Power Amplifier Roland Küng, 2010 1
Repetition: Klasse A Verstärker Emitterschaltung: Ausgangssignal ist 180 0 verschoben: Invertierender Amp 2
Klasse A Verstärker Ruhestrom Verluste im BJT: P V = I C *V CE 3
Repetition: Klasse A Verstärker DC-Last: R C AC-Last: R C //R L Max. Aussteuerung Maximales Ausgangssignal Klasse A ergibt sich mit Arbeitspunkt Q in der Mitte der AC-Lastgeraden 4
Repetition: Klasse A Verstärker Arbeitspunkt Q näher bei Cutoff des BJT (0 V über R C ) 5
Repetition: Klasse A Verstärker Arbeitspunkt Q näher bei BJT Sättigung (V CE 0) 6
Klasse A für niederohmige Lasten Q3: Sinus P DC = I CQ *V CC P AC =0.5(I CQ *V CC /2) 25% Emitterstufe als Spannungsverstärker Kollektorschaltung als Treiberstufe (Stromverstärker) DC-Verluste in Kollektorschaltung Q3 stören am meisten (Kühlung) 7
Klasse B Verstärker Ziel: Ruhestrom = 0 Grundschaltung Klasse B (nicht-invertierend) 8
Klasse B Verstärker Kollektorschaltung: Beachte: kein Ruhestrom V in muss gross genug sein! >> 0.7 V 9
Klasse B Verstärker Beide Halbwellen: Push Pull Betrieb 10
Klasse B Verstärker Illustration der Verzerrung bei Klasse B Verstärkern: zwischen -0.7 V und 0.7 V leitet keiner der beiden BJT. Die Verzerrung wird Crossover Distortion genannt 11
Klasse AB Verstärker Geringer Ruhestrom: I Q = I D1 = (V CC -0.7)/R 1 Wahl: R 2 = R 1 D matched zu V BE auch bez. Temperatur! Arbeitspunkt wird durch Stromspiegel Dioden gesetzt um die Crossover Distortion zu eliminieren. Komplementäres Paar im Einsatz (npn und pnp). 12
Klasse AB Verstärker In der Superposition beider Kennlinie liegt im Ruhepunkt V CC über jedem BJT Die Lastspannung kann praktisch von 0 V bis V CC ausgesteuert werden. Dioden und BJT sollten thermisch gekoppelt sein Keine Spannungsverstärkung! Nur Leistungsverstärkung. 13
Wirkungsgrad Max. Ansteuerung Sinussignal (Peak Amplitude V CC ): I Csat = V CC / R L P out in der Last (Sinus): P out = 0.5 I Csat V CC Strom in Q1 pro Halbperiode gemittelt: I CC = I Csat / π P DC = 2 V CC I Csat / π vernachlässigt: I Q = (V CC -0.7)/R 1 Pout η = = 0.5 π / 2 = P DC 0.79 max. Für Teilaussteuerung mit V L : η = 0.79 V L /V CC Vergleich mit Klasse A: η = 0.25 Single Supply : V CC in Formeln ersetzen durch V CC /2 14
Beispiel I CQ? I Csat? R in? P out? P DC? 470 β = 100 470 R in = R in (Emitterfolger) (pro Halbwelle betrachtet) R = β( r R ) R R in e L 1 2 41 ma, 133 ma, 231 Ω, 1.33 W, 1.7 W 15
Simulation VS1 9 R4,R5 limitiert i b R1 15k R4 470 VF3 VS3 15 T1 BD139 R2 5k VG1 VF2 - OP1 TL081C D1 1N914 D2 1N914 T2 BD140 VF1 R3 8 R5 470 VS4-15 Simulation mit VG1 = 2 V peak VS2-9 Ausgangsamplitude? Ströme in Kollektorzweigen? Strom Opamp Ausgang? 16
Simulation R1 40k sim transient 10ms-20ms VS1 9 VS3 15 C1 1u R4 1k T1 BD139 R2 10k VG1 Vin sinus 2 V 1 khz - VS4-15 R6 1k VF2 OP1 TL081C C2 1u R5 1k D1 1N914 D2 1N914 T2 BD140 VF1 R3 8 VS2-9 Verbesserte Schaltung: Vollaussteuerung Limitierend : i out OpAmp 17
Klasse AB Verstärker Single Supply Push-Pull Verstärker 18
Beispiel I CQ? I Csat? R in? P out? P DC? β= 100 r e = 1.25 Ω 20 ma, 1.25 A, 187 Ω, 6.25 W, 8 W 19
Verbesserung R in β = β 1 β 2 Darlington class AB push-pull amplifier. 20
Variante A Darlington/complementary Darlington class AB push-pull amplifier. 21
Klasse C Verstärker 22
Klasse C Verstärker Klasse C Signalformen Wirkungsgrad nahe 100% erreichbar mit Resonanzkreis als Last Geeignet für Signale mit konstanter Amplitude 23
Klasse C Verstärker Schwingkreis in Kollektor formt aus Pulssignal wieder eine Sinuswelle Geeignet nur für schmalbandige Signale, z.b. HF-Verstärker 24
Zusammenfassung Klasse A Verstärker sind für grosse Leistungen inneffizient: 25% Wirkungsgrad Klasse B ist eine Variante von Kollektorstufe ohne Ruhestrom, geeignet für für grosse Signalspannungen Klasse AB verhindert die Verzerrungen durch nichtleitende Diodenstrecken Feedback für Vorverstärker am besten direkt über der Last abnehmen Wirkungsgrad bis 79% Schaltungen verlangen viel Optimierung durch Simulation Schutz vor Überlastung Lautsprecher dürfen keine DC Spannung abbekommen. Klasse C für schmalbandige Signale ohne Amplitudeninformation am effizientesten 25
Praktikum SW-SPST2 SW-SPST1 VS1 9 R4 470 C1 1u R2 10k VG1 R1 39k U1 TL081 - VF2 D4 1N914 D3 1N914 T1 BD139 R6 2.2 R7 2.2 C2 100u R3 8 VF1 R5 470 T2 BD140 Speaker 2 W VS2-9 einfach 26
Praktikum SW-SPST2 SW-SPST1 VS1 9 R4 1k C3 1u C1 1u R2 10k VG1 R1 33k U1 TL081 - VF2 R8 1k C4 1u R5 1k D4 1N914 D3 1N914 T1 BD139 R7 2.2 R6 2.2 T2 BD140 C2 100u R3 8 VF1 Speaker 2 W VS2-9 verbessert 27