Leistungsverstärker: Typen, Klassen, Anwendungen
Leistungsverstärker: Typen, Klassen, Anwendungen
Ein Verstärker ist ein elektronisches Gerät, das dazu dient, die Größe der Spannung, des Stroms oder der Leistung eines Eingangssignals zu erhöhen. Empfängt ein schwaches elektrisches Signal und erzeugt mit Hilfe einer externen Stromquelle ein ähnliches, aber stärkeres Signal am Ausgang.
Was ist ein Leistungsverstärker??
Ein Leistungsverstärker ist eine Art elektronischer Verstärker, der die Leistung eines Eingangssignals erhöht. Dies ermöglicht die Ansteuerung von Ausgabegeräten wie Lautsprechern, Kopfhörern oder HF-Sendern.
Im Gegensatz zu Spannungs- oder Stromverstärkern ist der Leistungsverstärker für die direkte Versorgung der Last ausgelegt und wird als letztes Element in der Verstärkerschaltung verwendet.
Damit das Signal jedoch wirksam verstärkt werden kann, muss es einen bestimmten Schwellenwert überschreiten. Daher wird das rohe Audio- oder HF-Signal nicht direkt an den Leistungsverstärker weitergeleitet. Es durchläuft zunächst einen Vorverstärker, der es in Spannung oder Strom verstärkt, und gelangt dann - nach entsprechender Aufbereitung - als Eingangssignal in den Leistungsverstärker.
Das folgende vereinfachte Blockdiagramm eines Audioverstärkers zeigt die Verwendung eines Leistungsverstärkers.
In diesem Fall wird ein Mikrofon als Eingangsquelle verwendet. Das vom Mikrofon erzeugte Signal ist jedoch zu schwach, um vom Leistungsverstärker direkt verstärkt zu werden. Daher wird es zunächst dem Vorverstärker zugeführt, wo seine Spannung und sein Strom leicht erhöht werden. Das Signal durchläuft dann eine Klang- und Lautstärkeregelung, die ästhetische Anpassungen an der Audiowellenform vornimmt. Schließlich wird das Signal an einen Leistungsverstärker und dessen Ausgang an einen Lautsprecher weitergeleitet.
Arten von Leistungsverstärkern:
- Audio: von einigen Milliwatt (Kopfhörer) bis zu Tausenden von Watt (Hi-Fi-Anlagen, Heimkino).
- RF: verstärkung von Funkwellen für die Übertragung über große Entfernungen mittels Antennen.
- DC/PWM: steuerungsmotoren/Aktuatoren, die in der industriellen Automatisierung eingesetzt werden.
Audio-Leistungsverstärker
Erhöhen Sie die Leistung schwacher Audiosignale. Verwendung in Lautsprecherkontrollsystemen, z. B. in Fernsehgeräten, Mobiltelefonen usw. Ausgangsleistung: von einigen Milliwatt (z. B. Kopfhörerverstärker) bis zu mehreren Tausend Watt (Hi-Fi, Heimkinoanlagen).
Hochfrequenz (RF)-Leistungsverstärker)
Die drahtlose Übertragung erfordert die Übertragung von modulierten Wellen über große Entfernungen in der Luft. Diese Signale werden über Antennen übertragen und die Reichweite hängt von der Stärke des in die Antenne eingespeisten Signals ab. Für Funkübertragungen, wie z. B. UKW-Rundfunk, benötigen Antennen Signale mit einer Leistung von bis zu Tausenden von Kilowatt. Zu diesem Zweck werden HF-Leistungsverstärker eingesetzt, um die Leistung der modulierten Wellen auf das Niveau zu erhöhen, das erforderlich ist, um eine ausreichende Reichweite zu erzielen.
DC-Leistungsverstärker (PWM-moduliert)
Zur Verstärkung von PWM-Signalen (Pulse Width Modulated). Sie werden in elektronischen Steuersystemen verwendet, die Hochleistungssignale zum Antrieb von Motoren oder Stellgliedern benötigen. Sie nehmen das Signal von Mikrocontroller-Systemen auf, verstärken dessen Leistung und senden es an Gleichstrommotoren oder Aktuatoren.
Leistungsverstärker-Klassen
- Klasse A: kontinuierlicher Transistorbetrieb, hohe Qualität, niedriger Wirkungsgrad (~25-50%).
- Klasse B: zwei Transistoren, höherer Wirkungsgrad (~75%), Übergangsverzerrung.
- Klasse AB: abwägung zwischen Qualität und Effizienz (~60%).
- Klasse C: sehr hoher Wirkungsgrad, hohe Verzerrung, nicht für Audio.
- Klassen D/E/F/G: schaltverstärker für digitale PWM-Signale (bis zu 100% Wirkungsgrad).
Es gibt viele Methoden für den Entwurf von Leistungsverstärkerschaltungen. Die Funktionsweise und die Ausgangscharakteristiken der einzelnen Geräte variieren je nach verwendetem Design.
Um die Eigenschaften und das Verhalten der einzelnen Verstärkersysteme zu unterscheiden, werden Buchstabenbezeichnungen verwendet, die die Betriebsklasse des Verstärkers definieren.
Verstärker lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen:
- verstärker zur Verstärkung von analogen Signalen - klasse A, B, AB, C
- verstärker für digitale PWM-Signale - klassen D, E, F, usw.
Die gebräuchlichsten Verstärker sind diejenigen, die in Audioschaltungen verwendet werden, d. h. diejenigen, die zu den Klassen A, B, AB oder C.
Klasse-A-Verstärker
Analoge Signalverläufe bestehen aus positiven Spitzen und negativen Tälern. Bei dieser Klasse von Verstärkern die gesamte Wellenform des Eingangssignals wird bei der Verstärkung verwendet.
Um sowohl den positiven als auch den negativen Teil des Signals zu verstärken, wird ein ein einzelner Transistor. Diese einfache Konstruktion macht Klasse-A-Verstärker zu einem der den am häufigsten verwendeten Arten von Leistungsverstärkern.
Obwohl Verstärker dieser Klasse im Laufe der Zeit durch fortschrittlichere Lösungen abgelöst wurden, sind sie immer noch sind sie immer noch sehr beliebt bei Hobbyisten.
Bei dieser Klasse von Verstärkern arbeitet das aktive Element (d. h. das für die Verstärkung verantwortliche elektronische Bauteil - in diesem Fall der Transistor) kontinuierlich, auch wenn kein Eingangssignal vorhanden ist. Dies führt zu einer erheblichen Wärmeentwicklung und reduziert den Wirkungsgrad von Class-A-Verstärkern auf etwa 25% in der Standardkonfiguration und bis zu 50% in Konfiguration mit Koppeltransformator.
Der Leitungswinkel (d. h. der Teil der Signalform, der zur Verstärkung verwendet wird, von der gesamten 360°) in Klasse-A-Verstärkern beträgt 360°. Dies bedeutet, dass die Signalverzerrung sehr gering ist, was zu einer bessere Reproduktion hoher Frequenzen.
Klasse-B-Verstärker
Klasse-B-Verstärker wurden entwickelt, um die Probleme des geringen Wirkungsgrads und der Überhitzung zu lösen, die bei Klasse-A-Verstärkern auftreten.
Anstelle eines Transistors, der das gesamte Signal verstärkt, verwendet diese Klasse zwei komplementäre Transistoren.
Der eine verstärkt die positive Hälfte der Signalwellenform, der andere die negative Hälfte. Das bedeutet, dass jeder Transistor einen halben Zyklus (180°) lang leitet und zusammen die volle Verstärkung des gesamten Signals bilden.
Der Wirkungsgrad von Klasse-B-Verstärkern ist deutlich höher als der von Klasse-A-Verstärkern, was auf die Verwendung von zwei Transistoren zurückzuführen ist. Sie können einen einen theoretischen Wirkungsgrad von etwa 75 %. Verstärker dieser Klasse werden häufig in batteriebetriebenen Geräten wie UKW-Radios oder Transistorradios eingesetzt.
Durch die Summierung der beiden Signalhälften (positiv und negativ) kann an ihrem Übergang eine leichte Verzerrung auftreten - die sogenannte Crossover-Verzerrung. verzerrung der Frequenzweiche).
Class-AB-Verstärker sind entwickelt worden, um diese.
Klasse-AB-Verstärker
Class-AB-Verstärker kombinieren Class-A- und Class-B-Merkmale. Sie wurden entwickelt, um den geringen Wirkungsgrad der Klasse A zu eliminieren und die Übergangsverzerrungen der Klasse B zu reduzieren.
Behält den Frequenzgang in den hohen Frequenzbereichen bei, ähnlich wie Class-A-Verstärker, und bietet gleichzeitig einen guten Wirkungsgrad, wie Class-B-Verstärker.
Die Kombination aus Dioden und Widerständen sorgt für eine kleine Polarisationsspannung, die die Verzerrung der Wellenform in der Nähe des Übergangspunktes (die so genannte Crossover-Verzerrung) reduziert.
Dadurch sinkt der Wirkungsgrad leicht - auf etwa 60 %.
Klasse-C-Verstärker
Leistungsverstärker der Klasse C ermöglichen einen höheren Wirkungsgrad, der jedoch auf Kosten der Linearität und eines Abstrahlwinkels von weniger als 90° geht. Mit anderen Worten, die Qualität der Verstärkung wird geopfert, um die Effizienz der.
Ein kleinerer Leitungswinkel bedeutet höhere Verzerrungen, so dass Verstärker dieser Klasse nicht für Audioanwendungen geeignet sind. Sie werden hauptsächlich in Hochfrequenzoszillatoren und zur Verstärkung von Hochfrequenzsignalen eingesetzt.
Klasse-C-Verstärker enthalten in der Regel eine Resonanzlast, der Signale einer bestimmten Frequenz filtert und verstärkt, während er Wellenformen anderer Frequenzen abschwächt.
Bei dieser Art von Leistungsverstärker leitet das aktive Element nur dann, wenn die Eingangsspannung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, was die Verlustleistung verringert und den Wirkungsgrad erhöht.
Andere Klassen von Leistungsverstärkern
Leistungsverstärker der Klassen D, E, F, G, usw. dienen der Verstärkung digitaler pulsbreitenmodulierter (PWM) Signale. Sie gehören zur Kategorie der Schaltverstärker. schaltverstärker), deren Ausgang nur in zwei Zuständen arbeitet: voll-EIN oder vollständig AUS - ohne jegliche Zwischenstufen.
Dank dieses vereinfachten Funktionsprinzips können die Verstärker dieser Klassen einen einen theoretischen Wirkungsgrad von 90-100%.
Anwendungen für Leistungsverstärker
- Unterhaltungselektronik:
Audio-Leistungsverstärker werden in praktisch allen Geräten des täglichen Lebens eingesetzt - von Mikrowellenherden, Kopfhörerverstärkern, Fernsehern und Mobiltelefonen bis hin zu Heimkinosystemen und Beschallungsanlagen in Theatern und Konzerten.
- Industrie:
Schaltbare Leistungsverstärker werden zur Steuerung der meisten industriellen Stellantriebe wie Servomotoren und Gleichstrommotoren verwendet.
- Drahtlose Konnektivität:
Hochleistungsverstärker spielen eine Schlüsselrolle bei der Übertragung von Mobilfunk- und Funksignalen (FM). Sie ermöglichen eine Erhöhung der Signalstärke, was sich in höheren Datenübertragungsgeschwindigkeiten und einer besseren Verbindungsqualität und -abdeckung niederschlägt. Diese Verstärker werden auch in Satellitenkommunikationsanlagen eingesetzt.
die 5 wichtigsten Parameter bei der Auswahl eines Verstärkers
1. Leistungsabgabe:
Die Ausgangsleistung bestimmt, einfach ausgedrückt, wie laut Sie Musik abspielen können. Je größer die Lautsprecher oder der Raum sind, desto mehr Leistung benötigen Sie in der Regel (zum Unmut der Nachbarn und Hausbesitzer)!).
In der Praxis brauchen Sie jedoch nicht so viel Strom, wie Sie vielleicht denken. Für den normalen Hörgenuss sind 10 Watt schon recht laut, und 100 Watt reichen aus, um auf einer Party "das Dach zu sprengen".
Tipp: Achten Sie auf die Empfindlichkeit der Lautsprecher - sie hat einen großen Einfluss auf die Lautstärke des gesamten Systems.
2. THD+N (Total Harmonic Distortion + Noise):
Die harmonische Gesamtverzerrung plus Rauschen (THD+N) ist ein Indikator dafür, wie stark ein Verstärker das ursprüngliche Audiosignal beeinflusst.
Mehr Verzerrung bedeutet mehr Färbung des Klangs, d.h. eine Abweichung von der Aufnahme. Je niedriger der THD+N-Wert ist, desto mehr ähnelt der Ausgangston der Originalaufnahme.
Den größten Einfluss auf den Klang haben natürlich die Lautsprecher selbst - wählen Sie also solche, die Ihren Hörvorlieben entsprechen.
Tipp: Je niedriger der THD+N-Wert - desto besser.
3. SNR (Signal to Noise Ratio) - Signal-Rausch-Verhältnis:
Stellen Sie sich vor, Sie stehen in einem ruhigen Raum irgendwo auf dem Land, weit weg von der Hektik der Stadt - und schon hören Sie Geräusche, auf die Sie normalerweise nicht achten: das Brummen eines Heizkörpers oder das Geräusch von vorbeifahrenden Autos in der Ferne. Wenn der Fernseher im Haus laut läuft und die Kinder im Zimmer herumrennen, treten diese Geräusche in den Hintergrund - aber sie sind immer noch da.
Der Verstärker funktioniert auf ähnliche Weise - ein geringes Maß an Rauschen wird immer durch sich bewegende Elektronen im Verstärker erzeugt. Das Ziel eines guten Designs ist es, diese Geräusche so unhörbar wie möglich zu machen, damit Sie mehr Musik und weniger Störungen empfangen.
Tipp: Je höher das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), desto besser!
4. Nebensprechen (Kanalnebensprechen)
Links ist links, rechts ist rechts - und das Übersprechen ist ein Maß dafür, wie viel unerwünschtes Signal vom linken Kanal in den rechten Ausgang "sickert". Da die Verstärker in der Regel in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind, müssen sie sich sehr anstrengen, um wie zwei separate Einheiten zu wirken - eine pro Kanal. Auf diese Weise werden die Signale getrennt, und wenn sie bei den Lautsprechern ankommen, kann man den Sänger leicht links von der Bühne stehen und die Geige rechts spielen hören.
Je stärker das Übersprechen ist, desto schwieriger ist es, die Positionen der Instrumente zu bestimmen, da die Stereotrennung gestört ist.
Tipp: Bei Übersprechen - je höher die Zahl nach dem Minuszeichen (z. B. -100 dB ist besser als -60 dB), desto besser ist die Trennung der Stereokanäle.
5. Eingänge/Anschlüsse
Können Sie alles anschließen, was Sie wollen? Vergewissern Sie sich, dass der Verstärker genügend Eingänge für alle Geräte hat, die Sie anschließen möchten. Denken Sie daran, dass verschiedene Anschlusstypen unterschiedliche Verwendungszwecke haben - zum Beispiel eine 3,5-mm-Klinkenbuchse für iPods, einen Phono-Eingang für Plattenspieler und USB für Laptops und Heimkino-Computer. Jede hat ihre Vorteile, und wenn Sie mehrere Optionen zur Auswahl haben, wählen Sie diejenige, die die beste Klangqualität bietet.
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