Gegentakt-Endstufe

Ein Lautsprecher mit 8 Ω braucht für 1 W schon 0,5 A Spitzenstrom – in beide Richtungen. Ein einzelner Emitterfolger könnte das nur mit einem Ruhestrom von mindestens 0,5 A, der ständig fließt und den Transistor auch in der Stille mit 6 W heizt. Die Gegentakt-Endstufe teilt die Arbeit: Ein NPN-Transistor schiebt Strom in die Last, ein PNP-Transistor zieht ihn heraus. Jeder arbeitet nur in seiner Halbwelle, und ohne Signal fließt fast nichts.

Diese Stufe steckt in nahezu jeder Audio-Endstufe, in Kopfhörerverstärkern, in Treibern für MOSFET-Gates und Motoren und im Ausgang jedes Operationsverstärkers. Hier baust du eine kleine Endstufe mit 1 W an 8 Ω, die von einem Operationsverstärker angesteuert wird.

Schaltplan

• T1 BD679 und T2 BD680: ein komplementäres Paar von Darlington-Transistoren im TO-126-Gehäuse, 80 V, 4 A, Stromverstärkung mindestens 750 bei 1,5 A. T1 liefert die positive, T2 die negative Halbwelle.
• RE1 und RE2, 0,47 Ω: Emitterwiderstände. Sie stabilisieren den Ruhestrom und machen ihn messbar.
• T3 mit R3, P1 und R4: der U_BE-Vervielfacher. Er erzeugt zwischen den Basen eine einstellbare Vorspannung von 1,7 bis 3,1 V.
• R1 und R2, 2,2 kΩ: speisen Vervielfacher und Basen mit gut 4 mA.
• U1, ½ NE5532: ein rauscharmer Operationsverstärker, hier als nichtinvertierender Verstärker mit 1 + R_f / R_g = 3,2-facher Verstärkung. Er treibt die Endstufe und gleicht deren Fehler über die Gegenkopplung aus.
• C1 1 μF und R5 47 kΩ: halten Gleichspannung von der Quelle fern und legen den Eingang auf Masse.

So funktioniert die Schaltung

T1 und T2 sind beide Emitterfolger. Ist die Basisspannung positiv, leitet T1 und hebt den Lautsprecher an; T2 sperrt. Ist sie negativ, leitet T2 und zieht den Ausgang nach unten. Weil keiner einen Ruhestrom für den anderen mitführen muss, ist der Wirkungsgrad hoch – theoretisch bis 78,5 %.

Ohne Vorspannung, im B-Betrieb, gibt es eine Lücke. Ein Darlington braucht rund 1,2 V an seinen zwei Basis-Emitter-Strecken, bevor er leitet. Zwischen −1,2 V und +1,2 V leitet keiner, der Ausgang bleibt stehen. Bei jedem Nulldurchgang entsteht ein Knick: die Übernahmeverzerrung. Sie fällt gerade bei leisen Signalen auf, weil der Knick dann einen großen Teil der Kurve ausmacht (Verzerrungen).

Im AB-Betrieb schließt eine Vorspannung zwischen den Basen die Lücke. Beide Transistoren leiten in Ruhe ein wenig, der Ruhestrom. Um den Nulldurchgang herum arbeiten kurz beide, dann übernimmt einer. Die Vorspannung liefert der U_BE-Vervielfacher: T3 regelt seine Kollektor-Emitter-Spannung so, dass an R4 genau seine Basis-Emitter-Spannung liegt. Damit gilt

Sitzt T3 auf demselben Kühlkörper wie die Endtransistoren, sinkt seine Basis-Emitter-Spannung mit deren Temperatur um etwa 2 mV/K, und die Vorspannung geht mit. Das verhindert, dass der Ruhestrom mit der Wärme wegläuft.

Den Rest erledigt der Operationsverstärker. Er vergleicht die Lautsprecherspannung über R_f und R_g mit dem Eingang und steuert so lange nach, bis das Verhältnis stimmt. Kleine Restfehler der Endstufe drückt er um seine Schleifenverstärkung herunter.

Dimensionierung

Vorgabe: 1 W Sinus an 8 Ω, ±12 V, Eingangssignal bis 0,9 V effektiv.

1. Spannung und Strom.

2. Verstärkung. 4 V / (√2 · 0,9 V) ≈ 3,1; mit R_f = 22 kΩ und R_g = 10 kΩ wird es 3,2.

3. Basisstrom und R1. Bei 0,5 A braucht ein BD679 höchstens 0,5 A / 750 ≈ 0,7 mA. In der positiven Spitze liegt seine Basis bei etwa 4 V + 0,5 A · 0,47 Ω + 1,3 V ≈ 5,5 V. Durch R1 fließen dann noch (12 V − 5,5 V) / 2,2 kΩ ≈ 3 mA: genug für die Basis und für die gut 0,6 mA, die der Vervielfacher mindestens braucht.

4. Ruhestrom. 20 mA sind für diese Leistung reichlich, um die Übernahme zu glätten. Sie zeigen sich als Spannung zwischen den beiden Emittern:

5. Vervielfacher. Die Darlingtons brauchen bei 20 mA zusammen etwa 2,3 V. Mit U_BE3 ≈ 0,62 V muss (R₃ + P₁) / R₄ ≈ 2,7 sein, also R₃ + P₁ ≈ 2,7 kΩ. Mit R3 = 1,8 kΩ und P1 = 2,2 kΩ lässt sich die Vorspannung von 0,62 V · 2,8 = 1,74 V bis 0,62 V · 5,0 = 3,1 V einstellen. Bei 1,74 V sperren beide Endtransistoren noch – das ist die sichere Startstellung.

6. Verlustleistung. Mit Sinussignal und der Last R = R_L + R_E setzt jeder Transistor im Mittel

in Wärme um, dazu 0,24 W Ruhe-Verlust. Ohne Kühlkörper hat das TO-126 100 K/W – das wären 140 K Erwärmung. Pro Transistor brauchst du einen Kühlkörper. Mit 3,12 K/W Sperrschicht–Gehäuse, 1 K/W für die isolierende Wärmeleitfolie und einem Kühlkörper mit 20 K/W wird die Sperrschicht bei 40 °C Umgebung etwa 40 °C + 1,7 W · 24 K/W ≈ 81 °C warm.

Mit 0,5 A Spitzenstrom zieht die Endstufe im Mittel 2 · 12 V · 0,5 A / π ≈ 3,8 W aus den beiden Versorgungen; für 1 W Ausgangsleistung ist das ein Wirkungsgrad von gut 26 %. Er steigt mit der Aussteuerung. Grenzen setzen hier die Spannung an R1 und R2: Ab etwa 6 V Scheitelwert (2,2 W) reicht deren Strom nicht mehr für Basis und Vervielfacher.

Bauteilliste

Varianten

Dioden statt Vervielfacher. Bei einfachen Transistoren genügen zwei Dioden 1N4148 zwischen den Basen. Der Ruhestrom ist dann nicht einstellbar und hängt stark davon ab, wie gut die Dioden zu den Transistoren passen.

Bootstrap. Ersetzt du R1 durch zwei Widerstände in Reihe und koppelst ihren Mittelpunkt über einen Elko an den Ausgang, bleibt der Strom in die Basis von T1 auch in der positiven Spitze konstant. So kommt der Ausgang näher an die Versorgung.

Einfache Versorgung. Mit nur +24 V liegt der Ausgang in Ruhe auf 12 V, und der Lautsprecher bekommt einen Koppel-Elko von 2200 μF. Das spart das negative Netzteil.

Fertige ICs. Für den Alltag sind ein LM386-Verstärker (bis 1 W) oder ein Class-D-IC meist einfacher. Für Kopfhörer zeigt der Kopfhörerverstärker eine kleinere Version.

Typische Fehler

• Ruhestrom läuft weg, Transistoren werden heiß: Thermische Kopplung von T3 fehlt, oder P1 stand beim Einschalten auf Maximum. Sofort ausschalten, P1 auf 0 Ω, neu einstellen.
• Knistern bei leiser Musik: Ruhestrom zu klein. Spannung über den Emitterwiderständen prüfen.
• Schwingt im Ultraschallbereich, Transistoren warm ohne Signal: Mit dem Oszilloskop am Ausgang nachsehen. Ein Boucherot-Glied aus 10 Ω und 100 nF vom Ausgang nach Masse und kurze Gegenkopplung helfen.
• Kurzschluss über den Kühlkörper: Beim TO-126 ist die Metallfläche der Kollektor. Ohne Isolierscheibe verbinden sich +12 V und −12 V über einen gemeinsamen Kühlkörper.
• Brummen: Masseführung prüfen; Lautsprecher-Masse und Eingangsmasse nur an einem Punkt am Netzteil zusammenführen (Masse, Erde und Ground).

Selbsttest