Klassenunterschied
Der Ratgeber wirft einen Blick auf den Class- ABetrieb, die ineffizienteste und teuerste Betriebsart bei Verstärkern.
Worum handelt es sich beim A-, B-, und ABBetrieb von analogen Leistungsverstärkern? Warum laufen Single- Ended- Verstärker ausschließlich im A- Betrieb oder auch am A- Arbeitspunkt und warum ist für den heute vorwiegend benutzten AB- Betrieb eine Gegentaktendstufe notwendig? Diesen Fragen wollen wir auf den Grund gehen.
Dazu sollten wir zunächst klären, was ein sogenannter Arbeitspunkt ( bezogen auf Tonverstärker) ist. Der Arbeitspunkt ist der ideale Betriebspunkt für einen Transistor ( oder eine Röhre). Ideal bedeutet, dass der Transistor in seinem linearen Bereich betrieben wird, in dem ein Eingangssignal absolut proportional verstärkt wird, also beispielsweise ein vierfaches Eingangssignal auch ein exakt vierfaches Ausgangssignal bewirkt. Ist das nicht so, spricht man von Verzerrungen.
Bei Verstärkern ist dieser Arbeitspunkt des Transistors nicht immer am gleichen Platz, sondern wird durch das Eingangssignal aus seiner Ruhelage (= Ruhestrom) herausbewegt. Diese Auslenkung muss begrenzt werden, damit der Arbeitspunkt den linearen Be- reich nicht verlässt, sondern auf der sogenannten Arbeitsgeraden verbleibt.
Zum besseren Verständnis kann man diese Verhältnisse in einem Diagramm ( Kennliniendiagramm) einzeichnen, wobei dieses Diagramm transistorspezifisch ist und auch die wahren, teils nichtlinearen Verhältnisse aufzeigt, weil ein Transistor nicht komplett ideal funktioniert und nur in einem Teil seiner Kennlinie ( den es zu treffen gilt) wirklich lineare Verhältnisse bietet, die Kennlinie nur dort also annähernd linealgerade ist. In der Praxis zeigen solche Diagramme eine Kennlinienschar, also eine sinnvolle Auswahl möglicher Kennlinien.
Und nun das Ganze etwas technischer formuliert ( aber keine Angst, schaut man sich das Diagramm an, wird es schnell verständlich): Die sogenannte Steuercharakteristik oder auch das Ausgangskennlinienfeld eines aktiv verstärkenden Bauelements, also etwa eines bipolaren Transistors, steht für dessen Übertragungsfunktion und den Strom-/ Spannungsverlauf. Solche Kennlinien werden in einem üblichen x/ y- Diagramm repräsentiert, wobei die x- Achse die anliegende Spannung, die y- Achse dagegen den Strom ( üblicherweise den Kollektorstrom) durch den Transistor zeigt. Präziser formuliert: Die Kurven zeigen den Kollektorstrom als Funktion der sich ändernden Collector-/ Emitter- Spannung.
Über die Kennlinien legt man die sogenannte Arbeitsoder auch Widerstandsgerade ( in unserem Diagramm grün), die die Betriebsspannung und den Arbeitswiderstand repräsentiert. Unter dem Kennlinien feld sieht man ( hier am Beispiel eines sinusförmigen Steuersignals) den entsprechenden Verlauf der Collector/ Emitterspannung auf einer Zeitachse. Dieses Sinussignal repräsentiert die Ansteuerung mit positiven und negativen Signalen, also Wechselspannung, und als Resultat die im Optimalfall symmetrische Aussteuerung rund um den Arbeitspunkt. Rechts neben dem Kennliniendiagramm sieht man dann analog dazu den sich ändernden Strom und damit die zum Steuersignal äquivalente Sinusschwingung des Stromverlaufs.
Im A- Betrieb ( unser erstes Bild) liegt der Arbeitspunkt ( und damit der Ruhestrom) praktisch in der Mitte. Das heißt, bei der halben Collector-/ Emitter- Spannung und damit bei der halben Betriebsspannung. Daraus resultiert ein Strom in Höhe des halben Maximalstroms. Bei Aussteuerng erfolgen die Stromänderungen symmetrisch um den Arbeitspunkt auf der Arbeitsgeraden.
Auch bei maximaler Aussteuerung liegt der Wirkungsgrad eines echten Class- AVerstärkers unter 50 Prozent.
Der Ruhestrom am Arbeitspunkt ist so groß, dass der Transistor niemals in einen stromlosen Zustand gerät. Das ist an sich optimal, hat aber einen Riesennachteil: Schon im Ruhezustand muss die doppelte Nenn- Ausgangsleistung als Verlustwärme abgeführt werden. Das Diagramm repräsentiert die Verhältnisse mit einem Transistor, also beispielsweise bei einem Single- Ended- Transistorverstärker. Im nächsten Diagramm sehen wir, warum B- und
AB- Betrieb mit einem einzigen Transistor nicht machbar ist: Im B- Betrieb liegt der Arbeitspunkt am Ende der Arbeitsgeraden, das entspricht einem Strom von null. Platz für Aussteuerung ist nur noch in eine Richtung vorhanden, der Transistor kann nur noch eine Signalhalbwelle verarbeiten. Die Verlustleistung ohne Aussteuerung ist null, sie nimmt mit der Aussteuerung zu. Die Effizienz ist hoch, das nützt aber nichts, denn der Verstärker macht nur die Hälfte von dem, was er soll. Doch dieses Problem ist lösbar: In der sogenann- ten Gegentaktschaltung lässt man einen zweiten Transistor ( zunächst ebenfalls am B- Arbeitspunkt) die andere Hälfte – also die andere Halbwelle unseres Sinus – verarbeiten und setzt das Signal anschließend wieder zusammen. Die Gegentaktschaltung ist bei unseren Verstärkern, soweit sie noch analog sind, deshalb die gebräuchlichste Art ( das lässt sich ebenfalls grafisch darstellen, könnte uns hier aber verwirren).
Da unser B- Punkt im stromlosen Bereich liegt, müssen Sie die Transistoren bei Aussteue- rung erst einschalten. Während dieses Nulldurchgangs entstehen große ( Übernahme-) Verzerrungen. Es liegt also nahe, die Effizienz und Leistungsfähigkeit des B- Betriebs mit dem A- Betrieb zu verbinden, indem man den Arbeitspunkt auf der Arbeitsgeraden ein wenig „ hochrutscht“, womit die beiden Transistoren des Gegentaktpaares schon permanent ein bisschen Strom ziehen.
Um es nochmals zu betonen: Im Gegentaktbetrieb wird bei jedem der beiden Transistoren auf ihrer Arbeitsgeraden nur noch in eine Richtung ausgesteuert ( wir stellen uns hier mal vor: nach „ oben“auf der Arbeitsgeraden). So sind viel größere Signalamplituden ( mehr Power) möglich, die Verlustleistung bleibt gering und nimmt mit der Aussteuerung zu. Und da haben wir den optimalen AB- Verstärker. Und je nachdem, wie weit der Arbeitspunkt in Richtung „ A“liegt, wird dabei ein größerer Teil des Ausgangssignals noch im A- Betrieb erzeugt. Ebenfalls machbar: rein Class A im Gegentaktbetrieb.