Class-B Transistor Gegentaktverstärker

Der Arbeitspunkt einer Transistorendstufe mit zwei Transistoren kann so gelegt werden, dass ohne Signalansteuerung kein Ausgangsstrom fließt. Nur mit den positiven oder negativen Signalamplituden werden die entsprechenden Transistoren leitend. Im Vergleich zum Class-A Verstärker steht dann am Lastwiderstand insgesamt mehr Signalleistung zur Verfügung. Die Endstufentransistoren arbeiten im Gegentaktbetrieb.

Class-B Verstärker sind als Parallelgegentaktstufe oder Seriengegentaktstufe geschaltet. Die Schaltungen können mit Transistoren gleichen Leitungstyps, zum Beispiel mit zwei npn oder Komplementärtypen mit je einem npn- und pnp-Transistor gebaut werden. Die Ansteuerung muss dazu passend gegenphasig oder gleichphasig sein. Da im Wechsel immer ein Transistor sperrt, benötigt jeder Transistor seine eigene Betriebsspannung. Fast alle Gegentaktendstufen arbeiten mit zwei in Reihe geschalteten Gleichspannungsquellen.

Parallel-Gegentaktverstärker

Dieser Gegentaktverstärker kommt mit einer Betriebsspannung aus. Auf sie bezogen sind beide Transistoren parallel geschaltet. Gebräuchlich ist dieses Schaltungsprinzip in Endstufen mit Elektronenröhren. Sie ist ebenfalls gut geeignet für 100 V ELA-Anlagen mit einer Anpassung der Lautsprecherimpedanz oder Leistung über den Ausgangsübertrager. Wird die Schaltung mit npn-Transistoren aufgebaut, so müssen sie gegenphasig angesteuert werden. Das ist mit einem Treiber Übertrager mit einer Mittelanzapfung in der Sekundärwicklung möglich. Ebenso ist eine Transistorvorstufe mit hoher Stromgegenkopplung, die links im Bild gezeigte Split-Load-Schaltung möglich. Sie wird so dimensioniert, dass die gegenphasigen Ausgangssignale am Kollektor- und Emitterwiderstand die gleiche Amplitude aufweisen.

Ein Parallel-Gegentaktverstärker arbeitet prinzipiell auch mit Komplementärtransistoren. Die Ansteuerung erfolgt dann ohne Phasendrehung direkt mit dem Eingangssignal. Von Nachteil ist, dass die beiden Transistoren in einer anderen Grundschaltung arbeiten. Auf einen Ausgangsübertrager kann nicht verzichtet werden.

Das Bild zeigt die Prinzipschaltung einer Parallel-Gegentaktendstufe. Die Signalansteuerung kann mit der Split-Load-Schaltung erfolgen oder wie im nächsten Bild gezeigt durch einen Treibertransformator. Das an der Primärseite liegende Eingangssignal ist an der Sekundärseite an den Punkten 1 und 2 gegenphasig und steuert beide Transistoren gleichzeitig an ihrer Basis an. Der Kondensator C legt die Mittenanzapfung der Sekundärspule für das Signal an Masse. Mit den beiden Widerständen kann ein geringer Basisruhestrom eingestellt werden, der die Basis-Emitterdioden bis an den Beginn der gekrümmten Kennlinie vorspannt. Dadurch lassen sich die Übernahmeverzerrungen bei Eingangssignalen kleiner Amplituden minimieren.

Im Zeitabschnitt der grünen Signalhalbwelle ist der Transistor Q1 gesperrt und Q2 leitet. Im Ausgangsübertrager fließt von der Betriebsspannung durch die untere Primärwicklung der Kollektorstrom IC2 nach Masse. Im Strommaximum beträgt die Spannung am Punkt B dann 0 V. Für den Zeitabschnitt der blauen Signalhalbwelle bleibt der Transistor Q2 gesperrt und Q1 leitet. Es fließt der Kollektorstrom IC1 durch die obere Primärwicklung. Die Spannung am Punkt A erreicht im Strommaximum 0 V. Durch den Magnetfeldabbau im jeweils gesperrten Stromkreis steigt die Spannung am Punkt B oder A dann auf die doppelte Betriebsspannung an. Die Signalspannungen induzieren sich in die Ausgangswicklung und werden am Lastwiderstand in Signalleistung umgesetzt.

An der Sekundärseite des Ausgangsübertragers wird das zusammengesetzte verstärkte Signal abgenommen. Eine Gleichspannungskomponente kann nicht übertragen werden. Auf das Signal bezogen arbeitet der Verstärker scheinbar mit der doppelten Betriebsspannung Ucc. Der nicht angesteuerte Transistor entnimmt so gut wie keine Gleichstromleistung. Bei Vollansteuerung ist die Gleichleistung ebenfalls vernachlässigbar. Im Verlauf der Ansteuerung ändert sich die Leistungsentnahme entsprechend der dynamischen Lage des Arbeitspunkts auf der Arbeitsgeraden.

Die folgende Berechnung zeigt eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads im Vergleich zum Class-A Verstärker. Die maximale Wechselstromleistung ist vom Lastwiderstand und der vollen Betriebsspannung abhängig. Der theoretische Wert von 78,5% wird praktisch nicht erreicht, da die Transistoren nur bis zur Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung ausgesteuert werden. Ähnliche Gegentaktendstufen benötigen zum stabilen Betrieb noch kleine Emitterwiderstände, deren Teilspannungen abgezogen werden müssen. In der Praxis erreichen Class-B Gegentaktendstufen einen Wirkungsgrad von 70%.

Die Gleichleistung einer Transistorstufe berechnet sich mit dem Strommittelwert. Für die gesamte Periode gilt: \[{P_ - } = \frac{1}{2}{U_{cc}}\frac{1}{\pi }{\widehat i_c}\quad \quad {P_ - } = \frac{{{U_{cc}} \cdot {{\widehat i}_c}}}{\pi }\] Die gesamte Wechselstromleistung wird mit Effektivwerten berechnet: \[{P_ \sim } = \frac{{{{\widehat u}_a}}}{{\sqrt 2 }} \cdot \frac{{{{\widehat i}_a}}}{{\sqrt 2 }} = \frac{1}{2}\,{\widehat u_a}\,{\widehat i_a}\] Für den Idealfall der Vollaussteuerung folgt: \[{\widehat u_a} \approx \frac{{{U_{cc}}}}{2}\quad und\quad {\widehat i_a} \approx {\widehat i_c}\] Daraus folgt für den maximalen theoretischen Wirkungsgrad: \[\eta = \frac{{{P_ \sim }}}{{{P_ - }}} = \frac{\pi }{4} \approx 0,785\;\] Für die Signalleistung am Lastwiderstand gilt: \[{P_ \sim } = \frac{{u_{a\,eff}^2}}{{{R_{last}}}}\quad mit\quad {u_{a\,eff}} = \frac{{{U_{cc}}}}{{2\sqrt 2 }}\quad \Rightarrow {P_ \sim } = \frac{{U_{cc}^2}}{{8\,{R_{last}}}}\]

Verstärker des Class-B Typs eignen sich nicht zur Verstärkung kleiner Signalamplituden. Der Transistor wird entweder noch nicht angesteuert oder bleibt im stark gekrümmten Bereich der Eingangskennlinie. Die Übertragertransformatoren der Parallel-Gegentaktendstufen sind eine Quelle weiterer nichtlinearer Verzerrungen. Das Ausgangssignal weist infolge der nichtlinearen Verzerrungen hohe Klirrfaktorwerte auf. Die Übertrager schränken durch Streuinduktivitäten und Wicklungskapazitäten den Frequenzbereich und damit die Bandbreite des Verstärkers ein. Sind hohe Ausgangsleistungen gefordert, dann werden die Übertrager durch ihren Eisenkern schwer und voluminös.

Serien-Gegentaktverstärker

Die Prinzipschaltung des Serien-Gegentaktverstärkers arbeitet mit zwei Transistoren. Von der Betriebsspannung her gesehen sind sie in Reihe geschaltet. Transistoren vom gleichen Leitungstyp müssen sie mit gegenphasigen Eingangssignalen angesteuert werden. Die Treiberstufe kann wie beim Parallel-Gegentaktverstärker gezeigt eine Split-Load-Schaltung sein.

Meistens wird die Endstufe mit komplementären Transistoren, je einem npn- und pnp-Typ, aufgebaut. Sie werden mit einem gleichphasigen Eingangssignal gesteuert. Diese Schaltungsvariante hat den Vorteil, dass beide Transistoren in der gleichen Grundschaltung arbeiten. Wird die Leistungsendstufe als Kollektorschaltung betrieben, so ist ihr Stufenausgangswiderstand besonders niedrig. Diese Serien-Gegentaktverstärker steuern in Audioendstufen die angeschlossenen Lautsprecher direkt an. Jeder Endstufentransistor benötigt eine eigene Gleichspannungsversorgung. Beide Betriebsspannungen sind in Reihe geschaltet mit dem Massebezug in der Mitte. Die gesamte Schaltung gleicht einer abgeglichenen Brücke, bei der die Last im Brückenzweig liegt.

Im Class-B Betrieb kann die Basis-Emitterdiode wegen eines fehlenden Vorwiderstands oder eines Basisspannungsteilers ohne Signal gesperrt sein. In den meisten Fällen wird durch eine geringe Vorspannung der Arbeitspunkt an den Beginn des Knicks der Eingangskennlinie gelegt und die Basis-Emitterspannung für Si-Halbleiter auf rund 0,3 ... 0,4 Volt eingestellt. Somit fließt ein sehr geringer Basisgleichstrom und die auftretende Verlustleistung des Gegentaktverstärkers bleibt vernachlässigbar klein.

Eine am Eingang liegende Signalwechselspannung steuert die Transistoren nun abwechselnd in den leitenden Zustand und am Lastwiderstand entsteht ein fast kontinuierliches Ausgangssignal. Die Gleichspannungsquellen werden abwechselnd belastet. Am Lastwiderstand tritt nur die Signalspannung auf, sodass ein Auskoppelkondensator zur galvanischen Trennung der Last nicht erforderlich ist. Die Verstärkerstufe weist eine sehr niedrige untere Grenzfrequenz auf.

Die Amplitude der Ausgangsspannung kann in beiden Richtungen die Höhe der Betriebsspannung abzüglich der der Sättigungsspannung der Kollektor-Emitterstrecke erreichen. Der Wert des Lastwiderstands kann beliebig groß sein. Da die Endstufe keine weiteren Begrenzungswiderstände hat, bestimmt der maximal erlaubte Kollektorstrom den Wert des kleinstmöglichen Lastwiderstands. Die Maximalleistung bei symmetrischer Betriebsspannung U = U1 + U2 errechnet sich wie folgt: \[{P_{Rlast\,\max }} = \frac{{u_{a\,eff}^2}}{{{R_{last}}}} = \frac{{\widehat u_a^2}}{{2\,{R_{last}}}} \approx \frac{{{U^2}}}{{2\,{R_{last}}}}\]

Wie beim Parallel-Gegentaktverstärker ist die Ausgangsleistung des Serien-Gegentaktverstärkers vom Wert der Versorgungsspannung und vom Lastwiderstand abhängig. Der theoretische Wirkungsgrad beträgt ebenfalls 78,5%, wobei sich in der Praxis rund 70% erreichen lassen. Die Übernahmeverzerrungen im Nulldurchgang sind bei großen Eingangsamplituden weniger störend, jedoch ist der Klirrfaktor für kleine Signale hoch.

In einer Simulationsschaltung wurde der Gesamtklirrfaktor für einen Class-B Seriengegentaktverstärker für unterschiedliche Eingangsamplituden gemessen. Für die Betriebsspannung wurden 44 V gewählt. Als Audiotestsignal wurde eine 1 kHz Sinusspannung mit Spitzenwerten der Amplituden zu 5, 10 und 20 V gewählt. In der ersten Messreihe betrug die Basis-Emitterspannung 0 V. Im zweiten Fall wurde der Arbeitspunkt mit 400 mV an den Beginn der Leitfähigkeit der Steuerstrecke gelegt.

Das Diagramm stellt das Ergebnis des ungünstigsten Falls dar. Die Fourieranalyse des Ausgangssignals zeigt, dass hier nur ungeradzahlige Harmonische für den Klirrfaktor verantwortlich sind. Der Class-B Verstärker hat bei kleinen Eingangsamplituden hörbare nicht zu tolerierende Klirrfaktoren. Das ungeschulte Gehör kann bei einem Sinuston im direkten Vergleich einen Klirrfaktor von 1% feststellen. Das gilt besonders beim Auftreten ungeradzahliger Oberwellen. Ein Class-B Gegentaktverstärker hat die folgenden charakteristischen Eigenschaften:

Er eignet sich als Endverstärker mit großer Signalleistung und hohem Wirkungsgrad.
Im Nulldurchgang der hat Signale entstehen Übernahmeverzerrungen. Die Ansteuerung mit kleinen Signalamplituden führt zu hohen Klirrfaktoren. Bei Großsignalansteuerung bleibt der Klirrfaktor vertretbar niedrig.
Bei symmetrischer Betriebsspannung hat der Ausgang keinen DC-Offset. Es ist kein Auskoppelkondensator notwendig und die untere Grenzfrequenz wird nicht negativ beeinflusst.