Abbildung 1. Sziklai-Paar, das wie ein einzelner NPN-Transistor mit Kollektor C, Emitter E und Basis B wirkt.

In der Elektronik ist das Sziklai-Paar , auch komplementäres Rückkopplungspaar genannt , eine Konfiguration aus zwei Bipolartransistoren , ähnlich einem Darlington-Paar . [ 1 ] Im Gegensatz zur Darlington-Schaltung besteht das Sziklai-Paar aus einem NPN- und einem PNP- Transistor und wird daher auch als „komplementäres Darlington“ bezeichnet. Die Konfiguration ist nach George C. Sziklai benannt , der als ihr Erfinder gilt. [ 2 ]

Eigenschaften

Die Stromverstärkung des Sziklai-Transistorpaares ist ähnlich der eines Darlington-Transistorpaares und entspricht dem Produkt der Stromverstärkungen der beiden Transistoren. Abbildung 1 zeigt ein NPN-PNP-Transistorpaar, das sich insgesamt wie ein einzelner NPN-Transistor verhält.

Anwendungen

In einer typischen Anwendung verhält sich das Sziklai-Paar ähnlich wie ein einzelner Transistor desselben Typs (z. B. NPN) wie Q1, jedoch mit einer sehr hohen Stromverstärkung (β). Der Emitter von Q2 fungiert als Kollektor. Daher ist der Emitter von Q2 in Abbildung 1 mit „C“ gekennzeichnet. Ebenso fungiert in einer typischen Anwendung der Kollektor von Q2 (der ebenfalls mit dem Emitter von Q1 verbunden ist) als Emitter und ist daher mit „E“ gekennzeichnet. Wie bei einem Darlington-Paar kann ein Widerstand (z. B. 100 Ω bis 1 kΩ) zwischen Emitter und Basis von Q2 geschaltet werden, um dessen Abschaltzeit zu verbessern (d. h. die Leistung bei Hochfrequenzsignalen zu optimieren). [ 1 ]

Vorteile

Ein Vorteil gegenüber der Darlington-Transistorstufe besteht darin, dass die Basis-Einschaltspannung nur etwa 0,6 Volt beträgt, also etwa die Hälfte der nominalen Einschaltspannung der Darlington-Transistorstufe von 1,2 Volt. Wie die Darlington-Transistorstufe kann auch sie nur bis zu einer Sättigungsspannung von etwa 0,6 V sättigen, was bei Hochleistungsstufen ein Nachteil ist.

Komplementäre, auf Rückkopplung basierende Ausgabestufen

Komplementäre Rückkopplungspaare werden aufgrund ihrer Vorteile hinsichtlich Linearität und Bandbreite gegenüber den üblicherweise verwendeten Darlington-Emitterfolger-Ausgangsstufen häufig in den Ausgangsstufen von Leistungsverstärkern eingesetzt. Sie sind besonders vorteilhaft in Verstärkern, bei denen die vorgesehene Last keine Parallelschaltung von Bauelementen erfordert. [ 3 ]

Komplementäre Rückkopplungspaare bieten unter geeigneten Bedingungen auch den Vorteil einer überlegenen thermischen Stabilität. Im Gegensatz zur herkömmlichen Darlington-Konfiguration ist der Ruhestrom deutlich stabiler gegenüber Temperaturänderungen der leistungsstärkeren Ausgangstransistoren im Vergleich zu den leistungsschwächeren Treibertransistoren. [ 4 ] Dies bedeutet, dass eine Sziklai-Ausgangsstufe in einem AB-Verstärker lediglich die thermische Anpassung des Bias-Servotransistors bzw. der Dioden an die leistungsschwächeren Treibertransistoren erfordert; sie müssen (und sollten) nicht auf dem Hauptkühlkörper platziert werden. Dies vereinfacht potenziell den Entwurf und die Implementierung eines stabilen AB-Verstärkers und reduziert den Bedarf an Emitterwiderständen. [ 5 ] Dadurch verringert sich die Anzahl der Bauteile, die in thermischem Kontakt mit dem Kühlkörper stehen müssen, erheblich, und die Gefahr eines thermischen Durchgehens wird minimiert.

Der optimale Ruhestrom eines Verstärkers mit komplementären Rückkopplungspaaren ist in der Regel deutlich niedriger als bei Darlington-basierten Ausgangsstufen und liegt in der Größenordnung von 10 mA gegenüber 100 mA oder mehr bei einigen Emitterfolger-Ausgangsstufen. Dies bedeutet, dass die Leistungsaufnahme im Leerlauf in vielen Fällen nur wenige Watt beträgt, anstatt mehrere zehn Watt für die gleiche Leistung. [ 3 ] Dies ist ein überzeugendes Argument für die Verwendung des Sziklai-Paares, wenn die Ausgangsleistung moderat (25 W bis 100 W) ist, hohe Klangtreue entscheidend ist und eine relativ geringe Leistungsaufnahme im Leerlauf erwünscht ist.

Quasi-komplementäre Ausgabestufen

Historisch gesehen verwendeten Entwickler häufig die quasi-komplementäre Konfiguration mit einem Darlington-Gegentaktpaar (d. h. zwei NPN-Transistoren) und einem komplementären Rückkopplungs-Pull-Paar (d. h. einem PNP- und einem NPN-Transistor). Diese Konfiguration mit drei NPN-Transistoren und einem PNP-Transistor war vorteilhaft, da jahrzehntelang Germanium-PNP-Transistoren die gängigsten Kleinsignaltransistoren waren (Silizium-PNP-Leistungstransistoren entwickelten sich langsamer und waren jahrelang teurer als ihre NPN-Pendants). Alternativ hätte ein Germanium-PNP-Transistor deutlich andere Eigenschaften als ein Silizium-NPN-Transistor. In der quasi-komplementären Topologie entspricht die Leistung des unteren Pull-Paares mit einem einzelnen NPN-Transistor eher der Leistung des oberen Gegentaktpaares mit zwei NPN-Transistoren und einem identischen Leistungstransistor. [ 4 ]

Jahrzehntelang war die quasi-komplementäre Ausgangsstufe sinnvoll; da PNP- und NPN-Leistungstransistoren heute jedoch gleichermaßen verfügbar sind und vergleichbare Leistungskennlinien aufweisen, verwenden moderne Audio-Leistungsverstärker häufig äquivalente Topologien für beide Paare: entweder zwei Darlington- oder zwei Sziklai-Paare. [ 4 ] [ 5 ]

Referenzen

  1. ^ a b Horowitz, Paul ; Winfield Hill (2015). The Art of Electronics (3. Aufl.). Cambridge University Press. S. 110–111. ISBN 9780521809269Die
  2. ^ Sziklai, George Clifford (Juni 1953). „Symmetrische Eigenschaften von Transistoren und ihre Anwendungen“. Proceedings of the IRE . 41 (6): 717–724 . doi : 10.1109/JRPROC.1953.274250 .
  3. ^ a b Self, Douglas (18.06.2013). Audio Power Amplifier Design (6. Aufl.). Focal Press. ISBN 9780240526133Die
  4. ^ a b c Elliott, Rod. „Compound vs Darlington“ . Elliott Sound Products . Abgerufen am 14.09.2016 .
  5. ^ a b Elliott, Rod. „Hochwertiger 60-Watt-Leistungsverstärker“ . Elliot Sound Products . Abgerufen am 14.09.2016 .