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Was ist ein Power Amplifier?

Ein Leistungsverstärker ist ein elektronischer Verstärker, der die Leistung eines gegebenen Eingangssignals erhöhen soll.Die Leistung des Eingangssignals wird auf ein Niveau erhöht, das hoch genug ist, um Lasten von Ausgabegeräten wie Lautsprechern, Kopfhörern, RF-Sendern usw. zu lenken. Im Gegensatz zu Spannungs-/Stromverstärkern ist ein Leistungsverstärker dazu ausgelegt, Lasten direkt zu treiben und wird als Endblock in einer Verstärkerkette verwendet.

Das Eingangssignal eines Leistungsverstärkers muss über einer bestimmten Schwelle liegen.Anstatt also das rohe Audio/RF-Signal direkt an den Leistungsverstärker zu übergeben, wird es zuerst mit Strom-/Spannungsverstärkern verstärkt und nach notwendigen Modifikationen als Eingang in den Leistungsverstärker gesendet.Sie können das Blockdiagramm eines Audio-Verstärkers und die Verwendung von Leistungsverstärker unten beobachten.

In diesem Fall wird ein Mikrofon als Eingangsquelle verwendet.Die Signalstärke des Mikrofons reicht für den Leistungsverstärker nicht aus.Zuerst wird es verstärkt, wo die Spannung und der Strom leicht erhöht werden.Dann wird das Signal durch Ton- und Lautstärkeregelung geleitet, die ästhetische Anpassungen an der Audiowellenform vornimmt.Schließlich wird das Signal durch einen Leistungsverstärker geleitet und der Ausgang vom Leistungsverstärker an einen Lautsprecher gespeist. 

Arten von Leistungsverstärkern

Abhängig vom angeschlossenen Ausgabegerät werden die Leistungsverstärker in die folgenden drei Typen unterteilt.

Audio Power Verstärker

Diese Art von Leistungsverstärkern wird verwendet, um die Leistung eines schwächeren Audiosignals zu erhöhen.Die in Lautsprecherschaltungen verwendeten Verstärker von Fernsehgeräten, Mobiltelefonen usw. fallen unter diese Kategorie.

Der Ausgang eines Audio-Power-Verstärkers reicht von einigen Milliwatts (wie bei Kopfhörer-Verstärkern) bis zu Tausenden Watts (wie z.B. Endverstärker in Hi-Fi/Home Theater-Systemen).

Funkfrequenzstromverstärker (Radio Frequency Power Verstärker)

Funkübertragung erfordert modulierte Wellen, die über große Entfernungen per Luft gesendet werden.Die Signale werden mit Antennen übertragen, und der Übertragungsbereich hängt von der Größe der an die Antenne eingespeisten Signale ab.

Für Funkübertragungen wie FM-Ausstrahlung benötigen Antennen Eingangssignale bei Tausenden von Kilowatten Strom.Hier werden Radio Frequency Power Verstärker eingesetzt, um die Leistung modulierter Wellen auf ein Niveau zu erhöhen, das hoch genug ist, um die erforderliche Übertragungsdistanz zu erreichen.

DC Power Verstärker

Gleichstromverstärker werden verwendet, um die Leistung eines PWM(Pulsweitenmodulierten) Signals zu verstärken.Sie werden in elektronischen Steuersystemen eingesetzt, die hohe Leistungssignale für Motoren oder Aktoren benötigen.Sie nehmen Eingang von Microcontroller-Systemen, erhöhen ihre Leistung und geben das Verstärkte Signal an DC-Motoren oder Aktuatoren an.

Klassen für Kraftverstärker

Es gibt mehrere Möglichkeiten, einen Stromkreis zu entwerfen.Die Betriebs- und Ausgangseigenschaften der einzelnen Schaltkreise unterscheiden sich voneinander.

Um die Eigenschaften und das Verhalten verschiedener Leistungsverstärker-Schaltungen zu unterscheiden, werden Power Amplifier Classes verwendet, in denen Buchstaben-Symbole für die Ermittlung der Arbeitsweise verwendet werden.

Sie sind in zwei Kategorien eingeteilt.Verstärker zur Verstärkung analoger Signale fallen unter die Kategorie A, B, AB oder C.Verstärker zur Verstärkung von Pulsweitenmodulen (PWM) kommen unter D, E, F etc.

Die am häufigsten verwendeten Leistungsverstärker sind diejenigen, die in Audio-Verstärker-Schaltungen verwendet werden und sie unter Klassen A, B, AB oder C kommen. So lassen Sie sich diese im Detail anschauen.

Leistungsverstärker der Klasse A

Analoge Wellenformen bestehen aus positiven Höhen und negativen Tiefen.In dieser Klasse von Verstärkern wird die gesamte Eingangswellenform im Verstärkungsprozess eingesetzt.

Ein einzelner Transistor wird verwendet, um sowohl die positiven als auch die negativen Hälften der Wellenform zu verstärken.Dies macht ihr Design einfach und macht Class A Verstärker zum am häufigsten verwendeten Typ von Leistungsverstärkern.Obwohl diese Klasse von Verstärkern durch bessere Designs ersetzt werden, sind sie immer noch beliebt bei Hobbyisten.

In dieser Klasse von Verstärkern wird das aktive Element (die elektronische Komponente zur Verstärkung, in diesem Fall Transistor) ständig verwendet, auch wenn es kein Eingangssignal gibt.Dies erzeugt viel Wärme und reduziert die Effizienz der Klasse A Verstärker auf 25% in normaler Konfiguration und 50% in einer Transformator-gekoppelten Konfiguration.

Der Leitungswinkel (der Teil der Wellenform, der für die Amplifikation verwendet wird, aus 360-Kombi-6;) für die Klasse A-Verstärker ist 360-176;.Die Signalverzerrungsniveaus sind also sehr weniger geeignet für eine bessere Hochfrequenz-Leistung.

Leistungsverstärker der Klasse B

Leistungsverstärker der Klasse B sind so konzipiert, dass sie die Effizienz und Heizungsprobleme der Klasse A-Verstärker reduzieren.Anstelle eines einzigen Transistors zur Verstärkung der gesamten Wellenform verwendet diese Klasse von Verstärkern zwei komplementäre Transistoren.

Ein Transistor verstärkt die positive Hälfte der Wellenform und der andere verstärkt die negative Hälfte der Wellenform.So leitet jedes aktive Gerät für eine Hälfte (180-Ebene-176;) der Wellenform und zwei von ihnen, wenn kombiniert das gesamte Signal verstärkt.

Die Effizienz der Klasse B Verstärker wird durch zwei Transistorgeräte deutlich verbessert.Sie können eine theoretische Effizienz von etwa 75% erreichen.Verstärker dieser Klasse werden in batteriebetriebenen Geräten wie FM-Radios und Transistoren eingesetzt.

Aufgrund der Überlagerung zweier Wellenhälften gibt es eine kleine Verzerrung an der Frequenzweiche.Um diese Signalverzerrung zu reduzieren, werden die Klasse AB Verstärker entwickelt.

Leistungsverstärker der Klasse AB

Die Klasse AB Verstärker sind eine Kombination von Klasse A und Klasse B Verstärkern.Diese Klasse von Verstärkern soll das Problem der geringeren Effizienz der Klasse A Verstärker und der Verzerrung des Signals im Crossover-Bereich der Klasse B Verstärker reduzieren.

Es erhält eine hohe Frequenzantwort wie in Klasse A-Verstärkern und gute Effizienz wie in Klasse B-Verstärkern.Eine Kombination von Dioden und Widerständen sorgt für eine geringe Vorspannung, die die Verzerrung der Wellenform in der Nähe des Frequenzübergangs verringert.Es gibt einen kleinen Rückgang der Effizienz (60%) deswegen.

Leistungsverstärker der Klasse C

Die Konstruktion von Leistungsverstärkern der Klasse C ermöglicht eine höhere Effizienz, reduziert aber die Linearität/Leitfähigkeit des Winkels, der unter 90-176liegt.Mit anderen Worten, sie opfert die Qualität der Verstärkung, um die Effizienz zu erhöhen.

Weniger Leitungswinkel impliziert größere Verzerrung und so ist diese Klasse von Verstärkern nicht für die Audioverstärkung geeignet.Sie werden in Hochfrequenz-Oszillatoren und Amplifikation von Funkfrequenzsignalen eingesetzt.

Die Klasse C-Verstärker enthalten im Allgemeinen eine abgestimmte Last, die Eingangssignale einer bestimmten Frequenz filtert und verstärkt, und die Wellenformen anderer Frequenzen werden unterdrückt.

Bei diesem Leistungsverstärker leitet das aktive Element nur dann, wenn die Eingangsspannung über einer bestimmten Schwelle liegt, was die Verlustleistung reduziert und die Effizienz erhöht.

Sonstige Power Amplifier Klassen

Die Leistungsverstärkerklassen D, E, F, G etc. werden zur Verstärkung von PWM modulierten digitalen Signalen eingesetzt.Sie fallen unter die Kategorie Schaltverstärker und schalten den Ausgang entweder ständig ein oder ständig aus, ohne dass ein anderer Level dazwischen ist.

Aufgrund dieser Einfachheit können Leistungsverstärker, die unter die oben genannten Klassen fallen, theoretische Effizienz von bis (90-100)% erreichen.

Anwendungen

Nachfolgend finden Sie die Anwendungen von Leistungsverstärkern in verschiedenen Bereichen:

  • Consumer Electronics: Audio power amplifiers are used in almost all consumer electronic devices ranging from microwave ovens, headphone drivers, televisions, mobile phones and Home theatre systems to theatrical and concert reinforcement systems.
  • Industrie: Switching type power amplifiers are used for controlling most of the industrial actuator systems like servos and DC motors.
  • Drahtlose Kommunikation: High power amplifiers are important in transmission of cellular or FM broadcasting signals to users. Higher power levels made possible because of power amplifiers increases data transfer rates and usability. They are also used in satellite communication equipment.

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