12 Volt endstufe

Wenn man eine einfache Endstufe mit 12V Betriebsspannung baut und sie mit einem 4 Ohm Lautsprecher betreibt, bekommt man (Spannungsverluste an den Transistoren minimiert) auf maximal 3,78W. Bei höheren Leistungen beginnt das Ding deutlich zu klirren (Angaben mit 10% Klirr sind üblich). Eine höhere Leistung erfordert eine höhere Betriebsspannung. Dies wird in der Praxis berücksichtigt, weil die Autobatterie durch das Nachladen des Alternators normalerweise eine Spannung von rund +20% (14,4V) liefert.

Eine erste Leistungserhöhung ist möglich, wenn man die Lautsprecherimpedanz reduziert. So sind IC lieferbar, die mit 2 Ohm Lautsprechern betrieben werden.

Eine nächste Steigerung wäre der Brückenbetrieb. Hier werden zwei Endstufen gegeneinander geschaltet (Lautsprecher hängt zwischen den Ausgängen und nicht mehr gegen Masse), sodass man das gleiche Ergebnis erhält, wie wenn man die Speisung verdoppeln würde. Da sind dann (mit 10% Klirr und 14,4V Speisung) rund 24W möglich.

Die nächste Steigerung geschieht durch "Bootstrap". Das muss man sich etwa folgendermassen vorstellen:
Die Speisung der Endstufe wird nicht direkt zugeführt, sondern von der Batterie her über eine Diode. Damit liegt an der Endstufe immer die Batteriespannung (abz. die Diodenspannung von 0,7V), aber es ist möglich, eine höhere Spannung zusätzlich zuzuführen.
Jetzt wird mit einem Elko die Verstärker-Ausgangsspannung an diese Stelle eingekoppelt. Der Verstärkerausgang liegt normalerweise auf halber Speisung, also 6V und am Speise-Eingang haben wir 12V (mit diesen Werten rechnet es sich leichter, auch wenn sie nicht ganz der Praxis entsprechen).
Damit wird dieser Bootstrapkondensator mit 6V geladen. Wenn wir nun ein Ausgangssignal haben, so kann dieses im Moment positiv sein und eine Höhe von (zusätzlichen) 6V erreichen. Da wir am Speiseanschluss die 12V haben, der Bootstrap mit 6V vor geladen ist und der Verstärkerausgang um 6V auf jetzt 12V gestiegen ist, bekommen wir am Speiseanschluss die Spannung +18V.

Wenn der Verstärkerausgang zuerst um 6V reduziert wird (negative Ton-Halbwelle), also auf Null fällt, wird der Bootstrap auf 12V geladen. Wenn anschliessend der Ausgang auf Plus 12V geht, bekommen wir am Speiseanschluss total 24V (Ladung des Bootstrap von 12V PLUS die 12V des Verstärker-Ausgangs).

Theoretisch müsste sich durch die höhere Betriebsspannung eine höhere Ausgangsspannung ergeben, die den Bootstrap noch stärker aufladen würde und so letztlich eine unendlich hohe Betrieb- und Ausgangsspannung resultieren würde. Dass dies nicht möglich ist, versteht sich.

In der Praxis werden mit solchen Schaltungen Leistungen von etwa 40W erreicht. Damit die Sache nämlich richtig funktioniert, müsste man erstens riesige Bootstrap-Elkos verwenden, zweitens würde sich die Spannung immer erst im Betrieb ergeben, drittens müsste man eine zusätzliche Siebung einbauen, damit die hohe Betriebsspannung wenigstens kurzzeitig erhalten bleibt und viertens wären da etliche Spannungsverluste zu überwinden.

Für noch höhere Leistungen verwendet man daher DC/DC-Wandler. Hier wird mit einem "Zerhacker" die Batteriespannung in eine Wechselspannung verwandelt. Diese wird hochtransformiert, gleichgerichtet und gesiebt. Da man jetzt eine definierte Frequenz wählen kann, müssen die Gleichrichter (beim Zerhackerprinzip kann dies auch durch MOSFET gleichgerichtet werden) nicht beliebig schnell sein oder es können geringste Spannungsabfälle realisiert werden. Weiter ergibt sich bei einer höheren Frequenz eine kleinere Kapazität der Elkos, sodass dieses Prinzip sehr bald billiger wird. Man könnte es mit einem Netz-Wechselrichter vergleichen, der aus 12V 230V 50Hz erzeugt und somit den Anschluss beliebiger Geräte gestattet.

Soweit zur ganzen Theorie. Du kannst daraus ableiten, dass eine Endstufe mit 100W nicht mehr mit Bootstrap realisiert wird, sondern nur noch mit einem Wechselrichter. Ein Selbstbau in diesem Bereich ist schwierig, da Du ja erst einmal den Wechselrichter bauen müsstest, was den Bau des speziellen Übertragers erfordert. Da ist eigentlich jeder Laie überfordert. Und wenn man so ein Ding herstellen lassen muss, so kommt allein der Übertrager fast teurer als eine fertige Endstufe.

Eine weitere Möglichkeit, mit geringen Betriebsspannungen hohe Leistungen zu erzielen, ist die Verwendung eines Ausgangsübertragers.

MfG

DB

DB schrieb:

Eine weitere Möglichkeit, mit geringen Betriebsspannungen hohe Leistungen zu erzielen, ist die Verwendung eines Ausgangsübertragers. MfG DB

Das stimmt natürlich, nur ist es die schlechteste Möglichkeit, weil die Spannungsabfälle an den Transistoren und Emitterwiderständen mit dem Strom zunehmen und somit letztlich keine nennenswerte Leistungssteigerung mehr möglich ist.

Dazu eine kleine Rechnung:
Wenn wir eine bipolare Endstufe mit Emitterwiderständen von 0,15 Ohm berechnen und eine Betriebsspannung von 14,4V zugrunde legen, so wäre bei 0V Transistorspannung ein Maximalstrom von 48A möglich. Bei einem solchen Strom müssten wir aber mit rund 1,5V Spannungsabfall pro Transistor rechnen, was letztlich zu einer Spitzen-Spitzenspannung von 11,4V und somit zu einem SS-Strom von 38A führen würde. Dieser Strom wäre das Maximum, das bei einem Kurzschluss in der Lautsprecherleitung fliessen würde, während die 11,4V die Ausgangsspannung an den Transistoren ohne die Emitterwiderstände wäre. Der Spannungsabfall an den Emitterwiderständen wäre dann gleich der Transistor-Ausgangsspannung. Somit hätten wir am Verstärkerausgang Spannung NULL und somit auch keine Leistung. Diese würde rein in den Emitterwiderständen verheizt.

Um eine Leistung zu erhalten, müssten wir eine Last von 0,3 Ohm verwenden. Damit wäre die Verstärker-Ausgangsspannung 5,7VSS und der Strom 19ASS. Dies ergäbe eine Effektiv-Ausgangsleistung von 13,5W.
Dies bei einer einfachen Endstufe. In Brückenschaltung würde die Spannung verdoppelt, aber auch die Spannungsabfälle an den Bauteilen.

Wenn man auf dieser Basis arbeiten wollte, müsste man eine Schaltung mit MOSFET verwenden, damit man auf die Emitterwiderstände verzichten könnte. Dann wären höhere Werte möglich. Nur wird der technische Aufwand entsprechend hoch und Verstärker zeigen generell mit niedrigerer Lastimpedanz höheren Klirr, der wieder mit Schaltungsaufwand reduziert werden müsste.

Verstärker mit Ausgangstrafos und Leistungen bis etwa 20W waren im ELA-Bereich (Lautsprecherwagen) vor Jahren lieferbar, sind heute aber witgehend vom Markt verschwunden, weil die anderen Schaltungsarten eindeutig im Vorteil sind.