Class D Amps

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Class D Verstärker

	neue Technologie:
	Class D PCM Schaltverstärker

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	Baujahr: ab 2008 Beginn: Q4/2008 Dauer: Tage, Wochen, Monate... Introduction - Class D Verstärker Vorweg: Die Welt der High End HiFi Freaks ist voller Mysterien und Glaubensdinge - manche schwören auf das Produkt X, andere verteufeln es komplett; für wieder andere sind Voodoo Lautsprecherkabel zwingend erforderlich, bei denen 1 Meter so viel kostet wie für normale Menschen eine ganze Stereoanlage. Allerdings gibt es eine einfach Methode, um derlei Effekte zu eliminieren: den Hörvergleich. Damit gerät man als Erstkäufer natürlich in die Fänge von Verkäufern mit allen ihren Tricks. Die reichen von den ganz allgemeine Verkaufstricks bis hin zur Rafinessen aus der Psychoakustik... deswegen ist man gut beraten, Wiedergabeequipment nicht im Hörraum des Media-Marktes, sondern zu Hause (in aller Ruhe) auszuprobieren. Dort gibt es keine Hektik oder Störungen (hoffentlich), und vor allem herrschen dort die raumakustischen Verhältnisse, mit denen die "Anlage" zurecht kommen muss. Verstärker - das teilt sich bekanntlich in bis zu vier Stufen (Quelle: Vinyl) oder 1-2 (CDs etc.). 1.) Vor-Vorverstärker bzw. Übertrager für (sehr leise) Moving-Coil Magnetsysteme an hochwertigen Plattenspielern 2.) Entzerrer-Vorverstärker für Tonabnehmer von Plattenspielern allgemein (Moving Magnet) 3.) [Klangregel- bzw. Signalumschalt-] Vorverstärker (die mit dem Lautstärkeregler) 4.) Endstufen Fangen wir von hinten an (mit den Endstufen): Bis vor Kurzem waren Verstärker große, schwere, teure und Strom fressende Monster. Transistorverstärker, die einen einigermaßen guten Klang lieferten, brauchten irre Leistungen, von denen im (klanglich) besten Fall der sog. Class-A Schaltung das Meiste über die Kühlbleche abgeführt werden musste, und zwar prinzipbedingt leider auch dann, wenn keine Musik anlag. Über die Jahre sind verschiedene Schaltungsarten (z. B. Single Ended vs. Bipolar) mal jeweils in und wieder aus der Mode gekommen. Jede Schaltungsart hat ihre Vor- und Nachteile, die sich mit verschiedenen Bauteilfamilien unterschiedlich auf verschiedenen Klangaspekte und den Stromverbrauch auswirken. Davon soll hier aber keine Rede sein. Noch bevor es Transistoren gab (ab 1955), hatte man - wer es sich leisten konnte - Röhrenverstärker. Deren Klang resultierte aus dem konstruktiven und handwerklichen Geschick des Herstellers ... der Übertrager! Das sind besonders ausgeklügelte Transformatoren, groß, schwer, teuer, mit sehr viel Eisen und Kupfer. Auftritt Integrierte Schaltungen: Für kleine, billige Geräte wurden Single-Chip-Verstärker entwickelt, natürlich mit nur kleinen Leistungen und ohne hohe Ansprüche an den Klang. Damit liessen sich aber einige Probleme der bisherigen (diskreten) Schaltungen elegant lösen: extrem kurze Signalwege und eine super Abschirmung sind in so einem IC auf einmal gar keine Sache. Nächster Akt: "Class D" Digitaltechnik. Lange als Autoradio-Technik belächelt und unter High-Endern verpönt, hat die Class D Schaltungstechnik inzwischen Einzug in erlauchte audiophile Kreise gehalten. Spätestens seit die dänische Edelfirma Bang&Olufsen die Class D Technologie von ICEpower (bzw. die komplette Firma) übernommen hat und verschiedene High-End Anbieter (u. A. Rotel, z. B. den Rotel RB-1072) mit ICEpower Modulen ausgerüstete Endverstärker anbieten muss man diese Technologie wohl wirklich ernst nehmen. Nicht zuletzt der Achtungserfolg des kleinen, billigen und batteriebetriebenen Sonic Impact Verstärkers als ausgezeichnet klingendes High-End-Gerät (das war mal ein Geheimtipp, bei Kosten die weit unter denen eines guten, d. h. High-End-Signalkabels liegen!) mit dem Tripath TA-2020 Chip hat Class D bzw. Class T Verstärkertechnik unter HiFi Enthusiasten in aller Munde gebracht. Was ist diese Class D Schaltungsart eigentlich? Das ist ziemlich simpel. Im Fachchinesisch gesprochen, wird das Audiosignal mit Hilfe eines Signalprozessors als Pulscode-Modulation einem hochfrequenten Trägersignal aufgeprägt. Man muss sich das so vorstellen wie einen UKW-Sender, nur dass die Trägerfrequenz hier zwischen 400 und 800kHz liegt. Wie beim UKW Radio wird die Signalinformation in der Breite der Impulse "versteckt". Tiefe Töne kommen als Abfolge von langen Impulsen daher, hohe als Abfolge von kurzen Impulsen. Die Lautstärke verbirgt sich in der Häufigkeit der Impulse. Das Trägersignal hat eine feste Amplitude, so dass die Transistoren der Leistungsendstufe günstig als reine Schalter arbeiten können. Das reduziert die Verlusteistung und die Abwärme und verschafft diesen Endstufen sagenhafte Wirkungsgrade um 80-90%. Davon waren analoge Verstärker immer meilenweit entfernt ... man kennt leistungsfähige Endstufen als schwer und teuer, als mit riesigen Kühlkörpern ausgestattete, teure Monster von geringem WAF (Wife Acceptance Factor). Der wertige Hauptbestandteil solcher Apparate war Eisen - in From von Transformatoren bzw., im Fall von Röhrenverstärkern, Übertragern. So etwas Ähnliches gibt es auch in Class D Verstärkern - schließlich muss ja am Ausgang wieder ein analoger Ton heraus kommen. Dazu ist ein Filter aus Drossel und Kondensator (fachchinesisch: LC-Glied) im Signalweg angebracht, der die hochfrequente Rechtecksignal-Orgie einfach glattbügelt, um es mal so salopp zu sagen. Da in Class D Endstufen mit weit über der Hörfrequenz liegenden Trägerfrequenzen gearbeitet wird liegt es auf der Hand, auch die Stromversorgung solcher Endstufen mit Schaltnetzteilen zu bewerkstelligen. ICEpower hat diesen Ansatz konsequent weiter verfolgt und produziert in der zweiten Generation Endstufenmodule, bei denen das Schaltnetzteil auf der Endstufenplatine integriert ist. Kein Trafo, der die volle Leistung verarbeiten muss! Eine Platine, Signaleingang, Lautsprecheranschluss, Netzstecker - fertig. Ein Bisschen Steuerlogik wie Standby, Mute ... das war's schon. 2x1000W Ausgangsleistung aus einem Gerät, dass knapp so groß ist wie eine Zigarrenkiste ... ganz ohne riesige Kühlflächen, Lüfter & Brimborium. Soweit nun die Theorie. In der Praxis steckt wohl sehr viel Know-How darin, aus dem PCM Rechtecksignal wieder schönen Klang zu machen. Das gelingt aber mittlerweile dermaßen überzeugend, dass Class D Endstufen mit teuren Röhrenverstärkern verglichen werden. Class D Verstärker sind einfach aufgebaut; sie benötigen keine Rückkopplung zur Glättung des Frequenzgangs, haben ein ausgezeichnetes Impuslverhalten und enorme Leistungsreserven und sind, wie gesagt, klein und preiswert. Nun zur Praxis: Meine ersten Versuche mit Tripath TA-2020 SMD ICs verliefen wenig erfolgreich. SMD Löten ist eine Kunst für die man sehr ruhige Hände, gute Augen und viel Geduld braucht. Zwar waren die bei eBay erworbenen Bausätze günstig, funktioniert hat jedoch letztlich leider keiner davon. Schade. Mehr Erfolg - wenn auch noch manche Enttäuschung - brachten fertig aufgebaute Class T Module ("T" statt "D" wegen der Herstellerfirma Tripath, die mittlerweile nicht mehr existiert). Nach erfolgreichem Aufbau, im Wesentlichen bestehend aus dem Anschluss von Eingangssignal, Lautsprechern und einer Gleichstromquelle von 13,6V (Autobatterie) heisst es Geduld bewahren - der Tripath Chip entfaltet seine volle klangliche Qualität erst nach 50-100 Betriebsstunden. Das liegt nicht daran, dass da innerlich irgendwas erst freibrennen müsste, sondern am integrierten Signalprozessor. Der benutzt für die geheimnisvolle PCM einen adaptiven Algorithmus, lernt also erst mit der Zeit mit der Musik richtig umzugehen. Die "Mechanik" eines ersten Prototyps gestaltete sich recht einfach... Noch ohne Lautstärkeregler, weil der im als Quelle vorgesehenen iPod Nano schon drin steckt. Die Module heißen "Charlize" bzw. "Charlize2" und stammen aus Malaysia, sie werden von ihrem Entwickler Yeo selbst vertrieben. Weil die Eingänge nicht über Kondensatoren entkoppelt sind sind sie sehr empfindlich gegen Gleichspannung; irgendein Kurzschluss gegen Masse oder Versorgungsspannung kann sofort Schäden anrichten. Und natürlich Überspannung oder Verpolung. Auch hier habe ich leider Lehrgeld bezahlen müssen. Die Ausgangsleistung beträgt nur etwa 10W pro Kanal, ohne die bei Verstärkern üblichen Übertreibungen (also ohne horrende harmonische Verzerrungen im Prozentbereich und/oder winzige Lautsprecherimpedanzen). Das reicht allerdings auch für gehobene Zimmerlautstärke allemal aus. Nachdem der Klang des Gerätchens sich mit der Einspielzeit als hervorragend heraus gestellt hat (selber hören macht klug), stand auch einem netten Gehäuse aus pulverbeschichtetem Stahlblech nichts mehr im Wege. Zum Glück ist ein Spezialist für Mechanikkonstruktion von elektronischen Geräten im Hause :) Die Stromversorgung sollte natürlich unhörbar bleiben - beste Erfahrungen habe ich mit der bereits erwähnten Autobatterie. Auch wenn die Literatur behauptet, dass durch Batteriebetrieb der Rauschabstand kleiner wird - da ziehe ich ein unhörbares Rauschen einem hörbaren Brummen oder Zirpen oder was auch immer vor. Die langsame Entladung der Batterie kompensiert ein kleines Steckernetzteil - wie zur Erhaltungsladung von Motorradbatterien - wirkungsvoll. Eine Diode ist im Gleichrichter des Steckernetzteils sowieso enthalten, so dass sich die Batterie nicht darüber entladen kann. Auch sollte das Steckernetzteil nur wenig Störsignal in Form von Restbrumm "einliefern". Hier helfen große Glättkondensatoren und die üblichen Brummunterdrückungschaltungen. Der nächste Kandidat für den Endstufenselbstbau war "Gabrielle", eine Platine aus der gleichen Quelle, aber mit dem Tripath TAA4100 IC, das vier Kanäle zu je 60-100W bedient. Die nötige Versorgungsspannung von 26V liefern zwei hintereinander geschaltete Motorradbatterien, diesmal mit Hilfe eines Industrienetzteiles (Phoenix Hutschienenmodul) versorgt. Das funktioniert ausgezeichnet, sogar ohne die Batterien - das Heimkino kann damit jetzt auch richtiges Actionkino ordentlich laut wiedergeben. Die nächste Stufe werden 2 Icepower 500A Module, eingebaut in die guten alten Aktivboxen mit den Isophon PSL320/200 Tieftönern, die gerade eine neue Rollsicke aufgeklebt bekommen haben.

Baujahr: ab 2008
Beginn: Q4/2008
Dauer: Tage, Wochen, Monate...

Introduction - Class D Verstärker

Vorweg: Die Welt der High End HiFi Freaks ist voller Mysterien und Glaubensdinge - manche schwören auf das Produkt X, andere verteufeln es komplett; für wieder andere sind Voodoo Lautsprecherkabel zwingend erforderlich, bei denen 1 Meter so viel kostet wie für normale Menschen eine ganze Stereoanlage.

Allerdings gibt es eine einfach Methode, um derlei Effekte zu eliminieren: den Hörvergleich. Damit gerät man als Erstkäufer natürlich in die Fänge von Verkäufern mit allen ihren Tricks. Die reichen von den ganz allgemeine Verkaufstricks bis hin zur Rafinessen aus der Psychoakustik... deswegen ist man gut beraten, Wiedergabeequipment nicht im Hörraum des Media-Marktes, sondern zu Hause (in aller Ruhe) auszuprobieren. Dort gibt es keine Hektik oder Störungen (hoffentlich), und vor allem herrschen dort die raumakustischen Verhältnisse, mit denen die "Anlage" zurecht kommen muss.

Verstärker - das teilt sich bekanntlich in bis zu vier Stufen (Quelle: Vinyl) oder 1-2 (CDs etc.).
1.) Vor-Vorverstärker bzw. Übertrager für (sehr leise) Moving-Coil Magnetsysteme an hochwertigen Plattenspielern
2.) Entzerrer-Vorverstärker für Tonabnehmer von Plattenspielern allgemein (Moving Magnet)
3.) [Klangregel- bzw. Signalumschalt-] Vorverstärker (die mit dem Lautstärkeregler)
4.) Endstufen

Fangen wir von hinten an (mit den Endstufen):
Bis vor Kurzem waren Verstärker große, schwere, teure und Strom fressende Monster.
Transistorverstärker, die einen einigermaßen guten Klang lieferten, brauchten irre Leistungen, von denen im (klanglich) besten Fall der sog. Class-A Schaltung das Meiste über die Kühlbleche abgeführt werden musste, und zwar prinzipbedingt leider auch dann, wenn keine Musik anlag.
Über die Jahre sind verschiedene Schaltungsarten (z. B. Single Ended vs. Bipolar) mal jeweils in und wieder aus der Mode gekommen.
Jede Schaltungsart hat ihre Vor- und Nachteile, die sich mit verschiedenen Bauteilfamilien unterschiedlich auf verschiedenen Klangaspekte und den Stromverbrauch auswirken. Davon soll hier aber keine Rede sein.

Noch bevor es Transistoren gab (ab 1955), hatte man - wer es sich leisten konnte - Röhrenverstärker.
Deren Klang resultierte aus dem konstruktiven und handwerklichen Geschick des Herstellers ... der Übertrager!
Das sind besonders ausgeklügelte Transformatoren, groß, schwer, teuer, mit *sehr* viel Eisen und Kupfer.

Auftritt Integrierte Schaltungen:
Für kleine, billige Geräte wurden Single-Chip-Verstärker entwickelt, natürlich mit nur kleinen Leistungen und ohne hohe Ansprüche an den Klang. Damit liessen sich aber einige Probleme der bisherigen (diskreten) Schaltungen elegant lösen: extrem kurze Signalwege und eine super Abschirmung sind in so einem IC auf einmal gar keine Sache.

Nächster Akt: "Class D" Digitaltechnik.
Lange als Autoradio-Technik belächelt und unter High-Endern verpönt, hat die Class D Schaltungstechnik inzwischen Einzug in erlauchte audiophile Kreise gehalten.
Spätestens seit die dänische Edelfirma Bang&Olufsen die Class D Technologie von ICEpower (bzw. die komplette Firma) übernommen hat und verschiedene High-End Anbieter (u. A. Rotel, z. B. den Rotel RB-1072) mit ICEpower Modulen ausgerüstete Endverstärker anbieten muss man diese Technologie wohl wirklich ernst nehmen.

Nicht zuletzt der Achtungserfolg des kleinen, billigen und batteriebetriebenen Sonic Impact Verstärkers als ausgezeichnet klingendes High-End-Gerät (das war mal ein Geheimtipp, bei Kosten die weit unter denen eines guten, d. h. High-End-Signalkabels liegen!) mit dem Tripath TA-2020 Chip hat Class D bzw. Class T Verstärkertechnik unter HiFi Enthusiasten in aller Munde gebracht.

Was ist diese Class D Schaltungsart eigentlich?
Das ist ziemlich simpel. Im Fachchinesisch gesprochen, wird das Audiosignal mit Hilfe eines Signalprozessors als Pulscode-Modulation einem hochfrequenten Trägersignal aufgeprägt.
Man muss sich das so vorstellen wie einen UKW-Sender, nur dass die Trägerfrequenz hier zwischen 400 und 800kHz liegt.
Wie beim UKW Radio wird die Signalinformation in der Breite der Impulse "versteckt". Tiefe Töne kommen als Abfolge von langen Impulsen daher, hohe als Abfolge von kurzen Impulsen. Die Lautstärke verbirgt sich in der Häufigkeit der Impulse. Das Trägersignal hat eine feste Amplitude, so dass die Transistoren der Leistungsendstufe günstig als reine Schalter arbeiten können.
Das reduziert die Verlusteistung und die Abwärme und verschafft diesen Endstufen sagenhafte Wirkungsgrade um 80-90%. Davon waren analoge Verstärker immer meilenweit entfernt ... man kennt leistungsfähige Endstufen als schwer und teuer, als mit riesigen Kühlkörpern ausgestattete, teure Monster von geringem WAF (Wife Acceptance Factor).
Der wertige Hauptbestandteil solcher Apparate war Eisen - in From von Transformatoren bzw., im Fall von Röhrenverstärkern, Übertragern.
So etwas Ähnliches gibt es auch in Class D Verstärkern - schließlich muss ja am Ausgang wieder ein analoger Ton heraus kommen. Dazu ist ein Filter aus Drossel und Kondensator (fachchinesisch: LC-Glied) im Signalweg angebracht, der die hochfrequente Rechtecksignal-Orgie einfach glattbügelt, um es mal so salopp zu sagen.

Da in Class D Endstufen mit weit über der Hörfrequenz liegenden Trägerfrequenzen gearbeitet wird liegt es auf der Hand, auch die Stromversorgung solcher Endstufen mit Schaltnetzteilen zu bewerkstelligen. ICEpower hat diesen Ansatz konsequent weiter verfolgt und produziert in der zweiten Generation Endstufenmodule, bei denen das Schaltnetzteil auf der Endstufenplatine integriert ist. Kein Trafo, der die volle Leistung verarbeiten muss!
Eine Platine, Signaleingang, Lautsprecheranschluss, Netzstecker - fertig. Ein Bisschen Steuerlogik wie Standby, Mute ... das war's schon.
2x1000W Ausgangsleistung aus einem Gerät, dass knapp so groß ist wie eine Zigarrenkiste ... ganz ohne riesige Kühlflächen, Lüfter & Brimborium.

Soweit nun die Theorie. In der Praxis steckt wohl sehr viel Know-How darin, aus dem PCM Rechtecksignal wieder schönen Klang zu machen.
Das gelingt aber mittlerweile dermaßen überzeugend, dass Class D Endstufen mit teuren Röhrenverstärkern verglichen werden.
Class D Verstärker sind einfach aufgebaut; sie benötigen keine Rückkopplung zur Glättung des Frequenzgangs, haben ein ausgezeichnetes Impuslverhalten und enorme Leistungsreserven und sind, wie gesagt, klein und preiswert.

Nun zur Praxis: Meine ersten Versuche mit Tripath TA-2020 SMD ICs verliefen wenig erfolgreich.
SMD Löten ist eine Kunst für die man sehr ruhige Hände, gute Augen und viel Geduld braucht.
Zwar waren die bei eBay erworbenen Bausätze günstig, funktioniert hat jedoch letztlich leider keiner davon.
Schade.
Mehr Erfolg - wenn auch noch manche Enttäuschung - brachten fertig aufgebaute Class T Module ("T" statt "D" wegen der Herstellerfirma Tripath, die mittlerweile nicht mehr existiert).
Nach erfolgreichem Aufbau, im Wesentlichen bestehend aus dem Anschluss von Eingangssignal, Lautsprechern und einer Gleichstromquelle von 13,6V (Autobatterie) heisst es Geduld bewahren - der Tripath Chip entfaltet seine volle klangliche Qualität erst nach 50-100 Betriebsstunden.
Das liegt nicht daran, dass da innerlich irgendwas erst freibrennen müsste, sondern am integrierten Signalprozessor.
Der benutzt für die geheimnisvolle PCM einen adaptiven Algorithmus, lernt also erst mit der Zeit mit der Musik richtig umzugehen.

Die "Mechanik" eines ersten Prototyps gestaltete sich recht einfach...

Noch ohne Lautstärkeregler, weil der im als Quelle vorgesehenen iPod Nano schon drin steckt.

Die Module heißen "Charlize" bzw. "Charlize2" und stammen aus Malaysia, sie werden von ihrem Entwickler Yeo selbst vertrieben.
Weil die Eingänge nicht über Kondensatoren entkoppelt sind sind sie sehr empfindlich gegen Gleichspannung; irgendein Kurzschluss gegen Masse oder Versorgungsspannung kann sofort Schäden anrichten.
Und natürlich Überspannung oder Verpolung. Auch hier habe ich leider Lehrgeld bezahlen müssen.
Die Ausgangsleistung beträgt nur etwa 10W pro Kanal, ohne die bei Verstärkern üblichen Übertreibungen (also ohne horrende harmonische Verzerrungen im Prozentbereich und/oder winzige Lautsprecherimpedanzen).
Das reicht allerdings auch für gehobene Zimmerlautstärke allemal aus.

Nachdem der Klang des Gerätchens sich mit der Einspielzeit als hervorragend heraus gestellt hat (selber hören macht klug), stand auch einem netten Gehäuse aus pulverbeschichtetem Stahlblech nichts mehr im Wege. Zum Glück ist ein Spezialist für Mechanikkonstruktion von elektronischen Geräten im Hause :)

Die Stromversorgung sollte natürlich unhörbar bleiben - beste Erfahrungen habe ich mit der bereits erwähnten Autobatterie.
Auch wenn die Literatur behauptet, dass durch Batteriebetrieb der Rauschabstand kleiner wird - da ziehe ich ein unhörbares Rauschen einem hörbaren Brummen oder Zirpen oder was auch immer vor.
Die langsame Entladung der Batterie kompensiert ein kleines Steckernetzteil - wie zur Erhaltungsladung von Motorradbatterien - wirkungsvoll. Eine Diode ist im Gleichrichter des Steckernetzteils sowieso enthalten, so dass sich die Batterie nicht darüber entladen kann. Auch sollte das Steckernetzteil nur wenig Störsignal in Form von Restbrumm "einliefern". Hier helfen große Glättkondensatoren und die üblichen Brummunterdrückungschaltungen.

Der nächste Kandidat für den Endstufenselbstbau war "Gabrielle", eine Platine aus der gleichen Quelle, aber mit dem Tripath TAA4100 IC, das vier Kanäle zu je 60-100W bedient. Die nötige Versorgungsspannung von 26V liefern zwei hintereinander geschaltete Motorradbatterien, diesmal mit Hilfe eines Industrienetzteiles (Phoenix Hutschienenmodul) versorgt. Das funktioniert ausgezeichnet, sogar ohne die Batterien - das Heimkino kann damit jetzt auch richtiges Actionkino ordentlich laut wiedergeben.

Die nächste Stufe werden 2 Icepower 500A Module, eingebaut in die guten alten Aktivboxen mit den Isophon PSL320/200 Tieftönern, die gerade eine neue Rollsicke aufgeklebt bekommen haben.

Class D PCM Schaltverstärker