Klasse-A-Verstärker
Mit Klasse-A- und Klasse-B-Verstärkern sind in der Regel Leistungsverstärker gemeint, d. h. Verstärker mit geringer Leistung, z. B. für Kopfhörer, mit mittlerer Leistung, z. B. für Radios und mit hoher Leistung, z. B. für Konzertbeschallung.
Klasse-A-Verstärker entsprechen den Verstärkerschaltungen aus den Transistorgrundschaltungen. Sie sind jedoch für höhere Leistungen ausgelegt. Dabei wird fast ausschließlich die Kollektor- oder Emitterschaltung verwendet.
Klasse-A-Verstärker in Emitterschaltung
Bild 1 zeigt einen Klasse-A-Verstärkers in Emitterschaltung mit Emitterwiderstand.
Mit diesem Verstärker kann ein Kopfhörer mit 16 Ω betrieben werden.
In Bild 2 sind die Ausgangskennlinien des BC337 mit Leistungskurve und Widerstandsgeraden dargestellt.
Es ist gut zu erkennen, dass ein Betrieb des BC337 mit einem Kollektorwiderstand von 10 Ω diesen überlasten würde. Mit einem Arbeitswiderstand von 16 Ω wird der Transistor nicht überlastet.
Der Verstärker in Bild 1 enthält außer dem Kollektorwiderstand R2 im Arbeitskreis noch den Emitterwiderstand R3. Beide zusammen bilden den Arbeitswiderstand Ra des Transistors: Ra = R2 + R3 = 16 Ω + 3,9 Ω ≃ 20 Ω. Die Arbeitsgerade für 20 Ω ist in das Kennlinienfeld in Bild 2 eingetragen.
Der Arbeitspunkt des Verstärkers ist auf Uc = 2,5 V und Ic = 156 mA eingestellt. Die am Transistor abfallende Leistung beträgt Pt = Uc * Ic = 2,5 V * 156 mA ≃ 390 mW.
Dieser Verstärker kann an den 16 Ω-Kopfhörer eine Leistung von etwa 40 mW abgeben, obwohl am Transistor 390 mW abfallen.
Die Stromversorgung muss 780 mW liefern.
Bei einem Verstärker für 10 W an einem 8 Ω-Lautsprecher ist die am Transistor abfallende Leistung um ein Vielfaches höher. Wir müssen mit mindestens 40 W rechnen.
Die Verstärkung ist R2 / R3 = 16 / 3,9 = 4,1.
Messungen am Klasse-A-Verstärker
Um die Schaltung des Klasse-A-Verstärkers in Bild 1 zu verstehen, ist es am besten, zu messen. Unsere Messschaltung ist im Kasten Verstärker untersuchen dargestellt.
Eigentlich müssten wir folgende Spannungen untersuchen:
- die Eingangsspannung,
- die Spannung an der Basis,
- die Spannung am Emitter,
- die Spannung am Kollektor und
- die Ausgangsspannung.
Das ist mit einem üblichen Oszilloskop nicht möglich. Wir beschränken uns auf die Spannung am Emitter und Kollektor des Transistors.
Die Spannung am Emitter enthält die Wechselspannung am Eingang.
Die Spannung am Kollektor enthält die Wechselspannung am Ausgang.
Wir messen außerdem mit und ohne Lastwiderstand.
Im Oszillogramm sind für jeden Kanal einige Werte eingeblendet:
- die minimale Spannung Umin,
- die maximale Spannung Umax,
- die Spitze-zu-Spitze-Spannung Uss als Maß für die Wechselspannung und
- die mittlere Spannung Um, den Gleichspannungsanteil.
Der gelbe Kanal ist die Emitterspannung und der blaue die Kollektorspannung.
Der blaue Kanal ist sehr weit nach unten verschoben (rotes Dreieck mit 2, links unten). Dadurch ist der Wechselspannungsanteil am Kollektor gut zu erkennen. Die tatsächlichen Werte sind rechts eingeblendet.
Verstärker untersuchen
Wir messen die Spannungen am Verstärker mit dem Oszilloskop und verwenden unsere bewährte Testschaltung mit Sinusgenerator.
Als Koppelkondensatoren verwenden wir C1 = 100 µF und C2 = 1000 µF.
Der Verstärker ohne Eingangsspannung
- Die Kollektorspannung beträgt Uc = 2,30 V und ist somit geringer als die geplanten 2,5 V.
- Der Transistor wird aufgrund der an ihm abfallenden Leistung ziemlich heiß.
- Das ist der Grund dafür, dass die Kollektorspannung geringer als geplant ist.
- Nach dem Einschalten der Stromversorgung verringert sich die Kollektorspannung langsam von über Uc = 2,70 V auf 2,3 V. Der Transistor erwärmt sich.
Normale Eingangsspannung ohne Lastwiderstand
Emitter: gelb
Die Gleichspannung am Emitter beträgt Ue = Um = 0,528 V.
Die Wechselspannung am Emitter ist Uss = 824 mV. Sie entspricht der Eingangsspannung.
Die Spannung am Emitter ist mit Umin = 0,96 mV immer über 0 V.
Kollektor: blau
Die Gleichspannung am Kollektor beträgt Uc = Um = 2,76 V.
Die Wechselspannung am Kollektor ist Uss = 3,28 V. Sie entspricht der Ausgangsspannung.
Die Spannung am Kollektor ist mit Umax = 4,36 V immer kleiner als die Betriebsspannung Uv = 5 V.
Die Spannung am Kollektor ist mit Umin = 1,22 V immer größer als die maximale Emitterspannung von 0,96 V.
Fazit
- Der Verstärker wird im Arbeitspunkt von Uc = 2,76 V betrieben. Dies stellt nur eine geringe Abweichung vom vorgesehenen Arbeitspunkt Uc = 2,5 V dar.
- Die Verstärkung beträgt mit 3,28 V / 0,824 V = 3,98 und weicht somit nur geringfügig vom vorausgesagten Wert von 4,1 ab.
- Die Ausgangsspannung entspricht in ihrem Verlauf der Eingangsspannung.
- Die höhere Spannung am Kollektor kommt zustande, weil der Transistor durch die am Kollektor erzeugte Wechselspannung weniger belastet wird.
Wenn wir das Diagramm in Bild 2 betrachten, sehen wir, dass unterhalb und oberhalb des Arbeitspunktes eine geringere Leistung am Transistor abfällt. Der Transistor erwärmt sich weniger und der Arbeitspunkt verschiebt sich.
Normale Eingangsspannung mit Lastwiderstand 16 Ω
Emitter: gelb
Die Gleichspannung am Emitter beträgt Ue = Um = 0,552 V.
Die Wechselspannung am Emitter ist Uss = 0,864 V. Sie entspricht der Eingangsspannung.
Die Spannung am Emitter ist mit Umin = 0,112 V immer größer als 0 V.
Kollektor: blau
Die Gleichspannung am Kollektor beträgt Uc = Um = 2,70 V.
Die Wechselspannung am Kollektor ist Ua = Uss = 1,74 V. Sie entspricht der Ausgangsspannung.
Die Spannung am Kollektor ist mit Umax = 3,58 V immer unter der Betriebsspannung Uv = 5 V.
Die Spannung am Kollektor ist mit Umin = 1,84 V immer größer als die maximale Emitterspannung von 0,976 V.
Wird die Ausgangsspannung weiter erhöht, sind maximal Ua=Uss=2,2 V möglich.
Die Leistung am Lastwiderstand beträgt dann 30 mW.
Im Transistor fließen Ic = (5 V - Uc) / R2 = (5 V - 2,7 V) / 16 Ω = 144 mA.
Die Kollektor-Emitter-Spannung beträgt Uce = Uc - Ue = 2,7 V - 0,552 V ≃ 2,15 V.
Damit ist die Leistung am Transistor Pt = Uce * Ic = 2,15 V * 144 mA = 310 mW.
Die gesamte Leistung des Verstärkers beträgt 5 V * 144 mA = 720 mW.
Das ist das 24-fache der abgegebenen Leistung.
Fazit
- Der Verstärker wird im Arbeitspunkt von Uc = 2,7 V betrieben. Dies stellt nur eine geringe Abweichung vom vorgesehenen Arbeitspunkt Uc = 2,5 V dar.
- Die Verstärkung beträgt mit 1,74 V / 0,864 V ≃ 2. Dies ist auf den parallel zum Kollektorwiderstand liegenden Lastwiderstand zurückzuführen: V = (R2 || RL) / R3 = (16 Ω || 16 Ω) / 3,9 Ω = 8 / 3,9 = 2,05.
- Die Ausgangsspannung entspricht in ihrem Verlauf der Eingangsspannung.
Hohe Eingangsspannung ohne Last
Emitter: gelb
- Die Gleichspannung am Emitter beträgt Ue = Um =0,608 V.
- Die Wechselspannung am Emitter ist Uss = 1,36 V.
- Die Spannung am Emitter ist mit Umin = -0,048 V und somit nahezu 0 V.
Kollektor: blau
- Die Gleichspannung am Kollektor beträgt Uc=Um=3,10 V.
- Die Wechselspannung am Kollektor ist Uss=3,98 V.
- Die Spannung am Kollektor erreicht mit Umax = 5,08 V die Betriebsspannung Uv = 5 V.
- Die Spannung am Kollektor ist minimal Umin = 1,10 V.
Fazit
- Die Spannungen am Emitter und am Kollektor sind verzerrt.
- Die Ausgangsspannung ist verzerrt.
- Die Begrenzung der Spannungen ist durch die waagerechten Verläufe deutlich zu sehen.
- Wenn die Emitterspannung minimal 0 V ist, ist die Kollektorspannung maximal, also 5 V.
- Wenn die Emitterspannung maximal 0,968 V ist, ist die Kollektorspannung minimal bei 1,10 V.
- Die maximale Ausgangswechselspannung ist um den Spannungsabfall am Emitterwiderstand, d. h., um 0,968 V geringer.
- Die Ausgangsspannung ist zu hoch für den Verstärker.
- Die Spannung am Emitterwiderstand verringert die maximal mögliche Ausgangsspannung.
Klasse-A-Verstärker in Emitterschaltung
- Der Arbeitspunkt des Transistors ist hinreichend stabil,
- obwohl sich die Temperatur des Transistors ändert, wenn eine Eingangsspannung anliegt.
- Die Stromversorgung muss eine relativ hohe Leistung liefern.
- Der Transistor wird mit einer relativ hohen Leistung belastet.
- Die am Transistor abfallende Leistung ist maximal, wenn keine Eingangsspannung anliegt.
- Die abgegebene Leistung am Lastwiderstand ist relativ gering.
- Verstärkungen über 1 sind möglich.
- Die Verstärkung ist vom Lastwiderstand abhängig.
Mögliche Verbesserungen
- Den Arbeitspunkt über einen Kollektor-Basis-Widerstand einstellen:
- Die Spannung am Emitterwiderstand entfällt.
- Der Eingangswiderstand ist viel geringer.
- Der Arbeitspunkt ist jedoch weniger stabil.
- Dabei muss beachtet werden, dass sich die Temperatur des Transistors ändert, wenn eine Eingangsspannung anliegt.
- Die Verstärkung ist vom Lastwiderstand abhängig.
Klasse-A-Verstärker in Kollektorschaltung
Bild 6 zeigt einen für einen Lastwiderstand von 16 Ω ausgelegten Klasse-A-Verstärker in Kollektorschaltung. Er liefert bis zu 150 mW an 16 Ω.
Der Transistor wird mit 400 mW belastet.
Die Spannungsverstärkung beträgt 1.
Die Ausgangsspannung ist nur geringfügig vom Lastwiderstand abhängig.
Normale Eingangsspannung mit 16 Ω Last
Bild 7 zeigt die Basisspannung des Transistors (gelb) und die Emitterspannung (blau).
- Die Gleichspannung an der Basis beträgt Ub = Um = 3,12 V.
- Die maximale und die minimale Spannung an der Basis liegen im Bereich von 0 V bis 5 V.
- Die Wechselspannung an der Basis beträgt Uss = 3,64 V.
- Die Gleichspannung am Emitter Ue = Um = 2,48 V entspricht somit dem vorgesehenen Arbeitspunkt.
- Die maximale und minimale Spannung am Emitter liegen im Bereich von 0 V bis 5 V.
- Die Basis-Emitter-Spannung ist Ube = Ub - Ue = 3,12 V - 2,48 V = 0,64 V.
- Die Wechselspannung am Emitter beträgt Uss = 3,48 V.
- Die Verstärkung ist somit V = 3,48 V / 3,64 V = 0,96 und ist damit wie erwartet fast 1.
- Ohne den Lastwiderstand RL beträgt die Ausgangsspannung 3,53 V und die Verstärkung ist damit V = 3,52 V / 3,64 V = 0,97. Das ist nur ein geringer Unterschied zur Verstärkung mit Last.
- Die maximal mögliche Ausgangsspannung liegt bei 4,4 V.
- Damit ist eine Leistung von 150 mW am Lastwiderstand von 16 Ω möglich.
- Durch den Transistor fließen Ic = 2,5 V / R4 = 2,5 V / 16 Ω = 156 mA.
- Am Transistor und am Widerstand R4 fallen jeweils 390 mW ab, insgesamt also 780 mW.
- Das ist das 5,2-fache der maximalen Leistung am Lastwiderstand.
Hohe Eingangsspannung mit 16 Ω Last
Die Eingangsspannung in Bild 8 ist zu hoch.
- Die Eingangsspannung wird auf Umax = 5,52 V begrenzt.
- Die Eingangsspannung sinkt unter 0 V: Umin = -0,36 V.
- Die Ausgangsspannung erreicht maximal Umax = 4,72 V und
- minimal Umin = -80 mV.
- Die Ausgangsspannung erreicht fast die Betriebsspannung von 5 V und 0 V.
- Wenn die Ausgangsspannung nahe 5 V ist, kann die Emitterspannung der Basisspannung nicht mehr folgen. Es fließt ein hoher Basisstrom, der die Eingangsspannung begrenzt.
Klasse-A-Verstärker in Kollektorschaltung
- Ein Klasse-A-Verstärker in Kollektorschaltung hat eine Verstärkung von 1.
- Der Transistor wird mit einer relativ hohen Leistung belastet.
- Die abgegebene Leistung am Lastwiderstand ist hingegen relativ gering.
- Die Verstärkung ist nur wenig vom Lastwiderstand abhängig.
Zusammenfassung Klasse-A-Verstärker
- Bei der Betrachtung eines Klasse-A-Verstärkers ist wesentlich, dass im Transistor immer ein Strom fließt.
- Der Strom ist in der Nähe des Arbeitspunkts am höchsten, d. h., wenn die Wechselspannung 0 ist oder keine Wechselspannung anliegt.
- Die Kennlinien des Transistors verlaufen im benutzten Bereich ziemlich linear und der Abstand zwischen ihnen ist annähernd gleich. Dadurch werden geringe Verzerrungen verursacht.
- Die Leistung im Transistor ist immer höher als an der Last.