Stromgesteuerter Audio-Verstärker

Es wird viel über sogenannten „Röhrenklang“ diskutiert, aber der Begriff „Transistorklang“ taucht nicht einmal auf. Dass es einen hervorragenden Transistorklang wirklich geben kann, soll eine ausgetestete Schaltung belegen, die bewusst auf eine Gesamt-Gegenkopplung verzichtet.

von Walter Orlov

Wer schon mal versucht hat, einen Leistungsverstärker aus diskreten Bauteilen von Grund auf selbst zu entwerfen, der dürfte schnell die Freude daran verloren haben: Man könnte gleich einen Mülleimer für durchgebrannte Leistungstransistoren bereitstellen. Das eigentliche Übel kommt von der Gegenkopplung direkt über alle Stufen, die sich bei Nachlässigkeiten in der Auslegung zur Mitkopplung wandelt und den Verstärker zu hochfrequenten Schwingungen anregt. Aber es geht auch ohne diese Gegenkopplung „über alles“. Dafür muss aber ein ganz neues Konzept zum Einsatz kommen.

Transistor-Problematik

Bipolare Transistoren haben bei Spannungssteuerung im Unterschied zu den Elektronenröhren einen ziemlich abrupten Einsatz des Kollektorstroms. Als Folge klangen primitive Transistorverstärker schlechter als ihre Röhrenvorgänger. Deswegen greift die moderne HiFi-Branche gern auf MOSFET-Transistoren zurück; deren Charakteristiken ähneln den von den Röhren, aber aus meiner Sicht sind sie gerade an kritischer Stelle doch deutlich schlechter: Ich meine die Transferkurven. Während sie bei den Röhren fast von Anfang an und bis zur Überlastung einigermaßen linear sind, sind sie bei den MOSFETs gekrümmt.

Es gibt hier zwar eine schmale lineare Zone, aber nur bei Strömen, bei denen die Transistoren schon beinahe sterben. Kurzum: Man kann MOSFETs für einen qualitativ guten Klang nicht ohne Gegenkopplung betreiben. Die Verstärker-Klasse A ist hier keine große Hilfe, und ich habe lange überlegt, wie es anders gehen könnte. Eines erstaunte mich dabei: Wie geschmeidig doch die Stromkurven von bipolaren Transistoren verlaufen, besonders am Anfang!

Hier können sie an Linearität die MOSFETs weit übertreffen. Vielleicht stimmt dann mit dem Schaltungsprinzip irgendetwas nicht? Die ersten Schaltpläne wurden bei der Röhrenelektronik abgeguckt, auch wenn die Transistoren anders als Röhren arbeiten: Sie verstärken den Strom an der Basis, während die Röhren die Spannung am Gitter in einen Strom in die Anode umwandeln. Das letzte ergibt soweit einen Sinn, dass die Audioquellen normalerweise eine Spannung als Ausgangssignal liefern.

Nötig ist also ein gescheiter Spannung-Strom-Wandler vor den Leistungstransistoren. In Frage kommt eine spannungsgesteuerte Stromquelle auf Basis von Operationsverstärkern. Eher weniger bekannt ist die Tatsache, dass ein stromgesteuerter Leistungstransistor schneller auf Änderung des Basisstromes reagiert als ein spannungsgesteuerter auf gleichwertige Änderung der Basisspannung. Das kommt vom Stau der Ladungsträger in der Basiszone, wodurch eine Spannung aufgebaut wird, die der Steuerspannung entgegenwirkt. Deshalb werden hohe Frequenzen beim stromgesteuerten Transistor besser verstärkt als beim spannungsgesteuerten.

Prototyp

Vielleicht möchte der Leser zuerst einen Vorgeschmack bekommen, ob der Verstärker wirklich so anders oder gar besser klingt als herkömmliche Verstärker. Für kleine Betriebsspannung, zum Beispiel +5V vom Handy-Ladegerät, kann die Schaltung stark vereinfacht werden 1. Diesen Verstärker kann man in der Tat mit minderwertigen Schaltnetzteilen betreiben, weil er sich wegen fehlender Gegenkopplung „über alles“ trotz allerlei Störungen äußerst gutmütig verhält. Die Ausgangsleistung beträgt 1/5 Watt. Das ist nicht viel, aber der „Klang“ ist da.

Die Schaltung funktioniert folgendermaßen: Das Stereo-Signal wird über C1, R1 und C2, R2 zum Mono-Signal zusammengeführt. U1 erledigt die Spannungsverstärkung und wandelt gleichzeitig zusammen mit T1 und R6* das verstärkte Spannungssignal in einen Steuerstrom um. T4 verstärkt den Audiostrom für das Antreiben des Lautsprechers. T3 dient dabei als interne Last.

Für den Abgleich benötigen Sie einen Hilfswiderstand von 8,2 Ohm/2W. Der T4-Kollektor wird zunächst von der Schaltung temporär getrennt und über den genannten Hilfswiderstand mit +5V verbunden. Nach dem Warmlaufen des Transistors, was schon einige Minuten in Anspruch nehmen kann, stellen Sie die Kollektorspannung mit Hilfe von R6* (alle abzugleichenden Widerstände sind in den Schaltplänen mit einem Stern gekennzeichnet) auf +2,5V ein. Selbstverständlich kann hier ein Poti verwendet werden.

Nach dem Entfernen des Hilfswiderstands verbinden Sie den Kollektor von T3 wieder mit der Schaltung. Danach gleichen Sie mit Hilfe von R8* die gemeinsame Kollektor-Spannung nach dem Warmlaufen der Leistungstransistoren auf +2,5V ab. Diese können Sie zum Beispiel am Pluspol von C5 messen. Die Leistungstransistoren T3 und T4 brauchen zwar keine Kühlkörper, werden jedoch bis 70 °C heiß. Jetzt können Sie einen großen (kein Witz) Lautsprecher anschließen und eine Hörprobe machen 2.

Vollversion

Kommen wir nun zur Vollversion 3: Ich halte nicht viel von den höheren Harmonischen, die den Klang „kratzig“ machen. Deshalb habe ich immer angestrebt den Verstärker möglichst linear auszulegen. So kam ich auf eine Parallelschaltung der NPN-Leistungstransistoren, auf Anwendung von verschiedenen Typen mit verschiedenen Ruheströmen und so weiter. Tatsächlich könnte man die Linearität mit weiteren parallel geschalteten Leistungstransistoren noch weiter erhöhen, zwei reichen aber auf jeden Fall 4.

Im Prinzip bekommt man hier zwei steuerbare Stromquellen: U3-T1-R13* und U4-T2-R14*. Das Spannungs-Audiosignal an invertierten Eingängen von U3 und U4 wird in das Strom-Audiosignal an den Kollektoren von T1 und T2 umgewandelt und von T6 und T5 für den Lautsprecher verstärkt. Für eine maximale Ausgangsleistung von rund 5 Watt sind Rail-to-Rail-Operationsverstärker für U3 und U4 zu empfehlen. Die Dioden D1 und D2 dienen der Symmetrie des Signals, damit positive und negative Halbwellen gleichzeitig in die Übersteuerung gelangen. Im kleinen Prototyp ist dies mit dem Spannungsteiler R3/R4 realisiert. Das hatte aber den Nachteil, dass das Teilerverhältnis bei der Änderung der Betriebsspannung immer neu angepasst werden müsste.

Der PNP-Leistungstransistor T4 erfüllt die Rolle einer Konstantstromquelle als interne Last für T5 und T6; sonst hätte man einen Kollektorwiderstand an seiner Stelle erwartet. Der Wirkungsgrad wäre dann aber kleiner, etwa wie bei den Eintakt-Röhrenverstärkern (Single Ended, Klasse A), die wegen der Heizung der Kathoden von vornherein eine geringere Leistungsausbeute haben. Zusammen mit T3, R15* und C3 bildet T4 eine selbstregelnde Stromquelle mit der Arbeitspunktstabilisierung durch die Spannungsgegenkopplung. Faktisch „sieht“ T4 wegen der großen Zeitkonstante von R15* und C3 nur den Gleichspannungsanteil der gemeinsamen Kollektoren-Spannung. So bleibt der Kollektorstrom von T4 beinahe konstant, auch wenn das Ausgangssignal hin- und herschwankt.

Findet dagegen eine langsame Drift vom Gleichspannungsanteil statt, zum Beispiel durch das Warmlaufen der Leistungstransistoren, führt dies zur Änderung des Kollektorstroms von T4, die der Drift entgegenwirkt. Auf diese Weise wird der Gleichspannungsanteil der Kollektoren-Spannung immer mittig gehalten. T4 darf im Gegensatz zu T5 und T6 im nicht linearen Bereich betrieben werden, weil er in seinem Arbeitspunkt fixiert ist. Der Wechselstromanteil der Kollektoren-Ströme von T4, T5 und T6 wird über C5 nahezu vollständig an den Lautsprecher übergeben.

Man fragt sich vielleicht, warum es auf einmal um den Strom geht, wenn es vorher von der Spannung die Rede war. Mit Hilfe der Kollektor-Spannung wird lediglich der Arbeitspunkt von T4 stabilisiert. Die bipolaren Transistoren arbeiten aber grundsätzlich als Stromverstärker und liefern die Ströme. Es wird ein Widerstand benötigt, um den Strom in eine Spannung umzuwandeln. T5 und T6 liefern den Audio-Strom, aber deren Last ist kein Widerstand, sondern wiederum ein Leistungstransistor T4, der als Stromquelle arbeitet. Einen „echten“ Widerstand bietet erst der Lautsprecher, und dort entsteht die Spannung.

Die Schaltung wird mit Einzelversorgung von +19V betrieben. U1 stellt das Bezugspotential für die Operationsverstärker bereit, das der Hälfte der Betriebsspannung entspricht. U2 arbeitet als invertierender Spannungsvorverstärker. Je nach der Audioquelle kann die Verstärkung mit dem Teilerverhältnis R6/R5 angepasst werden.

Der Verstärker besitzt eine durchaus gute Linearität. Der Klirrfaktor liegt weit unter 0,1 % bei einer Ausgangsleistung von 1 Watt und bleibt bis zur Vollaussteuerung unter 1 %, wobei die angenehme zweite Harmonische dominiert. Die maximale Ausgangsleistung beträgt 4,8 Watt (RMS). Berücksichtigt man die Gesamtleistung von 23 Watt, ergibt sich ein Wirkungsgrad von 20 %.

Wärmequelle

Da viel Energie in Wärme umgesetzt wird, brauchen die Leistungstransistoren einen massiven Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von 1,2K/W oder weniger 5. Im schlimmsten Fall führt das Öffnen des Thermo-Schalters S1 wegen der Übertemperatur zum Entladen von C3 und schließlich zum Sperren von T4. Weil T5 und T6 mit T4 in Reihe sind, fließt auch durch sie kein Strom mehr. Die Leistungstransistoren werden abgekühlt.

Obwohl es „nur“ rund 5 Watt sind, ist der Schallpegel für ein Wohnzimmer eigentlich schon zu hoch. Bei der Betriebsspannung von +12V sinkt die Ausgangsleistung auf 1,7 Watt, die Gesamtleistung beträgt hier 8,5 Watt. Dabei muss lediglich R15* neu angepasst werden. Eine Stereo-Ausführung bietet angenehme Überraschungen: Die Schallquellen lassen sich – möglicherweise durch die interessante Verteilung der Klirrfaktor-Anteile und die schnelle Arbeitsweise – genauer orten, der Raum zwischen den Boxen erweitert sich quasi zu einer imaginären Bühne.

Weil der maximale Ausgangsstrom nicht höher als der Ruhestrom sein kann, ist der Verstärker nicht nur kurzschlussfest, sondern schont durch einen relativ sanften Übergang in die Übersteuerung (was wiederum weniger „zerstörungswillige“ hochfrequente Oberwellen nach sich zieht) auch die Lautsprecher. Deshalb erübrigen sich allerlei Schutzschaltungen für schwache oder teure Lautsprecher.

Abgleich

Vielleicht finden Sie das nachfolgende Abgleich-Ritual irgendwie ungewöhnlich und gar zu kompliziert. In diesem Fall kann man für R13* und R14* einfach 680 Ohm nehmen und nur R15* so weit anpassen, bis gemeinsame Kollektoren-Spannung von T4, T5 und T6 genau der Hälfte der Betriebsspannung, also +9,5V, erreicht.

Wollen Sie mit der Schaltung jedoch herumexperimentieren, um das Maximum rauszuholen, ist das Verständnis vom gesamten Abgleichsverlauf vonnöten. Der Abgleich geschieht in mehreren Schritten. Zuerst werden die Kollektoren von T5 und T6 vom Schaltkreis getrennt. Zwischen Betriebsspannung und T5-Kollektor wird der Hilfswiderstand gelegt. Seinen Wert bestimmt der Lautsprecherwiderstand mal der Anzahl der NPN-Leistungstransistoren, in unserem Fall soll er also das Doppelte vom Lautsprecherwiderstand betragen: 16 Ohm (Leistung > 6W).

Den Widerstand R14* trimmen Sie so, dass die Kollektorspannung von T5 genau der Hälfte der Betriebsspannung, das heißt +9,5V, gleicht. Der Verstärkungsfaktor des Transistors ist temperaturabhängig. Deswegen muss T5 einige Minuten warmlaufen, bevor Sie R14* endgültig nachjustieren. Der Ruhestrom von T5 ergibt sich aus 9,5V/16 Ohm = 0,6A. Die Prozedur wiederholen Sie für T6, hier wird R13* angepasst. Anschließend verbinden Sie beide Leistungstransistoren mit der Schaltung.

Nach dem Einschalten dauert es einige Sekunden, bis sich C3 so weit auflädt, dass T4 zu leiten beginnt, was im Prinzip einem Softstart entspricht und normalerweise eine zusätzliche Schaltung benötigt. Wegen des langsamen Aufladens von C3 bleibt ein unangenehmes lautes „Ploppen“ im Lautsprecher beim Einschalten des Verstärkers aus. Ein Ausgangsrelais mit dem verzögerten Anschalten des Lautsprechers ist daher überflüssig.

Durch die Anpassung von R15* wird die Kollektoren-Spannung von T4, T5 und T6 auf +9,5V eingestellt. Auch hier sollen Sie abwarten, bis die Leistungstransistoren warmgelaufen sind. Falls erforderlich, muss für den Wechselbetrieb zwischen +12V und +19V bzw. zwischen 1,7 Watt und 4,8 Watt noch R15'* angepasst werden. Bei angelegter Betriebsspannung von +12V und S2-Schalter-Stellung „+12V“ ändern Sie R15'* so, dass die Kollektoren-Spannung der Leistungstransistoren nun +6V beträgt.

Ein Trimmerwiderstand ist übrigens nicht wirklich verlässlich. Wegen Feuchte und Alterung korrodiert er und ändert mit der Zeit den eingestellten Wert. Zwar kann er für den Abgleich benutzt werden, danach sollte er aber besser durch einen gleich großen Festwiderstand ersetzt werden. Eine genaue Übereinstimmung mit dem ausgemessenen Poti-Wert erreicht man notfalls durch eine Reihenschaltung mehrerer Widerstände. Jetzt ist der Verstärker einsatzbereit.

Der Verstärker klingt definitiv anders als herkömmliche Audioverstärker, das lässt sich gar nicht überhören. Ihnen wird vielleicht eine Ähnlichkeit mit dem Klang von Röhrenverstärkern auffallen. Das stimmt nur zum Teil: Der Röhrenklang wird oft als „warm“ bezeichnet, ich würde aber sagen, er ist im gewissen Sinne verschwommen. Der Transistorklang ist dagegen eher präzise, das heißt quasi „kalt“.

Fazit

Was macht den ungewöhnlichen Klang noch aus? Der Lautsprecherwiderstand ist komplex. Wegen der Membranresonanz gibt es einen Buckel bei tiefen Frequenzen und im allgemeinen wächst der Widerstand wegen der Induktivität der Lautsprecherspule mit der Frequenz. Als Folge übernimmt der Lautsprecher bei hohen Frequenzen weniger Leistung, das heißt er wird leiser. Das Ausgangssignal von unserem Verstärker ist aber ein Strom. Nimmt der Widerstand des Lautsprechers zu, steigt die Spannung an den Lautsprecheranschlüssen an. Der Spannungsverlauf des Ausgangssignals weicht deshalb zwar von der Form des Eingangssignals ab, aber die Übereinstimmung zwischen Eingangsspannung und Ausgangsstrom und damit dem erzeugten Schallpegel bleibt bestehen.

Am Ende führt dies dazu, dass sich das Frequenzband des Lautsprechers stark ausdehnt, was zu einer hervorragenden Wiedergabe kleinster Details führt. Von alledem profitieren in erster Linie große Breitbandsysteme; wer den vollen, runden Klang alter Musikboxen liebt, sollte einmal solche Lautsprecher (gern auch offen auf einer angemessen großen Schallwand) probieren. Bei HiFi-Mehrweg-Systemen muss man dagegen oft den Hochtöner zurückregeln, sonst erledigt er seine Arbeit zu gut und es ergibt sich ein eher schriller Klang. —cm