Elektronikwissen im Bereich "Audiotechnik"

Elektronikwissen zu: Class-D Verstärker

0,00
Bei Class-D-Verstärkern (meistens als Digitalverstärker oder Digitalendstufe bezeichnet) handelt es sich um Schaltverstärker, deren Endstufentransistoren durch pulsweitenmodulierte Signale (PWM) gesteuert werden. Dadurch ist es möglich, die Endstufentransistoren im Schaltbetrieb zu nutzen (entweder gesperrt oder voll durchgeschaltet), und es entsteht eine sehr geringe Verlustleistung im Vergleich zu Verstärkern, die im Linearbetrieb arbeiten.

Da Verluste nur noch durch Schaltflanken (die Transistoren verweilen nur eine sehr kurze Zeit im Linearbetrieb) und den RDS-on-Widerständen der Endstufentransistoren entstehen, erreichen Digitalverstärker eine Effizienz von über 90 %. 
Die Vorteile liegen auf der Hand: Für die gleiche Ausgangsleistung wird deutlich weniger Netzteil-Leistung als bei einem konventionellen Verstärker benötigt. Es entsteht entsprechend weniger Verlustwärme, und Kühlkörper können deutlich kleiner ausfallen oder sogar vollständig entfallen. Die Zeichnung oben zeigt das grundsätzliche Funktionsprinzip eines derartigen Verstärkers. 
Das verstärkte NF-Signal und das Signal eines Oszillators mit fester Frequenz (die Frequenz muss deutlich höher sein als die höchste zu verstärkende Audiofrequenz) werden einem PWM-Modulator zugeführt. Im PWM-Modulator wird mit der Oszillatorfrequenz ein Dreiecksignal erzeugt und dieses zusammen mit dem verstärkten Audiosignal einem Komparator zugeführt. Der Komparator vergleicht quasi das Audiosignal mit dem Dreiecksignal, und das Signal am Komparatorausgang ist abhängig davon, welches der beiden Signale gerade eine höhere Spannung aufweist. Es ent- Elektronikwissen steht ein Rechtecksignal mit der Frequenz des Dreiecksignals und fester Amplitude, jedoch unterschiedlicher Pulsweite (siehe Diagramm unten). Die Musikinformation (Amplitude und Frequenz des Audiosignals) steckt in der Pulsweite des Rechtecksignals. Auf die Trägerfrequenz des Dreiecksignals wurde die Audioinformation aufmoduliert. Das Rechtecksignal mit der Audioinformation in der Pulsweite wird einer Endstufen-Steuerschaltung zugeführt, wobei das Schalten der Endstufen-Transistoren zeitlich sehr genau erfolgen muss und zu keinem Zeitpunkt beide Transistoren gleichzeitig durchgeschaltet werden dürfen. Zu lange Verzögerungen (beide Transistoren gesperrt) hingegen führen zu Verzerrungen. Die Optimierung in diesem Bereich ist ein entscheidender Punkt für die Güte eines Digitalverstärkers (die Zeiten liegen im Nanosekunden-Bereich). Entsprechende Treiberstufen sorgen für die korrekte Steuerung der Transistoren, und letztendlich steht am Verstärkerausgang ein Leistungs-PWM-Signal zur Verfügung. 
Da die Schaltfrequenz weit oberhalb der höchsten Audiofrequenzen liegt, genügt ein Tiefpassfilter geringer Ordnung, um Trägerfrequenz und Audiosignal wieder zu trennen. Hinzu kommt, dass der Lautsprecher selbst auch als Tiefpass wirkt, da dieser den schnellen Signalen des Trägers nicht folgen kann.

Lesen Sie zu diesem Thema im ELV-Journal:
Digital-Audioverstärker DA 150 Class D 150 W Teil 1/2
Der hier vorgestellte Audio-Endverstärker kann sowohl in Stereobetrieb mit 2 x 75 W Sinus als auch mit einem Monosignal in Brückenbetrieb arbeiten und liefert dann 150 W an 8 Ω. Durch digita...