Klasse-B-Verstärker mit Treibertransistoren
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.
Nachdem wir uns mit Klasse-B-Verstärker mit Operationsverstärker beschäftigt haben, untersuchen wir nun, wie Klasse-B-Verstärker funktionieren, deren Ausgangstransistoren durch einen Transistor angesteuert werden.
Dieser Transistor wird als Klasse-A-Verstärker mit geringer Leistung betrieben. Er treibt die beiden Ausgangstransistoren sozusagen an und wird deshalb Treibertransistor genannt.
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 mit Q2 und Q3.
Die Verstärkung von Treiber und Ausgangsstufe beträgt insgesamt 5.
Messungen am Klasse-B-Verstärker mit Treibertransistor
Um die Schaltung des Klasse-B-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 des Treibertransistors,
- die Spannung an den Basen der Ausgangstransistoren,
- die Spannung an den Emittern der Ausgangstransistoren und
- die Ausgangsspannung.
Das ist mit einem üblichen Oszilloskop nicht möglich. Wir beschränken uns auf die Spannung an der Basis des Treibertransistors sowie auf die Spannungen an den Basen oder Emittern der Ausgangstransistoren.
Die Spannung an der Basis des Treibertransistors enthält die Eingangsspannung.
Die Spannung an den Basen der Ausgangstransistoren ist die Kollektorspannung des Treibertransistors.
Die Spannung an den Emittern enthält die Wechselspannung am Ausgang.
Wir messen immer mit einem Lastwiderstand von 16 Ω.
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 Spannung an der Basis des Treibertransistors und der blaue die Basis- oder Emitterspannung der Ausgangstransistoren.
Der gelbe Kanal ist um 1,5 V nach unten verschoben (gelbes Dreieck mit 2, links). Der blaue Kanal ist um 3 V nach unten verschoben (rotes Dreieck mit 2, links). Dadurch sind die Wechselspannungsanteile gut zu erkennen. Die tatsächlichen Werte werden 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.
Wirkung des Treibertransistors
Bild 2 zeigt die Basisspannung (gelb) und die Kollektorspannung (blau) des Treibertransistors Q1.
- Die Gleichspannung an der Basis beträgt Ub = U-m = 1,2 V.
- Die Gleichspannung am Kollektor ist Uc = Um = 2,7 V. Sie weicht um nur 0,1 V vom vorgesehenen Arbeitspunkt von 2,8 V ab.
- Die Wechselspannung an der Basis beträgt Ub~ = 0,76 V.
- Die Wechselspannung am Kollektor ist Uc~ = 3,32 V.
- Damit ist die Verstärkung Uc~ / Ub~ ≃ 4,4, und weicht nur wenig von der geplanten 5 ab.
- Der Verlauf der Ausgangsspannung entspricht dem der Eingangsspannung. Sie ist allerdings invertiert.
Ausgangsspannung des Klasse-B-Verstärkers
Der Wechselspannungsanteil an den Emittern der Ausgangstransistoren entspricht der Ausgangsspannung des gesamten Klasse-B-Verstärkers.
Bild 3 zeigt die Basisspannung (gelb) des Treibertransistors Q1 sowie die Spannung (blau) an den Emittern der Ausgangstransistoren Q2 und Q3.
- Die Gleichspannung an der Basis beträgt Ub = Um = 1,2 V.
- Die Gleichspannung an den Emittern ist Uee = Um = 2,72 V.
- Sie stimmt mit der Kollektorspannung am Treibertransistor Uc = Um = 2,7 V überein.
- Die Wechselspannung an der Basis beträgt Ub~ = 0,76 V.
- Die Wechselspannung an den Emittern ist Uee~ = 1,88 V.
- Das ist wesentlich geringer als am Kollektor des Treibertransistors Uc~ = 3,32 V.
- Wenn die Eingangswechselspannung nahe 0 V ist, bleibt die Ausgangswechselspannung 0 V.
- Die Ausgangsspannung ist stark verzerrt.
Ausgangswechselspannung beim Nulldurchgang
In Bild 3 ist zu erkennen, dass die Ausgangswechselspannung länger bei 0 V bleibt. Dieses Phänomen wollen wir näher untersuchen.
Bild 4 zeigt den Wechselspannungsanteil (gelb) der Basisspannung der Ausgangstransistoren und an den Emittern des Klasse-B-Verstärkers. Die Basisspannung der Ausgangstransistoren Q2 und Q3 ist die Kollektorspannung von Q1.
- Die Spannungen werden in der Nähe des Nulldurchgangs angezeigt.
- Wenn die Basisspannung negativ ist, geht bei etwa 0,7 V die Spannung an den Emittern auf 0 V.
- Erst bei einer positiven Spannung von etwa 0,7 V steigt die Emitterspannung wieder an.
- Ist die Basisspannung positiv, geht die Emitterspannung bei 0,7 V auf 0 V und erst bei -0,7 V auf einen negativen Wert.
- Offensichtlich leitet der NPN-Transistor Q1 erst, wenn seine Basis-Emitter-Spannung 0,7 V erreicht.
- Der PNP-Transistor Q2 leitet erst, wenn seine Basis-Emitter-Spannung -0,7 V beträgt.
- Dies ist das typische Verhalten von Transistoren.
- In einem Verstärker stört dieses Verhalten jedoch.
- Die Ausgangsspannung ist um ±0,7 V geringer als die Basisspannung.
- Das Oszillogramm in Bild 4 zeigt aber auch einige positive Eigenschaften eines Klasse-B-Verstärkers:
- Ist die Eingangsspannung 0 V, fließt in den Ausgangstransistoren kein Strom.
- In den Ausgangstransistoren fließt ein Strom, der proportional zur Eingangsspannung ist, und zwar
- während der positiven Halbwelle im NPN-Transistor und
- während der negativen Halbwelle im PNP-Transistor.
Ausgangsspannung bei hoher Eingangsspannung
Bild 5 zeigt die Basisspannung (gelb) des Treibertransistors Q1 sowie die Spannung (blau) an den Emittern der Ausgangstransistoren Q2 und Q3.
- Die mittlere Spannung an den Emittern beträgt Uee = 3,0 V.
- Die maximale Spannung an den Emittern ist Ueemax = 4,38 V.
- Die minimale Spannung an den Emittern ist Ueemin = 1,62 V.
- Die Ausgangsspannung wird nach oben auf etwa 5 V - 0,7 V und nach unten auf 1,62 V begrenzt.
- Die 0,7 V unter 5 V werden durch die Basis-Emitter-Spannung des NPN-Transistors Q2 verursacht.
- Die 1,62 V nach unten werden durch die Basis-Emitter-Spannung des PNP-Transistors Q3 und den Emitterwiderstand R4 verursacht.
- Dieses Phänomen ist uns von Verstärkern in Emitterschaltung mit einem Emitterwiderstand bekannt.
Zusammenfassung
Ein Klasse-B-Verstärker mit Treibertransistor hat folgende Eigenschaften:
- Bei einer Eingangsspannung von 0 V fließt in den Ausgangstransistoren kein Strom.
- In den Ausgangstransistoren fließt ein Strom, der proportional zur Eingangsspannung ist.
- Dies ist während der positiven Halbwelle im NPN-Transistor und
- während der negativen Halbwelle im PNP-Transistor der Fall.
- Die im Verstärker abfallende Leistung verteilt sich auf zwei Transistoren.
- Bei 0 V gibt es Übernahmeverzerrungen von ±0,7 V.
- Die Ausgangsspannung ist um ±0,7 V geringer.
- Die Basis-Emitter-Spannung der Ausgangstransistoren verringert die maximal mögliche Ausgangsspannung.
- Die Begrenzungen durch die Schaltung des Treibertransistors summieren sich.