Moderne Endstufentechnik

Endstufenracks sind sowohl beim technischen, wie auch beim musizierenden Personal unbeliebt. „Schwer und sperrig, doch was will man machen?“, lautete noch vor gar nicht langer Zeit der meist einstimmige Tenor. Drei Maßnahmen lösen dieses Problem: Schaltnetzteile, PWM-Modulatoren und variable Versorgungsspannungen!
Was steckt dahinter? Wie jedes andere elektrische Gerät auch, produziert eine Endstufe neben der an den Lautsprecherbuchsen zur Verfügung stehenden Nutzleistung auch Verlustleistung, die innerhalb des Gerätes in Wärme umgewandelt wird. Was bei der heimischen Stereoanlage noch gut in den Griff zu bekommen ist, wird bei PA-Endstufen schnell zum Problem: Da diese Geräte ein Vielfaches an Nutzleistung erbringen müssen, ist auch die Verlustleistung und die entstehende Abwärme entsprechend hoch. Um die interne Elektronik vor dem Hitzetod zu bewahren, sind großflächige Kühlkörper, Lüfter und Temperaturschutzschaltungen für den Extremfall für eine professionelle Endstufe unbedingte Pflicht. Die hohe Leistungsauslegung plus zusätzlichem Spielraum zugunsten der Betriebszuverlässigkeit erfordert großzügige Dimensionierung der elektronischen Baugruppen, so dass eine Leistungsendstufe, aufgebaut in herkömmlicher Technik, in den 1980er Jahren um die 30 kg wog, 4 HE im Rack beanspruchte und bei Weitem nicht die Nutzleistung brachte, die heute bei kleineren und leichteren Geräten gang und gäbe ist. Was lässt Geräte neueren Datums auf so geringes Gewicht und wenig Platzbedarf kommen? „Absenkung der Verlustleistung”, lautet die schlichte Antwort. Anstelle der klassisch-großen Eisenkern-Netztrafos mit nachgeschalteten Brückengleichrichtern und dicken Siebkondensatoren finden zunehmend Schaltnetzteile Verwendung, welche bei gleicher Leistungsausbeute deutlich geringere Wärmeverluste produzieren und darüber hinaus mit wesentlich kleineren und leichteren Trafos auskommen. Wie funktioniert das? Wesentliches Merkmal eines Schaltnetzteils ist die Tatsache, das hier die Wechselspannung aus dem Netz vor dem Transformieren mit Dioden gleichgerichtet, mit Kondensatoren gesiebt und dann mit einem elektronischen Leistungsschalter in hochfrequente Rechteckpulse (Größenordnung um 100 kHz) zerhackt wird. Der Trafo eines Schaltnetzteils bekommt also wesentlich höhere Frequenz zugeführt als ein konventioneller 50 Hz-Netztrafo. Physikalisch bedingt können dessen Abmessungen dadurch drastisch verkleinert werden. Sekundärseitig liegen wie gehabt die herabtransformierten Rechteck-Spannungen an, welche nach dem Passieren von entsprechenden Filtern als reine Gleichspannungen den Verstärkern zugeführt werden.

Die zweite Energie sparende Maßnahme lautet „Class D“-Betrieb und bezieht sich auf die Betriebsweise der Verstärker. Wie allgemeinhin bekannt sein dürfte, arbeiten Verstärker mit Transistoren. Die Kennlinie eines Transistors weist neben einem linearen Anstieg in der Mitte in den oberen und unteren Bereichen leider stark ausgeprägte, nicht lineare Knicke auf, so dass mit Hilfe von Ruhestrom der Arbeitspunkt in den linearen Bereich geschoben werden muss. Nur dann ist verzerrungsfreie Verstärkung von analogen Audiosignalen möglich. Innerhalb vorgegebener Grenzen gilt hier: Je mehr Ruhestrom, umso „sauberer“ arbeitet der Verstärker. Endstufen mit hohen Ruheströmen und folglich hoher Klangqualität sind in der Hifi-Szene sehr geschätzt und werden auch als „Class A“-Verstärker bezeichnet. Leider erbringt der Ruhestrom keinerlei Nutzleistung und muss komplett als Verlustwärme verbucht werden. Bei einem „Class A“-Verstärker sind das über 80 % der Netzteilleistung, so dass diese Betriebsart bei PA-Endstufen von vorneherein ausscheidet. Hier findet der so genannte „A/B-Betrieb“ statt, ein Kompromiss zwischen ausreichender Verstärkungsqualität und vertretbarer Verlustleistung. Ein A/B-Verstärker kann ca. 65% der vom Netzteil gelieferten Energie an die Lautsprecher weitergeben, der Rest entweicht als Wärme über die Kühlkörper der Transistoren. Betreibt man eine Endstufe hingegen völlig ohne Ruhestrom im „Class D“-Betrieb, lässt sich dieser Wirkungsgrad auf über 90% steigern. Leider steigen dabei aber auch die Verzerrungen stark an, so dass eine solche Endstufe als Audioverstärker nicht zu verwenden ist. Es sei denn, man wandelt den analogen Verlauf des zu verstärkenden Signals mit Hilfe eines Pulsweitenmodulators in Rechteckimpulse um. Diese können von einer „Class D“-Endstufe problemlos „auf Leistung“ gebracht werden. Die hier entstehenden Verzerrungen interessieren nicht, denn die Information steckt nun nicht mehr im Signalpegel, sonden in der unterschiedlichen Breite (bzw. Weite) der einzelnen Rechteckpulse. Zur Demodulation, also zur Rückwandlung in den ursprünglichen Verlauf, ist ein Tiefpassfilter erforderlich, das - zwischen Endstufe und Lautsprecher geschaltet - sämtliche hochfrequenten Modulations- und Verzerrungsanteile entfernt.

Sehr erfolgreich eingesetzt wird diese „Class D“-Technik schon seit einigen Jahren bei der K-Serie von Crown und den Endstufen der Firma LAB-Gruppen. Letztere haben sogar noch einen weiteren Kniff zur Wärmereduktion zu bieten, und damit sind wir bei der dritten Möglichkeit angelangt, die da heißt: Variable, interne Versorgungsspannungen. Ein Detektor überwacht den Eingangspegel und regelt dementsprechend die Versorgungsspannungen hoch oder niedrig. Ist das Eingangssignal leise oder gar nicht vorhanden, findet eine Art „Stand By“-Betrieb statt: Die Spannungen sind zurückgeregelt, folglich sind auch die Ruheströme und die Verlustleistungen der Endstufe niedrig. Wird am Mischpult dann „Gas gegeben“, fährt der Detektor das Netzteil entsprechend hoch, und die Endstufe kann volle Leistung erbringen.