Peavey Headliner-1000 Class-D Amp
Auch der Peavy Headliner 1000 Bass-Amp ist ein Class-D-Amp

Class-D – das hat fast jeder von uns schon mal gehört. Aber was ist eigentlich ein Digitalverstärker und wie funktioniert er?

Ein Class-D Verstärker, auf deutsch tatsächlich auch “Klasse-D” genannt, ist ein elektronischer Verstärker, der tatsächlich nur 0 und 1 kennt. Aber fangen wir mal ganz vorne an.

So funktioniert ein Verstärker

Seit Anbeginn des elektrischen Zeitalters (ich sage bewusst “elektrisch”, da für mich Röhrentechnik eher zur Elektrik als zur Elektronik gehören) funktionieren Verstärker auf die gleiche Art und Weise: eine kleine Eingangsspannung steuert mittels einer Art Ventil (sei es Transistor oder Röhre) eine wesentlich größere Eingangsspannung.

Und zwar (idealerweise) direkt proportional. Im Prinzip können wir uns das vorstellen wie ein Feuerwehr-C-Rohr, durch das 200 Liter pro Minute strömen können, und der Durchfluss wird mit einem kleinen Gartenschlauch gesteuert, der 15 Liter pro Minute schafft.

Wenn durch den Gartenschlauch 3 Liter fließen, kommen aus dem C-Rohr nur 40 Liter. In der Theorie ist das ja ganz prima, aber in der Praxis gibt es Probleme. So wie das Wasser in dem großen Schlauch Turbulenzen und Reibung erzeugt, wenn das Ventil nicht ganz geschlossen ist, entstehen bei nicht ganz geöffneten Transistoren Verluste durch Abwärme, die dann aufwendig abtransportiert werden muss.

Wirkungsgrade bei Verstärkern

Klassische Analog-Verstärker Class-A haben einen Wirkungsgrad von 50%, Class-B einen von rund 79%. Der Wirkungsgrad gibt dabei das Verhältnis von Ausgangsleistung zur aufgewendeten Leistung an. Alles, was nicht an den Lautsprecherklemmen ankommt, fällt in Form von überflüssiger Wärme an.

Diese Wirkungsgrade gelten allerdings nur bei Vollaussteuerung. Wenn der Verstärker nicht volle Pulle arbeitet, geht der Wirkungsgrad dramatisch in die Knie, bei einem Class-A quadratisch mit der Ausgangsspannung.

Da kann der Wirkungsgrad dann im Extremfall auch auf 0,5% absacken. Da fällt dann schon einiges an Wärme an!

Class-D – der digitale Verstärker

Wie schön wäre es, wenn ein Verstärker nur AN oder AUS schalten müsste. Keine Turbulenzen aka Verlustleistung, keine Unlinearitäten. Und genau das macht ein Digital-Verstärker, Class-D genannt.

Der ideale (leider nicht existierende) Digitalverstärker hat einen Wirkungsgrad von 100%, egal bei welcher Verstärkung. Ein real existierender Class-D Amp bietet bei Vollaussteuerung einen Wirkungsgrad von ca. 90%, der bei niedriger Aussteuerung immerhin noch 60% erreicht. Das führt dazu dass Class-D Verstärker mit wesentlich kleineren Kühlkörpern und Netzteilen auskommen und insgesamt deutlich kleiner sind als ihre analogen Verwandten.

Moment, mag jetzt der eine oder andere einwerfen, Musik ist aber nicht digital. Also zumindest nicht das Signal, das ein Lautsprecher versteht. Und da kommt die gute alte Pulsweitenmodulation bei Class-D zum Zuge, die viele schon aus ihren Synths kennen.

Class-D und die Pulsweite

Die Pulsweite gibt an, in welchem Verhältnis bei einem Rechteck-Signal die Ein-Phasen zu den Aus-Phasen stehen. Bei einer Pulsweite von 0 hören wir gar nichts – das Signal geht gar nicht erst auf Ein. Bei einer Pulsweite von 100 sind Ein- und Aus-Phasen gleich lang und wir hören eine fette und energiereiche Rechteckwelle.

Wenn wir nun die Pulsweite langsam runter drehen, wird der Ton bei gleicher Frequenz dünner, sprich energieärmer. Und genau diesen Effekt macht sich ein Class-D Digitalverstärker zu nutze.

Die Umwandlung einer beliebigen analogen Welle in eine PWM-Welle  ist gar nicht mal so kompliziert. Der Trick ist ganz einfach: Man nehme eine Dreiecks-Welle mit einer Frequenz die ein Vielfaches der maximalen Signalfrequenz beträgt (in der Praxis wird irgend etwas zwischen 250 kHz und mehreren MHz benutzt) und einen Komparator (einen “Vergleicher”, man denke an das englische Wort “to compare”).

Der Komparator vergleicht nun das Dreieckssignal mit dem analogen Eingangssignal. Ist das Eingangssignal größer als die Dreiecksspannung in diesem Moment springt der Ausgang des Komparators auf “1”, andernfalls auf “0”. Dadurch liegt eine PWM-Signal vor, dessen Pulsweitenverhältnis direkt proportional zum Eingangssignal ist.

Class-D mit 0 und 1

Da wir nun keine anderen Spannungen als “0” und “1” haben, braucht die nachfolgende Verstärkungsstufe im Class-D Verstärker auch nur noch zu schalten und keine Zwischenspannungen mehr zu erzeugen.

Um jetzt am Ausgang ein brauchbares Signal zu erhalten, braucht es nur noch ein Tiefpass-Filter, das die Frequenz des Dreiecks herausfiltert, und fertig ist die Laube.

Ein Vorreiter in der Entwicklung von Class-D Modulen ist Bang & Olufsen. Mittlerweile wurde eine eigenständige Firma namens ICE Power gegründet, die sich nur mit der Herstellung von Class-D Modulen für den OEM-Markt beschäftigt.

Überall ist Class-D drin

Diese ICE-Module aus dänischer Fertigung stecken mittlerweile in sehr vielen Geräten, von HiFi-Verstärkern bis zu Bassverstärkern oder PA-Endstufen. Überall ist also tatsächlich Class-D drin! Das Flagschiff, die ICEpower1000A, liefert 1000W an 4Ω mit einer Dynamik von 120 dBA bei einer Baugrößen von sage und schreibe 10 x 10 cm. Das Modell mit eingebautem Schaltnetzteil ist gerade mal 15 x 23 cm groß.

ICE Power1000A Class-D Verstärker
Die ICE Power1000A mit eingebautem Schaltnetzteil ist gerade mal 15 x 23 cm groß. Foto: Hersteller

Da braucht es dann wirklich nur noch Netzspannung und Klemmen für Ein- und Ausgang, und fertig ist die Mono-PA-Endstufe in Class-D. Und das bei einem Modulgewicht von ca. 2 kg. Da kann der Roadie 8 Endstufen schleppen und hat immer noch eine Hand frei für einen Kasten Bier …