Class D - Digital Aplifier Design

Also, der Class D Amp. Über die Klassen möchte ich hier weniger sprechen, aber was sind die Vorteile der Class D Amps im groben:
Erstens wird anstatt von irgendwelchen Signalen nur ein Rechteck über die Endstufe ausgegeben und man hat dadurch geringste Verlustleistungen an der Endstufe und kann so bis zu 90% und mehr an Wirkungsgrad erreichen. Bei Class AB hingegen gehen rund 25% der gesamtleistung an Wärme verloren.
Wie man dann vom Rechteck zum SIgnal kommt - später mehr.
Durch die Leistungsersparnis kann man schon am Netzteil einsparen und kühlkörper braucht es auch nichtmehr so große.
Aber was ist da jetzt so Digital? Es gibt von der Ansteuerung her Digitale und Analoge, wo aber die analogen derzeit noch vorne liegen. Digital deswegen, da am ausgang nur 2 zustände entstehen können: Spannung oder nicht spannung.

Jetzt zur Funktionsweise: Man wandelt also das normale Audiosignal in ein PWM Signal um. PWM heißt Pulsweitenmodulation. Es handelt sich hierbei um eine Rechteckspannung mit konstanter Frequenz aber unterschiedlicher pulsdauer.

Aber wie kommt man zu diesem Signal?
Das erste Prototyp - Projekt kann so aussehen:
Man baut sich mit einem Trigger mit OPV und einem Integrierer (OPV) einen Dreieckgenerator zusammen. Mittels einem dritten OPV, den man als Komparator verwendet, vergleicht man das Dreiecksignal mit dem Audiosignal. Ist das audiosignal größer dem Dreieck, ist der Komparator auf High und andersrum. Das Dreieck muss ein vielfaches der maximalen Audiofrequenz haben. Nehmen wir an, die maximale Audiofrequenz ist 30 kHz, dann nehmen wir das dreiecksignal mit 500kHz an, dann ist die abtastrate groß genug.

Nun hat man am Ausgang des OPVs das PWM Modulierte Audiosignal. Dieses wird nun 1x Invertiert und dann das Invertierte und das Nicht Invertierte Signal jeweils auf einen MosFET der Endstufe geschaltet, die das PWM Signal nun auf die gewünschte Ausgangsspannung verstärkt.

PWM auf die Box - nix gut!
Natürlich will man jetzt nicht das PWM Signal auf der Box haben, sondern will das Audiosignal wieder zurück.
Dies macht man so, dass man das PWM Signal durch einen Tiefpass schickt.
HIerbei muss man die Funktion des Tiefpasses, der aus einer Spule und einem Kondensator (LC TP) aufgebaut ist, etwas anders sehen. Die Spule begrenzt den Ladestrom des Kondensators. Das heißt, dass wenn das PWM Signal auf HIGH Pegel ist, dass der Kondensator dann geladen wird und die Spannung an der Box ansteigt. ist die spannung auf LOW, so entladet sich der Kondensator über die Box und die Spule des TP.
Dimensioniert man das ganze jetzt so, dass die Spannung am kondensator Null ist, wenn das PWM Signal auf Mittelwert ist (Audioeingangssignal = 0,00 Volt), bekommt man bei mehr positiven Pulsanteil (audioeingangssignal positiv) eine Positive spannung am kondensator (und an der box), weil der kondensator die ziet zum entladen gar nichtmehr hat. ist die pulsdauer kleiner als bei 0 volt eingang, so wird der kondensator über die invertierte schaltung umgekehrt geladen, es entsteht eine negative spannung.

wegen der hohen frequenz ist erstens ein recht kleiner kondensator (~ 1µF Folie) nötig und im ruhezustand hört man auch die umladung nicht im lautsprecher.

Ich werde schauen, da noch bilder dazu zu bringen, sodass man sichs besser vorstellen kann, sonnst ist den Leistungen bis in den kW Bereich keine grenzen mehr gesetzt.

Wenn man weiß, wies geht, dann klingts nichtmehr so kompliziert. Ist recht interessant die technologie und ich kann nur jedem empfehlen, der etwas interesse an der elektronik hat, mit der technik zu spielen, auch wenns nur um 10 Watt ausgangsleistung geht :-)

NACHTRAG:
Link zu einer Diplomarbeit über Class D
http://www.iweil.com/audio/class_d.pdf

Der erste starke und erschwingliche Digitalverstärker ist von Yamaha (MXD1) und kostet 4500 Euro. Sollte in Kürze lieferbar sein. Laut Testbericht tun sich wieder mal neue Welten auf (völlig neuartige Lebendigkeit, er schafft es, selbst beste Transistorverstärker zu düpieren; Stereoplay 9/2003).
Nur 10 kg, Frequenzgang bis 20 kHz recht gut, nur bei 2 Ohm verliert er 1,5 dB (bei 4 und 8 Ohm aalglatt), im Bereich +3/-2dB geht er bis etwa 150 kHz.
An 6 Ohm liefert er 2*625 Watt Sinus. Hoher Bassdämpfungsfaktor (400), schwacher Höhendämpfungsfaktor (16; ist aber unwichtig).
Wäre interessant, ob sowas besser ist als zB eine große Vincent-Endstufe um denselben Preis.

Hi,

dann sollten wir jetzt alle schnell sehen, dass wir unsere Transistorverstärker loswerden, bevor sie niemand mehr will.

Gruß
MH

Ich hab mich gerade mal aufgemacht und die Audio => PWM Regelung mit einem Standard OPV (TL084) aufgebaut, das ergebnis kann sich sehen lassen (Kosten ca. 2 €):

Daten OSZI:
Sinus: Frequenz= 500Hz, Us = 4V (Uss = 8V)
PWM: Grundfrq.=3 kHz Spannung = 10V (Uss = 20V)

Man erkennt schön, dass sich die Pulsbreiten mit dem Sinus verändern, genau wie oben beschrieben.

Ich möchte noch Nachtragen, dass am Bild auffällt, dass Kanal A und Kanal B zueinander Verschoben sind und das Amplituden/Breitenverhältnis zueinander nicht passt.
Grund dafür ist der Triggermode, da es sic hier um zwei unterschiedliche voneinander unabhängige Frequenzen handelt.

So, hab mich heute etwas hingesetzt und den Sinus gegen ein Audiosignal getauscht und die Abtastfrequenz auf 200 kHz raufgeschraubt.
Hinten dann einen MosFet dran , der einen Lautsprecher ansteuert.
Das Ergebnis kann sich so schon recht gut sehen lassen.
Mit dem richtigen Gatedriver und gegentaktendstufe schau ich mal, was sich da mit 60 Volt +- machen lasst.
Da sollte ich dann aber den Ausgangsfilter nicht weglassen :-).
Liefere Schaltplan der Grundschaltung nach.

Was ist mit der Trr (Reverse Recovery Time) der Dioden ?
Wo ist die Totzeit im PWM-Signal ?

Also bis jetzt sieht das eher nach Prinzip-Schaltbildern aus.

Ich will das jetzt nicht miesmachen, aber wer schon mal mit Brückenschaltungen im PWM-Betrieb bei induktiven Lastverhalten zu tun hatte........

Gruss
Tim

das hier ist bis jetzt nur prinzip. Natürlich werden als endstufe Fets mit geringer recovery verwendet.

Als kleines Problem, das eigentlich keines ist, stellt sich auch der signalweg zwischen PWM und den Fets heraus, da wenn ich den oberen fet leitend mache, entschwindet dessen source in richtung betriebsspannung (100 Volt) und der fet sperrt wieder, da das gate weit negativer ist.
weiters ist die maximale gatespannung noch ein problem, also muss ich da sowieso noch am gatedriver arbeiten :-)

Sieh Dir doch mal den IR2110 an. Zur Brückenansteuerung nicht schlecht.

Ich hatte die internen Dioden schon bei ca. 40KHz abgeschaltet. (völlig andere Anwendung, aber egal)

Gruss
Tim