Leistungsverstärker der Klasse B.
Wenn der Kollektorstrom nur während der positiven Halbwelle des Eingangssignals fließt, ist der Leistungsverstärker bekannt als class B power amplifier.
Klasse B Betrieb
Die Vorspannung des Transistors im Betrieb der Klasse B ist so, dass bei einem Signalzustand von Null kein Kollektorstrom anliegt. Dasoperating pointwird so gewählt, dass die Kollektor-Abschaltspannung vorliegt. Wenn also das Signal angelegt wird,only the positive half cycle wird am Ausgang verstärkt.
Die folgende Abbildung zeigt die Eingangs- und Ausgangswellenformen während des Betriebs der Klasse B.
Wenn das Signal angelegt wird, wird die Schaltung für die positive Halbwelle des Eingangs in Vorwärtsrichtung vorgespannt, und daher fließt der Kollektorstrom. Während der negativen Halbwelle des Eingangs ist die Schaltung jedoch in Sperrrichtung vorgespannt und der Kollektorstrom fehlt. Daheronly the positive half cycle wird am Ausgang verstärkt.
Da der negative Halbzyklus vollständig fehlt, ist die Signalverzerrung hoch. Wenn das angelegte Signal zunimmt, ist auch die Verlustleistung höher. Im Vergleich zu Leistungsverstärkern der Klasse A ist die Ausgangseffizienz jedoch erhöht.
Nun, um die Nachteile zu minimieren und eine geringe Verzerrung, einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Ausgangsleistung zu erzielen, wird in diesem Klasse-B-Verstärker die Push-Pull-Konfiguration verwendet.
Push-Pull-Verstärker der Klasse B.
Obwohl der Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers der Klasse B höher ist als der der Klasse A, ist die Verzerrung hoch, da nur ein halber Zyklus des Eingangs verwendet wird. Auch die Eingangsleistung wird nicht vollständig genutzt. Um diese Probleme zu kompensieren, wird die Push-Pull-Konfiguration in einen Verstärker der Klasse B eingeführt.
Konstruktion
Die Schaltung eines Gegentakt-Leistungsverstärkers der Klasse B besteht aus zwei identischen Transistoren T 1 und T 2, deren Basen mit der Sekundärseite des Eingangstransformators T r1 mit Mittenabgriff verbunden sind . Die Emitter sind kurzgeschlossen und die Kollektoren werden über die Primärwicklung des Ausgangstransformators T r2 mit V CC versorgt .
Die Schaltungsanordnung des Gegentaktverstärkers der Klasse B ist dieselbe wie die des Gegentaktverstärkers der Klasse A, außer dass die Transistoren beim Abschalten vorgespannt sind, anstatt die Vorspannungswiderstände zu verwenden. Die folgende Abbildung zeigt detailliert den Aufbau eines Push-Pull-Leistungsverstärkers der Klasse B.
Der Schaltungsbetrieb des Gegentaktverstärkers der Klasse B ist nachstehend detailliert beschrieben.
Operation
Die in der obigen Abbildung gezeigte Schaltung des Gegentaktverstärkers der Klasse B macht deutlich, dass beide Transformatoren mittig abgegriffen sind. Wenn am Eingang kein Signal anliegt, befinden sich die Transistoren T 1 und T 2 im abgeschalteten Zustand und daher fließen keine Kollektorströme. Da kein Strom aus V CC gezogen wird , wird keine Energie verschwendet.
Wenn ein Eingangssignal gegeben wird, wird es an den Eingangstransformator T r1 angelegt, der das Signal in zwei Signale aufteilt, die um 180 ° zueinander phasenverschoben sind. Diese beiden Signale werden an die beiden identischen Transistoren T 1 und T 2 gegeben . Für den positiven Halbzyklus wird die Basis des Transistors T 1 positiv wird und der Kollektorstrom fließt. Gleichzeitig hat der Transistor T 2 eine negative Halbwelle, die den Transistor T 2 in einen Abschaltzustand versetzt und somit keinen Kollektorstrom fließt. Die Wellenform wird wie in der folgenden Abbildung gezeigt erzeugt.
Für den nächsten Halbzyklus wird der Transistor T 1 steigt in abgeschnittener Zustand und der Transistor T 2 in den leitenden Zustand gelangt, um die Ausgabe bei. Daher leitet jeder Transistor für beide Zyklen abwechselnd. Der Ausgangstransformator T r3 dient dazu, die beiden Ströme zu verbinden und eine nahezu unverzerrte Ausgangswellenform zu erzeugen.
Energieeffizienz des Push-Pull-Verstärkers der Klasse B.
Der Strom in jedem Transistor ist der Durchschnittswert der Halbsinusschleife.
Für eine halbe Sinusschleife ist I dc gegeben durch
$$ I_ {dc} = \ frac {(I_C) _ {max}} {\ pi} $$
Deshalb,
$$ (p_ {in}) _ {dc} = 2 \ times \ left [\ frac {(I_C) _ {max}} {\ pi} \ times V_ {CC} \ right] $$
Hier wird Faktor 2 eingeführt, da zwei Transistoren im Gegentaktverstärker vorhanden sind.
Effektivwert des Kollektorstroms = $ (I_C) _ {max} / \ sqrt {2} $
Effektivwert der Ausgangsspannung = $ V_ {CC} / \ sqrt {2} $
Unter idealen Bedingungen maximaler Leistung
Deshalb,
$$ (P_O) _ {ac} = \ frac {(I_C) _ {max}} {\ sqrt {2}} \ times \ frac {V_ {CC}} {\ sqrt {2}} = \ frac {( I_C) _ {max} \ times V_ {CC}} {2} $$
Jetzt insgesamt maximale Effizienz
$$ \ eta_ {Gesamt} = \ frac {(P_O) _ {ac}} {(P_ {in}) _ {dc}} $$
$$ = \ frac {(I_C) _ {max} \ mal V_ {CC}} {2} \ mal \ frac {\ pi} {2 (I_C) _ {max} \ mal V_ {CC}} $$
$$ = \ frac {\ pi} {4} = 0,785 = 78,5 \% $$
Der Kollektorwirkungsgrad wäre der gleiche.
Daher verbessert der Gegentaktverstärker der Klasse B die Effizienz als der Gegentaktverstärker der Klasse A.
Komplementärer Symmetrie-Push-Pull-Verstärker der Klasse B.
Der gerade besprochene Gegentaktverstärker verbessert die Effizienz, aber die Verwendung von Transformatoren mit Mittenabgriff macht die Schaltung sperrig, schwer und kostspielig. Um die Schaltung zu vereinfachen und den Wirkungsgrad zu verbessern, können die verwendeten Transistoren ergänzt werden, wie im folgenden Schaltplan gezeigt.
Die obige Schaltung verwendet einen NPN-Transistor und einen PNP-Transistor, die in einer Push-Pull-Konfiguration verbunden sind. Wenn das Eingangssignal angelegt wird, leitet der NPN-Transistor während der positiven Halbwelle des Eingangssignals und der PNP-Transistor schaltet ab. Während der negativen Halbwelle schaltet der NPN-Transistor ab und der PNP-Transistor leitet.
Auf diese Weise verstärkt der NPN-Transistor während der positiven Halbwelle des Eingangs, während der PNP-Transistor während der negativen Halbwelle des Eingangs verstärkt. Da die Transistoren beide komplementär sind, jedoch symmetrisch wirken, während sie in einer Gegentaktkonfiguration der Klasse B verbunden sind, wird diese Schaltung als bezeichnetComplementary symmetry push pull class B amplifier.
Vorteile
Die Vorteile des Push-Pull-Verstärkers der Klasse B mit komplementärer Symmetrie sind wie folgt.
Da keine Transformatoren mit Mittelabgriff erforderlich sind, werden Gewicht und Kosten reduziert.
Gleiche und entgegengesetzte Eingangssignalspannungen sind nicht erforderlich.
Nachteile
Die Nachteile des Push-Pull-Verstärkers der Klasse B mit komplementärer Symmetrie sind wie folgt.
Es ist schwierig, ein Transistorpaar (NPN und PNP) mit ähnlichen Eigenschaften zu erhalten.
Wir benötigen sowohl positive als auch negative Versorgungsspannungen.