Verstärker Class D

6. Klasse D Verstärker

 

Klasse-D-Verstärker werden im Moment noch relativ selten eingesetzt, eignen sich jedoch hervoragend für den Audio Bereich, wenn es auf hohe Ausgangsleistung oder geringe Verluste ankommt. Letzteres ist besonders für mobile Geräte wie zum Besipiel mp3-Player interessant, da daruch die Betriebszeit bei gleicher Akkukapazität stark vergrößert werden kann. Dieser Verstärkertyp kann theoretisch einen Wirkungsgrad von 100% erreichen, wobei 90% im Moment in der Praxis erreichbar sind. Der hohe Wirkungsgrad entsteht durch die Verwendung eines komplementären Transistorpaars, die jeweils als Schalter arbeiten. Dadurch ist ein Transistor entweder vollständig leitend und es kommt zu keinem Spannungsabfall oder vollständig gesperrt, wodurch kein Strom fließt. In beiden Fällen ist der am Transitor erzeugte Verlust gleich Null. Natürlich entsteht damit kein analoges Signal, was für ein einigermaßen annehmbares Klangbild wünschenswert ist. Dieses wird erst nach dem eigentlichen Verstärken des Signal durch ein Filter zurückgewonnen. Auf der anderen Seite des Verstärkers muss das Eingangssignal ebenfalls in irgend einer Form in ein für das Schalten der Transistoren geeignetes Signal umgeformt werden. Dies geschieht am einfachsten durch einen Komparator der das Eingangssignal mit einer Dreieckspannung vergleicht.

 

6.1 Schematischer Aufbau

 

6.2 Komparator

Der Komparator vergleicht wie oben erwähnt das Eingangssignal mit einem im Verstärker erzeugten Dreiecksignal. Dessen Amplitude muss etwas höher sein als die maximale Amplitude des Eingangssignals. Die Frequenz des Dreiecksignals muss wesentlich über der größtem im Eingangssignal auftretenden liegen. Liegt das Dreiecksignal nun unter dem Eingangssignal fährt der Komparator in die negative Begrenzung. Steigt es über den Pegel des Eingangssignals erreicht der Ausgang seinen Maximalpegel. Daruch entsteht ein zum Eingangssiganl proportionales Pulsweitenmoduliertes Signal, mit dem nun die Transistoren des Verstärkers angesteuert werden können.

 

6.3 Verstärker

Die eigentliche Verstärkerstufe besteht aus zwei komplementären Transistoren. Aufgrund der hohen Schaltfrequenz werden hier häufig MOSFETs eingesetzt, wodurch die Verluste beim Umschalten von leiten nach sperren minimiert werden.

6.4 Filter

Das Filter hat nun die Aufgabe das verstärke PWM Signal wieder in ein analoges Ausgangssignal zu wandeln. Dazu kann ein einfaches LC-Glied verwendet werden.

 

6.5 Schaltung

Das nachfolgende Bild zeigt die Schaltung mit alle benötigten Komponenten:

Damit werden folgende Signalverläufe erzielt:

Die oberste Kurve zeigt das Eingangssignal. Darunter ist das Pulsweitenmodulierte Signal nach dem Komparator zu sehen. Ganz unten ist das Signal nach dem Filter zu sehen. Aufgrund der einfachheit des verwendeten Filters und dessen begrenzter Steilheit sind noch leiche Störungen des Signals zu erkennen.

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