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Pulsweitenmodulation Klasse-D-Verstärker

 

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Ceran Kochfeld

Klasse-D-Verstärker

Heizungsventil

  Seit einigen Jahren sind Audioverstärker, auch Endstufen genannt, auf dem Markt, die im Vergleich zu "herkömmlichen" Endstufen ein Vielfaches an Leistung bei wesentlich kleinerer Baugrösse und Gewicht aufweisen.


Diese Verstärker werden im Betrieb fast nicht warm, was die vergleichsweise spärlichen Kühleinrichtungen auch bestätigen.
Der Kernpunkt liegt darin, die Leistungstransistoren nicht als lineare Verstärker, sondern als digitale Schalter zu betreiben. Daher werden diese sogenannten Klasse-D-Verstärker oft als Digitale Endstufen bezeichnet, was jedoch nicht ganz richtig ist. 


Die Leistungstransistoren sind diejenigen elektronischen Bauteile eines Verstärkers, die sich beim Betrieb wesentlich erwärmen können, daher sind sie immer so montiert, dass die Wärme gut abgeführt werden kann. Dies kann z.B. durch direkte Montage auf metallischen Kühlrippen und/oder im Ansaugtrakt eines Ventilators realisiert werden. Bei klassischen Verstärkern nimmt die Kühleinrichtung einen Grossteil des Gewichts ein, bzw. die Kühleinrichtung ist der Grund,  warum diese Geräte eine Mindestgrösse, und damit auch ein Mindestgewicht haben müssen.


Der letzte Satz ist nicht ganz richtig. Auch das Netzteil, also die Stromversorgung, steuert in klassischer Ausführung einen wesentlichen Teil zum Gewicht der Endstufe bei, nämlich hauptsächlich durch den Transformator. Deshalb haben Klasse-D-Verstärker sinnvollerweise stattdessen immer ein so genanntes Schaltnetzteil, das Dank eines speziellen elektronischen Verfahrens mit einem wesentlich kleineren Trafo auskommt. Dieselbe Problematik mit den schweren Trafos hat man auch bei Schweissgeräten. Daher gibt es auch dort vermehrt Schaltnetzteile, allerdings werden die betreffenden Schweissgeräte dann Inverter genannt. Warum Inverter bzw. Schaltnetzteile im Allgemeinen mit kleineren Transformatoren auskommen, wird bei Schweissen kurz umrissen.


Warum die Transistoren sich im Betrieb bei klassischen Verstärkern erwärmen, versteht man am einfachsten, wenn man sich einen Transistor zunächst als Schalter vorstellt.

Charakteristisch für einen Schalter sind seine zwei möglichen Zustände, An und Aus. Es gibt keine Zwischenzustände wie z.B. halb aus oder 10% an.


- Ein geschlossener Transistor stellt einen theoretisch unendlich grossen elektrischen Widerstand dar; in diesem Zustand entsteht demnach überhaupt keine Wärme, da ja kein Strom fliesst.

- Ein ganz geöffneter Transistor hat dagegen idealerweise überhaupt keinen elektrischen Widerstand. In diesem Zustand könnten theoretisch beliebig grosse Ströme fliessen, ohne dass der Transistor warm werden würde: Da er keinen Widerstand hat, fällt an ihm auch keine Spannung, und damit auch keine Verlustleistung ab, sondern die gesamte Spannung (und damit Leistung) fällt am Verbraucher (z.B. Lautsprecher oder Schweisselektrode) ab.

Praktisch jedoch kann der Widerstand eines Transistors nie ganz Null werden, und das ist auch der Grund, weshalb ein als Schalter betriebener Transistor im Betrieb *überhaupt* etwas warm wird. Der Transistorwiderstand im ganz geöffneten Zustand ist allerdings so klein, dass selbst sehr grosse Ströme keine nennenswerte Verlustleistung verursachen.


Also: Weder ganz geschlossene noch ganz geöffnete Transistoren bilden nennenswerte Verlustquellen.

Ein nicht als Schalter, sondern als linearer Verstärker betriebener Transistor kann während des Betriebes alle denkbaren Zwischenzustände annehmen. Entsprechend kann sein Widerstandswert alle Werte zwischen Null und Unendlich annehmen.

Die folgenden Erklärungen sind stark vereinfacht.

Nehmen wir einmal einen Verbraucher an, der mit halber Leistung betrieben wird. Das Netzteil, also die Versorgung, wäre zwar grundsätzlich in der Lage, den Verbraucher mit maximaler Leistung zu betreiben, aber es befindet sich ein Transistor in Reihe geschaltet dazwischen (anders könnte er den Verbraucher ja nicht regeln), der nur so weit geöffnet ist, dass am Verbraucher nur die halbe Leistung verrichtet wird.
Das heisst, der Strom durch den Verbraucher (und damit auch durch den Transistor, da Reihenschaltung), stellt sich so ein, dass Transistor und Verbraucher ein ausgewogenes Spannungsteilerverhältnis bilden. Der Widerstand des Transistors und der des Verbrauchers sind demnach vergleichbar gross, was unmittelbar zur Folge hat, dass die verrichteten Leistungen an Transistor und Verbraucher vergleichbar gross sind, das heisst, die Hälfte der Leistung der gesamten Anlage wird am Transistor verbraucht, der ja "eigentlich" nur den Verbraucher regeln soll.
Die Regelung besteht in diesem Zustand genau darin, dass statt dem Verbraucher eben der Transistor die übrige Leistung verbraucht.
Der geschilderte Fall (halb geöffneter Transistor) ist der -von den Verlusten her gesehen-  ungünstigste Fall.

Bei Verstärkern z.B. im Musikbereich kommt es zwar nie vor, dass die Leistungstransistoren ständig halb geöffnet sind, aber bei der Verstärkung von Musikmaterial bewegt man sich praktisch immer irgendwo im Zwischenbereich. Das ist schlichtweg eine Folge der analogen Natur von Musiksignalen. Das ist auch bei anderen Anwendungen so, bei denen Verbraucher auf beliebige Leistungen eingestellt werden können. Die Leistungstransistoren werden dort also immer in dem Bereich betrieben, wo nennenswerte Verlustleistung überhaupt entstehen kann.


Nun erhebt sich die Frage, wie man mit Transistoren, die lediglich zwei Zustände annehmen (ganz offen / ganz geschlossen), überhaupt ein analoges Musiksignal verstärken kann, sprich, wie man damit -am Lautsprecher- jeden beliebigen Zwischenwert realisieren kann. 

Das Bild zeigt das Prinzip:

Die rot dargestellte Kurve soll einen kleinen zeitlichen Ausschnitt eines analogen Musiksignales darstellen. Nach oben ist die Signalstärke, und nach rechts die Zeit aufgetragen.
Zusätzlich ist in Blau ein rechteckförmiges Signal aufgetragen, das nur zwei Werte annimmt (0 und Maximalwert).
Class-D PWM

Je grösser das Musiksignal, desto breiter der zeitgleiche Rechteckimpuls, also desto grösser die Pulsweite (und desto kleiner die Zwischenräume zwischen den Pulsen). Wenn man über die Flächenanteile der Pulse mittelt und anschliessend glättet, dann kommt ziemlich genau das analoge Musiksignal heraus.
Genau das passiert bei Klasse-D-Verstärkern: Das verstärkte Musiksignal ist zunächst ein pulsweitenmoduliertes Rechtecksignal von immer gleicher Höhe, aber unterschiedlicher Weite.
Die Leistungstransistoren sind also also entsprechend der Stärke des Musiksignales unterschiedlich lange geöffnet und geschlossen.
Die Glättung erfolgt mittels eines so genannten Tiefpasses; dies führt hier jedoch zu weit.  

 

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