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Class-D-Verstärker-Wirkungsgrad

Schätzt den Wirkungsgrad des Class-D-Verstärkers aus MOSFET-Leitungsverlusten und Ruhestrom bei gegebener Ausgangsleistung.

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Formel

η = P_out / (P_out + P_cond + P_q) × 100%

R_DS— MOSFET on-resistance (Ω)

Wie es funktioniert

Verstärker der Klasse D (Schaltverstärker) verwenden eine hochfrequente Pulsweitenmodulation (PWM), um MOSFETs abwechselnd vollständig ein- oder auszuschalten, wodurch ein hoher theoretischer Wirkungsgrad erreicht wird, da MOSFETs im Sättigungszustand nahezu keine Leistung abgeben. Im Gegensatz zu Verstärkern der Klasse AB (in der Regel mit einem Wirkungsgrad von 50— 65%) erreichen Verstärker der Klasse D in der Praxis einen Wirkungsgrad von 85— 98%. Die wichtigsten Verlustmechanismen sind: (1) Leitungsverluste — P_Cond = i²_RMS × R_DS (on) × N_MOSFETs, wobei i_RMS der Laststrom und R_DS (on) der MOSFET-Einschaltwiderstand ist. (2) Schaltverluste — durch Laden/Entladen von MOSFET-Gate-Kapazitäten bei der Schaltfrequenz (typischerweise 200 kHz—1 MHz). (3)) Ruheverluste (Leerlaufverluste) — Strom, der vom Steuer-IC, den Gate-Treibern und den Bootstrap-Schaltungen unabhängig von der Ausgangsleistung aufgenommen wird. Bei niedrigen Ausgangsleistungen dominiert der Ruhestrom und der Wirkungsgrad sinkt; bei Nennleistung dominieren die Leitungsverluste.

Bearbeitetes Beispiel

Modul der Klasse D: 50 W Ausgangsleistung in 8 Ω. Versorgung: 36 V. MOSFETs: 4 × 50 mΩ RDS (an). Ruhestrom: 30 mA. Laststrom (RMS, 8 Ω): i_RMS = √ (P/R) = √ (50/8) = 2,5 A Leitungsverlust: P_Cond = i²_RMS × R_DS (ein) × N = (2,5) ² × 0,050 × 4 = 1,25 W Verlust im Ruhezustand: p_Q = 36 × 0,030 = 1,08 W Gesamtverluste ≈ 1,25 + 1,08 = 2,33 W (ohne Berücksichtigung der Schaltverluste) Gesamteingangsleistung: 50 + 2,33 = 52,33 W Wirkungsgrad: 50/52,33 = 95,5% Bei 5 W Ausgangsleistung (i_RMS = 0,79 A): P_Cond = 0,79² × 0,050 × 4 = 0,125 W; p_Q = 1,08 W Wirkungsgrad = 5/(5 + 0,125 + 1,08) = 80,7% — bei niedriger Leistung dominiert der Ruhezustand.

Praktische Tipps

  • ✓Um die Effizienz bei niedrigen Hörpegeln zu maximieren (der typische Gebrauch zu Hause liegt deutlich unter der Nennleistung), minimieren Sie den Ruhestrom, indem Sie einen IC der Klasse D mit einem Leerlaufmodus mit geringem Stromverbrauch verwenden, der die Schaltfrequenz reduziert oder in den Standby-Modus wechselt, wenn kein Signal vorhanden ist.
  • ✓Eine höhere Versorgungsspannung reduziert den Effektivstrom bei gleicher Leistung (P = V²/R), wodurch die Leitungsverluste reduziert werden — eine Verdoppelung der Versorgungsspannung bei gleicher Ausgangsleistung reduziert I_RMS um die Hälfte und P_Cond halbiert (I²-Beziehung).
  • ✓Wählen Sie MOSFETs mit dem niedrigsten R_DS (on) × Q_Gate-Gütewert (ein niedrigerer Wert weist auf eine bessere Schaltleistung hin). Für Audioklasse D bei 400 kHz ist R_DS (on) unter 20 mΩ und Q_Gate unter 20 nC zu geringen Kosten erreichbar.

Häufige Fehler

  • ✗Unter der Annahme eines Wirkungsgrads von 100% und ohne Wärmebudget — selbst bei einem Wirkungsgrad von 95% leitet ein 200-W-Verstärker der Klasse D mehr als 10 W an Wärme ab, sodass ein Wärmemanagement erforderlich ist. Bei hohen Umgebungstemperaturen steigt der MOSFET R_DS (on) an (positive Temperatur), wodurch sich der Wirkungsgrad verschlechtert.
  • ✗Schaltverluste im Modell ignorieren — Schaltverluste skalieren mit Gate-Ladung, Schaltfrequenz und Versorgungsspannung. Bei einer Schaltleistung von 1 MHz können die Schaltverluste mit den Leitungsverlusten mithalten. Dieser Rechner verwendet ein vereinfachtes Leitungs- und Ruhestrommodell.
  • ✗Verwendung von RDS (on) der Klasse D (on) aus dem Datenblatt maximal — MOSFET-Datenblätter geben RDS (an) bei 25 °C an. Bei 100 °C Sperrschichttemperatur verdoppelt sich RDS (on) in der Regel. Verwenden Sie die Kurve zur Temperaturreduzierung, um die Effizienz im schlimmsten Fall abzuschätzen.

Häufig gestellte Fragen

Selbst eine Verlustleistung von 5% in einem 200-W-Verstärker beträgt 10 W — genug, um einen Kühlkörper zu benötigen, um die Grenzwerte der MOSFET-Grenzschichttemperatur einzuhalten. Der Kühlkörper kann viel kleiner sein als in der Klasse AB (die 30— 50% als Wärme ableitet), aber er ist selten Null. Bei einigen Designs der Klasse D mit geringem Stromverbrauch (unter 20 W) wird das PCB-Kupfer als Kühlkörper verwendet.
Der Wirkungsgrad der Klasse AB erreicht bei einer ohmschen Last mit einer Sinuswelle seinen Höhepunkt bei etwa 78% und liegt bei normalen Hörpegeln in der Regel bei 50-65%. Der Wirkungsgrad der Klasse D liegt typischerweise bei 85— 95% bei mittleren bis hohen Ausgangspegeln und 75— 85% bei niedrigen Ausgangspegeln, bei denen der Ruhestrom dominiert. Die Verbesserung ist bei mittlerer bis hoher Leistung am ausgeprägtesten.
Moderne Class-D-Designs (z. B. Hypex, Purifi, Pascal) erreichen THD+N unter 0,001% und SNR über 120 dB — was mit den besten Class-AB-Verstärkern mithalten kann. Frühere Designs der Klasse D litten unter elektromagnetischen Störungen, schlechtem Klirrfaktor und Fehlern im Frequenzgang. Der heutige Qualitätsunterschied ist für die Zuhörer vernachlässigbar und hängt größtenteils von der Implementierung ab.

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