Transformatorloser Class-D Verstärker für 100V Audioanwendung

In der HiFi Audio Technik haben es Class-D Verstärker gegenüber ihren linearen Konkurrenten, wie zum Beispiel Class-A oder AB Verstärker, eher schwer. Ihnen werden aufgrund ihres Aufbaus bzw. ihrer Funktionsweise immer noch schlechtere Audioeigenschaften nachgesagt. Mag dies zu Beginn der geschalteten Verstärker noch zugetroffen haben, so hat sich in den letzten Jahren doch einiges getan.

Aktuelle Class-D Verstärker erreichen Klirrfaktoren, die schon sehr nahe an jene von linearen Verstärkern herankommen. Zudem bieten sie gegenüber Letzteren den Vorteil, dass sie bedeutend bessere Wirkungsgrade erzielen. Folglich fallen weniger Verluste an, welche über Kühlkörper oder Lüfter abgeführt werden müssen. Dadurch lassen sich Class-D Verstärker im Vergleich zu linearen Stufen kompakter bauen. Dies hat den Vorteil, dass im selben Volumen zum Beispiel mehrere Audiokanäle untergebracht werden können.

Diese Vorteile machen die geschalteten Verstärker vor allem im Bereich der Beschallung bzw. bei Evakuierungsanlagen interessant. Da diese Anlagen mit der sogenannten 100V Technik arbeiten, benötigen diese Spitzenausgangsspannungen bis zu 200V. Um dies zu erreichen, wird den aktuellen Verstärkern ein Transformator nachgeschaltet. Das Problem bei diesen Transformatoren ist, dass diese gross, schwer und teuer sind, da sie das gesamte Audiofrequenzspektrum mit seinen tiefen Frequenzen übertragen müssen. In dieser Arbeit soll untersucht werden, ob und wie ein transformatorloser Aufbau eines Class-D Verstärkers möglich ist.

Während der Arbeit entstanden dabei drei verschiedene Prototypen, die einen transformatorlosen Betrieb mit einem Wirkungsgrad von bis zu 96% ermöglichten. Die aufgebauten Leistungsstufen erreichen Klirrfaktoren von bis zu 0.048% bei Volllast und einem 1kHz Sinussignal. Es konnte somit gezeigt werden, dass ein Aufbau sowohl mit aktuellen Siliziumhalbleitern, sowie mit der noch sehr neuen Galliumnitrid-Technologie (GaN) möglich ist. Durch den Einsatz dieser Halbleiter ist ein effizienter und relativ verzerrungsfreier Betrieb ohne Transformator möglich.

Mit der GaN-betriebenen Variante konnte eine zukunftsorientierte Lösung für das Problem gefunden werden. Durch eine spezielle Auslegung der Komponenten konnte jedoch auch mit aktuellen Silizium Halbleitern eine Lösung entwickelt, aufgebaut und getestet werden. Diese Lösung erreichte bei Volllast noch einen Klirrfaktor von 0.18% was für viele Anwendungen ausreichend ist.

Weitere Informationen

Datum 12.08.2016
Studiengang MSE Industrial Technologies
Institut IES
Typ Masterarbeit
Studierende Stefan Klammer
Dozenten Prof. Kurt Schenk
Partner g+m elektronik, 9245 Oberbüren