Nederlands
Menu

Klasse A, AB en D versterkers: werking, rendement en vervorming vergeleken

De klasse van een versterker beschrijft hoe de uitgangstransistors worden aangestuurd. Een klasse A-versterker laat gedurende de hele signaalperiode stroom door de transistor lopen; de vervorming is het kleinst, maar hij verbruikt ook zonder signaal vermogen en het rendement is zelfs theoretisch maar 25% of 50%. Klasse AB is klasse B, waarbij twee transistors de positieve en negatieve halve periode verdelen, met een kleine ruststroom om cross-oververvorming te onderdrukken; het rendement benadert het theoretische maximum van klasse B van ongeveer 78,5%. Klasse D schakelt de transistors als schakelaars aan en uit en zet pulsen zoals PWM met een filter terug in het oorspronkelijke signaal, waardoor bij groot uitgangsvermogen een hoog rendement van rond de 90% wordt gehaald.

KenmerkKlasse AKlasse ABKlasse D
WerkingEr loopt altijd stroom door de transistor (lineair gebied) en de stroom neemt toe en af met het signaalTwee transistors in push-pull verdelen de positieve en negatieve halve periode. Er loopt een kleine ruststroomDe transistors schakelen als schakelaars aan en uit; het signaal wordt omgezet in pulsen zoals PWM, versterkt en met een LC-laagdoorlaatfilter teruggezet
Geleidingshoek (deel van de periode waarin één transistor stroom voert)360° (hele periode)Groter dan 180° en kleiner dan 360° (klasse B: 180°)Wordt volledig aan of uit gebruikt en wordt dus niet naar geleidingshoek ingedeeld
Theoretisch maximaal rendement25% (met een ohmse belasting in serie). 50% bij koppeling via een transformator of smoorspoelIets lager dan de ongeveer 78,5% (π/4) van klasse B100% met ideale schakelaars. In de praktijk rond de 90% bij groot uitgangsvermogen
Rendement bij laag uitgangsvermogenZeer laag. Verbruikt ook zonder signaal hetzelfde vermogenDaalt met het uitgangsvermogen, maar is veel beter dan bij klasse ABlijft gemakkelijk hoog (bij zeer laag uitgangsvermogen neemt het aandeel van de schakelverliezen toe)
VervormingHet kleinst. Geen cross-oververvormingKlein. Ruststroom en tegenkoppeling onderdrukken de cross-oververvormingVervorming door dode tijd, onvolmaakt schakelen en schommelingen in de voeding. Te verkleinen met onder meer tegenkoppeling
WarmteontwikkelingHet grootst. Maximaal zonder signaalGemiddeld. Vaak is een koellichaam nodigKlein. Het koellichaam kan kleiner of overbodig worden
Ruis en EMIGeen schakelruisGeen schakelruisEMI door schakelen op enkele honderden kHz tot enkele MHz. Uitgangsfilter en bedrading vragen aandacht
Schakeling en componentenEenvoudig. Kan met één transistor worden gebouwdEen paar uitgangstransistors en een biasschakelingPulsmodulator, gate-driver en uitgangsfilter (spoel en condensator)
Belangrijkste toepassingenVersterking van kleine signalen, voorversterkers, drivertrappen die de volgende trap aansturen en sommige high-end audioAudio-eindversterkers, hoofdtelefoonversterkers en uitgangstrappen van opampsAansturing van luidsprekers in smartphones en tv's, autoaudio, draagbare luidsprekers en versterkers met groot vermogen

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Klasse A
Wanneer het uitgangsvermogen klein is en minimale vervorming voorop staat. Versterking van kleine signalen, voorversterkers en drivertrappen die de volgende trap aansturen.
Klasse AB
Wanneer lage vervorming en rendement allebei belangrijk zijn. Audio-eindversterkers, hoofdtelefoonversterkers en uitgangstrappen van opamps en buffers.
Klasse D
Wanneer een lange batterijduur gewenst is, wanneer warmte en koellichaam klein moeten blijven of wanneer een groot uitgangsvermogen nodig is. Luidsprekers van smartphones en tv's en autoaudio.

Veelgestelde vragen

Waarom heeft klasse A twee maximale rendementen, 25% en 50%?

Omdat de belasting op verschillende manieren wordt aangesloten. Staat de belastingsweerstand in serie met de transistor, dan loopt er ook gelijkstroom door de belasting die vermogen verspilt, en is het theoretische maximum 25%. Bij koppeling via een transformator of smoorspoel gaat het gelijkstroomvermogen niet in de belasting verloren en kan de uitgangsspanning tot tweemaal de voedingsspanning zwaaien, waardoor het maximum 50% wordt.

Wat is cross-oververvorming?

Bij push-pull in klasse B ontstaat, wanneer het signaal rond nul passeert, een gebied waarin geen van beide transistors aan staat, waardoor de uitgangsgolfvorm vervormt. Bij bipolaire transistors komt dat doordat er pas stroom loopt als er ongeveer 0,6 tot 0,7 V tussen basis en emitter staat. Klasse AB laat een kleine ruststroom lopen om dit gebied te laten verdwijnen.

Staat de D in klasse D voor digitaal?

Nee. De naam volgt gewoon op klasse A, B en C en betekent niet digitaal. Veel klasse D-versterkers werken met een analoog ingangssignaal dat met een comparator wordt vergeleken met een driehoeksgolf en zo wordt omgezet in PWM-pulsen.

Waarom is het rendement van klasse D zo hoog?

Omdat de uitgangstransistors volledig aan of volledig uit worden gebruikt. Aan staat er vrijwel geen spanning over, uit loopt er vrijwel geen stroom, zodat er weinig vermogen in de transistor als warmte verloren gaat. Wat overblijft zijn verliezen door de aan-weerstand, verliezen tijdens het omschakelen en het vermogen voor het aansturen van de gate.

Test uw begrip

Welke uitspraak over de kenmerken van een klasse-B-push-pull-versterker in vergelijking met een klasse-A-versterker is juist?

  1. AHet rendement is laag, maar de vervorming is zeer klein
  2. BEr vloeit altijd een grote bias-stroom
  3. CHet vermogensrendement is hoog (theoretisch maximaal circa 78,5%), maar er treedt gemakkelijk crossover-vervorming op
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Het vermogensrendement is hoog (theoretisch maximaal circa 78,5%), maar er treedt gemakkelijk crossover-vervorming op

Klasse A laat steeds een grote bias-stroom vloeien, zodat de vervorming klein is, maar het theoretische maximale rendement is laag: 25% bij een resistieve belasting en 50% bij transformatorkoppeling, en er wordt ook zonder signaal warmte ontwikkeld. Klasse B laat bij afwezigheid van een signaal vrijwel geen stroom vloeien, zodat het rendement hoog is, maximaal circa 78,5% (π/4), maar bij de omschakeling van de uitgang treedt crossover-vervorming op. In de praktijk worden klasse AB, waarbij een kleine bias-stroom vloeit, en het nog efficiëntere klasse D gebruikt.

Welke vervorming treedt gemakkelijk op bij een klasse-B-push-pullversterker waarin NPN- en PNP-transistoren de positieve en negatieve halve perioden verdelen?

  1. AKwantisatiefout
  2. BAliasing
  3. CCrossover-vervorming
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Crossover-vervorming

Bij een klasse-B-push-pull ontstaat, als de ingang rond 0 ligt, een gebied waarin geen van beide transistoren geleidt omdat VBE de circa 0,6 V niet bereikt, waardoor de golfvorm bij de overgang wordt vervormd. Dit is crossover-vervorming, die bij een laag volume het meest opvalt. Zij wordt verminderd door met diodes of een VBE-multiplier een bias van circa 1,2 V aan te leggen en een kleine stroom te laten vloeien (klasse AB). De uitgangstrap van de meeste audioversterkers is klasse AB.

Welke waarde benadert het maximale vermogensrendement van een ideale klasse-B-push-pullversterker het best?

  1. ACirca 100%
  2. BCirca 78,5%
  3. CCirca 25%
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Circa 78,5%

Bij klasse B werken de twee transistoren elk een halve periode en vloeit zonder signaal vrijwel geen stroom. Het rendement bij een sinus met maximale amplitude is theoretisch ten hoogste π/4 ≈ 78,5%, hoger dan bij klasse A met een continue bias-stroom (25% bij een resistieve belasting en 50% bij transformatorkoppeling). Voor toepassingen met een nog hoger gewenst rendement wordt klasse D gebruikt (90% of meer), waarbij transistoren als schakelaar werken; dit is de standaard bij versterkers in smartphones en dunne tv's.

  1. Hoe heet de gelijkspannings- en gelijkstroomtoestand van de transistor in een versterker wanneer er geen ingangssignaal is?
  2. Welke methode wordt bij microcontrollers veel gebruikt om de helderheid van een LED of het toerental van een motor te regelen?

Oefenvragen over Analoge en elektronische schakelingen

Belangrijke termen uitgelegd

Overnamevervorming (crossover distortion)
Vervorming in een klasse-B-balansversterker die optreedt rond 0 V, waar de transistors voor de positieve en negatieve halve periode elkaar afwisselen en geen van beide geleidt. Wordt verminderd in klasse AB, waar een kleine voorspanning wordt toegepast.
PWM (pulsbreedtemodulatie)
Methode waarbij bij een vaste periode de tijd dat de uitgang hoog is wordt gevarieerd om de gemiddelde spanning of het vermogen in te stellen. Wordt gebruikt voor het regelen van de helderheid van leds of de snelheid van motoren.
Negatieve terugkoppeling
Een deel van de uitgang met tegengestelde polariteit naar de ingang terugvoeren. De versterking daalt, maar de winst wordt stabieler en vervorming en bandbreedte verbeteren.

Verwante vergelijkingen