Class D Schaltplan

Ich möchte Dir nicht gleich die Freude verderben. Aber ich behaupte: So einfach ist das nicht.
Nehmen wir mal an, Du möchtest eine maximale Leistung von 100 Watt an 4 Ohm, so wäre das nach der Integration eine Wechselspannung von 20V effektiv. Du bräuchtest also rund 60V Steisung (+/- 30V) im Minimum. Diese müsstest Du mit mindestens 44 kHz tasten und zwar mit einem Rechteck unterschiedlicher Breite. Und wenn Du da mal von einer Grundlage entsprechend CD ausgehst (16 BIT), ergibt das unter Umständen recht schamle Signalimpulse, die ein entsprechend hohes Oberwellenpotential haben. Um es kurz zu machen: Du baust da einen recht potenten Kurzwellensender.
Damit das Ding betrieben werden darf, sind aber die Störstrahlungsvorschriften (auch von Laien) einzuhalten, anderenfalls drohen Bussen und Konfiszierung. Das Gerät so hinzukriegen, dass es nicht strahlt, ist gar nicht so einfach. Ich habe jedenfalls solche Geräte gesehen, die recht aufwändig aufgebaut und geschirmt waren. Und ohne entsprechende Messapparaturen kriegt man das nicht hin.

Das das ganze nicht ganz einfach ist war mir auch klar. Aber eine Taktung von 100kHz sollte nicht das Problem sein. Zur Störunterdrücken ist ein ordentlicher Tiefpass am Ausgang nötig. Ich hab mal Versuche mit einer sehr sehr einfachen Schaltung gemacht -und so schwer ist das auch nicht. Die Messmöglichkeiten hab ich in der Uni.Es ging auch mehr mal um einen Versuch. Ich will ja nicht gleich eine 1kw Endstufe bauen.

Also, eine Schaltung habe ich nicht, aber ich möchte anhand der CD-Vorgaben nochmals einige Überlegungen los werden.
Angenommen, wir arbeiten mit 44 kHz und 16 Bit und legen fest, dass diese 16 Bit jeweils eine Veränderung der Pulsbreite um den Faktor 2 bedeuten, so sind das 44'000 mal 16 unterschiedliche Informationen pro Sekunde. Das entspricht einer maximalen "Ereignisfrequenz" von 704'000.

Es wird aber nicht einfach sein, die Genauigkeit der Pulsbreite einzuhalten, wenn für jedes Bit die Breite individuell erzeugt wird. Und die Addition der einzelnen Breiten muss auch noch genau erfolgen. Denn schliesslich ist der Fremdspannungsabstand neben der Grundlage 16 Bit von dieser Genauigkeit abhängig und bezieht sich auf die Totalleistung. Ein Fremdspannungsabstand von 96 dB bei einer Endstufe führt zu leicht hörbarem Rauschen, wenn Lautsprecher mit mittlerem bis höherem Wirkungsgrad zum Einsatz kommen. Und durch die Ungenauigkeit kann der Fremdspannungsabstand nur schlechter werden.

Wir können auch einen anderen Weg wählen: Wir machen Einheitsschritte, indem wir einen Sample in 32'768 Einzelsegmente aufteilen. Das entspricht Null bis FS.
Da diese total 65'536 Einzelschritte 44'000 mal pro Sekunde ausgeführt werden, entsteht eine Frequenz von 2,88 GHz. Wenn wir also nur das kleinste Bit übertragen wollen, müssen wir diese Frequenz im Minimum übertragen können. Und dann haben wir keinen Rechteck, sondern eine Sinusform mit allfälligem Ein- und Ausschwingen.

Je nach Konstruktion sind mindestens etwa 3 MHz, im Maximum etwa 3 GHz zu übertragen. Und da sehe ich einfach Abschirmprobleme. Da strahlt alles. Und auch wenn Du die Störsignale auf das beinahe zugeschweisste Gehäuse führst, strahlt dieses. Und Erde über das Netzkabel gibt es bei diesen Frequenzen auch nicht mehr.

Sicher sind die Probleme lösbar, sonst gäbe es keine Digitalverstärker. Aber erstens werden da Spezial-IC eingesetzt, die vorderhand praktisch nur als Ersatzteil zu horrenden Preisen erhältlich sind und zweitens sind auch kaum die Leistungstransistoren frei imm Handel erhältlich.
Und zu guter letzt wäre es ein Nachbau einer bestehenden Schaltung ohne eigenen Einfluss und ohne eigene Berechnungen. Ich neige dazu, eine Schaltung nicht einfach nachzubauen, denn dass sie funktioniert, beweisen die Hersteller der Geräte, sondern mich interessiert, wie was gelöst wurde und warum. Also möchte ich das Zeug selbst berechnen. Dazu brauche ich aber Details der Bauteile und nicht einfach ein Schaltbild mit drei IC und das wars.

Wenn Du aber etwas gefunden hast, das man nachbauen kann, wäre ich am Ergebnis interessiert. Ich möchte ja wissen, wie Du die Klippen gemeistert hast.
Gruss
Richi

Hallo,

@ tiki hat sich mit D Endstufen sehr tief beschäftigt. Es gibt dazu auch einen Thread irgendwo in Stereo/Elektronik.
Er hat das Projekt aus Kostengründen fallen lassen, da er fertig bestückte Platinen für 150W RMS zu kaufen bekam. Sie lagen im Preis um die 60€, wenn ich mich recht entsinne. Auf seiner Homepage sind auch diverse Schaltpläne zu finden.
Möglicherweise kannst Du ihn kontaktieren.

viele Grüße - Henry

Nü ja

Lieg ich da so falsch das die Abtastung von 44khz aus
dem mir bekannten problem kommt, dass man um ein Signal reprodizieren zu können minimal die Dopplete Abtastfrequenz braucht?! Also für 20kHz Musikgenuss braucht man min 40KHz Abtastfrequenz. Die übrigen 4KHZ sind als gut gemeinte Reserve zu sehen. Die 16bit Auflösung bezieh sich ja wohl auf die Amplitudenwerte und hängen nicht mit der Abtasfrequenz zusammen. Daher müsste eine Taktfrequenz von über 40KHz ausreichen um eine Class D Verstärker zu bauen. Ich glaub kaum, das einer der Verstärker mit einem GHz läuft!!!!

Daher kann ich deiner Rechnung leider nicht folgen. Und die Schirmung ist nicht so das Problem. Oder wie groß ist denn dein Netzfilter am PC - der Produziert ja auch Frequenzen in der GHz größenordnung.

Die Taktfrequenz bezw. die Samplingrate von 44 kHz ist das eine. Innerhalb eines Samples musst Du aber mit wechselnder Breite die Transistoren ein- und ausschalten. Das muss mit einem sehr steilflankigen Rechteck geschehen und da ist die Krux zuhause.
Diese Steilflankigkeit mit einer unerhörten Präzision (eben die gut 32000 Möglichkeiten, wann innerhalb eines Samples ein- und ausgeschaltet wird) ergeben eine mögliche Bandbreite, die in die etlichen Megahertz gehen.
Wenn Du ein CD-Digitalsignal übertragen willst, also beispielsweise in AES-EBU oder SPDIFF, so hast Du es mit Frequenzen von rund 5 MHz zu tun.
Und beim PC hast Du zwar einen recht anständigen Strom, der da fliesst, aber erstens nur 5V Spannung, sodass die Strahlung nur schon aus diesem Grund nicht so hoch sein kann. Zweitens schaltest Du da nicht dauernd die ganze Last ein- und aus, wie das bei der digitalen Endstufe der Fall ist. Dort bekommst Du Lastspitzen mit teils extrem schmalen und stromreichen Spitzen. Und das eben einmal in hohen Frequenzbereichen (je besser der Verstärker, desto steiler und hochfrequenter die Impulse) bei recht ansehnlichen Strömen und bei Spannungen von mindestens 60V. Das abzuschirmen ist das Problem.

Es gab schon vor etlichen Jahren "digitale" Aktivboxen im Studiobeerich, die mit einem AES-Signal angesteuert wurden. Nur wurde dort die Lösung des Problems an den Schaltungs-Eingang verlegt. Am Eingang einen DA-Wandler und das Problem ist aus der Welt. Nur ist das nicht unsere Lösung.
Oder Du integrierst das Steuersignal am Gate der Endtransistoren. Dann hast Du zwar noch die Samplerate von 44 kHz, aber kein Rechteck-Steuersignal mehr, sondern irgend etwas gleitendes. Da ist dann aber nichts mehr mit Präzision. Rauschen ist vorprogrammiert. So eine Endstufe (gab es auch schon) ist bestenfalls für PA geeignet. Ausserdem ergeben sich durch diese gleitenden Übergänge recht hohe Verlustleistungen, was auch nicht im Sinne des Erfinders ist.
Ich weiss, die GHz sind rein rechnerisch vorhanden, in der Praxis nicht durchführbar. Aber unter 5 MHz ist nun mal nichts zu haben. Und mit einem solchen Verstärker erreichst Du nicht mal das, was mit einem relativ billigen Analogverstärker zu erreichen ist.


Um nochmals zusammenzufassen: für 20 kHz Audio genügen 40 kHz Abtastfrequenz, wenn das nachfolgende Filter eine unendliche Steilheitt hat. Um die Steilheit irgendwo in einem realisierbaren Bereich anzusiedeln (ohne Oversampling), ist eine Sampling-"Reserve" von 10% nötig. Daher mal die 44 kHz.

Die 16 Bit beziehen sich im analogen Teil schon auf die Amplitude. Mit 16 Bit kann ein Analogsignal amplitudenmässig in rund 65'000 gleiche Schritte unterteilt werden. Diese 65'000 Teile werden mit einem 16Bit-Wort (ohne irgendwelche Zusätze gerechnet) dargestellt. Also sind pro Sample 16 Bit (minmimal) nötig. Also sind pro Sekunde 16 mal 44'000 Informationen zu übertragen.

Das ist die Technik, die ursprünglich bei der CD angewandt wurde. Später hat man dann gemerkt, dass es präziser ist, bis zu 65'000 mal die selbe Spannung zu addieren als 16 verschiedene Spannungswerte. Damit waren die Einbit-DA-Wandler geboren. Und diese arbeiten halt wirklich im GHz-Bereich.
Also hängt es jetzt davon ab, ob ich ein "analogisiertes" (klirerndes und rauschendes) Signal 44'000 mal bearbeite, oder 44'000 mal 16 unterschiedlich breite Signale mit mehr oder weniger brauchbarer Flankensteilheit (ergibt in der Praxis etwa 5 MHz) oder 44'000 mal 65'000 schmale Rechteckimpulse, was eben rund 3 GHz ergibt.

tja klingt irgendwie überzeugend.

Für den pa bereich sind solche endstufen aber doch beriets erfolgreich im einsatz. damit fällt diese projekt ode
versuch doch wohl ins wasser.

gruß

Ich habe beim Schweizer Fernsehen gearbeitet (bin seit 6 Monaten in Rente) und da hatten wir auch solche Digitalendstufen der zweiten Generation im Einsatz. Diese wurden für die Saal- und Studiobeschallung verwendet, weil sie im Decor mit wenig Platzbedarf und ohne Lüfter betrieben werden konnten. Sie wären niemals als Abhörverstärker durchgegangen.
Die erste Generation, noch ein richtiges IC-Grab, hatte so starke Störstrahlungen, dass drahtlose Mikrofone nicht zu betreiben waren. Sie machten beinahe einem sendenden Handy Konkurrenz.
Und eben, was man heute an Bauteilen auf dem freien Markt bekäme, wären die Dinger, mit denen man die erste Generation nachbauen könnte, also völlig uninteressant. Ausserdem wäre der finanzielle Aufwand für etaws, das nicht erlaubt ist und auch nicht befridigt, doch recht happig...

also vom klang her gibts eh nix besseres als class-a.

ich will auch so ein teil bauen, aber ich hab probleme bei der beschaffung eines passenden ICs. schaltplan etc hab ich alles da. übrigens sind 44khz für'n A* - die ICs die ich suche, takten die mosfets mit bis zu 1,5 mhz... und dann klingen die teile auch aktzeptabel. bei 44khz ist's normal, daß du nen eher einen vlf-sender als eine audioendstufe bekommst, oder willste nen tiefpass bauen, der größer als die endstufe ist ??

*so einen ic haben will, dann bau und dann sag ob und wie es funzt*

Bei ELV bin ich auf so etws Ähnliches gstoßen.
Da gibt es zwei Class T Verstärker im Programm.
Zieh es dir mal rein.

Schon mal gegoogelt?

http://www.google.de...G=Google-Suche&meta=


georgy

@richi44

Warum versteh ich kein Wort von den Geschichten die Du da erzählst ??


@Kostfastnix

National Semiconductor hat eine Lösung für Dich. LM 4651 & LM 4652. Kostfastnix und eine Application Note mit Berechnngsgrundlagen und Schaltplan gibs gratis.

Persönlich würde ich Class D nur für den Tieftonbereich einsetzen. Class D hat prinzipbedingt zu hohen Frequenzen hin hohe THD. Mit genügend hoher Schaltfrequenz, National schlägt hier über 100kHz vor, sind die THD im unteren Frequenzbereich durchaus akzeptabel.

Für die Widergabe des Mittel- und Hochtonbereichs wird nicht soviel Leistung benötigt. Hier kan man mit den entsprechenden Verlusten eines C B oder A Betriebs leben. Class D währe meiner Meinung hier wegen des hohen THD nicht angebracht.

nochmal @richi44

Bei einer Schaltfrequenz von 100kHz ergibt sich eine Periodendauer von schätzungsweise 10us. Wenn ich die durch 65535 teile erhalte ich eine minimale Pulsbreite von sagen wir mal 152 Pikosekunden. Wenn ich mich nicht täusche liegt die Schaltzeit von guten industrierelevanten Mosfets bei 10 Nanosekunden und größer. Also alleine das Ein- oder Ausschalten dauert schon deutlch länger als das was man als Pulsbreite darstellen wollte. Geht also nicht vernünftig, Auflösung geht verloren und THD steigt an.

Das bedeutet aber auch, daß es schwer gelingt elektomagnetische Felder mit 3GHz abzustrahlen. Im Bereich der Schaltfrequenz und auch deutlich darüber erzeugt man schon noch spektralanteile, die dem Mittelwertbildner (Ausagngsfilter) zum Opfer fallen sollten.

Soweit meine Meinung zu dem Thema.

daß mosfets keine 100khz schalten können ist unfug. ich hab ein pc-netzteil mit etwa 40khz gebastelt, und da ist auf dem oszi eine lupenreine rechteckspannung zu sehen. und schaltregler für prozessorspannungen auf dem mainboard arbeiten mit 500khz-3mhz...

tripath schaltet mosfets auch mit bis zu 1,5 mhz.

Das Mosfets keine PWM-Freqenz von 100 kHz schaffen steht ja auch nirgends.

Der Bezug waren die 152 Pikosekunden.

ich muß mal so eine stufe nachbauen und dann diskutieren wir weiter :p

Hallo Richi44

Ich habe beim Schweizer Fernsehen gearbeitet (bin seit 6 Monaten in Rente)

Darf man fragen was für ein "Baujahr" du bist ?

-scope- schrieb:

Hallo Richi44 Ich habe beim Schweizer Fernsehen gearbeitet (bin seit 6 Monaten in Rente) Darf man fragen was für ein "Baujahr" du bist ? ;)

Darfst Du
Von irgendwoher kommt das "44" in meinem Namen

@ Frickelbruder
ich glaube, Du hast meine Botschaft verstanden, denn Du rechnest selbst vor, wie kurz der kürzestmögliche Impuls sein müsste, wenn man die Samples in die 65535 Einzelimpulse zerlegen würde.
Diese Anzahl ist die Grundlage (16 Bit) der CD, deren Qualität ja nicht als das Gelbe vom Ei angesehen wird.
Du könntest jetzt hergehen und die Sache umdrehen, indem Du aus den Schaltzeiten des MOS die kürzest mögliche Impulsdauer berechnest. Dies ergäbe (einschalten, halten, ausschalten) dann die maximal mögliche Anzahl an Ereignissen innerhalb eines Samples und damit die Anzahl Bit, die möglich wären, wenn man die Ansteuerung über ein digitales System vornehmen würde. Dies würde zeigen, wie viel schlechter Fremdspannungsabstand und Klirr gegenüber einer CD würden.
Und auch, wenn man die Pulsbreite analog steuert und einfach einen gewissen unbenutzten Rest stehen lässt, ist die Schaltgenauigkeit nicht gegeben, sodass daraus Rauschen und Klirr resultieren.
Denkbar (aber nicht machbar) wäre eine parallele Stromansteuerung des Ausgangs, indem 16 unterschiedliche Ströme am Ausgangswiderstand (Lautsprecher) addiert würden. Nur müssten diese mit Widerständen festgelegt werden und die Heizung wäre komplett...

@ richi44

Ich sehe schon, wir nähern uns der selben Ausage von verschiedenen Seiten ;-)

hmm ich glaub hier gibts probleme bei den grundsätzen... class-d wird zwar gerne digital genannt, der beiden schaltzustände der endstufentransistoren wegen - aber das ist es eigentlich gar nicht. im grunde handelt es sich immer noch um eine rein analoge schaltung, nur daß das audiosignal in ein pwm-signal und dann wieder in ein audiosignal gewandelt wird. da ist nix digitales dran, sowas kriegt man auch einfach mit einem taktgeber und einem schwellwertschalter hin - klingt nur halt auch "einfach". wichtig ist nicht, wie man das audiosignal digital zerlegen kann, sondern wie man es in gegentakt-pulsweiten-signale und dann mit dem ausgangsfilter wieder zurück wandelt.

zum theoretischen: ich kann den ausgangsfilter wenn er groß genug ist mit einem 50/50% gegentaktsignal ansteuern. solange die impulse gleichlang sind, heben sie sich im filter auf und die ausgangsspannung ist null. verändere ich nun das taktverhältnis, also öffne den plus-zweig 60% und den minus-zweig 40%, wird sich am ausgang eine positive spannung aufbauen, andersrum eine negative. das ganze muß man nur schnell genug machen, damit man die ausgangsspannung einem 20-30khz audiosignal nachführen kann. weiter verbesserungen ergeben sich dann noch, wenn man die taktfrequenz und die totzeiten variiert, aber wie genau sich das auswirkt weiß ich auch (noch) nicht. praktisch hab ich so eine stufe noch nicht gebaut.

Es ist eigentlich egal, auf welche Weise man die Pulsbreite verändert. Ob man das mit einem präzisen Schwellwertschalter macht oder ob das digital erzeugt wird. Die Funktion am Endtransistor ist die selbe.
Das Problem ist in jedem Fall, wie genau und rasch die Umschaltung der Endtransistoren vorgenommen werden kann. Daher habe ich die digitale Aufbereitung als Gedankenstütze genommen und vergleichende Rechnungen mit der bekannten CD angestellt.
Sicher ist es möglich mit einer Taktfrequenz von 100 kHz ein Audiosignal von 20 kHz zu übertragen. Die Frage ist einfach, wie viel Klirr und Rauschen toleriere ich und wie schnell will ich die Transistoren umsteuern, um nicht durch den Zeitverlust unnötige Verlustleistung zu produzieren.
Beim Umschaltsignal der Endtransistoren handelt es sich bekanntlich um ein Rechtecksignal und dieses hat für eine einigermassen brauchbare Steilheit eine Bandbreite von etwa 1 MHz, wenn die Repetitionsfrequenz (Taktfrequenz) 100 kHz beträgt (Tastverhältnis 50/50%).Es ist eine Tatsache, dass sich das Oberwellenspektrum verändert, wenn ich an einem Rechteck das Tastverhältnis (ein- zu aus-zeit) verändere. Und um das Steuersignal zur Wirkung zu bringen, muss dieses Spektrum übertragen werden.
Ob ich nun Einzelimpulse zähle, feste Zeiten (entsprechend der Bit-Gewichtung) addiere oder mit präzisen Schwellwertschaltern auf Analogbasis arbeite, hat auf das Steuersignal der Transistoren keinen direkten Einfluss.

Und noch ein Wort zur Störstrahlung. Diese ist nicht nur am Ausgang des Verstärkers vorhanden, sondern auch auf der Stromversorgung. Ich muss also die Speisung soweit abblocken, dass keine Stromspitzen zu Spannungsspitzen werden können. Normale Elkos reichen da bei weitem nicht aus. Und auch die Länge der Leiterbahn, die ja eine nicht unerhebliche Induktivität haben kann, spielt eine entscheidende Rolle. Je besser ich den Verstärker baue, also je schneller geschaltet wird (steiler Rechteck), desto höher liegt die Oberwellen-Frequenz, die am Ausgang und am Netzteil anliegt und abgestrahlt werden kann. Dafür habe ich weniger Verlustleistung.

I'll understand it's fun build and design but you can also simply buy pretty good class D modules from www.hypex.nl

oder baue dir gute class D module:
(or just build pretty good class D modules:)

http://www.lightball.dk/download/com/pdf/zp22mateng.pdf


http://213.237.39.2/com/index.php?page=35

Hallo

Ich hab da nen Problem...
In 6 Wochen muss ich ne Facharbeit zum Thema Hoch- Tiefpass und Frequenzfilter abgeben (Physik LK Klasse 12).
Das Grundprinzip mit Wiederstand, Kondensator und Spule hab ich zwar verstanden, hab aber keine Ahnung wie die Rechnungen (z.B: Kapazitäten der Kondensatoren) zu verstehen sind.

vielleicht kann mir ja jemand ne Page oder ein Buch empfehlen, das mir weiterhilft!?

nen schönen Dank gibts schonmal im Voraus!