Klassen von Leistungsverstärkern

In der Elektronik ist der Verstärker das am häufigsten verwendete Schaltungsgerät mit enormen Anwendungsmöglichkeiten. In der Audio-bezogenen Elektronik sind Vorverstärker und Leistungsverstärker zwei verschiedene Arten von Verstärkersystemen, die für Schallverstärkungszwecke verwendet werden. Abgesehen von diesem anwendungsspezifischen Zweck gibt es jedoch große Unterschiede bei verschiedenen Arten von Verstärkern, hauptsächlich bei Leistungsverstärkern. Hier werden wir verschiedene Klassen von Verstärkern mit ihren Vor- und Nachteilen untersuchen.

Klassifikationen von Verstärkern mit Buchstaben

Verstärkerklassen sind die Identität der Leistung und Eigenschaften des Verstärkers. Unterschiedliche Arten von Leistungsverstärkern reagieren unterschiedlich, wenn Strom durch sie geleitet wird. Den Verstärkern werden gemäß ihren Spezifikationen unterschiedliche Buchstaben oder Alphabete zugewiesen, die ihre Klassen darstellen. Es gibt verschiedene Klassen von Verstärkern von A beginnend, B, C, AB, D, E, F, T etc. Von diesen Klassen sind die am häufigsten verwendeten Audioverstärkerklassen A, B, AB, C. Andere Klassen sind moderne Verstärker, die Schalttopologien und PWM-Technik (Pulse Width Modulation) verwenden, um die Ausgangslast anzutreiben. Manchmal wird einer verbesserten Version traditioneller Klassen ein Buchstabe zugewiesen, um sie als eine andere Klasse von Verstärkern zu klassifizieren, so wie der Verstärker der Klasse G eine modifizierte Verstärkerklasse der Klasse B oder der Klasse AB ist.

Klassen des Verstärkers stellen den Eingangszyklusanteil dar, wenn der Strom durch den Verstärker geleitet wird. Der Eingangszyklus ist der Leitungswinkel, der sich aus der Sinuswellenleitung im Verstärkereingang ergibt. Dieser leitende Winkel ist mit den Verstärkern sehr proportional zu Zeit während eines vollen Zyklus. Wenn der Verstärker während eines Zyklus immer eingeschaltet ist, beträgt der Leitungswinkel 360 Grad. Wenn also ein Verstärker einen Leitungswinkel von 360 Grad liefert, verwendet der Verstärker ein vollständiges Eingangssignal und das aktive Element, das über die 100% -Zeitdauer eines vollständigen Sinuszyklus geleitet wird.

Im Folgenden werden traditionelle Leistungsverstärkerklassen der Klassen A, B, AB und C sowie Verstärker der Klasse D vorgestellt, die in Schaltkonstruktionen weit verbreitet sind. Diese Klassen werden nicht nur in Leistungsverstärkern verwendet, sondern auch in Audioverstärkerschaltungen.

Klasse A Verstärker

Der Klasse-A-Verstärker ist ein Verstärker mit hoher Verstärkung und hoher Linearität. Bei Verstärkern der Klasse A beträgt der Leitungswinkel 360 Grad. Wie oben erwähnt, bedeutet ein 360-Grad-Leitungswinkel, dass das Verstärkergerät für die gesamte Zeit aktiv bleibt und das vollständige Eingangssignal verwendet. Im folgenden Bild ist ein idealer Klasse-A-Verstärker dargestellt.

Wie wir im Bild sehen können, gibt es ein aktives Element, einen Transistor. Die Vorspannung des Transistors bleibt die ganze Zeit eingeschaltet. Aufgrund dieser Funktion zum Ausschalten bietet der Klasse-A-Verstärker eine bessere Stabilität der Hochfrequenz- und Rückkopplungsschleife. Abgesehen von diesen Vorteilen ist ein Klasse-A-Verstärker mit einer Einzelgerätekomponente und einer minimalen Anzahl von Teilen einfach zu konstruieren.

Trotz der Vorteile und der hohen Linearität gibt es sicherlich viele Einschränkungen. Aufgrund der kontinuierlichen Leitfähigkeit führt der Klasse-A-Verstärker zu einem hohen Leistungsverlust. Aufgrund der hohen Linearität sorgt der Verstärker der Klasse A auch für Verzerrungen und Rauschen. Das Netzteil und die Vorspannungskonstruktion erfordern eine sorgfältige Auswahl der Komponenten, um unerwünschte Störungen zu vermeiden und die Verzerrung zu minimieren.

Aufgrund des hohen Leistungsverlusts im Verstärker der Klasse A gibt er Wärme ab und benötigt mehr Kühlkörperraum. Der Wirkungsgrad ist bei Verstärkern der Klasse A sehr schlecht. Theoretisch variiert der Wirkungsgrad zwischen 25 und 30%, wenn er mit der üblichen Konfiguration verwendet wird. Der Wirkungsgrad kann unter Verwendung einer induktiv gekoppelten Konfiguration verbessert werden, aber der Wirkungsgrad beträgt in einem solchen Fall nicht mehr als 45-50%, so dass er nur für Zwecke der Verstärkung mit niedrigem Signal oder niedrigem Leistungspegel geeignet ist.

Klasse B Verstärker

Der Verstärker der Klasse B unterscheidet sich ein wenig von dem der Klasse A. Er wird mit zwei aktiven Geräten erstellt, die die Hälfte des tatsächlichen Zyklus, dh 180 Grad des Zyklus, leiten. Zwei Geräte bieten einen kombinierten Stromantrieb für die Last.

In der obigen Abbildung wurde eine ideale Klasse-B-Verstärkerkonfiguration gezeigt. Es besteht aus zwei aktiven Geräten, die während des positiven und negativen Halbzyklus der Sinuswelle nacheinander vorgespannt werden. Auf diese Weise wird das Signal sowohl von der positiven als auch von der negativen Seite auf den verstärkten Pegel gedrückt oder gezogen und kombiniert das Ergebnis, das wir über den Ausgang erhalten. Jedes Gerät wurde eingeschaltet oder wurde in der Hälfte des Zyklus aktiv. Aufgrund dessen verbessert sich der Wirkungsgrad im Vergleich zu einem Wirkungsgrad von 25 bis 30% bei Verstärkern der Klasse A und bietet theoretisch einen Wirkungsgrad von mehr als 60%. Wir können jedes Diagramm des Geräteeingangs- und -ausgangssignals im folgenden Bild sehen. Der Wirkungsgrad beträgt bei Verstärkern der Klasse B nicht mehr als 78% . Die Wärmeableitung wird in dieser Klasse minimiert, wodurch ein geringer Kühlraum entsteht.

Diese Klasse hat jedoch auch Einschränkungen. Eine sehr tiefgreifende Einschränkung dieser Klasse ist die Überkreuzungsverzerrung. Da zwei Geräte jede Hälfte der Sinuswellen bereitstellen, die kombiniert und über den Ausgang verbunden werden, gibt es in dem Bereich, in dem zwei Hälften kombiniert werden, eine Fehlanpassung (Überkreuzung). Dies liegt daran, dass ein Gerät nach Abschluss des Halbzyklus fast zur gleichen Zeit die gleiche Leistung bereitstellen muss, wenn das andere Gerät den Auftrag beendet. Es ist schwierig, diesen Fehler im Verstärker der Klasse A zu beheben, da das andere Gerät während des aktiven Geräts vollständig inaktiv bleibt. Der Fehler führt zu einer Verzerrung des Ausgangssignals. Aufgrund dieser Einschränkung ist dies ein schwerwiegender Fehler bei der Anwendung von Präzisions-Audioverstärkern.

Klasse AB Verstärker

Ein alternativer Ansatz zur Überwindung der Überkreuzungsverzerrung ist die Verwendung des AB-Verstärkers. Der Verstärker der Klasse AB verwendet einen Zwischenleitungswinkel der Klassen A und B, sodass wir die Eigenschaften des Verstärkers der Klasse A und der Klasse B in dieser AB-Klasse der Verstärkertopologie sehen können. Wie Klasse B hat es die gleiche Konfiguration mit zwei aktiven Geräten, die während der Hälfte der Zyklen einzeln leiten, aber jedes Gerät ist anders vorgespannt, so dass sie während des unbrauchbaren Moments (Crossover-Moment) nicht vollständig ausgeschaltet werden. Jedes Gerät verlässt die Leitung nicht unmittelbar nach Abschluss der Hälfte der sinusförmigen Wellenform, sondern leitet eine kleine Eingangsmenge in einem weiteren halben Zyklus. Unter Verwendung dieser Vorspannungstechnik wird die Überkreuzungsfehlanpassung während der Totzone dramatisch verringert.

In dieser Konfiguration wird jedoch die Effizienz verringert, da die Linearität der Geräte beeinträchtigt wird. Der Wirkungsgrad bleibt höher als der Wirkungsgrad eines typischen Klasse-A-Verstärkers, ist jedoch geringer als der des Klasse-B-Verstärkersystems. Außerdem müssen die Dioden sorgfältig mit genau der gleichen Nennleistung ausgewählt und so nahe wie möglich am Ausgabegerät platziert werden. Bei einigen Schaltungskonstruktionen neigen Entwickler dazu, einen Widerstand mit kleinem Wert hinzuzufügen, um einen stabilen Ruhestrom über die Vorrichtung bereitzustellen, um die Verzerrung über den Ausgang zu minimieren.

Klasse C Verstärker

Neben den Verstärkern der Klassen A, B und AB gibt es einen weiteren Verstärker der Klasse C. Es handelt sich um einen herkömmlichen Verstärker, der anders arbeitet als die anderen Verstärkerklassen. Der Klasse-C-Verstärker ist ein abgestimmter Verstärker, der in zwei verschiedenen Betriebsarten arbeitet, abgestimmt oder nicht abgestimmt. Der Wirkungsgrad eines Klasse-C-Verstärkers ist viel höher als der von A, B und AB. Bei hochfrequenzbezogenen Vorgängen kann ein Wirkungsgrad von maximal 80% erreicht werden

Der Verstärker der Klasse C verwendet einen Leitungswinkel von weniger als 180 Grad. Während des nicht abgestimmten Modus wird der Tunerabschnitt in der Verstärkerkonfiguration weggelassen. Bei diesem Vorgang führt der Verstärker der Klasse C auch zu einer starken Verzerrung des Ausgangs.

Wenn die Schaltung einer abgestimmten Last ausgesetzt ist, klemmt die Schaltung den Ausgangsvorspannungspegel mit der durchschnittlichen Ausgangsspannung gleich der Versorgungsspannung. Die abgestimmte Operation wird als Clamper bezeichnet. Während dieses Vorgangs erhält das Signal seine richtige Form und die Mittenfrequenz wurde weniger verzerrt.

Bei typischen Anwendungen bietet ein Verstärker der Klasse C einen Wirkungsgrad von 60-70%.

Klasse D Verstärker

Der Klasse-D-Verstärker ist ein Schaltverstärker, der Pulsweitenmodulation oder PWM verwendet. Der Leitungswinkel spielt in diesem Fall keine Rolle, da das direkte Eingangssignal mit einer variablen Impulsbreite geändert wird.

In diesem Klasse-D-Verstärkersystem wird die lineare Verstärkung nicht akzeptiert, da sie genau wie ein typischer Schalter arbeiten, der nur zwei Operationen hat, EIN oder AUS.

Vor der Verarbeitung des Eingangssignals wird das analoge Signal durch verschiedene Modulationstechniken in einen Impulsstrom umgewandelt und dann an das Verstärkersystem angelegt. Da die Impulsdauer mit dem analogen Signal zusammenhängt, wird sie erneut unter Verwendung eines Tiefpassfilters über den Ausgang rekonstruiert.

Der Klasse-D-Verstärker ist die leistungsstärkste Verstärkerklasse im A-, B-, AB- sowie C- und D-Segment. Es hat eine geringere Wärmeableitung, so dass ein kleiner Kühlkörper benötigt wird. Die Schaltung erfordert verschiedene Schaltkomponenten wie MOSFETs mit geringem Widerstand.

Es ist eine weit verbreitete Topologie in digitalen Audioplayern oder bei der Steuerung der Motoren. Aber wir sollten bedenken, dass es kein digitaler Konverter ist. Für höhere Frequenzen ist der Klasse-D-Verstärker zwar keine perfekte Wahl, da er in einigen Fällen Bandbreitenbeschränkungen aufweist, abhängig von den Fähigkeiten des Tiefpassfilters und des Wandlermoduls.

Andere Verstärkerklassen

Außer den herkömmlichen Verstärkern gibt es nur wenige weitere Klassen, nämlich Klasse E, Klasse F, Klasse G und H.

Der Klasse-E-Verstärker ist ein hocheffizienter Leistungsverstärker, der Schalttopologien verwendet und in Funkfrequenzen arbeitet. Ein einpoliges Schaltelement und das abgestimmte reaktive Netzwerk sind die Hauptkomponente für den Verstärker der Klasse E.

Klasse F ist ein hochohmiger Verstärker in Bezug auf die Harmonischen. Es kann mit Rechteckwelle oder Sinuswelle angetrieben werden. Für den Sinuswelleneingang kann dieser Verstärker unter Verwendung einer Induktivität abgestimmt und zur Erhöhung der Verstärkung verwendet werden.

Klasse G verwendet Schienenvermittlung, um den Stromverbrauch zu senken und die Effizienzleistung zu verbessern. Und Klasse H ist die weiter verbesserte Version von Klasse G.

Zusätzliche Klassen sind Spezialverstärker. In einigen Fällen werden die Buchstaben vom Hersteller zur Kennzeichnung ihres geschützten Designs bereitgestellt. Ein bestes Beispiel ist der Class-T-Verstärker, ein Warenzeichen für einen speziellen Schaltverstärkertyp der Klasse D, der für die patentierten Tripath-Verstärkertechnologien verwendet wird.