Zusätzlich zur Verstärkung mit dem OpAmp werden wir jetzt noch eine Push-Pull-Stufe verwenden, um die Ausgangsleistung weiter zu erhöhen.
Nutzung einer Push-Pull-Stufe
In den letzten Teilen dieses Projekts haben wir bereits viele Maßnahmen zur Verstärkung unseres erzeugten Wechselstromsignals umgesetzt. Doch obwohl wir einen Operationsverstärker verwendet haben, um sowohl Strom als auch Spannung unseres Signals zu verstärken, ist die Ausgangsleistung unserer Schaltung immer noch sehr begrenzt. Das liegt vor allem daran, dass der LM358 allein nicht in der Lage ist, höhere Ströme zu liefern. Um dieses Problem zu lösen, werden wir eine externe Push-Pull-Stufe aus Transistoren verwenden.
Eine Push-Pull-Stufe ist eine gängige Lösung um den Ausgangsstrom eines Operationsverstärkers zu verstärken. Tatsächlich enthält der LM358 bereits eine solche Push-Pull-Stufe als Ausgangsstufe. Sie ist nur nicht leistungsfähig genug für uns. Wenn wir eine externe Push-Pull-Stufe verwenden, können wir die Transistoren entsprechend der gewünschten Ausgangsleistung wählen. Für dieses Projekt habe ich mich für die Transistoren BC337 (NPN) und BC327 (PNP) entschieden. Diese Transistoren sind für Verstärkerschaltungen ausgelegt und vertragen einen kontinuierlichen Strom von 800 mA. Sie können ohne externe Kühlung 625 mW an Wärme abführen. Natürlich gibt es leistungsfähigere Transistoren, aber diese sollten für unseren Anwendungsfall genügen. Es steht dir frei, sie durch ein leistungsstärkeres, aufeinander abgestimmtes Transistorpaar zu ersetzen, wenn du eine höhere Ausgangsleistung benötigst.
Wie funktioniert eine Push-Pull-Stufe? Eine Push-Pull-Stufe besteht aus mindestens zwei Transistoren: einem, der die Ausgangsspannung anhebt, und einem, der sie gegen Masse zieht. Das Bild unten zeigt, wie eine Push-Pull-Stufe in Verbindung mit einem Operationsverstärker verwendet wird.
Mit Ausnahme der Push-Pull-Stufe selbst bleibt die Verstärkerschaltung gleich und hat immer noch eine Spannungsverstärkung von 2. Anstelle des Ausgangs des Operationsverstärkers wird nun der Ausgang der Push-Pull-Stufe für die Rückkopplung verwendet. Ist die Spannung zwischen den beiden Transistoren kleiner als die doppelte Eingangsspannung, steigt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers aufgrund der positiven Spannungsdifferenz zwischen seinen Eingängen. Eine steigende Ausgangsspannung des Operationsverstärkers bewirkt, dass die Leitfähigkeit des NPN-Transistors zunimmt. Dadurch wird die Ausgangsspannung in Richtung der Versorgungsspannung gezogen. Der NPN-Transistor beginnt zu leiten, sobald seine Basisspannung etwa 0,7 V über seiner Emitterspannung liegt. Analog dazu beginnt der PNP-Transistor zu leiten, sobald seine Basisspannung 0,7 V unter seiner Emitterspannung liegt. Das heißt, wenn die Ausgangsspannung höher als erwartet ist und die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers aufgrund der negativen Spannungsdifferenz verringert wird, beginnt der PNP-Transistor zu leiten und zieht die Ausgangsspannung der Push-Pull-Stufe gegen Masse.
Da beide Transistoren etwa 0,7 V als Basis-Emitter-Spannung benötigen, um zu leiten, muss der Ausgangsbereich des Operationsverstärkers größer sein als die Spitze-Spitze-Spannung des verstärkten Signals. Wir werden den Code aus dem letzten Teil dieses Projekts wiederverwenden. Die minimale Spannung in der erzeugten Sinuswelle beträgt demnach 1,5 V und die maximale Spannung ist 8,5 V. Die maximale Spannung von 8,5 V sollte kein Problem darstellen, wenn wir eine Versorgungsspannung von 12 V verwenden. Aber was ist mit der unteren Grenze? Glücklicherweise sind auch die 1,5 V innerhalb der Limits. Die minimal mögliche Spannung beträgt 1,4 V, da wir 0,7 V benötigen, um den externen PNP-Transistor einzuschalten, und weitere 0,7 V für den Transistor im LM358. Zusammengefasst ist die gute Nachricht, dass wir den Code nicht anpassen müssen und sofort mit dem Aufbau der neuen Verstärkerschaltung beginnen können.
Aufbau der Schaltung
Für unsere Wechselstromquelle benötigen wir zwei Verstärkerschaltungen mit Push-Pull-Stufe. Die erste ist wieder für die Verstärkung des Sinussignals und die zweite für unsere künstliche Massereferenz. Die Last wird zwischen diesen beiden Verstärkerschaltungen angeschlossen, wie im folgenden Schaltplan erkennbar ist:
Auch diesmal können wir den MCP4725 oder die PWM-DAC-Schaltung verwenden, um das Sinussignal zu erzeugen. Wähl deine favorisierten Option und baue die Schaltung wie unten gezeigt auf:
Die Gesamtschaltung wird immer komplizierter, aber die zusätzliche Push-Pull-Stufe ist es wert. Sie ermöglicht es uns, die Ausgangsleistung unserer Schaltung deutlich zu erhöhen und gibt uns die Möglichkeit, sie durch den Einsatz leistungsfähigerer Transistoren noch weiter zu steigern. Wie du sehen kannst, habe ich den 220 Ω Lastwiderstand durch einen 51 Ω Widerstand ersetzt. Dank der Push-Pull-Stufe bleibt das Ausgangssignal stabil.
Das Ergebnis
Werfen wir einen Blick auf das Ergebnis. Wie schon gesagt, bleibt das Ausgangssignal auch bei größerer Last stabil. Wir erhalten immer noch ein sauberes Sinussignal mit einer Amplitude von 3,5 V.
Aber was ist die maximale Ausgangsleistung dieser Schaltung? Nun, die Ausgangsleistung wird durch die Strom- und die Verlustleistungsgrenze der Transistoren definiert. In unserem Fall ist letzteres das wichtigere Maß. Unsere Transistoren erlauben eine maximale Verlustleistung von 625 mW ohne Kühlung. Aber wie können wir die Verlustleistung für die Transistoren und unsere Last berechnen?
Für die Last ist das ganz einfach. Die Effektivspannung unserer erzeugten Sinuswelle beträgt ungefähr 2,5 V. Mit diesem Wissen können wir einfach das Ohmsche Gesetz anwenden und den Strom berechnen, der durch den Lastwiderstand fließt, um anschließend die Leistung mit der Formel \(P = U_{eff} \cdot I_{eff}\) zu ermitteln. Für 51 Ω beträgt das Ergebnis ca. 120 mW.
Die Berechnung der Verlustleistung für die Transistoren ist etwas schwieriger. Als Näherung können wir den Spannungsabfall über dem Transistor mit dem Strom multiplizieren, der durch den Widerstand fließt. Bei dieser Näherung unterscheiden wir nicht zwischen Basis- und Kollektorstrom. Da der Basisstrom sehr viel kleiner als der Kollektorstrom ist, ist die Näherung auch dann noch gut, wenn wir annehmen, dass der gesamte Strom durch den Kollektor fließt. Eine weitere Tatsache, die wir beachten müssen, ist, dass jeder Transistor nur für die Hälfte der Zeit eingeschaltet ist. Bei der positiven Halbwelle fließt der Strom vom oberen linken Transistor durch die Last und den unteren rechten Transistor zur Masse. Bei der negativen Halbwelle sind die beiden anderen Transistoren aktiv. Um die durchschnittliche Verlustleistung zu ermitteln, müssen wir den berechneten Wert also durch zwei teilen.
Ich werde hier nicht weiter ins Detail gehen und den Spannungsabfall und die durchschnittliche Verlustleistung für jeden Transistor berechnen, stattdessen habe ich ein kleines Tool erstellt, das die entsprechenden Werte für die angegebene Last ermittelt:
Das Tool zeigt, dass der kleinstmögliche Lastwiderstand 14 Ω ist. Mit diesem Widerstand erreichen wir einen Strom von ungefähr 175 mA und eine Ausgangsleistung von etwa 0,4 W. Bei kleineren Widerstandswerten übersteigt die Verlustleistung im oberen rechten Transistor den maximal zulässigen Wert: Der Transistor überhitzt. Der Grund, warum der obere rechte Transistor schneller überhitzt als die anderen, ist, dass hier die Kollektor-Emitter-Spannung die höchste ist. Um die Ausgangsspannung von 5 V bei einer Versorgungsspannung von 12 V zu erreichen, müssen ganze 7 V über diesem Transistor abfallen.
Verglichen mit der Ausgangsleistung unserer vorherigen Schaltung, die etwa 10 mA Ausgangsstrom (~ 25 mW) liefern konnte, haben wir eine große Verbesserung erzielt. Es ist aber auch klar, dass unsere Schaltung nicht besonders effizient ist. Der Wirkungsgrad der Verstärkerschaltung beträgt nur etwa 20 %. Der ungefähre Wirkungsgrad lässt sich ziemlich einfach berechnen: Teile einfach die Gesamtleistung durch die Leistung für den Lastwiderstand. Die benötigte Leistung für den Mikrocontroller und den Spannungsteiler wird bei dieser Berechnung nicht berücksichtigt. Im nächsten Teil dieses Projekts werden wir uns ansehen, wie wir unsere Schaltung weiter verbessern und ihren Wirkungsgrad erhöhen können.
