Klasse-D-Verstärker

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Ein Klasse-D-Verstärker (engl. class-D amplifier) oder schaltender Verstärker, auch Digitalendstufe oder Digitalverstärker genannt, ist ein elektronischer Verstärker, der unter anderem als Leistungsverstärker oder als Endstufe verwendet wird. Kennzeichnend ist, dass das Audiosignal mittels eines geeigneten Verfahrens – beispielsweise durch Pulsweitenmodulation (PWM) – in eine Folge von Pulsen gebracht wird. Dadurch kann die Endstufe im Schaltbetrieb gefahren werden, wodurch die Schaltelemente (praktisch immer Transistoren) entweder maximal leitend oder maximal isolierend sind (also nur zwei Zustände kennen) – das sind (im Gegensatz zu den in konventionellen Klasse-A-, -B- oder -AB-Verstärkern benutzten Zwischenzuständen des linearen Betriebs) die beiden Arbeitsbereiche, in denen nur wenig Verlustleistung erzeugt wird. Durch einen Rekonstruktionsfilter (Tiefpass) hinter der Leistungsstufe wird ein dem Eingangssignal entsprechender kontinuierlicher Spannungsverlauf erzeugt.

Die gebräuchliche Bezeichnung Digitalendstufe oder Digitalverstärker erweckt den falschen Eindruck, dass ein PWM-Verstärker „nur“ ein digitales Signal verstärken müsste. Tatsächlich bedeutet die Entwicklung eines Verstärkers für digitale Signale bis zur Ansteuerung der erforderlichen Leistungs-Schalttransistoren eine Herausforderung an analoge Schaltungsentwickler.[1]

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Blockdiagramm einer PWM-Endstufe

Im Folgenden wird ein Verstärker mit Pulsweitenmodulation (PWM) und analoger Ansteuerung beschrieben. Es gibt verschiedene andere analoge und digitale Verfahren bzw. Verfeinerungen, denen jedoch gemeinsam ist, dass ein Signal mit nur zwei Spannungszuständen entsteht, das im zeitlichen Mittel dem Eingangssignal entspricht. Beispiele sind die Pulsdichtemodulation (Pulsfrequenzmodulation), Delta-Sigma-Modulation oder Sliding-Mode-Regelung.

Im Gegensatz zur Klasse-AB-Gegentaktendstufe, die ein Signal analog zum Originalsignal soweit verstärken kann, bis es die maximal vom Netzteil zur Verfügung stehende Spannung erreicht, arbeitet die PWM-Endstufe nach einem anderen Prinzip: Ein symmetrisch arbeitender Dreiecksgenerator schwingt mit einer typischen Frequenz von ca. 250 kHz bis zu einigen MHz. Das anliegende Tonsignal wird von einem Komparator mit dem Dreiecksignal verglichen. Durch den Aufbau als Komparator verändert die Schaltung das analoge Tonsignal in eine Rechteckschwingung, wie in nebenstehender Abbildung zu erkennen ist.

Ist das Dreiecksignal größer als das Tonsignal, springt der Ausgang auf „high“. Ist es kleiner, springt er auf „low“. Das Tonsignal liegt nun im Tastverhältnis des PWM-Signals vor. Der Mittelwert ist dadurch etwa proportional zum Mittelwert des Tonsignals. Dieses PWM-Signal wird der Endstufe (bestehend aus Leistungstransistoren im Schaltbetrieb) zugeführt, in welcher die eigentliche Verstärkung stattfindet.

Durch den hochfrequenten Schaltbetrieb ergeben sich verstärkt Störsignale im Bereich der PWM-Frequenz bzw. deren Oberschwingungen, welche bevorzugt durch die Lautsprecherleitungen abgestrahlt werden und die erhöhte Entstörmaßnahmen und Tiefpassfilter erforderlich machen. Durch die Tiefpassfilterung wird die elektromagnetische Verträglichkeit gewährleistet bzw. Funkstörungen vermieden.

Neben der Möglichkeit zur Filterung der PWM-Schaltfrequenz kann man auch Frequenzspreizung (engl. Spread Spectrum) anwenden, wodurch die Störungen über einen größeren Frequenzbereich gestreut werden. Damit realisierte Klasse-D-Verstärker sind als sogenannte Spread-Spectrum-Klasse-D-Verstärker erhältlich und benötigen je nach Ausgangsleistung und Länge der Verbindung zum Lautsprecher am Ausgang keinen Tiefpassfilter[2].

Vorteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Leistungsaufnahme verschiedener (idealer) Gegentakt-Endverstärker
Wirkungsgrad verschiedener (idealer) Gegentakt-Endverstärker

Ideale (Gegentakt-)Analogverstärker weisen bei Vollaussteuerung Wirkungsgrade zwischen 78,54 Prozent (Class-B) und 50 Prozent (Class-A) auf, der aber im Teillastbereich weiter abfällt (Class-B: linear mit der Ausgangsspannung; Class-A: quadratisch mit der Ausgangsspannung). Demgegenüber weisen ideale Class-D-Verstärker einen leistungsunabhängigen Wirkungsgrad von 100 Prozent auf.

Reale Class-D-Verstärker weisen bei Vollaussteuerung Wirkungsgrade von 85 bis 94 Prozent auf, selbst im Niederlastbereich (bei 1 Prozent der maximalen Ausgangsleistung) sind noch Wirkungsgrade über 60 Prozent möglich[3]. Class-B erreichen hier nur noch 8 Prozent und Class-A nur noch 0,5 Prozent Wirkungsgrad, erzeugen ein Vielfaches der Ausgangsleistung an Abwärme.

Vorteile ergeben sich hieraus in sparsamerem Verbrauch (sowohl bei Netz- wie bei Batteriebetrieb sinnvoll), geringerer Abwärme (kleinere Kühlkörper oder Verzicht auf Kühlkörper möglich; weiterhin geringeres Aufheizen von Räumen im Sommer) und damit verbundenem kompakterem Aufbau.

Nachteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Frequenz der Pulsweitenmodulation kann unter Umständen zu Störungen in anderen Baugruppen führen, wenn diese nicht sorgfältig abgeschirmt wird. Bei amplitudenmodulierten Rundfunksendern mit NF-Digitalendstufe kann es hierbei zu unerwünschten Ausstrahlungen kommen. Durch die PWM-Frequenz des Audiosignals ergeben sich Verzerrungen, die als Total Harmonic Distortion (THD) ausgedrückt werden und ihre Ursache in der Intermodulation zwischen Audiosignal und Schaltfrequenz haben. Klasse-D-Verstärker weisen gegenüber anderen Verstärkertypen einen leicht erhöhten THD-Wert von typischerweise um 0,1 %[4] auf.

Anwendungsbereiche[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Übliche Einsatzbereiche finden diese Verstärker als Audioverstärker mit hoher Leistung bei hoher Energieeffizienz, hauptsächlich im Bereich von Beschallungsanlagen („PA-Anlagen“) und als Modulationsverstärker bei amplitudenmodulierten Rundfunksendern. Weiterhin überall dort, wo bei kleiner Leistung ein hoher Wirkungsgrad wichtig ist, z. B. in Endstufen für Kopfhörer in akkubetriebenen Geräten wie Mobiltelefonen und MP3-Spielern. Aufgrund der Kombination von geringer Anforderung an die Bandbreite und des im Vergleich zu höheren Frequenzen erhöhten Leistungsbedarfs finden sie auch Anwendung in Verstärkern für Subwoofer. Eine weitere Nutzung ist die Endstufe von Sinusspannungswechselrichtern hoher Leistung.

Digitale Verstärker[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei schaltenden Verstärkern ist es möglich, die meisten Funktionen digital auszuführen. Das Eingangssignal ist dann meist ein pulscodemoduliertes Signal, das von einem Signalprozessor oder einer spezialisierten digitalen Modulatorschaltung in ein Ansteuersignal für die Endstufe umgewandelt wird. Neben der schon beschriebenen Pulsweitenmodulation wird hier die Delta-Sigma-Modulation benutzt. Wegen der durch die digitale Verarbeitung bedingten Quantisierung des Endstufensignals kommen Verfahren zur Rauschformung zum Einsatz. Erst bei der Ansteuerung der Endstufe wird die digitale Domäne verlassen – daher stellt ein digitaler Verstärker im Prinzip einen „Leistungs-Digital-Analog-Umsetzer“ dar.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Klasse-D-Verstärker – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Comparison of feedback implementations for digital audio amplifiers Artikel auf Audio DesignLine
  2. Datenblatt (PDF; 497 kB) MAX9709, filterloser Spread-Spectrum-Klasse-D-Verstärker mit 25 W/50 W
  3. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tas5630b.pdf Texas Instruments: TAS5630b
  4. Texas Instruments