Leistungsverstärker werden nach ihrer Funktionsweise kategorisiert, insbesondere nach Segment und Dauer der Leitung des Eingangszyklus. Leistungsverstärker werden in die Klassen A, AB, C, D und E eingeteilt. Dieser Artikel bietet eine umfassende Analyse der Verstärker der Klasse A.
Verstärker der Klasse A
Der Leistungsverstärker der Klasse A leitet während des gesamten Zyklus des Eingangssignals kontinuierlich Strom. Aufgrund des geringen Wirkungsgrades wird diese Verstärkerklasse seltener in höheren Leistungsstufen eingesetzt.
Funktionsprinzip eines Klasse-A-Verstärkers
Der Hauptzweck von Klasse-A-Verstärkern besteht darin, das Vorhandensein von Rauschen zu minimieren, indem sichergestellt wird, dass die Signalwellenform innerhalb des nichtlinearen Bereichs der Eingangskennlinie des Transistors bleibt, nämlich zwischen 0 V und 0,6 V. Die Grundanordnung eines Klasse-A-Verstärkers ist unten angegeben:
Bei Klasse-A-Verstärkern wird ein erheblicher Teil der vom Verstärker erzeugten Leistung als Wärme abgegeben, was zu Abfall führt. Der Hauptgrund für den geringen Wirkungsgrad von Klasse-A-Verstärkern ist die kontinuierliche Vorspannung der Transistoren, die selbst bei fehlendem Eingangssignal zu einem geringen Stromfluss führt.
Die Klasse-A-Verstärker können auch direkt gekoppelt werden. Ein direkt gekoppelter Klasse-A-Verstärker verbindet die Last über einen Transformator mit dem Ausgang des Transistors. Ein Koppeltransformator ermöglicht eine effektive Impedanzanpassung zwischen Last und Ausgang und trägt so wesentlich zur Effizienzsteigerung bei.
Die Schaltung besteht aus Spannungsteilerwiderständen R1 und R2 sowie einem Vorspannungswiderstand und einem Emitter Re, die zur Stabilisierung der Schaltung dienen. Ein Bypass-Kondensator CE und der Widerstand Re sind am Emitter parallel geschaltet, um die Einschwingeffekte zu reduzieren. Der Eingangskondensator, auch Koppelkondensator (Cin) genannt, dient dazu, die Wechselspannung des Eingangssignals an die Basis des Transistors zu koppeln und gleichzeitig zu verhindern, dass Gleichstrom von der vorherigen Stufe durchfließt.
Im Prinzip erfolgt der Stromfluss durch die ohmsche Last des Kollektors, was zu einer Gleichstromableitung im Kollektor führt. Daher wird Gleichstrom (DC) in der Last in Wärmeenergie umgewandelt, ohne dass eine Wechselstromleistung (AC) erzeugt wird. Es wird jedoch nicht empfohlen, den elektrischen Strom direkt über das Ausgabegerät zu übertragen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird daher eine spezielle Konfiguration angewendet, bei der mithilfe eines geeigneten Transformators eine Verbindung zwischen der Last und dem Verstärker hergestellt wird, wie im oben genannten Diagramm dargestellt.
Impedanzanpassung
Bei der Impedanzanpassung wird die Ausgangsimpedanz des Verstärkers so geändert, dass sie an seine Eingangsimpedanz angepasst wird.
Eine Impedanzanpassung kann erreicht werden, indem die Anzahl der Windungen in der Hauptwicklung sorgfältig ausgewählt wird, um sicherzustellen, dass ihre Gesamtimpedanz mit der Ausgangsimpedanz des Transistors übereinstimmt. Ebenso muss die Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung so gewählt werden, dass eine Nettoimpedanz entsteht, die auch der Eingangsimpedanz entspricht.
Ausgabeeigenschaften
Anhand des folgenden Diagramms ist ersichtlich, dass der Q-Punkt genau in der Mitte der AC-Lastleitung positioniert ist und der Transistor während der gesamten Eingangswellenform leitend bleibt. Der maximale Wirkungsgrad liegt bei Klasse-A-Verstärkern bei 50 %.
In praktischen Anwendungen kann die Systemeffizienz aufgrund von Faktoren wie kapazitiver Kopplung und dem Vorhandensein induktiver Lasten wie Lautsprechern erheblich reduziert werden, möglicherweise um bis zu 25 %. Mit anderen Worten: Fast 75 % der Leistung werden im Verstärker verschwendet. Ein erheblicher Teil der Verlustleistung entsteht als Wärme innerhalb der aktiven Komponenten, insbesondere der Transistoren.
Abschluss
Verstärker der Klasse A verstärken das komplette Eingangssignal und leiten es am Ausgang weiter. Sie arbeiten unterbrechungsfrei und sind sehr einfach zu konfigurieren. Aufgrund des Dauerbetriebs sind sie jedoch anfällig für Leistungsverluste und erfordern Kühlkörper, um die Erwärmungseffekte abzuschwächen.