Funktionsprinzip: P P. Elektrische Leistung (DC) Leistungs- Verstärker. Lautsprecher. Thermische Verlustleistung (Wärme) Wirkungsgrad:

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1 eistungsverstärker

2 Funktionsprinzip: Elektrische eistung () Elektrische Signale (AC) Ue(t) eistungs- Verstärker Elektr. eistung (AC) autsprecher neumatische eistung uftdruckänderung Thermische Verlustleistung (Wärme) Wirkungsgrad: η AC

3 Gleichstromleistung Eingang Ausgang Ie Ia Ue (t) Aktiver Vierpol R Ua (t) Verlustleistung ein Verstärker entspricht einem aktiven Vierpol die Eingangsgrößen (U, I) werden verstärkt und über dem Ausgang an einen astwiderstand (R) abgegeben Ausgangsleistung >> Eingangsleistung dadurch ist die Zufuhr von Gleichstromleistung notwendig Gleichstromleistung Wechselstromleistung + Verlustleistung

4 Anforderungen an einen Verstärker Hauptaufgabe: eistung verstärken geringe Verzerrungen geringes Rauschen hohe Bandbreite inearität keine Änderung der (dynamischen) Eigenschaften während des Betriebs (z.b. Temperaturdrift) hoher Wirkungsgrad geringe Kosten

5 Übersicht Man unterscheidet die eistungsverstärker entsprechend ihrer Betriebsart. Die verschiedenen Betriebsarten werden durch die unterschiedliche latzierung der Arbeitspunkte festgelegt. Die Einteilung erfolgt in die Klassen A, B, AB, C und D.

6 Klasse A - Verstärker Man spricht von einem Verstärker der Klasse A, wenn eine symmetrische Aussteuerung um den Arbeitspunkt erfolgt. Das bedeutet, der Arbeitspunkt liegt in der Mitte des dynamischen Aussteuerbereiches. Der Vorteil dieser Betriebsart liegt darin, dass A-Verstärker mit einem einzelnen Transistor aufgebaut werden können. Dieser arbeitet sehr linear und verstärkt beide Halbwellen annähernd gleich, wodurch die Verzerrungen äußerst gering sind. Es treten keine Übernahmeverzerrungen auf. Der Nachteil dieser Schaltung ist der äußerst schlechte Wirkungsgrad von maximal 5% bei voller Aussteuerung. Desweiteren ist bei Klasse A Verstärkern die Stromaufnahme konstant, d.h. der Verstärker verbraucht immer die gleiche eistung, egal ob im eerlauf oder unter Volllast. Somit ist der Wirkungsgrad in der raxis noch weit geringer.

7 Typische Schaltung Emitterschaltung UR (t) R I (t) I (t) C R U (t) + U (t) U R CE B Ic (t) UB UCE (t) Ue (t) UB R Ue(t) Betriebsspannung astwiderstand z.b. autsprecher Eingangsspannung z.b. Musiksignal

8 Berechnung von max Annahme: U (t) 0V CE CE min U (t) U max B U U B Û R U CE U B T 0 t

9 AC eistung 1 Tp (R ) i (t)*u (t)dt i (t) AC 0 R R R T u R(t) R u (t) 1 (R ) u u (t)dt Tp R AC R Eff 0 R R T (R ) AC max 1 8R U B für sinusförmige Größen gilt: 1 UB ur u Eff R mit ur 1 ur U Eff B

10 Der maximale Ausgangsleistung ergibt sich also aus Betriebsspannung zum Quadrat, geteilt durch das 8-fache des astwiderstandes. Beispiel: Betriebsspannung 1V (Gleichstrom) astwiderstand 4Ohm ACmax 4,5 W (Sinusleistung) Für eine höhere Ausgangsleistung muss die Betriebsspannung erhöht, oder der astwiderstand verringert werden.

11 Berechnung des Wirkungsgrades eistung 1 T I (t)*u(t)dt U(t)U 0 C B T U T U U *sin t B B R ( + )dt T 0 R R B B ( U *sin t)dt U T U + ω RT 0 U U U ( + 0) R R R B B B ω U R(t) I C(t) IC + A R UB U R*sinωt I C(t) + R R

12 Maximale Ausgangsleistung Benötigte Gleichstromleistung 1 U U U (R ) U ( 0) ACmax B B B B + 8R R R Wirkungsgrad η 1 U B AC 8R max UBR 1 η max UB 8UBR 4 R 5% Der maximale Wirkungsgrad eines Klasse A Verstärkers beträgt 5%.

13 Beispiel: Ein Musikverstärker mit 100W Sinusleistung bei einer typischen ast von 4Ohm: - Die abgegebene max. Wechselstromleistung ACmax 100W - Die aufgenommene Gleichstromleistung 400W - Die als Wärme abgeführte eistung Th ACmax - 300W -Die benötigte Betriebs-/Gleichspannung UB 56,6V In der Realität wäre ein solcher Verstärkeraufbau schon aufgrund der enormen Wärmeverlustleistung nicht funktionsfähig.

14 Der Klasse B - Verstärker Bei Klasse B-Verstärkern liegt der Arbeitspunkt an der Reststromgrenze. Im eerlauf (ohne Eingangssignal) fließt somit beim B-Betrieb nur ein vernachlässigbar kleiner (Kollektor-)Strom. Der Vorteil der eistungsverstärker im B-Betrieb liegt in ihrem hohen Wirkungsgrad. Der Nachteil des besteht darin, dass mit jedem Transistor nur eine Halbwelle verstärkt werden kann. Für einen vollständigen Gegentaktbetrieb (push-pull Betrieb) sind somit zwei Transistoren nötig, welche abwechselnd je eine Halbwelle verstärken. Nicht zu vernachlässigen sind die großen Übernahme-Verzerrungen in der Umgebung des Nulldurchganges.

15 Typische Schaltung Komplementärer Emitterfolger (Kollektorschaltung) T1 NN IC1(t) UCE1(t) R UB UB.Betriebsspannung T1/.Transistor 1/ Ue(t)..Eingangssignal Ue(t) T N UCE(t) IC(t) UR(t) + - UB

16 Ergänzungen Um beide Halbwellen zu verstärken, wurden in der abgebildeten Schaltung je ein npn- und ein pnp-transistor als Emitterfolger verwendet. Die beiden npn- und pnp-transistoren sind gepaart, was bedeutet, dass sie identische arameter besitzen. Ein Beispiel für solche gepaarte Transistoren sind die Transistoren N3904 und N3906. Die Schaltung arbeitet wie folgt: Unter der Annahme, dass noch keiner der beiden Transistoren leitet, erscheint keine Spannung am Ausgang. Sobald die Eingangsspannung die Schwellspannung des npn-transistors überschritten hat, beginnt der Ausgang dem Eingang zu folgen. Das Komplementäre dazu spielt sich für die negative Halbwelle ab.

17 Berechnung von max Annahme: U (t) 0V T gesperrt U (t) U CE1 R B U (t) 0V T gesperrt U (t) -U CE 1 R B U U B Û R U R T1 0 T t T -U B U (t) U *sinωt R R

18 AC eistung 1 Tp (R ) i (t)* u (t)dt i (t) AC 0 R R R T u R(t) R u (t) 1 (R ) u u (t)dt Tp R AC R Eff 0 R R T 1 (R ) U ACmax B R für sinusförmige Größen gilt: 1 ur u Eff R mit ur UB 1 ur U Eff B

19 Der maximale Ausgangsleistung ergibt sich also aus Betriebsspannung zum Quadrat, geteilt durch das doppelte des astwiderstandes. Allerdings wird eine Negative und eine ositive Betriebsspannung benötigt. Beispiel: Betriebsspannung 1V durch otentialverschiebung: +6V und -6V astwiderstand 4Ohm ACmax 4,5 W (Sinusleistung) Für eine höhere Ausgangsleistung wird eine höhere Betriebsspannung benötigt.

20 Berechnung des Wirkungsgrades 1 T 1 T i (t)*u dt + i (t)*u dt 0 C1 B 0 C B T T wegen Symmetrie gilt: U (t) U i (t)* U dt i *sin ωt T R B C1 B C(t) T 0 R R T UB T*R 0 ω T UB 1 cos T*R ωt ω 0 UB 1 4UB T *R πf T *R *πf sin t dt * * T *f 1 UB eistung π *R

21 Maximale Ausgangsleistung Benötigte Gleichstromleistung 1 (R ) U U ACmax B B 8R π *R Wirkungsgrad η 1 U B 8R π 4 π*r AC max UB max η 78,5% Der maximale Wirkungsgrad eines Klasse B Verstärkers beträgt 78,5%.

22 Beispiel: Ein Musikverstärker mit 100W Sinusleistung bei einer typischen ast von 4Ohm: - Die abgegebene max. Wechselstromleistung ACmax 100W - Die aufgenommene Gleichstromleistung 17,4W - Die als Wärme abgeführte eistung Th ACmax - 7,4W - Die benötigten Betriebs-/Gleichspannungen UB +8,3V und -8,3V In der Realität werden aufgrund der hohen Verzerrungen keine reinen Klasse B - Verstärker als Musikverstärker genutzt.