Endstufe (Elektrotechnik)

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Umgangssprachlich werden Leistungsverstärker auch als Endstufe bezeichnet, weil sie die letzte, elektronisch aktive Stufe in der Signalverarbeitung darstellen, bevor das verstärkte Signal dem Lastwiderstand übergeben wird. In der Elektroakustik arbeiten alle Leistungsverstärker zusammen mit den Lautsprechern entgegen häufiger unrichtiger Meinungen wirklich nur mit Spannungsanpassung R_i << R_a und R_i ist dabei kleiner als 0,1 Ohm.

Leistungsverstärker werden nach der Lage des Arbeitspunktes der Endstufe eingeordnet:

A-Betrieb
B-Betrieb
AB-Betrieb
C-Betrieb (Betrieb an Schwingkreis)
D-Verstärker (Schaltbetrieb an LC-Tiefpass)
E-Betrieb (Schaltbetrieb mit Schwingkreis)

[Bearbeiten] Eintakt- und Gegentaktverstärker

Der relativ hohe Aufwand, der früher bei der Verwendung von Elektronenröhren für jede Röhrenstufe aufgewendet werden musste, führte zunächst zur massenhaften Herstellung von Eintaktendverstärkern. In diesen Endstufen wurde der Arbeitspunkt für den A-Betrieb eingestellt. Wegen der geringen Verlustleistung der verwendeten Endröhren (meist weniger als 15 W) wurden kaum mehr als 6 W Ausgangsleistung bei einem niedrigen Wirkungsgrad erreicht. Preiswertere Röhren und schließlich Transistoren ermöglichten die effektiveren Gegentaktverstärker. Die Möglichkeit, npn- und pnp-Transistoren fast identischer Kennlinien verwenden zu können, schuf symmetrische Schaltungen, die geradzahlige Oberwellen fast vollständig auslöschen.

In Sendeendverstärkern und in vielen High-End-Audioverstärkern wird aus bestimmten Gründen jedoch weiter am Eintaktprinzip festgehalten. Bei Sendeverstärkern wird der hier dominierende Zwang zu hohen Wirkungsgraden (z. B. bei Mittelwellensendern im MW-Bereich) vor allem durch das Modulationsverfahren und den gewählten Arbeitspunkt bestimmt. So können die Designkriterien Verstärkung, Wirkungsgrad und Frequenzspektrum mit Eintaktendstufen erfüllt werden.

Hochwertige Röhrenverstärker zielen jedoch häufig auf kleinstmögliche Gegenkopplung und auf ein bestimmtes Verhältnis zwischen den spektralen Leistungsanteilen gerad- und ungeradzahligen Oberwellen ab. Da eine Elektronenröhre ein recht lineares Übertragungsverhalten besitzt, kann auf eine Gegenkopplung weitgehend verzichtet werden. Im Eintakt-A-Betrieb ergibt sich aus der Übertragungsfunktion u(A)=V*u(E)^(3/2) eine Dominanz geradzahliger Oberwellen und ein sehr schnell zu höherer Ordnung bzw. Frequenz hin abklingendes Verzerrungsspektrum. Durch die sehr geringe Gegenkopplung stellen zudem transiente Verzerrungen kein Problem dar. Erkauft wird dieses Verhalten durch einen sehr geringen Wirkungsgrad, folglich große Verlustwärme und problematischem magnetischen Sättigungsverhalten des Ausgangstransformators, hervorgerufen durch den Fluss des hohen Ruhestromes durch die Primärwicklung.

[Bearbeiten] Funktionsweise

Die Funktionsweise wird deutlich, wenn man jeweils das Verhalten eines der beiden Verstärkertransistoren betrachtet. Jeder der beiden Teilverstärker arbeitet in Kollektorschaltung, das heißt seine Stromverstärkung ist hoch, die Spannungsverstärkung dagegen ungefähr 1. Der Verbraucher ist zugleich der Arbeitswiderstand R_a. Er erhält phasengleich mit dem Eingangssignal Strom, wenn die positive Halbwelle den npn-Transistor bzw. die negative Halbwelle den pnp-Transistor aufsteuert. Die jeweils andere Halbwelle lässt den Transistor in nicht leitendem Zustand.

Jeder Transistor leitet also nur bei einer Halbwelle, am Verbraucher ergänzen sich die Halbwellen wieder zum vollständigen Signal. Dieses hat den Vorteil, dass ein sehr geringer Ruhestrom fließt. Typisch für Gegentaktendstufen ist die symmetrische Spannungsversorgung, da für jeden Transistor eine eigene Spannungsquelle erforderlich ist.

[Bearbeiten] Erläuterungen

Der Ruhestrom bezeichnet die Stromaufnahme einer Transistorendstufe, die nicht angesteuert wird (kein Eingangssignal).
Der Wirkungsgrad einer Transistorendstufe ist das Verhältnis von Ausgangsleistung zur elektrischen Leistung, die der Stromversorgung entnommen wird.
Die folgenden Erklärungen gehen von Bipolartransistoren als Verstärkerstufen aus. Zwar gelten die gleichen Bedingungen auch für FETs, allerdings ist hier zu beachten, dass diese spannungsgesteuert sind, wohingegen Bipolartransistoren stromgesteuert sind.

[Bearbeiten] A-Betrieb

Beim Eintakt-A-Verstärker liegt der Arbeitspunkt etwa in der Mitte des linearen Teils der Transistorkennlinie, weshalb diese Stufe einen hohen, nicht von der Aussteuerung abhängigen Ruhestrom und einen geringen Wirkungsgrad hat. Der DC Biasstrom $I q$ wird derart gewählt, dass er größer als die Amplitude des Nutzsignals ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass zu jeder Zeit ein Kollektorstrom $I c$ fließen kann. Es liegt also eine volle Periode des Eingangssignals, volle 360°, am Ausgang des Verstärkers an. Ein Maß dafür ist der sogenannte "conduction angle", (Leitfähigkeitswinkel). Er gibt an, wie viel vom Eingangssignal übertragen wird und liegt für Klasse A bei 360°. Der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad liegt bei 50 Prozent, sodass der weit überwiegende Teil der elektrischen Energie noch im Verstärker in Wärme umgesetzt wird. Im A-Betrieb ist die erreichbare Verstärkung gegenüber den Gegentaktendstufen geringer, wobei es bei letzteren aber zu geringeren Verzerrungen kommt. Weitere Infos unter Transistorverstärker

Die Arbeitskennlinie eines Transistors ist unter Vernachlässigung der zahlreichen verschiedenen Gegentaktschaltungen einem geneigten "S" ähnlich. Die Kennlinie des Gegentaktverstärkers ergibt sich aus der grafischen Addition der originalen Kennlinie im 1. Quadranten eines i(A)=f(u(E))-Koordinatensystems und der zweifach gespiegelten Kennlinie im 3. Quadranten bei jeweils betragsmäßig identischer u(E) um den in der Mitte des linearen Kennlinienteils gelegenen Arbeitspunkt. Im Ergebnis entsteht eine ebenfalls S-förmige Kennlinie. Die Fouriertransformation ergibt eine strukturelle Dominanz der ungeradzahligen Oberwellen.

[Bearbeiten] B-Betrieb

Im Klasse B Betrieb ist $I q = 0$ . Der Transistor ist somit nur bei positiven Halbwellen leitend. Der Rest, also die negativen Halbwellen des Eingangssignals, werden dabei abgeschnitten. Es wird also lediglich die Hälfte = 180° übertragen. Folglich liegt der "conducting angle" bei 180°. Um auch die negative Halbwelle verstärken zu können, wird ein zweiter Transistor so zugeschaltet, dass dieser gerade im negativen Bereich der Welle leitend ist. Man nennt diese Anordnung auch push-pull, da ein Transistor Strom in die Last "drückt" und der andere Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung bewirkt. Liegt die Eingangsspannung unterhalb eines bestimmten Wertes, in der Nähe von 0, so ist keiner der beiden Transistoren leitfähig. Am Ausgang macht sich dieses als "crossover" oder "deadband" Verzerrung bemerkbar. Um auch diese Verzerrungen zu vermeiden, werden AB-Verstärker eingesetzt. Das Bild zeigt eine Grundschaltung der Gegentakt-B-Endstufe mit einem npn- und einem pnp-Transistoren, Gegentaktansteuerung durch Eingangstransformator und asymmetrischer Betriebsspannung:

Mit dem Basisspannungsteiler R1/R2 wird der Arbeitspunkt eingestellt.

Beim Gegentakt-B-Verstärker werden zwei Transistoren gleichstrommäßig parallel geschaltet, jede Stufe übernimmt dabei die Verstärkung einer Halbwelle (Polarität) des Eingangssignals. Der Arbeitspunkt der Transistoren liegt im unteren Drittel der Transistorkennlinie, weshalb der Ruhestrom viel geringer als beim Eintakt-A-Verstärker ist. Des Weiteren ist der Wirkungsgrad mit theoretischen 78% sehr viel höher.

Damit keine Gleichspannungsanteile an den Lastwiderstand (meistens Lautsprecher) gelangen, muss der Verstärker am Ausgang galvanisch entkoppelt sein. Dazu werden meistens Transformatoren verwendet. Aber auch Elektrolytkondensatoren mit großer Kapazität finden Anwendung.

Für die Arbeitskennlinie eines Transistors wird wieder von einem S-förmigen Verlauf ausgegangen. Die Kennlinie des Gegentaktverstärkers ergibt sich aus der grafischen Addition der originalen Kennlinie im 1. Quadranten eines i(A)=f(u(E))-Koordinatensystems und der zweifach gespiegelten Kennlinie im 3. Quadranten bei jeweils betragsmäßig identischer u(E) um den am Beginn des linearen Kennlinienteils gelegenen Arbeitspunkt. Im Ergebnis entsteht eine zweifach S-förmige Kennlinie. Die Fouriertransformation ergibt ein breites Oberwellenspektrum mit struktureller Dominanz der ungeradzahligen Oberwellen.

[Bearbeiten] AB-Betrieb

Das Bild zeigt die Grundschaltung einer Komplementär-AB-Endstufe mit Eintaktansteuerung und symmetrischer Betriebsspannung:

Der Gegentakt-AB-Verstärker hat einen etwas höheren Ruhestrom als der Gegentakt-B-Verstärker. Von Vorteil ist hier, dass die gleichstrommäßige Reihenschaltung der Transistoren die teuren Transformatoren überflüssig macht (eisenlose Endstufe). Es ist jedoch eine Basisvorspannung für die Endstufentransistoren notwendig, um die Übernahmeverzerrungen zu beseitigen (zu kompensieren), was entweder durch einen Widerstand oder besser mit zwei Dioden erfolgt. Werden diese Dioden wärmeleitend mit den Transistoren verbunden, ändert sich die Flussspannung der Dioden in gleichem Maße wie die der Basis-Emitter-Strecken der Transistoren, was eine Arbeitspunktveränderung weitgehend kompensiert (Temperaturkompensation).

Bei der Gegentaktendstufe ist es für möglichst symmetrische Verstärkung notwendig, dass beide Endstufentransistoren Q1/Q2 die gleichen Daten aufweisen (Transistorpärchen). Sie werden zur Leistungssteigerung häufig durch Darlington-Schaltungen ersetzt.

Die AB-Endstufe ist ein Kompromiss zwischen Verstärkung und Verzerrung. AB-Endstufen sind die am weitesten verbreiteten Endstufen in der Unterhaltungselektronik. Sie treten in integrierter Bauform als IC (z. B. die Hybrid STK-Typen) oder bei teureren Verstärkern in diskreter Bauform auf.

Beispiel einer AB-Gegentaktstufe in einem HiFi-Verstärker (Bild rechts)

Bild einer AB-Gegentaktendstufe in diskreter Bauweise

Unter (1) sind die Endstufentransistoren zu erkennen, diese werden von den zwei Treibertransistoren (2) im Gegentakt angesteuert. Die zwei Kondensatoren unter (3) dienen als Pufferspeicher dazu, die symmetrische Versorgungsspannung zu sieben (Entfernung des 100Hz-Brummens von der Graetz-Brücke) und genug Strom bei kurzfristigen Leistungsspitzen (Bässe) zur Verfügung zu stellen. Das IC unter (4) ist der Quellenumschalter, der vom Mikrocontroller des Receivers/Verstärkers angesteuert wird.

[Bearbeiten] C-Betrieb

Dieser Verstärker wird meistens in HF-Endstufen für kontinuierliche Aussendungen (Senderendstufen, Amateurfunk) eingesetzt. Für trägerlose Aussendungen (Einseitenbandmodulation, SSB) sind Verstärker im C-Betrieb aufgrund der hohen Verzerrungen nicht geeignet. Der Arbeitspunkt wird so gewählt, dass bei kleiner Aussteuerung noch kein Ruhestrom fließt, was zu einer starken Verzerrung des Ausgangssignals führt. Bei vielen modulierten Signalen ist dieses ohnedies belanglos. Der Wirkungsgrad im C-Betrieb kann mit bis zu 90% sehr hoch sein, und damit ist die Verlustleistung gering. Eine wichtige Eigenschaft, wenn man doch bedenkt, dass ein Sender oft mit 100 kW und noch mehr Leistung versorgt werden will. Als Last benutzen diese Endstufen HF-Schwingkreise.

[Bearbeiten] D-Verstärker

In einem Klasse-D-Verstärker werden die Leistungstransistoren mit Hilfe von unterschiedlich langen Pulsen angesteuert. Sie werden also geschaltet und nicht wie bei den anderen Klassen linear betrieben. Der Vorteil davon ist, dass der Transistor nur sehr kurz in dem mit hoher Verlustleistung verbundenen mittleren Strom-Bereich betrieben wird. Dadurch wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht. Es muss deutlich weniger Wärme durch Kühlkörper abgeführt werden. Das geschaltete Ausgangssignal muss, bevor es zu den Lautsprecherklemmen geht, noch mit einem Tiefpass gefiltert werden. Andernfalls würden die Lautsprecherkabel starke elektromagnetische Störungen abgeben und andere Geräte beeinträchtigen.

Damit die Schaltungen und die anschließende Filterung nicht das zu verstärkende Signal verzerren, muss die Schaltfrequenz oberhalb der höchsten Signalfrequenz liegen. Eine typische Schaltfrequenz für Audioverstärker im D-Betrieb ist ca. 400 kHz, also weit über dem hörbaren Frequenzbereich.

[Bearbeiten] E-Verstärker

Klasse-E-Verstärker vereinen Elemente des Klasse-D- und Klasse-C-Verstärkers zu einem Audioverstärker höchster Effizienz. Bei diesen arbeitet eine Schaltstufe auf einen Resonanzkreis, dessen Spannung über einen Tiefpass zur Last gelangt. Die Schaltstufe schließt immer dann, wenn der Schwingkreis im Nulldurchgang angelangt ist, dadurch verringern sich die Schaltverluste und Störungen gegenüber Klasse-D-Verstärkern dramatisch.