komplementär symmetrische Differential Endstufe

complementary symmetric schematic

Hinter dem etwas spektakulären Namen verbirgt sich ein Schaltungsprinzip, welches zwei symmetrisch parallel geschaltete, komplementäre Verstärker beinhaltet. Im Bereich geringer Aussteuerung , im Klasse A Bereich, arbeiten beide Verstärkerzweige parallel. Im Klasse B Bereich wechseln sich die beiden komplementären Verstärkerzweige bei positiven und negativen Ausgangsspannungen ab. Dieses Endstufen Schaltungsprinzip gibt es bereits seit den 1980-er Jahren, kurz nach dem Silizium pnp Leistungstransistoren in Massen hergestellt werden konnten. Bis dahin gab es nur quasikomplementäre Endstufen. Differenzial Endstufen sind es, weil am Eingang der beiden komplementären Verstärkerzweige jeweils ein Differenzverstärker werkelt. Damit wird jeder der beiden komplementären Leistungstransistoren separat kontrolliert und es werden auch keine ausgesuchten Endtransistor Pärchen benötigt. Diese Endstufe ist dauerlastkurzschlussfest. Der Ausgangsspitzenstrom wird nach ca. 1ms auf +/-10A begrenzt. Für weniger als 1ms können ca. +/-15 A Spitzen Ausgangsstrom abgegeben werden. Bei Lautssprecher Impedanzen unter 3 Ohm erreicht der Verstärker nicht mehr seine volle Ausgangsleistung und geht entsprechend eher in die Begrenzung. An 2 Ohm werden nur noch max. 100 Watt Sinusleistung abgegeben.
Ich habe bei dieser Version nun konsequent versucht, mit möglichst wenig Bauteilen auszukommen und trotzdem die exzellenten klanglichen Eigenschaften dieser Endverstärker Bauart zu bewahren.

Ohne Änderung der Endstufenschaltung können hier als Endtransistoren wahlweise komplementäre

-bipolare Darlington Leistungstransistoren (z.B. TIP142(NPN)/TIP147(PNP))
-Mosfets "HEXFET" (z.B. IRFP240(N-Kanal)/IRFP9240(P-Kanal)) oder auch
-isolated Gate bipolar Transistoren, z.B. GT20D201 (P-Kanal IGBT) und GT20D101 (N-Kanal IGBT)

eingesetzt werden.

Bipolare Darlington Leistungstransistoren ermöglichen in dieser Schaltung den größten Ausgangsspannungshub, da sie die kleinste Ansteuerspannung von nur etwa 1,5Volt benötigen.
Die genannten Mosfets und IGBT's benötigen etwa 5..6 Volt Gate-Source bzw. Gate-Emitter Spannung um Ströme von 10 Ampere oder mehr abzugeben.
Zieht man noch weitere 2Volt ab, welche an den Emitter- (bzw. Source) Widerständen der Endtransistoren bei 10 Ampere Lastrom abfallen,
sind das nur ca. +/-32 Volt maximaler Ausgangsspannungshub bei MOSFET und IGBT Endtransistoren gegenüber +/-35 Volt bei der bipolaren Version.
Bei 4 Ohm sind das 35 Watt RMS Leistung mehr also 180W (RMS) bei der bipolaren Version gegenüber 145W (RMS) bei der Verwendung von MOSFET oder IGBT.

Die bipolare Version ist recht temperaturstabil. Im Bereich zwischen 1 und 50 Grad Celsius "wandert" der Ruhesrtom gerade mal um den Faktor 2 mit einem positiven Temperaturkoeffizienten.

Beispielsweise haben wir bei 1 Grad Celsius 38mA Ruhestrom und bei 50 Grad knapp 80mA.

Die unipolare Mosfet Version hat erwartungsgemäß einen negativen Temperaturkoeffizienten und "wandert" etwa mit dem Faktor 3 im Bereich zwischen 1 und 50 Grad.

FFT

frequ

Allerdings ist bei den bipolaren Leistungstransistoren beim Übergang vom leitenden in den Sperrzustand (und zurück) ein verhältnismäßig großer Umladestrom an der Basis nötig,
der minimale Schaltverzerrungen erzeugt, die durch die Gegenkopplung nicht gänzlich unterbunden werden können.
Mosfets und vor allem IGBT'S schalten da ungleich effektiver und vor Allem schneller und erzeugen diese Schaltverzerrungen kaum.

Mosfet Version:

Ausgangsleistung:    150Watt RMS
Lastwiderstand:        4 Ohm
bei Klirrfaktor:    < 0.007%
untere Grenzfrequenz:    3Hz (-1dB)
obere Grenzfrequenz:    350kHz (-1dB)
Phasenverschiebung <3Grad zwischen 35Hz und 50kHz
Slew rate:        ca. 40V/µS


Bipolar Version:
Ausgangsleistung:    183Watt RMS
Lastwiderstand:        4 Ohm
bei Klirrfaktor:    < 0.010%
untere Grenzfrequenz:    3Hz (-1dB)
obere Grenzfrequenz:    350kHz (-1dB)
Phasenverschiebung <3Grad zwischen 35Hz und 50kHz
Slew rate:        ca. 40V/µS

complementary symmetric 3D

complementary symmetric PCB