Welche Netzteilcharakteristik ist für Audio-Endstufen sinnvoll?

[wus]

Für Audio möchte man ein eher steifes Lastverhalten ... der Spannungsversorgung.

Warum das denn? Erst mal will ich mit den gegebenen Mitteln hohe Leistung erzielen. Die Dauerleistung ist aber bei Audio - solange es sich um Musik oder Sprache handelt - immer weit niedriger als der Spitzenwert. Dazu braucht es doch eigentlich kein steifes Lastverhalten... oder?

Ich bin gespannt auf Eure Meinungen und Begründungen dazu.

[capslock]

Nennt sich power supply rejection ration (PSRR). Wenn sich die Spannung ändert, ändert sich auch die Verstärkung. Das kann zB heißen, wenn Du eine ordentliche Last schiebst, bricht Dir die Spannung ein und damit die Verstärkung, was sich dann in Verzerrungen äußert. Bei Klasse AB ist die PSRR vor allem vom Differenzverstärker am Eingang bestimmt. Den Endstufentransistoren ist die Betriebsspannung in allererster Näherung egal, so lange sie noch nicht clippen. Tatsächlich lässt aber auch bei ihnen die Verstärkung nach, wenn sie der jeweiligen Betriebsspannung näher kommen, da dann die Kollektor-Emitter-Spannung sinkt.

Bei Class D wird der Ausgang zwischen den beiden Betriebsspannungen hin- und hergeschaltet, d.h. Änderungen der Betriebsspannung schlagen direkt durch. Die Schleifenverstärkung regelt natürlich das Pulsverhältnis nach, aber das ist mehr das Pflaster auf einer großen Wunde.

[wus]

Class AB Endstufen haben in aller Regel eine starke Gegenkopplung die diesen Effekt perfekt ausregelt - solange der Amp nur genügend Bandbreite hat.

Und im Prinzip gilt das genau so für Class D. Du schreibst ja selber,

Die Schleifenverstärkung regelt natürlich das Pulsverhältnis nach,

auch hier kommt es nur darauf an, dass schnell genug nachgeregelt wird, es ist also auch wieder eine Bandbreitenfrage.

Weiß jemand noch mehr dazu?

[capslock]

Stell Dir nur einen klassische doppelte Emitterfolger-Endstufe ohne Gegenkopplung vor, die mit +/- 20 V betrieben wird. Am Eingang liegen beispielsweise 5 V an. Am Ausgang kommen dann 5-0,6-0,6, also 3,8 V an. Die U_CE des Endstufentransistors beträgt 16,2 V. Nun breche die Betriebsspannung auf 18 V ein, U_CE sinkt also auf 14,2 V. Das ist dem Transistor in erster Näherung egal. Wenn man genauer in die Datenblätter schaut, sinkt seine Stromverstärkung. Die Spannungsquelle am Eingang wird also stärker belastet, und wenn ihr Ausgangswiderstand nicht 0 ist, dann sinkt die die effektive Eingangsspannung und somit das Ausgangssignal. Das ist aber ein Effekt zweiter Ordnung. In erster Näherung ist der Endstufe ganz ohne Gegenkopplung schon die Betriebsspannung egal.

So, jetzt sagen wir noch, dass es sich um eine komplementäre doppelte Emitterfolger-Endstufe handelt. Es gibt einen Biasgenerator, der eine Vorspannung von 2,4 V macht. Wenn ich parallel dazu einen 1:1-Spannungteiler schalte, dann kann ich am Mittelpunkt 5 V einspeisen und bekomme auch 5 V hinten raus, abgesehen von den oben angerissenen Nichtidealitäten der Transistoren.

Eine Änderung der Spannung schlägt also nur um den Faktor 50 oder mehr abgeschwächt auf die Verstärkung durch, d.h. die Gegenkopplung hat nicht viel zu tun. Es gibt sogar AB-Verstärker, die komplett open loop betrieben werden. Gab mal eine dänische Firma beispielsweise.

[capslock]

Bei einem Class D - Verstärker, der auch mit +/- 20 V betrieben werde, stelle ich ein Taktverhältnis von 3 : 5 ein, um eine Ausgangsspannung von 5 V zu bekommen. Sinkt die Betriebsspannung um 10% auf +/- 18 V, bekomme ich nur noch 4,5 V. Die Betriebsspannung geht also 1:1 in die Open-Loop-Verstärkung ein. QED.

[SNT]

Hallo,

die Frage nach der Netzteilleistung und Belastung ist durchaus kritisch: Die die meisten Tischnetzteile (zB Meanwell) haben eine ‚harte‘ Strombegrenzung. Das heisst ein 90W/20Watt Netzteil regelt bei 4,5A sofort ab und die Ausgangsspannung bricht sofort ein. Sofort bedeutet innerhalb ein paar Millisekunden, da so gut wie keine Ausgangskapazität in diesen Netzteilen verbaut ist. Der verbaute interne Kondensator mittelt die Spitzenströme nicht. Ein 90Watt Netzteil mit 20V Ausgangsspannung an einem Class-D BTL Verstärker und Vollaussteuerung an einem (!) 4Ohm Lautsprecher bricht bei Vollaussteuerung zusammen, weil 20V/4Ohm =5A.

Das 90Watt Netzteil mit 4,5A Spitzenstrom schafft nur 3,2Aeff Audio. Das entspricht an einem 4Ohm Lautsprecher über Class_D (100% Wirkungsgrad angenommen) nur 41Watt Audioleistung also weniger als di3 Hälfte, zwei mal 20 Watt im Stereobetrieb, egal ob dauerhaft oder Spitze. Das ist echt mager....

Zu dieser ‚Leistungsreduzierung‘ kommt hinzu, dass die meisten Tischnetzteile keine zusätzlichen Elkos am Ausgang ‚vertragen‘. Ein zusätzlicher sehr großer Elko am Ausgang könnte eine höhere Audioleistung und auch höhere Spitzenleistungen liefern. Viele Netzteile schaffen es nicht einen zusätzlichen großen Elko am Ausgang innerhalb einer bestimmten Zeit auf die Höhe der Nominalausgangsspannung zu laden und die interne Strombegrenzung schlägt an und geht in einen sogenannten Foldback. Das bedeutet, dass die so schön hohe Strombegrenzung bei 4,5A plötzlich nur bei ein paar hundert Milliampere liegt. Am Ende braucht es ewig bis die Ausgangsspannung wieder erholt und nur im Leerlauf... Bei aufgedrehter Lautstärke bricht die Ausgangsspannung völlig ein und nichts geht mehr...solange man nicht das Laustärkepoti extrem abregelt. Erst dann steigt die Netzteilspannung wieder an... Das bedeutet in der Praxis dass sich der Verstärker bei einem zu hohen Strompuls sozusagen aufhängt....Will man einen großen zusätzlichen Elko verbauen und in den genuß maximaler Spitzenströme kommen, benötigt man eine Zusatzschaltung zwischen Elko und Netzteilausgang.

Eine Möglichkeit ist es LED Netzteile zu besorgen die eine Strombegrenzung ohne Foldbackfunktion haben. Damit kann man beliebige zusätzliche Elkos am Ausgang zuschalten. Diese Netzteile sind etwas teurer.

Spezielle Audionetzteile sind davon nicht betroffen.

Gruß von Sven

[gesperrter_benutzer_ct]

Das 90Watt Netzteil mit 4,5A Spitzenstrom schafft nur 3,2Aeff Audio. Das entspricht an einem 4Ohm Lautsprecher über Class_D (100% Wirkungsgrad angenommen) nur 41Watt Audioleistung also weniger als di3 Hälfte, zwei mal 20 Watt im Stereobetrieb, egal ob dauerhaft oder Spitze. Das ist echt mager....

Wahrscheinlich glaubt du auch, daß ein 12 V/5V Abwärtswandler bei 5 Ampere auf der 5-Volt-Seite auch 5 Ampere auf der 12-Volt-Seite zieht.

Ein BTL-SMPA schafft, mit 20 Volt betrieben, an 4 Ohm prinzipbedingt nicht mehr als 45 Watt Sinusleistung und lutscht dabei etwa zwoeinhalb Ampere aus dem Netzteil.

[fosti]

Habe mir gerade von Douglas Self das "Audio Power Amplifier Design Handbook" geholt......ich vermute schon, dass die Stromieferfähigkeit des Netzteils ein nicht zu unterschätzendes Design-Kriterium ist......bei der Power-Stage selber mache ich mir keine Illusionen es besser machen zu können, als z.B. ein TDA7294......

[gesperrter_benutzer_ct]

Darin beschreibt Self aber, zumindest in meiner 3. Auflage, ausschließlich lineare Verstärker, keine getakteten.

[fosti]

Der TDA 7294 ist ja auch ein AB und ich will kein Schaltnetzteil dazu......also schön oldschool....nicht von DMOS täuschen lassen....
https://www.st.com/resource/en/datasheet/tda7294.pdf

[3eepoint]

Darin beschreibt Self aber, zumindest in meiner 3. Auflage, ausschließlich lineare Verstärker, keine getakteten.

In der 6. Auflage tut er das ab S.485, geht dort aber nicht auf die Abhängigkeit von der Betriebsspannung ein und generell streift er das Thema nur. Wäre mit Sicherheit auch genug für ein eigenes Buch...

Ansonsten wäre das etwas das man sicher sehr gut mit Spice nachvollziehen könnte.

[JFA]

Bei einem Class D - Verstärker, der auch mit +/- 20 V betrieben werde, stelle ich ein Taktverhältnis von 3 : 5 ein, um eine Ausgangsspannung von 5 V zu bekommen. Sinkt die Betriebsspannung um 10% auf +/- 18 V, bekomme ich nur noch 4,5 V. Die Betriebsspannung geht also 1:1 in die Open-Loop-Verstärkung ein. QED.

Für einen fremdgetakteten - also die klassische Variante mit Dreicksgenerator - Class-D ist das korrekt. Ein selbstschwingender Class-D hat eine sehr hohe PSRR, die einem gegengekoppelten AB in nichts nachsteht.

[SNT]

Wahrscheinlich glaubt du auch, daß ein 12 V/5V Abwärtswandler bei 5 Ampere auf der 5-Volt-Seite auch 5 Ampere auf der 12-Volt-Seite zieht.

Ein BTL-SMPA schafft, mit 20 Volt betrieben, an 4 Ohm prinzipbedingt nicht mehr als 45 Watt Sinusleistung und lutscht dabei etwa zwoeinhalb Ampere aus dem Netzteil.

Angenommen der Lautsprecher zieht 5A Spitzenstrom an 4Ohm an 20V Momentanspannung. Die Versorgungsspannung des Class-D ist 20V und dieser wird voll aufgesteuert, das bedeutet der obere Highside Mosfet schaltet im Scheitelpunkt des Stromes voll durch, dann fliesst in genau diesem interessierenden Spitzen-Arbeitspunkt der gleiche Strom aus dem Netzteil über den Class-D in den Lautsprecher. Wenn das 20V Netzteil 100Watt hat, dann bringt das Netzteil gerade den 5A Spitzenstrom auf der in direkt in Lautsprecher geht. Wir haben dann am 4Ohm Lautsprecher 20V Spitze, ca 14Veff und damit eine Audioleistung von maximal 50Watt, die das 100Watt Netzteil gerade so schafft. Ist die Audioleistung höher als die ca 50Watt, bringt die höhere Spitzenleistung das 100Watt Netzteil in die Knie und wir kommen ins Clipping oder zum Abschalten des Netzteils wie erklärt.

Eine höhere Versorgungsspannung im Netzteil von zb 40V nützt auch nichts. Dann haben wir zwar bei 20V Aussteuerung und 5A Lautsprecherstrom einen geringeren Netzteilstrom in Höhe von 2,5A durch die Umsetzung im Class-D, aber eine 100Watt Netzteil mit 40V kommt halt auch bei 2,5A an seine Grenze.

Also sollte man für diese einfachen Tischnetzteile die Leistungsangabe für eine gegebene Audiospitzenleistung doppelt so hoch ansetzen.

Das Thema hat so wie ich es verstehe nichts mit PSRR zu tun....das betrifft eher den Class-D, also wie hoch dieser Versorgungssschwankungen unterdrückt.

Gruß von Sven

[gesperrter_benutzer_ct]

Angenommen der Lautsprecher zieht 5A Spitzenstrom an 4Ohm an 20V Momentanspannung. Die Versorgungsspannung des Class-D ist 20V und dieser wird voll aufgesteuert, das bedeutet der obere Highside Mosfet schaltet im Scheitelpunkt des Stromes voll durch, dann fliesst in genau diesem interessierenden Spitzen-Arbeitspunkt der gleiche Strom aus dem Netzteil über den Class-D in den Lautsprecher.

[_] Du hast verstanden, wie ein SMPA funktioniert.
[X] Du glaubst immer noch, daß ein Abwärtsschaltwandler am Eingang den gleichen Strom lutscht, wie am Ausgang abgezapft wird.

[SNT]

Ja glaube ich...für diesen für die Aussteuerung wichtigen Arbeitspunkt. Die Umsetzung funktioniert bei Gleichspannung und Gleichströmen, aber nicht wenn der Class-D AC mäßig voll durchgeschaltet hat und genau diese Vollaussteuerungsarbeitspunkt ist eben der interessante was die maximale Audioleistung betrifft.

Ich habe mich auf den ersten Blick auch gewundert, wieso man aus den Tischnetzteilen eigentlich verhältnismäßig wenig Audio-Leistung rausbekommt. Die erste Idee war, Netzteil ist Schaltnetzteil mit fast 100% Wirkungsgrad und Class-D hat auch etwa 100% Wirkungsgrad (für diese kurze theoretische Betrachtung) dann müssten doch die 100Watt aus einem Netzteil auch voll am Lautsprecher ankommen. Das ist es leider nicht.... Man kann leider nur maximal mit der Hälfte rechnen...Das ist auch der Grund warum häufig empfohlen wird diese Netzteile überzudimensionieren.

Profinetzteile für Audio haben entweder am Ausgang zusätzliche Elkos die selbst 20Hz Scheitelströme das Netzteil nur den Audio-Effektivstrom sehen lassen, oder am Eingang massive Elkos (ohnehin benötigt für den meist hohen Eingngsspannungsbereich 85V...270V und zur Netzausfallreserve). Ein schneller Netzteilregler reflektiert hohe Strompulse am Ausgang auch auf seinen eingangsseitigen Elko.
Zusammen mit einer festen Strombegrenzung ohne Foldbackcharakteristik können zusätzliche Elkos angeschlossen werden. Gerade diese so gern eingesetzte Foldbackcharakteristik ist für den Audiogebrauch kontraproduktiv...

Gruß von Sven

[gesperrter_benutzer_ct]

Profinetzteile für Audio haben entweder am Ausgang zusätzliche Elkos die selbst 20Hz Scheitelströme das Netzteil nur den Audio-Effektivstrom sehen lassen, oder am Eingang massive Elkos (ohnehin benötigt für den meist hohen Eingngsspannungsbereich 85V...270V und zur Netzausfallreserve).

Ja. Sieht man zum Beispiel an den ICEpower, die riesigen Elkos...

[SNT]

Für den Fall, dass auf der Class-D Platine ein Sack von richtig dicken Kondensatoren an der Versorgungsspannung angeschlossen wäre, und zwar soviel, das aus der Sicht des Netzteils selbst ein 20Hz Laststrom bei Vollausteuerung nur Gleichstrom sehen würde, wäre das dann die gleiche Situation wie zusätzliche Elkos an den Ausgängen des Netzteils. Üblicherweise sind auf einfachen Class-D Platinen nicht so viele Caps platziert, weil man davon ausgeht, dass das Netzteil die Pulsströme liefern kann und an den Tischnetzteilen am Ausgang auch nicht.

Wie auch immer. Zusammengefasst mittelt der massive Einsatz von Elkos auf der Class-D Platine den Scheitelstrom, das angeschlossene Netzteil muß jedoch die vielen Caps beim Hochstart vertragen und es sollte keine Foldbackfunktion haben, damit das Netzteil bei einem richtig massiven Strompuls die Elkos in kurzer Zeit ohne Fehlermeldung bzw. Foldback wieder aufladen kann. Wenn die Elkos an der Versorgungsspannung nicht in ausreichender Menge vorhanden sind, sieht das Netzteil an der Clipplinggrenze den Scheitelstrom des Audiosignals.

Gruß von Sven

[gesperrter_benutzer_ct]

Üblicherweise sind auf einfachen Class-D Platinen nicht so viele Caps platziert, weil man davon ausgeht, dass das Netzteil die Pulsströme liefern kann und an den Tischnetzteilen am Ausgang auch nicht.

Weich doch nicht aus! Die ICEpower werden direkt ans Netz angeschlossen, wo, bitte, sieht du da irgendwelche dicken Elkos?

Du hast nach wie vor nicht verstanden, wie ein SMPA funktioniert! Hint: Speicherdrossel.

[SNT]

Ich werde mich nicht weiter hier beteiligen. Das ist von meiner Seite alles.

Gruß von Sven

[wus]

Sorry, eine klassische doppelte Emitterfolger-Endstufe arbeitet nicht ohne Gegenkopplung. Ja, man kann Endstufen so auslegen, dass sie open loop, also ohne über-alles-Gegenkopplung arbeiten. Aber Du schreibst ja schon selbst

Gab mal eine dänische Firma beispielsweise.

Selbst wenn vielleicht noch heute jemand sowas herstellt: "klassisch" ist das gewiss nicht. Klassischerweise sind Endstufen gegengekoppelt, weil das die einfachste Methode ist sicherzustellen, dass das Ausgangssignal sehr genau dem Eingangssignal folgt, oftmals bis auf wenige hundertstel oder sogar tausendstel Prozent genau, nur eben linear verstärkt.

Und das völlig ungeachtet eventueller Schwankungen der Versorgungsspannung, solange der Amp nur nicht ins Clipping geht, was - natürlich - von der Charakteristik, der "Härte" des Netzteils abhängig ist. Natürlich ist die Stromlieferfähigkeit des Netzteils von entscheidender Bedeutung, das sehe ich schon auch so.

Ein Schaltnetzteil mit Foldback-Charakteristik ist in der Tat völlig ungeeignet für Audio Amps.

Ich muss zugeben, ich war auch lange der Meinung, ein steifes Netzteil wäre Grundvoraussetzung für gutes Endstufendesign. Lange wurde ja auch gepredigt, nicht die Musik- sondern die Sinusleistung wäre wichtig.

Aber Musik ist nun mal kein Sinus. Wenn ich heute eine Endstufe bauen würde dann würde ich das Netzteil ähnlich wie in PA Amps auslegen. Wenn man sich deren Specs mal anschaut und dabei auch ein wenig mitdenkt dann könnte man ins Grübeln kommen. Da gibt es welche mit Gesamtausgangsleistungen (alle Kanäle zusammengenommen) bis 16 kW. Aber gespeist werden sie einphasig aus 230V, und eine Absicherung mit mehr als den haushaltsüblichen 16 A ist nicht erforderlich. Wie kann das sein? 230 V x 16 A = 3,7 kW, wie kann da hinten 16 kW rauskommen???

Es ist klar dass das nicht die Dauerleistung sein kann, und das ist auch gar nicht nötig solange normales Audio - Musik und Sprache - wiedergegeben werden soll. Die Endstufen müssen die Spitzen, die mit der Musik kommen, unverzerrt wiedergeben können. Die durchschnittliche Leistung liegt bei Musik weit niedriger, entsprechend "mager" oder "weich" kann man das Netzteil auslegen.

Klar, es ist technisch gesehen besser wenn das Netzteil steif ist - mehr Leistung ist ja auch schön zu haben. Aber wirtschaftlich sinnvoll ist es nicht, und bei gutem Schaltungsdesign ist es auch nicht nötig.