50ohm-contents-dl/contents/sections/forstarkare_klass.md

Som vi har sett i de föregående avsnitten har transistorer en karakteristik som visar sambandet mellan ingångssignal (bas-emitter- eller gate-source-spänning) och utsignal (kollektor-/drainström). Karakteristiken har olika avsnitt där transistorn har linjärt eller olinjärt beteende. Områden av karakteristiken där en ändring av styrstorheten ger en proportionell ändring av utgångsstorheten kallas linjära. I linjär framställning känner man igen dem på ett rakt förlopp utan krökning. Andra områden, där en ändring av styrstorheten inte ger en proportionell ändring av utgångsstorheten, kallas olinjära.

[picture:1085:a_kennlinien_transistor_arbeitspunkt:Förenklad ingångskarakteristik för en transistor med olika arbetspunkter]

Förspänningen på basen respektive gaten fastställer först transistorns vilopunkt. Tillsammans med ingångssignalens storlek bestämmer den över vilket område av karakteristiken transistorn styrs och under vilken del av en signalperiod ström flyter. Därav följer förstärkarklasserna A, A/B, B och C med olika egenskaper vad gäller verkningsgrad, linjäritet, strömflödesvinkel och övertonsinnehåll. Figur [ref:a_kennlinien_transistor_arbeitspunkt] visar de typiska vilopunkterna för de olika förstärkarklasserna för A-, B-, A/B- och C-drift. Genom uppbyggnaden av hela förstärkarkopplingen kan respektive för- och nackdelar utnyttjas målinriktat eller delvis kompenseras. I det följande tittar vi på de olika förstärkarklasserna.

---

% A-drift:

Vid A-drift väljs arbetspunkten så att transistorn förblir ledande under hela signalperioden (strömflödesvinkel \qty{360}{\degree}). För en så stor och symmetrisk styrning som möjligt ligger vilopunkten ofta ungefär i mitten av arbetslinjen, alltså mellan spärr och mättning, så att transistorn arbetar helt i det linjära området. Förstärkningen av ingångssignalen (jfr [ref:a_eingangsspannung]) sker då kring den önskade arbetspunkten, som definierar arbetsområdets centrum. Valet av arbetspunkt ger en motsvarande vilström (I_\mathrm{A}) i transistorn (jfr [ref:a_ausgangsstrom_a]). Den flyter även utan ingångssignal. Vilströmmen påverkar en förstärkares effektivitet avsevärt, eftersom den ökar den termiska förlusteffekten och därmed minskar verkningsgraden. Vid A-drift uppnår man vanligen en verkningsgrad på cirka \eta = \qty{40}{\percent}, vilket är ett bra värde för en linjär förstärkare. Övertonsinnehållet är mycket litet vid A-drift, eftersom transistorn arbetar helt i det linjära området.

Alla signaler vars moduleringsinformation finns i amplituden måste i regel förstärkas linjärt för att informationen ska överföras utan distorsion (SSB, AM osv.). Det finns dock också kopplingstekniska knep som gör att linjär A-drift inte nödvändigtvis behövs. Signaler vars moduleringsinformation inte finns i amplituden utan bara i frekvensen kan också förstärkas i en förstärkares olinjära område (FM osv.) och därefter filtreras.

Sammanfattning A-drift:

• Verkningsgrad cirka \qty{40}{\percent}
• mycket litet övertonsinnehåll
• Lämpar sig väl för AM och SSB
• En utström flyter under hela perioden (strömflödesvinkel \Theta =\qty{360}{\degree}) av ingångssignalen

[picture:1086:a_eingangsspannung:Exempel på en HF-ingångsspänning $U_\mathrm{BE}$ för en transistor] [picture:1087:a_ausgangsstrom_a:Exempel på en HF-utström $I_\mathrm{C}$ för en transistor vid A-drift]

% B-drift:

Väljs arbetspunkten för B-drift ligger transistorn idealt precis vid spärrpunkten. Utan ingångssignal flyter därför praktiskt taget ingen vilström. Vid sinusformad styrning, som i figur [ref:a_eingangsspannung], börjar transistorn leda först vid en viss ingångsspänning. En enskild transistor är därför bara aktiv under en halvperiod, alltså över en strömflödesvinkel på \qty{180}{\degree}. Eftersom nästan ingen effekt upptas i vilotillståndet kan den teoretiska verkningsgraden för en ideal B-förstärkare uppgå till omkring \qty{80}{\percent}. Strömförloppet för en enskild transistor är dock inte längre sinusformat och innehåller därför mycket övertoner.

För att minska respektive undertrycka övertoner finns i praktiken olika lösningar:

• En möjlighet är en motkopplad steg (på engelska push-pull amplifier) med två transistorer, som i figur [ref:a_gegentakt]. Där förstärker varje transistor en halvperiod, så att båda halvperioderna åter sätts ihop till en fullständig sinussignal och övertonsinnehållet minskar betydligt.
• Vid sidan av ett motkopplat steg kan man i smalbandiga HF-förstärkare använda en avstämd svängningskrets. Transistorn levererar då bara strömpulser under en halvperiod. Svängningskretsen lagrar energi och fortsätter svänga mellan strömpulserna, så att en nästan sinusformad signal över hela perioden uppstår på utgången. Eller annorlunda uttryckt: Svängningskretsen fungerar som ett filter som undertrycker övertonerna. Denna lösning lämpar sig dock bara för smalbandiga HF-förstärkare, eftersom en svängningskrets bara är i resonans inom ett smalt frekvensområde.

[picture:1089:a_ausgangsstrom_b:Exempel på en HF-utström $I_\mathrm{C}$ för en transistor vid B-drift] [picture:1091:a_gegentakt:Motkopplat steg med två transistorer som vardera förstärker en halvperiod]

Sammanfattning B-drift:

• Låg förspänning tills kollektorströmmen sätter in
• Vilström nästan noll
• Verkningsgrad upp till cirka \qty{80}{\percent}
• Litet övertonsinnehåll med motkopplat steg eller svängningskrets
• Strömflödesvinkel \Theta = \qty{180}{\degree}, dvs. bara en halvperiod förstärks

---

% A/B-drift:

Ytterligare en möjlighet att realisera en förstärkare är A/B-drift, där arbetspunkten ligger mellan A- och B-drift. Vilströmmen (I_\mathrm{A/B}) är då större än vid B-drift men betydligt mindre än vid A-drift, som i figur [ref:a_ausgangsstrom_ab]. Verkningsgraden ligger mellan \qty{50}{\percent} och \qty{80}{\percent} och övertonsinnehållet är med lämplig kopplingsteknik också litet.

Sammanfattning A/B-drift

• Högre förspänning än vid B-drift men lägre än vid A-drift
• Vilström större än vid B-drift men betydligt mindre än vid A-drift
• Verkningsgrad mellan \qty{50}{\percent} och \qty{80}{\percent}
• Litet övertonsinnehåll
• Strömflödesvinkel: \qty{180}{\degree} < \Theta < \qty{360}{\degree}

Särskilt vid A/B- eller B-drift av en förstärkare ska översteg undvikas, eftersom de snabbt kan ge signaldistorsion. Vid SSB visar sig den som splatter på intilliggande frekvenser.

[picture:1088:a_ausgangsstrom_ab:Exempel på en HF-utström $I_\mathrm{C}$ för en transistor vid A/B-drift]

---

% C-drift:

Den så kallade C-driften är starkt olinjär, eftersom transistorn bara leder under en liten del av ingångssvängningen (jfr figur [ref:a_ausgangsstrom_c]). Strömflödesvinkeln är mindre än \qty{180}{\degree} och utan ingångssignal flyter idealt ingen vilström. Därigenom kan höga verkningsgrader på typiskt cirka \qtyrange{80}{87}{\percent} uppnås.

Eftersom transistorn bara alstrar korta strömpulser innehåller utsignalen kraftiga övertoner. En avstämd svängningskrets eller ett efterföljande filter väljer ut den önskade utfrekvensen och undertrycker de oönskade övertonerna. Eftersom dessa övertoner inom effektförstärkaren och filtret fortfarande kan ha betydande effekter måste kopplingen och dess ledningar byggas och skärmas noggrant, så att inga oönskade signaler utstrålas.

C-drift lämpar sig särskilt för signaler med konstant envelopp, till exempel FM och CW. För AM och SSB är den utan ytterligare åtgärder olämplig, eftersom amplitudinformationen skulle förvrängas av den olinjära förstärkningen. Därför används för AM- och SSB-förstärkare i regel A-, B- eller A/B-drift. Med särskilda metoder som polarmodulation kan dock även amplitudmodulerade signaler alstras med hjälp av högeffektiva, olinjära förstärkare. Det går vi in på närmare i ett senare avsnitt.

Sammanfattning: C-drift

• Utan förspänning
• Vilström noll
• Verkningsgrad cirka \qtyrange{80}{87}{\percent}
• Alstrar högst övertonsinnehåll av alla förstärkarklasser
• Strömflödesvinkel \Theta < \qty{180}{\degree}, dvs. bara en liten del av sinusvågen förstärks

[picture:1090:a_ausgangsstrom_c:Exempel på en HF-utström $I_\mathrm{C}$ för en transistor vid C-drift]

Låt oss sammanfatta de förstärkarklasser vi lärt oss i en översikt:

| l: Egenskap | X: A-drift | X: B-drift | X: A/B-drift | X: C-drift | | Vilström | I_\mathrm{A} | 0 | I_\mathrm{A/B} | 0 | | Verkningsgrad | \qty{40}{\percent} | upp till \qty{80}{\percent} | \qtyrange{50}{80}{\percent} | \qtyrange{80}{87}{\percent} | | Strömflödesvinkel | \Theta = \qty{360}{\degree} | \Theta = \qty{180}{\degree} | \qty{180}{\degree} < \Theta < \qty{360}{\degree} | \Theta < \qty{180}{\degree} | | Åtgärder mot övertoner | Filter | Motkopplat steg eller filter | Motkopplat steg eller filter | Filter |

En förstärkares utgångseffekt kan grovt beräknas om man känner arbetspunkten och därmed ungefärlig verkningsgrad. Man beräknar först likströmseffekten som produkten av spänning och ström som tillförs förstärkaren. Sedan multiplicerar man denna effekt med verkningsgradens numeriska faktor, där \qty{100}{\percent} motsvarar verkningsgraden 1. Till exempel motsvarar en verkningsgrad på \qty{40}{\percent} faktorn 0,4.

Vid sidan av de klassiska förstärkarklasserna A, B, AB och C finns ytterligare högeffektiva förstärkarklasser som klass D, E och F. I klass D- och klass E-förstärkare drivs transistorn medvetet som en switch, så att så lite effekt som möjligt går förlorad i själva transistorn. Klass F-förstärkare använder dessutom avstämda nätverk för grundfrekvensen och utvalda övertoner för att forma ström- och spänningsförlopp vid transistorn fördelaktigt. På så sätt kan mycket höga verkningsgrader uppnås. Sådana förstärkare kräver dock noggrann kopplingsutformning och lämpar sig i HF-området ofta bara för ett begränsat frekvensområde. Ytterligare driftsätt som klass J eller klass S har liknande mål men är inte relevanta för HAREC-provet.