Pulsweitenmodulation
Klasse-D-Verstärker
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Inhaltsverzeichnis
Einleitung
Ceran Kochfeld
Klasse-D-Verstärker
Heizungsventil
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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.
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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).
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, der aus den
Rechtecken und den Zwischenräumen ein "glatten" Verlauf macht. Im
Prinzip handelt es sich dabei um einen Kondensator, dessen Zufluss das
eben beschriebene "zerhackte" Musiksignal ist, und dessen Abfluss
kontinuierlich erfolgt. Man kann das vergleichen mit einem grossen
Wasserbehälter, dem man auf der einen Seite immer schlagartig kleine
Wasermengen zuführt. Der auf der anderen Seite befindliche
Abfluss wird mehr oder weniger kontinuierlich sein.
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