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3. Schaltungskonzepte

Elektronik > Verstärker

Arten von Verstärkern

Abgesehen von dem Stereo bzw. Mehrkanaleinsatz gibt es weitere Möglichkeiten Verstärker zu klassifizieren.Die üblichen Kategorien sind

  • Röhrenverstärker

  • Transistorverstärker

  • Digitalverstärker (basieren auf Transistortechnik)


Röhrenverstärker

Röhren gelten in den meisten technischen Bereichen als veraltete Vorgänger der später entwickelten Transistoren. Die Hauptanwendungsbereiche für Röhren liegen im 21 Jahrhundert hauptsächlich bei Sendeanlagen welche mit Hochfrequenz arbeiten und bei Hifi-Verstärkern.

Eine Röhre ist ein Glaskolben, meist mehrere Zentimeter Hoch. In dieser Röhre befindet sich eine Anode, welche Elektronen aussendet, ein Gitter in der Mitte kann je nach Ladung den Elektronenfluss behindern oder durchlassen. Dieser kommt dann anschleißend zu einer Kathode, welche diesen Elektronenfluss auffängt. Das Eingangssignal welches an dem steuernden Gitter liegt, reguliert die Stärke dieses Flusses, der Fluss wird so zu einer stärkeren “Kopie” des Eingangssignals. Das ist der eigentliche Verstärkungsvorgang.


Abbildung 1: Röhren auf einem Verstärker der Firma Audio Research


Der Nachteil: Röhren sind teuer, groß, können im Vergleich zu Transistoren keine großen Leistungen/Ströme bereitstellen, werden sehr heiß, haben einen vergleichsweise hohen Klirrfaktor, und halten auch nicht so lang wie Transistoren. Desweiteren können die wenigsten Röhrenverstärkerschaltungen direkt an niederohmigen Lasten arbeiten. Da die meisten Boxen 4 bis 8 Ohm haben, braucht ein Röhrenverstärker Ausgangsübertrager, um diese Lasten ansteuern zu können.

Viele eher technisch orientierte Hifiasten betrachten Röhrenverstärker eher als ein nostalgisches Relikt aus vergangenen Jahrzehnten - Ähnlich wie eine handgefertigte mechanische Uhr deutlich teurer und gleichzeitig ungenauer ist ale eine billige Funkuhr. Gerade in Zeiten von Billigproduktion in Fernost und Hochintegrierten Schaltungen welche die wenigsten in ihrer Funktionsweise begreifen ist ein Röhrenverstärker etwas woran man sich "festhalten" kann. Wenig überraschend ist es inzwischen üblich, die Röhren der meisten Verstärker gut sichtbar ausserhalb des Gehäuses zu positionieren. Die Röhren werden im Betrieb recht warm, der Kleinkinder hat sollte den meist mitgelieferten Berührschutz aufsetzen.

Betrachtet man die reinen Kennwerte üblicher Verstärker wie Ausgangsleistung oder Klirrverhalten kann ein modernen Transistorverstärker klar als besser eingeordnet werden als Röhrenverstärker. Röhrenverstärker, welche ähnliche Übertragungseigenschaften haben wie gute Transistorverstärker sind meist extrem hochpreisig.

Vielen Röhrenverstärkern wird ein gewisses Maß an Charakter zugestanden. Das zeigt sich messtechnisch oft durch ein hohes Verzerrungsspektrum und durch einen schlechten Dämpfungsfaktor. Das harmonische Röhren-Verzerrungsspektrum hat einen gänzlich anderen Aufbau als beidisharmonischen Transistorverstärkern und wird nicht als schrill sondern als "warm" und satt empfunden, ähnliche Verzerrungsspektren kennt man von guten Gitarrenverstärkern.

Viele Röhrenschaltungen sind auf Ausgangsübertrager angewiesen um Lautspecher ansteuern zu können. Ausgangsübertager besitzen meist einen recht hohen Ausgangswiderstand, entsprechend schlecht ist der Dämpfungsfaktor. Resonanzen des Tieftöners können nicht richtig bedämpft werden was zu einer Aufdickung des Grundtons und einen "warmen, dunklen" Klang führt. Der Eigenklang von Röhrenverstärkern ist oft deutlich stärker durch die Ausgangsübertrager als durch die harmonischen Verzerrungen geprägt.

Wer sich für Röhrenverstärker interessiert, sollte sich einige Modelle anhören. Der spezielle Klang ist technisch belegbar und wird von einigen Personen als angenehm empfunden. Die Firma McIntosh bieten einige Transistorverstärker mit Ausgangsübertragern an. Falls man den üblichen Röhrensound mit Transistorgeräten erzeugen möchte, ist das möglicherweise eine Alternative.


Abbildung 2: Röhrenverstärker von Pathos



Transistorverstärker


Der Begriff Transistor ist die Kurzform von tran
sfer resistor. Die Bauteile sind abgesehen von evtl. benötigten Kühlern verblüffend klein und basieren auf Halbleitertechnik. Zwischen verschieden mit Ladungsträgern angereicherten (dotierten) Gebieten treten Grenzschichten auf. Diese Ladungsträgerungleichgewicht an der Grenzschicht wird durch einen Steuerstrom (Bipolartransistor) oder eine Steuerspannung (MOSFET) beeinflusst und macht diese Grenzschicht entweder durchlässig oder undurchlässig.

Die Funktionsweise von Transistoren kann man sich als regelbaren Widerstand vorstellen. Der Transistor wird vor den anzusteuernden Lautsprechern geschaltet und bekommt eine Gleichspannung zur Versorgung. Je nach Steuersignal wird der Transistor leitfähig oder auch nicht, lässt den Strom damit zum Lautsprecher durch oder eben nicht.

Damit die Sperrschicht sich in einer Form aufbaut, damit sie sauber durch ein Steuersignal eingestellt werden kann, braucht der Transistor einen kleinen Versorungsspannung. Wird der Transistor in seinem kompletten Arbeitsbereich betrieben, wäre das Bauteil extrem nichtlinear. Durch eine sogenannte Arbeitspunkteinstellung kann der Transistor in seinem linearen Bereich betrieben werden.

Durch die Arbeitspunkteinstellung wird der Transistor zu einem Widerstand mit einer gewissen Durchlässigkeit. Wird der Arbeitspunkt z.B. an den Anfang der Kennlinie gestellt sperrt der Transistor - und erzeugt keine Verlustleistung. Die nächste Variante wäre es den Transistor voll durchusteuern, er wäre jetzt das Gegenstück zu einem gut leitenden Kupferdraht und würde ebenfalls keine Verlustleistung erzeugen. Wird der Arbeitspunkt in den linearen Teil der Kennlinie gelegt ist der Transistor ein Widerstand welcher eine hohe Verlustleistung erzeugt.


Es gibt unterschiedliche Philosophien wie z.B. die Class A oder die Class AB Schaltung.  


Class A
: Der Arbeitspunkt liegt in der Mitte des linearen Teils der Transistor Kennlinie. Wie auf dem Bild mit dem Koordinatensystem sieht, muss bei Class A die komplette Kurve in dem linearen Teil der Transistorkennlinie untergebracht werden, besonders große Kurven passen hier nicht hinein. Die “Größe” dieser Kurve ist der Grund für die meist kleinere Leistungsfähigkeit von Class A Verstärkern.

Der einfachste Fall für eine Class A Schaltung ist eine Eintakt Endstufe. Ein Transistor verstärkt das Signal komplett - zwangsläufig Class A. Bei einem Class A Verstärker ist immer ein Ruhestrom messbar.

  • Der unterste Punkt der negativen Halbwelle hat fast Massepotential

  • Der Nulldurchgang des Eingangssignals benötigt einen recht hohen Strom

  • Die positive Halbwelle benötigt einen noch höheren Strom


Vorteile: Geringer Klirrfaktor wegen fehlenden Übernahmeverzerrungen (ein Vorteil welcher in der Praxis nur sehr selten überhaupt hörbar ist), teilweise ein überschaubares Schaltungskonzept.
Nachteile: Keine großen Leistungsreserven, der Verstärker wird wegen den Ruheströmen sehr heiß, Single Ended Röhrenschaltungen die generell etwas schwachbrüstig sind leiden besonders unter den Einbußen,  die Röhren arbeiten mit hoher Dauerlast, die Übertrager sind stark vormagnetisiert und schreien förmlich nach einen Luftspalt welcher den AL Wert reduziert - und damit die Basswiedergabe. Ein entsprechend dimensionierter Übertrager wäre natürlich sinnvoller - und teurer. Der exorbitante Stromverbrauch von Class A Schaltungen spricht starkl gegen einen Ausstieg aus der Kernenergie.

Class B: der Arbeitspunkt liegt im unteren Drittel der Kennlinie. Bei einem Gegentaktverstärker wird das Eingangssignal in positive und negative Signalteile zerlegt, bevor das Signal in die eingezeichnete Schaltung kommt, und von den beiden Transistoren vereinzelt verstärkt wird. Da die Verstärker jeweils die andere Hälfte des Signals verstärkt (Gegentakt, daher also der Name), müssen hier natürlich auch gegensätzliche Transistoren verbaut werden. Also ein PNP und ein NPN, falls dem Leser das etwas sagt. Bei Class B sperrt ein Transistor immer voll. Nach dem Verstärken durch die Transistoren wird das Signal wieder zusammengesetzt.

Zur Beschreibung des Funktionsprizips wird auch der Ausdruck der Push-Pull Schaltung verwendet. Ein Transistor ist jeweils für die positive, ein Transistor für die negative Halbwelle zuständig. Die Vorzeichen der positiven bzw. negativen Halbwelle kann man sich als "drücken" bzw. "ziehen" des Stroms vorstellen.

Der Vorteil: Es muss nur noch eine Halbwelle in den nutzbaren Kennlinienbereich "gequetscht" werden: Daraus resultieren höhere Leistungen. Des Weiteren liegt der Nulldurchgang quasi auf Masse, daher braucht man einen niedrigeren Ruhestrom, das Geräte wird nicht so warm.

Nachteil des Konzepts
: Die Fehler beim Zusammensetzen der beiden Halbwellen. Diese werden “Übernahmeverzerrungen” genannt.

Class AB:
Vermutlich wenig verwunderlich: Eine Mischung aus Class A und Class B. Klappt ebenfalls nur mit einer Gegentaktendstufe. Beide Transistoren arbeiten bei kleinen Amplituden in der Nähe des Nulldurchgang des Signals, daher sinken die Übernahmeverzerrungen. Je weiter man vom Nullpunkt entfernt arbeitet, desto stärker erinnert der Betrieb an Class B. Der Ruhestrom ist viel kleiner als bei Class A.

Eigentlich ist diese Variante mehr oder weniger Standart. Die Übernahmeverzerrungen sind bei sinnvoller Schaltungsauslegung nicht hörbar, der Verstärker hat hohe Leistungsreserven, wird nicht so heiß wie Class A,... lange Zeit war der Class AB Verstärker das Optimum. Inzwischen gibt es jedoch die ersten Digitalverstärker.

Class D bzw. Digitalverstärker

Digitalverstärker sind in den meisten technischen Gebieten zur Leistungsverteilung und Ansteuerung Standard. Egal ob es um die Ansteuerung von Sitzheitzungen in Autos oder um die Reglung von Präzisions-Stellantrieben geht. Bei der professionellen Beschallung von großen Konzerthallen sind Digitalverstärker ebenfalls etabliert, im privaten Sektor ist die Verbreitung noch recht zögerlich.


Digitalverstärker basieren auf der sogenannten Puls-Weiten-Modulation. Der Transistor wird als reiner Leistungsschalter betrieben. Entweder er sperrt (kein Strom) oder er leitet wie ein Stück Kupferdraht (es liegt keine Spannung über dem Transistor an). In jedem dieser Fälle ist die Verlustleistung des Transistors gemäß der Gleichung




zwangsläufig Null. Der Leistungsschalter schaltet sehr schnell, deutlich über den 20Kiloherz die für den Menschen hörbar sind. Das Signal wird durch einen Tiefpass geschickt und entspricht dann dem gewünschten Ausgangssignal. Siehe dazu Abbildung 2.


Abbildung 2: Prinzip der Pulsweitenmodulation


Class D Verstärker haben auch Nachteile. Zunächst sind die Anforderungen an die Transistoren extrem hoch, was die moderne Halbleitertechnik jedoch zunehmend gut im Griff hat. Zudem sind große Ströme und Spannunge welche schnell geschaltet werden aus Sicht der EMV Problematisch. Ein gutes Schirmkonzept ist für den Verstärker zwangsläufig nötig, damit er nicht als Störsender wirkt. Damit ein Elektrogerät in Deutschland verkauft werden darf müssen EMV Richtlinien erfüllt sein, der Erwerb eines Digitalverstärkers ist daher unbedenklich.

Ein weiterer Nachteil der Class D Technologie liegt in den Ausgangsfiltern begründet. Durch deren Widerstand verschlechtert sich der Dämpfungsfaktor im Vergleich zu analogen Schaltungskonzepten. Ältere Digitalverstärker hatten unter Umständen klangliche Nachteile, inzwischen gibt es jedoch sehr gut umgesetzte Geräte.

Die Vorteile der Digitalverstärkung: Wärend klassische analoge Class AB Schaltungskonzepte einen Wirkungsgrad von oft weniger als 50 haben - Class A Verstärker liegen teilweise unter 10 Prozent - liegt der Wirkungsgrad von Class D Digitalverstärkern meist bei über 90 Prozent. Die Kühlung der Transistoren kann sehr spartanisch ausgeführt werden, Class D Verstärker mit mehr als 1000 Watt Leistung können weniger als 5 Kilogram wiegen.

Viele Aktivlautsprecher werden im Bassbereich mit Class D Endstufen ausgerüstet, gerade durch die Aktiventzerrung werden die hohen Leistungen an dieser Stelle am stärksten benötigt. Im Mittelhochton werden die meist feinauflösenderen traditionellen Analogverstärker verwendet. In den nächsten Jahren werden sich Digitalverstärker hoffentlich weiterentwickeln und sich auch als Vollbereichsverstärker als Standard etablieren.


Gegenkopplung

Gegenkopplung ist ein beliebter Trick aus der Regelungstechnik. Man überprüft nach dem Verstärken das Signal, und, korrigiert anschließend das Eingangssignal vor dem Verstärker. Der Vorteil für Audio Schaltungen: der Dämpfungsfaktor wird erhöht und gleichzeitig wird der Klirrfaktor gesenkt. Bedeutet: Der Verstärker kann die Rückstellkraft der Basslautsprecher besser managen, im Signal gibt es weniger Fremdanteile. Beides ist gwünscht.

Natürlich ist die Rückkopplung auch frequenzabhängig, bei hohen Frequenzen also schwieriger umzusetzen. Hier kann es Probleme mit Aufschwingen geben. Wobei das, was ein Regelungstechniker unter “hohen Frequenzen” versteht, beim aktuellen Stand der Technik auch für Fledermäuse rapide an Bedeutung verliert. Die Gegenkopplung ist in der Werbung ein heißes Thema. Einige Röhrenverstärkerhersteller verzichten bewusst darauf, um die Geräte noch “röhriger” klingen zu lassen. Harmonischer Röhrenklirr und niedrige Dämpfung werden hier als gut bewertet.

Die meisten Hersteller im Transistorbereich versuchen dagegen mit möglichst viel Gegenkopplung den Dämpfungsfaktor auf Rekordwerte hochzupuschen. Liegt eine Passivweiche zwischen Verstärker und Chassis kann der Sinn solcher Rekorde angezweifelt werden. Weitere Informationen zum Dämpfungsfaktor sind im Kapitel
Lautsprecher->Frequenzweichen.

 
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