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Ripple auf der Versorgung
Interressant ist die Betrachtung der Belastung des Netzteiles und der damit verbundenen Schwankungen der Versorung.
Hier wirkt sich die Verstärkertechnik sehr unterschiedlich aus. Wir betrachten das zunächst prinzipiell und dann an einem Beispiel mit
- 50Hz Netzfrequenz (Nachladung spätestens alle 10ms)
- 10.000µF je Versorung
- 60V Leerlaufversorgung
- 4 Last
class a/b
Wichtig für das Netzteil ist der Strom der vom Netzteil über den Verstärker und die Last fließt.
Die Kapazität ergibt sich ja zu
C = ( I x t ) / U
das lässt sich nach U umstellen und ergibt
U = ( I x t ) / C
Der Strom lässt sich aus der abgegebenen Leistung erreichen. Mit
P = U x I und U = I x R folgt
P = I² x R
das lässt sich nach I umstellen und ergibt
I = ( P / R )
das setzen wir in
U = ( I x t ) / C ein und erhalten
U = ( P / R ) x t / C
Beispiel
Bei 1W an 4 folgt über
U = ( P / R ) x t / C
U = (1W / 4 ) x 10ms / 10.000µF
U = 250mV
Die Versorgung wird also um 250mV einbrechen.
Bei 10W an 4 folgt entsprechend
U = 1.6V
Bei 100W an 4 folgt entsprechend
U = 5V
Bei 400W an 4 folgt entsprechend
U = 10V
class d
Bei class d findet eine Energieübertragung vom Netzteil zur Last statt. Wir müssen also berechnen, welchen Energiegehalt das Netzteil hat und welche an die Last übergeben wird. Am Ende des Zyklus kann man dann von der übrigen Energie auf die Versorgungsspannung schließen.
Die Energie in einem Elko berechnet sich zu
E = 0.5 x C x U²
das lässt sich nach U umstellen
U = (E / (0.5 x C ))
Die Energie, die an die Last abgegeben wird errechnet sich zu
E = P x t
Beispiel
Bei 60V und 10.000µF enthält der Elko also
E = 0.5 x C x U²
E = 0.5 x 10.000µF x (60V)²
E = 18J
Bei 1W Abgabe entspricht das
E = P x t
E = 1W x 10ms
E = 0.01J
es bleiben also noch
18J - 0.01J = 17.99J übrig.
Daraus ergibt sich eine Spannung von
U = (E / (0.5 x C ))
U = (17.99J / (0.5 x 10.000µF ))
U = 59.983V
Die Spannung ist also um
ΔU= 60V - 59.983V
ΔU=17mV
eingebrochen.
Bei 10W folgt entsprechend
ΔU = 0.17V
Bei 100W folgt entsprechend
ΔU = 1.7V
Bei 400W folgt entsprechend
ΔU = 7V
Zusammenfassung
| abgegebene Leistung | Schwankung bei class a/b | Schwankung bei class d |
| | | |
| 1W | 0.25V | 0.017V |
| 10W | 1.6V | 0.17V |
| 100W | 5V | 1.7V |
| 400W | 10V | 7V |
Ein class d Verstärker führt bei gleicher abgegebener Leistung zu deutlich geringeren Schwankungen auf der Versorung. Gerade bei den kritischen kleineren Leistungen kann das schnell Faktor 10..20 ausmachen.
Oder anders ausgedrückt, um bei herkömmlichen Verärkern auch bei kleineren Leistungen ähnlich stabile Versorgungsverhältnisse zu erreichen, müsste man im Netzteil 10..20 mal so größe Elkos einbauen.
Auch bei Volleistung macht es immer noch Faktor 1.4 aus.
Die Schwankungen auf der Versorgung sind bei class d unabhängig von der Lastimpedanz und nur von der abgegebenen Leistung abhängig.
Die Schwankungen auf der Versorgung sind bei class a/b vom Strom abhängig, bei niedrigen Lastimpedanzen darum entsprechend höher.
Stellt man bei class a/b den Ripple auf der Versorgung ins Verhältnis zur Ausgangsspannung, so erhält man
ΔU = Uab x t / (R x C)
Der Ripple ist also direkt von der Ausgangsspannung abhängig
Stellt man bei class d den Ripple auf der Versorgung ins Verhältnis zur Ausgangsspannung, so erhält man wegen
P = U² x R
eine näherungsweise quadratischen Zusammenhang, was die sehr deutliche Verringerung bei den typischen kleinen Ausgangsleistungen erklährt.
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