Ersatzschaltbilder

LEISTUNGSVERSTÄRKER 1. ANFORDERUNGEN  Während die Aufgabe des Vorverstärkers darin besteht, eine möglichst große Spannungsverstärkung zu erzielen, braucht der Leistungsverstärker in der Regel die Spannung nicht zu erhöhen. Er muß dafür sorgen, daß das Signal mit großer Leistung an den Verbraucher geliefert wird, d.h., das Produkt aus Signalspannung und -strom muß im Verbraucherwiderstand besonders groß sein. Die Endstufen arbeiten immer als Großsignalverstärker und verursachen leicht Signalverzerrungen, welche durch Gegenkopplung über den Leistungsverstärker klein gehalten werden können.

Forderungen an eine Endstufe: niedriger Ausgangswiderstand und hoher Eingangswiderstand hohe Ausgangsspannung und/oder hoher Ausgangsstrom hoher Wirkungsgrad Kurzschlußfestigkeit Besondere Beachtung verdient die Verlustleistung der stark beanspruchten Endstufen. Sie führt zu Erwärmung und kann so das Bauteil zerstören. Hochleistungsverstärker dürfen deshalb nur in Schaltungen verwendet werden, die eine hohen Wirkungsgrad haben.   (Gleichung 1)   Der Wirkungsgrad kann im Idealfall 1 oder 100% betragen. Je kleiner er ist, um so mehr elektrische Energie geht in der Schaltung als Wärme verloren. Gute Leistungsverstärker erreichen in der Endstufe einen Wirkungsgrad von ca.

70%. Ebenso soll der Leistungsverstärker die in der Wechselspannung enthaltenen positiven und negativen Spannungsanteile gleichermaßen verstärken.2. GRUNDLAGEN Haupteigenschaften der drei Transistor-Grundschaltungen:    Emitterschaltung Kollektorschaltung Basisschaltung Eingangswiderstand rI mittel rI»rBE etwa 0,2 bis 5 kW groß rI»B*RE etwa 20 bis 500 kW klein rI»rBE/B etwa 20 bis 50 W Ausgangswiderstand ra mittel ra»Rc etwa 1 bis 100 kW klein ra»RE ll Ri/B etwa 0,1 bis 1 kW groß ra»Rc etwa 10 kW Stromverstärkung vi vi»B 10 bis 200 vi»B 10 bis 200 »1 Spannungsverstärkung vu 100 bis 10000 »1 100 bis 1000 Phasendrehung ua/ue 180° 0° 0° Anwendung NF- und HF-Verstärker Impedanzwandler UHF-Verstärker   Tabelle 1:   Leistungsstufen sind daher häufig als Kollektorschaltung ausgeführt (VI=B;VU=1). Sie erlauben damit auch eine Anpassung des meist niederohmigen Lastwiderstandes an den oft hochohmigen Ausgang der Spannungsverstärkerstufe. Um diese Anpassung zu unterstützen, den Eingangswiderstand der Leistungsstufe möglichst hoch zu machen, wird in den Endstufen häufig die Darlingtonschaltung verwendet.

Schaltungen mit nur einem Transistor im Ausgangskreis können Strom entweder nur in die Last hinein liefern oder aus der Last aufnehmen. Für Signale beider Polaritäten am Ausgang benötigt man somit einen großen Ruhestrom. Diesen Nachteil vermeiden Schaltungen mit einem Transistor für jede Polarität , sogenannte Gegentaktschaltungen.3. BETRIEBSARTEN   Je nach Lage des Arbeitspunktes unterscheidet man zwischen A-, AB-, B- und C-Verstärkern.   Betriebsart Arbeitspunkt verstärkt wird A innerhalb des aktiven Bereiches (oft in der Mitte) beide Polaritäten AB innerhalb des aktiven Bereiches nahe Sperrbereich eine Polarität B bei UBE = 0 (Sperrbereich) einen Polarität C weit im Sperrbereich nur die Spitze einer Halbwelle   Tabelle 2:   A-Verstärker: Beide Polaritäten eines Eingangssignals werden in einem Transistor nahezu linear verstärkt.

Der Kollektorruhestrom muß größer gleich der maximalen Amplitude des Ausgangssignalstromes sein. Ein Wirkungsgrad von höchstens 25 % kann erreicht werden. AB- und B-Verstärker: Arbeitspunkt liegt nahe dem Sperrbereich bzw. Bei UBE = 0. Für jede Polarität des Signals ist ein eigener Transistor erforderlich. Wirkungsgrade bis 78 % werden erreicht.

C-Verstärker: Arbeitspunkt weit im Sperrbereich. Ausgangsstrom stark verzerrt. Einsatz in Senderendstufen. Unerwünschte nichtlineare Verzerrungen im Ausgangsstrom werden ausgesiebt.             Bild 1 3.1.

Arbeitpunkteinstellung Je nach Betriebsart muß gewünschter Arbeitspunkt eingestellt und stabilisiert werden. Ein Emitterwiderstand erweist sich bei Endstufen wegen der zusätzlichen Verlustleistung als ungünstig. Bei einem Arbeitspunkt in der Nähe der Leistungshyperbel erreicht man im allgemeinen einen großen Aussteuerbereich. Thermische Probleme müssen beachtet werden: Pvmax, Icmax und UCEmax dürfen nicht überschritten werden. 3.2.

Schaltungsstruktur   Man unterscheidet Eintaktstufen und Gegentaktstufen.   Endstufen         Eintaktstufen Gegentaktstufen (A-, AB-Verstärker)         Parallelspeisung Serienspeisung beider Transistoren beider Transistoren         Transistoren vom gleichen Komplementärtransistoren Leitungstyps     4. EINTAKTENDSTUFEN   Die Last kann direkt in den Emitter- oder Kollektorkreis des Leistungstransistors geschaltet oder über einen Transformator an die Endstufe gekoppelt sein. Transformatorische Ankopplung bringt neben den Vorteil der galvanischen Trennung auch einen beinahe doppelt so hohen Wirkungsgrad. 4.1.

Emitterfolger mit ohmscher Last Im A-Betrieb muß ein relativ großer Ruhestrom IC fließen, da ja beide Signalpolaritäten verstärkt werden sollen.   Bild 2   4.1.1. Ausgangsleistung:   Für ein möglichst großes Ausgangssignal legt man den Arbeitspunkt in die Mitte der Widerstandsgeraden, so daß gilt:   (Gleichung 2)   (Gleichung 3)   Für einen ohmschen Lastwiderstand erhält man als maximale Ausgangsleistung: (Gleichung 4) 4.1.

2. Wirkungsgrad: Die von den Spannungsquellen abgegebene Leistung beträgt: (Gleichung 5)   Mit der maximalen Ausgangsleistung aus Gleichung 4 erhält man den maximalen Wirkungsgrad:   (Gleichung 6)   Die im Transistor auftretende Verlustleitung läßt sich leicht aus der Differenz von Pges und der im Lastwiderstand aufgenommenen Leistung berechnen: (Gleichung 7)   Die Verluste im Transistor sinken mit wachsender Aussteuerung.   Beispiel: Berechne zu nebenstehender Schaltung die maximale Ausgangssignalleistung in RL wenn im Ruhezustand das Emitterpotential 0 V beträgt und VCC > VEE .   Maximale Leistung in RL bei Vollaussteuerung: (Gleichung 8)   Die Ausgangsamplitude wird im negativen Aussteuerbereich begrenzt durch:   (Gleichung 9)   Setzt man Gleichung 9 in Gleichung 8 ein, erhält man: (Gleichung 10) Für vorgegebenes RL muß RE gewählt werden. Kleine Werte von RE vergrößern den negativen Aussteuerbereich, allerdings wächst damit auch der Ruhestrom. Ist RL frei wählbar, erhält man die maximale Ausgangssignalleistung durch dPa max/dRL = 0.

Unter Verwendung der Quotientenregel: ergibt sich: RL = RE Mit diesem optimalen Lastwiderstand erhält man: .   Da sich jetzt der Strom auf RE und RL gleichmäßig aufteilt, wird der Wirkungsgrad nochmals halbiert: h = 12,5 %   4.2. Parallelschaltung von Transistoren:  Bild 2:Bei der Parallelschaltung von Bipolartransistoren wird eine gleichmäßige Aufteilung des Laststromes durch die Emitterwiderstände erreicht   In Leistungsstufen treten häufig hohe Verlustleistungen an den Transistoren auf. Wenn zur Aufnahme dieser Verlustleistung ein Einzeltransistor nicht ausreicht, schaltet man mehrere Transistoren parallel. Um eine gleichmäßige Aufteilung des Laststromes IL in die beiden Teilströme IC1 und IC2 (und damit eine gleichmäßige Verteilung der Verlustleistung auf beide Transistoren) zu erreichen, sind die Widerstände RE erforderlich.

Wegen der unvermeidlichen Exemplarstreuungen ( auch bei gepaart ausgesuchten Transistoren) besonders der Basis-Emitter-Spannung UBE und der Stromverstärkung B wird ohne die Emitterwiderstände der Transistor mit der größeren Stromverstärkung und dem größeren Basisstrom (bei gleicher Spannung UBE) einen größeren Strom IC übernehmen. Dadurch wird er wärmer als der andere Transistor, wodurch der Basisstrom IB infolge des negativen Temperaturkoeffizienten der Schwellspannung und die Stromverstärkung B noch weiter steigen. Damit wird die Stromverteilung noch ungünstiger, was schließlich zur Zerstörung beider Transistoren durch Überlastung führen kann. Durch die Gegenkopplungswirkung der Emitterwiderstände wird eine gleichmäßige Stromaufteilung IC1»IC2 erzwungen. Die Widerstände RE sind so zu dimensionieren, daß die Exemplarstreuung   DUBE = UBE1 - UBE2   klein ist gegen die Spannung UB. Diese Schaltung ist beim Parallelschalten von Bipolartransistoren (auch bei Darlingtontransistoren) immer anzuwenden - gleichgültig, ob der Lastwiderstand RL in der gemeinsamen Kollektor- oder der gemeinsamen Emitterleitung liegt.

 5. GEGENTAKTVERSTÄRKER  Gegentaktverstärker arbeiten im B- oder AB-Betrieb. Wegen der geringen Ruheströme (Ico=0 im B-Betrieb 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.

Für jede Polarität des Signals ist ein eigener Leistungstransistor vorhanden, man erreicht damit auch große Ausangssignalleistung.      5.1. Komplementärendstufe   Sie erweist sich als die beste schaltungstechnische Lösung für die Realisierung einer Gegentaktendstufe. Man benötigt dafür NPN- und PNP-Transistoren.   Bild 3: In Bild 3 wirken die beiden Transistoren als Emitterfolger.

Sie sollten möglichst komplementärsymmetrische Kennlinien aufweisen. Die Emitterströme der beiden Transistoren fließen abwechselnd und in entgegengesetzter Richtung durch die Last. Der Strom durch die Dioden D1 und D2 bewirkt eine Anhebung (Absenkung) des Basispotentials der Transistoren, wodurch die Endstufe im AB-Betrieb arbeitet. Die sogenannten ‘Übernahmeverzerrungen’ werden dadurch weitgehend vermieden. Sie entstehen im reinen B-Betrieb dadurch, daß erst die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren überschritten werden muß, ehe ein Strom durch die Last fließen kann. Diese Pegelverschiebung kann auch durch zwei komplementäre Emitterfolger erreicht werden (Bild 4).

Man erhält dadurch den zusätzlichen Vorteil eines hohen Eingangswiderstandes. Bild 4: Der Aussteuerbereich der Schaltung in Bild 3 ist näherungsweise +/- UCC/2. Die gegebene Schaltung ist nicht kurzschlußfest, RL darf daher nicht zu klein sein, weil das die Transistoren T1 und T2 überlasten würde.   Die beiden Stromquellen in Bild 3 und 4 müssen bei Aussteuerung den Basisstrom für T1 und T2 liefern. Der Maximalwert beträgt: . Haben die beiden Transistoren die gleiche Stromverstärkung gilt: I01 = I02 > Îb.

  Ohne Aussteuerung bewirkt dieser Strom einen Spannungsabfall von 0,6 V - 0,7 V an jeder Diode und liefert somit die zur Vermeidung der Übernahmeverzerrungen benötigte Pegelverschiebung an den Eingängen von T1 und T2.   Der Emitterruhestrom der beiden Endtransistoren wird meist wesentlich kleiner gewählt als I01 bzw. I02 , dazu müssen auch die Basis-Emitter-Spannungen kleiner sein als die Spannungsabfälle an den Dioden. Das wird durch die Emitterwiderstände RE1 und RE2 erreicht. Sie werden so gewählt, daß an ihnen ohne Aussteuerung eine Spannung von 0,1 V abfällt. Diese stromgesteuerte Spannungsgegenkopplung wirkt auch stabilisierend auf den Arbeitspunkt aus.

Häufig werden parallel zu diesen Widerständen, wie in Bild 4 Dioden geschaltet, wodurch bei großer Aussteuerung der Spannungsabfall an den Widerständen nicht zu groß wird.   5.1.1. Ausgangsleistung Zur Berechnung der Betriebsgrößen Spannungsverstärkung vu, Stromverstärkung vi, des Eingangswiderstandes ze und des Ausgangswiderstandes za für die Schaltungen in Bild 3 und 4 können diese wie ein gewöhnlicher Emitterfolger betrachtet werden, da ja für jede Signalpolarität ein eigener Emitterfolger gleicher Eigenschaft existiert.   Spannungsverstärkung vu: sie beträgt zwischen den Klemmen 1 und 2 bekanntlich: vu » 1 Stromverstärkung vi: vi » b Eingangswiderstand ze: ze = rbe + b(RE + RL) » b RL Ausgangswiderstand za: za = RE + (rbe + RG) / b » RG / b   Ausgangssignalleistung Pa: Gleichung 8 Da für jede Signalhälfte der jeweilige Transistor von UCERest bis zur Versorgungsspannung ausgesteuert werden kann, ergibt sich eine maximale Ausgangsspannungsamplitude von Setzt man in Gleichung 8 ein, erhält man: Gleichung 9   Mit Gleichung 8 und 9 ergibt sich: Gleichung 10 Die Grenzen für die Ausgangsleistung sind gegeben durch: maximal zulässigen Kollektorstrom maximal zulässige Kollektor-Emitterspannung Maximal zulässige Verlustleistung der Transistoren.

  Ist eine bestimmte Leistung gefordert so gilt: Je kleiner RL, desto größer der notwendige Strom durch T1, T2 Je größer RL desto größer die notwendige Spannung UCE. (Glg. 8)   Ist hingegen ein bestimmter Lastwiderstand vorgegeben, so sieht man aus Gleichung 9, daß: die Ausgangssignalleistung quadratisch mit der Betriebsspannung steigt; ist dazu auch der maximale Strom Icmax vorgegeben, so steigt sie linear mit der Betriebsspannung. 5.1.2.

Wirkungsgrad Da laut Schaltung in Bild 3 die positive und die negative Versorgungsspannung UCC/2 bzw. -UCC/2 betragen und eine Quelle nur jeweils für eine halbe Periode Strom liefern muß, gilt:  Gleichung 11   Für den Wirkungsgrad erhält man damit und mit Gleichung 8:   Gleichung 12   Wie man aus gleichung 12 deutlich erkennt, führt eine unnötig große Betriebsspannung zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades. Da die maximale Ausgangsspannungsamplitude ca. UCC/2 beträgt (Restspannung vernachlässigt) ergibt sich für die maximale Gleichstromleistung:   Gleichung 13   und weiters für den maximalen Wirkungsgrad:   Gleichung 14   Tatsächlich erreicht man in praktischen Schaltungen nur Wirkungsgrade zwischen 60 und 65%. Bei NF-Verstärkern hat man durchschnittlich nur einen Wirkungsgrad von 15 -20%, weil nur selten Vollaussteuerung auftritt.   Die Verlustleistung in beiden Transistoren zusammen erhält man wie früher aus der Differenz der Gleichstromleistung und der an die Last abgegebenen Leistung:   Pvges = P= - Pa.

  Mit aus Gleichung 8 errechnet man:   Gleichung 15   Möchte man berechnen, bei welcher Ausgangsleistung die maximalen Verluste in den Transistoren auftreten, so muß man die Ableitung von Pvges nach Pa Null setzen:   à Gleichung 16   Vergleicht man diesen Wert mit der maximalen Ausgangsleistung:   Gleichung 17   so sieht man, daß ungfähr bei der Hälfte der maximalen Ausgangsleistung die Endstufentransistoren am stärksten belastet werden. Den Maximalwert erhält man durch Einsetzen von Gleichung 16 in Gleichung 15 zu:   Gleichung 17   5.2. Quasikomplementärendstufe Für große Ausgangsleistungen ist es schwierig, komplementäre Paare von Transistoren herzustellen, weshalb man häufig die Schaltung für die Komplementärendstufe so modifiziert, daß Endstufentransistoren gleichen Leitungstyps verwendet werden können. Es wird dazu eine als ‘npn-Ersatztransitor’ und eine als ‘pnp-Ersatztransistor’ wirkende Darlingtonschaltung nach Bild 5 verwendet. Für die obere Darlingtonschaltung in Bild 5 ist leicht einzusehen, daß sich die Schaltung wie ein einziger npn-Transistor behandeln läßt.

Für die untere Schaltung des Ersatztransistors überlegt man sich mit Hilfe des Kleinsignalersatzschaltbildes nach Bild 6, daß der Kollektor von T2 wie dem Emitter des pnp-Ersatztransistor entspricht. Zu beachten ist, daß der pnp-Ersatztransistor nur eine Basis-Emitter-Spannung von 0,5V - 0,7V benötigt, während der npn-Ersatztransistor 2 mal eine Basis-Emitter-Spannung, also 1V - 1,4V benötigt, um leitend zu werden. Die Widerstände R’ werden benötigt um den Ruhestrom der Treibertransistorn T4 und T3 etwas zu erhöhen, was ein besseres Kleinsignalverhalten bewirkt.   Bild 6             Bild 5         5.3. Ausgangsstrombegrenzung         Die Endtransistoren bei der Grunddschaltung einer Komplementärendstufe können bei zu kleinen Lastwiderständen bzw.

Bei Kurzschluß überlastet werden. Mit zwei zusätzlichen Transistoren wie in Schaltung Bild 7 kann dies vermieden werden. Die Widerstände RE müssen so dimensioniert werden, daß bei Ausgangsströmen oberhalb des üblichen Arbeitsbereiches, an ihnen eine Spannung abfällt, die die Transistoren R3 und R4 aufsteuert und dadurch die Basis-Emitter-Spannungen der Endtransistoren soweit verringert werden, daß diese keinen Schaden erleiden. Im normalen Betriebsbereich beeinflußt diese Art der Strombegrenzung die Arbeitsweisen der Schaltung nicht.         Bild 7    

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