Om het volledige vermogensefficiëntie van de vorige klasse A versterker te verbeteren door het verspilde vermogen in de vorm van warmte te verminderen, is het mogelijk de vermogensversterkerschakeling te ontwerpen met twee transistoren in de eindtrap, waardoor wat gewoonlijk een klasse B versterker wordt genoemd, ook wel bekend als een push-pull versterkerconfiguratie, ontstaat.
Push-pull versterkers gebruiken twee “complementaire” of bij elkaar passende transistoren, waarvan de ene van het NPN-type is en de andere van het PNP-type, waarbij beide vermogenstransistoren samen hetzelfde ingangssignaal ontvangen dat gelijk is in magnitude, maar in tegenfase ten opzichte van elkaar. Dit heeft tot gevolg dat één transistor slechts de helft of 180o van de ingangsgolfvormcyclus versterkt, terwijl de andere transistor de andere helft of resterende 180o van de ingangsgolfvormcyclus versterkt, waarbij de resulterende “twee helften” aan de uitgangsklem weer worden samengevoegd.
Dan is de geleidingshoek voor dit type versterkerschakeling slechts 180o of 50% van het ingangssignaal. Dit duwende en trekkende effect van de afwisselende halve cycli door de transistors geeft dit type schakeling zijn amusante “push-pull” naam, maar zijn meer algemeen bekend als de Klasse B versterker zoals hieronder afgebeeld.
Klasse B Push-pull versterkerschakeling met transformator
Het bovenstaande circuit toont een standaard klasse B versterkerschakeling die gebruik maakt van een gebalanceerde “center-tapped” ingangstransformator, die het inkomende golfvormsignaal in twee gelijke helften splitst en die 180o uit fase met elkaar zijn. Een andere “center-tapped” transformator aan de uitgang wordt gebruikt om de twee signalen te recombineren en zo het verhoogde vermogen aan de belasting te leveren. De transistors die voor dit type transformator push-pull versterkerschakeling worden gebruikt, zijn beide NPN-transistors waarvan de emitteraansluitingen met elkaar zijn verbonden.
Hier wordt de belastingsstroom verdeeld over de twee vermogenstransistorapparaten, aangezien deze in het ene apparaat afneemt en in het andere toeneemt gedurende de gehele signaalcyclus, waardoor de uitgangsspanning en -stroom tot nul worden gereduceerd. Het resultaat is dat beide helften van de uitgangsgolfvorm nu schommelen van nul tot tweemaal de ruststroom, waardoor de dissipatie wordt verminderd. Dit heeft tot gevolg dat het rendement van de versterker bijna verdubbelt tot ongeveer 70%.
Aannemende dat er geen ingangssignaal aanwezig is, dan voert elke transistor de normale ruststroom van de collector, waarvan de waarde wordt bepaald door de basis bias die zich op het scheidingspunt bevindt. Als de transformator nauwkeurig is gecentreerd, dan zullen de twee collectorstromen in tegengestelde richting vloeien (ideale toestand) en zal er geen magnetisatie van de transformatorkern optreden, zodat de kans op vervorming minimaal is.
Wanneer een ingangssignaal aanwezig is over de secundaire van de stuurstroomtransformator T1, staan de basisingangen van de transistor in “tegenfase” ten opzichte van elkaar, zoals afgebeeld, dus als de basis van TR1 positief wordt en de transistor in zware geleiding brengt, zal zijn collectorstroom toenemen, maar tegelijkertijd zal de basisstroom van TR2 negatief worden en verder in afsnijding gaan, waardoor de collectorstroom van deze transistor met een gelijk bedrag afneemt en omgekeerd. De negatieve helften worden dus versterkt door de ene transistor en de positieve helften door de andere transistor, waardoor dit push-pull effect ontstaat.
In tegenstelling tot de gelijkstroomtoestand zijn deze wisselstromen ADDITIEF, waardoor de twee uitgangshelften worden gecombineerd tot de sinusgolf in de primaire wikkeling van de uitgangstransformator, die vervolgens over de belasting verschijnt.
De werking van een klasse B versterker heeft een DC-bias van nul, aangezien de transistors een bias hebben bij de cut-off, zodat elke transistor alleen geleidt wanneer het ingangssignaal groter is dan de Base-emitter spanning. Bij nul ingangssignaal is er dus nul uitgangssignaal en wordt er geen stroom verbruikt. Dit betekent dat het eigenlijke Q-punt van een klasse B versterker op het Vce-deel van de belastingslijn ligt, zoals hieronder is weergegeven.
Klasse B Uitgangskarakteristieken
De Klasse B-versterker heeft het grote voordeel ten opzichte van zijn klasse A-versterkerneefjes dat er geen stroom door de transistors loopt wanneer deze zich in hun rusttoestand bevinden (d.w.z, bij afwezigheid van een ingangssignaal) geen stroom door de uitgangstransistors of de transformator gaat wanneer er geen signaal aanwezig is. Dit in tegenstelling tot klasse A versterkertrappen die een aanzienlijke basisspanning vereisen en daardoor veel warmte afgeven – zelfs wanneer er geen ingangssignaal aanwezig is.
Dus is het totale omzettingsrendement ( η ) van de versterker groter dan dat van de equivalente klasse A met rendementen tot 70% mogelijk, wat resulteert in bijna alle moderne types push-pull versterkers die in deze klasse B mode werken.
Transformatorloze klasse B Push-Pull versterker
Eén van de belangrijkste nadelen van de bovenstaande klasse B versterkerschakeling is dat bij het ontwerp gebalanceerde middentaptransformatoren worden gebruikt, waardoor het duur is om te bouwen. Er is echter een ander type klasse B versterker, de Complementair-Symmetrie klasse B versterker, die geen gebruik maakt van transformatoren.
Aangezien er geen transformatoren nodig zijn maakt dit de versterkerschakeling veel kleiner voor hetzelfde uitgangssignaal, ook zijn er geen zwervende magnetische effecten of transformatorvervorming die de kwaliteit van het uitgangssignaal beïnvloeden. Een voorbeeld van een “transformatorloze” klasse B versterkerschakeling is hieronder gegeven.
Klasse B transformatorloze eindtrap
De bovenstaande klasse B versterkerschakeling maakt gebruik van complementaire transistors voor elke helft van de golfvorm en hoewel klasse B versterkers een veel hogere versterking hebben dan de klasse A types, een van de belangrijkste nadelen van klasse B push-pull versterkers is dat ze lijden aan een effect dat bekend staat als Crossover Distortion.
opelijk herinneren we ons uit onze tutorials over transistoren dat er ongeveer 0,7 volt nodig is (gemeten van basis tot emitter) om een bipolaire transistor te laten geleiden. In een zuivere klasse B versterker zijn de uitgangstransistors niet “pre-biased” naar een “ON” werktoestand
Dit betekent dat het gedeelte van de uitgangsgolfvorm dat onder dit 0.7 volt-venster niet nauwkeurig zal worden gereproduceerd als de overgang tussen de twee transistors (bij het overschakelen van de ene transistor naar de andere), de transistors niet precies op het nul-overgangspunt stoppen of beginnen te geleiden, zelfs als het speciaal op elkaar afgestemde paren zijn.
De uitgangstransistors voor elke helft van de golfvorm (positief en negatief) zullen elk een 0,7 volt-gebied hebben waarin ze niet geleiden. Het resultaat is dat beide transistors op precies hetzelfde moment “UIT” staan.
Een eenvoudige manier om crossover-vervorming in een klasse B versterker te elimineren is door twee kleine spanningsbronnen aan de schakeling toe te voegen om de beide transistors te bias-en op een punt iets boven hun uitschakelpunt. Dit zou ons dan wat gewoonlijk een klasse AB versterkerschakeling wordt genoemd, geven. Het is echter onpraktisch om extra spanningsbronnen aan de versterkerschakeling toe te voegen, dus worden PN-verbindingen gebruikt om de extra bias te leveren in de vorm van silicium diodes.
De klasse AB-versterker
We weten dat de basis-emitterspanning groter dan 0,7 V moet zijn om een silicium bipolaire transistor te laten geleiden, dus als we de twee spanningsdelerweerstanden die op de basisterminals van de transistors zijn aangesloten zouden vervangen door twee silicium diodes. De op de transistors aangelegde voorspanning zou nu gelijk zijn aan de voorwaartse spanningsval van deze diodes. Deze twee diodes worden in het algemeen “Biasing Diodes” of “Compensating Diodes” genoemd en worden zo gekozen dat zij overeenstemmen met de karakteristieken van de bijpassende transistors. De onderstaande schakeling toont de biasing van de diodes.
Klasse AB-versterker
De schakeling van de klasse AB-versterker is een compromis tussen de klasse A- en de klasse B-configuraties. Deze zeer kleine diodevoorspanning zorgt ervoor dat beide transistors licht geleiden, zelfs wanneer er geen ingangssignaal aanwezig is. Een ingangssignaal zal de transistors in hun actieve gebied normaal doen werken, waardoor elke cross-over vervorming die in zuivere klasse B versterkerontwerpen aanwezig is, wordt geëlimineerd.
Er zal een kleine collectorstroom vloeien wanneer er geen ingangssignaal aanwezig is, maar deze is veel minder dan die voor de klasse A versterkerconfiguratie. Dit betekent dat de transistor meer dan een halve cyclus van de golfvorm “AAN” zal zijn, maar veel minder dan een volledige cyclus, hetgeen een geleidingshoek oplevert van 180o tot 360o of 50% tot 100% van het ingangssignaal, afhankelijk van de mate van extra biasing die wordt gebruikt. De hoeveelheid diodespanning aan de basis van de transistor kan in veelvoud worden verhoogd door extra diodes in serie toe te voegen.
Klasse B versterkers hebben sterk de voorkeur boven klasse A ontwerpen voor hoog-vermogen toepassingen zoals audio eindversterkers en PA-systemen. Net als bij de klasse A versterkerschakeling kan de stroomversterking ( Ai ) van een klasse B push-pull versterker sterk worden verhoogd door het gebruik van Darlington transistorparen in plaats van enkelvoudige transistoren in de uitgangsschakelingen.
In de volgende tutorial over versterkers zullen we dieper ingaan op de effecten van Crossover Distortion in klasse B versterkerschakelingen en manieren om dit effect te verminderen.
