Verstärker Class A

1. Klasse-A-Verstärker

1.1 Grundschaltung

Unter einer Klasse-A-Ausgangsstufe versteht man im Allgemeinen einen einfachen Emitterfolger:

 

Bei diesem Verstärkertyp ist die Spannungsverstärkung A = 1. Bei der Dimensionierung des Widerstandes R1 ist die Last R2 entscheidend. Um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen muss R1 = R2 gewählt werden. Die Stromverstärkung ist dann nur noch vom gewählten Transistor abhängig und beträgt 1/2 * Beta.

 

1.2 Kennlinien

Zunächst soll die Ausgangsspannung über dem Eingangsspannungsbereich betrachtet werden:

Es zeigt sich eine großteils lineare Spannungsverstärkung über einen weiten Eingangspegel. Die Eingangsspannung wird fast 1:1 auf dem Ausgangs abgebildet. Durch den Transistor wird ledeglich ein Versatz von etwa 0,7V, was der Basis-Emitter Spannung entspricht verursacht. Der maximale Ausgangspegel reicht fast an die Versorgungsspannung Vcc und wird bei einer Eingangsspannung Vcc+0,7V erreicht. Danach steigt die Ausgangsspannung nur noch minimal an und kann als konstant betrachtet werden. Der minimale Ausgangspegel hängt wesentlich vom Verhältnis der beiden Widerstände ab, da diese einen Spannungsteiler über den Ausgang bilden wenn der Transistor vollständig sperrt.

 

Die Kennlinie zeigt den großen Vorteil eines Klasse A Verstärkers, nämlich die quasi verzerrungsfreie Übertragung des Eingangssignals auf den Ausgang. Für die folgende Simulation wurde R1 = 50Ohm sowie R2 = 100 Ohm gewählt. Als Eingangssiganl wurde eine Sinus mit einer Amplitude von 5V und einer Frequenz von 1KHz verwendet. Die Versorgungsspannungen +Vcc und -Vcc betragen jeweils 10V bzw. - 10V.

grün: Ue, rot: Ua, gelb: IR2, blau: Emitterstrom

Auch hier zeigt sich, dass das Eingangssignal abgesehen von einem Versatz von ca. 0,7V verzerrungsfreie übertragen. Durch Entkopplung der Schaltung mittels eines Kondensators am Ausgang könnte auch dieser noch beseitigt werden. In der Simulation zeigt sich bereits der große Nachteil eines Klasse-A-Verstärkers. Der Strom durch den Emitterwiderstand ist durchgängig wesentlich höher als der Strom am Ausgang, und auch bei einem Nulldurchgang des Eingangssignals nicht Null. Im folgenden soll daher der Wirkungsgrad genauer bestimmt werden:

 

1.3 Wirkungsgrad

Um den Wirkungsgrad dieser Schaltung auszurechnen, muss zunächst die maximale Ausgangsspannung Ua berechnet werden. Sperrt der Transistor dabei vollständig, ergibt sich ein Spannungsteiler aus dem Verbraucherwiderstand R2 und R1:

Soll der Verstärker eine sinusförmigen Ausgangsspannung abgeben, darf dieser Wert nicht überschritten werden, da es sonst zu einem Übersteuern des Verstärkers kommt. Die im Verbaucher umgesetzte Leistung beträgt dann:

wird die Leistung mit R1=R2 angepasst folgt:

Die im Transistor umgesetzte Leistung kann über ein Integral über die Periodendauer berechnet werden. Berechnet man noch die Leistung die im Widerstand R1 umgesetzt wird, erhält man die Leistung die die gesamte Schaltung aufnimmt:

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis der Ausgangsleistung zur Gesamtleistung und damit bei diesem Verstärkertyp maximal:

 

Damit ist ersichtlich dass sich dieser Verstärkertyp nur für sehr kleine Leistungen eignet, da die Verlustleistung im Vergleich zur genutzen extrem groß ist.

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