Erklärte Verstärker der Klasse: So wählen Sie die Klasse AB, D oder H für das Lautsprecherdesign aus

Auf Ihrem Schreibtisch landen zwei Angebote für dasselbe 2 x 500 W aktive Subwoofer-Board. Der erste ist um eine Klasse-AB-Bühne mit einem Kühlkörper von etwa der Größe eines Taschenbuchs herum aufgebaut. Der zweite verwendet eine Klasse-D-Stufe auf einer Platine, die kaum größer als ein Telefon ist. Beide sind ehrlich, was die Nennleistung angeht. Nur einer davon passt in den von Ihnen bereits bestückten Schrank und nur einer besteht den Wärmetest in einem geschlossenen Holzgehäuse bei 40 °C Umgebungstemperatur.

Das ist die eigentliche Entscheidung hinter dem Begriff „Klassenverstärker“. Die Klasse eines Verstärkers beschreibt, wie seine Ausgangsgeräte Strom über einen Signalzyklus leiten. Diese einzige Auswahl bestimmt, wie viel Wärme Sie abführen müssen, welche Art von Netzteil Sie kaufen müssen, wie viel Filterung und Abschirmung die Platine benötigt und wie viel Aluminium in das Gehäuse fließt. Es entscheidet nicht allein, ob das Produkt gut klingt.

Was die Klassenbezeichnung tatsächlich beschreibt

Der Klassenname leitet sich von einer physikalischen Eigenschaft ab: wie lange die Ausgabegeräte während eines einzelnen Zyklus des Audiosignals leitend bleiben. In der Klasse A dirigieren sie die ganze Zeit. Klasse B teilt den Zyklus auf zwei Geräte auf, die jeweils die Hälfte verarbeiten. Bei Klasse AB bleiben beide Geräte am Nulldurchgang leicht geöffnet, sodass die Übergabe reibungslos verläuft. Klasse D verzichtet vollständig auf die lineare Idee und schaltet die Ausgabegeräte auf einige hundert Kilohertz um, wodurch das Audio als Impulsbreite kodiert wird. Bei Klasse H bleibt die Audiostufe linear, die Versorgungsschiene bewegt sich jedoch nach oben und unten, um der Signalhüllkurve zu folgen.

Daraus ergibt sich alles Weitere. Eine Stufe, die ständig leitet, verschwendet einen großen Teil ihrer Versorgung als Wärme. Eine Stufe, die schaltet, verliert fast nichts an den Geräten, sondern verschiebt das Designproblem auf den Ausgangsfilter, die Gate-Ansteuerung und das Budget elektromagnetischer Interferenzen. Eine Bühne, die ihre Schienen bewegt, reduziert die Spannung an den Ausgangsgeräten, und genau das ist der Ursprung der Wärme in einem linearen Verstärker.

Was das Etikett nicht verrät, ist die Verarbeitungsqualität. Ein schlecht ausgelegtes Klasse-D-Modul und ein sorgfältig konstruiertes Modul haben den gleichen Namen und können sich bei gleicher Ausgangsstufe in der Kühlkörpertemperatur um 15 °C unterscheiden.

Effizienz, Hitze und Verzerrung nebeneinander

In veröffentlichten Designreferenzen werden breite Effizienzbereiche angegeben, da die tatsächliche Zahl vom Ausgangspegel, der Lastimpedanz und dem Versorgungsdesign abhängt. Die folgenden Zahlen stellen die Bereiche dar, die Ingenieure normalerweise verwenden, wenn sie Topologien mit oder nahe der vollen Nennleistung vergleichen.

Klasse AB: Linearität, die Sie in Wärme bezahlen

Die Klasse AB dient dazu, die Übergangskerbe der Klasse B zu entfernen, ohne die vollen Kosten der Klasse A zu bezahlen. Ein kleiner Ruhestrom sorgt dafür, dass beide Ausgabegeräte um den Nulldurchgang herum leiten, sodass die Übergabe zwischen ihnen reibungslos bleibt. Der typische Ruhestrom in einem Pro-Audio-Modul liegt bei mehreren zehn Milliampere pro Gerätepaar, genug, um den Notch außerhalb des hörbaren Bereichs zu halten, aber klein genug, dass der Verstärker im Leerlauf nicht kocht.

Der Handel besteht darin, dass Wärme kontinuierlich ist. Ein 400-W-Modul der Klasse AB zieht auch ohne Signal einen erheblichen Strom, und der Kühlkörper muss für den schlimmsten Fall dimensioniert sein: rosa Rauschen bei einem Achtel der Leistung für eine Stunde in einem Rack mit schlechter Luftzirkulation. Aus diesem Grund verfügen Analogmodule in der Regel über große extrudierte Kühlkörper, U-förmige Aluminiumhalterungen und manchmal auch über einen Lüfter. Käufer, die nur die Wattzahl auf dem Etikett vergleichen, übersehen dies oft und stellen dann fest, dass die gleichen 400 W in einem Klasse-D-Modul einen Bruchteil des Metalls benötigen.

Die Vorteile liegen auf der Hand: keine Schaltrückstände, kein Ausgangsfilter, der mit der Last interagiert, einfache transformatorbasierte Versorgungen und ein Verhalten, das die Außendiensttechniker bereits zu warten wissen.

Klasse D: Die Effizienz hängt von der Quelle ab, mit der Sie sie koppeln

Module der Klasse D schalten mit einigen hundert Kilohertz und rekonstruieren den Ton über einen LC-Ausgangsfilter. Die Geräte sind die meiste Zeit entweder vollständig ein- oder ausgeschaltet, daher sind die Leitungsverluste gering und die Schlagzeile über die Effizienz ist real. Was die Überschrift verbirgt, ist, dass der Vorteil nur in der Nähe der Nennleistung besteht. Bei Hintergrundabhörpegeln überwiegen Schalt- und Gate-Treiberverluste und die Effizienz sinkt stark, was bei batteriebetriebenen Produkten wichtiger ist als bei netzbetriebenen Produkten.

Der Rest des Designs hat das gleiche Gewicht. Eine zu kurze Totzeit führt zum Durchschießen; zu lang und die Verzerrung nimmt bei geringer Leistung zu. Der Ausgangsfilter muss über die tatsächliche Last hinweg stabil bleiben, nicht der Dummy-Widerstand auf der Bank. Und das Angebot muss mithalten: Eine Klasse-D-Stufe gepaart mit einer weichen, ungeregelten Schiene wird bei Basstransienten durchhängen und den Vorteil zunichtemachen. Aus diesem Grund sind resonante LLC-Versorgungen und leistungsfaktorkorrigierte Frontends in seriösen Modulen zum Standard geworden.

EON522SUB Aktives Subwoofer-Leistungsverstärkermodul Kombiniert eine 800-W-LLC-Resonanzversorgung mit einer 500-W-Bassstufe der Klasse D und bekämpft Schienendurchhang und Schaltgeräusche bei aktiven Subwoofern. Produkt anzeigen →

Ein Beispiel für dieses Muster ist ein Modul wie das EON522D-2092, das eine 500-W-Tiefpass- und eine 200-W-Hochpassstufe der Klasse D mit einer LLC-Resonanzversorgung kombiniert. Dies ist die Kombination, die den Schienendurchhang und das Schaltgeräusch in einem 2.1-Gehäuse unter Kontrolle hält.

Klasse H: Schienenumschaltung für den oberen Leistungsbereich

Klasse H behält eine lineare Ausgangsstufe bei, bietet ihr aber mehr als eine Versorgungsschiene. Wenn die Signalhüllkurve einen Schwellenwert überschreitet, schaltet der Verstärker auf eine höhere Schiene; beim Zurückfallen fällt die Schiene wieder ab. An den Ausgabegeräten liegen daher immer nur wenige Volt statt an der vollen Schiene an, und die Wärme, die sonst in den Kühlkörper gelangt wäre, wird einfach nie erzeugt. In der Praxis liefert ein Modul der Klasse H die Leistung eines viel größeren Designs der Klasse AB bei gleicher Gehäusetiefe.

Diese Effizienz ist nicht umsonst. Die Schienenschaltkreise verursachen zusätzliche Teile und Kosten, der Übergang kann zu Artefakten führen, wenn die Komparatorschwellen schlecht gewählt sind, und der Transformator benötigt mehrere Abgriffe. Dadurch wird auch die Servicedokumentation wichtiger, da ein Techniker, der das Modul wie eine einfache AB-Platine behandelt, einen Schienenfehler fälschlicherweise als Ausfall eines Ausgabegeräts diagnostiziert.

AMP400H 7294 Leistungsverstärkermodul der Klasse H Kombiniert eine 400-W-Tief-/Mittelstufe der Klasse H mit einer 100-W-Hochfrequenzstufe der Klasse AB und einem U-förmigen Aluminiumstrahler für eine stabile Ausgabe. Produkt anzeigen →

Module dieser Kategorie, wie zum Beispiel das AMP400H-7294 mit seinem U-förmigen Aluminiumkühler, werden typischerweise für den Subwoofer- und Line-Array-Einsatz spezifiziert, bei dem eine kontinuierlich hohe Leistung über Stunden statt Minuten erwartet wird.

Was sich durch die Klassenauswahl weiter unten im Modulstapel ändert

Die Leistungsstufe ist eine Platine in einer Kette, und die Klassenentscheidung wirkt sich auf den Rest aus. Eine Klasse-D-Stufe mit einem schnellen Limiter benötigt ein Vorverstärkermodul, das ihr ein sauberes, gut skaliertes Signal liefern kann; Eine Stufe der Klasse AB mit 20 dB Verstärkungsreserve verhält sich bei derselben Quelle anders. Verstärkungsstruktur, Clip-Verhalten, Schutzschwellen und sogar die Wahl der Lautstärkeverjüngung ändern sich alle mit der Topologie.

DSP1903 ADAU1701 DSP-Modul für 2.1-Systeme ADAU1701-basiertes DSP-Modul mit vier voreingestellten EQ-Modi, Bluetooth und XLR-I/O, geeignet für die Anpassung des Limiter-Verhaltens in 2.1-Line-Array-Systemen. Produkt anzeigen →

In der Praxis verdienen Modullieferanten hier ihren Lebensunterhalt. Ein DSP-Modul wie das DSP1903, das auf dem ADAU1701 basiert und über vier voreingestellte EQ-Modi für ein 2.1-Line-Array-System verfügt, muss an das Begrenzerverhalten der darunter liegenden Leistungsstufe angepasst werden. Wenn beide unabhängig voneinander angegeben werden, schneidet das System entweder früh ab oder schützt spät. Unser Komplettlösung für die Design-Kompromisse A, AB, D und H geht tiefer auf die Festlegung dieser Schwellenwerte ein.

Passen Sie die Klasse an das Produkt an, das Sie erstellen

Bei den meisten Aktivlautsprecher-Projekten gibt es eine Handvoll Muster, und jedes einzelne schränkt die Klassenauswahl schnell ein:

• Line-Array- und Säulensysteme. Gewicht und Rackdichte entscheiden. Standardmäßig ist Klasse D mit resonanter Versorgung, während Klasse H für Module reserviert ist, die über längere Zeiträume mit sehr hoher Leistung betrieben werden müssen.
• Subwoofer. Hohe Dauerleistung bei niederohmiger Last. Klasse D mit einer robusten Versorgung bewältigt dies am besten; Die Versorgung, nicht der Verstärker, ist normalerweise der begrenzende Teil.
• Tragbare und batteriebetriebene Lautsprecher. Der Wirkungsgrad bei Teillast ist wichtiger als die Spitzenzahl. Klasse D ist die einzig realistische Option, und die Leerlaufverluste verdienen ebenso viel Aufmerksamkeit wie die Höchstleistung.
• Aktive Mischpulte und kostensensible Analogboxen. Klasse AB mit einem linearen Transformator sorgt dafür, dass die Stückliste einfach und die Servicegeschichte vertraut ist, allerdings auf Kosten eines größeren Kühlkörpers.
• Hochleistungs-Touring-Subwoofer. Klasse-H- oder High-Rail-Klasse-D-Design, je nachdem, ob das Designteam lineares Verhalten oder minimales Gewicht bevorzugt.

Was Sie mit einem Modullieferanten klären sollten, bevor Sie sich verpflichten

Die im Datenblatt angegebene Wattzahl ist die am wenigsten nützliche Zahl im Gespräch. Dies sind die Punkte, die ein Design, das den Feldeinsatz übersteht, von einem Design, das zurückkommt, unterscheiden:

1. Effizienz und Gehäusetemperatur bei einem Achtel der Leistung, nicht nur bei voller Nennleistung, gemessen in ruhiger Luft bei der vorgesehenen Umgebungstemperatur.
2. Verzerrungen bei 1 W und bei 10 W, wobei tatsächlich Crossover- und Switching-Artefakte auftreten.
3. Schutzverhalten: Was passiert bei einem kurzgeschlossenen Ausgang, einer nicht angepassten Last oder einem Spannungsabfall und ob sich das Modul von selbst erholt.
4. Versorgungsanforderungen, einschließlich der Frage, ob für die Märkte, in die Sie liefern, eine Leistungsfaktorkorrektur erforderlich ist.
5. EMI und Leerlaufgeräusche, insbesondere bei Modulen der Klasse D, die hocheffiziente Kompressionstreiber versorgen.
6. Konsistenz zwischen Prototyp und Massenproduktion, was sowohl eine Herstellungsfrage als auch eine technische Frage ist.

Für Käufer, die eine nicht standardmäßige Konfiguration benötigen, besteht die sinnvolle Reihenfolge darin, zuerst die Klasse und die Versorgungstopologie festzulegen und dann das Modul durchzuführen kundenspezifische Entwicklung für Verstärkungsstruktur, Anschlüsse und voreingestelltes Verhalten. Das Ändern der Klasse, nachdem das Gehäuse und die Stromversorgung eingefroren sind, ist teuer.

Häufig gestellte Fragen zu Klassenverstärkern