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Die Pulsweitenmodulierte Endstufe

Kurzbeschreibung

Bei der hier beschriebenen Schaltung handelt es sich um einen Audioverstärker, wie er z.B. in einer HIFI-Anlage oder in einem Ghettoblaster verwendet werden könnte.

Vorteile gegenüber einer konventionellen linearen Gegentaktendstufe:

• geringe Verlustleistung
• keine Kühlung der Endstufentransistoren nötig

Das Prinzip

Bei einer konventionellen Gegentaktendstufe, wie sie in den meisten HIFI-, Radio- und TV-Geräten Verwendung findet, wird der Stromfluss durch die Endstufentransistoren proportional zur Eingangsspannung des Verstärkers geregelt, wobei ein Transistor für die positive, einer für die negative Halbwelle zuständig ist.

Dies hat zur Folge, dass durch die Transistoren jeweil gleichzeitig ein Strom fliesst wie über sie eine Spannung abfällt. Nach dem Gesetz P=U*I entsteht somit in den Transistoren eine erhebliche Verlustleistung, die in Form von Wärme abgeführt werden muss.

Die hier beschriebene pulsweitenmodulierte Endstufe funktioniert nach einem anderen Prinzip:

Die beiden Endstufentransistoren werden mit einer hohen Frequenz abwechselnd ganz ein oder ganz aus geschaltet. Die Pulsweite (das Verhältnis zwischen ein- und ausgeschalteter Zeit eines Transistors) ist proportional zum Eingangssignal.

So sind die Transistoren immer entweder fast stromlos oder spannungslos, wodurch die Verlustleistung sehr klein wird. Trotzdem ist der Mittelwert der Ausgangsspannung proportional zum Eingangssignal, kann also einem Lautsprecher zugeführt werden.

© 2003 by Stefan Heimers

Schaltungsbeschreibung

Die Schaltung um den Operationsverstärker IC 1a bildet einen Dreieck-Signalgenerator. Sein Ausgangssignal kann bei tp 1 abgegriffen werden und ist im oben dargestellten Oszillogramm zu sehen.

Der Operatoionsverstärker IC 1b vergleicht die Dreiecksspannung mit dem Eingangssignal. Je nach höhe des Eingangssignals wird somit die Pulsbreite am Ausgang (pin 7) weiter oder schmaler.

Der CMOS-Inverter IC 2 dient der Verbesserung der Flankensteilheit des Rechtecksignals und seiner Ausdehnung auf die gesamte Versorgungsspannung. Der Operationsverstärker kann leider nicht ganz bis GND und Ub ausgesteuert werden.

T1 und T2 sind die Endstufentransistoren, die ausnahmsweise NICHT gekühlt werden müssen.

Die Spule L1 bildet den Mittelwert der Rechteckspannung und verhindert somit, dass die Hochfrequenzspannung von tp2 den Lautsprecher erreicht und zu unerwünschter HF-Abstrahlung führt.

Mängel der Schaltung

• Zu hoher Ruhestrom (ca. 50mA). Offensichtlich erfolgt die Umschaltung zwischen den beiden Endstufentransistoren nicht schnell genug so, dass jeweils kurze Zeit ein Strom von Plus zur Masse durch beide durchfliesst.
• Schlechte Linearität des Dreieckgenerators. Wegen einer fehlenden Konstatnstromquelle wird C1 exponentiell statt linear geladen. Daraus resultiert eine Verzerrung des Signals.

Ideen zur Weiterentwicklung

• Brückenschaltung mit zwei invertierten Endstufentransistorpaaren -> vierfache Leistung bei gleicher Versorgungsspannung
• Digitaler Pulsweitenmodulator zur Verwendung als Computersoundausgabe.

UPDATE

Die Transistoren können ersetzt werden durch BC375/BC376 oder BC337/BC338, welche billiger sind und erst noch einen geringeren Ruhestrom ermöglichen.

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