Seite: 1 Projektarbeit CAE - Entwicklung und Aufbau eines Class D Verstrkers Daniel Immel
Elektronische Leistungsverstrker
werden aufgrund ihres Aufbaus
und ihrer Funktionsweise in Klas-
sen (Classes) eingeteilt. Die un-
terschiedlichen Klassen werden
durch Buchstaben unterschieden.
Die meist verbreiteten Klassen
sollen hier kurz vorgestellt wer-
den:
Class A:
Class A Verstrker haben heute
nur noch historische Bedeutung.
Sie waren die ersten Verstrker-
schaltungen. (Sehr hufig in Rh-
renverstrkern eingesetzt). Class
A Verstrker zeichnen sich durch
eine sehr hohe Linearitt aus. Sie
haben allerdings den groen
Nachteil, dass sie einen maxima-
len Wirkungsgrad von 6,25%
haben - unabhngig von der Last.
Ein Verstrker mit 10Watt Aus-
gangsleistung wandelt also stn-
dig 60Watt in Wrmeenergie um.
Aufgrund dieses groen Nachteils
sind solche Verstrker heute
kaum noch verbreitet.
Aufbau auf eine Lochrasterplatine des Class D Verstrkers
Einleitung
Projektarbeit: Computer Added Engineering (CAE)
Mai 2007 Daniel Immel [email protected]
Entwicklung und Aufbau eines Class-D Verstrkers
Anforderungen:
Digitale Endstufe
mit MOS Feldeffekt-transistoren in Voll-brckenschaltung (auch H-Brcke genannt)
Hoher Wirkungs-
grad
Kurzschlussfest
Aussteuerrungsan-
zeige mit Clipping Detektor
Gute Klangeigen-
schaften
Betriebsspannung
von 14-25V. Bei kleinerer Betriebs-spannung erfolgt Abschaltung
2 Laststabil
Einschaltverzge-
rung
LEDs Informieren
ber den Betriebs-zustand
Inhalt: AnforderungenAnforderungenAnforderungenAnforderungen 1
EinleitungEinleitungEinleitungEinleitung Class A Class AB Class D Funktionsweise eines Class D Verstrkers
1 1 2 2 2
AufgabenstellungAufgabenstellungAufgabenstellungAufgabenstellung 3
SchaltungsteileSchaltungsteileSchaltungsteileSchaltungsteile Spannungsversorgung Dreieckgenerator Praktische Probleme Vorverstrker Modulator Endstufe Simulationsprobleme Praktische Probleme Ausgangsfilter (Lowpass) SchutzschaltungenSchutzschaltungenSchutzschaltungenSchutzschaltungen Logikteil Unterspannungsdetektor Strombegrenzung bersteuerungsanzeige Aussteuerungsanzeige
4 5 7 8 9 11 16 17 18 20 20 21 21 22
AnhangAnhangAnhangAnhang Platinenlayout und Stckliste Kostenrechnung Inhalt der CD-ROM Einbinden der Simulationsmodelle
22 24 25 25
ZusammenfassungZusammenfassungZusammenfassungZusammenfassung Kostenrechnung Ergebnisse und Fazit
26 27
Prinzipschaltung eines Class A Verstrkers
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Energieverbrauch Klasse D im Vergleich zur Klasse AB Quelle: Elektronik von 12. November 2002
+Ub
-Ub
Ausgangssignal
Spannungsabfall an der Endstufe
Spannungsabfall an der Last
+Ub
-Ub
Typische Verluste in einer Class D Endstufe
Spannungsabfall an der Endstufe
Ausgangssignal
Spannungsabfall an der Last
Class AB:
Die Klasse AB ist die wohl am
meisten verbreitete Ver-
strkertechnik. Die beiden
Transistoren bilden eine
Gegentaktendstufe: Sie
leiten abwechselnd, da-
durch fliet kein Strom
mehr direkt ber die End-
stufe. (Lediglich ein gerin-
ger Ruhestrom, um soge-
nannte bernahmeverzer-
rungen zu vermeiden). Da
es an den Endstufentransis-
toren zu einem Spannungs-
abfall kommt liegt der the-
oretische maximale Wirkungs-
grad von Class AB Verstrkern
bei 78,5%. In der Praxis werden
60..70% als effektiver maxima-
ler Wirkungsgrad erreicht. Die
Class AB Verstrkertechnik ist
mittlerweile stark ausgereift. Es
ist mglich, qualitativ sehr gute
HiFi-Verstrker zu bauen.
Durch den Einsatz von vollin-
tegrierten (z.B. LM3886) Ver-
strkerstufen knnen AB-
Verstrker sehr leicht mit nur
wenigen Bauteilen realisiert
werden. Solche Verstrker sind
nebenbei auch sehr kostengns-
tig. Vollintegrierte Class AB
Verstrker werden sehr hufig
in Hifi Receivern, Autoradios
und Fernsehgerten eingesetzt.
Class D:
Vor allem in mobilen Anwen-
dungen kann die Class D punk-
ten (z.B. Handy, tragbare Au-
diogerte,...). Bei diesen An-
wendungen steht wenig Energie
zur Verfgung und diese muss
optimal genutzt werden, weiter
ist auch der zur Verfgung
stehende Platz meist sehr ge-
ring. Hier zeichnet sich der
Klasse D Verstrker durch sei-
nen geringen Stromverbrauch
und des Entfallens der Khlkr-
per aus. Der hhere Schaltungs-
aufwand der Klasse D wird mit
moderner Technik wettge-
macht. Mittlerweile gibt es IC's,
welche auf geringster Flche
einen kompletten Klasse D
Verstrker enthalten und beina-
he ohne externe Bauteile aus-
kommen. (z.B. TDAA Serie
von TI und die Philips
TDA897x Serie). Der gesamte
strungsanfllige analoge Sig-
nalweg wird dadurch vermie-
den und das Rauschen verrin-
gert. Fr Verstrker, bei denen
hohe Ausgangsleistung gefragt
ist (z.B. bei PA-Verstrkern),
eignet sich die Klasse D sehr
gut. Aufgrund des Entfallens
des Khlkrpers und der Ver-
wendung eines Schaltnetzteils
kann eine gewaltige Ausgangs-
leistung auf kleinem Raum
verwirklicht werden.
Funktionsweise eines Class D
Verstrkers:
Ein Class D Verstrker ver-
strkt das Signal nicht Analog
(so wie es am Eingang anliegt)
sondern wandelt das Signal in
Entwicklung und Aufbau eines Class-D Verstrkers
Prinzipschaltung eines Class AB Verstrkers
Typische Verluste in einer Class AB Endstufe
...der theoretische
maximale
Wirkungsgrad von
Class AB Verstrkern
liegt bei 78,5%. In
der Praxis werden
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Signal-quelle
Vorver-strker
Dreieck-generator
PWM Modulator
Digitaler Leis-
tungsverstrker
Tiefpass Filter
Laut-sprecher
Modularer Aufbau eines Class D Verstrkers
loge Signal zu rekonstruieren,
muss ber mehrere Perioden
der Mittelwert gebildet werden.
Dies bernimmt ein LC Filter-
kreis, oder der Lautsprecher
selbst (durch seine Induktivitt
und Trgheit). Um EMI
(Electro Magnetic Interference)
zu vermeiden, sollte am Aus-
gang aber immer ein LC Filter
verwendet werden. Ansonsten
wrden die Lautsprecherkabel
auch als Sendeantenne fungie-
ren. Man knnte den Verstrker
also mit einem AM-Radio
hren. Auch wrden eventu-
ell geschtzte Frequenzbnder
durch Einstreuungen gestrt
werden.
Ziel dieser Projektarbeit soll es
sein, einen funktionsfhigen
Class D Verstrker zu entwickeln
und aufzubauen. Die Schaltung
soll zuerst in dem Elektroniksi-
mulator PSpice simuliert werden
um von vorneherein auf Fehler
im Design aufmerksam zu ma-
chen. Die Schaltungsteile werden
danach auf ein Steckbrett aufge-
baut und getestet. Funktioniert
die Schaltung zufrieden stellend
wird ein Platinenlayout erstellt
und die Schaltung auf eine Loch-
rasterplatine aufgebaut. Die An-
forderungen an die Schaltung sind
im Detail Seite 1 zu entnehmen.
Der Schwerpunkt soll dabei nicht
auf der Simulation, sondern auf
dem praktischen Aufbau der
Schaltung liegen. (Platinendesign,
Probleme die im Simulator nicht
aufgetaucht sind, die Auswirkun-
gen nicht idealer Bauteile). Diese
Entwicklungsprobleme sollen
erlutert und analysiert werden.
Lsungen sollen aufgezeigt wer-
den. Der Class D Verstrker soll
ohne Rckkopplung einen subjek-
tiv guten Hreindruck machen.
Diverse Sicherheitsschaltungen
sollen den Verstrker vor Zerst-
rung durch Fehlbedienung scht-
zen. Der Verstrker wird in Mo-
noausfhrung gebaut. Fr Stereo-
betrieb sind dann 2 Verstrkerauf-
bauten notwendig. Ein funktions-
fhiger Aufbau auf einer Lochras-
terplatine soll im Rahmen der
Vorlesung/Projektvorstellung -
sofern gewnscht - gezeigt wer-
den.
Aufgabenstellung
ein Digitales. Meistens wird
hierzu die so genannte PWM
(Pulsweitenmodulation) ver-
wendet. Das neue PWM Modu-
lierte Signal ist viel hochfre-
quenter (Typischerweise
250kHz bis 500kHz) und kann
anschlieend verlustarm ver-
strkt werden. Das PWM Mo-
dulierte Signal kennt nur zwei
Zustnde (High und Low). Die
Information, welche im Audio-
signal enthalten war, steckt nun
im Tastverhltnis des modulier-
ten Signals. Der Mittelwert ist
ber eine Zeiteinheit berechnet
proportional zum Mittelwert
des Audiosignals. Um nach der
Verstrkung das originale ana-
Daniel Immel
Bild einer Class D PA Endstufe. Eckdaten: 4 x 1000 W an 2 - 2 x 2000 W
an 4 bei nur 10Kg Gewicht.
Quelle: http://pro-audio.powersoft.it/product_list.php?
