Klasse-A-Verstärker
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 die Prinzipschaltung eines 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 7 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 8 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 9 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.
Klasse-B-Verstärker
Um den Klasse-B-Verstärker zu verstehen, betrachten wir zunächst den Booster für Operationsverstärker mit kombinierten Emitterausgängen.
In Bild 10 ist ein Operationsverstärker mit NPN- und PNP-Transistoren mit gemeinsamen Emittern dargestellt. Er verwendet zwei Spannungsquellen, um sowohl eine positive als auch eine negative Ausgangsspannung liefern zu können.
Die Emitterfolger haben eine Verstärkung von 1.
Ist die Ausgangsspannung des gesamten Verstärkers positiv, so ist auch die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers positiv. Dann kann nur der NPN-Transistor Q1 leiten. Er liefert den Strom für den Lastwiderstand RL.
Bei negativer Ausgangsspannung leitet dagegen nur der PNP-Transistor Q2.
Bei einer Ausgangsspannung von 0 V leitet keiner der beiden Transistoren.
Die folgenden Aussagen charakterisieren Klasse-B-Verstärker:
- Der Klasse-B-Verstärker enthält zwei komplementäre Transistoren, die als Emitterfolger betrieben werden.
- Dabei sind die Basen sowie die Emitter der beiden Transistoren miteinander verbunden.
- Bei positiver Ausgangsspannung leitet nur der NPN-Transistor, der von der positiven Versorgungsspannung Strom zum Ausgang leitet.
- Bei negativer Ausgangsspannung leitet dagegen nur der PNP-Transistor von der negativen Versorgungsspannung Strom zum Ausgang.
- Bei einer Ausgangsspannung von 0 V leitet keiner der beiden Transistoren.
Wir haben uns einen Klasse-B-Verstärker angesehen, der sowohl positive als auch negative Gleichspannungen und damit auch Wechselspannungen verstärken kann.
Klasse-B-Verstärker für Wechselspannung
Der in Bild 11 dargestellte Verstärker wird als nicht invertierender Verstärker mit einer Verstärkung von 1 betrieben, da die Rückkopplung vom Ausgang unmittelbar auf den invertierenden Eingang - erfolgt. Der Widerstand R3 hat keine Wirkung.
Der Spannungsteiler aus R1 und R2 legt an den Eingang + die halbe Betriebsspannung Ue+ = Uv / 2 = 5 V / 2 = 2,5 V. Am Ausgang stellt sich somit eine Spannung von 2,5 V ein.
Für diese einfache Schaltung ist der Widerstand Rb nicht nötig. Der Widerstand°Rp = 3 kΩ° hingegen ist optimal, um eine möglichst hohe Ausgangsspannung zu erreichen.
Mehr dazu im Kasten: Basis-Kollektor-Widerstand am NPN-Transistor.
Normale Eingangsspannung mit 16 Ω Last
Wenn wir eine Wechselspannung an den Eingang legen, erhalten wir am Ausgang die gleiche Spannung.
Bild 12 zeigt die Spannung am +-Eingang des Operationsverstärkers (gelb) und die Spannung an den Emittern der Ausgangstransistoren (blau).
- Die Gleichspannung am Eingang beträgt UE+ = Um = 2,54 V.
- Die Gleichspannung an den Emittern ist Uee = Um = 2,54 V, entspricht also der Eingangsspannung.
- Ebenso sieht es mit der Wechselspannung mit 2,00Vss am Eingang und 1,98Vss an den Emittern. Die Abweichung liegt bei 1 %.
- Der Verstärker mit Klasse-B-Endstufe hat also bei normaler Eingangsspannung die erwartete Verstärkung von 1, selbst bei Belastung mit 16 Ω.
Spannung an den Basen bei normaler Eingangsspannung
Bild 13 zeigt die Spannung am +-Eingang des Operationsverstärkers (gelb) und die Spannung an den Basen der Ausgangstransistoren (blau).
Wir vergleichen die Bilder 12 und 13.
- Die Basisspannung in Bild 13 weist beim Nulldurchgang der Eingangsspannung hohe Sprünge auf.
- In Bild 12 ist die maximale Spannung an den Emittern Ueemax = 3,54 V.
- In Bild 13 ist die maximale Spannung an den Basen Ubbmax = 4,24 V.
- Die Spannung an den Basen ist um Ubbmax - Ueemax = 4,24 V - 3,54 V = 0,7 V höher, was der Basis-Emitter-Spannung eines Transistors entspricht.
- Bei positiver Eingangsspannung liegt die Basisspannung um 0,7 V höher als die Emitterspannung, d. h., der NPN-Transistor Q1 leitet.
- Bei negativer Eingangsspannung liegt die Basisspannung um 0,7 V niedriger als die Emitterspannung und der PNP-Transistor Q2 leitet.
- Es ist deutlich zu sehen, dass die beiden Transistoren wechselseitig leiten.
- Die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren führt beim Nulldurchgang zu Sprüngen.
Hohe Eingangsspannung mit 16 Ω Last
Bild 14 zeigt die Spannung am +-Eingang des Operationsverstärkers (gelb) und die Spannung an den Emittern der Ausgangstransistoren (blau).
- Die maximale Spannung an den Emittern ist Ueemax = 3,62 V.
- Die Ausgangsspannung ist um Uv - Ueemax = 5 V - 3,62 V = 1,38 V geringer als die Betriebsspannung.
- Die minimale Spannung an den Emittern ist Ueemin = 1,48 V.
Eine Ursache ist die Basis-Emitter-Spannung der Ausgangstransistoren. Dies wird in Bild 15 deutlich.
Basisspannung bei hoher Eingangsspannung mit 16 Ω Last
Bild 15 zeigt die Spannung am +-Eingang des Operationsverstärkers (gelb) und die Spannung an den Basen der Ausgangstransistoren (blau).
- Die maximale Spannung an den Basen ist Ubbmax = 4,30 V.
- Die Ausgangsspannung ist um Uv - Ubbmax = 5 V - 4,3 V = 0,7 V geringer als die Betriebsspannung.
- Die minimale Spannung an den Basen ist Ubbmin = 0,78 V.
Die Spannung an den Basen der Ausgangstransistoren entspricht der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers LM358. Dieser kann offensichtlich maximal 4,30 V und minimal 0,78 V liefern.
Da die Ausgangstransistoren noch eine Basisspannung von 0,7 V benötigen, können die Emitterfolger Q1 und Q2 an den Emittern keine Spannung unter 1,48 V und über 4,30 V liefern.
Mehr dazu im Kasten: Basis-Kollektor-Widerstand am NPN-Transistor.
Klasse-B-Verstärker für Wechselspannung mit Verstärkung 2
Bild 16 zeigt, wie eine Verstärkung einer Wechselspannung über 1 eingestellt werden kann.
Die Verstärkung ist V = (R3 + R4) / R4 = (10 kΩ + 10 kΩ) / 10 kΩ = 2.
Durch Anpassung von R3 und R4 kann eine andere Verstärkung eingestellt werden.
Mit R3 = 20 kΩ und R4 = 10 kΩ ist beispielsweise eine Verstärkung von 3 möglich.
Anmerkungen zum LM358 mit Klasse-B-Endstufe
Die Schaltung des Verstärkers in den Bildern 11 und 18 bedarf einer Erklärung.
1. Der Basis-Kollektor-Widerstand am NPN-Transistor
2. Die Wirkung hoher Eingangsspannungen
Basis-Kollektor-Widerstand am NPN-Transistor
Bild 17 zeigt die Spannung am +-Eingang des Operationsverstärkers (gelb) sowie die Spannung an den Emittern der Ausgangstransistoren (blau).
Zum Vergleich betrachten wir die Bilder 12 und 16:
- In Bild 12 beträgt die maximale Spannung an den Emittern Ueemax = 3,54 V.
- In Bild 17 beträgt Ueemax = 3,16 V.
- Ohne den Widerstand Rp verringert sich die Ausgangsspannung bei positiver Ausgangsspannung nach oben hin.
Die Ursache ist der LM358, der keine höhere Ausgangsspannung als Uv - 2 V = 5 V -2 V = 3 V abgeben kann. Durch Rp kann am LM358 eine höhere Ausgangsspannung erreicht werden.
In Bild 18 wird die Ausgangsspannung des LM358 bei Belastung dargestellt:
- Die Ströme sind in Bild 18 nicht gleichmäßig, sondern logarithmisch eingetragen.
- Das Diagramm bezieht sich auf eine Betriebsspannung von Uv = UV+ = 5 V und dass der Anschluss V- an 0 V liegt.
Insbesondere interessiert uns die Kennlinie (rot) für den Widerstand 3 kΩ an 5 V.
Unsere Schaltung in Bild 11 beinhaltet den Widerstand Rp = 3 kΩ. Durch diesen Widerstand kann am Ausgang des LM358 eine Spannung von über 3 V erreicht werden.
In Bild 18 entspricht der Widerstand Rp einem Widerstand an 5 V. In Bild 18 ist die Kennlinie für den Widerstand 3 kΩ an 5 V rot eingetragen.
Der Basisstrom für den NPN-Transistor Q1 liegt bei etwa 0,1 mA. Dies entspricht dem Laststrom für den LM358 mit dem Widerstand Rp.
In Bild 17 oben links ist zu sehen, dass dann eine Ausgangsspannung von 4,3 V bei 0,1 mA möglich ist.
Der Strom von der +5 V-Versorgung über den Widerstand Rp muss vom LM358 als Senkenstrom verarbeitet werden. Damit ist eine minimale Ausgangsspannung von etwa 0,8 V möglich.
Durch den Widerstand Rp ergibt sich eine Ausgangsspannung zwischen 0,8 V und 4,3 V. Dies deckt sich mit den Messungen in Bild 15.
Die Wirkung hohen Eingangsspannungen
Der LM358 darf mit Eingangsspannungen zwischen UV- - 0,3 V und UV+ betrieben werden, ohne dabei beschädigt zu werden. In unseren Schaltungen bedeutet das, dass die Eingangsspannungen zwischen -0,3 V und 5 V liegen dürfen.
Allerdings sollten die Eingangsspannungen nicht UV+ - 2,0 V hinausgehen, damit der LM358 ordnungsgemäß funktioniert. In unserem Fall sollte die Eingangsspannung beispielsweise nicht über 3 V liegen.
Bei unseren Messungen mit hoher Eingangsspannung haben wir z. B. in Bild 14 eine Eingangsspannung, die zwischen Umin = 0,52 V und Umax = 4,08 V liegt. Das Oszillogramm in Bild 14 könnte in diesem Fall irreführend sein, da die Eingangsspannung von 4,08 V über 3 V liegt.
Bild 19 zeigt das Oszillogramm des Verstärkers aus Bild 18 mit einer Verstärkung von 3: R3 = 20 kΩ und R4 = 10 kΩ.
- Die maximale Eingangsspannung (gelb) ist UEin+max = 2,98 V.
- Die minimale Eingangsspannung beträgt UEin+min = 2,12 V.
- Die Eingangsspannung liegt also im erlaubten Spannungsbereich.
- Die Ausgangsspannung (blau) wird auf 1,5 V und 3,62 V ≃ 5 V - 1,5 V begrenzt.
Beispiel eines Klasse-B-Verstärkers mit Operationsverstärkers
- Die Schaltung des Klasse-B-Verstärkers in den Bildern 11 und 16 ist keineswegs ideal. Sie demonstriert jedoch das Verhalten eines Klasse-B-Verstärkers.
- Die Verstärkung der Gleichspannung ist in beiden Schaltungen 1, d. h. die Spannung am +-Eingang UEin+ = Uv / 2 = 2,5 V ist auch die mittlere Spannung am Ausgang Uee = UEin+ = 2,5 V.
- Mithilfe des Operationsverstärkers wird die mittlere Ausgangsspannung genau auf die halbe Betriebsspannung eingestellt. Dies stellt den optimalen Arbeitspunkt eines Klasse-B-Verstärkers dar.
- Die Verstärkung für die Wechselspannung wird unabhängig von der Gleichspannungsverstärkung durch einen nur für Wechselspannung wirkenden Widerstand R4 eingestellt (über C3).
Klasse-B-Verstärker mit Treibertransistor für Wechselspannung
Die Schaltung ist eigentlich ziemlich einfach: Wir schalten die komplementären Emitterfolger hinter einen Klasse-A-Verstärker.
Der Transistor Q1 wird in einer Emitterschaltung mit einem Arbeitspunkt von 2,8 V und 20 mA betrieben. Der Emitterwiderstand R4 stabilisiert den Arbeitspunkt. Die Verstärkung beträgt etwa R3 / R4 = 100 Ω / 20 Ω = 5.
Da die Emitterfolger mit Q2 und Q3 eine Verstärkung von 1 haben, beträgt die Verstärkung des Klasse-B-Verstärkers dann 5.
Allerdings kann der Ausgang mit einem wesentlich höheren Strom betrieben werden. Der Strom kann um die Stromverstärkung der Transistoren höher sein, also bis zu 100-mal so groß.
Der Verstärker könnte einen Lastwiderstand von 8 Ω treiben.
Q1 ist der Treiber für die Klasse-B-Ausgangsstufe.
Die Verstärkung von Treiber und Ausgangsstufe beträgt 5.
Röhrenverstärker
Die ersten Verstärker waren vor 1910 Röhrenverstärker. Sie wurden zuerst – heute würde man sagen – als Telefonrepeater eingesetzt. Nach der modernen Nomenklatur würden sie als Klasse-A-Verstärker bezeichnet werden.
- Sie arbeiteten mit hohen Spannungen und der Lastwiderstand musste meist über Transformatoren an den Telefonhörer bzw. den Lautsprecher angepasst werden.
Die ersten Klasse-B-Verstärker wurden vor über 100 Jahren vorgestellt. Sie wurden Gegentaktverstärker genannt.
- Sie verwendeten Röhren, für die es keine komplementären Typen gibt.
- Es wurden zwei Röhren im Gegentakt angesteuert. Dazu waren Transformatoren nötig, die die Eingangsspannung den Röhren gegenphasig zuführten und am Ausgang wieder zusammenführten.