Class D Verstärker

Der Klasse-D-Verstärker oder Class-D-Verstärker ist ein schaltender elektronischer Verstärker, der besonders bei Endstufen eine weite Verbreitung hat.

Obwohl er umgangssprachlich auch „Digitalendstufe“ oder „Digitalverstärker“ genannt wird,  wird der Verstärkungsprozess keineswegs durchgängig mit Digitaltechnik vorgenommen.

Im Regelfall liegt ein analoges Eingangssignal vor, dass erst in digitale Pulse umgewandelt werden muss.

Dies wird meist mit der Pulsweitenmodulation (PWM) durchgeführt und ermöglicht eine sehr effiziente Verstärkung mit geringer Verlustleistung.

Das liegt daran, dass die meist verwendeten Transistoren nur als „digitale“ Schalter mit maximaler Stromdurchlässigkeit eingesetzt werden.

Ganz im Gegensatz zum Class-A Betrieb, in dem die Transistoren linear in einem definierten Spannungsbereich arbeiten und der begleitende Ruhestrom leider zu einem höheren Energiebedarf führt.

Die durch die Pulsweitenmodulation erzeugten digitalen Pulsfolgen werden nach der Verstärkung in einen Tiefpassfilter wieder zu einer kontinuierlichen Sinuskurve (analog zum Ursprungssignal) umgewandelt.

Class D Verstärker werden oft mit Vorbehalten betrachtet, da durch die Verwendung von digitalen Pulsen die Gefahr von Timingfehlern besteht, die sich in Form von hohen Klirrwerten (THD) ausdrücken kann.

In der Tat ist das „Timing“ eine große Herausforderung bei den Class-D Schaltungen. So muss sichergestellt sein, dass es keine zeitlichen Überschneidungen beim Schalten der Transistoren gibt. Die Folge wäre eine unkontrollierte Erhöhung der Ausgangsströme, die zu einer Zerstörung von Bauteilen führen würde.

In der Praxis löst man das Problem durch sehr kurze Pausenintervalle, die die Transistoren zu einem Sperren des Stromflusses zwingt. Die als „Dead Time“ genannten Zeit ist für den Klang sehr wichtig. Je länger die Zeitverzögerung, umso ungünstiger ist dies für die Klangperformance.

 

Class D Schaltung

Die Schaltung besteht aus folgenden Bausteinen:

  • Signal-Generator
    erzeugt eine konstante Sägezahnwelle zwischen 100 kHz und 1 MHz
  • Komparator
    vergleicht die Amplituden des Audio- und Dreiecksignals.  In Abhängigkeit der Spannung beider Signale wird eine Rechteckwelle mit der gleichen Frequenz wie das Sägezahnsignal erzeugt. Der Unterschied gegenüber der Sägezahnwelle des Signalgenerators ist die Bereite der Rechtecke (=Pulsbreite). Diesen Vorgang nennt man Puls-Weiten-Modulation (PWM)
  • Schalt-Verstärkungsstufe mit Controller und Transistoren zur Verstärkung des PWM-Signals
  • Tiefpass-Filter zum Entfernen der am Eingang generierten Trägerfrequenz
PWM - Pulsweitenmodulation
PWM – Pulsweitenmodulation

 

 

 

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