Common Emitter (CE) Verstärker sind so konzipiert, dass sie aus einer relativ kleinen Eingangssignalspannung von nur wenigen Millivolt einen großen Ausgangsspannungsschwung erzeugen und werden hauptsächlich als „kleine Signalverstärker“ verwendet, wie wir in den vorherigen Tutorials gesehen haben.
Manchmal ist jedoch ein Verstärker erforderlich, um große Widerstandslasten wie einen Lautsprecher anzutreiben oder einen Motor in einem Roboter anzutreiben, und für diese Art von Anwendungen, bei denen hohe Schaltströme benötigt werden, sind Leistungsverstärker erforderlich.,
Die Hauptfunktion des Leistungsverstärkers, der auch als „großer Signalverstärker“ bezeichnet wird, besteht darin, Strom zu liefern, der das Produkt von Spannung und Strom an die Last ist. Grundsätzlich ist ein Leistungsverstärker auch ein Spannungsverstärker mit dem Unterschied, dass der an den Ausgang angeschlossene Lastwiderstand relativ gering ist, beispielsweise ein Lautsprecher von 4Ω oder 8Ω, was zu hohen Strömen führt, die durch den Kollektor des Transistors fließen.,
Aufgrund dieser hohen Lastströme müssen die Ausgangstransistors, die für Leistungsverstärkerausgangsstufen wie den 2N3055 verwendet werden, höhere Spannungs-und Leistungswerte aufweisen als die allgemeinen, die für kleine Signalverstärker wie den BC107 verwendet werden.
Da wir daran interessiert sind, der Last maximale Wechselstromleistung zu liefern und gleichzeitig die minimale Gleichstromleistung zu verbrauchen, die von der Versorgung aus möglich ist, geht es uns hauptsächlich um die „Umwandlungseffizienz“ des Verstärkers.,
Einer der Hauptnachteile von Leistungsverstärkern und insbesondere des Class-A-Verstärkers besteht jedoch darin, dass ihr Gesamtumwandlungswirkungsgrad sehr gering ist, da große Ströme bedeuten, dass eine beträchtliche Menge an Leistung in Form von Wärme verloren geht. Prozentualer Wirkungsgrad in Verstärkern ist definiert als die r. m. s. Ausgangsleistung in der Last geteilt durch die gesamte DC-Leistung von der Versorgungsquelle abgeführt, wie unten gezeigt.
Power Verstärker Effizienz
- Wo:
- η% – ist die Effizienz des Verstärkers.,
- Pout-ist die Ausgangsleistung des Verstärkers, die an die Last geliefert wird.
- Pdc – ist die Gleichstromversorgung aus der Versorgung.
Für einen Leistungsverstärker ist es sehr wichtig, dass die Stromversorgung des Verstärkers gut ausgelegt ist, um dem Ausgangssignal die maximal verfügbare Dauerleistung bereitzustellen.
Class – A-Verstärker
Die am häufigsten verwendete Art der Leistungsverstärkerkonfiguration ist der Class-A-Verstärker., Der Klasse-A-Verstärker ist die einfachste Form des Leistungsverstärkers, der einen einzelnen Schalttransistor in der üblichen Standard-Emitter-Schaltungskonfiguration verwendet, wie zuvor gesehen, um einen invertierten Ausgang zu erzeugen. Der Transistor ist immer „ON“ vorgespannt, so dass er während eines vollständigen Zyklus der Eingangssignalwellenform eine minimale Verzerrung und maximale Amplitude des Ausgangssignals erzeugt.,
Dies bedeutet dann, dass die Klasse-A-Verstärkerkonfiguration die ideale Betriebsart ist, da auch während der negativen Zyklushälfte keine Crossover-oder Abschaltverzerrung zur Ausgangswellenform auftreten kann. Leistungsverstärkerausgangsstufen der Klasse A können einen einzelnen Leistungstransistor oder Paare von Transistoren verwenden, die miteinander verbunden sind, um den hohen Laststrom zu teilen. Betrachten Sie die Klasse A Verstärkerschaltung unten.
Einstufige Verstärker Schaltung
Dies ist die einfachste art von Klasse A power verstärker schaltung., Es verwendet einen Single-Ended-Transistor für seine Ausgangsstufe, wobei die resistive Last direkt an die Kollektorklemme angeschlossen ist. Wenn der Transistor „einschaltet“, senkt er den Ausgangsstrom durch den Kollektor, was zu einem unvermeidlichen Spannungsabfall über den Emitterwiderstand führt, wodurch die negative Ausgangsfähigkeit begrenzt wird.
Der Wirkungsgrad dieses Schaltungstyps ist sehr gering (weniger als 30%) und liefert kleine Stromausgänge für eine große Belastung der Gleichstromversorgung., Eine Verstärkerstufe der Klasse A durchläuft den gleichen Laststrom, auch wenn kein Eingangssignal angelegt wird, so dass große Kühlkörper für die Ausgangstransistoren benötigt werden.
Eine weitere einfache Möglichkeit, die Stromaufnahmekapazität der Schaltung zu erhöhen und gleichzeitig eine größere Leistungsverstärkung zu erhalten, besteht darin, den einzelnen Ausgangstransistor durch einen Darlington-Transistor zu ersetzen. Diese Gerätetypen sind grundsätzlich zwei Transistoren innerhalb eines einzigen Gehäuses, ein kleiner „Pilot“ – Transistor und ein weiterer größerer „Schalt“ – Transistor., Der große Vorteil dieser Geräte besteht darin, dass die Eingangsimpedanz angemessen groß ist, während die Ausgangsimpedanz relativ niedrig ist, wodurch der Leistungsverlust und damit die Wärme innerhalb der Schaltvorrichtung verringert wird.
Darlington-Transistorkonfigurationen
Der Gesamtstromgewinn Beta (β) oder hfe-Wert eines Darlington-Geräts ist das Produkt der beiden einzelnen Gewinne der Transistoren multipliziert und sehr hohe β-Werte zusammen mit hohen Kollektorströmen sind im Vergleich zu einer einzelnen Transistorschaltung möglich.,
Um die volle Energieeffizienz des Verstärkers der Klasse A zu verbessern, ist es möglich, die Schaltung mit einem Transformator zu konstruieren, der direkt in der Kollektorschaltung angeschlossen ist, um eine Schaltung zu bilden, die als transformatorgekoppelter Verstärker bezeichnet wird. Der Transformator verbessert den Wirkungsgrad des Verstärkers, indem er die Impedanz der Last mit der des Verstärkerausgangs unter Verwendung des Schaltungsverhältnisses ( n ) des Transformators abstimmt, und ein Beispiel hierfür ist unten angegeben.,
Transformatorgekoppelte Verstärkerschaltung
Als Kollektorstrom wird Ic auf unter den Ruhepunkt reduziert, der durch die Basisbiasspannung eingerichtet wird, aufgrund von Schwankungen des Basisstroms kollabiert der magnetische Fluss im Transformatorkern und verursacht eine induzierte emf in den Primärwicklungen des Transformators. Dies führt dazu, dass eine momentane Kollektorspannung auf einen Wert von der doppelten Versorgungsspannung 2Vcc ansteigt und einen maximalen Kollektorstrom von zweimal Ic ergibt, wenn die Kollektorspannung minimal ist., Dann kann der Wirkungsgrad dieser Art von Klasse-A-Verstärkerkonfiguration wie folgt berechnet werden.
Die Kollektorspannung des r. m. s. ist angegeben als:
Der Kollektorstrom des r. m. s. ist angegeben als:
Der r. m. s., Die an die Last gelieferte Leistung (Pac) ist daher wie folgt angegeben:
Die durchschnittliche Leistung, die von der Versorgung (Pdc) bezogen wird, ist gegeben durch:
und daher ist der Wirkungsgrad eines transformatorgekoppelten Class-A-Verstärkers wie folgt angegeben:
Ein Ausgangstransformator verbessert die Effizienz des Verstärkers, indem er die Impedanz der Last mit der der Ausgangsimpedanz der Verstärker abstimmt., Durch die Verwendung eines Ausgangs – oder Signaltransformators mit einem geeigneten Leistungsverhältnis sind Class-A-Verstärkerwirkungsgrade von bis zu 40% möglich, wobei die meisten handelsüblichen Class-A-Leistungsverstärker dieser Art von Konfiguration sind.
Der Transformator ist jedoch aufgrund seiner Wicklungen und seines Kerns ein induktives Gerät, so dass die Verwendung induktiver Komponenten in Verstärkerschaltkreisen am besten vermieden wird, da die erzeugten hinteren EMF den Transistor ohne ausreichenden Schutz beschädigen können.,
Ein weiterer großer Nachteil dieser Art von transformatorgekoppelter Verstärkerschaltung der Klasse A sind die zusätzlichen Kosten und die Größe des erforderlichen Audiotransformators.
Die Art der „Klasse“ oder Klassifizierung, die ein Verstärker erhält, hängt wirklich vom Leitungswinkel ab, dem Teil des 360o des Eingangswellenformzyklus, in dem der Transistor leitet. In dem Klasse-A-Verstärker ist der Leitungswinkel ein voller 360o oder 100% des Eingangssignals, während in anderen Verstärkerklassen der Transistor während eines geringeren Leitungswinkels leitet.,
Es ist möglich, eine größere Leistung und Effizienz als die des Verstärkers der Klasse A zu erzielen, indem zwei komplementäre Transistoren in der Ausgangsstufe verwendet werden, wobei ein Transistor ein NPN-oder N-Kanal-Typ ist, während der andere Transistor ein PNP-oder P-Kanal-Typ (das Komplement) ist, der in einer sogenannten „Push-Pull“ – Konfiguration angeschlossen ist.
Diese Art der Leistungsverstärkerkonfiguration wird im Allgemeinen als Verstärker der Klasse B bezeichnet und ist eine andere Art von Audioverstärkerschaltung, die wir uns im nächsten Tutorial ansehen werden.,
