Endstufe

Schlussphase

Die Endstufe ist die letzte elektronisch aktive (d.h. verstärkende) Stufe eines Leistungsverstärkers, bevor das verstärkte Signal die Last erreicht. Häufig wird das gesamte Gerät oder das "Endstufenmodul" auch als Endstufe bezeichnet. Die Endstufe am Verstärker oder seinen Vorverstärkern ist nur in gwissen-Gehäusen vorhanden.

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Die Endstufe ist die zuletzt elektrisch betriebene (d.h. verstärkende) Endstufe eines Endverstärkers, bevor das verstärktes Eingangssignal die Belastung erreicht. Häufig wird das ganze Bauteil oder das "Endstufenmodul" auch als Endstufe genannt. Dagegen werden die zur Steuerung der Endstufenkomponenten verwendeten Aktivkomponenten manchmal als "Vorverstärker" bezeichne.

Die Leistungsverstärker werden in der Regel im C-Modus gefahren, um einen sehr guten Wirkungsgrad von 80 % zu gewährleisten. Zur Vermeidung unerwünschter Oberschwingungen (keine nachträgliche Filterung) werden diese (analogen) Ausgangsstufen immer im Modus AB oder AB gefahren und erreichen somit Effizienzen zwischen 20 und 70 %. Ausschlaggebend ist neben der Amplifikation die max. Leistung, bei der die erzeugten ungewollten Mischgüter unter einer gewissen Schwelle liegen.

Diese haben einen großen Übergangswiderstand (typisch 20 Ohm ||| 10 pF) und schaltbare Eingangsempfindlichkeit. Häufig übersteigt der Nutzungsgrad 90 %. Leistungsendstufen funktionieren im linearen Betrieb mit niedrigem Wirkungsgradverlauf und werden dann nach der Position des Betriebspunktes der Endstufe klassifiziert: Zudem können sie auch "digital" mit hoher Effizienz arbeiten:

Für so genannte Class-A-Verstärker gibt es vier gemeinsame Schaltungen: einen Spannungsverteiler bestehend aus einem regelbaren Bauteil (single ended) und einem ohmschen Widerstände, einen Spannungsverteiler bestehend aus einem regelbaren Bauteil und einer Wicklung, einen Trafo oder die Verbraucher selbst, einen Spannungsverteiler bestehend aus zwei regelbaren Bauteilen (Push-Pull). Höchster Effizienz, Verformungsverhalten und Komponentenaufwand sind verschieden, der niedrige Effizienzfaktor ist ein Nachteil: je nach Version ist der theoretische maximale Effizienz von 6,25 % (single ended mit Widerstand), 25 % (single ended mit Strom-Quelle oder direkt angetrieben) oder 50 % (push-pull).

hohe Ruhestrome von 200 % (einseitig mit Widerstand), 100 % (einseitig mit Spannungsquelle oder direkt angesteuert) oder 50 % (Gegentakt) des Einzelspitzenstroms (Ip). Der Betriebspunkt des Single-Ended A-Verstärkers befindet sich in der Kennlinienmitte. In der Betriebsart C, mit sehr niedrigen Spannungen, ist es möglich, dass kein Transistor leitend ist.

Die beiden Transienten stellen im folgenden Schaltbild die Push-Pull-Endstufe mit einseitiger Ansteuerung und asymmetrischer Spannung dar. Mit der Basis-Vorspannung der beiden Leuchtdioden D 1 und D 2 wird die Übergangsverzerrung reduziert, wenn sich die beiden Transienten im leitfähigen Status gegenüberstehen. Dieser Betriebsmodus der Widerstände wird auch als AB-Modus oder AB-Modus beschrieben. Leistungsverstärker der Baureihe AB sind die am häufigsten verwendeten Leistungsverstärker in der Konsumelektronik.

Unten (1) sehen Sie die Endstufestransistoren, die von den beiden Treiber-Transistoren (2) im Push-Pull-Modus betrieben werden. Vorteile: hohe Effizienz über 80 %. Aufgrund der starken Verzerrung sind Endstufen nicht für Carrierless Übertragungen (Single Sideband Modulation, SSB) im C-Modus ausgelegt. Die Effizienz im C-Betrieb kann mit bis zu 90 % sehr hoch sein, daher ist die Leistungsaufnahme niedrig.

Um ungewollte Oberschwingungen herauszufiltern, müssen zwischen Endstufe und Antennen (Last) HF-Schwingkreise oder Pi-Filter eingesetzt werden. Daher werden sie mit einer hohen Taktfrequenz (über 100 kHz) ein- und ausgeschalten (Schaltverstärker) und nicht, wie bei den anderen Baureihen, linienförmig angesteuert. Das hat den großen Vorteil, dass an den Widerständen kaum Leistungsverluste auftreten. Damit wird ein hohes Maß an Effizienz erzielt.

Die Schalthäufigkeit ist weit über der größten Taktfrequenz, so dass der Schaltaufwand für die nachfolgende Tiefpaßfilterung niedrig sein kann. Die typischen Schalthäufigkeiten von NF-Verstärkern im Class-D-Betrieb sind 768 und 1536 Kilohertz (8 96 und 16 96 Kilohertz). Wirkungsgrad deutlich über 90 % bei Vollast, 35 bis 50 % bei 1 % der max. zul.

Klasse B: 70 bis 75 % bei Vollast, 3 bis 5 % bei 1 % der max. zul. Für hohe Leistungsendstufen wird das Klasse -H-Konzept verwendet, um den Spannungsfall bzw. die Leistungsverluste in den Leistungstransistoren deutlich zu mindern. Fast alle leistungsfähigen PA-Endstufen (außer Klasse D) sind jetzt in Klasse A oder Klasse C erhältlich.

Dies ist in den Stromlaufplänen an der Endstufe an in Serie liegenden Widerständen gut zu sehen, wodurch abgestufte Spannungsversorgungen zur Auswahl angeboten werden, in der Regel in 2, aber auch in 3-stufig. Das Schaltplanbeispiel veranschaulicht das Wirkprinzip der Klasse S. Der Übersichtlichkeit wegen wird im Folgenden nur der Status des Pluszweiges erläutert: Im Idle-Betrieb wird über die Funktion T 1 mit +40 V gespeist.

Im Idle-Zustand des Ausganges beträgt die Grundspannung an T 2 ca. 10 V über N1. Die Emitterspannung beträgt jedoch 40 V. Weil oberhalb des BE-Abstandes von T 2 keine Plusspannung anliegt, blockiert diese. Wird die Endstufe angesteuert, erhöht sich ihre Endspannung - und damit auch die am Sockel von T 2. T 2 beginnt bei ca. 30 V Endspannung zu führen und behält immer die Arbeitsspannung von T 1 ca. 10 V über der momentanen Endstufe.

In diesem Modulationsbereich liegt der Gesamtverlust also auf dem Pegel einer Endstufe, die in der Regel mit 80V versorgt wird. Die Einsparpotenziale der Klasse F treten daher nur bei unverzögerten Werten der Ausgabespannung auf, wobei T 2 noch gesperrt ist. Ebenfalls wird hier die Ruhestromgenerierung der Endstufe unterlassen. Die Oszillogramme zeigen die Kathodenspannung von E2 ( "Kanal A") und die Stromausgangsspannung ("Kanal B") eines Verstärkers der Klasse S bei Musik.

Nachteil der Klasse B ist der hohe Schaltaufwand und die geringen, zusätzlichen Störungen beim Schalten auf den höheren Spannungspegel. Vor allem das Rückgewinnungsverhalten der Leuchtdioden wird stark beansprucht, da dies einen erheblichen Einfluß auf das Verzerrungsverhalten der Diode hat. Durch die negative Rückkopplung werden zwar Spannungsspitzen kompensiert, aber nicht 100 %.

In Anlehnung an die klassische Klasse A ist es auch möglich, die Versorgungsspannung der Endstufe in der Regel über einen gesteuerten Abwärtswandler bereitstellen. Der Wirkungsgrad der Klasse A mit den tonalen Charakteristika (Dämpfungsfaktor im Hochtonbereich) der Klasse B ist in diesem Falle fast erreicht. Gemeinsames Einsatzgebiet war beispielsweise die in Autofunkgeräten vielfach eingesetzte Leistungsverstärkerschaltung des Typs DDA1562.

Der wesentliche Vorteil ist die Reduzierung der Leistungsaufnahme der als Endstufen-Transistoren arbeitenden Transistoren. Dies ist ein harter Wechsel zwischen der Nieder- und Hochspannung. Statt der Z-Dioden wird ein Vergleicher verwendet, der bei ausreichend großer Endstufe durchschaltet. Durch die negative Rückkopplung wird der starke Anstieg der Arbeitsspannung nur zum Teil kompensiert und ist am Eingang vieler Verstärker als kleine Biegung im Spannungsbogen ersichtlich.

Im Vergleich zur Klasse B werden die beiden Transienten T 2 und T 4 kaum belastet, da sie als Schaltgeräte dienen. MOSFETs werden vorwiegend in Leistungsverstärkern der Praxis genutzt. Auch bei Labornetzteilen wird diese Technologie häufig angewendet, bei denen die Entnahme des Trafos in Abhängigkeit von der eingestellten Spannung erfolgt. Aufgrund des bisher für jede Rohrstufe erforderlichen vergleichsweise großen Aufwands bei der Nutzung von Röhren wurden bisher nur Single-Ended Endverstärker mit dem Betriebspunkt A-Betrieb gebaut.

Aufgrund der damals niedrigen Verlustleistungen der Endrohre (meist weniger als 15 W) wurden kaum mehr als 6 Watt Abgabeleistung bei geringem Wirkungsgradverlust erlangt. Günstige Röhre und letztendlich Transistor ermöglichen die leistungsfähigeren Push-Pull-Verstärker mit hoher Leistungsfähigkeit. Aufgrund des Wegfalls des Trafos in "eisenlosen Leistungsverstärkern" gab es keine Hysterese-Kurve, und die nun möglichen verzerrungsreduzierenden starken negativen Rückkopplungen reduzierten den Verzerrungsfaktor deutlich.

Erreicht wird dieses durch einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand, dadurch hohe Wärmeverluste und ein problematisches magnetisches Übersättigungsverhalten des Ausgangswandlers, verursacht durch den Stromfluss des großen Ruhestroms durch die Hauptwicklung. Das Bestreben nach leichtgewichtigen, aber leistungsfähigen Leistungsverstärkern in Fahrzeugen mit nur 12 V Bordstromversorgung führt zum Einsatz der aus der analogen Technik herkömlichen, aus dem Bereich der Fahrtechnik stammenden Digitalbrückenverstärker.

Der Schaltplan ähnelt dem Buchstabe "H"; statt des Motor im Brückenstrang befindet sich nun der Box. Die A-D- oder B-C-Paare können nun aber nicht nur mit geringem Verlust ein- und ausgeschalten werden, sie müssen in kleinen Schritten schrittweise ein- und ausgefahren werden - das erzeugt viel Hitze und der Nutzungsgrad beträgt bis zu 80 %, wie im normalen AB-Betrieb, wenn mit gestapelter Spannung gefahren wird.

Jedoch ist die maximale erreichbare Ausgangsleistung bei einer gegebenen Spannung vier Mal so hoch wie bei einem herkömmlichen "eisenlosen Leistungsverstärker" und wird nach der folgenden Gleichung berechnet: Bei einem 4 Ohmschen Speaker beträgt die maximale Ausgangsleistung 24 V. Wenn Sie mehr Strom wünschen, muss entweder der Widerstand des Lautsprechers reduziert werden, oder das Instrument erhält einen Spannungskonverter, der die Spannung auf z.B. 40V erhöht.

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