Verstärker Class B

2. Klasse-B-Verstärker

2.1 Grundschaltung

Der große Nachteil des Klasse-A-Verstärkers, nämlich den durch den Emitter-Widerstand stark begrenzten Ausgangsstrom, und den daraus resultierenden niedrigen Wirkungsgrad, wird beim Klasse-B-Verstärker durch einen zusätzlichen Transistor anstelle des Widerstandes umgangen.

 

Wird wieder von einer Sinusförmigen Eingangsspannung ausgegangen, wird der Transistor T1 während der positiven Halbwelle leitend und arbeitet in diesem Bereich als Emitterfolger. Der Transistor T2 sperrt währenddessen und nimmt damit keine Leistung auf. Die aus der positiven Versorungsspannung (+Vcc) aufgenommene Leistung wird durch den Verstärker nicht begrenzt und kann vollständig in der Last umgesetzt werden. Während der negativen Halbwelle wird der Transistor T2 leitend und verhält sich ebenfalls wie ein Emitterfolger. Auch hier sperrt der Transistor T1 vollständig und nimmt keine Leistung auf. Diese Betriebsart wird Gegentakt-B-Betrieb genannt, und lässt bereits ohne genauere Betrachtung einen wesentlich besseren Wirkungsgrad erahnen. Für die Transistoren sollte nach Möglichkeit ein sog. komplementäres Transistorpaar eingesetzt werden. Diese besitzen abgesehen von den Gegensätzlichen p/n -Zonen die gleichen physikalischen Eigenschaften, wodurch eine möglichst gleichmäßige Übertragung der beiden Halbwellen erreicht wird.

 

2.2 Kennlinien

Bei Betrachtung der Übertragungskennlinie fällt sofort der Nachteil einer Klasse-B-Verstärkers auf. Bei einer Eingangsspannung nahe dem Nullpunkt erfolgt keine Übertragung auf den Ausgang, da die Basis-Emitter Dioden der Transistoren noch sperren. Dieses Verhalten wird Übernahmeverzerren genannt und ist der große Nachteil eines Klasse-B-Verstärkers. Die maximale Aussteuerung in beide Richtungen ist symmetrisch und wird nicht wie beim Klasse-A Verstärker durch den Innenwiderstand des Verstärkers begrenzt.

Bei einer Sinusanregung des Verstärkers zeigt sich folgender Verlauf der Ausgangsspannung:

grün: Eingangsspannung Ue, rot: Ausgangsspannung Ua

Auch hier ist das Übernahmeverzerren deutlich zu erkennen. Die Ausgangsspannung folgt dem Eingang mit leichtem Versatz um die Basis-Emitter Spannung. Ab einer unteren Grenze der Eingangsspannung von etwa +-0,7V fällt der Ausgang jedoch auf 0V ab und folgt dem Eingangssignal erst wieder, wenn dieser erneut +-0,7V erreicht.

 

 

2.3 Wirkungsgrad

Die Ausgangsleistung des Klasse-B-Verstärkers hängt theoretisch nur vom der Last RL ab. Praktisch wird sie natürlich durch den maximal zulässigen Strom durch die Transistoren sowie die maximal zulässige Verlustleistung begrenzt. Im Gegensatz zum Klasse-A-Verstärker ist keine Leistungsanpassung für einen optimalen Wirkungsgrad notwendig, und die aufgenomme Leistung hängt vom Pegel des Eingangssigals ab:

grün: Einangsspannung Ue, rot: Aufgenomme Leistung aus den Quellen +Vcc und -Vcc

Beträgt das Eingangssignal 0V, ist auch die Aufgenomme Leistung gleich 0. Im folgenden soll der Wirkungsgrad bei Sinusanregung genau bestimmt werden:

Die maximal abgegeben Lesitung hängt wie erwähnt nur von Lastwiderstand ab und ist bei einer sinusförmigen Signalquelle deren Amplitude der Versorungsspannung, und damit Vollaussterung entspricht:

Die aus den Quellen aufgenommene Leistung beträgt:

Damit ergibt sich ein Verhältnis von aufgenommener zu abgegebener Leistung:

Der Wirkungsgrad des Klasse-B-Verstärkers beträgt somit bei sinusförmiger Aussteuerung 78,5% und ist damit um ein Vielfaches höher als der des Klasse-A-Verstärker.

 

 

2.4 Dimensionierung

Bei der Dimensionierung eines Klasse-B-Verstärkers kommt es maßgeblich auf die maximale Verlustleistung in den Transistoren an. Diese lässt sich einfach aus den bei der Wirkungsgradbetrachtung angewandten Formel berechnen:

Ein Maximum wird folglich bei

erreicht. Die maximal auftretende Verlustleistung beträgt dann:

 

Neben der maximalen Verlustleistung sollte auch der maximal zulässige Strom durch den Transistor eingehalten werden. Dieser lässt dich bei diesem Verstärkertyp wie folgt berechnen:

Bei sinusförmiger Aussteuerung kann daraus der effektiv wirkende Strom berechnet werden.

2.5 Beispielschaltung

Die folgene Abbildung zeigt einen einfachen Klasse-B-Verstärker der mit den Standarttransitoren BC547 und BC557 aufgebaut ist. Die Last soll 50Ohm, der Innenwiderstand der Quelle 1K betragen. Weiter wird von einer Sinusförmigen Signalquelle mit einer Amplitude von 10V ausgegangen.

Zunächst soll die in den Transistoren umgesetzte Leistung berechnet werden. Diese beträgt nach obiger Formel:

Ein Blick in das Datenblatt des 547 verrät uns unter dem Punkt "total power dissipation" eine maximale Verlustleistung von 500mW. Da die angewandte Formel die gesamte Verlustleistung in beiden Transistoren berechnet, und von einer symmetrischen Aussterung ausgegangen werden kann, liegt die Verlustleistung eines Transistors sicher unter 500mW.

Ein weiteres Dimensionierungskriterium ist der maximal zulässige Strom durch den Transistor. Da dieser bei Vollaussteuerung also 10V Quellenspannung erreicht wird lässt er sich sehr einfach mit einer Maschengleichung berechnen:

Auch hier zeigt das Datenblatt eine "peak collecotr current" von 200mA an. Damit ist auch dieses Kriterium erfüllt.

Abschließend soll noch der mittlere Strom durch den Transistor berechnet werden. Mit der Formel aus dem abschnitt Dimensionierung ist auch dieser leicht zu berechnen:

Das Datenblatt spricht von einem Kollektorstrom von maximal 100mA. Der Transistor ist damit für den Verstärker ausreichend groß dimensioniert

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