2X40W Class D Amp

Wer auf der Suche nach einem leistungsfähigen Verstärker ist, der zudem wenig Energie verbraucht, vielleicht sogar via Akku betrieben werden soll und vernünftig klingt, kommt um einen Klasse D Verstärker nicht herum.

Die moderne Hochfrequenztechnik, insbesondere die Schaltwandlertechnik hält mittlerweile auch Einzug in den Audio Bereich. So erobern langsam die ersten kostengünstigen Digitalverstärker den Markt, welche mit einem Wirkungsgrad jenseits der 90% zudem mit einer vernünftigen Tonqualität aufwarten.

Einen solchen Verstärker möchte ich hier vorstellen:

Noch unfertiger Zustand, Frontansicht

Dieses kleine Gehäuse beinhaltet einen vollwertigen Stereo Verstärker mit 2x40 W RMS Ausgangsleistung und einem Wirkungsgrad von rund 92%. Ausgelegt für einen Betrieb mit 10-24VDC eignet sich dieser Verstärker somit auch für den Mobilen Einsatz.

Das Herzstück des Verstärkers bildet pro Kanal ein TPA3106 von TI. Dieser IC beinhaltet einen fast kompletten Klasse D Verstärker. Es sind nur wenige Bauteile als Außenbeschaltung nötig, in meinem Fall z.B. 2200 µF Low ESR Kondensatoren (mehr als genug Stützkapazität für diese IC) sowie Passende Ausgangsfilter für 8 Ohm Lautsprecher.

Erste Messungen an den Ausgangsfiltern

Da diese Verstärker mit großen Leistungen im Hochfrequenzbereich arbeiten, muss man besonderen Wert auf das Platinenlayout legen. Alle Bauteile sollten mit möglichst Kurzen Leitungen an die ICs angeschlossen werden, auch die Ausgangsfilter müssen an die Lautsprecher- Impedanz angepasst werden. Die Schaltfrequenz beträgt in meinem Fall ca. 250 kHz.

Hier sieht man die ungefilterten Signale, die kontinuierlich an dem Positiven (oben) und dem negativen Ausgang (unten) anliegen, auch wenn kein Eingangssignal gegeben ist. (Das untere Signal ist auf diesem Bild invertiert dar gestellt). Es handelt sich um ein relativ hochfrequentes PWM-Signal, dessen Amplitude in etwa der Versorgungsspannung entspricht. Sowohl die Lautstärke als auch Frequenz werden über die Pulsweite geregelt. Da ein derartiges Signal auf den Boxenkabeln bei einer so hohen Leistung ein äußerst starkes Störfeuerwerk verursachen würde, müssen die HF-Anteile möglichst dicht am IC heraus gefiltert werden.

Die Funktionsweise eines Klasse D Verstärkers ist im groben betrachtet recht simpel:

Das analoge Eingangssignal wird mit einem hochfrequenten Trägersignal zu einem Pulsweiten Modulierten Rrechtecksignal kombiniert, wobei die Pulsweite von der Lautstärke und der Frequenz des Eingangssignals abhängig ist. Mit diesem PWM-Signal wird dann eine Halb- oder Vollbrücke angetrieben, welche die Endstufe bildet. Dadurch, dass im Leistungskreis somit nur noch die Schaltzustände 0 und 1 vorliegen, in denen kein Strom fließt, beziehungsweise der Stromfluss am wenigsten behindert wird, sinkt die Abwärmeemission der Endstufe auf ein Minimum.

Hier Sieht man ein Eingangssignal (unten) und das dazu gehörige Ausgangssignal hinter den Ausgangsfiltern (oben). Zum Vergleich habe ich beide Signale auch einmal aufeinander gelegt.

Ausgangssignal hinter den Filtern (oben), kein Eingangssignal vorhanden (unten). Das Rauschen dieses Verstärkers ist selbst bei maximaler Lautstärke sehr leise.

Der fertige Verstärker, Frontansicht

Der fertige Verstärker, Rückansicht

Größenvergleich mit einer CD

Hier noch ein Bild aus dem Frühen Prototyp-Stadium. Gut zu sehen sind die ICs, umgeben von der fast kompletten Außenbeschaltung. (Die beiden THT Widerstände dienten nur als Anklemmpunkt für meine Krokoklemmen)

Hier der zugehörige Schaltplan: