Versuchsumdruck Leistungsverstärker mit Transistor - Endstufe

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1 Hochschule SUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen Blatt 1 von 15 Version 1.1 vom Versuchsumdruck Leistungsverstärker mit ransistor - Endstufe Inhalt 0. Verwendete Geräte und Zubehör Einleitung.... Grundlagen....1 Betriebsarten eines Verstärkers.... Signalaufzeichnungen der verschiedenen Betriebsarten Gegenkopplung Frequenzgang Darlington-Schaltung Leistungverstärker mit MOS-Feldeffekttransistoren Wirkungsgrad ransistorverlustleistung Vorbereitung zu Hause Versuchsaufbau Versuchsdurchführung Literaturhinweise... 15

2 Hochschule SUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen Blatt von Verwendete Geräte und Zubehör: 1 Oszilloskop Infinium 1 Netzgerät HP E Funktionsgenerator HP 3310A 1 Multimeter 3650D 1 Multimeter HP 34401A 1 Steckbrett ransistorschaltung 1. Einleitung Leistungsverstärker werden in der Praxis eingesetzt, um Elektroniken mit geringer Ausgangsleistung an Bauelemente anzupassen, die größere Leistungen benötigen, z. B. Kleinmotoren oder Lautsprecher. Leistungsverstärker werden in diesen Anwendungen mit einer zeitlich veränderlichen Spannung angesteuert, die möglichst unverzerrt verstärkt werden soll. In der Regel übernimmt die Vorstufe in einem Leistungsverstärker die Spannungsverstärkung und die Endstufe die Stromverstärkung des Eingangssignals. In diesem Versuch sollen Kenntnisse der Bereiche statische Übertragungskennlinien" Betriebsarten und Belastungsfälle der Endstufe vermittelt werden.. Grundlagen.1 Betriebsarten eines Verstärkers Man gliedert Verstärker nach Betriebsarten, die sich aus der Arbeitspunkteinstellung der Endtransistoren ergibt. Man unterscheidet die klassischen Fälle A -, AB -, und B Betrieb. Sonderentwicklungen von NF Leistungsverstärkern bestehen aus Kombinationen dieser Betriebsarten. Im HF Bereich und für große Leistungen wird auch der C Betrieb benutzt. In digitalen Leistungsverstärkern wird das NF Signal pulsdauermoduliert. Auch die Endstufe arbeitet digital mit geringen Verlusten im Durchlaß- und Sperrzustand. Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau verschiedener Betriebsarten und deren Arbeitspunkteinstellungen.

3 Hochschule SUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen Blatt 3 von 15 a) B - Betrieb b) AB Betrieb c) A Betrieb Bild 1: Betriebsarten von Leistungsverstärkern und Arbeitspunkteinstellung

4 Hochschule SUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen Blatt 4 von 15 Die reine Endstufe hat je nach Betriebsart, ransistorkennlinie und Belastung eine mehr oder weniger nichtlineare Übertragungskennlinie U a = f(u e ). Infolgedessen treten starke oder geringe Verzerrungen des Ausgangssignals auf (Bild ). a) B Betrieb U BE Ua Ua Übernahmeverzerrungen Ue t t b) AB Betrieb Ua Ua Ue t t Bild : Spiegelung eines Sinussignals an den nichtlinearen Übertragungskennlinien von ransistoren In Bild a) ist die Übertragungskennlinie und die Ausgangsspannung für Gegentakt-B- Betrieb zu sehen. In Nullpunktnähe wird der Strom auch in dem leitenden ransistor sehr klein und sein Innenwiderstand hoch. Daher ändert sich die Ausgangsspannung bei Belastung in diesem Bereich weniger als die Eingangsspannung. Dies ist die Ursache für den Kennlinienknick in Nullpunktnähe. Die damit verbundenen Verzerrungen der Ausgangsspannung werden als Übernahmeverzerrungen bezeichnet. Läßt man nun durch beide ransistoren einen kleinen Ruhestrom fließen, so verkleinert sich ihr Widerstand in Nullpunktnähe, und man erhält die Übertragungskennlinie in Bild b). Man erkennt, dass die Übernahmeverzerrungen beträchtlich kleiner sind. Macht man den Ruhestrom etwa so groß wie den maximalen Ausgangsstrom, so würde man eine solche Betriebsart als Gegentakt-A- Betrieb bezeichnen. Die Übernahmeverzerrungen verkleinern sich jedoch schon beachtlich, wenn man nur einen Ruhestrom fließen läßt, der einen kleinen Bruchteil des maximalen Ausgangsstromes beträgt. Eine solche Betriebsart heißt Gegentakt-AB-Betrieb und bei ihr

5 Hochschule SUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen Blatt 5 von 15 sind die Übernahmeverzerrungen bereits so klein, dass man sie durch Gegenkopplung leicht auf nicht mehr störende Werte heruntersetzen kann.. Signalaufzeichnungen der verschieden Betriebsarten..1 B Betrieb Eingangssignal Ausgangssignal Schulter Bild c: Ein- und Ausgangsspannung im B-Betrieb Das Eingangssignal ist das Sinussignal (bei farbiger Darstellung: Gelb), welches mit der Einstellung von 50mV/div gemessen wurde. Das Ausgangssignal ist das Sinussignal mit den Schultern (bei farbiger Darstellung: Grün), welches mit der Einstellung von 00mV/div gemessen wurde... AB-Betrieb Eingangssignal Ausgangssignal Schulter Bild d: Ein- und Ausgangsspannung im AB-Betrieb Das Eingangssignal ist das Sinussignal (bei farbiger Darstellung: Gelb), welches mit der Einstellung von 50mV/div gemessen wurde. Das Ausgangssignal ist das Sinussignal mit den Schultern (bei farbiger Darstellung: Grün), welches mit der Einstellung von 500mV/div gemessen wurde.

6 Hochschule SUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen Blatt 6 von A Betrieb Eingangssignal Ausgangssignal Bild e: Ein- und Ausgangsspannung im A-Betrieb Das Eingangssignal ist das Sinussignal (bei farbiger Darstellung: Gelb), welches mit der Einstellung von 50mV/div gemessen wurde. Das Ausgangssignal ist das Sinussignal mit der kleineren Amplitude (bei farbiger Darstellung: Grün), welches mit der Einstellung von 1V/div gemessen wurde..3 Gegenkopplung Bindet man die Endstufe mit einer Vorstufe in eine Gegenkopplung (GK) ein, so kann eine gute Linearisierung erreicht werden, da der Operationsverstärker bestrebt ist, die Differenzspannung zwischen seinen beiden Eingängen auf null zu regeln. Wird also vom Ausgang des Leistungsverstärkers das verzerrte Signal auf einen Eingang des Operationsverstärkers zurückgekoppelt, regelt der OP solange nach, bis Eingangsspannung und rückgekoppelte Spannung gleich groß sind. In diesem Versuch wird eine Operationsverstärkerstufe und die spannungsserielle Gegenkopplung benutzt (Bild 3). U V i c + U V ic Bild 3a: Prinzipielle Schaltung des Leistungsverstärkers mit Bipolarendstufe im B Betrieb

7 Hochschule SUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen Blatt 7 von 15 u1 u + ic t t t Bild 3b: Spannungs- und Stromverlauf der Schaltung in Bild 3.a In Bandmitte besitzt diese Schaltung die Spannungsverstärkung, U 1 v u = = ; ( weil k. v u >> 1 ) U k 1 R1 Mit k = (Rückkopplungsfaktor), wird v u v OP (1) R1 + R Differenzverstärkung des Operationsverstärkers für tiefe Frequenzen..4 Frequenzgang Der Frequenzgang eines Leistungsverstärkers gibt an, in welchem Frequenzbereich dieser zeitlich veränderliche Signale mit konstanter Verstärkung verarbeiten kann. In der Regel werden die 3 db Abfälle von der Verstärkung in Bandmitte als obere bzw. untere Grenz- Frequenz bezeichnet. ic Bild 4: Frequenzgang eines Verstärkers Die untere Grenzfrequenz kann durch einen Koppelkondensator C K am Eingang festgelegt werden. Sie errechnet sich nach Gleichung (): f gu = π 1 ( Rg + Re ) CK () R g = Innenwiderstand der Signalquelle R e = Eingangswiderstand des Verstärkers C K = Koppelkondensator Die obere Grenzfrequenz wird durch die ransistoren bestimmt (Millerkapazität und Streukapazitäten), bzw. durch den Operationsverstärker.

8 Hochschule SUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen Blatt 8 von 15.5 Darlington Schaltung Die Leistungsverstärkung der Endtransistoren reicht besonders bei größeren Verstärkern oft nicht aus. Der Vorverstärker ist zu schwach, die Endstufe voll auszusteuern. Er ist wohl in der Lage, die notwendige Steuerspannung zu liefern, seine Strombelastbarkeit ist jedoch nur gering. Die Stromverstärkung eines Endtransistors kann erheblich vergrößert werden, wenn eine weiterer ransistor unmittelbar vorgeschaltet wird. Die Gesamtschaltung aus beiden ransistoren bildet dann einen Darlingtontransistor, der sich nach außen hin so verhält wie ein einziger ransistor mit sehr hoher Stromverstärkung. Der dem Endtransistor vorzuschaltende reibertransistor sollte in seiner Strombelastbarkeit dem größten vorkommenden Basisstrom des Endtransistors angemessen sein. Prinzipiell sind zwei Schaltungen zur Realisierung von Darlingtontransistoren möglich (Bild 5). a) b) C D C KD B D Q Q B KD Q Q E D E KD Bild 5: Gewöhnliche (a) und komplementäre (b) Darlingtonschaltung In diesem Versuch werden die auf einem Halbleiterchip integrierten Darlingtontransistoren MJ 3001 und MJ 501 (NPN bzw. PNP) benutzt..6 Leistungsverstärker mit MOS-Feldeffekttransistoren Leistungsverstärker mit MOS-FE s haben den Vorteil gegenüber Bipolartransistoren, dass sie sich viel schneller ein- und ausschalten lassen. Während die Schaltzeiten des bipolaren Leistungstransistors bei ca. 100ns bis 10µs liegen, betragen sie bei MOS-FE s ca 10ns bis100ns. Deshalb sind Verstärker mit Leistungsmosfets für Frequenzen über 100kHz und 1MHz vorteilhaft. Bild 6: MOS-FE-Stufe

9 Hochschule SUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen Blatt 9 von 15.7 Wirkungsgrad (siehe auch Bild 3) u Die Nutzleistung des Leistungsverstärkers berechnet sich aus PL =. (3) RL PL Der Wirkungsgrad ist definiert zu η = 100 %. (4) P Unter Vernachlässigung der Verlustleistungen der Vorstufe und des Rückkopplungszweiges setzt sich die Gesamtleistung der Endstufe zusammen: + + ges P = P P ges (5) Bei symmetrischen Versorgungsspannungen und einem Ausgangsruhepotential von 0V sind P + und P - gleich, d. h. P ges = P+ (6) Im B Betrieb und bei sinusförmigem Ausgangssignal u = u sin ω t (7) läßt sich der Wirkungsgrad mit Hilfe der angegebenen Gleichungen berechnen. Allgemein gilt (siehe Bild 1/Bild 3): P + = 1 0 I C1 ( t) UV ( t) dt (8) mit I C1 = U R 0 L,, wenn wenn 0 < t < t Durch Einsetzen erhält man als Zwischenergebnis Die Integration ergibt: P + 1 UV u P+ = sin ω t dt (9) R = UV u π R L L 0 (10) π u Daraus folgt für den Wirkungsgrad der B Endstufe: η = 100% (11) 4 U V

10 Hochschule SUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen Blatt 10 von 15.8 ransistorverlustleistung (siehe Bild 3) Durch Multiplikation des Kollektorstromes mit der Kollektor Emitterspannung erhält man die ransistorverlustleistung. Sie ist bei symmetrisch aufgebauter Schaltung für beide ransitoren gleich groß und bei Bipolartransistoren definiert zu: P = 1 0 I C ( t) U CE ( t) dt (1) Im B Betrieb gilt (Bild 1 u. U a = U ): U ( t) = U U ( t) (13) Bei sinusförmigem U ergibt sich als Zwischengleichung: CE V P = 1 0 u R L sin ω t ( U u sin ω t ) dt (14) V 1 Mit Hilfe der Beziehung sin x = (1 cos x ) (15) folgt: P = u U π R V L u 4 R L (16) Die maximale ransistorverlustleistung P max ergibt sich aus der Forderung d P = 0 bei u = U d u π V Durch Einsetzen erhält man: 1 UV P max = (17) R π L

11 Hochschule SUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen Blatt 11 von Vorbereitung zu Hause Berechnen Sie die ransistorverlustleistung nach Gleichung (16). Stellen Sie sie graphisch als Funktion P = f ( u a ) dar (U V = 15V; R L = 8Ω). Bei welcher Ausgangsspannung tritt die maximale Verlustleistung auf? Die ermittelten Werte sind auch in einer abelle darzustellen. 4. Versuchsaufbau Die Schaltung des Leistungsverstärkers zeigt Bild 8. Sie besteht aus drei Stufen, Vorstufe, Betriebsartenstufe, Endstufe. Vorstufe und Betriebsartenstufe werden mit ±15V betrieben. Die Endstufe wird mit ±6V betrieben. D.h., Sie benötigen vier Versorgungsspannungen. Der Schalter S 3 (hier Drahtverbindung) dient zur Umschaltung der Gegenkopplung. Wird Punkt mit dem Rückkopplungszweig verbunden, entsteht eine Gegenkopplung über alles (GK). Liegt Punkt 1 am Rück-kopplungszweig ist nur der Operationsverstärker gegengekoppelt. Da der Schaltungsaufbau bisher auf einem Steckbrett erfolgt, werden die Schalter über gesteckte Leitungen realisiert. Die Realisierung einer B Endstufe geschieht durch direkten Anschluß der Basiszuleitung der beiden Darlington ransistoren an den Ausgang des Operationsverstärkers 741. Für den AB Betrieb sind die Basiszuleitungen an die Kathode von D1 bzw. D3 anzuschließen. Vorspannungen für die Endtransistoren lassen sich mit P und P 3 einstellen.

12 Hochschule SUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen Blatt 1 von 15 Dimensionierung: +Uv 1 = +15V; -Uv 1 = -15V; +Uv =+ 6V; -Uv = -6V; Achtung: Strombegrenzung 500 ma für ± Uv. U 1 = mv/ Hz I K = 15mA R 0 = 10kΩ R 1 = kω R = 18kΩ R 4 = 150kΩ R E = 0, Ω R G = 1kΩ R L = 8Ω ( Reihenschaltung aus 4,7Ω+3,3Ω) C K = 0,1µF C L = 1,0 µf D 1 - D 6 = 1N = MJ3001, = MJ501 Schalter ohne Bezeichnung sind als Kurzschlußstecker (Drahtverbindung) realisiert. 5. Versuchsdurchführung!! Vor jedem Umschalten die Versorgungsspannung ausschalten!! ip: Halten Sie alle Leitungen in Ihrem Aufbau wegen der drohenden Schwingneigungen möglichst kurz. Zu untersuchende Schaltung +Uv 1 P I K +Uv +U V1 Rg 1 MJ UA 741 D1 D5 D R 1 E C K - -U V1 D3 D4 R E D6 U 1 Rg MJ 501 R L S3 R P3 -Uv R 0 R 1 -Uv 1 C L Vorstufe Betriebsartenstufe Endstufe

13 Hochschule SUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen Blatt 13 von 15 Bild 8: Schaltung des Leistungsverstärkers 5.1 Versuchsvorbereitung Überprüfen Sie die Schaltung auf dem Steckbrett anhand des vorliegenden Schaltplans. Führen Sie nachfolgende Messungen an den einzelnen Stufen mit Hilfe des Oszilloskops durch. Die Schaltung soll dabei im AB-Betrieb aufgebaut sein. Vorstufe: Messen Sie die Versorgungsspannungen nach. Messen Sie die Verstärkung der Vorstufe (Eingangsspannung U 1 anlegen). Stufe zur Erzeugung der Basisvorspannungen für die Endtransistoren: Erläutern Sie die Schaltungsvarianten (kurze Erklärung) zur Erzeugung der Basisvorspannungen und messen Sie diese, wenn am Eingang der Schaltung keine Singnalspannung U 1 anliegt. Was ist ihr Bezugspotential? Endstufe: Erläutern Sie die Schaltungsvariante (kurze Erklärung). Überprüfen Sie die Versorgungsspannung der Stufe. 5. Übertragungskennlinie Nehmen Sie die Übertragungskennlinie im B-Betrieb für den folgenden Betriebsfall auf: Für R L = 8Ω mit Gegenkopplung nur über den OP 741. (X-Y Betrieb des Oszilloskops, U 1 = mv / Hz, x-achse als U e mit Kanal 1 y-achse als U a mit Kanal ) Geben Sie auch die Oszilloskopeinstellungen (time-base und Amplitude) mit an. 5.3 Zeitdiagramm Nehmen Sie für die Bipolarendstufe im AB - Betrieb ohne GK die Ausgangsspannung u (t) auf. Dazu ist der Vorverstärker LM741 abzutrennen und direkt am Eingang der Bipolarentstufe (über zum eil bereits vorhandene Brücken) einzuspeisen. Versuchen Sie insbesondere das in Bild dargestellte Diagramm für den AB-Betrieb nachzuvollziehen (mit R L = 8 Ω). Messung bei: u 1 = 4V, f = 0,3 Hz (Sinus) ( u 1 = Eingangsspg. Endstufe!!!) 0,3 Hz ist sehr langsam, beachten Sie dies bei der Oszilloskopeinstellung! Anmerkung:

14 Hochschule SUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen Blatt 14 von 15 Achten Sie in diesem Versuch auch besonders auf die Stromanzeigen der Netzgerät. Man kann dabei gut den Wechsel der Ausgangsspannung zwischen der positiven und der negativen Halbwelle erkennen. 5.4 Wirkungsgrad Zur Ermittlung des Wirkungsgrads η sind die Nutzleistung P L und die Versorgungsleistung P + für f = 1 khz zu messen (Einspeisung von u 1 über C K an OP 741), und zwar für die Bipolarendstufe nur mit Gegenkopplung des OP (Widerstand R muss direkt über Ausgang und invertierendem Eingang des OP liegen) und R L = 8Ω als Last. Die beiden Leistungsaufnahmen sind über eine Effektivwert - Messung der Ausgangsspannung mit Hilfe des Infinium-Oszilloskops und den Messwerten des Netzgerätes zu ermitteln. (tabellarische Darstellung von u, I C+, P +, P zu, U a eff, P L und η). Führen Sie die Messung im B-Betrieb durch. Messpunkte jeweils bei einer Ausgangsspg. von u = 1V und u = 5V!!! Messwert-abelle: u /V I C+ /ma P + /W P zu /W U a eff /V P L /W η/% 1 5 Berechnungsformeln: P + = U V+ * I C+ (Messwerte Konstanter) P zu = * P + (da symmetrische Versorgungsspg.) U a eff = direkte Messung Infinium P L = (U a eff )²/ R L η = P L / P zu 5.5 Gegenkopplung a) Realisieren Sie eine Gegenkopplung der Schaltung über alles (siehe Beschreibung unter Punkt 4 Versuchsaufbau) und stellen Sie die Betriebsarten B und AB dar. b) Wie lässt sich das Ergebnis interpretieren. 5.6 Lautsprecher Schließen Sie den beiliegenden Lautsprecher anstatt des 8Ohm Lastwiderstandes an die Endstufe an. Als Eingangssignal verwenden Sie ein Line-Signal aus dem Ausgang der Soundkarte des PC s. Eine MP3-Musikdatei finden sie direkt im Laufwerk C:.

15 Hochschule SUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen Blatt 15 von 15 Experimentieren Sie nun mit den verschiedenen Betriebsarten der Endstufe sowie mit der Gegenkopplung über alles. Achten Sie auch auf die Leistungsaufnahme der Endstufe. Bei welcher Betriebsart erhalten Sie den besten Klang? Angenommen Sie entwickeln ein batteriebetriebenes Gerät, welche Schaltungsvariante würden Sie verwenden? Warum?. Im Datenblatt handelsüblicher Endstufen wird immer ein Klirrfaktor angegeben. Was bedeutet dieser Klirrfaktor (Literatur- bzw. Internetrecherche)? Wie entsteht er bei unserer Endstufe. Was hat der Klirrfaktor mit dem Klang zu tun?

16 Hochschule SUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen Blatt 16 von Literaturhinweis K. Beuth: Elektronik, Bauelemente Vogel Verlag, Elektronik Grundwissen K. Beuth, W. Schmusch: Elektronik 3, Grundschaltungen Vogel Verlag, Elektronik Grundwissen U. ietze, Ch. Schenk: Halbleiter Schaltungtechnik Springer Verlag W. Bauer, H-H. Wagener: Bauelemente und Grundschaltungen der Elektronik Hanser Verlag HPI Fachbuchreihe: ELEKRONIK / MIKROELEKRONIK Elektronik II, Bauelemente Pflaum - Verlag D. Zastrow Elektrotechnik, Lehr- und Arbeitsbuch Vieweg - Verlag