Verstärker: Aktive Bauelemente nutzen zur Leistungssteigerung

Praktischer Nutzen aktiver Bauelemente

Der praktische Nutzen aktiver Bauelemente ist ihre verstärkende Fähigkeit. Ob das Bauelement spannungs- oder stromgesteuert ist, die für das Steuersignal erforderliche Leistung ist typischerweise weit geringer als die in dem gesteuerten Strom verfügbare Leistung. Mit anderen Worten: Ein aktives Bauelement erlaubt nicht nur, dass Elektrizität Elektrizität kontrolliert; es erlaubt einer kleinen Menge Elektrizität, eine große Menge Elektrizität zu kontrollieren.

Wegen dieser Diskrepanz zwischen steuernder und gesteuerter Leistung können aktive Bauelemente eingesetzt werden, um eine große Menge Leistung (gesteuert) durch Applikation einer kleinen Menge Leistung (steuernd) zu regeln. Dieses Verhalten ist als Verstärkung bekannt.

Energieerhaltungssatz in Maschinen

Es ist eine fundamentale Physikregel, dass Energie weder erschaffen noch vernichtet werden kann. Formal als Energieerhaltungssatz bekannt, und keine Ausnahmen wurden je entdeckt. Wenn dieses Gesetz gilt – und eine überwältigende Masse experimenteller Daten deutet darauf hin – dann ist es unmöglich, ein Gerät zu bauen, das eine kleine Energiemenge nimmt und sie magisch in eine große Energiemenge verwandelt. Alle Maschinen, elektrische und elektronische Schaltungen inklusive, haben eine obere Effizienzgrenze von 100 Prozent. Im Besten Fall gleich Leistung aus Leistung ein, wie in der untenstehenden Abbildung.

Die Leistungsausgabe einer Maschine kann sich der Eingangsleistung annähern, aber nie übersteigen, bei 100% Effizienz als oberer Grenze.

Üblicherweise versagen Maschinen sogar dabei, dieses Limit zu erreichen, verlieren einen Teil ihrer Eingangsenergie als Wärme, die in den umgebenden Raum abgestrahlt wird und daher nicht Teil des Ausgabeenergiestroms ist. (Abbildung unten)

Eine realistische Maschine verliert meist etwas Eingangsenergie als Wärme bei der Transformation in den Ausgabeenergiestrom.

Perpetuum Mobile

Viele Menschen haben ohne Erfolg versucht, Maschinen zu entwerfen und zu bauen, die mehr Leistung ausgeben als sie aufnehmen. Nicht nur würde ein solches Perpetuum Mobile beweisen, dass der Energieerhaltungssatz kein Gesetz wäre, sondern es würde eine technologische Revolution auslösen, wie die Welt sie nie gesehen hat, denn es könnte sich selbst in einer kreisförmigen Schleife antreiben und Überschussleistung „kostenlos“ erzeugen. (Abbildung unten)

Hypothetisches „Perpetuum Mobile“ treibt sich selbst an?

Trotz großer Anstrengung und vieler unseriöser Behauptungen von „freier Energie“ oder Over-Unity Maschinen hat keine je den einfachen Test bestanden, sich mit eigener Energieausgabe selbst anzutreiben und Energie übrig zu haben.

Verstärker

Es existiert jedoch eine Maschinenklasse, bekannt als Verstärker, die kleine-Leistungssignale aufnehmen und Signale weit größerer Leistung ausgeben können. Der Schlüssel zum Verständnis, wie Verstärker ohne Verletzung des Energieerhaltungssatzes existieren können, liegt im Verhalten aktiver Bauelemente.

Weil aktive Bauelemente die Fähigkeit haben, eine große Menge elektrischer Leistung mit einer kleinen Menge elektrischer Leistung zu kontrollieren, können sie in Schaltungen so arrangiert werden, dass sie die Form des Eingangssignals aus einer größeren Menge Leistung einer externen Stromquelle duplizieren. Das Ergebnis ist ein Gerät, das scheinbar die Leistung eines kleinen elektrischen Signals (meist eine AC-Spannungswellenform) magisch in eine identisch geformte Wellenform größerer Magnitude vergrößert.

Der Energieerhaltungssatz wird nicht verletzt, weil die zusätzliche Leistung von einer externen Quelle geliefert wird, meist eine DC-Batterie oder Äquivalent. Der Verstärker erschafft noch vernichtet Energie, sondern formt sie lediglich in die gewünschte Wellenform um, wie in der untenstehenden Abbildung gezeigt.

Während ein Verstärker ein kleines Eingangssignal auf großen Ausgang skalieren kann, ist seine Energiequelle eine externe Stromversorgung.

Mit anderen Worten: Das stromkontrollierende Verhalten aktiver Bauelemente wird eingesetzt, um zu formen DC-Leistung von der externen Stromquelle in dieselbe Wellenform wie das Eingangssignal, was ein Ausgangssignal gleicher Form aber anderer (größerer) Leistungsmagnitude produziert. Der Transistor oder ein anderes aktives Bauelement innerhalb eines Verstärkers formt lediglich eine größere Kopie der Eingangssignal-Wellenform aus der „rohen“ DC-Leistung, die von einer Batterie oder anderen Stromquelle bereitgestellt wird.

Limitationen von Verstärkern

Verstärker, wie alle Maschinen, sind in Effizienz auf maximal 100 Prozent limitiert. Üblicherweise sind elektronische Verstärker weit weniger effizient, dissipieren beträchtliche Energiemengen als Abwärme. Da die Effizienz eines Verstärkers immer 100 Prozent oder weniger beträgt, kann keiner als „Perpetuum Mobile“ funktionieren.

Die Anforderung einer externen Stromquelle ist allen Verstärkertypen gemeinsam, elektrisch und nicht-elektrisch. Ein gängiges Beispiel nicht-elektrischer Verstärkung wäre Servolenkung im Auto, die die Kraft der Fahrerarme beim Drehen des Lenkrads verstärkt, um die Vorderräder zu bewegen. Die für die Verstärkung nötige Energie kommt vom Motor. Das aktive Bauelement, das das „Eingangssignal“ des Fahrers kontrolliert, ist ein Hydraulikventil, das Fluidkraft von einer Pumpe am Motor zu einem Hydraulikkolben leitet, der die Radbewegung unterstützt. Stoppt der Motor, versagt das Verstärkungssystem, die Armkraft des Fahrers zu verstärken, und das Auto wird sehr schwer zu lenken.

ZUGEHÖRIGE ARBEITSBLÄTTER:

• Elementary Amplifier Theory Worksheet