Verstärker (Elektrotechnik)
aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Ein Verstärker ist in der Elektrotechnik / Elektronik ein Gerät oder eine Baugruppe, die ein eingehendes Signal verstärkt weitergibt.
Dabei kann es sich um ein Gleichspannungs-, Wechselspannungs- oder ein Schaltsignal handeln.
Man unterscheidet bei Verstärkern zwischen Spannungsverstärkung, Stromverstärkung und Leistungsverstärkung.
Neben elektronischen Verstärkern gibt es Verstärker, die nach anderen Prinzipien arbeiten, wie zum Beispiel pneumatische, hydraulische und optische Verstärker.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Bestandteile
Das eigentliche verstärkende Bauelement in Verstärkern ist ein sogenanntes Aktives elektronisches Bauelement. Hierunter fallen u.a. Transistoren und Elektronenröhren, aber auch Transduktoren (Magnetverstärker).
Kennzeichnend für diese ist die Steuerbarkeit eines großen Ausgangsstromes bzw. einer großen Ausgangsspannung/ -leistung mit einem kleineren Eingangssignal (ein Strom, eine Spannung oder auch eine elektromagnetische Welle). In der Hochfrequenztechnik kommen auch Maser, IMPATT-Dioden (in parametrischen Verstärkern) oder Tunneldioden zum Einsatz. Als besonders rauscharme Verstärker werden in der Messtechnik in einigen wenigen Fällen auch SQUIDs eingesetzt.
Ein Verstärker umfasst neben diesen aktiven Bauelementen eine Vielzahl weiterer passiver Bauelemente, die u.a. der Energieversorgung, der Stabilisierung der Parameter, der Impedanzanpassung oder dem Schutz dienen.
Dabei handelt es sich insbesondere um Widerstände, Kondensatoren, Transformatoren bzw. Übertrager und Dioden.
Diskret aufgebaute Transistorverstärker werden zunehmend durch Operationsverstärker und integrierte Leistungsverstärker abgelöst, die viele aktive und passive Elemente enthalten, sodass nur wenige externe Bauelemente zum Betrieb erforderlich sind.
[Bearbeiten] Arbeitsweise
[Bearbeiten] Analogverstärker
Analogverstärker verstärken eine stetig verlaufende Gleich- oder Wechselspannung.
Meistens soll die Verstärkung der Spannung innerhalb eines möglichst breiten Frequenzbereiches konstant sein, der durch die untere und die obere Grenzfrequenz begrenzt ist. Es gibt aber auch andere Übertragungsfunktionen, wie zum Beispiel beim Entzerrer-Verstärkern, Equalizern oder Sendeverstärkern. In solchen Fällen lässt sich der Verstärker in einen idealen, breitbandigen Verstärker und einen Filter untergliedern.
Man unterscheidet folgende Betriebsarten bzw. Verstärker-Klassen:
- Eintaktverstärker (1 aktives Bauelement als Endstufe)
- A-Betrieb (aktives Bauelement arbeitet auf einen Widerstand und leitet immer)
- C-Betrieb (aktives Bauelement arbeitet auf einen Schwingkreis und leitet nur kurzzeitig, Anwendung nur bei Hochfrequenzverstärkern)
- Gegentaktverstärker (2 aktive Bauelemente arbeiten gegeneinander bzw. abwechselnd, engl. push-pull)
- Gegentakt-A (beide Bauelemente leiten immer)
- Gegentakt-AB (die Bauteile leiten fast immer)
- Gegentakt-B (die Bauteile leiten abwechselnd)
Bei einem Vollbrückenverstärker (bei Audioverstärkern häufig als BTL - bridge terminated load bezeichnet) arbeiten zwei Gegentaktverstärker gegeneinander auf jeweils einen der Lastanschlüsse.
Analoge Leistungsverstärker können auch mithilfe von Schaltverstärkern aufgebaut werden, indem ein analoges Signal zunächst mit einem Analog-digital-Umsetzer (ADU/ADC) in ein pulsweitenmoduliertes Schaltsignal umgewandelt wird, das dann verstärkt wird und mit einem Filter (LC-Tiefpass) wieder in eine sich stetig veränderliche Spannung zurückgewandelt wird. Diese Methode wird bei Audioverstärkern als Klasse-D- bzw. class D-Verstärker bezeichnet). Die Methode wird auch zur Steuerung von Gleichstrom- und Schrittmotoren angewendet und heißt dort Chopper-Steuerung bzw. -Betrieb, erfordert jedoch dort keinen Ausgangsfilter.
Klasse-E-Leistungsverstärker 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.
[Bearbeiten] Schaltverstärker
Schaltverstärker haben nur zwei Zustände und verstärken Strom oder Spannung eines Schaltsignales. Oft ist auch eine Potentialtrennung gegeben bzw. erforderlich, z.B., wenn Netzspannungen geschaltet werden.
Schaltverstärker können mit aktiven elektronischen Bauelementen (Transistoren, Thyristoren, Triacs, Halbleiterrelais) oder auch mit mechanischen Relais realisiert werden.
Sogenannte „intelligente“ Halbleiterschalter sind leistungselektronische integrierte Schaltkreise, die neben der Schaltfunktion auch Schutz- und Überwachungsfunktionen enthalten, um Kurzschlussfestigkeit oder eine Rückmeldung des fließenden Laststromes zu erreichen. Sie werden häufig in Kraftfahrzeugen eingesetzt.
Schaltverstärker besitzen oft eine Mitkopplung, die ein Hystereseverhalten verursacht. Sie arbeiten dann wie ein Schwellwertschalter, insbesondere, um unexaktes Schaltverhalten zu vermeiden und Störsignale zu eliminieren.
Schalt-Verstärkerstufen für hohe Arbeitsfrequenzen, wie sie z.B. in Schaltnetzteilen, Choppersteuerungen oder Klasse-D-Analogverstärkern enthalten sind, werden dagegen nicht als „Schaltverstärker“ bezeichnet
[Bearbeiten] Kenngrößen analoger Verstärker
Die Leistung am Ausgang von Verstärkern reicht von wenigen µW (Hörgerät) bis zu mehreren hundert Kilowatt (Rundfunksender).
Verstärker sind für eine bestimmte Lastimpedanz (z.B. 50 Ohm bei Senderverstärkern, 4…8 Ohm bei Audioverstärkern) bzw. im Falle von Schaltverstärkern für einen maximalen Ausgangsstrom und eine maximale Ausgangsspannung spezifiziert.
Weitere Kenngrößen von analogen Verstärkern sind deren Störabstand und Klirrfaktor sowie die erforderlichen Eingangsspannungen und -ströme.
Der Verstärkungsfaktor oder kurz die Verstärkung gibt das Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsgröße (Spannung, Strom oder Leistung) an. Er wird durch einen Faktor oder logarhitmisch (meist in Dezibel) angegeben.
[Bearbeiten] Störabstand
Störungen beim Verstärken von analogen Signalen sind das Rauschen (siehe auch: Signal-Rausch-Abstand) sowie Fremdspannungen, die z.B. aus Resten der versorgenden Netzwechselspannung stammen. Sie werden durch den Störabstand oder den Fremdspannungsabstand beschrieben und meistens in Dezibel im Bezug auf Vollaussteuerung des Verstärkers angegeben.
Die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beschreibt u.a. die Empfindlichkeit eines Verstärkers gegenüber hineingelangenden elektromagnetischen Feldern (z.B. von Rundfunksendern, Schaltfunken oder Mobiltelefonen).
[Bearbeiten] Verzerrungen
Man unterscheidet lineare und nichtlineare Verzerrungen.
Lineare Verzerrungen betreffen die Frequenzabhängigkeit der Verstärkung sowie damit einhergehende Phasenwinkel-Abweichungen.
Nichtlineare Verzerrungen betreffen ein nicht proportionales Verhältnis zwischen dem Zeitverlauf der Ein- und Ausgangsspannung (mangelhafte Amplituden-Linearität). Sie führen auch zu Intermodulationsverzerrungen. Bei Klasse-D-Verstärkern treten zusätzlich auch Quantisierungsfehler auf. Außerdem können bei diesen entsprechend dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem auch Fehler auf Grund zu geringer Abtast- bzw. Arbeitsfrequenz auftreten (Aliasing, Sub-Harmonische).
Nichtlineare Verzerrungen treten bei Übersteuerung (Überschreiten der maximalen Amplitude der Ausgangsspannung) oder bei Klasse-B-Verstärkern durch die sogenannten Übernahmeverzerrungen auf. Diese entstehen durch nicht ausreichend schnelle Stromfluss-Übernahme der beiden abwechselnd leitenden Ausgangsstufen.
An Mess- und Audioverstärker werden besonders hohe Anforderungen an den Rausch- und Störabstand, die Stabilität und den Frequenzgang gestellt.
Bei Audioverstärkern muss nicht nur für einen großen Frequenzbereich, der den Hörbereich einschließen soll, für einen linearen Frequenzgang und für geringe Verzerrungen (Klirrfaktor) des Signals gesorgt werden, sondern es ist auch ein möglichst kleiner Innenwiderstand, eine kurze Anstiegszeit, Impulstreue und Kanaltrennung erforderlich.
Das Thema Gehörrichtige Lautstärke wird bei Psychoakustik behandelt.
[Bearbeiten] Gegenkopplung
Unter Gegenkopplung versteht man die Rückführung eines Teiles des Ausgangssignales eines Verstärkers auf dessen Eingang. Im Gegensatz zur Mitkopplung ist die Phase des gegengekoppelten Signales zur Phase des Eingangssignals invertiert. Zweck der Gegenkopplung ist eine statische (Arbeitspunkt) und dynamische (Linearität, Frequenzgang) Linearisierung des Verhaltens des Verstärkers. Gleichzeitig wird die Vestärkung dadurch weitgehend unabhängig von Toleranzen der verwendeten aktiven Bauelemente. Die Linearisierung durch Gegenkopplung wird mit einer geringeren Verstärkung erkauft.
Fast alle analogen Verstärker haben eine Gegenkopplung, um die hohe Grundverstärkung auf einen bestimmten Wert zu reduzieren und die Linearität zu verbessern. Bei mehreren Gegenkopplungszweigen innerhalb eines Verstärkers spricht man von verteilter Gegenkopplung.
In der Röhrentechnik führt eine starke Gegenkopplung aufgrund der geringeren Verstärkung eine höhere Anzahl von Verstärkerstufen (Röhren) nach sich. Aus diesem Grunde und aufgrund der Schwierigkeit, den Ausgangsübertrager in die Gegenkopplung einzubeziehen, wird hier traditionell nur eine geringe Gegenkopplung angewendet.
Die Halbleitertechnik mit ihren geringeren Abmessungen und Bauteilpreisen, der Integrierbarkeit und dem Entfallen der Heizspannungsquelle bietet die Möglichkeit, die Schleifenverstärkung (Verstärkung ohne Gegenkopplung) stark zu erhöhen und mit extrem hohen Gegenkopplungsfaktoren eine hohe Linearisierung zu erreichen.
Eine Gegenkopplung kann jedoch unter Umständen den Frequenzbereich und das Zeitverhalten eines Verstärkers negativ beeinflussen:
Erreicht den Eingang des gegengekoppelten Verstärkers ein Impuls (einmaliger, ggf. steilflankiger Vorgang), so bedarf es einer bestimmten, u. a. durch die obere Grenzfrequenz des Signalweges bestimmten Zeit, bis das korrigierende Gegenkopplungs-Signal den Eingang erreicht. Während dieser Zeit hat die Gegenkopplung keine Wirkung, die Schleife ist „offen“. Dies führt insbesondere bei hohen Gegenkopplungsfaktoren bei unzureichendem Schaltungsdesign zu transienten Signalabweichungen (sog. „Überschwinger“ oder Einschwingverhalten), bis das Signal eingeschwungen ist (engl. „settling“). Diese Abweichungen sind umso größer, je näher der Verstärker an seiner Instabilitätsgrenze arbeitet. Diese liegt dort, wo die Phasenverschiebungen der gesamten Schleife (Verstärker + Gegenkopplung) so groß werden, dass es zur Selbsterregung kommt - die Gegenkopplung wird durch die Summe der Phasenverschiebungen zur Mitkopplung. Den Verzerrungen und Instabilitäten muss durch eine Frequenzkompensation begegnet werden, die die Verstärkung vor Erreichen der kritischen Frequenz auf unter Eins senkt. Da das Phasenverhalten auch durch die Last beeinflusst wird, sind Audioverstärker besonders betroffen, da die an ihnen betriebenen Lasten (Lautsprecherbox) einen stark frequenzabhängigen Impedanzverlauf haben.
Elektronenröhren- und Transistorverstärker unterscheiden sich sowohl im Verhältnis zwischen gerad- und ungeradzahligen Oberwellen (Verzerrungsspektrum) als auch in den transienten Verzerrungen.
Röhrenverstärker sind durch den weicheren Einsatz von Übersteuerungs-Verzerrungen (soft clipping) charakterisiert, haben jedoch Probleme aufgrund des gegenüber Transistorverstärkern höheren Ausgangswiderstandes, was zu einer schlechteren Impulstreue aufgrund der geringeren Dämpfung der Lautsprecher-Eigenresonanzen führt. Der Ausgangsübertrager führt aufgrund seiner Streuinduktivität auch zu einem nach oben begrenzten Frequenzgang.
Audio-Transistorverstärker weisen dagegen sehr viel unangenehmere Verzerrungen bei Übersteuerung auf und zeigen bei unzureichendem Design sogenannte Übernahmeverzerrungen, die durch Gegenkopplung nicht vollständig beseitigt werden können. Hier muss oft ein Kompromiss zwischen geringer Ruhestromaufnahme und geringen Übernahmeverzerrungen gefunden werden. Bei modernen integrierten Audio-Leistungsverstärkern spielt das Problem der Übernahmeverzerrungen nur noch eine untergeordnete Rolle, da die enthaltenen Transistoren inzwischen ausreichend schnell sind. Inzwischen ist es auch gelungen ein soft-clipping-Verhalten in Transistorverstärker zu implementieren, sodass keine objektiven Gründe mehr bestehen, auf Audio-Röhrenverstärker zurückzugreifen.
[Bearbeiten] Einsatzgebiete
Verstärker kommen in nahezu allen Bereichen der Elektrotechnik und Elektronik zum Einsatz.
Beispiele sind die Nachrichtentechnik, die Unterhaltungselektronik (Effektgeräte, elektronische Musikinstrumente, Synthesizer), Audioverstärker, Mikrofonverstärker), Messverstärker, Verstärker zur Ansteuerung von Aktoren (Motoren, Piezoelemente, Zugmagnete).
In Festplatten und Tonbandgeräten arbeiten analoge Verstärker beim Lesen und Schreiben mittels Magnetkopf. In Glasfasernetzen und CD- und DVD-Spielern sind elektrische Verstärker zum Betrieb von Laserdioden und zur Verstärkung der Signale von Fotodioden erforderlich.
In Mobiltelefonen, Radios, Satelliten und Rundfunksendern sind Hochfrequenzverstärker zum Senden und Empfangen von Funkwellen erforderlich.
Schaltverstärker arbeiten z.B. zum Betrieb der Signallampen und der Fensterheber in Kraftfahrzeugen oder auch in Stromstoßschaltungen und Tasterschaltungen. Sie treiben Zugmagnete und Magnetventile in Automatisierungsanlagen und Maschinen.
[Bearbeiten] Siehe auch
[Bearbeiten] Technologien
[Bearbeiten] Grundschaltungen
- Differenzverstärker
- Leistungsverstärker
- Operationsverstärker
- Chopperverstärker
- Nullohmtechnik
- Knotenpunktverstärker
[Bearbeiten] Anwendungen
- Vorverstärker
- Linienverstärker
- Mikrofonverstärker
- Mikrofonvorverstärker
- Summenverstärker
- Gitarrenverstärker
[Bearbeiten] Weblinks
- Über das richtige Anpassen von Lautsprechern und Kopfhörern an Verstärker
- Verstärker und die dB-Rechnung
- Unterschiedliche Begriffe der Impedanzen bei Verstärkern und der Anpassung
- Microwave Amplifiers and Components (en)
