Klasse D Verstärker
Einleitung
Bei dem Klasse D Verstärker handelt es sich um eine Schaltung/ein Verfahren welche das Ziel hat ein Signal zu verstärken. In diesem Artikel soll der Aufbau und die Funktionsweise des Klasse D Verstärkers näher erklärt werden. Zudem sollen die Vor- und Nachteile näher betrachtet werden, sowie der Vergleich zu anderen Verstärkerarten gezogen werden.
⇨ Verstärker einfach erklärt
Einfach und schnell erklärt
Die Wellenform wird in eine PWM-Wellenform umgewandelt. Das PWM-Signal kann einfacher stark verstärkt werden. Danach wird das verstärkte PWM-Signal wieder in eine Wellenform konvertiert.
Der Vorteil durch dieses Vorangehen besteht darin das Signal sehr stark verstärken zu können. Bei anderen Verstärkerformen musste darauf geachtet werden das der Transistor nicht übersteuert. So musste das Signal in der Bandbreite des Transistors passen.
Aufbau
Der Klasse D Verstärker besteht aus mehreren Komponenten. Diese sind wie unten gezeigt zusammengeschaltet.
→ PWM-Modulator
→ Oszillator zur Takterzeugung für PWM-Modulator
→ Leistungsverstärker
→ Filter
Mit den konkreten Aufgaben der einzelnen Komponenten wird sich im Folgenden näher beschäftigt.
Erklärung
Unten stehend ist die gesamte Schaltung des Klasse D Verstärkers gezeigt. Im Folgenden sollen die einzelnen Komponenten näher erklärt werden.
Eingang
Am Eingang des Verstärkers liegt ein Signal an welches verstärkt werden soll.
PWM
Zunächst besteht die Aufgabe darin dieses Signal, diese Wellenform in ein PWM-Signal um zu wandeln.
Hierzu wird die analoge Wellenform an den Eingang eines OPV bzw. Komparators angelegt. An den anderen Eingang des Komparators wird eine Dreieckspannung angelegt. Hierdurch entsteht entsprechend am Ausgang das gewünschte PWM-Signal welches die Wellenform abbildet.
Wie dies konkret funktioniert ist in einem anderen Artikel näher erklärt:
⇨ PWM mit einem OPV erzeugen
Verstärkung
Ziel des Verstärkungs-Moduls besteht darin das PWM-Signal zu verstärken.
Die Verstärkung kann nun auf 2 verschiedene Arten realisiert werden.
Entweder als Halbbrückenschaltung oder als Vollbrückenschaltung.
Bei der Halbbrückenschaltung wird das PWM-Signal an das Gate des oberen MOSFET1 gelegt. Ein invertierendes PWM wird an das Gate des unteren MOSFET2 gelegt. Bei einem High des PWM-Signals liegt so die hohe Versorgungsspannung am Punkt A an und bei dem Low des PWM-Signals wird der Punkt A mit der negativen Versorgungsspannung verbunden. Am Punkt A liegt also förmlich das gleiche PWM-Signal an allerdings besitzt dieses eine höhere Amplitude, ist also verstärkt.
Bei der Verstärkung mithilfe einer Vollbrückenschaltung werden 4 MOSFETs verwendet welche wie oben gezeigt verschaltet sind.
Filter
Damit am Ausgang aber tatsächlich ein Analoges Signal anliegt und kein PWM-Signal wird zum Schluss das PWM-Signal noch gefiltert. Hierzu kann ein einfacher LC-Tiefpass verwendet werden.
Vorteile und Nachteile
Vorteil
Hoher Wirkungsgrad: Über 90 %
Möglichen Verzicht eines Kühlkörpers durch geringere Verlustwärme
kompaktere Bauweise möglich (durch Fehlenden Kühlkörper)
Nachteil
Über und Unterschwingungen der Halbbrücke führen zu Störsignalen (Verzerrungen) am Ausgang.
Grund: Versorgungsspannung versorgt Verstärkerschaltung & Last
Gegenmaßnahme: Rückgekoppelter Klasse D Verstärker
Ist die Versorgungsspannung nicht vollständig geglättet (zB durch Brummschleifen oder schlechter Qualität des Netzteils),
kommt es im Leerlauf (wenn kein Eingangssignal anliegt) zu einem hörbaren 50Hz brummen.
Vergleich: Klasse D vs Klasse B vs Klasse A vs Klasse AB
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