Höchstmöglicher Wirkungsgrad

Am effizientesten betreibst du ein analogen Verstärker,w enn du ihn auf maximaler Leistung laufen lässt. Dabei ist der Wirkungsgrad am höchsten.

Du kannst mal folgende Rechnung machen:
Du hast eine Speisung von +/-24V (stabil).
An den Transistoren steht immer eine gewissen Spannung. Diese ist ohne Signal 24V, bei Vollaussteuerung irgendwo zwischen 3V (minimale nötige Spannung, transistorabhängig) und 24V.
Zusätzlich hat der Verstärker einen Ruhestrom, mal 50mA angenommen. Und weiter haben wir in den Emitterleitungen der Endtransistoren Widerstände von 0,33 Ohm. Und schliesslich gehen wir von einer Lautsprecherimpedanz von 4 Ohm aus.

So, jetzt fangen wir an zu rechnen. Wir haben einen Ruhestrom von 50mA über die vollen 48V. Das ist eine Grundlast von 2,4W. Diese Leistung haben wir immer.
Die maximale Ausgangsspannung Spitze zu Spitze ist 2x24V minus 2x3V. Das macht 42V SS.
Beim Widerstand müssen wir berücksichtigen, dass in Reihe mit den 4 Ohm auch der Emitterwiderstand von 0,33 Ohm liegt. Diesen rechnen wir einmal, weil entweder der "positive" (NPN) oder der "negative" (PNP) wirksam ist. Also haben wir eine Impedanz von 4,33 Ohm. Und somit haben wir einen Spitzen-Spitzenstrom von ( I = U:R ) 9,7A.
Das macht an den Emitterwiderständen jeweils eine Spitzen-Spitzenspannung von 3,2V, also pro Transistorseite 1,6V.

Die maximales SS-Leistung an beiden Transistporseiten ist demnach 1,6V (Re) + 3V (UTr)=4,6V x2 = 9,2V x 9,7A = 89,24W SS. Die Effektivleistung wäre dafür 11,16W. Plus die Leistung durch den Ruhestrom von 2,4W macht 13,56W.
Das ist die Leistung, die am Verstärker beim Sinus-Leistungs-Scheitelpunkt entsteht.
Beim Nullpunkt entstehen nur die 2,4W, versteht sich. Und zwischendurch ergeben sich andere Werte. Der statistische Mittelwert entspricht einer Spannung von 70,7% und da der Widerstand unverändert bleibt, ist auch der Strom 70,7%. Die statistische mittlere Leistung ist demnach 50%.

Wenn wir von einer maximalen Spannung von (48V Ub minus 9,2V URe + U Tr = )38.8V ausgegangen sind und dabei einen Strom von 9,7A hatten, so bekommen wir jetzt rund 70% an Strom und Spannung und folglich 50% der Leistung, also eine Durchschnitts- oder Effektivleistung von 23,5W.
Diese Leistung plus die 2,4W, also gute 26W fallen im Mittel am Verstärker an, wenn er die volle Leistung von 47W liefert.

Rechnen wir mit halber Ausgangsleistung, so ist die Ausgangsspannung SS 70% von 38,8V = 27,4V und der Strom 6,86A
Jetzt haben wir über Transistor und Widerstand eine Spannung SS von 20,6V bei einem Strom SS von 6,86A. Das ergibt eine Verlustleistung am Verstärker von gut 19W (inkl. Ruhestrom). Die Ausgangsleistung wurde halbiert, die Verlustleistung des Verstärkers aber nur um 23% reduziert.

Am wirtschaftlichsten arbeitet also der Verstärker bei Volllast. Und weiter ist zu beachten, dass an den Emitterwiderständen eine Spannung und somit eine Leistung abfällt, die mit sinkender Lautsprecherimpedanz zunimmt.

Toll, danke vielmals für die ausführliche Antwort.

Wenn ich das richtig verstanden habe:
Im Prinzip einfach voll aufdrehen und hochohmige Lautsprecher verwenden.

Wie ist das nun aber, wenn die Versorgungs-Spannung nicht stabil ist.
Sollte die Versorgungs-Spannung am oberen Limit des Verstärkers sein, oder ist das dann egal?
Fallen dann die 3V für den Transistor ins Gewicht?

MFG
BubbleBeat

Wie ist das nun aber, wenn die Versorgungs-Spannung nicht stabil ist. Sollte die Versorgungs-Spannung am oberen Limit des Verstärkers sein, oder ist das dann egal? Fallen dann die 3V für den Transistor ins Gewicht?

Die Versorgungsspannung ist nicht stabil. Das hängt unter anderem von der Grösse der Netzteilelkos ab. Aber auch der Netztrafo und die Verdrahtung bezw. der Print spielen da eine Rolle.
Weil bei voller Leistung der höchste Strom fliesst, ist dann die Netzteilspannung am kleinsten. Oder anders rum: Bei halber Leistung ist die Spannung am Netzteil und damit an den Transistoren höher. Damit steigt die Verlustleistung noch weiter an als bei stabiler Spannung und der Wirkungsgrad wird dadurch noch schlechter.

Beim Bau eines Verstärkers setzt man sich zuerst mal die Richtgrösse Ausgangsleistung. Aus dieser ergibt sich die erforderliche Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom.
Das sind mal die Effektivwerte. Mal 1,414 ergibt den Spitzenstrom bezw. die Spitzenspannung pro Transistorseite.
Jetzt ist der Spitzen-Verlust an den Emitterwiderständen noch zu berücksichtigen und der Grund-Abfall von rund 3V. Das ergibt dann alles zusammen die nötige Betriebsspannung.
Und jetzt sucht man sich den passenden Transistor aus, der diese Werte verträgt und der auch seine Abwärme an einen Kühlkörper abgeben kann.

Hey, danke vielmals für die Antwort. Ich weiss nur nicht, ob mein Elektrotechnik-Wissen zu wenig umfassend ist.
Ich wäre froh wenn wir das mal an einem folgendem Beispiel angucken könnten. Vor mir liegt ein Verstärker der mit 8 bis 16 V DC betrieben werden kann und im Maximalfall 7 W an 4 Ohm, 3.5 W an 8 Ohm liefert.
Die Versorgungsspannung ist aus folgendem Grund nicht Stabil. Den Verstärker versorge ich den mit Batterien, die je nach ladezustand eine Spannung von 1 bis 1.5 V pro Zelle haben. Auf 8 Zellen macht das eine Spannung von 8 bis 12 V.

Nun, wann arbeitet er am effizientesten? Bei 8 oder bei 12V? Angenommen die Batterien mögen genug Ampere liefern und die Spannung sinkt linear und nicht mit jedem Bassschlag.

MFG

Wenn wir den Verstärker selber bauen würden, also alles mit einzelnen Transistoren und so, hätten wir am Ausgang 2 Transistoren, die eigentlich zwischen der Plus-Speisung und Masse liegen (hätten wir eine +/- Speisung, lägen sie da dazwischen) Und an diesen Transistoren haben wir kleine Emitterwiderstände von 0,33 Ohm. Das wäre also das Selbe, wie bei den vorherigen Beispielen.

Wir hätten eine Speisung von total 8 bis 12V, also an jedem Transistor (inkl. Widerstand) 4 bis 6V.

Da die Leistung dieses Verstärkers kleiner ist, entsteht am Transistor eine Minimalspannung von 1V (gegenüber den vorherigen 3V). Damit bleibt uns als Transistor-Ausgang jeweils 3 bis 5V oder zusammen 6 bis 10V.
Jetzt rechnen wir mal mit einem Lautsprecher von 4 Ohm. Dann wird Lautsprecher und Emitterwiderstand zusammen 4,33 Ohm werden. Damit wird der Spitzen-Spitzenstrom zwischen 1,38A und 2,31A
Dies ergibt eine Effektivleistung von 1,04W bis 2,89W

Jetzt die gleiche Rechnung mit 8 Ohm. Dabei wird durch den nochmals geringeren Strom der Verlust am Transistor und am Emitterwiderstand verringert.
Wir können mit einer Transistorspannung von 0,8V rechnen.
Folglich haben wir Maximalspannungen von 6,4V bis 10,4V.
Das ergibt Leistungen von 0,615W bis 1,623W

Wenn wir das jetzt etwas "durchleuchten" so sehen wir, dass die Speisespannung (von den 8V ausgehend) um 50% zugenommen hat, die Leistung bei 4 Ohm um 178% zunimmt und bei 8 Ohm um 164%.
Und weiter ist die Leistungsdifferenz zwischen 4 Ohm und 8 Ohm 69% bei 8V und 78% bei 12V

Bei dem von Dir erwähnten Verstärker ändert sich die Leistung zwischen 4 und 8 Ohm um 100%, in meiner Rechnung ist es weniger. Dies ganz einfach darum, weil ich mit den Verlusten an den Transistoren und Widerständen rechne. Entweder lügt Dein Datenblatt (was gut möglich ist) oder es handelt sich um ein Ding mit MOSFET Transistoren, die kraktisch keinen Verlust aufweisen.
Und man sieht aus dieser Aufstellung, dass bei 8 Ohm und dem entsprechend kleineren Strom eine kleinere Restspannung am Transistor nötig ist und dass ein kleinerer Spannungsverlust am Emitterwiderstand resultiert. 8 Ohm ist also wirtschaftlicher. Und wir können noch eine weitere Rechnung aufmachen.Ich habe ja die Möglichkeit mit dem Ausgangstrafo erwähnt, wo die Spannung hoch transformiert wird. Angenommen, wir hätten eine solche Schaltung, wo wir einen riesen Strom ziehen können. Dann bekämen wir mindestens Verluste in der Grössenordnung von 4V an den Transistoren, weil wir selbst mit allen Tricks (bootstrap für die Treiber) diese Spannung nicht tiefer bekommen. Und wenn wir wieder mit den 120W rechnen, die Du mal angegeben hast und eine Batteriespannung von 14,4V nehmen, so wird die SS-Spannung am Ausgang nur gerade mal 10,4V. Das hätte einen Spitzen-Spitzenstrom von 92,3A zur Folge. Und wenn wir rechnen, wie hoch die zugeführte Leistung sein muss, damit wir diese Ausgangsleistung erreichen, wären das rund 500W.

Wie erwähnt sind die Verluste kleiner, wenn wir eine höhere Impedanz wählen. Und ebenfalls bleiben die Verluste kleiner bei einer höheren Betriebsspannung.
Zurück zum vorherigen Beispiel: Der Verlust war bei 14,4V Speisung 4V, also rund 28%. Bei einer Speisung von mal angenommen +/- 35V sind es höchstens 8,5%

Also, ein Verstärker arbeitet am wirtschaftlichsten, wenn er keinen zu hohen Ruhestrom hat (das waren bei der letzten Antwort die dauernden 2,4W), wenn er unter Vollaussteuerung läuft, wenn er eine möglichst hohe Betriebsspannung hat (also nicht Brückenbetrieb) und wenn die Lautsprecherimpedanz hoch ist.

Hey, danke vielmals, du hast mir echt geholfen.
Jetzt frage ich mich nur, ob ich nicht nach einem Digitalverstärker Ausschau halten sollte, da die genannten Verlüste dort nicht auftreten dürften. Aber Sowieso ein Merci für das schnelle Antworten

MFG
BubbleBeat