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VERSTÄRKER KUNDE


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Audio Test - epaper ⋅ Ausgabe 7/2022 vom 30.09.2022

Willkommen zur kleinen Kunde der Verstärkerschaltungen. Gemäß dem Themenschwerpunkt der Ausgabe wollen wir uns näher mit den verschiedenen Arten von Verstärkern auseinandersetzen. Und zwar so, dass man das ganze hoffentlich auch ohne Ingenieurs-Diplom verstehen kann. Also falls Sie gerade die AUDIO TEST nur in die Hände genommen haben, weil Sie mal eine Pause von den Lötdämpfen beim modifizieren der Gegenkopplung in ihrem selbstgebauten Vorverstärker brauchen, dann können Sie getrost weiterblättern. Wenn Sie aber mit dem Begriff Class A etwa nur ein vages Gefühl von „muss gut sein“ verbinden, weil das immer so hoch angepriesen wird, dann lohnt sich die folgende Lektüre. Ein kleiner Hinweis noch vorab: Auf Röhrenschaltungen können wir heute nicht eingehen. Das wäre wieder ein ganz eigenes Magazin. 

Transistor

Die Funktionsweise von Verstärkern lässt sich wohl am einfachsten am Beispiel von ...

Artikelbild für den Artikel "VERSTÄRKER KUNDE" aus der Ausgabe 7/2022 von Audio Test. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Audio Test, Ausgabe 7/2022

Das zwischen Basis und Emitter anliegende Steuersignal ist bei HiFi-Verstärkern in der Regel das Audiosignal
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... Transistorschaltungen erklären. Natürlich gibt es auch Exemplare, die mit Röhren oder den weit verbreiteten Operationsverstärkern arbeiten, aber aus Gründen des einfacheren Verständnisses lassen wir das außen vor. Vorab ein kleiner Crash-Kurs zum Transistor. Einen Transistor kann man sich für unsere Zwecke stark vereinfacht als einen auf Halbleitern basierten, elektrisch gesteuerten, variablen Widerstand vorstellen. Er kann entweder als einfacher, nicht mechanischer Schalter, oder eben in Verbindung mit einer Stromquelle zur Verstärkung von Signalen benutzt werden. Wir wollen die Funktion am Beispiel eines bipolaren Transistors veranschaulichen. Die Funktionsweise ist für andere Arten von Transistoren ähnlich, auch wenn sich der Aufbau unterscheidet. Ein bipolarer Transistor besitzt zunächst drei Anschlüsse: die Basis (B), den Kollektor (C) und den Emitter (E). Er besteht aus drei Schichten eines dotierten Halbleitermaterials, wie zum Beispiel Silizium, wobei die beiden jeweils am Kollektor und Emitter liegenden Schichten die gleiche Dotierung aufweisen. Betrachten wir zunächst einen NPN-dotierten Transistor. Ohne jetzt hier in die Tiefe zu gehen, ermöglicht dieser Aufbau mittels eines an der Basis-Emitter-Strecke angelegten Steuerstroms, bzw. einer hier angelegten Steuerspannung, den Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke zu beeinflussen. Bei Verstärkern im Audiobereich ist das Steuersignal die Wechselspannung des Audiosignals. Zwischen Kollektor und Emitter liegt die transformierte und zu Gleichstrom gewandelte Netzspannung an, auch bekannt als „das was aus der Steckdose kommt“. Wenn sich nun der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke in Abhängigkeit der Wechselspannung des Audiosignals ändert, moduliert dieses so den hier fließenden Strom, bzw. die hier anliegende Spannung, und übersetzt das Steuersignal idealerweise in ein analoges Signal mit größerer Amplitude. Man könnte auch sagen, das Audiosignal wird verstärkt. Aber so einfach ist das Ganze natürlich wieder einmal nicht. Transistoren haben nämlich die Eigenschaft, erst ab einer gewissen Steuerspannung die Leitfähigkeit der Kollektor-Emitter-Strecke stufenlos im Verhältnis zu jener zu verändern. Dieser Spannungswert ist der Schwellwert eines Transistors.

Class A/B

Wie erklärt, lässt sich der gewählte Arbeitspunkt der zum Einsatz kommenden Transistoren in einer Verstärkerschaltung als Kriterium für deren Klassifizierung heranziehen. Mit den verschiedenen Arbeitspunkten kommt es aber auch zu verschiedenen Vor- und Nachteilen der Verstärkerklassen. So sind zwar Class A Schaltungen für ihre verhältnismäßig hohe Linearität geschätzt, bezahlen dies jedoch mit ihrer hohen Verlustleistung. Will man die Verlustleitung reduzieren, aber dennoch die unschönen Übernahmeverzerrungen von Class B Schaltungen vermeiden, gibt es einen naheliegenden Kompromiss. Die wenig überraschend betitelte Class A/B Schaltung. Wie bei reinen Class B Verstärkern sind Class A/B Verstärker ebenfalls immer als Gegentaktverstärker aufgebaut. Allerdings wird hier der Arbeitspunkt so gewählt, das dieser zwar über dem Schwellwert der Transistoren liegt, aber dennoch unter dem einer Class A Schaltung. Durch den geringeren Ruhestrom arbeitet die Schaltung energieeffizienter und dennoch tendenziell verzerrungsarm. Auch sind als Faustregel höhere Verstärkungen zu erzielen als etwa im Class A Betrieb. Deshalb findet sich diese Art der Schaltung auch als veritabler Kompromiss aller Faktoren in besonders vielen HiFi-Verstärkern.

Class D

Die Klasse C lassen wir mal außen vor. Schlicht und einfach wegen mangelnder Relevanz für uns an dieser Stelle. Stattdessen widmen wir uns direkt der Class D Verstärkerschaltung. Und hier gilt es erstmal mit einem hartnäckigen Missverständnis aufzuräumen. Und zwar dem Fakt, das Class-D beziehungsweise sogenannte Schaltverstärker gerne auch als „Digital-Verstärker“ oder dergleichen betitelt werden. Wie wir gleich sehen werden, ist es ob einer gewissen Ähnlichkeit zur Arbeitsweise digitaler Signalverarbeitung nicht komplett abwegig, hier auch begrifflich Parallelen ziehen zu wollen. Nichts desto trotz sei hier deutlich gesagt, dass es sich bei Class-D Schaltungen nicht automatisch um Verstärkung via digitaler Technik handelt, auch wenn diese manchmal - etwa zur Steuerung - zum Einsatz kommt. Das D in Class-D ist de facto kein Akronym für Digital sondern historisch dadurch zu Stande gekommen, dass man bei der Kategorisierung schlicht bei diesem Buchstaben angekommen war, als es darum ging, diese Art der Schaltung zu benennen. Eine weitere Besonderheit: Und zwar stellt die Class D Schaltung die berühmte Ausnahme von unserer oben genannten Regel zur Kategorisierung von Verstärkern dar. Da hier kein Strom analog zur Steuerspannung moduliert wird, ist auch der Arbeitspunkt der Transistoren hier nicht das entscheidende Kriterium.

Pulsbreitenmodulation

Wie funktioniert denn jetzt genau eine Class D Verstärkerschaltung? Hier findet keine direkte analoge – im Sinne von gleichförmige – Modulation der Netzspannung mittels einer Steuerspannung satt. Stattdessen erzeugt ein Class D Verstärker zunächst ein pulsweitenmoduliertes Signal aus dem Audiosignal und verstärkt es erst anschließend. Pulsweitenmodulation oder Pulse Width Modulation (PWM) bezeichnet die Modulation eines Nutzsignals mit einer Hilfsfrequenz über einen Komparator zu einer Rechteckschwingung mit wechselnder Pulsweite. In unserem Fall ist das Nutzsignal logischerweise das zu verstärkende Audiosignal und die Hilfsfrequenz ist in der Regel eine hochfrequente Dreiecksschwingung. Und was genau macht ein Komparator eigentlich. Der Komparator ist ein elektrisches Bauteil, das zwei anliegende Spannungen miteinander vergleicht. In Abhängigkeit von deren Verhältnis gibt dieser dann selber entweder eine positive oder eine negative Spannung aus. In unserem speziellen Fall wird die Ausgangsspannung des Komparators positiv, wenn das Nutzsignal größer als die Hilfsspannung wird.

Ist die Nutzspannung hingegen kleiner, wird die Ausgangsspannung negativ. Und hier liegt auch der Quell des Missverständnisses. An dieser Stelle entsteht zwar ein binäres Signal, also ein Signal das nur zwei verschiedene Werte annehmen kann, aber binär und digital sind nicht gleichzusetzen. So wie alle Daumen Finger sind, aber eben nicht alle Finger Daumen. Das hier entstehende Signal kann nämlich auf der Zeitachse theoretisch unendlich viele Werte annehmen. Somit ist es zwar wertaber nicht zeitdiskret und digitale Signale müssen beide Kriterien erfüllen. Das vom Komparator ausgegebene PWM-Signal wird dann über einen Controller an nachfolgenden Transistoren weitergeleitet und mittels dieser verstärkt. Häufig kommen an dieser Stelle MOSFETs zum Einsatz. Der Vorteil dieser Schaltung liegt darin, dass die Transistoren immer voll durchsteuern oder sperren. Daher auch der Name Schaltverstärker, schließlich arbeiten die Transistoren hier effektiv als Schalter. Zwischenwerte wie in allen anderen bisher genannten Schaltungstypen gibt es hier idealtypisch genauso wenig wie eine Vorspannung und damit auch keinen Ruhestrom. So können Class D Verstärker Wirkungsgrade von bis zu 90% erreichen und ohne ausufernde Hitzeentwicklung hohe Verstärkungen erzielen. Zum Vergleich: Class A/B Verstärker erreichen hier Werte um die 50 % und Class A Verstärker sogar nur etwa 20 %. Allerdings kann die entstandene Rechteckwelle natürlich nicht einfach so auf einen Lautsprecher gegeben werden. Die pegelstarken, hochfrequenten Anteile würden diesen schlichtweg zerstören. Um dies zu verhindern ist der eigentlichen Verstärkerstufe ein Tiefpassfilter nachgeschaltet, der die hochfrequenten Anteile der zur Modulation genutzten Dreieckswelle aus unserem verstärkten Rechtecksignal wieder herausfiltert. Damit dies ohne negative Beeinträchtigung unseres Audiosignals passiert, muss die Frequenz der Dreieckswelle so hoch gewählt werden das der Filter diese Sperren kann, ohne sich negativ auf den Amplituden- oder Phasenfrequenzgang im Hörbereich auswirken. Alles ganz schön tricky.

Digitale Class D

Es gibt natürlich auch Class D Verstärker, die über weite Strecken wirklich digital realisiert sind, was sich vor allem zur Verarbeitung digitaler Signale auch anbietet. Diese stellen aber eben einen Sonderfall dieser Verstärkerklasse dar. Sie wissen schon: Finger und Daumen und so. Leider fehlt uns an dieser Stelle der Platz, um darauf näher einzugehen. Aber erwähnt haben wollen wir es zumindest. Vielleicht greifen wir das Ganze ja in einer zukünftigen Ausgabe weiter auf. Wir hoffen dieser ausführliche Überblick über die gängigsten Schaltungsformen ist Ihnen eine Hilfe, um die für Sie am besten geeignete Verstärker-Variante herauszufiltern.