From ee5202ccd29d07101cdd25f26fa195a9429624e1 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: Matthias Jung Date: Sun, 2 Aug 2026 16:10:31 +0200 Subject: [PATCH] =?UTF-8?q?refactor:=20verst=C3=A4rkerklassen?= MIME-Version: 1.0 Content-Type: text/plain; charset=UTF-8 Content-Transfer-Encoding: 8bit --- contents/drawings/1085.svg | 103 ++++++++++++++++ contents/drawings/1085.tex | 21 ++++ contents/drawings/1085.txt | 1 + contents/drawings/1086.svg | 62 ++++++++++ contents/drawings/1086.tex | 41 +++++++ contents/drawings/1086.txt | 1 + contents/drawings/1087.svg | 63 ++++++++++ contents/drawings/1087.tex | 51 ++++++++ contents/drawings/1087.txt | 1 + contents/drawings/1088.svg | 70 +++++++++++ contents/drawings/1088.tex | 52 +++++++++ contents/drawings/1088.txt | 1 + contents/drawings/1089.svg | 51 ++++++++ contents/drawings/1089.tex | 43 +++++++ contents/drawings/1089.txt | 1 + contents/drawings/1090.svg | 51 ++++++++ contents/drawings/1090.tex | 43 +++++++ contents/drawings/1090.txt | 1 + contents/drawings/1091.svg | 96 +++++++++++++++ contents/drawings/1091.tex | 51 ++++++++ contents/drawings/1091.txt | 1 + contents/sections/verstaerker_klasse.md | 149 ++++++++++++++++-------- 22 files changed, 905 insertions(+), 49 deletions(-) create mode 100644 contents/drawings/1085.svg create mode 100644 contents/drawings/1085.tex create mode 100644 contents/drawings/1085.txt create mode 100644 contents/drawings/1086.svg create mode 100644 contents/drawings/1086.tex create mode 100644 contents/drawings/1086.txt create mode 100644 contents/drawings/1087.svg create mode 100644 contents/drawings/1087.tex create mode 100644 contents/drawings/1087.txt create mode 100644 contents/drawings/1088.svg create mode 100644 contents/drawings/1088.tex create mode 100644 contents/drawings/1088.txt create mode 100644 contents/drawings/1089.svg create mode 100644 contents/drawings/1089.tex create mode 100644 contents/drawings/1089.txt create mode 100644 contents/drawings/1090.svg create mode 100644 contents/drawings/1090.tex create mode 100644 contents/drawings/1090.txt create mode 100644 contents/drawings/1091.svg create mode 100644 contents/drawings/1091.tex create mode 100644 contents/drawings/1091.txt diff --git a/contents/drawings/1085.svg b/contents/drawings/1085.svg new file mode 100644 index 0000000..3405e1a --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1085.svg @@ -0,0 +1,103 @@ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + diff --git a/contents/drawings/1085.tex b/contents/drawings/1085.tex new file mode 100644 index 0000000..fd977f2 --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1085.tex @@ -0,0 +1,21 @@ +% Author: Stephan Kregel, DG1HXJ, Prof. Dr. Matthias Jung DL9MJ +% Year: 2021, 2026 +\begin{circuitikz}[european] + \path(-2,0) -- (0,0); + \draw[-Triangle](0.0,0.0) -- (3.0,0.0); + \path(3,0) -- (5,0); + \draw[-Triangle](0.0,0.0) -- (0.0,5.0); + \draw(3,0.40) node[] () {$U_\mathrm{BE}$}; + \draw(-0.35,5) node[] () {$I_\mathrm{C}$}; + \draw(0,0) + node[ocirc]{} [thick, DARCred]{} (0,0) -- ++(1,0) + node[ocirc]{} [thick, DARCred]{} -- ++(0.2,1) + node[ocirc]{} [thick, DARCred]{} -- ++(0.2,1) + node[ocirc]{} [thick, DARCred]{} -- ++(0.4,2) ; + \draw[DARCred](0,0) node[anchor=north] () {C}; + \draw[DARCred](1,0) node[anchor=north] () {B}; + \draw[DARCred](1.2,1) node[anchor=west] () {A/B}; + \draw[DARCred](1.4,2) node[anchor=west] () {A}; + \draw [thick, DARCred] (1.7,3.8) -- ++(0.125,0); + \draw(1.825,3.8) node[anchor=west] () {$I_{\mathrm{C}_\mathrm{max}}$}; +\end{circuitikz} diff --git a/contents/drawings/1085.txt b/contents/drawings/1085.txt new file mode 100644 index 0000000..30404ce --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1085.txt @@ -0,0 +1 @@ +TODO \ No newline at end of file diff --git a/contents/drawings/1086.svg b/contents/drawings/1086.svg new file mode 100644 index 0000000..222ceb6 --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1086.svg @@ -0,0 +1,62 @@ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + diff --git a/contents/drawings/1086.tex b/contents/drawings/1086.tex new file mode 100644 index 0000000..55862e2 --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1086.tex @@ -0,0 +1,41 @@ +% Author: Prof. Dr. Matthias Jung, DL9MJ +% Year: 2025 +\begin{tikzpicture} + \begin{axis}[% + /pgf/number format/1000 sep={ }, + /pgf/number format/use comma, + axis lines=middle, + axis line style={-Triangle}, + ytick={}, + every major tick/.append style={thick, black}, + yticklabels={}, + grid=major, + grid style={line width=.1pt, draw=gray!10}, + major grid style={line width=.2pt,draw=gray!50}, + xticklabel=\empty, + xtick style={draw=none}, + xmin=0, + xmax=6.28318, + ymin=-1.5, + ymax=1.5, + xmajorgrids=false, + xlabel style={at={(ticklabel* cs:1)},anchor=south east}, + ylabel style={at={(ticklabel* cs:1)},anchor=north east}, + ylabel={$U_\mathrm{BE}$}, + xlabel={$t$}, + width=\linewidth*\getDarcImageFactor, + height=0.5*\linewidth*\getDarcImageFactor, + scale only axis, + ] + + \addplot[ + DARCred, + very thick, + samples=200, + domain=0:6.28318, + ] { + sin(deg(x)) + }; + + \end{axis} +\end{tikzpicture}% \ No newline at end of file diff --git a/contents/drawings/1086.txt b/contents/drawings/1086.txt new file mode 100644 index 0000000..30404ce --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1086.txt @@ -0,0 +1 @@ +TODO \ No newline at end of file diff --git a/contents/drawings/1087.svg b/contents/drawings/1087.svg new file mode 100644 index 0000000..2cc2b02 --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1087.svg @@ -0,0 +1,63 @@ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + diff --git a/contents/drawings/1087.tex b/contents/drawings/1087.tex new file mode 100644 index 0000000..5d2f119 --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1087.tex @@ -0,0 +1,51 @@ +% Author: Prof. Dr. Matthias Jung, DL9MJ +% Year: 2025 +\begin{tikzpicture} + \begin{axis}[% + /pgf/number format/1000 sep={ }, + /pgf/number format/use comma, + axis lines=middle, + axis line style={-Triangle}, + ytick={0,1}, + every major tick/.append style={thick, black}, + yticklabels={0,$I_\mathrm{A}$}, + grid=major, + grid style={line width=.1pt, draw=gray!10}, + major grid style={line width=.2pt,draw=gray!50}, + xticklabel=\empty, + xtick style={draw=none}, + xmin=0, + xmax=6.28318, + ymin=0, + ymax=2, + xmajorgrids=false, + xlabel style={at={(ticklabel* cs:1)},anchor=south east}, + ylabel style={at={(ticklabel* cs:1)},anchor=north east}, + ylabel={$I_\mathrm{C}$}, + xlabel={$t$}, + width=\linewidth*\getDarcImageFactor, + height=0.5*\linewidth*\getDarcImageFactor, + scale only axis, + ] + + % Kollektorstrom im A-Betrieb: + % sinusförmige Änderung um den Arbeitspunkt I_CQ + \addplot[ + DARCblue, + very thick, + samples=200, + domain=0:6.28318, + ] { + 1 + 0.7*sin(deg(x)) + }; + + \addplot[ + black, + dashed, + domain=0:6.28318, + ] { + 1 + }; + + \end{axis} +\end{tikzpicture}% \ No newline at end of file diff --git a/contents/drawings/1087.txt b/contents/drawings/1087.txt new file mode 100644 index 0000000..30404ce --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1087.txt @@ -0,0 +1 @@ +TODO \ No newline at end of file diff --git a/contents/drawings/1088.svg b/contents/drawings/1088.svg new file mode 100644 index 0000000..b68dbc2 --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1088.svg @@ -0,0 +1,70 @@ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + diff --git a/contents/drawings/1088.tex b/contents/drawings/1088.tex new file mode 100644 index 0000000..6fa6fe4 --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1088.tex @@ -0,0 +1,52 @@ +% Author: Prof. Dr. Matthias Jung, DL9MJ +% Year: 2025 +\begin{tikzpicture} + \begin{axis}[% + /pgf/number format/1000 sep={ }, + /pgf/number format/use comma, + axis lines=middle, + axis line style={-Triangle}, + ytick={0,0.2}, + every major tick/.append style={thick, black}, + yticklabels={0,$I_\mathrm{A/B}$}, + grid=major, + grid style={line width=.1pt, draw=gray!10}, + major grid style={line width=.2pt,draw=gray!50}, + xticklabel=\empty, + xtick style={draw=none}, + xmin=0, + xmax=6.28318, + ymin=-0.1, + ymax=1.5, + xmajorgrids=false, + xlabel style={at={(ticklabel* cs:1)},anchor=south east}, + ylabel style={at={(ticklabel* cs:1)},anchor=north east}, + ylabel={$I_\mathrm{C}$}, + xlabel={$t$}, + width=\linewidth*\getDarcImageFactor, + height=0.5*\linewidth*\getDarcImageFactor, + scale only axis, + ] + + % Ruhestromlinie + \addplot[ + black, + dashed, + domain=0:6.28318, + ] { + 0.2 + }; + + % Kollektorstrom im AB-Betrieb + % kleiner Ruhestrom + Halbleiterkennlinie + \addplot[ + DARCblue, + very thick, + samples=500, + domain=0:6.28318, + ] { + max(0,0.2 + 0.8*sin(deg(x))) + }; + + \end{axis} +\end{tikzpicture}% \ No newline at end of file diff --git a/contents/drawings/1088.txt b/contents/drawings/1088.txt new file mode 100644 index 0000000..30404ce --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1088.txt @@ -0,0 +1 @@ +TODO \ No newline at end of file diff --git a/contents/drawings/1089.svg b/contents/drawings/1089.svg new file mode 100644 index 0000000..442157f --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1089.svg @@ -0,0 +1,51 @@ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + diff --git a/contents/drawings/1089.tex b/contents/drawings/1089.tex new file mode 100644 index 0000000..31be1d1 --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1089.tex @@ -0,0 +1,43 @@ +% Author: Prof. Dr. Matthias Jung, DL9MJ +% Year: 2025 +\begin{tikzpicture} + \begin{axis}[% + /pgf/number format/1000 sep={ }, + /pgf/number format/use comma, + axis lines=middle, + axis line style={-Triangle}, + ytick={0}, + every major tick/.append style={thick, black}, + yticklabels={0}, + grid=major, + grid style={line width=.1pt, draw=gray!10}, + major grid style={line width=.2pt,draw=gray!50}, + xticklabel=\empty, + xtick style={draw=none}, + xmin=0, + xmax=6.28318, + ymin=-0.1, + ymax=1.2, + xmajorgrids=false, + xlabel style={at={(ticklabel* cs:1)},anchor=south east}, + ylabel style={at={(ticklabel* cs:1)},anchor=north east}, + ylabel={$I_\mathrm{C}$}, + xlabel={$t$}, + width=\linewidth*\getDarcImageFactor, + height=0.5*\linewidth*\getDarcImageFactor, + scale only axis, + ] + + % Kollektorstrom im B-Betrieb: + % kein Ruhestrom, Stromfluss nur während einer Halbwelle + \addplot[ + DARCblue, + very thick, + samples=500, + domain=0:6.28318, + ] { + max(0,sin(deg(x))) + }; + + \end{axis} +\end{tikzpicture}% \ No newline at end of file diff --git a/contents/drawings/1089.txt b/contents/drawings/1089.txt new file mode 100644 index 0000000..30404ce --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1089.txt @@ -0,0 +1 @@ +TODO \ No newline at end of file diff --git a/contents/drawings/1090.svg b/contents/drawings/1090.svg new file mode 100644 index 0000000..fa4852b --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1090.svg @@ -0,0 +1,51 @@ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + diff --git a/contents/drawings/1090.tex b/contents/drawings/1090.tex new file mode 100644 index 0000000..88e9195 --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1090.tex @@ -0,0 +1,43 @@ +% Author: Prof. Dr. Matthias Jung, DL9MJ +% Year: 2025 +\begin{tikzpicture} + \begin{axis}[% + /pgf/number format/1000 sep={ }, + /pgf/number format/use comma, + axis lines=middle, + axis line style={-Triangle}, + ytick={0}, + every major tick/.append style={thick, black}, + yticklabels={0}, + grid=major, + grid style={line width=.1pt, draw=gray!10}, + major grid style={line width=.2pt,draw=gray!50}, + xticklabel=\empty, + xtick style={draw=none}, + xmin=0, + xmax=6.28318, + ymin=-0.1, + ymax=1.2, + xmajorgrids=false, + xlabel style={at={(ticklabel* cs:1)},anchor=south east}, + ylabel style={at={(ticklabel* cs:1)},anchor=north east}, + ylabel={$I_\mathrm{C}$}, + xlabel={$t$}, + width=\linewidth*\getDarcImageFactor, + height=0.5*\linewidth*\getDarcImageFactor, + scale only axis, + ] + + % Kollektorstrom im C-Betrieb: + % Stromfluss deutlich kleiner als 180° + \addplot[ + DARCblue, + very thick, + samples=1000, + domain=0:6.28318, + ] { + max(0,sin(deg(x))-0.5) * 2 + }; + + \end{axis} +\end{tikzpicture}% \ No newline at end of file diff --git a/contents/drawings/1090.txt b/contents/drawings/1090.txt new file mode 100644 index 0000000..30404ce --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1090.txt @@ -0,0 +1 @@ +TODO \ No newline at end of file diff --git a/contents/drawings/1091.svg b/contents/drawings/1091.svg new file mode 100644 index 0000000..6e6d4f9 --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1091.svg @@ -0,0 +1,96 @@ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + diff --git a/contents/drawings/1091.tex b/contents/drawings/1091.tex new file mode 100644 index 0000000..b7d397a --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1091.tex @@ -0,0 +1,51 @@ +% Author: Prof. Dr. Matthias Jung +% Year: 2026 +\begin{circuitikz} + \draw(0,0) node[npn, tr circle, anchor=B](npn1){}; + \draw(npn1.E) node[npn, tr circle, anchor=E, yscale=-1](npn2){}; + % + \draw(npn1.E) to [short, *-o] ++(1.75,0) node[right]{$U_\textrm{A}$}; + \draw(npn1.C) + to [short] ++(0,+1) + to [short, -o] ++(1.75,0) node[right]{$+$}; + \draw(npn2.C) + to [short, -*] ++(0,-1) node[rground](gnd){} + to [short, -o] ++(1.75,0) node[right]{$\qty{0}{\volt}$}; + % + \draw(gnd) [-o] to ++(-2,0) coordinate(h3); + % + \draw(npn1.B) + to [short] ++(-0.25,0) coordinate(h1) + to [short] (h1 |- npn2.E) coordinate(h2) + to [short] (h2 |- npn2.B) + to [short] (npn2.B); + \draw(h2) to [short, *-o] (h2 -| h3) coordinate(h4) node[left]{$U_\textrm{E}$}; + % + \draw[black!30!white](h4) + to [open] ++(0,0.5) + to [open] ++(0.125,0) coordinate(e1) + to [short] ++(1.0,0); + \draw[DARCred, very thick](e1) + sin ++(0.25,+0.25) + cos ++(0.25,-0.25) + sin ++(0.25,-0.25) + cos ++(0.25,+0.25); + % + \draw[black!30!white](npn1.E) + to [open] ++(0.5,0) + to [open] ++(0,0.5) coordinate(a1) + to [short] ++(1.0,0); + \draw[DARCred, very thick](a1) + sin ++(0.25,+0.25) + cos ++(0.25,-0.25) + -- ++(0.5,0); + % + \draw[black!30!white](npn1.E) + to [open] ++(0.5,0) + to [open] ++(0,-0.5) coordinate(a2) + to [short] ++(1.0,0); + \draw[DARCred, very thick](a2) + -- ++(0.5,0) + sin ++(0.25,-0.25) + cos ++(0.25,+0.25); +\end{circuitikz} \ No newline at end of file diff --git a/contents/drawings/1091.txt b/contents/drawings/1091.txt new file mode 100644 index 0000000..30404ce --- /dev/null +++ b/contents/drawings/1091.txt @@ -0,0 +1 @@ +TODO \ No newline at end of file diff --git a/contents/sections/verstaerker_klasse.md b/contents/sections/verstaerker_klasse.md index a9fefaf..576dcfd 100644 --- a/contents/sections/verstaerker_klasse.md +++ b/contents/sections/verstaerker_klasse.md @@ -1,68 +1,119 @@ -Transistoren haben eine *Kennlinie*, die den *Zusammenhang zwischen Eingangssignal (Basis-Emitter- oder Gate-Source-Spannung) und Ausgangssignal (Kollektor-/Drainstrom)* darstellt. Hierbei gibt es im Bereich der Kennlinie verschiedene Abschnitte, in denen der Transistor *lineare oder auch nichtlineare Charakteristik* hat. -Gerade Bereiche der Kennlinie, in denen eine Änderung der Steuergröße eine proportionale Änderung der Ausgangsgröße bewirkt, werden als linear bezeichnet. -Andere Bereiche der Kennlinie, in denen eine Änderung der Steuergröße **keine** proportionale Änderung der Ausgangsgröße bewirkt, werden als nichtlinear bezeichnet. +Wie wir in den vorherigen Abschnitten gesehen haben, haben Transistoren eine Kennlinie, die den Zusammenhang zwischen Eingangssignal (Basis-Emitter- oder Gate-Source-Spannung) und Ausgangssignal (Kollektor-/Drainstrom) darstellt. Hierbei gibt es im Bereich der Kennlinie verschiedene Abschnitte, in denen der Transistor eine lineare oder auch nichtlineare Charakteristik hat. Gerade Bereiche der Kennlinie, in denen eine Änderung der Steuergröße eine proportionale Änderung der Ausgangsgröße bewirkt, werden als linear bezeichnet. Andere Bereiche der Kennlinie, in denen eine Änderung der Steuergröße **keine** proportionale Änderung der Ausgangsgröße bewirkt, werden als nichtlinear bezeichnet. -[picture:377:a_kennlinien_transistor_arbeitspunkt:Kennlinie eines Transistors mit Arbeitspunkten] +[picture:1085:a_kennlinien_transistor_arbeitspunkt:Vereinfachte Eingangskennlinie eines Transistors mit verschiedenen Arbeitspunkten] -Für einen optimalen Betrieb des Verstärkers bzgl. Wirkungsgrad und Oberwellenfreiheit des verstärkten Signals ist eine optimale Wahl des Arbeitspunktes des Verstärkers auf dessen Kennlinie vorzunehmen. -Dieser Arbeitspunkt wird durch eine geeignete Hilfsgleichspannung (Vorspannung) an der Basis oder Gate festgelegt. - -Die Verstärkung des Eingangssignals erfolgt dann um den gewünschten Arbeitspunkt herum, der das Zentrum des Arbeitsbereiches definiert. -Durch die Wahl des Arbeitspunktes ergibt sich ein entsprechender Ruhestrom des Transistors. Dieser fließt auch ohne vorhandenes Eingangssignal. Der Ruhestrom beeinflusst die Effizienz eines Verstärkers maßgeblich, da er dessen thermische Verlustleistung erhöht und damit dessen Wirkungsgrad reduziert. - -Alle Signale, deren Modulations-Information sich in deren Amplitude befindet, müssen linear verstärkt werden, um die übertragene Information verzerrungsfrei zu übermitteln (SSB, AM etc.). Signale, deren Modulations-Information sich nicht in der Amplitude sondern nur in der Frequenz befindet, können auch im nichtlinearen Bereich eines Verstärkers verstärkt werden (FM etc.) und anschließend gefiltert werden. - -Je nach Betriebsart unterscheidet man mögliche Arbeitspunkte und deren Bezeichnung auf der Kennlinie (siehe Abbildung [ref:a_kennlinien_transistor_arbeitspunkt] ): - -AP1: C-Betrieb des Verstärkers -- ohne Vorspannung -- Ruhestrom null -- Wirkungsgrad ca. $\qtyrange{80}{87}{\percent}$ -- hoher Oberwellenanteil - -AP2: B-Betrieb des Verstärkers -- Geringe Vorspannung bis zum Einsetzen des Kollektorstroms -- Ruhestrom fast null (gering) -- Wirkungsgrad ca. bis zu $\qty{80}{\percent}$ -- geringer Oberwellenanteil - -AP3: A/B-Betrieb des Verstärkers -- Höhere Vorspannung als im B-Betrieb, jedoch geringer als im A-Betrieb -- Ruhestrom größer als im B-Betrieb, aber deutlich geringer als im A-Betrieb -- Wirkungsgrad zwischen $\qty{50}{\percent}$ bis $\qty{80}{\percent}$ -- geringer Oberwellenanteil - -AP4: A-Betrieb des Verstärkers -- Höhe der Vorspannung ist so gewählt, dass der Ruhestrom ca. $\qty{50}{\percent}$ des maximal zulässigen Wertes erreicht -- Wirkungsgrad ca. $\qty{40}{\percent}$ -- sehr geringer Oberwellenanteil +Die Vorspannung an der Basis beziehungsweise am Gate legt zunächst den Ruhearbeitspunkt des Transistors fest. Zusammen mit der Größe des Eingangssignals bestimmt dieser, über welchen Bereich der Kennlinie der Transistor ausgesteuert wird und während welchen Anteils einer Signalperiode Strom fließt. Daraus ergeben sich die Verstärkerklassen A, A/B, B und C mit unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich Wirkungsgrad, Linearität, Stromflusswinkel und Oberwellenanteil. Abbildung [ref:a_kennlinien_transistor_arbeitspunkt] zeigt die typischen Ruhearbeitspunkte der verschiedenen Verstärkerklassen für den A-, B-, A/B- und C-Betrieb. Durch den Aufbau der gesamten Verstärkerschaltung können deren jeweilige Vor- und Nachteile gezielt genutzt oder teilweise ausgeglichen werden. Im Folgenden werden wir uns die verschiedenen Verstärkerklassen anschauen. [question:AD416] -[question:AD419] -[question:AD420] -[question:AD421] -Die Ausgangsleistung eines Verstärkers kann durch Kenntnis des Arbeitspunktes und damit dessen ungefähren Wirkungsgrads grob berechnet werden. Hierbei berechnet man zunächst die Gleichspannungsleistung aus dem Produkt von Spannung und Strom, die dem Verstärker zugeführt wird. Anschließend multipliziert man diese Leistung mit dem numerischen Faktor des Wirkungsgrads, wobei $\qty{100}{\percent}$ einem Wirkungsgrad von $1$ entsprechen. Beispielsweise entspricht ein Wirkungsgrad von $\qty{40}{\percent}$ dann einem Faktor von $0,4$. +--- + +% A-Betrieb des Verstärkers: + +Beim *A-Betrieb* wird der Arbeitspunkt so gewählt, dass der Transistor während der gesamten Signalperiode leitend bleibt (Stromflusswinkel $\qty{360}{\degree}$). Für eine möglichst große und symmetrische Aussteuerung liegt der Ruhearbeitspunkt häufig ungefähr in der Mitte der Arbeitsgeraden, also zwischen Sperrung und Sättigung, sodass der Transistor vollständig im linearen Bereich arbeitet. Die Verstärkung des Eingangssignals (vgl. [ref:a_eingangsspannung]) erfolgt dann um den gewünschten Arbeitspunkt herum, der das Zentrum des Arbeitsbereiches definiert. Durch die Wahl des Arbeitspunktes ergibt sich ein entsprechender Ruhestrom ($I_\mathrm{A}$) des Transistors (vgl. [ref:a_ausgangsstrom_a]). Dieser fließt auch ohne vorhandenes Eingangssignal. Der Ruhestrom beeinflusst die Effizienz eines Verstärkers maßgeblich, da er dessen thermische Verlustleistung erhöht und damit dessen Wirkungsgrad reduziert. Im A-Betrieb erreicht man so üblicherweise einen Wirkungsgrad von ca. $\eta = \qty{40}{\percent}$, was für einen linearen Verstärker ein guter Wert ist. Der Oberwellenanteil ist im A-Betrieb sehr gering, da der Transistor vollständig im linearen Bereich arbeitet. + +Alle Signale, deren Modulations-Information sich in deren Amplitude befindet, müssen in der Regel linear verstärkt werden, um die übertragene Information verzerrungsfrei zu übermitteln (SSB, AM etc.). Es gibt allerdings auch schaltungstechnische Tricks, durch die ein linearer A-Betrieb nicht unbedingt erforderlich ist. Signale, deren Modulations-Information sich nicht in der Amplitude sondern nur in der Frequenz befindet, können auch im nichtlinearen Bereich eines Verstärkers verstärkt werden (FM etc.) und anschließend gefiltert werden. + +Zusammenfassung A-Betrieb: + +- Wirkungsgrad ca. $\qty{40}{\percent}$ +- sehr geringer Oberwellenanteil +- Eignet sich gut für AM und SSB +- Ein Ausgangsstrom fließt durch die gesamte Periode (Stromflusswinkel $\Theta =\qty{360}{\degree}$) des Eingangssignals + + +[picture:1086:a_eingangsspannung:Beispiel für eine HF-Eingangsspannung $U_\mathrm{BE}$ eines Transistors] +[picture:1087:a_ausgangsstrom_a:Beispiel für einen HF-Ausgangsstrom $I_\mathrm{C}$ eines Transistors im A-Betrieb] + + +[question:AD419] + +Die Ausgangsleistung eines Verstärkers kann durch Kenntnis des Arbeitspunktes und damit dessen ungefähren Wirkungsgrads grob berechnet werden. Hierbei berechnet man zunächst die Gleichspannungsleistung aus dem Produkt von Spannung und Strom, die dem Verstärker zugeführt wird. Anschließend multipliziert man diese Leistung mit dem numerischen Faktor des Wirkungsgrads, wobei $\qty{100}{\percent}$ einem Wirkungsgrad von $1$ entsprechen. Beispielsweise entspricht ein Wirkungsgrad von $\qty{40}{\percent}$ dann einem Faktor von $0,4$. Versuche nun die folgenden Aufgaben zu lösen: [question:AD424] -[question:AD425] -[question:AD418] + +% B-Betrieb des Verstärkers: + +Wird der Arbeitspunkt für den *B-Betrieb* gewählt, liegt der Transistor idealerweise gerade am Sperrpunkt. Ohne Eingangssignal fließt daher praktisch kein Ruhestrom. Bei einer sinusförmigen Ansteuerung, wie in Abbildung [ref:a_eingangsspannung] dargestellt, beginnt der Transistor erst ab einer bestimmten Eingangsspannung zu leiten. Ein einzelner Transistor ist deshalb nur während einer Halbwelle beziehungsweise über einen Stromflusswinkel von $\qty{180}{\degree}$ aktiv. +Da im Ruhezustand nahezu keine Leistung aufgenommen wird, kann der theoretische Wirkungsgrad eines idealen B-Verstärkers bis zu rund $\qty{80}{\percent}$ betragen. Der Stromverlauf eines einzelnen Transistors ist jedoch nicht mehr sinusförmig und enthält daher einen hohen Oberwellenanteil. + +Um Oberwellen zu verringern beziehungsweise zu unterdrücken, gibt es in der Praxis verschiedene Lösungsmöglichkeiten: + +- Eine Möglichkeit ist eine Gegentaktschaltung, im Englischen *push-pull amplifier*, mit zwei Transistoren, wie in Abbildung [ref:a_gegentakt] dargestellt. Dabei verstärkt jeder Transistor jeweils eine Halbwelle, sodass beide Halbwellen wieder zu einem vollständigen Sinussignal zusammengesetzt werden und der Oberwellenanteil deutlich reduziert wird. +- Neben einer Gegentaktstufe kann bei schmalbandigen HF-Verstärkern ein abgestimmter Schwingkreis verwendet werden. Der Transistor liefert dabei nur während einer Halbwelle Stromimpulse. Der Schwingkreis speichert Energie und schwingt zwischen den Stromimpulsen weiter, sodass am Ausgang wieder ein nahezu sinusförmiges Signal über die vollständige Periode entsteht. Oder anders ausgedrückt: Der Schwingkreis wirkt wie ein Filter, das die Oberwellenanteile unterdrückt. Diese Lösung ist jedoch nur für schmalbandige HF-Verstärker geeignet, da ein Schwingkreis nur in einem engen Frequenzbereich resonant ist. + + +[picture:1089:a_ausgangsstrom_b:Beispiel für einen HF-Ausgangsstrom $I_\mathrm{C}$ eines Transistors im B-Betrieb] +[picture:1091:a_gegentakt:Gegentaktstufe mit zwei Transistoren, die jeweils eine Halbwelle verstärken] + + +Zusammenfassung B-Betrieb: +- Geringe Vorspannung bis zum Einsetzen des Kollektorstroms +- Ruhestrom fast null +- Wirkungsgrad ca. bis zu $\qty{80}{\percent}$ +- Geringer Oberwellenanteil mit Gegentaktstufe oder Schwingkreis +- Stromflusswinkel von $\Theta = \qty{180}{\degree}$, d.h. nur eine Halbwelle wird verstärkt + +[question:AD420] [question:AD417] -Damit ein Verstärker für den SSB-Betrieb (lineare Verstärkung) verwendet werden kann, muss sich dessen Arbeitspunkt im A-/AB- oder B-Betrieb befinden. Grundsätzlich ist A-Betrieb aufgrund der hohen Linearität möglich, jedoch bei höheren Leistungen nicht effizient. Hier schaltet man 2 Transistoren in einer sog. Gegentaktschaltung zusammen, so dass jeder der beiden Transistoren nur jeweils eine Halbwelle (positiv oder negativ) verstärkt. Hierdurch ist auch AB- oder B-Betrieb mit erhöhtem Wirkungsgrad des Verstärkers möglich. -Im C-Betrieb wird das Signal jedoch immer verzerrt. Daher kann ein SSB-Sender nicht im C-Betrieb arbeiten. -Insbesondere beim AB- oder B-Betrieb eines Verstärkers ist Übersteuerung zu vermeiden, da diese schnell zu Verzerrungen des Signals führen kann. Diese äußern sich bei SSB in Form von Splatter auf benachbarten Frequenzen. +--- -[question:AD422] -[question:AJ218] +% A/B-Betrieb des Verstärkers: + +Eine weitere Möglichkeit, einen Verstärker zu realisieren, ist der A/B-Betrieb, bei dem der Arbeitspunkt zwischen A- und B-Betrieb liegt. Der Ruhestrom ($I_\mathrm{A/B}$) ist dabei größer als im B-Betrieb, jedoch deutlich geringer als im A-Betrieb, wie in Abbildung [ref:a_ausgangsstrom_ab] dargestellt. Der Wirkungsgrad liegt zwischen $\qty{50}{\percent}$ und $\qty{80}{\percent}$ und der Oberwellenanteil ist mit entsprechender Schaltungstechnik ebenfalls gering. + +Zusammenfassung A/B-Betrieb des Verstärkers +- Höhere Vorspannung als im B-Betrieb, jedoch geringer als im A-Betrieb +- Ruhestrom größer als im B-Betrieb, aber deutlich geringer als im A-Betrieb +- Wirkungsgrad zwischen $\qty{50}{\percent}$ und $\qty{80}{\percent}$ +- Geringer Oberwellenanteil +- Stromflusswinkel: $\qty{180}{\degree} < \Theta < \qty{360}{\degree}$ + +Insbesondere beim A/B- oder B-Betrieb eines Verstärkers ist Übersteuerung zu vermeiden, da diese schnell zu Verzerrungen des Signals führen kann. Diese äußern sich bei SSB in Form von Splatter auf benachbarten Frequenzen. [question:AD423] -Verstärker im C-Betrieb erzeugen aufgrund ihres stark nichtlinearen Betriebspunktes hohe Oberwellenanteile, die im weiteren Signalweg z.B. durch Filterung (Tiefpass) unterdrückt werden müssen. -Da bei Leistungsverstärkern im C-Betrieb auch Oberwellenanteile mit hohen Amplituden und Leistungen im Verstärker sowie im anschließenden Filter vorhanden sind, müssen sowohl Verstärker als auch Filter in einem gut abschirmenden Metallgehäuse betrieben werden, so dass sie keine Störungen durch Oberwellenanteile verursachen. + +[picture:1088:a_ausgangsstrom_ab:Beispiel für einen HF-Ausgangsstrom $I_\mathrm{C}$ eines Transistors im A/B-Betrieb] + +--- + +% C-Betrieb des Verstärkers: + +Der sogenannte *C-Betrieb* ist stark nichtlinear, weil der Transistor nur während eines kleinen Teils der Eingangsschwingung leitet (vgl. Abbildung [ref:a_ausgangsstrom_c]). Der Stromflusswinkel beträgt weniger als $\qty{180}{\degree}$ und ohne Eingangssignal fließt idealerweise kein Ruhestrom. Dadurch können hohe Wirkungsgrade von typischerweise etwa $\qtyrange{80}{87}{\percent}$ erreicht werden. + +Da der Transistor nur kurze Stromimpulse erzeugt, enthält sein Ausgangssignal starke Oberwellenanteile. Ein abgestimmter Schwingkreis oder ein nachgeschaltetes Filter wählt die gewünschte Ausgangsfrequenz aus und unterdrückt die unerwünschten Oberwellen. Da diese Oberwellen innerhalb des Leistungsverstärkers und des Filters noch erhebliche Leistungen besitzen können, müssen die Schaltung und ihre Leitungen sorgfältig aufgebaut und abgeschirmt werden, damit keine unerwünschten Signale abgestrahlt werden. + +Der C-Betrieb eignet sich besonders für Signale mit konstanter Hüllkurve, beispielsweise für FM und CW. Für AM und SSB ist er ohne zusätzliche Maßnahmen ungeeignet, da die Amplitudeninformation durch die nichtlineare Verstärkung verzerrt würde. Deshalb werden für AM- und SSB-Verstärker in der Regel A-, B- oder A/B-Betrieb verwendet. Mit besonderen Verfahren wie der Polarmodulation können jedoch auch amplitudenmodulierte Signale mithilfe hocheffizienter, nichtlinearer Verstärker erzeugt werden. Darauf gehen wir in einem späteren Abschnitt noch genauer ein. + +Zusammenfassung: C-Betrieb des Verstärkers +- Ohne Vorspannung +- Ruhestrom null +- Wirkungsgrad ca. $\qtyrange{80}{87}{\percent}$ +- Erzeugt von allen Verstärkerklassen den höchsten Oberwellenanteil +- Stromflusswinkel von $\Theta < \qty{180}{\degree}$, d.h. nur ein kleiner Teil der Sinuswelle wird verstärkt + + +[picture:1090:a_ausgangsstrom_c:Beispiel für einen HF-Ausgangsstrom $I_\mathrm{C}$ eines Transistors im C-Betrieb] + + +[question:AD418] +[question:AD425] +[question:AD421] +[question:AD422] +[question:AJ218] [question:AF402] [question:AF403] +Fassen wir die gelernten Verstärkerklassen noch einmal in einer Übersicht zusammen: +| l: Eigenschaft | l: A-Betrieb | l: B-Betrieb | l: A/B-Betrieb | l: C-Betrieb | +| Ruhestrom | $I_\mathrm{A}$ | 0 | $I_\mathrm{A/B}$ | 0 | +| Wirkungsgrad | $\qty{40}{\percent}$ | bis zu $\qty{80}{\percent}$ | $\qtyrange{50}{80}{\percent}$ | $\qtyrange{80}{87}{\percent}$ | +| Stromflusswinkel | $\Theta = \qty{360}{\degree}$ | $\Theta = \qty{180}{\degree}$ | $\qty{180}{\degree} < \Theta < \qty{360}{\degree}$ | $\Theta < \qty{180}{\degree}$ | +| Maßnahmen gegen Oberwellen | Filter | Gegentaktstufe oder Filter | Gegentaktstufe oder Filter | Filter | + +Neben den klassischen Verstärkerklassen A, B, AB und C gibt es weitere hocheffiziente Verstärkerklassen wie die Klassen D, E und F. Bei Klasse-D- und Klasse-E-Verstärkern wird der Transistor gezielt als Schalter betrieben, sodass möglichst wenig Leistung im Transistor selbst verloren geht. Klasse-F-Verstärker nutzen zusätzlich abgestimmte Netzwerke für die Grundfrequenz und ausgewählte Oberwellen, um Strom- und Spannungsverläufe am Transistor günstig zu formen. Auf diese Weise können sehr hohe Wirkungsgrade erreicht werden. Solche Verstärker erfordern jedoch eine sorgfältige Schaltungsauslegung und sind im HF-Bereich häufig nur für einen begrenzten Frequenzbereich geeignet. Weitere Betriebsarten wie Klasse J oder Klasse S verfolgen ähnliche Ziele, sind für die Amateurfunkprüfung jedoch nicht relevant. \ No newline at end of file