Grundlagen der Endstufen: Funktionen, Klassen & Technik

Was ist die Funktion einer Endstufe?

Die Funktion einer Endstufe besteht darin, ein Eingangssignal zu verstärken. Sie wandelt ein Signal von wenigen hundert Millivolt aus dem Vorverstärker in ein Signal mit einer Leistung von einigen Dutzend Watt um, damit die Membran des Lautsprechers vibrieren kann.

Der Lautstärkeregler und die Treiberstufe

Definieren Sie den Lautstärkeregler: Der Lautstärkeregler steuert die Leistung oder die Lautstärke, die für den Lautsprecher entwickelt wird.

Was ist die erregende Bühne (Treiberstufe): Diese Stufe ist eine zweite Stufe zur Spannungsverstärkung nach dem Vorverstärker. Ihre Hauptrolle besteht darin, das Signal für die Ausgabe auf ein angemessenes Maß an Spannung und Strom anzuheben, um die Endstufe effektiv anzusteuern (zu erregen).

Die Rückkopplungsschleife (Feedback)

Was ist die Feedback-Schleife: Die Rückkopplung ist für die Erfassung eines Teils des Ausgangssignals verantwortlich. Durch die Rückführung zum Vorverstärker oder zur Vorstufe wird ein großer Einfluss auf die Minimierung von Verzerrungen erreicht und die Linearität des Verstärkers verbessert.

Schutzschaltungen für Ausgangstransistoren

Circuit-Schutzfunktion der finalen Ausgabe-Transistoren: Die Schutzschaltung der Endstufentransistoren begrenzt den Kurzschlussstrom auf einen niedrigeren Wert als den maximal zulässigen Strom der Transistoren. Dies verhindert deren Zerstörung und schützt zudem die Lautsprecher vor nachteiligen Situationen.

Merkmale und Nachteile der Klasse-A-Verstärker

Wichtigste Merkmale: Diese Verstärker behalten eine konstante Polarisation (Ruhestrom) bei, wodurch sie stets im linearen Bereich ihrer Kennlinie arbeiten.

Nachteile der Klasse-A-Verstärker:

• Sie haben einen konstanten Stromverbrauch.
• Sie liefern eine konstante Leistung, um die Polarisation der Transistoren zu halten.
• Die Bias-Spannungen machen diese Art von Verstärkern ineffizient.

Merkmale und Nachteile der Klasse-B-Verstärker

Erläuterung: Klasse-B-Verstärker zeichnen sich dadurch aus, dass kein Strom durch die Ausgangstransistoren fließt, solange kein Audiosignal am Eingang anliegt. Erst das Eingangssignal selbst polarisiert den Transistor, damit dieser leitet und den Lautsprecher ansteuern (wecken) kann.

Nachteile der Klasse-B-Verstärker: Diese Verstärker haben Probleme bei schwachen Eingangssignalen, da die Transistoren in diesem Bereich im nicht-linearen, gekrümmten Teil in der Nähe des Knicks (Ellenbogens) der Kennlinie arbeiten. Dadurch ist das Ausgangssignal kein getreues Abbild des Eingangssignals, was zu Verzerrungen führt.

Der Klasse-AB-Verstärker im Detail

In einem Klasse-AB-Verstärker fließt der Ausgangsstrom während mehr als der Hälfte, aber weniger als der gesamten Periode des Eingangssignals. Der Arbeitspunkt der Transistoren liegt oberhalb des Knicks (Ellenbogens) der nicht-linearen Kennlinie. Das bedeutet, dass die Transistorbasis mit einem relativ niedrigen, konstanten Ruhestrom beaufschlagt wird. So kann nicht nur eine Halbwelle des Eingangssignals verstärkt werden, sondern auch ein Teil der anderen. Die Klasse AB wird von den meisten Herstellern bevorzugt, da sie keine Crossover-Verzerrungen (Übernahmeverzerrungen) aufweist.

Wichtige Leistungsfaktoren der Endstufe

Folgende Faktoren sind an der Endstufe beteiligt:

• Wirkungsgrad (Rendite): Misst die Effizienz einer Endstufe.
• Abgegebene Leistung: Die Leistung, die an der Last abgegeben wird, berechnet sich durch den Ausdruck: P_ac = V_eff² / R_L, wobei V_eff die effektive Spannung (Stress) und R_L der Lastwiderstand in Ohm ist.
• Maximale Verlustleistung: Diese wird erreicht, wenn das an die Last angelegte Signal maximiert wird, ohne dass Verzerrungen auftreten.

Gründe für hohe Leistung: Endstufen sollten einen hohen Wirkungsgrad besitzen, da eine schlechte Effizienz zu hohen Verlusten führt. Ein großer Teil der von der Stromversorgung aufgenommenen Energie wird sonst nicht an die Last abgegeben, sondern in den aktiven Bauelementen und Widerständen der Schaltung als Wärme verschwendet.

Typische Konfigurationen der Ausgangsstufen

Typische Konfigurationen in Endstufen sind der Darlington-Verstärker, der Push-Pull-Verstärker (Gegentakt) oder Booster-Schaltungen.

Der Darlington-Verstärker

Der Darlington-Verstärker besteht aus zwei Transistoren in Emitterfolger-Konfiguration (direkt gekoppelte Kollektorschaltung). Er zeichnet sich durch eine sehr hohe Stromverstärkung, eine hohe Eingangsimpedanz, eine niedrige Ausgangsimpedanz und eine Spannungsverstärkung nahe eins (Einheit) aus.

Push-Pull-Verstärker (Komplementär-Symmetrie)

Der Verstärker in Push-Pull- oder komplementärer Symmetrie arbeitet oft in der Klasse AB, um Crossover-Verzerrungen zu vermeiden. Jeder Transistor verstärkt dabei eine Halbwelle des Eingangssignals. Der Arbeitspunkt liegt nahe dem Sperrbereich (Cutoff-Region/vor Gericht), sodass der Transistor nur bei der entsprechenden Halbwelle in den aktiven Bereich gelangt. Um ein vollständiges Ausgangssignal zu erhalten, werden zwei komplementäre Transistoren verwendet, die jeweils eine Halbwelle des Eingangssignals ergänzen.