von Robert PAPOUSEK

von
Robert PAPOUSEK
INHALTSVERZEICHNIS:
1.Anforderungen an Leistungsverstärker
2.Grundlagen
3.Leistungsstufen:
3.1 Parallelschalten von Transistoren
4. A- und B-Betrieb:
4.1 Eintaktverstärker
4.2 Gegentaktverstärker
5.Schaltungsbeispiele:
5.1 Kollektorschaltung als Leistungsverstärker
im A-Betrieb
5.2 Kollektorschaltung im Gegentaktbetrieb
DARLINGTONSCHALTUNG:
Da sehr häufig die Notwendigkeit besteht, den kleinen Eingangswiderstand rBE eines Transistors durch
vorschalten einer Kollektorstufe zu erhöhen, hat diese Kombination von zwei Transistoren einen eigenen
Namen bekommen, man nennt sie Darlingtonschaltung. Diese Anordnung von zweit Transistoren wird
auch in einem gemeinsamen Gehäuse mit 3 Anschlüssen angeboten.
Bild 1:PRINZIP DER
DARLINGTONSCHALTUNG
+Us
Ib1
V1/B1
Ube1
Ube1
Ie1=Ib2
Ube2
V2/B2
Ie2
Tatsächlich verhält sich eine Darlingtonschaltung wie ein normaler Transistor mit der Stromverstärkung
B=B1*B2. Wenn man näherungsweise Ic=IE setzt, wird der Basisstrom IB1 durch V1 verstärkt zu
IE1=IB1*B1. Dieser Emitterstrom bildet den Basisstrom von V2 und wird noch einmal verstärkt zu
IE2=IE1*B2=IB1*B1*B2.
Die Darlingtonschaltung benötigt etwa die doppelte Eingangsspannung (2*UBE) als Schwellenspannung
wie ein Einzeltransistor, verhält sich aber sonst ebenso wie ein Einzeltransistor, so daß auch die
Darlingtonschaltung selbst in den drei Grundschaltungen eingestzt werden kann.
4.2 Gegentaktverstärker:
Gegentaktverstärker arbeiten im B- oder AB-Betrieb. Wegen der geringen Ruheströme (Ico=0 im BBetrieb oder sehr kleiner Ruhestrom im AB-Betrieb, siehe Bild 3). ist die Ruheverlustleistung ( ohne
Ansteuerung) daher sehr klein. Damit bleibt der Wirkungsgrad auch bei kleinen Signalleistungen groß im
Vergleich zu verstärkern im A-Betrieb. Die aufgenommene Gleichstromleistung ist hierbei abhängig von
der Signalleistung, das heißt, sie wächst mit der Aussteuerung.
Das Prinzip eines Gegentaktverstärkers in B-Betrieb zeigt Bild 5 Solange die für beide Transistoren
gemeinsame Basisspannung ui=0 ist, sind beide Transistoren gesperrt (ic1=ic2=0).
Ohne Ansteuerung tritt daher keine Verlustleistung (PS=US*IC) in der Endstufe auf.
In der positiven Halbwelle der Eingangsspannung ui (wobei ui groß gegen die Schwellspannung der
Transistoren sein soll), wird der npn-Transistor V1 angesteuert, der pnp-Transistor V2 bleibt jedoch
gesperrt. Der Transistor V1 arbeitet als Emitterfolger (vu=1), dir Spannung uQ an der Last wird also die
Größe uQ=ui-UBE annehmen. In der negativen Halbwelle der Eingangsspannung ui leitet der pnpTransistor V2 und erzeugt als Emitterfolger die negative Halbwelle der Ausgangsspannung uQ. Während
dieser Zeit bleibt V1 gesperrt.
Bild 5: Prinzip einer Gegentakt-Endstufe
mit Komplementärtransistoren
Bild 6: Gegentakt-Endstufe mit nur
einer Speisespannungsquelle US
Um gegenüber Bild 5 mit nur einer Speisespannungsquelle auszukommen, wird für die Wechselstromverstärker häufig die Schaltung nach Bild 6 verwendet. Der Lastwiderstand ist über einen Kondensator C
an den Ausgang des Gegentaktverstärkers angeschlossen. Dabei wird C so bemessen, daß sein Wechselstromwiderstand XC vernachlässigbar klein gegen RL bleibt
1
XC =
< RL
2 * π * fU * C
Während der positiven Signalhalbwelle von ui fließt ein Ladestrom i1 über V1 und den Kondensator C
und erzeugt die positive Ausgangsspannungs-Halbwelle uQ (uQ=ui, Kollektorschaltung). Während der
negativen Signalhalbwelle fließt ein Entladestrom i2 über V2 und C und erzeugt an RL die negative
Ausgangsspannungs-Halbwelle.
Da die Transistoren erst auf Eingangssignale ansprechen, die die Schwellspannung überschreiten,
entstehen bei kleiner Aussteuerung starke nichtlineare Verzerrungen (Übernahmeverzerrungen =
Abweichungen der Kurvenform des Ausgangssignales vom Eingangssignal, Bild 7). Um diese
Verzerrungen zu vermindern, läßt man die Gegentaktstufen häufig im AB-Betrieb arbeiten,deren Prinzip
im Bild 8 gezeigt wird.
Der Verstärker im B-Betrieb hat eine geringe Verlustleistung und ist für große Ausgangsleistungen
geeignet. Kleine Signale werden im B-Betrieb verzerrt.
Bild 7: Übernahmeverzerrungen bei B-Betrieb im
Nulldurchgang der Signalspannungen bei der
Strom-übernahme von V1 auf V2 und umgekehrt.
Bild8: Prinzip einer Endstufe im AB-Betrieb
Mit dem Potentiometer Rp läßt sich ein Querstrom Iq einstellen, so daß beide Transistoren auch ohne
Aussteuerung einen kleinen Ruhestrom Ico führen (siehe Bild 3, Arbeitspunkt AB). Für kleine
Signalspannungen arbeiten die Transistoren daher im (verzerrungsarmen) A-Betrieb, für große
Signalspannungen (ui>UBE) im B-Betrieb.
Die beiden Dioden V3 und V4 im Basisspannungsteiler sind thermisch mit den Transistoren V1 und V2
gekoppelt. Dadurch wird der Temperaturgang der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren
kompensiert, so daß der Strom Iq auch bei Erwärmung der Transistoren annähernd konstant bleibt.
Im AB-Betrieb werden kleine Signale wie im A-Betrieb und große Signale wie im B-Betrieb verstärkt.
5.Schaltungsbeispiele:
Bild 12:Kollektorschaltung aus
Komplementärtransistoren im AB-Betrieb
Wenn die Transistoren und die Vorspannungen genau gleich sind, dann sind auch die Ruheströme gleich,
und der Verbraucher bleibt bei fehlenden Signal stromlos. Unsymmetrien bewirken einen
Ausgleichsstrom über RL. In der Regel sind die Spannungen +UB und -UB dem Betrag nach gleich. Dann
müssen auch R1 und R2 gleich sein. Die Größe der Widerstände richtet sich nach dem Basisstrom der
Transistoren bei Vollaussteuerung und nach der Signalamplitude u$a max
U − u$a max
R1 = R2 ≈ B
I B max
Diese Widerstände können sehr niederohmig werden, und belasten dann die Signalquelle erheblich. Man
kann sie durch Transistoren ersetzen, die einen konstanten Gleichstrom liefern, der so groß ist wie der
maximale Basisstrom sein muß.
In Hochleistungsverstärkern werden die Basisströme bei Aussteuerung der Endtransistoren so groß, daß
die Signalquelle zu stark belastet wird, man erweitert dann die Kollektorschaltung zu einer DarlingtonSchaltung (Bild 13).
Der erforderliche Basissignalstrom wird etwa um die Stromverstärkung der Transistoren T2,T4
herabgesetzt. Da nun zwei Basis-Emitter-Dioden eine Vorspannung benötigen, sind nun auch für jeden
Kanal zwei Dioden erforderlich.
Um bei den nicht völlig identen zwei Kanälen die Verzerrungen möglichst gering zu halten, erhält die
Schaltung meist eine zusätzliche Gegenkopplung von der Signalquelle her.
Bild 14 zeigt einen gegengekoppelten Leistungsverstärker mit der Endstufe nach Bild 12.
Der Operationsverstärker am Eingang der Schaltung ermöglicht eine starke Gegenkopplung und damit
eine gute Qualität der Übertragung. Über R8 erfolgt die Arbeitspunktstabilisierung, so daß am Ausgang
ohne Signal die Gleichspannung 0V beträgt.
Vu=(1+R8/R7) gibt die Wechselspannungsverstärkung an. Bei tiefen Frequenzen sinkt sie wegen C1 (der
Serienwiderstand von R8 und C1 wird immer größer) ab und geht gegen 1.
Die untere Grenzfrequenz beträgt etwa:
1
f gu =
2 * π * R7 * C1
Da sowohl R7 als auch R8 sehr hochohmig sein können ( zum Bsp. R8=50kOhm), weil die Verstärkung
Vu beim Leistungsverstärker nicht hoch zu sein braucht, wird C1 ein relativ kleiner Kondensator.
R9 gibt den wechselspannungsmäßigen Eingangswiderstand an, er sollte etwa so groß wie R8 gewählt
werden.
Der Kondensator C3 dient der Frequenzgangkompensation, um eine eventuelle Schwingungsneigung zu
unterdrücken. C3 wird je nach Größe von R8 einige pF betragen.
T5 ermöglicht die Aussteuerung der Leisungstransistoren, da der Operationsverstärker einen zu geringen
Ausgangsstrom liefert. Die Widerstände R4, R5 begrenzen den Ausgangsstrom bei Kurzschluß, sie
betragen etwa 0,5...1 Ohm. Mit der Schaltung erreicht man eine Sinusleistung von etwa 15W bei
RL=4Ohm, wenn UB=+-15V beträgt.
Bei großen Leistungen müssen die Endstufentransistoren gekühlt werden. Dazu ist die Verlustleistung zu
bestimmen. Bei AB-Betrieb kann man näherungsweise wie bei B-Betrieb mit Pv≈0,07*UB*Icmax
rechnen.
Bild 13:Gegentaktendstufe mit
Komplementärtransistoren
Bild 14: Leistungsendstufe mit
Spannungsverstärkung