Verstärker Class C

5. Klasse C Verstärker

 

Die bisher vorgestellten Verstärkertypen eigneten sich alle als Verstärker im Audio Bereich. Klasse C Verstärker hingegen werden aufgrund ihrer Eigenschaften hauptsächlich in HF Schaltungen als Endstufen verwendet. Diese weißen eine hohe Verzerrung auf, die jedoch in Kauf genommen oder gar gewünscht sein können. Dafür ist der Wirkungsgrad eines Klasse C-Verstärker sehr hoch und liegt üblicher Weise über 80%. Dies wird dadurch erreicht, indem der Arbeitspunkt so gewählt wird, dass bei einer kleinen Aussteuerung durch das Eingangssignal noch keine Aussteuerung am Ausgang geschieht. D.h. der Transistor ist während einer Periode länger gesperrt als leitend.

 

5.1 Aufbau:

Ein Klasse-C Verstärker kann in drei Tele aufegteilt werden. Das Signal durchläuft der Reihe nach eine Eingangsstufe, eine Verstärker und danach eine Ausgangsstufe. Diese müssen für eine optimale Leistung aufeinander abgestimmt werden.

 

 

5.2 Verstärkerstufe

Die folgene Schaltung stellt die Verstärkerstufe eines Klasse C Verstärkers dar. Diese wird als erstes Dimensioniert, und danach die restlichen Teile des Verstärkers ausgewählt.

 

Der Verstärker besteht aus einem Transitor, einer Spule und einem Kondensator. Der Widerstand am Ausgang stellt die Last dar. Diese soll HF Typisch hier 50Ohm betragen. Die Spule besitzt eine Induktivität von 10uH, der Kondenstor eine Kapazität von 10n. Das Eingangssignal besitzt eine Amplitude von 1V bei einer Frequenz von 1MHz. Im folgenden sind die am Verstärker auftretenden Ströme dargestellt.

gelb: Uin, grün: Ie, rot: Il, blau: Ic

Wie Eingangs erwähnt, schaltet der Transistor erst ab einer minimalen Aussteuerung des Eingangssignals durch. Diese Schwelle liegt bei einem Transistor typischer Weise im Bereich um 0,7V. Danach fließt Strom über den Transitor durch die Spule nach Masse ab. Der Kondensator gibt ebenfalls Ladung ab und verursacht einen zusätzlichen Strom durch den Transistor. Damit gilt Ie = Il+Ic. Fällt das Eingangssignal unter den minimalen Wert, fließt kein Strom mehr durch den Transitor. Die Spule versucht nun den eingeprägten Strom weiter zu treiben und gibt diesen über den Kondensator an den Lastwiderstand ab. Der Transistor ist Klasse-C typisch nur einen kurzen Zeitraum pro Periode leitend. Damit entsteht nur kurzzeitig Verlustleistung die so nur zu einer geringen Erwärmung des Bauteils.

 

5.3 Ausgangsstufe

Die Ausgangsstufe hat die Aufgabe, den Verbraucher (bspw. eine Antenne) an die Verstärker Stufe anzupassen. Dabei spielen der Widerstand des Verbrauchers, die abzugebende Leistung sowie die Frequenz eine Rolle. Hierfür wird ein sog. PI-Filter eingesetzt:

Die Eingangsimpedanz des Filters muss an die gewünschte Ausgangsleistung des Verstärkers angepasst werden. Diese soll hier 1W betragen. Die Verstärkerstufe besitzt einen maximalen Ausgangspegel von 12V. Damit muss das Filter eine Eingangsimpedanz von

besitzen.

Der Ausgangswiderstand muss an den Verbraucher angepasst werden. Dieser soll hier 50 Ohm betragen. Zur Berechnung der Kapazitäten und Induktivitäten wird noch die Güte Q des Filterns benötigt. Dieser ist das Verhältnis der Resonanzfrequenz zur Bandbreite des Filters und soll hier 3 betragen. Damit können nun alle weiteren Bauteile berechnet werden:

Für eine noch genauer Berechnung der Werte kann für C1, die Kollektor-Emitter Kapazität des Transitors miteinbezogen und C1 um diesen Wert kleiner dimensioniert werden.

 

5.4 Eingangsstufe

Die Eingangsstufe hat die Aufgabe den niederohmigen Eingang der Verstärkerstufe an den Ausgang der Signalquelle anzupassen. Diese soll ebenfalls die üblichen 50 Ohm besitzen. Der Transistor hingegen besitzt eine Eingangsimpedanz von wenigen Ohm. Hier wird im folgenden von 10 Ohm ausgagangen.

Auch hier hängt die Dimensionierung neben der Ein- und Ausgangsimpedanz von der Arbeitsfrequenz und der Bandbreite des Filters ab. Die Formeln für Bauteile lauten:

 

 

Abschließend hier die gesamte Schaltung:

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