Verstärkerklassen A, B und AB

A, B und AB bezeichnen die drei linearen Betriebsarten einer Endstufe. Sie unterscheiden sich in einer einzigen Einstellung: dem Ruhestrom, der ohne Signal durch die Ausgangstransistoren fließt. Bei Class A leiten beide Transistoren über die gesamte Signalperiode, bei Class B übernimmt jeder von ihnen nur eine Halbwelle, und bei Class AB liegt ein kleiner Ruhestrom über der B-Schaltung. Aus dieser einen Größe folgen Wirkungsgrad, Abwärme und das Verhalten am Nulldurchgang.

Ausführliche Erklärung

Der Ruhestrom ordnet die Klassen

Eine lineare Endstufe wirkt wie ein geregelter Widerstand zwischen Versorgungsspannung und Lautsprecher. Damit sie in beide Richtungen arbeiten kann, sitzen dort in aller Regel zwei komplementäre Transistoren übereinander: Einer schiebt Strom in den Lautsprecher, der andere zieht ihn ab. Die Klassenbezeichnung sagt, wie lange jeder der beiden während einer Signalperiode leitet.

• Class A: Beide Transistoren leiten durchgehend, über die volle Periode. Es gibt keinen Moment, in dem einer von ihnen ganz sperrt.
• Class B: Jeder Transistor leitet genau eine Halbwelle und sperrt in der anderen. Der Ruhestrom ist null.
• Class AB: Wie Class B, aber mit einem kleinen Ruhestrom, sodass beide Transistoren um den Nulldurchgang herum kurz gemeinsam leiten. Bei größeren Pegeln verhält sich die Schaltung dann wie Class B.

Diese Reihe ist keine Rangfolge und auch keine Umschaltung im Gerät. Der Ruhestrom wird beim Bau eingestellt und bleibt eingestellt; die Klasse ist eine Eigenschaft der Schaltung, kein Betriebszustand, den der Verstärker während der Musik wechselt.

Übernahmeverzerrung: warum Class B allein nicht funktioniert

Reines Class B wäre die sparsame Lösung, und es gibt sie im Audiobereich trotzdem praktisch nicht. Der Grund liegt im Übergabepunkt. Ein Transistor beginnt nicht bei null Volt zu leiten, sondern erst oberhalb einer Schwelle von einigen Zehntelvolt. Sperrt der eine also genau dann, wenn der andere noch unterhalb seiner Schwelle liegt, entsteht am Nulldurchgang ein kurzer Moment, in dem keiner von beiden richtig arbeitet. Die Ausgangsspannung folgt dem Eingang in diesem Moment nicht; es bleibt eine Stufe im Signalverlauf.

Diese Übernahmeverzerrung hat zwei Eigenschaften, die sie besonders unangenehm machen. Erstens erzeugt eine Stufe im Signal Oberwellen hoher Ordnung, und die liegen weit weg vom Grundton — das Gehör verzeiht sie schlechter als eine sanfte Verrundung der Kurve. Zweitens ist ihre absolute Größe vom Pegel unabhängig: Die Stufe bleibt gleich groß, während das Musiksignal leiser wird. Der relative Verzerrungsanteil steigt also, je leiser gespielt wird. Genau umgekehrt zu der Erwartung, dass ein Verstärker bei kleinen Pegeln entspannt arbeitet.

Ein kleiner Ruhestrom räumt das aus. Er hält beide Transistoren um den Nulldurchgang herum gemeinsam leitend, sodass die Übergabe im überlappenden Bereich stattfindet. Das ist Class AB — die Betriebsart, die deshalb den klassischen Verstärkerbau bestimmt. Die Einstellung ist dabei enger, als es klingt: Zu wenig Ruhestrom lässt die Stufe stehen, zu viel erzeugt eine eigene Verzerrung an der oberen Grenze des Überlappungsbereichs — und heizt zusätzlich. Es gibt einen optimalen Wert dazwischen, und er ist temperaturabhängig, weil die Schwellspannung eines Transistors mit der Wärme sinkt. Deshalb sitzt in jeder ordentlichen AB-Endstufe eine Nachführung, die den Ruhestrom über die Temperatur des Kühlkörpers stabil hält.

Was von der Übernahmeverzerrung am Ausgang übrig bleibt, hängt zusätzlich von der Gegenkopplung ab — der Rückführung eines Teils des Ausgangssignals an den Eingang, mit der ein Verstärker seine eigenen Fehler korrigiert. Ihre korrigierende Wirkung nimmt zu hohen Frequenzen hin ab, und die Oberwellen der Übernahmeverzerrung liegen hoch. Das ist der technische Kern hinter der Beobachtung, dass sich Verstärker derselben Klasse in diesem Punkt deutlich unterscheiden.

Wärmebilanz und Wirkungsgrad

Die Verlustleistung im Transistor ist das Produkt aus dem Strom, der durch ihn fließt, und der Spannung, die dabei an ihm abfällt. Bei Class A fließt der volle Ruhestrom immer — auch dann, wenn kein Signal anliegt und die volle Versorgungsspannung am Transistor steht. Eine Class-A-Endstufe erreicht ihre höchste Verlustleistung deshalb im Leerlauf, und sie gibt diese Wärme unabhängig davon ab, ob Musik läuft oder nicht.

Für ein sinusförmiges Signal bei Vollaussteuerung liegen die theoretischen Obergrenzen des Wirkungsgrades bei 25 Prozent für eine einfach aufgebaute Class-A-Stufe, bei 50 Prozent für die übertragergekoppelte Ausführung und bei 78,5 Prozent für Class B. Class AB liegt bei kleinen Pegeln nahe an Class A und nähert sich mit steigender Aussteuerung dem B-Wert. Diese Zahlen sind Rechengrößen unter idealen Annahmen; ein reales Gerät bleibt darunter. Für die Planung zählt ohnehin die andere Richtung derselben Rechnung: Was nicht am Lautsprecher ankommt, muss als Wärme aus dem Gehäuse und aus dem Möbel heraus.

Praktisch bedeutet das eine große Spreizung. Eine Class-AB-Endstufe im Wohnzimmerbetrieb arbeitet die meiste Zeit bei einem Bruchteil ihrer Nennleistung und bleibt handwarm. Eine Class-A-Endstufe gleicher Leistung verhält sich wie ein permanent laufender Heizkörper mit festem Wert — mit allen Folgen für Kühlkörper, Gehäusegröße, Aufstellung und die Raumtemperatur im Sommer.

Wo Class A heute noch begründet ist

Class A hat ein enges Feld, in dem die Wärme kein Ausschlusskriterium ist, weil die Leistung klein bleibt. Dazu gehören Vorstufen und Line-Stufen, die nur wenige Milliwatt an einen hochohmigen Eingang abgeben; dazu gehören viele Kopfhörerverstärker, weil ein Kopfhörer selbst bei hohen Pegeln kaum Leistung verlangt; und dazu gehören Leistungsverstärker im einstelligen Wattbereich, die an wirkungsgradstarken Lautsprechern in kleinen bis mittleren Räumen gefahren werden.

Diese Kombination ist die eigentliche Bedingung: Class A rechnet sich dort, wo die geforderte Leistung ohnehin niedrig ist. Sobald ein Raum, ein Lautsprecher mit geringem Wirkungsgrad oder ein Filmabend mit Pegelspitzen echte Watt verlangt, kippt die Wärmebilanz — und die Frage nach der Betriebsart wird von der Frage nach der benötigten Leistung überholt. Wie viel Leistung ein Aufbau wirklich braucht, steht unter Verstärkerleistung; welche Rolle der Wirkungsgrad des Lautsprechers dabei spielt, dort ebenso.

Der zweite begründete Fall sind Röhrenschaltungen, in denen die Eintakt-A-Topologie zur Konstruktion gehört. Dort ist die Betriebsart Teil eines Gesamtkonzepts mit eigenem Verzerrungsverhalten und eigener Lastabhängigkeit, das sich nicht auf Transistorendstufen übertragen lässt.

Häufiges Missverständnis

„Class AB schaltet bei kleinen Pegeln auf A und bei großen auf B." Diese Vorstellung ist verbreitet und beschreibt einen Vorgang, den es in der Schaltung nicht gibt. Der Ruhestrom liegt fest. Solange die Signalspannung so klein bleibt, dass beide Transistoren durchgehend leiten, verhält sich die Stufe wie Class A — das ist eine Folge des festen Ruhestroms und keine Umschaltung. Überschreitet das Signal diesen Bereich, sperrt der jeweils entlastete Transistor in seiner Halbwelle und die Stufe arbeitet wie Class B. Nichts wird umgelegt, nichts wird erkannt, und es gibt keine Schwelle, an der ein Bauteil eine Entscheidung trifft. Wo Hersteller mit einem „Class-A-Bereich der ersten Watt" werben, beschreiben sie genau diese Eigenschaft jeder AB-Endstufe — die Frage ist nur, wie groß der Bereich ausgelegt ist und wie viel Wärme das kostet.

„Class A klingt besser." Der Satz verkürzt eine richtige Beobachtung zu einer falschen Regel. Richtig ist, dass Class A die Übernahmeverzerrung von vornherein ausschließt und dass viele Class-A-Geräte aufwendig gebaut sind, weil ihr Konzept ohnehin Sorgfalt bei Netzteil und Kühlung verlangt. Falsch ist der Schluss daraus: Eine gut eingestellte AB-Endstufe hält ihre Übernahmeverzerrung so klein, dass sie messtechnisch unter anderen Effekten der Kette verschwindet, und eine Class-A-Endstufe am falschen Lautsprecher liefert schlicht zu wenig Leistung. Die Betriebsart ist ein Konstruktionsmerkmal und keine Qualitätsstufe.

Nicht zu verwechseln mit

• Class D: schaltende Ausgangsstufe mit Tiefpassfilter dahinter. Dort gibt es keinen Ruhestrom im hier beschriebenen Sinn, weil die Transistoren nur zwei Zustände einnehmen.
• Class G und Class H: dieselbe lineare Ausgangsstufe wie Class AB, aber mit einer Versorgungsspannung, die dem Signal folgt. Geschaltet wird die Versorgung, während der Signalweg linear bleibt.
• Class C: eine Betriebsart, in der der Transistor deutlich weniger als eine Halbwelle leitet. Sie hat einen hohen Wirkungsgrad, verzerrt aber so stark, dass sie nur in der Hochfrequenztechnik mit nachgeschaltetem Schwingkreis brauchbar ist. In Audiogeräten kommt sie nicht vor.
• Standby-Leistungsaufnahme: eine Angabe über den ausgeschalteten Zustand. Der Ruhestrom dagegen ist eine Betriebsgröße der eingeschalteten Endstufe.
• „Klasse A" als Güteurteil: Der Buchstabe benennt eine Schaltungsart. Mit Preisklassen, Prüfsiegeln oder Testurteilen hat er nichts zu tun.

In der Planung

Ein Stereo-Hörplatz im Wohnzimmer, der Kunde hat einen Class-A-Vollverstärker im Blick, und die Elektronik soll in ein geschlossenes Sideboard. Am Anfang steht trotzdem der Raum: Welchen Pegel soll die Anlage dort erreichen, und was verlangen die vorgesehenen Lautsprecher dafür an Leistung? Erst daraus ergibt sich, ob der einstellige bis niedrige zweistellige Wattbereich, in dem Class A sinnvoll bleibt, überhaupt reicht.

Reicht er, folgt die zweite Frage — die nach der Wärme. Ein Gerät, das im Leerlauf seine volle Verlustleistung abgibt, braucht freie Luft über sich und an den Seiten; ein geschlossenes Möbel ist dafür der falsche Ort, und eine Zwangsbelüftung ersetzt sie nur um den Preis eines Lüftergeräusches am leisen Hörplatz. Entweder ändert sich hier das Möbel, oder es ändert sich die Betriebsart.

Reicht er nicht, ist Class AB die naheliegende Antwort, und die Auswahl verschiebt sich auf die Frage, wie gut ein Gerät seinen Ruhestrom über die Temperatur hält und wie es sich an der vorgesehenen Impedanz verhält. Die Modellauswahl kommt zum Schluss, und der Buchstabe auf dem Datenblatt eröffnet dort die Prüfung, statt sie abzuschließen.

Verknüpfte Inhalte

Die schaltende Antwort auf dasselbe Wärmeproblem steht unter Class-D-Endstufe, die lineare Antwort mit nachgeführter Versorgung unter Class G und Class H; die Bauteiltechnik der schnellen Schaltstufen unter Gallium-Nitrid-Ausgangsstufen. Die Frage, wie viel Leistung ein Aufbau wirklich braucht, steht unter Verstärkerleistung, die Rolle der Last unter Impedanz und die des Lautsprechers unter Wirkungsgrad.

Quellen

Die Ordnung der Betriebsarten über den Ruhestrom, die Wirkungsgradgrenzen von Class A und Class B, der optimale Ruhestrom einer AB-Ausgangsstufe und die Beschreibung der Übernahmeverzerrung folgen der Standard-Verstärkerliteratur; die beiden herangezogenen Werke lagen für diesen Eintrag nicht am Objekt vor, weshalb Kapitel- und Auflagenangaben fehlen. Aussagen über Hörbarkeitsschwellen und über das Verhalten konkreter Geräte sind bewusst ausgespart, solange dafür weder Messdaten noch eigene Erfahrung dokumentiert sind.