Klasse D Auidoverstärker

Vor längerer Zeit hatte ich mal die Idee ein pulsweitenmodulierten Verstärker zu bauen, heute weiß ich, das so etwas auch Class-D Verstärker genannt wird. Das Prinzp eines solchen Verstärker ist es, anders als bei gewöhlichen analogen Verstärkern, die Ausgangsspannung nicht über den Spannungsfall an einem Transistors zu regeln, sondern ein pulsweitenmoduliertes Signal auszugeben, dessen Mittelwert dem Spannungswert am Eingang entspricht, verstärkt natürlich. Dieses Signal wird dann einem Tiefpassfilter zugeführt, hinter dem man wieder eine Sinusspannung messen kann. Der große Vorteil eines solchen Verstärkers ist die geringe Verlustleistung, die im wesentlichen von dem Widerstand und der Schaltzeit der verwendeten Transistoren in der Endstufe abhängig ist.

Ein Pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt man in der Regel mit einem Komperator, dem auf der einen Seite der Sollwert, also unser Audiosignal zugeführt wird und auf der anderen Seite ein Dreiecksignal höerer Frequenz. Siehe auch ein Bild dazu. Desto höher die Frequenz, desto höer ist natürlich die Auflösung und somit die Qualität. Eine höere Freqenz hat allerdings auch mehr Schaltverluste zufolge, von den EMV Problemen ganz zu schweigen.
Nach einer Tehorie soll die doppelte Aptastfreqenz genügen, um den kompletten Signalinhalt wiedergeben zu können. Die Samplingfreqenz vieler Digitaler Audioanwendungen liegt daher auch um die 40 kHz. Der Hörberich des Menschen reicht etwa von 20Hz bis 20kHz. Bei meinem Verstärker habe ich eine Modulationsfreqenz von 150 kHz gewählt, das ist Auflösug genug mit noch beherschbaren EMV Problemen.

Damit ich keine +-Versorgungspannung benötige, habe ich den Verstärker von Anfang an als Brückenverstärker ausgelegt. Da die Vorteile des Class D Verstärkers in seinem hohem Wirkungsgrad liegen, ist er überall dort geeignet, wo nicht soviel Ernergie zu Verfügung steht, sei es bei der "mobilen Steroanlage" oder im Auto. Diese setzten durch Batteriebetrieb wieder ein einfache Versorgungspannung voraus.

Schaltungsbeschreibung

Erstmal der Schaltplan des Verstärkers Die Schaltung des 150 kHz Dreickgenerators kann ich leider nicht veröffentlichen, da ich die Schaltung wo anders geklaut habe. Ich habe hier ein Oszillogram des Dreiecksignals. Der Generator besteht im Prinzip aus einem Op welcher ein quarzstabiles Rechtecksignal integriert. In Bild A+B dinet als Integrator ein TL084, In Bild C+D ein MC33284. Die gelben Kurven zeigen die Dreickecksignale bei eingeschalteter Endstufe. Die Störungen werden allerdings nur durch die Messleitungen eingekoppelt, und sind nicht wirklich da. Wer misst, misst eben Misst. Der TL084 erzeugt weniger Rauschen, den Unterschied kann zwar nicht sehen, aber deutlich hören.

Los geht das in der Schaltung mit P2 für die Amplitude des Eingangsignals, OP2 verstärkt das ganze noch 10 mal. Das ich die Offsetkompensation mit P1 an das Audiosignal und nicht an das Dreiecksignal gelegt habe, hängt damit zusammen, das OPs bei niedrigeren Freqenzen besser arbeiten, d.h. weniger Verzerrungen entstehen. Der Komperator OP1, ein open Collektor Type generiert mir aus dem Dreieck und dem Audiosignal die entsprechende Pulsweitenmodulation. Die 2 XOR Gatter sorgen dafür, das die Endstufe auch richtig "gepolt" angesteuert wird. Die Schaltung aus R1, D1 und C1 sorgt für eine gewisse Einschaltverzögerung. Beim Einschalten läd sich C1 "langsam" über R1 auf. Beim Ausschalten wird R1 durch die Diode überbrückt, und erfolgt dadurch um einiges schneller. Damit wird verhindert, das die Mosfets (zB. S1 und S3) zum gleichen Zeitpunkt eingeschaltet sind, sich also nicht beissen können. Die Nachfolgenden UND Glieder machen wieder steile Flanken aus den Signalen davor. Darüberhinaus kann man mit ihnen über S5 die ganze Endstufe abschalten.

Die Endstufe meines Class-D Versärkers besteht aus einer Vollbrücke, deren wesentlicher Bestandteil der V-Mosfet BUZ 11 ist. Hier die Schaltung der Endstufe.

Was noch gelöst werden muss:

Ein weiteres Problem ist der 150 kHz Rippel hinter meinem Filter. Dieser ist Lastunabhängig und ich bin überzeugt, würde ich den Filter richtig dimensionieren können, würde den Rippel auch wegbekommen. Hier ein Bild davon Ich finde leider nur sehr wenig Informationsmaterial über solche Tiefpassfilter. Ich habe jetzt ein gute Drossel mit Luftspalt, die anderen sind immer recht heiß geworden. Die Trennfreqenz liegt etwa bei 30 kHz. Wenn sich hier wer auskennt, ich bin für jeden Tipp dankbar.

Die EMV ist ein weiteres kleines Problem. Momentan kann ich trotz meines Ausgangsfilters im Nebenraum mit einem AM Radio mithören, was mein Verstärker zu sagen hat !

Wie es Weitergeht:

Da mein Verstärker bis jetzt noch ungeregelt ist, werde mich als nächstes an die Rückkopplung machen. Das größte Problem dabei sehe ich in dem Ausgangsoffset, der bei 0V Eingangsignal auf halb Ub Endstufe liegt, und der leider auch mit der Versorgungspannung mitrippelt.

In der Planung ist noch ein passender Aufwärtswandler von 12 auf ca. 30V. Anfänge sind schon vorhanden, das ist aber noch nebensächlich.

Noch ein paar Daten:

Die Versorgungspannung kommt aus einem Abwärtswandler und ist derzeit auf 20V eingestellt.
Dei Trennfreqenz des Filters beträt (rechnerisch) 33 kHz
An Ohmischer Last habe ich einen Wirkungsgrad von ca. 86% ermitteln können. (ohne Logik, RL 4 Ohm)
Spitzenstrom bei 20 V und 1.3 Ohm Last ca. 14 A (gemessen).
Die Logikspannung beträgt +-5V und wird von einem extra Travo übernommen. Die Logik ist zur Endstufe (noch) potentialgetrennt.

Verschiedenes

Wer Anregungen oder Kritik zum Text zur Schaltung oder zum Layout hat, selbst wenn jemand Rechtschreibfehler (ich habe sicherlich eine ganze Menge davon eingebaut) findet, immer her damit. Arne´s Email

Hier finden sich ein paar Bilder des Verstärkers.

Links zum Thema

Bei Tripath gibt es Class T Verstärker, das ist ein Class D Verstärker mit DSP unterstützung.

Bei Dave Heppell habe ich einen anderen self made Class D Verstärker gefunden.