Klasse-A
Dieses Verstärkerkonzept ist schaltungstechnisch eins der einfachsten. Wenn es ausschließlich darum geht, Audiosignale der höchsten Qualität zu verstärken, ist dieses Konzept die beste Lösung.
Hierbei ist Voraussetzung, dass die Ausgangsleistung niedrig bleibt. Dabei ist es ein schwerwiegender Nachteil eines Klasse-A Endverstärkers, dass dieser nur mit einem Wirkungsgrad von 25% arbeitet. Für technisch Unkundige einfach beschrieben bedeutet dies: Nur 25% Energie der abgegebenen Leistung kommt an den Lautsprechern an. Die restlichen 75% der Energie werden leider durch die Bauart der Klasse-A in Wärme umgewandelt und gehen dadurch verloren. Die Ursache ist unter anderem bereits der hohe Ruhestrom, der durch den Endtransistor fließt. Für eine 25 Watt Endstufe benötigt man ein >300 Watt Netzteil.
Die Merkmale eines Klasse-A Endverstärkers sind große Kühlkörper, großes Netzteil. Klasse A hat eine niedrige Ausgangsleistung, aber einen sehr guten Klang.
Klasse-A Endverstärker sind für den Dipol Lautsprecher keine gute Wahl, wenn es darum geht, Musikpegel wie Livemusik vor der Bühne zu genießen. Die Musikleistung von 25 Watt reichen keines Weges aus, um z.B. den Sound einer stromzehrenden Bass-Drum wie bei einer Liveaufführung überzeugend zu reproduzieren.
Simple Klasse-A Schaltung
Klasse-B
Endverstärker der Klasse-B sind im Bereich der Home-HiFi am meisten verbreitet. Sie arbeiten mit einer so genannten „Gegenstufe“. Das bedeutet, der Verstärker hat zunächst einen Endtransistor für die positive Signalhalbwelle und einen weiteren Endtransistor für die negative Signalhalbwelle. Beide Signalhalbwellen werden dann in der Schaltung zusammengefügt, so dass am Ende eine volle Sinuswelle entsteht.
Der Wirkungsgrad der Klasse-B Endverstärker liegt bei beachtlichen 50-70% je nach Höhe des Ruhestroms. Den höheren Wirkungsgrad muss er sich leider durch Qualitätseinbußen einkaufen.
Ursache für die schlechtere Signalqualität sind die so genannten „Übername-Verzerrungen“, die bei der Übernahme der Signalverstärkung von dem ersten in den zweiten Transistor und umgekehrt entstehen.
Das Problem der Übernahme-Verzerrungen kann man in den Griff bekommen, in dem man die Schaltungstechnik der Klasse-A mit der der Klasse-B kombiniert. In diesem Fall gehört der Endverstärker beiden Klassen an und wird auch Klasse A/B genannt.
Die Merkmale der Klasse-A/B Verstärker sind ein hoher Wirkungsgrad. Der Klasse-A/B Endverstärker kann bei niedriger Leistung bis 5 Watt mit höchster Musikqualität im Klasse-A Betrieb die Signale verstärken, schaltet jedoch bei höherer Leistung automatisch in den Klasse-B Betrieb mit schlechterer Musikqualität um.
Simple Klasse-B Schaltung
Classe-D
Die Klasse-D arbeitet Digital.
Der Buchstabe „D“ steht nicht wie oft irrtümlicherweise angenommen für „Digital“. Diese Verwandtschaft mit dem Namen der Klasse ist rein zufällig.
Endverstärker der Klasse-D sind schnelle Verstärker. Sie arbeiten, wie in folgender Grafik dargestellt, nach dem Verfahren der „Pulsweiten-Modulation“. Das steuernde Audio-Eingangssignal wird von einer „Komparator-Schaltung“ mit einem generiertem „Sägezahnsigna“l verglichen. Der Komparator steuert die Endtransistoren so, dass der Ausgang entweder zur positiven oder zur negativen Betriebsspannung voll durchgeschaltet wird. Durch die Schaltvorgänge im Transistor sind Übername-Verzerrungen wie in Klasse B nicht mehr möglich. Die Schaltfrequenz liegt bei 200kHz. Die Impulsbreite der Pulsweiten-Modulation entsteht in Folge der Amplitude des Eingangssignals. Ein nachgeschalteter Tiefpass-Filter wandelt das impulsförmige Ausgangssignal so um, dass im Ergebnis ein verstärktes analoges Ausgangssignal für die Lautsprecher zur Verfügung gestellt werden kann. Durch das Klasse-D Konzept wird ein sehr hoher Wirkungsgrad von bis zu 90% möglich. Leider muss man, um ein Klasse-D Endverstärker zu realisieren, einen beträchtlichen Schaltungsaufwand betreiben, der unter anderem auch noch die Störsignale von außen verhindert und umgekehrt Störsignale nach außen nicht abstrahlt.
Eins der herausragenden Merkmale der Klasse-D Endverstärker ist der hohe Wirkungsgrad von 90%. Aufgrund dieser Eigenschaft fallen Kühlkörper und Netzteil deutlich kleiner und kostengünstiger aus. Dennoch ist der subjektive Höreindruck oft schlechter, als ein gut konzipierter Klasse A/B Verstärker.
Das Prinzip der Klasse-D Endverstärker ist schon viele Jahre bekannt, trotzdem konnte sich dieser im High-End-Bereich nicht durchsetzen. Dieser Verstärker-Typ ist heute überwiegend im Einsatz bei Publik-Audio zu finden. Die Vorteile dort liegen klar auf der Hand. Kompaktes Gerät, leichtes Gewicht mit großer Musikpower durch 90% Wirkungsgrad.
Simples Klasse-D Schaltbild
Heute gibt es einige Hersteller, die sich der Weiterentwicklung des Klasse-D Endverstärkers angenommen haben. Es sind die Klassen: -S, -I und -T. Die Klassifizierung in alphabetischer Reihenfolge ist damit leider zu Gunsten der Herstellernamen verlorengegangen. Beispiele hierfür sind z.B. die S-Klasse von Sony mit der von Sony genannter „S-Master-Technik“ . Die I-Klasse von Crown und die Klasse-T von Tripath. Sie alle entwickeln mit dem Ziel den Klasse-D Endverstärker fürs häusliche Wohnzimmer zu etablieren. Heute zählen die neuen Klasse-D Endverstärker zu den revolutionären neuen Favoriten. Der Begriff „Pulsweiten-Modulation“ wurde von Sony als „Complementary Puls Length Modulation“ (C-PLM) geprägt und weiterentwickelt. Besondere Aufmerksamkeit wird der Unterdrückung der so genannter „Jitter“ zugesprochen. Den Begriff „Jitter“ in Bezug auf Digitaltechnik haben Sie sicher schon mehrfach gehört. Daher ist es unmöglich, im verständlichen Stil die technische Abhandlung der Digital-Endverstärker vollständig darzustellen. Ich werde nur noch vereinfacht auf die bekannteste und von mir favorisierte Klasse-T genauer eingehen.
Klasse-T
Der Hersteller „Tripath“ hat ein Schaltungskonzept realisiert, welches nach eigenen Angaben die Signal-Qualität von Klasse-A/-B und Klasse-D mit einem hohen Wirkungsgrad um 90% vereint. Tripath erreicht dies durch die Kombination ausgeklügelter analoger und digitaler Algorithmen. Der größte Teil der anlogen und digitalen Elektronik ist bei Tripath-Verstärkern in einem IC (integrierte Schaltung) untergebracht. Moderne und leistungsstarke „Mos-Fet Transistoren“, denen oft ein Röhrenverstärker ähnlicher Sound zugesprochen wird, sind mit dem Tripath-IC verbunden. Das Funktionsschema eines Klasse-T Verstärkers wird in vereinfachter Blockschaltung unten abgebildet.
Das gepufferte Eingangssignal gelangt in den Block des „Digital Power Processing“, der einen adaptiv arbeitenden Signal-Prozessor enthält. Im IC ist ebenfalls ein digitaler Konverter, eine Mute- Schaltung, ein Überlastschutz und ein Fehlerdetektor eingebaut. Die Leistungs-Mos-FETs werden über ein sogenanntes „quallification Logic“ angesteuert. Hinter den Mos-Fets befinden sich die Tiefpass-Filter und zuletzt die angeschlossenen Lautsprecher.
Durch die Algorithmen im Klasse-T Endverstärker werden zur Steuerung sogar die spezifischen Leistungsdaten der Mos-Fet Endtransistoren exakt einberechnet. Klasse-T Endverstärker passen ihre Schaltfrequenz ständig an die Größe des Audio-Eingangssignals an. So erhöht die Logic bei niedrigen Eingangssignalen die Schaltfrequenz auf >1 Mhz. Diese hohe Schaltfrequenz war früher bei Klasse-D Endverstärkern nicht möglich, da erst in heutiger Zeit so schnelle Leistungs-FETs hergestellt werden können. Das Anpassen der Schaltfrequenz erhöht die Signal-Qualität beträchtlich. Darüber hinaus wird eine Art des „Nois Shaping“ auf die Ausgangssignalspitzen angewandt, was weiter das Signal verbessert. Gemeinsam bewirken die genannten Maßnahmen, dass Klasse-T Endverstärker Klang-Eindrücke vermitteln, die ohne Einschränkung an die Qualitäten analoger Klasse-A High-End Endverstärker heranreichen.
Simples Klasse-T Schaltbild
Die Merkmale der Klasse-T Endverstärker sind: Extrem viel Power durch einen Wirkungsgrad um 90%. Netzteil und Kühlkörper fallen aufgrund des Wirkungsgrades kleiner aus. Die Klangeindrücke können mit alten Röhrenverstärkern und Klasse-A Verstärkern verglichen werden. Durch die Kombination von Klasse-A und ausgereifter Klasse-D werden kraftvolle Leistungen mit höchster Signalqualität möglich.
