Verstärkertechnik analog oder PWM&Tiefpassfilter

[Gyrator]

Wenn ich mir neuzeitliche Verstärker z.B. von Sony anschaue, so ist hier die Digitalisierung im Verstärkerbereich fest etabliert.

Hat jemand schon Erfahrung mit dieser Verstärkertechnik sammeln können?

Stellt diese eine relevante Verbesserung im Klangbild gegenüber einem diskret aufgebauten Analogverstärker dar?

[Matze]

Würde mich auch interessieren ob das taugt.
Manche sagen Ja. Der Wirkungsgrad muss auch besser sein.
Die Frage ist: wird es in Profi Bereich verwendet?
Wenn ja kann es so schlecht nicht sein.

[dl2jas]

Hallo allerseits!

Ich nehme an, daß die Verstärker gemeint sind, die so ähnlich wie ein Schaltnetzteil arbeiten.
Der Hauptvorteil ist der hohe Wirkungsgrad. Althergebrachte analoge Verstärker haben nicht selten einen Wirkungsgrad von 1 - 10 % (lautstärkeabhängig). Wenn man alles schaltet, benötigt man keine herkömmlichen Netztrafos mehr und die großen Kühlkörper entfallen. So kann man sehr viel Leistung auf kleinstem Raum bereitstellen. Billiger, kleiner, leistungsfähiger.
Einen klanglichen Vorteil kann ich bei diesem Konzept nicht entdecken, eher das Gegenteil.
Vor mindestens 10 Jahren hat SoNie schon mal sowas für den Heimaudiosektor gebaut. Ein Bekannter hatte so ein Teil und hat sich nur geärgert. Vom Klang war er nicht überzeugt. Mehrmals war der Kasten defekt, jedesmal eine aufwendige Reparatur. Hinterher war er so genervt, daß er das Teil fachgerecht entsorgt hat.
Ob diese Art von Verstärker was für das Wohnzimmer ist, wage ich zu bezweifeln. Große Vorteile haben sie zweifelsohne in der Beschallungstechnik wie in Diskotheken und bei Konzerten.

Andreas, DL2JAS

[Michael Franz]

Nachdem Gyrator die Funktionsweise kurz und knapp und somit nur für Experten verständlich im Betreff seines Postings umrissen hat, hier meine Bitte: Könnte an passender Stelle (z. B. unter "Gerätetechnik/Medien" in "Digitale Audiotechnik") erklärt werden, wie denn ein digitaler Verstärker funktioniert? Wenn ich danach weiss, wie ein Schaltnetzteil arbeitet, wäre das schon ein Fortschritt. Obwohl, letzteres hatten wir hier, glaube ich, schon behandelt.

Einen Digitalverstärker konnte ich hören, das war auf dem letztjährigen Revox-Treffen. Es handelte sich um einen Prototypen im M51. Die Vorführung hat mich nicht sehr überzeugt, allerdings konnte von vernünftigen akustischen Rahmenbedingungen keine Rede sein. Beim Vergleich unter gleich miesen Bedingungen gefiel der Vorgänger, die "Exception", deutlich besser, auch den Leuten, die es gerne anders gehabt hätten Dies wurde von Revox-Seite aus aber auf das DVD-Laufwerk des M51 zurückgeführt. Die Exception hatte ein höherwertiges Laufwerk für CD-Player.

[Matze]

Pulsweitenmodulation funktioniert im Prinzip so wie der E-Herd die Temperatur der Herdplatte regelt. Um eine bestimmte Temparatur zu halten wird die Heizung abgeschaltet wenn es zu heiss ist und wieder eingeschaltet wenn es kälter wird.
Das ist -im übertragenden Sinne- der PWM Modulator

Damit nun die Temparatur in sich etwa gleich bleibt und nicht ständig zwischen heiss und kalt pendelt hat man eine Wärme speichernde Herdplatte. Das ist das Tiefpassfilter.

[dl2jas]

Matze hat da schon ein prima Beispiel mit dem Elektroherd (Ceranfeld) gefunden. Es wird einfach nur volle Leistung eingeschaltet oder ausgeschaltet. Zwischenwerte gibt es nicht. Macht man das hinreichend schnell, kann man im zeitlichen Mittel jede beliebige Temperatur zwischen AUS und Volldampf erreichen.

zu Michael(F)
Soll ich mal an einem einfachen Schaltungsbeispiel mit 4 Bauteilen das Prinzip des Schaltnetzteils erklären?
Zum Digitalverstärker kann ich leider nicht viel mehr sagen, müßte ich erst in der Literatur suchen.

Andreas, DL2JAS

[Michael Franz]

Ganz klar ist mir das procedere nicht.
Wenn ich einen Strom wechselweise ein- und ausschalte, so habe ich doch die Möglichkeit
a) die Pulszeit zu variieren (länger oder küzrer eingeschaltet lassen)
b) die Pausenzeit zu variieren (länger oder kürzer ausgeschaltet lassen)
c) Mix aus beidem

Wie wird das festgelegt?

Ausserdem schaffe ich den gedanklichen Sprung nicht von einer Herdplatte mit konstanter Temperatur (durch die Wärmespeicherfähigkeit der Platte, also deren Trägheit beim Folgen des Stromverlaufs) zu einem Lautsprecher.

Ein Verstärker macht im einfachsten Fall (Meßton) aus einem "kleinen Sinus" einen "großen Sinus". Wie das mit einem "Schalter" funktionieren soll, ist mir nicht klar. Gewandelt werden muss auch noch...

=> dl2jas
Ja, so ein kleiner Excurs über Schaltnetzteile wäre nicht schlecht, man stolpert ja immer mehr über die Dinger oder vielmehr nicht, weil sie so angenehm klein sind. Vor allem interessiert mich ob man mit ihnen problemlos andere Netzteile ersetzen kann. Bestimmte HiFi-Komponenten arbeiten ja mit Steckernetzteilen, die oft genug verloren gehen.

[Gyrator]

Auch wenn ich mich nun oute als nichtwissend und mit falscher interpretation, durch mangels Zeit mein Verständnis zu verifizieren. Wage ich dennoch meine Theorie hier zu erläutern.

PWM für einen Verstärker welcher den hörbaren Frequenzbereich abdecken soll und das ganze möglichst mit nahezu unendlicher Varianz des Lautstärkepegel müsste wie folgt funktionieren.

Die Varianz der Amplitude wird wie mit der Herdplatte dargestellt realisiert, also mit dem Verhältnis von Einschaltdauer zur Ausschaltdauer.
Damit können wir also genau einen Stützwert des ursprünglich analogen Eingangssignales in seiner Amplitude reproduzieren.
Wenn wir also z.B. fuer ein Sinus-Signal f(t)= 20kHz und mit 50% der maximal zulässigen Amplitude wiederherstellen wollen, so brauchen wir für gewöhnlich wenigsten zwei Stützwerte (Augenblickswerte welche in einem Digitalwort, die analoge Amplitude des Eingagssignales abbildet)
Das Tastverhältnis für das wieder zu reproduzierende Ursprungssignal (hier f(t) ) ist t/4 ein und t/4 aus. Wenn der Stützwert im jeweiligen Maximum des Signales f(t) gewonnen wurde.
Für jeden neuen Stützwert der analog gewandelt werden muss ergibt sich ein neues Pulspausenverhältinis. Wenn man also möglichst viele dieser Stützwerte für eine z.B. sinusförmigen Funktionsverlauf hat, so kann man die jeweilige Amplitude im Moment der Abtastung und damit der Quantisierung des analogen Eingangssignales mit Hilfe eines PWM-Signales wieder reproduzieren.

Vielleicht findes jemand besser Worte um den etwas komplexen Sachverhalt noch transparenter zu erläutern.

Gruß
Thomas

[dl2jas]

Gyrator postete
Auch wenn ich mich nun oute als nichtwissend und mit falscher interpretation, durch mangels Zeit mein Verständnis zu verifizieren. Wage ich dennoch meine Theorie hier zu erläutern.
...
Vielleicht findes jemand besser Worte um den etwas komplexen Sachverhalt noch transparenter zu erläutern.

Lieber Thomas!

Ich denke mal, 98,3 % der Leser haben das nicht verstanden. Selbst ich habe den Text mehrfach durchgelesen.
Da scheint Handlungsbedarf bezüglich Aufklärung zu sein. Ich werde mal etwas schreiben, heute vermutlich nicht mehr.

Andreas, DL2JAS

[Michael Franz]

Was mir überhaupt nicht klar ist:

Wo und wie wird digitale Verstärkung eingesetzt?
Wenn ich ein digitales Signal habe, so kann ich es ja ohne Verstärkung lauter machen, einfach durch umrechnen. Das funktioniert m. W. in MD-Decks, wo man nachträglich die Aussteuerung erhöhen kann. Allerdings müsste dann der D/A-Wandler entsprechend leistungsfähig sein, weil der dann die erhöhte Leistung ausgeben muss.

Oder werden die digitalen Signale (von CD z. B) in analog gewandelt und diese analogen Signale nach einem digitalen Prinzip (PWM) verstärkt?

Du siehst, der Aufklärungsbedarf ist riesig!

[Gyrator]

Michael Franz postete
Was mir überhaupt nicht klar ist:

1) Wo und wie wird digitale Verstärkung eingesetzt?

2) Wenn ich ein digitales Signal habe, so kann ich es ja ohne Verstärkung lauter machen, einfach durch umrechnen.

Das funktioniert m. W. in MD-Decks, wo man nachträglich die Aussteuerung erhöhen kann. Allerdings müsste dann der D/A-Wandler entsprechend leistungsfähig sein, weil der dann die erhöhte Leistung ausgeben muss.

3) Oder werden die digitalen Signale (von CD z. B) in analog gewandelt und diese analogen Signale nach einem digitalen Prinzip (PWM) verstärkt?

Du siehst, der Aufklärungsbedarf ist riesig!

1) In der Endstufe des Verstärkers.
Die Transistoren arbeiten hier lediglich im Schalterbetrieb. Das nachgeschaltete Tiefpassfilter integriert dass Signal zu einem kontinuirlichen analogen Ausgangssignal, welches den Lautsprechen zugeführt wird.

2) Wenn die Laustärke variert werden soll, so wird das digitalisierte Eingangssignal entsprechend umgerechnet, die D/A-Wandlung findet dann in der PWM-Tiefpassfilter Einheit statt.

3) Nein

Für z.B. 10 Sekunden Sinussignal, entstehen nach deren Digitalisierung 441.000 Byte Daten. Jedem Byte wird entsprechend seines Dualen/Dezimalen Wertes ein Pulspausenverhältniss (Ein.-Ausschaltdauer der Endtransistoren) zugeordnet.
Nach der Tiefpassfilterung ergibt sich dann in Abhängigkeit der gewählten Lautstärke für jedes Byte eine Analoge Spannung am Lautsprecher. Damit wird das digitalisierte Sinussignal wieder Analog und durch die 441.000 einzelne Spannungswerte rekonstruiert.

[dl2jas]

Wie funktioniert ein Schaltnetzteil?



Es gibt verschiedene Typen Schaltnetzteile. Alle arbeiten nach dem Prinzip, daß in einer Spule Energie gespeichert werden kann.
Als recht einfaches Beispiel habe ich den Abwärtswandler gewählt. Im Schaltbild habe ich einen einfachen Schalter eingezeichnet. In der Praxis ist es natürlich ein elektronischer Schalter, ein Transistor. Am Eingang ist eine recht hohe Spannung, z.B. die gleichgerichtete Netzspannung. Am Ausgang kann ich eine frei wählbare Spannung erzeugen, die jedoch kleiner als die Eingangsspannung sein muß.
Der Schalter sei geschlossen:
Es fließt Strom durch den Schalter und durch die Spule in den Kondensator.
Der Schalter sei wieder geöffnet:
In der Spule ist Energie gespeichert. Die Spule ist bestrebt, weiterhin einen Strom fließen zu lassen, bis sie alle gespeicherte Energie wieder abgegeben hat. Der einzig mögliche Weg ist durch die Diode, da ja der Schalter geöffnet ist. Der Strom kommt aus der Spule heraus, fließt durch den Kondensator, der weiter aufgeladen wird und geht über die Diode zurück in die Spule.
Das ist das Grundprinzip eines Schaltnetzteils.
Im einfachsten Fall ist am Ausgang eine konstante Last, z.B. eine Glühbirne angeschlossen. Betätige ich den Schalter im konstanten Rhytmus, immer feste Zeiten für eingeschaltet und ausgeschaltet, wird die Glühbirne mit gleicher Helligkeit leuchten.
Meist hat man aber eine Last, bei der sich der Stromverbrauch ändert. Damit die Spannung am Ausgang konstant bleibt, muß eine Regelung her. Der Schalter muß lastabhängig betätigt werden. Die Regelung erfasst die Ausgangsspannung und
betätigt dementsprechend den Schalter.
In der Praxis macht man das meist so, daß der Schalter mit einer festen Frequenz, z.B. 100 kHz betätigt wird. Die Regelung ermittelt, wie lang der Schalter geschlossen und geöffnet sein muß (Puls/Pause-Verhältnis), damit am Ausgang die Spannung konstant bleibt. Ganz konstant kann sie natürlich nicht sein. Am Ausgang steht eine Gleichspannung mit geringem Wechselspannungsanteil. Dieser kleine Wechselspannungsanteil ist eine Dreieckspannung. Wird der Kondensator aufgeladen, steigt die Spannung geringfügig. Kommt kein Strom von der Spule, wird der Kondensator durch die Last etwas entladen. Man dimensioniert die Schaltung so, daß die kleine Dreieckspannung praktisch nicht mehr sichtbar ist. Zusätzlich kann man ein Tiefpaßfilter an den Ausgang setzen.

Andreas, DL2JAS

An Michael(F): Du kannst den Beitrag gern an eine andere Stelle kopieren.

[dl2jas]

PWM, Puls Weiten Modulation



Einige werden über den Begriff Pulsweitenmodulation gestolpert sein. Im Beispiel Schaltnetzteil Abwärtswandler habe ich eine typische Frequenz von 100 kHz genannt. Nehmen wir diese Frequenz. Das heißt, alle 10 µs wird der Schalter (Transistor) eingeschaltet und irgendwann wieder ausgeschaltet. Das Verhältnis zwischen eingeschaltet und ausgeschaltet zeigt die obere Zeile. Eingeschaltet sei schwarz.
In der unteren Zeile sieht man die resultierende Spannung an einer konstanten Last.
Je länger eingeschaltet ist, um so höher die resultierende Spannung am Ausgang. Mit der PWM kann man somit die Ausgangsspannung beeinflussen.
Oder anders:
Wenn die variable Last mehr Strom benötigt, muß ich nur die Einschaltzeit vergrößern, um die Spannung am Ausgang konstant zu halten.

Andreas, DL2JAS

[cdj74]

Gyrator postete
Für z.B. 10 Sekunden Sinussignal, entstehen nach deren Digitalisierung 441.000 Byte Daten. Jedem Byte wird entsprechend seines Dualen/Dezimalen Wertes ein Pulspausenverhältniss (Ein.-Ausschaltdauer der Endtransistoren) zugeordnet.
Nach der Tiefpassfilterung ergibt sich dann in Abhängigkeit der gewählten Lautstärke für jedes Byte eine Analoge Spannung am Lautsprecher. Damit wird das digitalisierte Sinussignal wieder Analog und durch die 441.000 einzelne Spannungswerte rekonstruiert.

Wie kommst Du auf 441000 Bytes? 44,1kHz/s x 10 für die Dauer? Dann sollten es (wenn wir schon CD Standard nehmen, wovon ich bei 441.000 ausgehe) doch auch 16 bit sein, also 2 Byte pro Abtastung, oder? Das Prinzip ist natürlich auch bei 8 bit richtig.

Als PCs noch nicht standardmäßig mit Soundkarten ausgestattet waren, war Pulsweitenmodulation üblich, um dem Standard Speaker "Musik" beizubringen.

Leider war das meistens sehr leise aber sehr einfach zu realisieren.

[Gyrator]

Das mit den Bytes sollte nur prinzipiell so angenommen werden. Wer möchte kann auch gerne Byte gedanklich durch DByte oder Word ersetzen.
Eine Laustärkeänderung muss nicht wie von mir oben beschrieben durch Umrechnung der Daten erfolgen. Ist aber technisch so möglich. Eine weitere Möglichkeit besteht darin die Ausgangsspannung des Dreieckgenerator welcher den Komparator der PWM Einheit speist, entsprechend analog in seiner Amplitude zu variieren. Habe jetzt kein Bild zur Hand, aber bestimmt kann jemand anders eines hierzu beisteuern.

[Gyrator]

Für technisch Interessierte gibt es hier:

http://www.hifi-forum.de/viewthread-71-1791-1.html

weitere Hinweise und Technik-Links im unteren Teil des Threads.

Gruß

Thomas