekoppelt, regelt der OP solange nach, bis Eingangsspannung und rückgekoppelte
Spannung gleich groß sind.
In diesem Versuch wird eine Operationsverstärkerstufe und die spannungsserielle
Gegenkopplung benutzt (Bild 3).
U
V
U
V
ic+
i
c
−
Bild 3a: Prinzipielle Schaltung des Leistungsverstärkers mit Bipolarendstufe im B – Betrieb
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u
u
1
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i
2
t
C
+
t
t
i
Bild 3b: Spannungs- und Stromverlauf der Schaltung in Bild 3.a
C
−
In Bandmitte besitzt diese Schaltung die Spannungsverstärkung
,
vu
Mit k
=
R1
R1 + R2
=
U2
U1
=
1
;
k
( weil k . vu >> 1 )
(Rückkopplungsfaktor), wird
vu ≅ vOP
(1)
Differenzverstärkung des Operationsverstärkers für tiefe Frequenzen.
2.4 Frequenzgang
Der Frequenzgang eines Leistungsverstärkers gibt an, in welchem Frequenzbereich dieser
zeitlich veränderliche Signale mit konstanter Verstärkung verarbeiten kann. In der Regel
werden die 3 dB Abfälle von der Verstärkung in Bandmitte als obere bzw. untere GrenzFrequenz bezeichnet.
Bild 4: Frequenzgang eines Verstärkers
Die untere Grenzfrequenz kann durch einen Koppelkondensator CK am Eingang festgelegt
werden. Sie errechnet sich nach Gleichung (2):
f gu
=
1
2 ⋅ π ⋅ ( Rg + Re ) ⋅ C K
(2)
Rg = Innenwiderstand der Signalquelle
Re = Eingangswiderstand des Verstärkers
CK = Koppelkondensator
Die obere Grenzfrequenz wird durch die Transistoren bestimmt (Millerkapazität und
Streukapazitäten), bzw. durch den Operationsverstärker.
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2.5 Darlington – Schaltung
Die Leistungsverstärkung der Endtransistoren reicht besonders bei größeren Verstärkern oft
nicht aus. Der Vorverstärker ist zu schwach, die Endstufe voll auszusteuern. Er ist wohl in
der Lage, die notwendige Steuerspannung zu liefern, seine Strombelastbarkeit ist jedoch nur
gering. Die Stromverstärkung eines Endtransistors kann erheblich vergrößert werden, wenn
eine weiterer Transistor unmittelbar vorgeschaltet wird. Die Gesamtschaltung aus beiden
Transistoren bildet dann einen Darlingtontransistor, der sich nach außen hin so verhält wie
ein einziger Transistor mit sehr hoher Stromverstärkung. Der dem Endtransistor vorzuschaltende Treibertransistor sollte in seiner Strombelastbarkeit dem größten vorkommenden Basisstrom des Endtransistors angemessen sein. Prinzipiell sind zwei Schaltungen zur
Realisierung von Darlingtontransistoren möglich (Bild 5).
a)
b)
CKD
CD
Q
BD
Q
Q
BKD
ED
Q
EKD
Bild 5: Gewöhnliche (a) und komplementäre (b) Darlingtonschaltung
In diesem Versuch werden die auf einem Halbleiterchip integrierten Darlingtontransistoren
MJ 3001 und MJ 2501 (NPN bzw. PNP) benutzt.
2.6 Leistungsverstärker mit MOS-Feldeffekttransistoren
Leistungsverstärker mit MOS-FET’s haben den Vorteil gegenüber Bipolartransistoren, dass
sie sich viel schneller ein- und ausschalten lassen. Während die Schaltzeiten des bipolaren
Leistungstransistors bei ca. 100ns bis 10µs liegen, betragen sie bei MOS-FET’s ca 10ns
bis100ns. Deshalb sind Verstärker mit Leistungsmosfets für Frequenzen über 100kHz und
1MHz vorteilhaft.
Bild 6: MOS-FET-Stufe
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2.7 Wirkungsgrad (siehe auch Bild 3)
∧
Die Nutzleistung des Leistungsverstärkers berechnet sich aus PL
Der Wirkungsgrad ist definiert zu η
= 100 % ⋅
=
2
u2
.
2 RL
PL
.
Pges
(3)
(4)
Unter Vernachlässigung der Verlustleistungen der Vorstufe und des Rückkopplungszweiges
setzt sich die Gesamtleistung der Endstufe zusammen:
Pges
=
(5)
P+ + P−
Bei symmetrischen Versorgungsspannungen und einem Ausgangsruhepotential von 0V sind
P+ und P- gleich, d. h.
Pges = 2 P+
(6)
∧
Im B – Betrieb und bei sinusförmigem Ausgangssignal u2 = u 2 ⋅ sin ω t
(7)
läßt sich der Wirkungsgrad mit Hilfe der angegebenen Gleichungen berechnen.
Allgemein gilt (siehe Bild 1/Bild 3):
P+
mit I C1
=
1
T
T
∫I
C1
(8)
(t ) U V (t ) dt
0
T
U 2
 R , wenn 0 < t ≤ 2
=  L
0 , wenn T < t ≤ T

2
Durch Einsetzen erhält man als Zwischenergebnis
∧
P+
=
1 UV ⋅ u 2
⋅
T
RL
T
2
∫ sin ω t dt
(9)
0
∧
Die Integration ergibt:
P+
UV ⋅ u 2
=
π ⋅ RL
(10)
∧
Daraus folgt für den Wirkungsgrad der B – Endstufe: η
=
π
u2
⋅
⋅ 100 %
4 UV
(11)
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2.8 Transistorverlustleistung (siehe Bild 3)
Durch Multiplikation des Kollektorstromes mit der Kollektor – Emitterspannung erhält man die
Transistorverlustleistung. Sie ist bei symmetrisch aufgebauter Schaltung für beide
Transitoren gleich groß und bei Bipolartransistoren definiert zu:
1
T
=
PT
T
∫
(12)
I C (t ) U CE (t ) dt
0
Im B – Betrieb gilt (Bild 1 u. Ua = U2): U CE (t )
= U V − U 2 (t )
(13)
Bei sinusförmigem U2 ergibt sich als Zwischengleichung:
1
=
T
PT
Mit Hilfe der Beziehung sin 2 x
T
2
∫
0
=
∧
∧
u2
⋅ sin ω t ⋅ ( U V − u 2 ⋅ sin ω t ) dt
RL
1
( 1 − cos 2 x )
2
PT
=
(15)
∧2
∧
folgt:
(14)
u 2 ⋅ UV
u2
−
π ⋅ RL
4 RL
(16)
Die maximale Transistorverlustleistung PTmax ergibt sich aus der Forderung
d PT
∧
∧
bei
= 0
u2
d u2
=
2
π
UV
Durch Einsetzen erhält man:
PT max
=
1  UV 


RL  π 
2
(17)
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3. Vorbereitung zu Hause
Berechnen Sie die Transistorverlustleistung nach Gleichung (16). Stellen Sie sie graphisch
∧
als Funktion PT = f ( u a ) dar (UV = 15V; RL = 8Ω). Bei welcher Ausgangsspannung tritt die
maximale Verlustleistung auf?
Die ermittelten Werte sind auch in einer Tabelle darzustellen.
4. Versuchsaufbau
Die Schaltung des Leistungsverstärkers zeigt Bild 8. Sie besteht aus drei Stufen, Vorstufe,
Betriebsartenstufe, Endstufe.
Vorstufe und Betriebsartenstufe werden mit ±15V betrieben. Die Endstufe wird mit ±6V
betrieben. D.h., Sie benötigen vier Versorgungsspannungen.
Der Schalter S3 (hier Drahtverbindung) dient zur Umschaltung der Gegenkopplung. Wird
Punkt 2 mit dem Rückkopplungszweig verbunden, entsteht eine “Gegenkopplung über alles“
(GK). Liegt Punkt 1 am Rück-kopplungszweig ist nur der Operationsverstärker
gegengekoppelt. Da der Schaltungsaufbau bisher auf einem Steckbrett erfolgt, werden die
Schalter über gesteckte Leitungen realisiert.
Die Realisierung einer B – Endstufe geschieht durch direkten Anschluß der Basiszuleitung
der beiden Darlington – Transistoren an den Ausgang des Operationsverstärkers 741. Für
den AB – Betrieb sind die Basiszuleitungen an die Kathode von D1 bzw. D3 anzuschließen.
Vorspannungen für die Endtransistoren lassen sich mit P2 und P3 einstellen.
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Dimensionierung:
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+Uv1 = +15V; -Uv1 = -15V;
+Uv2 =+ 6V; -Uv2 = -6V; Achtung: Strombegrenzung 500 mA
für ± Uv2.
U1 = 300 - 400 mV/
800-1000 Hz
IK = 15mA
R0 = 10kΩ
R1 = 2kΩ
R2 = 18kΩ
R4 = 150kΩ
RE = 0,22 Ω
RG = 1kΩ
RL = 8Ω ( Reihenschaltung aus 4,7Ω+3,3Ω)
CK = 0,1µF
CL = 1,0 µF
D1 - D6 = 1N4001
T1 = MJ3001, T2 = MJ2501
Schalter ohne Bezeichnung sind als Kurzschlußstecker (Drahtverbindung) realisiert.
5. Versuchsdurchführung
!! Vor jedem Umschalten die Versorgungsspannung ausschalten !!
Tip: Halten Sie alle Leitungen in Ihrem Aufbau wegen der drohenden
Schwingneigungen möglichst kurz.
Zu untersuchende Schaltung
+Uv1
P2
IK
+Uv2
T1
Rg
+UV1
MJ 3001
D1
UA 741
+
CK
D5
1
-
D2
RE
D3
RE
U1
MJ 2501
Rg
S3
R2
T2
P3
R1
Vorstufe
D6
D4
-UV1
R0
2
-Uv2
-Uv1
|
Betriebsartenstufe
RL
CL
|
Endstufe
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Bild 8: Schaltung des Leistungsverstärkers
5.1 Versuchsvorbereitung
Überprüfen Sie die Schaltung auf dem Steckbrett anhand des vorliegenden Schaltplans.
Führen Sie nachfolgende Messungen an den einzelnen Stufen mit Hilfe des Oszilloskops
durch. Die Schaltung soll dabei im AB-Betrieb aufgebaut sein.
Vorstufe:
Messen Sie die Versorgungsspannungen nach.
Messen Sie die Verstärkung der Vorstufe (Eingangsspannung U1 anlegen).
Stufe zur Erzeugung der Basisvorspannungen für die Endtransistoren:
Erläutern Sie die Schaltungsvarianten (kurze Erklärung) zur Erzeugung der
Basisvorspannungen und messen Sie diese, wenn am Eingang der Schaltung keine
Singnalspannung U1 anliegt.
Was ist ihr Bezugspotential ?
Endstufe:
Erläutern Sie die Schaltungsvariante
Versorgungsspannung der Stufe.
(kurze
Erklärung).
Überprüfen
Sie
die
5.2 Übertragungskennlinie
Nehmen Sie die Übertragungskennlinie im B-Betrieb für den folgenden Betriebsfall auf:
Für RL = 8Ω mit Gegenkopplung nur über den OP 741.
(X-Y Betrieb des Oszilloskops , U1 = 300 - 400 mV / 800-1000 Hz, x-Achse als Ue mit Kanal 1
y-Achse als Ua mit Kanal 2)
Geben Sie auch die Oszilloskopeinstellungen (time-base und Amplitude) mit an.
5.3 Zeitdiagramm
Nehmen Sie für die Bipolarendstufe im AB - Betrieb ohne GK die Ausgangsspannung u2(t)
auf. Dazu ist der Vorverstärker LM741 abzutrennen und direkt am Eingang der
Bipolarentstufe (über zum Teil bereits vorhandene Brücken) einzuspeisen. Versuchen Sie
insbesondere das in Bild 2 dargestellte Diagramm für den AB-Betrieb nachzuvollziehen (mit
RL = 8 Ω).
∧
Messung bei: u1 = 4V, f = 0,3 Hz (Sinus)
∧
( u 1 = Eingangsspg. Endstufe !!!)
0,3 Hz ist sehr langsam, beachten Sie dies bei der Oszilloskopeinstellung!
Anmerkung:
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Achten Sie in diesem Versuch auch besonders auf die Stromanzeigen der Netzgerät. Man
kann dabei gut den Wechsel der Ausgangsspannung zwischen der positiven und der
negativen Halbwelle erkennen.
5.4 Wirkungsgrad
Zur Ermittlung des Wirkungsgrads η sind die Nutzleistung PL und die Versorgungsleistung P+
∧
für f = 1 kHz zu messen (Einspeisung von u1 über CK an OP 741), und zwar für die
Bipolarendstufe nur mit Gegenkopplung des OP (Widerstand R2 muss direkt über Ausgang
und invertierendem Eingang des OP liegen) und RL = 8Ω als Last.
Die beiden Leistungsaufnahmen sind über eine Effektivwert - Messung der Ausgangsspannung mit Hilfe des Infinium-Oszilloskops und den Messwerten des Netzgerätes zu ermitteln.
∧
(tabellarische Darstellung von u 2 , IC+, P+, Pzu, Ua eff, PL und η).
Führen Sie die Messung im B-Betrieb durch.
∧
∧
Messpunkte jeweils bei einer Ausgangsspg. von u 2 = 1V und u 2 = 5V !!!
Messwert-Tabelle:
∧
u 2 /V
1
5
IC+ /mA
P+ /W
Pzu /W
Ua eff/V
PL/W
η/%
Berechnungsformeln:
P+ = UV+ * IC+ (Messwerte Konstanter)
Pzu= 2 * P+
(da symmetrische Versorgungsspg.)
Ua eff = direkte Messung Infinium
PL = (Ua eff)²/ RL
η = PL / Pzu
5.5 Gegenkopplung
a) Realisieren Sie eine Gegenkopplung der Schaltung „über alles“ (siehe Beschreibung
unter Punkt 4 Versuchsaufbau) und stellen Sie die Betriebsarten B und AB dar.
b) Wie lässt sich das Ergebnis interpretieren.
5.6 Lautsprecher
Schließen Sie den beiliegenden Lautsprecher anstatt des 8Ohm Lastwiderstandes an die
Endstufe an. Als Eingangssignal verwenden Sie ein Line-Signal aus dem Ausgang der
Soundkarte des PC’s. Eine MP3-Musikdatei finden sie direkt im Laufwerk C:.
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Experimentieren Sie nun mit den verschiedenen Betriebsarten der Endstufe sowie mit der
Gegenkopplung über alles. Achten Sie auch auf die Leistungsaufnahme der Endstufe.
Bei welcher Betriebsart erhalten Sie den besten Klang?
Angenommen Sie entwickeln ein batteriebetriebenes Gerät, welche Schaltungsvariante
würden Sie verwenden? Warum?.
Im Datenblatt handelsüblicher Endstufen wird immer ein Klirrfaktor angegeben. Was
bedeutet dieser Klirrfaktor (Literatur- bzw. Internetrecherche)? Wie entsteht er bei unserer
Endstufe. Was hat der Klirrfaktor mit dem Klang zu tun?
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6. Literaturhinweis
K. Beuth:
Elektronik 2, Bauelemente
Vogel – Verlag, Elektronik Grundwissen
K. Beuth, W. Schmusch:
Elektronik 3, Grundschaltungen
Vogel – Verlag, Elektronik Grundwissen
U. Tietze, Ch. Schenk:
Halbleiter – Schaltungtechnik
Springer – Verlag
W. Bauer, H-H. Wagener:
Bauelemente und Grundschaltungen der Elektronik
Hanser – Verlag
HPI – Fachbuchreihe:
ELEKTRONIK / MIKROELEKTRONIK
Elektronik II, Bauelemente
Pflaum - Verlag
D. Zastrow
Elektrotechnik, Lehr- und Arbeitsbuch
Vieweg - Verlag
Blatt 16 von 15
Versuch 6
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