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D-Verstärker mit Transistoren; Class D Amplifier

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Papers » Basic principles of radio technique » D-Verstärker mit Transistoren; Class D Amplifier
           
Dietmar Rudolph
Dietmar Rudolph
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14.May.12 16:10
 
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Der Klasse D Verstärker mit Transistoren ist ein geschalteter Verstärker *). Seine Anwendungsgebiete sind

  • Halbleiter-Sender
  • Audio-Verstärker
  • 1-Bit-D/A-Wandler

[ *) Der Klasse D Verstärker mit Röhren ist ein A/B Verstärker mit festem Arbeitspunkt. Die Bezeichnung D Verstärker hierfür war anscheinend nur in Deutschland und nur zum Beginn der '60er Jahre üblich.]

Halbleiter-Sender

Der D-Verstärker arbeitet in einer Gegentaktschaltung die von der Trägerschwingung angesteuert wird. Wahlweise wird der obere bzw. der untere Transistor voll durchgeschaltet, so daß eine rechteckförmige Spannung entsteht. Hieraus wird mit Hilfe eines LC Schwingkreises die Grundschwingung herausgefiltert.

Durch die Polarität des Transformators wird gewährleistet, daß die beiden Transistoren wechselseitig leiten. In (b) ist das Ersatzschaltbild gezeichnet.

Für Halbleiter-Sender für LW und MW sind entsprechende Brückenschaltungen aus zwei D Verstärkern üblich. Wegen ihrer Topologie wird die Anordnung auch als "H"-Brücke bezeichnet. Die Ansteuerung durch die HF-Schwingung geschieht dabei so, daß die Transistoren jeweils "über Kreuz" durchschalten, also T1 & T4 bzw. T2 & T3. Dadurch fließt in der Diagonale ein (hochfrequenter) Wechselstrom.

Die hochfrequente Trägerschwingung wird über einen Ringkern-Trafo RT ausgekoppelt und anschließend gefiltert. Als Transistoren werden heute praktisch nur noch Feldeffekt-Transistoren eingesetzt, weil diese schneller schalten und einen kleineren Widerstand Ron im durchgeschalteten Zustand haben.

Mit einem solchen Modul läßt sich ca. 1KW HF Leistung erzeugen. Für größere Leistungen (bis 1MW) müssen entsprechend viele Module mit einem Combiner parallelgeschaltet werden.

Die Amplituden-Modulation dieser Sender erfolgt dadurch, daß zu der Versorgungsspannung UB das Modulationssignal  USig addiert wird. (Umod = UB + USig)

Durch den Schaltbetrieb ist der Wirkungsgrad dieser Sender sehr hoch (> 90%).

Weiteres zu Halbleiter-Sendern in Amplituden-Modulatoren, Kap. 4

Audio-Verstärker

Klasse D Audioverstärker gibt es mittlerweile in größerer Auswahl als Integrierte Schaltkreise. Die Funktionsweise ist dabei so, daß eine D-Endstufe (als H-Brücke) geschaltet wird. Die dabei angewendete Schaltfrequenz fS ist sehr viel höher als die höchste NF-Frequenz, z.B. fS = 250kHz. Mit Hilfe einer PDM (Puls-Dauer-Modulation) werden nun im Takt der Schaltfrequenz fS  positive und negative Ausgangsimpulse gebildet, die nach einer Tiefpaß-Filterung das gewünschte Ausgangssignal ergeben. Allerdings kann man bei dieser Anwendung das TP Filter sogar weglassen, weil der Lautsprecher selbst als TP wirkt - und 250kHz hört man sowieso nicht mehr.

Das ist das Blocksachltbild eines H-Brücken-D-Verstärkers Typ TPA2000D1 von Texas Instruments. Der Lautsprecher (8Ω) liegt zwischen "outP" und "outN", also in der Brückendiagonale. Der SMD Chip ist etwa 6*7mm groß und liefert ohne Zusatzkühlung 2W Sprechleistung.

1 Bit D/A-Wandler

Zur D/A-Wandlung der auf einer CD gespeicherten Musik wird ein 16 Bit D/A-Wandler benötigt, denn die auf der CD abgelegten Datenwerte sind 16 Bit "breit". Solche D/A-Wandler sind teuer, weil die (absolute) Genauigkeit der Stufenhöhe besser als die Hälfte der Höhe der geringsten Stufe sein muß.

Statt nun die Amplitude entsprechend fein aufzuteilen, kann man statt dessen die zeitliche Rasterung feiner aufteilen, was im Digitalen ohne Schwierigkeiten möglich ist. Durch die dadurch vergrößerte Taktgeschwindigkeit wird das Quantisierungsgeräusch zu höheren (und dadurch nicht mehr wahrnehmbaren) Frequenzen hin verschoben und kann leicht weggefiltert werden. Zudem gestattet diese Methode auch noch, das Ausgangssignal nur noch zwischen + und - zu schalten (1 Bit), ganz analog wie beim D-Verstärker für Audio-Signale.

Die mit einer Abtastrate von 44,1 kHz anfallenden Audio-Daten (Digital signal) werden mit einer erhöhten Taktrate weiterverarbeitet (upsampling), indem in einem ersten Schritt zwischen die vorhandenen Daten (Stützwerte) entsprechend viele Nullen eingefügt werden. In einem (digitalen) Sigma-Delta-Modulator werden (gemäß einem Algorithmus) die Nullen durch +1 bzw. -1 Signale so ersetzt, daß 1. die Unterschiede zwischen den ursprünglichen Stützwerten genau überbrückt werden und 2. daß das (dadurch entstehende) granulare Geräusch frequenzmäßig oberhalb der höchsten NF-Frequenz liegt und damit bequem weggefiltert werden kann (Analog Smoothing Filter).

Die angesprochenen + bzw. - Signale übersetzt der 1-Bit-D/A-Wandler in entsprechende (hochfrequente) Rechtecksignale, ganz analog zu dem Audio-Verstärker im D-Betrieb. D.h., de fakto ist der im Blockschaltbild mit 1-Bit D/A-Wandler bezeichnete Funktionsblock eine Class-D Halbbrücke wie sie im Blockschaltbild vom TPA2000D1 dargestellt ist.

Lit:

Malvino, A.P.: Electronic Principles, 3rd ed., McGraw-Hill, 1984

Proakis, J.G.; Manolakis, D.G.: Digital Signal Processing, 2nd ed., Macmillan, 1992

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