Funktionsweise einer Endstufe
Verfasst: Sa 29. Jan 2005, 14:19
Hallo!
An dieser Stelle sei beschrieben wie eine Endstufe aus dem Car Hifi Bereich funktioniert, worauf man achten sollte.
Jede Endstufe mit einer Leistung von mehr als 50W sinus muss einen sog. DC/DC Wandler besitzen, der die Bordspannung von 12V auf 50-100V transformiert. Der DC/DC Wandler nimmt fast den gesamten Platinenplatz ein. Aus 12V kann man nicht viel an leistung entnehmen, wenn die Boxen zB 2 Ohm haben würden maximal P = 0.5* 12 / 2 = 30W entstehen können, die 0,5 sind 50% Wirkungsgrad einer normalen Endstufe. Der DC/DC Wandler basiert auf einer möglichst grossen Spule, die als Energiepumpe fungiert und durch eine intelligente Steuerung soviel Energie erzeugen sollte, wie am Sekundärkreis entnommen wird und zwar in Echtzeit! Andernfalls drohen bei einem Bass Spannungseinbrüche. Diese clevere Steuerung können nur Integrierte Schaltungen übernehmen, eine Endstufe ohne ICs ist daher getrost zu vergessen, Technik der 70er Jahre. Des weiteren muss dafür gesorgt werden, dass der mit ca 100 KiloHertz zerhakte Gleichstrom nach der Hochtransformation wieder gut gessiebt wird, hierfür ist eine weitere Spule und einige Kondensatoren erforderlich, Endstufen die keine zweite Spule besitzen sind Billigware, denn Spulen sind teuer. Hochwertige Endstufen haben zudem eine potentialgetrennte Spannungsversorgung (erkennbar an Spulen mit mehr als 4 Anschlüssen)
damit Brummschleifen vermieden werden, nur bei den ganz billigen liegt die Endstufenmasse auf dem gleichen Potential wie die Versorgung.
Herzstück des Verstärkers ist eine Gegentaktendstufe, erkennbar an der paarigen Anordnung einiger Transistoren, es sind überdies nur 2-3 Stufen erforderlich um ein Tonsignal zu verstärken. Für jeden Kanal kann man auf der Platine diese Gegentaktstufe erkennen, die jeweils 2 Power MOSFETS am Ausgang hat. Sind aber in der Vorstufe Transistoren verbaut, so liegt hier schon ein Problem: Transistoren sind nicht-linear, heute nutzt man fast ausschliesslich Operationsverstärker für Audiosignale, sind solche schwarzen ICs also nicht vorhanden, lieber Finger von lassen. Es kann dann nämlich passieren, dass die Höhen schrill klingen und sich vor allem eine Phasendrehung einschleicht, die Höhen also nicht mehr sychron zu den Mitten und Tiefen laufen. Jede passive Frequenzweiche erzeugt zudem diese Phasenverschiebung, da Kondensatoren und Spulen die Eigenart haben, dass Strom bzw Spannung einander nacheilen, je höher die Frequenz, desto grösser die Phasenverschiebung. Eine Transistorstufe
wird immer im AB-Betrieb gefahren, d.h. dass ein Transistor die obere Halbwelle verstärkt, der andere die untere. Wichtig ist, dass beim Wechsel von oberer zu unterer Halbwelle der nicht-lineare Bereich der Transistorkennlinie vermieden wird, sonst gibt es unschöne Töne, darum das A im AB Betrieb, die Transistoren werden immer leicht angesteuert, verbrauchen immer etwas Strom, auch wenn kein Tonsignal anliegt.
Zum Vergleich: Ein kleiner Transistor kostet ca 5 cent, ein guter Operationsverstärker dagegen 2-10 Euro, da weiss man wo gespart wird.
Je mehr Möglichkeiten eine Endstufe bietet den Klang durch Filter zu beeinflussen, desto weniger ist das was hineingeht das was herauskommt, jeder Filter verzerrt das Signal! Eine Endstufe, die einen Eigenklang hat ist unakzeptabel, Endstufen sollen das verstärken was hineingeht, möglichst 1:1, das Mass dafür ist der Klirrfaktor, gemessen bei ca 5 khz. Leider sagt der Klirrfaktor aber nichts über den Frequenzganz einer Endstufe aus. Der Frequenzgang ist eine Grafik, die zeigt um wieviel Dezibel die Endstufe verschiedene Frequenzen verstärkt, je glatter er ist, angefangen bei 20Hz bis ca 20 khz, desto gleichmässiger ist die Verstärkung. Jeder Verstärker hat durch die Gesetze der Physik eine Eigenfrequenz, die sich als starker Anstieg im Frequenzgang bemerkbar macht um dann stark abzufallen. Denn jeder Ton am Ausgang macht sich auch am Eingang wieder bemerkbar, nur wenig aber eben doch, irgendwann entsteht dann eine Rückkopplung, die den Verstärker schlimmstenfalls zerstören kann. Gute Verstärker setzen diese Frequenz so hoch wie möglich und begrenzen den Frequenzgang auf ca 20 khz, mehr hört sowieso niemand.
Viele werden das Pfeifen der Lichtmaschine kenne, was sich störend bemerkbar macht. Es rührt daher, dass sich eine Brummschleife gebildet hat, wenn zB die Endstufe am Batterieplus hängt und an der Kofferraummasse, das Radio ebenfalls ein anderes Potential besitzt wie die Endstufe. Bei teuren Endstufen sorgt die potentialfreie Spannungsversorgung für Abhilfe, bei billigen hilft oft nur noch ein Spulenübertrager im Signalweg, leider aber auf Kosten des Klanges, denn die Tiefen werden immer beschnitten durch die Grenzfrequenz des eingebautes Trafos. Auch ein Verzicht auf Entstörmassnahmen im DC/DC Wandler kann dieses Pfeifen verursachen.
An dieser Stelle sei beschrieben wie eine Endstufe aus dem Car Hifi Bereich funktioniert, worauf man achten sollte.
Jede Endstufe mit einer Leistung von mehr als 50W sinus muss einen sog. DC/DC Wandler besitzen, der die Bordspannung von 12V auf 50-100V transformiert. Der DC/DC Wandler nimmt fast den gesamten Platinenplatz ein. Aus 12V kann man nicht viel an leistung entnehmen, wenn die Boxen zB 2 Ohm haben würden maximal P = 0.5* 12 / 2 = 30W entstehen können, die 0,5 sind 50% Wirkungsgrad einer normalen Endstufe. Der DC/DC Wandler basiert auf einer möglichst grossen Spule, die als Energiepumpe fungiert und durch eine intelligente Steuerung soviel Energie erzeugen sollte, wie am Sekundärkreis entnommen wird und zwar in Echtzeit! Andernfalls drohen bei einem Bass Spannungseinbrüche. Diese clevere Steuerung können nur Integrierte Schaltungen übernehmen, eine Endstufe ohne ICs ist daher getrost zu vergessen, Technik der 70er Jahre. Des weiteren muss dafür gesorgt werden, dass der mit ca 100 KiloHertz zerhakte Gleichstrom nach der Hochtransformation wieder gut gessiebt wird, hierfür ist eine weitere Spule und einige Kondensatoren erforderlich, Endstufen die keine zweite Spule besitzen sind Billigware, denn Spulen sind teuer. Hochwertige Endstufen haben zudem eine potentialgetrennte Spannungsversorgung (erkennbar an Spulen mit mehr als 4 Anschlüssen)
damit Brummschleifen vermieden werden, nur bei den ganz billigen liegt die Endstufenmasse auf dem gleichen Potential wie die Versorgung.
Herzstück des Verstärkers ist eine Gegentaktendstufe, erkennbar an der paarigen Anordnung einiger Transistoren, es sind überdies nur 2-3 Stufen erforderlich um ein Tonsignal zu verstärken. Für jeden Kanal kann man auf der Platine diese Gegentaktstufe erkennen, die jeweils 2 Power MOSFETS am Ausgang hat. Sind aber in der Vorstufe Transistoren verbaut, so liegt hier schon ein Problem: Transistoren sind nicht-linear, heute nutzt man fast ausschliesslich Operationsverstärker für Audiosignale, sind solche schwarzen ICs also nicht vorhanden, lieber Finger von lassen. Es kann dann nämlich passieren, dass die Höhen schrill klingen und sich vor allem eine Phasendrehung einschleicht, die Höhen also nicht mehr sychron zu den Mitten und Tiefen laufen. Jede passive Frequenzweiche erzeugt zudem diese Phasenverschiebung, da Kondensatoren und Spulen die Eigenart haben, dass Strom bzw Spannung einander nacheilen, je höher die Frequenz, desto grösser die Phasenverschiebung. Eine Transistorstufe
wird immer im AB-Betrieb gefahren, d.h. dass ein Transistor die obere Halbwelle verstärkt, der andere die untere. Wichtig ist, dass beim Wechsel von oberer zu unterer Halbwelle der nicht-lineare Bereich der Transistorkennlinie vermieden wird, sonst gibt es unschöne Töne, darum das A im AB Betrieb, die Transistoren werden immer leicht angesteuert, verbrauchen immer etwas Strom, auch wenn kein Tonsignal anliegt.
Zum Vergleich: Ein kleiner Transistor kostet ca 5 cent, ein guter Operationsverstärker dagegen 2-10 Euro, da weiss man wo gespart wird.
Je mehr Möglichkeiten eine Endstufe bietet den Klang durch Filter zu beeinflussen, desto weniger ist das was hineingeht das was herauskommt, jeder Filter verzerrt das Signal! Eine Endstufe, die einen Eigenklang hat ist unakzeptabel, Endstufen sollen das verstärken was hineingeht, möglichst 1:1, das Mass dafür ist der Klirrfaktor, gemessen bei ca 5 khz. Leider sagt der Klirrfaktor aber nichts über den Frequenzganz einer Endstufe aus. Der Frequenzgang ist eine Grafik, die zeigt um wieviel Dezibel die Endstufe verschiedene Frequenzen verstärkt, je glatter er ist, angefangen bei 20Hz bis ca 20 khz, desto gleichmässiger ist die Verstärkung. Jeder Verstärker hat durch die Gesetze der Physik eine Eigenfrequenz, die sich als starker Anstieg im Frequenzgang bemerkbar macht um dann stark abzufallen. Denn jeder Ton am Ausgang macht sich auch am Eingang wieder bemerkbar, nur wenig aber eben doch, irgendwann entsteht dann eine Rückkopplung, die den Verstärker schlimmstenfalls zerstören kann. Gute Verstärker setzen diese Frequenz so hoch wie möglich und begrenzen den Frequenzgang auf ca 20 khz, mehr hört sowieso niemand.
Viele werden das Pfeifen der Lichtmaschine kenne, was sich störend bemerkbar macht. Es rührt daher, dass sich eine Brummschleife gebildet hat, wenn zB die Endstufe am Batterieplus hängt und an der Kofferraummasse, das Radio ebenfalls ein anderes Potential besitzt wie die Endstufe. Bei teuren Endstufen sorgt die potentialfreie Spannungsversorgung für Abhilfe, bei billigen hilft oft nur noch ein Spulenübertrager im Signalweg, leider aber auf Kosten des Klanges, denn die Tiefen werden immer beschnitten durch die Grenzfrequenz des eingebautes Trafos. Auch ein Verzicht auf Entstörmassnahmen im DC/DC Wandler kann dieses Pfeifen verursachen.