Endstufe (Elektrotechnik)

Endstufe (Elektrotechnik)
Innenansicht eines Audio-Leistungsverstärkers mit Schaltnetzteil für den Einsatz in Kraftfahrzeugen

Endstufen, oder Leistungsverstärker sind die letzte, elektronisch aktive Stufe in der analog/digitalen Signalverarbeitung, bevor das verstärkte Signal dem Lastwiderstand übergeben wird.

Inhaltsverzeichnis

Klassifizierung

  • Selektive Leistungsverstärker für schmale Frequenzbereiche (z. B. 3,60–3,62 MHz), vorzugsweise zum Einsatz in Sendern, um HF-Leistung zur Speisung von Antennen zu erzeugen. Zwischen dem Verstärker und der Antenne wird stets mindestens ein selektives Filter, im einfachsten Fall ein Schwingkreis, verwendet, um Oberwellen zu unterdrücken. Deshalb ist auch keine (Amplituden-) Linearität erforderlich. Diese Endstufen werden meist im C-Betrieb betrieben, um einen hohen Wirkungsgrad um 80 % sicherzustellen. Anwendungen hauptsächlich in Sendern und Ultraschallgebern.
  • NF-Breitbandverstärker (z. B. 10–50.000 Hz) zur Ansteuerung von Lautsprechern, sogenannte Audioverstärker. Um unerwünschte Oberwellen zu vermeiden (es wird anschließend nicht gefiltert), betreibt man diese (analogen) Endstufen immer in AB- oder A-Betrieb und erreicht damit Wirkungsgrade zwischen 20 % und 70 %. Haupteinsatzgebiet ist die Elektroakustik.
  • HF-Breitbandverstärker (z. B. 5–860 MHz) werden vorzugsweise als Antennenverstärker eingesetzt. Neben der Verstärkung ist hier vor allem die maximale Ausgangsleistung entscheidend, bei der die entstehenden Mischprodukte unter einer bestimmten Grenze bleiben. Sie wird gewöhnlich in dBµV angegeben. Typische Werte sind 90–125 dBµV. Hochfrequenzverstärker werden hauptsächlich im A-Betrieb, für hohe Ausgangsleistungen auch im AB-Betrieb gefahren.
  • Breitbandverstärker für sehr breite Frequenzbereiche (z. B. 0–200 MHz) findet man in Oszilloskopen. DC-gekoppelte Differenzverstärker ermöglichen sehr breite Frequenzbereich von DC bis teilweise in den Gigahertzbereich. Hoher Eingangswiderstand (typ. 20 MOhm || 10 pF). Umschaltbare Eingangsempfindlichkeit.
  • Eine andere Art des Breitbandverstärkers sind pulsweitenmodulierte, digitale Schaltverstärker mit nachgeschaltetem LC-Tiefpass. Dieser soll aber nicht eventuelle Oberwellen im NF-Bereich wegfiltern, sondern dient nur dazu, die hohe Schaltfrequenz von etwa 100 kHz zu unterdrücken. Der Wirkungsgrad liegt über 90 %. Anwendungen als Audioverstärker sind eher selten, obwohl die Linearität sehr gut ist. Derartige Leistungsverstärker sind als Frequenzumrichter in der Antriebstechnik und als Gleichstromsteller Stand der Technik und steuern Leistungen bis in den Megawattbereich.
  • Ansteuerungen für Schaltnetzteile. Mittlere bis hohe Leistung (einige Watt bis etliche Kilowatt, in der Leistungselektrik mittlerweile auch etliche Megawatt). Hohe Schaltgeschwindigkeiten (typ. größer 10 A/ns). Ausgangsspannungen von 0,8 V bis 5 kV.

Breitbandverstärker für den Niederfrequenzbereich

Betriebsarten

Kennlinie einer Verstärkerröhre mit den verschiedenen Arbeitspunkten
Hysteresekurve eines Ausgangstrafos

Leistungsverstärker arbeiten im klassischen Linearbetrieb mit geringem Wirkungsgrad und werden dann nach der Lage des Arbeitspunktes der Endstufe eingeordnet:

  • A-Betrieb
  • B-Betrieb
  • AB-Betrieb

Daneben können sie auch „digital“ mit hohem Wirkungsgrad arbeiten:

  • C-Betrieb (Betrieb an Schwingkreis, nur bei Hochfrequenz)
  • D-Verstärker (Schaltbetrieb an LC-Tiefpass)
  • E-Betrieb (Schaltbetrieb mit Schwingkreis)

A-Betrieb

Es gibt vier geläufige Schaltungen

  1. ein Spannungsteiler aus einem steuerbaren Bauelement und einem Widerstand,
  2. ein Spannungsteiler aus einem steuerbaren Bauelement und einer Spule, einem Transformator oder der Last selber,
  3. ein Spannungsteiler aus einem steuerbaren Bauelement und einer Stromquelle (die meist durch ein weiteres steuerbares Bauelement implementiert wird) und
  4. ein Spannungsteiler aus zwei steuerbaren Bauelementen. Die Summe der Ströme durch beide Bauelemente ist (weitgehend) konstant).

Alle vier Schaltungen sind Class-A-Verstärker, in denen kein steuerbares Bauelement sperrt. Maximaler Wirkungsgrad, Verzerrungsverhalten und Bauelementeaufwand sind aber höchst unterschiedlich.

Vorteile:

  • keine Übernahmeverzerrungen (da kein Bauelement sperrt)

Nachteile:

  • je nach Ausführung theoretisch maximaler Wirkungsgrad von 6,25 % (single ended mit Widerstand), 25 % (single ended mit Stromquelle oder direktgetrieben) oder 50 % (push-pull).
  • hoher Ruhestrom von 200 % (single ended mit Widerstand), 100 % (single ended mit Stromquelle oder direktgetrieben) oder 50 % (push-pull) des einfachen Spitzenstroms (Ip).

Beim Eintakt-A-Verstärker liegt der Arbeitspunkt in der Mitte des linearen Teils der Kennlinie.

Dadurch ist sichergestellt, dass zu jeder Zeit ein Kollektorstrom Ic fließen kann. Bei einem Röhrenverstärker darf die Gitterspannung nicht positiv werden, da sonst erhebliche Verzerrungen durch „Clipping“ auftreten.

Die Arbeitskennlinie eines A-Verstärkers ähnelt immer einem geneigten „S“, auch wenn man ihn als Gegentaktverstärker aufbaut. Die Fouriertransformation dieser Übertragungsfunktion ergibt eine Dominanz der ungeradzahligen Oberwellen.

AB-Betrieb und B-Betrieb

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Vorteile:

  • Bei eisenlosen Schaltungen oder Verwendung von Transistoren ist kein Anpassungstransformator erforderlich
  • Wenn Transformatoren verwendet werden, fließt durch die Spulen kein Dauergleichstrom, der den Eisenkern einseitig vormagnetisiert. Deshalb können Verzerrungen durch die Krümmung der Hysteresekurve nur bei sehr hoher Aussteuerung oder zu kleinem Eisenkern entstehen
  • Ohne Eingangssignal geringe (AB) oder vernachlässigbare (B) Stromaufnahme
  • Hohes Leistungs-Bandbreite-Produkt
  • Gute Verteilung der Verlustleistung (Abwärme) auf mehrere Bauelemente möglich

Nachteile:

  • Nur für kleine Leistungen als integrierte Schaltung (IC) erhältlich
  • Wirkungsgrad von etwa 60 % bis über 80 %, je nach Schaltungskonzeption (gestockte Betriebsspannung bei Hochleistungsendstufen üblich, siehe Class H)
  • Symmetrische Gegentaktschaltung erforderlich
  • B-Betrieb: Verzerrungen (Klirrfaktor) bei kleinen Leistungen

Die beiden Betriebsarten unterscheiden sich in einem Detail: Im B-Betrieb ist der Ruhestrom null, im AB-Betrieb beträgt er wenige Milliampere. Alles andere ist identisch. Ein Transistor wird – je nach Signalstärke – nur bei positiven Halbwellen mehr oder weniger leitend, der andere bei negativen Halbwellen des Eingangssignals. Jeder überträgt also lediglich die Hälfte (elektrisch 180°) des Signals. Man nennt diese Anordnung auch push-pull, da ein Transistor Strom in die Last „drückt“ und der andere Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung bewirkt. Im B-Betrieb kann es bei sehr kleinen Signalspannungen vorkommen, dass keiner der beiden Transistoren leitfähig ist. Dann entstehen „crossover“- oder „deadband“-Verzerrung. Das wird im AB-Verstärker vermieden.

Gegentakt-Endstufe
Eisenlose Endstufe mit Komplementär-Transistoren

Hauptartikel: Gegentaktendstufe

Im nebenstehenden Schaltplan bilden die Transistoren Q4 und Q5 die Gegentaktendstufe mit Eintaktansteuerung und unsymmetrischer Betriebsspannung. Der obere Transistor ist vom Typ NPN und der unter vom Typ PNP, wobei die Bauteile jeweils über entgegengesetzte elektrische Parameter verfügen. Die Dioden D1 und D2 sorgen für die Basisvorspannung, um die Übernahmeverzerrungen zu verringern wenn sich die Transistoren beim leitenden Zustand abwechseln. Diese Betriebsart der Transistoren heißt auch AB-Betrieb.

Kommerzielle Verstärker
Bild einer AB-Gegentaktendstufe in diskreter Bauweise

AB-Endstufen sind in der Unterhaltungselektronik die am weitesten verbreiteten Endstufen. Sie treten in integrierter Bauform mittlerer Leistung als IC (z. B. die Hybrid-STK-Typen) oder bei teureren Verstärkern mit diskreten Einzeltransistoren auf. Das Bild zeigt eine AB-Gegentaktstufe in einem HiFi-Verstärker. Unter (1) sind die Endstufentransistoren zu erkennen, die von den zwei Treibertransistoren (2) im Gegentakt angesteuert werden. Die zwei Kondensatoren unter (3) dienen als Pufferspeicher dazu, die symmetrische Versorgungsspannung zu sieben (Entfernung des 100-Hz-Brummens von der Graetz-Brücke) und genug Strom bei kurzfristigen Leistungsspitzen (Bässe) zur Verfügung zu stellen. Das IC unter (4) ist der Quellenumschalter, den der Mikrocontroller des Receivers/Verstärkers steuert und mit dem die Signalquelle ausgewählt wird.

C-Betrieb

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Vorteil:

  • einfache Konstruktion
  • keine Stromaufnahme ohne Eingangssignal
  • die Leistungsaufnahme steigt etwa proportional zur abgegebenen Leistung
  • hoher Wirkungsgrad über 80 %.

Nachteil:

  • sehr hohe Verzerrungen (großer Klirrfaktor)
  • für Audiozwecke ungeeignet.

Dieser Verstärker wird meistens in HF-Endstufen für kontinuierliche Aussendungen (Senderendstufen, Amateurfunk) eingesetzt. Für trägerlose Aussendungen (Einseitenbandmodulation, SSB) sind Verstärker im C-Betrieb aufgrund der hohen Verzerrungen nicht geeignet. Der Arbeitspunkt wird so gewählt, dass bei kleiner Aussteuerung noch kein Ruhestrom fließt, was zu einer starken Verzerrung des Ausgangssignals führt. Bei frequenzmodulierten Signalen ist das belanglos. Der Wirkungsgrad im C-Betrieb kann mit bis zu 90 % sehr hoch sein, damit ist die Verlustleistung gering. Das ist eine wichtige Eigenschaft, wenn man bedenkt, dass ein Sender oft mit 100 kW und noch mehr Leistung versorgt wird. Zwischen Endstufe und Antenne (Last) müssen HF-Schwingkreise oder Pi-Filter verwendet werden, um unerwünschte Oberwellen wegzufiltern.

D-Verstärker

Pulsweitenmodulation zur Erzeugung eines annähernd sinusförmigen Verlaufs des Kurzzeitmittelwertes der Spannung - auf träge Verbraucher wirkt dieser Spannungsverlauf wie eine Sinusspannung

Hauptartikel: Klasse-D-Verstärker

In einem Klasse-D-Verstärker werden die Leistungstransistoren mit Hilfe von unterschiedlich langen Pulsen angesteuert. Sie werden also mit hoher Frequenz (über 100 kHz) ein- und ausgeschaltet und nicht, wie bei den anderen Klassen, linear betrieben. Dies hat den Vorteil, dass an den Transistoren kaum Verlustleistungen abfallen. Dadurch wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht. Während der Umschaltphase treten dennoch nicht zu vernachlässigende Umschaltverluste auf, die mit steigender Betriebsfrequenz linear zunehmen. Das geschaltete Ausgangssignal muss, bevor es zum Schallwandler weitergeleitet wird, noch mit einem Tiefpass gefiltert werden. Andernfalls wirken die Lautsprecherkabel als Antenne und strahlen starke elektromagnetische Störungen ab, die andere Geräte beeinträchtigen können.

Damit der Schaltungsaufwand für die anschließende Tiefpassfilterung gering gehalten werden kann, liegt die Schaltfrequenz weit oberhalb der höchsten Signalfrequenz. Typische Schaltfrequenzen von NF-Verstärkern im Class D-Betrieb sind 768 kHz und 1536 kHz (8 × 96 kHz und 16 × 96 kHz). Ausgangstiefpässe sind einfache LC-Filter mit −3-dB-Grenzfrequenzen zwischen 30 und 50 kHz. Der im oberen Audiobereich auftretende Abfall von 0,5 bis 1,5 dB (bei 20 kHz) wird für die Nennimpedanz korrigiert.

Der Aufbau ist als Brückenschaltung ausgeführt. Gängig ist auch die Abkürzung BTL (von engl. Bridge-tied load).

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Vorteile:

  • die Leistungsaufnahme steigt etwa proportional zur abgegebenen Leistung
  • Wirkungsgrade weit über 90 % bei Vollast, 35 bis 50 % bei 1 % der maximalen Ausgangsleistung. Vergleich Class B: 70 bis 75 % im Vollast, 3 bis 5 % bei 1 % der maximalen Ausgangsleistung.

Nachteile:

  • hohe Treiberleistung erforderlich
  • Konstruktion muss nach HF-Kriterien erfolgen
  • erhöhter Bauelementeaufwand im Vergleich zu A, B, A/B, C-Verstärkern bei diskretem Aufbau
  • LC-Tiefpass erforderlich
  • aufwändige Gegenkopplung (vor allem beim Treiben von komplexen Lasten)

E-Verstärker

Klasse-E-Verstärker vereinen Elemente des Klasse-D- und Klasse-C-Verstärkers zu einem Audioverstärker höchster Effizienz. Bei diesen arbeitet eine Schaltstufe auf einen Resonanzkreis, dessen Spannung über einen Tiefpass zur Last gelangt. Die Schaltstufe schließt immer dann, wenn der Schwingkreis im Nulldurchgang angelangt ist, dadurch verringern sich die Schaltverluste und Störungen gegenüber Klasse-D-Verstärkern nochmals. Dieser Verstärker arbeitet nur in einem eingeschränkten Aussteuerbereich nach den zuvor genannten Bedingungen, außerhalb davon weist die Aussteuerkennlinie starke Nichtlinearitäten auf, die mit Hilfe von komplexen Gegenkoppelnetzwerken kompensiert werden können. Nachteilig hierbei ist der erhöhte Aufwand zur Verminderung der Selbsterregung.

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Vorteile:

  • Verringerung der Schaltverluste in den Leistungsschaltern gegenüber dem D-Betrieb
  • weniger elektromagnetische Störungen (durch weiches Schalten)

Nachteile:

  • Treiberleistung unwesentlich geringer als die beim Verstärker im D-Betrieb (Gateladung beim FET bzw. Sperrschichtkapazität beim Bipolartransistor haben den Haupteinfluss)
  • hohe Nichtlinearität in der Aussteuerkennlinie (Strom/Spannungsbeziehung unterhalb der Sinuskurve als Maß für die abgegebene Wechselstromleistung ist nichtlinear zur Zeit; bei D-Betrieb besteht hier ein nahezu linearer Zusammenhang)

H-Verstärker

Ein Klasse-H-Verstärker ist im Prinzip ein Klasse-AB-Verstärker, bei dem die Versorgungsspannung in Abhängigkeit vom Signal verändert werden kann. Solche Endstufen werden bei geringen zur Verfügung stehenden Betriebsspannungen verwendet, um den sonst erforderlichen Spannungswandler zu eliminieren. Bei Endstufen hoher Ausgangsleistung wird das Class H Konzept eingesetzt um die Verlustleistung in den Endtransistoren beträchtlich zu reduzieren. Hierzu wird beispielsweise die Endstufe über schnelle Dioden mit +/-45V versorgt. Wenn für höhere Aussteuerung diese Betriebsspannung nicht ausreicht, wird sie auf das benötigte Maß aufgestockt.

Nachteile von Class H sind der höhere Schaltungsaufwand sowie geringe Verzerrungen beim Umschalten auf die höhere Spannungsebene.

Spannungsaufstockung Class H

Ein verbreitetes Einsatzfeld ist beispielsweise der integrierte Endstufen-Schaltkreis vom Typ TDA 1562, der häufig in Autoradios eingesetzt wird. Dort wird kurzzeitig für Impulsspitzen mit Hilfe von Elektrolytkondensatoren und einer Ladungspumpe die Versorgungsspannung von 12 V auf fast 24 V gebracht. Mit minimaler externer Beschaltung können so bis zu 70 Watt effektiv (bei 10 % THD) oder 55 W bei 0,5 % THD erzielt werden. Hauptvorteil ist die Verringerung der Verlustleistung der als Schalter betriebenen Endstufentransistoren.[1]

Anstelle der linear gesteuerten Aufstockung ist auch eine geschaltete Aufstockung möglich (Class G). Hierbei wird hart zwischen der niedrigen und der hohen Railspannung umgeschaltet.

Diese Technik wird auch oft bei Labornetzgeräten verwendet, wobei je nach eingestellter Ausgangsspannung die Anzapfung des Transformator umgeschaltet wird.

Eintakt-, Gegentakt- und Brückenverstärker

Wegen des relativ hohen Aufwandes, der früher bei der Verwendung von Elektronenröhren für jede Röhrenstufe aufgewendet werden musste, baute man früher nur Eintaktendstufen mit dem Arbeitspunkt A-Betrieb. Wegen der geringen Verlustleistung der damaligen Endröhren (meist weniger als 15 W) wurden kaum mehr als 6 W Ausgangsleistung bei niedrigem Wirkungsgrad erreicht. Der notwendige Ausgangstrafo schränkte zwar den Frequenzbereich ein, eine angepasste Gegenkopplung in Verbindung mit einer zugehörigen Wickeltechnik erlaubte es jedoch, die Gesamtverzerrungen über einen großen Frequenzbereich klein zu halten.

Der Klirrfaktor spielt bei Sende-Endstufen keine Rolle, deshalb dominiert hier das Eintaktprinzip weiterhin.

Preiswerte Röhren und schließlich Transistoren ermöglichten die effektiveren Gegentaktverstärker mit höherer Leistung. Die Möglichkeit, npn- und pnp-Transistoren mit fast identischen Kennlinien verwenden zu können, schuf symmetrische Schaltungen, die geradzahlige Oberwellen fast vollständig auslöschen. Durch den Wegfall des Transformators bei „eisenlosen Endstufen“ gab es keine Hysteresekurve mehr, und die nun mögliche verzerrungsmindernde starke Gegenkopplung reduzierte den Klirrfaktor ganz erheblich. Das war der Beginn von Hi-Fi.

Philips hat diese „eisenlose Endstufe“ auf Röhrenbasis in den 1950er Jahren entwickelt und in den eigenen Geräten oft eingesetzt.[2]

In modernen Röhrenverstärkern wird auf diese Weiterentwicklung der Qualität bewusst verzichtet: Häufig wird Wert auf kleinstmögliche Gegenkopplung gelegt und auf ein bestimmtes Verhältnis zwischen den spektralen Leistungsanteilen gerad- und ungeradzahligen Oberwellen. Dabei verzichtet man bewusst auf Linearität und nutzt das recht nichtlineare Übertragungsverhalten der Elektronenröhren aus. Im Eintakt-A-Betrieb ergibt sich aus der Übertragungsfunktion u_A=V \cdot {u_E}^{1,5} eine Dominanz geradzahliger Oberwellen und ein sehr schnell zu höherer Ordnung bzw. Frequenz hin abklingendes Verzerrungsspektrum. Durch die sehr geringe Gegenkopplung stellen zudem transiente Verzerrungen kein Problem dar. Erkauft wird dieses Verhalten durch einen sehr geringen Wirkungsgrad, folglich große Verlustwärme und problematischem magnetischen Sättigungsverhalten des Ausgangstransformators, hervorgerufen durch den Fluss des hohen Ruhestromes durch die Primärwicklung.

Schaltskizze der H-Brücke

Der Wunsch nach leichten, aber leistungsstarken Endstufen in Autos mit nur 14 V Betriebsspannung führte zur Übernahme der aus der Antriebstechnik bekannten digitalen Brückenverstärker in die Analogtechnik. Das Schaltbild erinnert an den Buchstaben H, anstelle des Motors im Brückenzweig liegt nun der Lautsprecher. Allerdings dürfen nun die Paare A-D oder B-C nicht nur verlustarm ein- und ausgeschaltet werden, sie müssen fein abgestuft langsam geöffnet und geschlossen werden - dabei entsteht viel Wärme und der Wirkungsgrad liegt wie im üblichen AB-Betrieb bei bis zu 80 %, wenn mit gestockter Betriebsspannung gearbeitet wird. Die maximal erzielbare Leistung ist aber bei gegebener Betriebsspannung viermal so groß wie bei einer üblichen „eisenlosen Endstufe“ und wird nach folgender Formel berechnet:

P=\frac{{U_B}^2}{2R}

Mit einem 4-Ohm-Lautsprecher liegt die Maximalleistung bei 24 W. Will man mehr Leistung, muss entweder der Lautsprecherwiderstand verringert werden, oder das Gerät bekommt einen Spannungswandler, der die Betriebsspannung auf beispielsweise 40 V heraufsetzt.

Siehe auch

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Eine Schaltung für einen Verstärker im Klasse-H Betrieb sowie eine vollständige Erklärung der Funktionsweise findet sich z. B. in der Zeitschrift Elektor Ausgabe 3/95.
  2. Weitergehende Informationen zur eisenlosen Endstufe

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