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HiFi-Lexikon: Verstärker-Klassifizierungen

Class-A, Class-B, Class-AB, Push-Pull (Gegentakt), Übernahmeverzerrung

Für das Verständnis dieses Beitrags ist es hilfreich, sich zuerst ein Bild von der grundlegenden Arbeitsweise eines Transistors und einigen allgemeinen Grundbegriffen zu verschaffen (siehe dazu Transistor, elektrotechnische Grundbegriffe). Obwohl die folgenden Erklärungen ausschließlich auf den Transistor Bezug nehmen, gelten freilich die grundsätzlichen Überlegungen analog für Röhrenverstärker.

Ein HiFi-Verstärker macht grob gesehen nichts anders, als mittels des eingehenden Musiksignals (Eingangssignal) einen größeren Strom bzw. eine größere Spannung zu steuern bzw. zu modulieren. Anschaulich ausgedrückt: Mittels des kleinen eingehenden Musiksignals soll „großer Steckdosenstrom“ (der innerhalb des Verstärkers zudem vorab spannungstransformiert und zu Gleichstrom umgeformt wurde!) derart modifiziert werden, dass dieser nach entsprechender Bearbeitung am Ausgang des Verstärkers die Charakteristika bzw. Informationen des Musiksignals beinhaltet.

Im Folgenden sollen ausschließlich die unterschiedlichen Funktionsweisen von Class-A-, Class-B- und Class-AB-Verstärkung beleuchtet werden. Im Fokus steht dabei allein das Wirken von (bipolaren) Ausgangstransistoren in einem HiFi-Verstärker – weshalb auf die Darstellung von zugehörigen Kondensatoren, Widerständen, etc. bewußt verzichtet wird.

Wie unter Transistor erklärt, eignet sich dieser einerseits zum Schalten, andererseits zum Verstärken von Strömen. Der Verstärkungsbereich ist der Bereich, in dem der Transistor sensibel auf Veränderungen des Steuersignals bzw. des Basisstromes reagiert – diese Änderungen beeinflussen unmittelbar die Leitfähigkeit der Strecke zwischen Kollektor und Emitter.

(Auf die Problematik, dass das Musiksignal auf Wechselspannung basiert und deswegen sowohl die positive, als auch die negative Halbwelle der Musik verstärkt werden müssen, wird später noch genauer eingegangen – die Basis des hier zunächst dargestellten npn-Transistors muss gebenüber dem Emitter nämlich eine positive Polarität besitzen damit der Transistor zwischen Emitter und Kollektor leitet. Diesbezüglich kommt der Wahl des Arbeitspunktes besondere Bedeutung zu.)

npn-transistor-schaubild
Das an der Basis des Transistors anliegende Eingangs- bzw. Steuersignal ist bei einem HiFi-Verstärker also das eingehende Musiksignal. Das Musiksignal wird dadurch in die Lage versetzt, das an der Kollektor-Emitter-Strecke anliegende große „Steckdosensignal“ (nach Spannungstransformation und Umformung zu Gleichstrom) analog zu steuern.

Analog ist hier im besten Sinne des Wortes zu verstehen: Jede noch so kleine Änderung des Musiksignals beeinflusst stufenlos die Leitfähigkeit der Kollektor-Emitter-Strecke (technische Stromflussrichtung beim oben abgebildeten npn-Transistor: vom Kollektor zum Emitter), wodurch das (aufbereitete) Steckdosensignal also eine kontinuierliche Regelung erfährt – und letztlich eine Abbildung des Eingangsignals liefert. Im Idealfall sieht das resultierende Signal genauso aus, wie das am Eingang befindliche – nur das es jetzt stark genug ist, die Lautsprecher anzutreiben.

Das Prinzip lässt sich anschaulich anhand eines Wasserhahnes verdeutlichen: Man stelle sich vor, dass das Musiksignal dessen Bewegung steuert (im Takt der Musik mal mehr, mal weniger „auf“ und „zu“) und dass das durch den Hahn verlaufende Wasser (das Ausgangssignal) aufgrund seiner schwankenden Strömungsstärke (bzw. des schwankenden, sich vor dem Hahn aufbauenden Druckes) die Schwingungen der Musik abbildet.

Zurück zum Transistor: Um das durch Wechselspannung beschriebene, schwankende Musiksignal (siehe zur Veranschaulichung die nachstehende Grafik) in seiner vollständigen Form zu verstärken, bedarf es weiterer Überlegungen. Sinkt nämlich die zwischen Basis und Emitter anliegende Eingangsspannung unter einen gewissen Schwellwert (Silizium-Transistoren haben beispielsweise einen Schwellwert von ca. 0,7 V) oder wird gar negativ (negative Halbwelle des Musiksignals) sperrt der Transistor.

sinus-schwingung
Ein Wasserhahn lässt sich auch nur durch das Drehen in eine Richtung öffnen – Wechselspannung umfasst in diesem Sinn aber immer zwei „Drehrichtungen“. Mit anderen Worten: Ein großer Teil der Musik kann gar nicht verstärkt werden, da der erwähnte Verstärkungsbereich verlassen wird und der Transistor für die Dauer einer Halbwelle (und zusätzlich des Unterschreitens der Schwellspannung) komplett im Sperrbereich verharrt.

Dieses Problem lässt sich mit verschiedenen Schaltungskonzepten lösen. Diese unterscheiden sich durch die unterschiedliche Dimensionierung des Arbeitspunktes der Ausgangstransistoren:

Class-B in Push-Pull-Schaltung (auch Gegentakt-Schaltung genannt)

In dieser Schaltungsweise arbeiten zwei Transistoren. Zu dem oben beschriebenen Transistor (npn-Dotierung) gesellt sich ein weiterer (pnp-Dotierung), der lediglich mit umgekehrten Spannungspolaritäten arbeitet – ansonsten aber die gleichen Parameter aufweist (siehe untenstehendes Bild). Dieser zweite Transistor wird auf seiner Kollektor-Emitter-Strecke genau dann durchlässig (allerdings mit umgekehrter Stromrichtung: der Strom fließt technisch vom Emitter zum Kollektor), wenn an der Basis ein negatives Signal anliegt – somit kann durch diesen zweiten Transistor nun auch die negative Halbwelle verstärkt werden.

pnp-schaltbild
Wir haben es also – um auf das Wasserbeispiel zurückzukommen – mit zwei Wasserhähnen zu tun, von denen einer durch Linksdrehung, der andere durch Rechtsdrehung geöffnet wird.

Für eine Push-Pull-Schaltung gilt also: Das komplette Musiksignal wird in seiner vollständigen Wellenform von zwei Transistoren verstärkt, die sich die Arbeit teilen bzw. sich nur jeweils einer Halbwelle annehmen.

Im Anschluss daran werden beide Halbwellen freilich durch entsprechende Schaltungen wieder zu einer kompletten Welle vereint.

Der Name Push-Pull (drücken-ziehen) resultiert daraus, dass die Transistorenfür jeweils für nur eine Richtung des schwankenden Signals zuständig sind – der eine „drückt“ den Stromfluss sozusagen in die Last, wohingegen der andere den Stromfluss „zieht“.

Der Nachteil eines solchen Class-B-Konzeptes wird aus dem Gesagten aber ebenfalls deutlich, wenn man sich den Übernahmebereich (Grenze von positiver zu negativer Halbwelle) der beiden Transistoren näher anschaut: Es kommt allein schon dadurch zu klangschädlichen Verzerrungen, weil das Musiksignal in jeder Halbwelle erst eine Schwellspannung überschreiten muss, bevor der für die jeweilige Halbwelle zuständige Transistor überhaupt zu leiten beginnt: Zwischen ungefähr -0,7 Volt und +0,7 Volt leitet nämlich keiner der beiden Transistoren.

Allerdings arbeiten Class-B-Schaltungen dafür vergleichsweise energieeffizient : Der Arbeitspunkt ist so gewählt, dass im Ruhezustand (Eingangssignal=0) kein Stromfluss in der Kollektor-Emitter-Strecke herrscht. Aus gleichem Grund eignen sie sich für hohe Verstärkungen – die Transistoren werden quasi nicht schon vor Beginn der eigentlichen Verstärkungsarbeit mit einem zwischen Kollektor und Emitter fließenden Strom belastet. Letzteres ist nämlich bei Class-A der Fall.

Class-A-Verstärkung

class-a-gegentakt
In Class A ist der einzelne Leistungstransistor auf seiner Kollektor-Emitter-Strecke im Gegensatz zu Class-B immer stromführend – auch an seinem Arbeitspunkt. Dies ist der Grund dafür, dass Class-A-Verstärker zum einen merklich warm werden (daher die Kühlrippen im oberen Bereich des Fotos) und zum anderen merklichen Einfluss auf die Stromrechnung nehmen können.

Der Arbeitspunkt der Ausgangstransistoren wird nämlich in die Mitte des linearen Teils der Transistorkennlinie gelegt. Anschaulich ausgedrückt: Die Emitter-Kollektor-Strecke befindet sich auch ohne anliegendes Musiksignal in einem Zustand, der – auf die Leitfähigkeit bezogen – ungefähr in der Mitte zwischen „Sperren“ und „voller Leitfähigkeit“ liegt.

Dies gelingt durch das Anlegen und die entsprechende Justage eines permanent fließenden und vom Musiksignal unabhängigen Basisstroms (Gleichstrom=DC) – resultierend aus einer entsprechend gewählten Vorspannung zwischen Basis und Emitter. Dieses Signal muss größer sein, als die Amplitude des sich ebenfalls an der Basis befindlichen und damit überlagernden Musiksignals.

Durch diesen Trick ist ein Class A-Transistor nun quasi „frei schwingend aufgehängt“. Von seinem mittigen Arbeitspunkt (Ruhepunkt oder Neutralstellung) aus, ist genügend Spiel nach unten (weil die DC-Vorspannung größer als die Amplitude des Musiksignals gewählt wurde), als auch nach oben, so dass nicht nur eine Halbwelle verarbeitet werden kann, sondern das komplette Musiksignal. Class-A ist deswegen auch Vorraussetzung für das sogenannte Single-Ended– Schaltungsdesign.

Class-A kann aber auch im Rahmen von Push-Pull-Schaltungen Verwendung finden. Hier teilen sich – wie oben beschrieben – wiederum zwei Transistoren die Arbeit, indem sie jeweils lediglich eine Halbwelle verarbeiten – allerdings ist der Arbeitspunkt und damit der Übernahmebereich in die Mitte der Kennlinie verlagert, was das Problem der Übernahmeverzerrungen verringert. Der Grund hierfür ist, dass bei einer solch mittigen Positionierung des Übernahmebereichs keine Schwellspannungen mehr überwunden werden müssen – diese treten nur im unteren Bereich der Kennlinie (bei der Überwindung des Sperrbereichs) auf.

Class-A-Verstärker sind dadurch grundsätzlich in der Lage, verzerrungsärmer als ihre Class-B-Kollegen zu spielen. Zudem: Dadurch, dass die Transistoren gleichmäßiger von Strom durchflossen werden, schwankt deren Temperatur weniger – was die Arbeitseigenschaften der Transistoren konstanter hält.

Class-AB in Push-Pull-Schaltung

Diese Variante stellt einen (in der Praxis sehr häufig vorzufindenden) Kompromiss zwischen energieaufwändiger Class-A- und verzerrungsanfälliger Class-B-Technik dar.

Dreh- und Angel punkt ist erneut der Arbeitspunkt: Dieser wird durch eine entsprechende Basis-Emitter-Vorspannung (welche kleiner als im reinen A-Betrieb ist) wiederum so gelegt, dass die Transistoren auch im Ruhezustand stromführend sind – allerdings liegt der so justierte Arbeitspunkt um unteren Bereich der Transistor-Kennlinie. Es fließt also deutlich weniger Ruhestrom, als im Class-A-Betrieb. Dennoch sind im Übernahmebereich keine Schwellspannungen mehr zu überwinden – zumindest bei geringfügigen Leistungsanforderungen: Diesbezüglich arbeitet ein Class-AB-Verstärker wie ein reiner Class-A-Verstärker.

Wird dem Verstärker mehr Leistung abgefordert, wechselt dieser automatisch in die Class-B-Verstärkung – daher benötigt ein Class-AB-Verstärker auch grundsätzlich die oben beschriebene Push-Pull-Anordnung der Transistoren.

Für die Praxis gilt: Die meisten Class-AB-Verstärker sind der Lage, ungefähr nur 5% (15% sind bereits extrem gut) ihrer realisierbaren Ausgangsleistung in Class- A zu fahren.


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