Projekt Eigenentwicklung + -bau Endstufe

[Frankynstone]

Was macht eigentlich der 2N3055 für Probleme? Eigentlich ist der nicht verkehrt, so lange man ihn gut kühlt. Wir haben immer den französischen Vergleichstyp HAN5503 verbaut, der für alle Verstärker-, Regler- und Leistungsschalter-Anwendungen zuverlässig seinen Dienst tat. Wenn dem HAN zu warm wurde, dann schaltete er eben auf Durchgang und sein hochglänzendes Gehäuse bekam Anlassfarben. Ging davon nicht kaputt. Im Keller liegen noch vier Endstufen mit je einem B109D und nebst paar anderen Transen je zwei HÄNen drin. Mit 25W an 4 Ohm auch für leise Boxen gut.

Klar, heute nimmt man aus Faulheit integrierte Darlington im praktischen TO220-Gehäuse oder noch größer und sogar voll isoliert, damit man sich die Glimmerplättchen sparen kann. Die gibt's in toll gematchten Komplementärtypen und Leistungen jenseits der 100 Watt. Aber ist da wirklich noch Fortschritt drin?

[BN]

Original geschrieben von Frankynstone
Was macht eigentlich der 2N3055 für Probleme?

Wenn ich mich richtig erinnere, hat der nur 700kHz Transitfrequenz. Das ist undiskutabel und hat in den 70er Jahren vor allem das Prinzip der Gegenkopplung bei Transistorverstärkern so in Verruf gebracht, daß selbst heute noch einige High-Ender auf gegenkopplungsfreie Verstärker schwören.

Bernhard

[Frankynstone]

Spec	2N 3055 Einheit
Tech	Planar
Ube	7	V
Uce	60	V
Ucb	100	V
Ic	15	A
Uces	1,1	V
Bmin	20	fach
Bmax	70	fach
Ptot	115	W
ft	800	kHz
Geh	TO-3

Über den HAN5503 habe ich nirgends mehr Daten finden können, müsste aber identisch sein.

[Ollie]

Ich bezweifle stark, dass irgendjemand den Unterschied zwischen A-, AB- oder B-Betrieb hoert, wenn der Transistorverstaerker sauber konstruiert ist. Bevor man die 0.01% THD (bzw. IMD) beim Amp hoert, scheppern doch die LS. Bei Roehren sieht das vielleicht anders aus.


Cheers,
Ollie

[Frankynstone]

Haben wir die Klassifizierung überhaupt schon mal komplett aufgeschrieben?

A) Ruhestrom ist so groß, wie der maximale Ausgangsstrom. Kein Transistor wird je gesperrt.
B) kein Ruhestrom, beide Endtransistoren im Ruhezustand gesperrt
AB) Arbeitet bei geringen Aussteuerungen im A-Betrieb und geht bei höherer Aussteuerug in B-Betrieb über. Das kommt dadurch zustande, dass ein geringer Ruhestrom fließt. Allgemein wird er so bemessen, dass die Transistoren aus dem "Knick" ihrer Kennlinie herauskommen. Die Übernahmeverzerrung ist dann selbst ohne Gegenkopplung an einer nichtreaktiven Last und bei niedriger Frequenz auf dem Oszilloskopenschirm nicht mehr auszumachen.

Während Lautsprecher bei niedriger Aussteuerung (Zimmerlautstärke, wenige Milliwatt) nahezu nicht klirren, so liefern gerade da B-Verstärker die größten Verzerrungen, reichlich K3 übrigens, der Klang wird rau und besonders bei hohen Frequenzen unangenehm. Großer Schaltungsaufwand ist nötig, um durch immense open-loop-Verstärkung diesen Nachteil weitgehend zu eliminieren. Schnelle Halbleiter sind obendrein teurer.

A-Verstärker verzerren mangels Übernahmeverzerrung im niedrigen Leistungsbereich nahezu nicht, bei geringstem Schaltungsaufwand. Eintakt A (ein Ausgangstransistor auf Widerstand oder Konstantstromquelle) kämpft bei hoher Leistung wieder verstärkt mit Klirr, bei Gegentakt A heben sich die Kennlinienkrümmungen der Ausgangstransistoren wieder teilweise auf, weshalb im gesamten Leistungsbereich wenig Verzerrungen auftreten.

AB ist ein guter Kompromiss. Ich mach's am Beispiel des LM1875, ein ziemlich guter 20-Watt-Verstärkerschaltkreis.

Wir sehen, dass im Milliwattbereich nahezu keine Verzerrungen vorliegen. In dem Leistungsbereich, wo der "unbeteiligte" Ausgangstransistor gelegentlich mal sperrt, um ein Drittelwatt herum, liegt das Maximum der Verzerrungen vor. Bei hoher Aussteuerung, also jenseits eines Wattes, gibt es sowieso kein Problem bei Gegentakt.

Wenn die, durch die Betriebsspannung vorgegebene, Leistungsgrenze überschritten wird, dann setzt abrupt Clipping ein und zerstört einem die Hochtöner und Ohren gleich mit, dann ist's auch egal.

Klasse D funktioniert ganz anders. Die Ausgangsspannung ist proportional zum Tastverhältnis (Ein-Zeit durch Periodendauer). Verzerrungen entstehen durch Nichtlinearität des Analog-Digital-Wandlers (vorwiegend bei hoher Aussteuerung) und mangelnde Stromlieferfähigkeit der Leistungsschaltstufe (betrifft eigentlich nur den Bereich, bevor eh Clipping eintritt). Verzerrungen sind prinzipbedingt etwas höher, als bei anderen Typen, der Verzerrungsverlauf verhält sich wie bei Klasse A, da die Übernahmeverzerrung keine Rolle spielt (höchstens durch miese OPVs im Wandler oder Vorverstärker).

[Frank S]

Schnelle Schaltung? hohe open-loop-gain?? Rotel???

[Ollie]

Also, ich neige eher zur Definition, die u.a. von Douglas Self (in seinem Buch "Audio Power Amplifier Design Handbook") genannt wird:

Ganz ohne Vorspannung (kein Ruhestrom) ist demnach nicht Class B, sondern Class C, weil jeder Transistor weniger (!) als 180 Grad (Halbwelle) leitet. Bei erhoehter Vorspannung leiten dann beide Transitoren genau eine Halbwelle: Class B.

Grob aus dem Gedaechtnis, was von Selfs sehr interesantem Buch haengengeblieben ist:

Ein weitere Erhoehung zu Class AB fuehrt zu erhoehten (!) THD, weil es zum sog. transconductance (gm-)doubling kommt, da sich in einem kleinen Bereich um den Nullpunkt die Spannungsverstaerkung aendert (beide T tragen ja bei). Dies fuehrt zu Harmonischen hoeherer Ordnung, die die GGK naturgemaess weniger gut im Griff hat als diejenigen niedriger Ordnung. Self befuerwortet also ganz klar Class A vor B weit vor AB - letzteres noch am ehesten, wenn Gegentakt-Class-A "uebersteuert", aber halt nur als Notnagel.

Es ist weiterhin nicht ersichtlich, ob die gemessenen THD alleine aus der stromverstaerkenden Ausgangsstufe (bzw. der Wahl ihres Arbeitspunktes) des Gesamtverstaerkers kommen: wenn sich die Eingangsimpedanz der Ausgangsstufe dynamisch aendert (wie bei Class B z.B.), wird die Spannungsverstaerkungsstufe u.U. Verzerrungen produzieren (daher puffert man diese gelegentlich ab). Offensichtlich ist die Impedanz des Ausgangsstufe von ihrer Betriebsart abhaengig. - Es ist also recht schwer, im Falle eines realen Gesamtverstaerkers gemessene THD alleine der Ausgangsstufe (speziell: ihrem Arbeitspunkt) anzulasten, ohne eine tiefergehende Analyse auch anderer Stufen und Effekte vorzunehmen.

Gegentakt-A-Endstufen verzerren, wie (Gegentakt-)B und AB-Stufen auch, bei hoeheren Pegeln genauso, nur dass im Vergleich zur Eintakt-A-Stufe die geraden Harmonischen geringer ausgepraegt (ideal: ganz weg) sind. Grossignalverzerrungen sind aber m.W.n ungeradzahlige Harmonische (vornehmlich k3), zeigen sich davon also recht unbeeindruckt (man muss schon mehrere Ts parallel schalten, wenn man da etwas drehen will). Weiterhin kommen bei bipolaren Ts noch die Schaltverzerrungen ("Ladungstraegheit") hinzu. Kurz: es gibt ein paar mehr Verzerrungsmechanismen, die nicht oder nur wenig mit der Ausgangsstufe (oder der Einstellung ihres Arbeitspunkts) zu tun haben.

Der Betrieb (A, B, AB, C oder eben D) sollte also nicht Bestandteil der Spezifikation sein - man wird schon sehen, ob man A braucht, um die spec zu treffen! -; es sei denn, man schreibt seinem persoenlichen Weihnachtsmann, dann kann man sich auch Class H wuenschen. (Ich z.B. wuerde nie etwas anderes als A nehmen, wenn ich einen Amp bauen muesste. Aber wuerde ich es hoeren? Nein.)

Es stellt sich sowieso die Frage, ob 0.04% THD+N (8Ohm peak; IMO nicht gerade eine berauschende Zahl) erstens vom LS zugeschuettet werden (ich wette dass ja) und zweitens als solche hoerbar sind (geschweige denn den Hoereindruck dominieren; selbst wenn man die daraus resultierenden IMD mitnimmt). Ich denke naemlich, dass ein handelsueblicher LS auch bei "Zimmerlautstaerke" noch mehr klirrt als ein Amp - von den IMD (auch Doppler usw., also tutto completto ganz abgesehen). Das muesste man mal messen, aber ich hege wenig Hoffnung fuer die LS.

Sollte ich irgendetwas grob falsch verstanden haben, was sehr leicht moeglich ist, bitte ich um Aufklaerung.

Oh, das Osso buco ist fertig.

Cheers,
Ollie

[Frankynstone]

Klasse C hatte ich in meiner Aufzählung ganz vergessen, also wo die Basen der Ausgangstransen einfach zusammengelötet werden und daher keine Basisvorspannung anliegt.

Daraus folgt: Klasse C ist die Katastrophe schlechthin. Ihr Dämpfungsfaktor beruht ausschließlich auf der Gegenkopplung und die Zeit, die vergeht, bis der Spannungsverstärker endlich den jeweiligen Endtransistor aufgefetzt hat ist nicht zu rechtfertigen. Wer seine Küche beschallen will, der klatscht an einen OPV-Ausgang die Basen zweier Leistungstransen (Si-npn versus Ge-pnp) direkt dranne und hat einen C-Amp. LoFi - aber funktioniert.

Einfacher und besser für die Küche: TDA2005 ist ein integrierter Klasse B Stereoverstärker. Auch für aktiv getrennte Bi-Amping-Zweiwegeriche.

Klasse H ist zwei Klasse-egal-was in Brücke, oder? Da kann man viel falsch machen, wenn man will.

TDA2005 geht natürlich auch zu brücken, prima für kleine Car-LoFi-Endstufen oder Zeltplatzparty aus dem Akku.

[web-seb]

So, jetzt haben wir fast alle Klassen durch, jetzt fehlt nur noch Class AA, wie es auf den Technics draufsteht. Oder ist das nur eine Marketing-Erfindung?

[Frank S]

Die Dämpfung beruht auf der Stromverstärkung der Ausgangsstufe. Kollektorschaltung gegen Emitterschaltung, Art der Transistoren, Darlington usw.

Jeder Verstärker erreicht Dämpfung >10 nur über die GGK. Er arbeitet dann praktisch als Proportional-Regler. Je höher die Open-Loop-Verstärkung, desto besser funktioniert das Konzept.

Die Halbleiter sind so schnell, daß auch ohne Ruhestrom guter Klang möglich ist.

Clas AA war Marketing, bezog sich auf Nachführung des Arbeitspunktes (Computer Drive A) und diverse Pfuschereien im Hybrid am Ausgang.

Bei Class H besteht das Problem der Nahtlosen Umschaltung der Betriebsspannung. Dabei darf am Umschaltpunkt keine Nichtlinearität an der Ausgangsspannung auftreten.

[Frankynstone]

AA --> Brustumfang = Unterbrustumfang
H+ --> Alpenmilchkuh

[Ollie]

Wer seine Küche beschallen will, der klatscht an einen OPV-Ausgang (...)

Uaah, ich hatte im ersten Durchgang (noch ohne Kaffee) gelesen "... der klatscht in die Haende...", und fand es schon sehr witzig...

Wiederum Self hat in besagtem Buch eine Class-H-Stufe (A+C) vorgestellt, d.h. die innere Stufe laeuft im A-Betrieb. Sieht sehr gut aus, das.

Cheers,
Ollie

[Frankynstone]

Meinste sowas:


Obacht, das Bild und den folgenden Artikel habe ich ohne nachzudenken von einer Website kopiert, die nicht mehr existiert.

140 A + B-Verstärker

Klasse A mit Klasse-B-Wirkungsgrad

Klasse-A-Verstärker sind in zweifacher Hinsicht bemerkenswert: Geringster KLirrfaktor und höchste Verlustleistung. Ein leistungsstarker Klasse-A-Verstärker sorgt an kalten Wintertagen für angenehme Temperaturen in der Hi-Fi-Ecke. Ansonsten ist die hohe Wärmeentwicklung eher hinderlich für das Wohlbefinden der Bauteile. Im Laufe der Jahre hat es daher unzählige Versuche gegeben, dem A-Verstäxker das Heizen abzugewöhnen, ohne ihn gleichzeitig des niedrigen Klirrfaktors zu berauben. Eine effektive Methode fanden Ingenieure des japanischen Herstelleffi Matsushita, die einen 350-W-Klasse-A-Verstärker ohne Wärmeprobleme entwickelten. Der hier beschriebene Verstärker arbeitet nach dem gleichen Prinzip, allerdings ist die Leistung etwas kleiner, um die Schaltung einfach und nachbaubar zu gestalten.

Im Schaltbild erkennt man links einen ziemlich normal aussehenden Verstärker mit einem TDA 1034 als Eingangsstufe. Die Endstufe T 1.. . T4 ist tatsächlich in Klasse A eingestellt. Bei einer Betriebsspannung von 5 V ist das auch ganz problemlos, nur ist die Leistung nicht einmal für Kopfhörer ausreichend. Deshalb ist der Mittelpunkt der symmetrischen + 5-V-Versorgung mit dem Ausgang eines zweiten, einfachen Endverstärkers verbunden, der aus 102 und T5. . . T8 besteht. Diese Endstufe ist in Klasse B eingestellt, bekommt das gleiche Eingangssignal wie der A-Verstärker, wird aber mit einer höheren Versorgungsspannung von ±18 V gespeist. Die Spannungsverstärkung des B-Verstärkers entspricht derjenigen der A-Stufe. Der Lautsprecher liegt zwischen dem Ausgang der A-Stufe und dem Mittelpunkt der ± 18-V-Versor-gung. Wie funktioniert das Ganze nun?

Beide Verstärker erhalten das gleiche Eingangssignal, werden also beispielsweise gleichzeitig aufgesteuert. Das bedeutet, daß der zweite (der B-) Verstärker die Versorgungsspannung des ersten (A-) Verstärkers über den Mittelpunkt der ± 5-V-Ver-sorgung erhöht. Im Klartext: Der B-Verstärker liefert dem A-Verstärker eine variable Versorgungsspannung, die, dem Verlauf des Eingangssignals folgend, den A-Verstärker in die Lage versetzt, die gewünschte (hohe) Ausgangsleistung an den Lautsprecher zu liefern.

Während der positiven Halbwelle des Eingangssignals liegt am Kollektor von T3 die verstärkte positive Eingangsspannung zuzüglich + 5 V, während der negativen Halb-welle liegt am Kollektor von T4 die verstärkte negative Eingangsspannung zuzüglich —5 V. Der Verstärker arbeitet zweifellos in Klasse-A-Einstellung. Da aber die Versorgungsspannung des A-Verstärkers mit dem Eingangssignal variiert, entspricht die Verlustleistung der A-Stufe der eines Klasse-B-Verstärkers gleicher Leistung.

Voraussetzung ist bei dieser Methode, daß sich das verstärkende Element der A-Stufe (101) bis zur Versorgungsspannung aus-steuern läßt. Deshalb wird 101 auch mit ±18 V betrieben. Außerdem muß die ± 5-V-Versorgung einen Strom in der Höhe des durch den Lautsprecher fließenden Spitzenstroms liefern können. Die hier gezeigte Schaltung hat eine Ausgangsleistung von rund 15 W an 8 Ohm (in Klasse A natürlich!). Beim Nachbau ist besonders darauf zu achten, daß die beiden Netzteile völlig voneinander unabhängig sind. Am besten zwei getrennte Netztransformatoren verwenden. Nur der Mittelpunkt der + 18-V-Versorgung stellt bei diesem Verstärker den "Massepunkt" für Schaltung und Lautsprecher dar.

[Ollie]

Jetzt habe ich mich verhaspelt. Das, was ich meine, ist Class-G. Ich hatte es irrtuemlich Class-H genannt, weil ich Hitachi im Hinterkopf hatte, meinte aber eigentlich etwas anderes als diesen "elektrischen Flaschenzug"

Bei Class-G werden zwei Ausgangsstufen "ineinander" geschoben, d.h. es gibt zwei positive und und zwei negative Spannungen (z.B. ±10 und ±50V). Wenn das Signal ueber ±10V auslenkt, uebernimmt der "aussere" (Class-C-)Verstaerker, ansonsten liefert der "innere" (Class-B) das Signal. Es muss, wie Frank bereits schrieb, hin- und hergeschaltet werden, was sich in spikes auessert.

Selfs Konzept ist nun Class-A (innen) und C (aussen). Die THD bleiben trotz der spikes (die es natuerlich nur gibt, wenn der Leistungsbedarf besteht) unterhalb denen einer aequivalenten Class-AB-Stufe bei gleicher oder besserer Effizienz. (Wenn das nicht so waere, wuerde man sonst ja die Gegentakt-A-Stufe bei grossen Auslenkungen einfach in AB uebergehen lassen koennen.)

Kuckstu hier (innerer Amp aber Class-B):

http://www.signaltransfer.freeuk.com/classg.htm


Cheers,
Ollie

[18TBX46]

Hi!

Ich war eigentlich der Meinung, dass Klasse H zwischen zwei
oder mehreren Betriebsspannungen umschaltet, und bei Klasse
G die Betriebsspannung kontinuierlich (linear oder getaktet)
nachgefürt wird.

Klasse C wird m.E. im HF-Bereich für Sendeendstufen eingesetzt.
Der Transistor arbeitet im Schaltbetrieb und führt einem
Schwingkreis periodisch Energie zu.

Wenn ich falsch liege, bitte ich um Aufklärung.

Gruß, MK