Klasse-D audioforstærker

Transkript

1 AALBORG UNIVERSITET DET TEKNISK-NATURVIDENSKABELIGE BASISÅR Klasse-D audioforstærker STORGRUPPE 0232 GRUPPE B142 MAJ 2003

2

3 Det Teknisk-Naturvidenskabelige Basisår Aalborg Universitet SYNOPSIS: TITEL: Klasse-D audioforstærker PROJEKTPERIODE: P2, 3. februar maj, 2003 PROJEKT GRUPPE: 0232, B142 GRUPPEMEDLEMMER: Jens Christensen Jes Vestervang Jensen Mads Sølver Svendsen Rasmus Møller Jensen Thomas Kjærulff Torben Green Peter August Simonsen VEJLEDERE: Hovedvejleder: Lars G. Johansen Bivejleder: Lars H. Johansen ANTAL KOPIER: 11 RAPPORT SIDEANTAL: 101 BILAG: 1 CD-ROM Denne rapport omhandler analyse og design af en effektelektronisk audioforstærker til en aktiv subwoofer. Målet med projektet er at dokumentere nyttigheden af klasse-d forstærkere, samt at udvikle en forstærker der er egnet til brug i en subwoofer. Der er i projektet blevet analyseret andre forstærkertyper, for at danne grundlag for en sammenligning med klasse-d forstærkertopologien. Ligeledes er der blevet udført en markedsanalyse, for at give et overblik over det eventuelle kundesegments størrelse. Der er endvidere foretaget frekvensanalyser på variende stykker musik, for at kortlægge behovet for kraftfuld gengivelse af dybe frekvenser. Analyserne viste at det potentielle kundesegment har en rimelig størrelse samt at der var et reelt behov for en kraftfuld basgengivelse. Udviklingen af forstærkeren er blevet opdelt i moduler med veldefinerede grænseflader, for at opnå en horisontal arbejdsfordeling. Hvert modul er blevet udviklet og simuleret separat, hvorefter de blev konstrueret og indgik i en samlet test. Det var ikke muligt at teste forstærkeren ved den maksimale udgangseffekt på 100W, men ved udgangseffekter op til 20W opnåedes et udgangsignal, som dog indeholdte en betydelig mængde højfrekvent støj. Effektiviteten nåede ikke over 70%, hvilket var lavere end forventet. Det konkluderes at der er et marked for klasse- D forstærkere, samt at det er teknisk muligt, at opnå en lydkvalitet, der kan konkurrere med traditionelle forstærkertopologier.

4

5 Forord Nærværende rapport er skrevet i foråret 2003 i forbindelse med P2-projektet på Aalborg Universitet. Temaet for projektet er Modellers virkelighed med undertemaet Modeller for elektroniske systemer. Projektet tager udgangspunkt i projektforslaget Effektelektronisk audioforstærker. Hovedvejleder på projektet er Lars G. Johansen fra Institut for elektroniske systemer, og bivejleder er Lars Høst Johansen fra Institut for samfundsudvikling og planlægning. Rapporten er delt op i to hovedafsnit. Det første er problemanalysen, hvor projektets berettigelse og konstruktionsmuligheder analyseres. Det næste afsnit er problemløsningen, hvor forstærkeren udvikles og afprøves. Konstrukton og måling er foretaget på Basisuddannelsens laboratorium. Gruppe B142 vil gerne takke Claus Mygind Rasmussen fra B&O for besøg, rundvisning og foredrag på B&O. Endvidere vil vi gerne takke Stig Munk Nielsen fra Institut for energiteknik for foredraget omkring effektelektronik. Henvisninger til anvendt litteratur læses som [n], hvor n er et nummer, som repræsenterer et punkt, i litteraturlisten. Henvisninger til bilag er skrevet som filnavnet på vedlagte CD-ROM. Bilagsliste findes i Appendiks sidst i rapporten på side 89. Der findes endvidere en oversigt over figurer og tabeller, bagest i rapporten, på side 95. Jens Christensen Jes Vestervang Jensen Mads Sølver Svendsen Rasmus Møller Jensen Thomas Kjærulff Torben Green Peter August Simonsen 3

6 Indhold 1 Indledning Baggrund Initierende problem Metodeafsnit Informationssøgning Problemanalyse Introduktion til Lyd Støj og forvrængning Måling af støj og forvrængning Frekvensanalyse Forskellige forstærkertyper Beskrivelse af klasse-a forstærkeren Beskrivelse af klasse-b forstærkeren Beskrivelse af klasse-ab-forstærkeren Beskrivelse af klasse-d forstærkeren Sammenfatning af forstærkertyperne Markedsanalyse Formulering af problemstilling Formulering af målsætning Analysedesign Implementering SWOT-analyse Produktmatrix Sammenfatning af problemanalysen Problemformulering Afgrænsning Produktspecifikationer

7 INDHOLD 4 Problemløsning Indledning Forklaring af blokdiagram Grænseflader Valg af switch-frekvens Indgangsfilter Modulation Feedback Driverkredsløb Effekttrin Udgangsfilter Verificering af samlet forstærker Feedback Modulation Støj Effektivitet Afslutning Konklusion Perspektivering A Måleudstyr 90 B Samlet Diagram 91 C Spørgeskema til Basis 92 D Spørgeskema til nyhedsgruppe 93 E Bilagsliste 94 5

8 Kapitel 1 Indledning 1.1 Baggrund Gengivelse af lyd, igennem højttalere, er for de fleste af os en naturlig del af hverdagen. Det må da også formodes, at vi i gennemsnit hver har mindst et apparat, der kan udføre dette, om det så er en transistorradio, et fjernsyn eller et decideret stereoanlæg. Derudover findes der mange steder større anlæg, som kan gengive lyd, så mange mennesker samtidigt kan høre den. Eksempler kunne være biografer, diskoteker og ved rockkoncerter. Fælles for stort set dem alle sammen er, at de er baseret på den elektrodynamiske højttaler, som blev opfundet af C.W. Rice og E. W. Kellog i Dette princip bruges i stort set alle højttalerkonstruktioner, og er ikke blevet ændret væsentligt siden opfindelsen(karsten Nielsen, 1998 [17] side 1). Flertallet betvivler da heller ikke at den elektrodynamiske højttaler er en ganske udmærket metode til at omdanne et elektrisk signal til hørbar lyd. Problemet er bare, at den ikke er særlig effektiv. For de fleste højttalere vil den akustiske energi, der rent faktisk kommer ud af højttaleren, være under 1 % 1 af den elektriske energi, som højttaleren tilføres. Det resulterer i, at der kræves store effekter leveret til højttaleren, for at den kan levere et tilstrækkeligt lydtryk. Der kræves altså kraftige udgangstrin/effektforstærkere, som i et stereoanlæg f.eks. kunne have udgangseffekter på W. Langt størstedelen af de audioforstærkere, der findes i dag er baseret på traditionel lineær transistorteknologi. Denne måde at opbygge en forstærker har dog den ulempe, at der altid vil være et betragteligt energitab. Den maksimalt opnåelige virkningsgrad med denne teknologi er på 78,5 % ved fuld udgangseffekt 2, hvilket jo lyder ganske pænt, men dertil skal lægges en væsentligt lavere virkningsgrad ved lavere udgangseffekter, og et betragteligt tomgangstab. Den forholdsvist store mængde energi, som tabes gør, at lineære forstærkere kræver store køleprofiler og kraftige strømforsyninger, hvis de skal have en høj udgangseffekt. Det resulterer i, at en forstærker nemt bliver fysisk stor, og kan have en vægt på 10 kg eller mere. Paradoksalt nok så er det derfor for nogle blevet til et kvalitetstegn, hvis en forstærker er stor og tung. Der findes imidlertid et alternativ til at bruge lineære udgangstrin. Det kendes fra f.eks. switchmode strømforsyninger og frekvensomformere og er baseret på, at udgangstransistoren enten er helt tændt eller helt slukket, i stedet for at lade den arbejde i sit lineære område. Ved så at skifte meget hurtigt imellem disse to tilstande, og ved hjælp af et filter anvende gennemsnitsværdien af det, kan man få en stabil udgangsspænding, som tilmed kan varieres ved at ændre på hvor stor en del af tiden, transistoren skal være tændt. Dette princip kan også anvendes til at lave switchede udgangstrin, som kan reproducere lydsignaler. Det kræver så at udgangsspændingen kan varieres med en tilpas høj frekvens. Dette princip kendes også som en klasse-d forstærker, og kan dateres 1 Ifølge Ben Duncan, 1996[1] side 6, er den typiske effektivitet for direkte udstrålende højttalere fra 1% til 0,05%. 2 Bliver nærmere beskrevet i afsnit på side 19 6

9 1.2. INITIERENDE PROBLEM helt tilbage til 1947(Ben Duncan 1997 [1] side 147). Det er dog aldrig slået rigtig igennem inden for audioforstærkere, hovedsageligt fordi lydkvaliteten ikke har været tilfredsstillende. Udviklingen inden for effektelektronik, og specielt switchtransistorer, har dog gjort at det nu er muligt at opnå ganske tilfredsstillende resultater med switchede udgangstrin, samtidig med at der er blevet udviklet bedre og bedre metoder til at styre transistorerne, så man kan opnå en bedre lydkvalitet. Det er dog stadig kun få produkter rettede mod private forbrugere, der anvender switchede udgangstrin. Et interessant eksempel er B&O Powerhouse, som har udviklet særdeles kompakte forstærkere, med meget høje udgangseffekter, som de hævder har en lydkvalitet, der er fuldt ud på højde med lineære forstærkere. Fordelene ved at benytte switchede udgangstrin synes åbenlyse. Det er teoretisk set muligt at lave et udgangstrin uden tab, hvilket gør, at der ikke er behov for store køleplader til udgangstransistorerne. Det giver altså mulighed for at lave små kompakte forstærkere med høj udgangseffekt. Men det er ikke uden grund, at switchede udgangstrin stadig ikke er specielt udbredte inden for audioforstærkere. Det er svært at lave en forstærker med en tilfredsstillende lydkvalitet, og der kræves mere avanceret elektronik til at styre udgangstransistorerne end i et lineært udgangstrin. 1.2 Initierende problem Dette leder os frem til vores initierende problem, som lyder: Kan de tilsyneladende fordele ved en klasse-d forstærker med fordel anvendes til forstærkning af lyd? og i så fald hvordan? For at belyse dette vil det være nødvendigt at undersøge flere forskellige emner. Derfor er vi kommet frem til følgende underspørgsmål: Hvad er lyd og lydkvalitet i forbindelse med forstærkere? For at kunne vurdere hvad der kræves af en audioforstærker, vil det være relevant at undersøge hvad der forstås ved lydkvalitet, og herunder undersøge hvilke former for fejl, der kan ske i forstærkeren, som kan have negativ indflydelse på lydkvaliteten. Hvordan er de vigtigste forstærkerklasser opbygget, og hvad er deres egenskaber? Det vil være nødvendigt at undersøge de mest elementære typer af forstærkere, som bruges til audioforstærkning, for at belyse hvilke egenskaber en klasse-d forstærker har i forhold til andre typer af forstærkere. Hvad lægger forbrugerne vægt på ved køb af forstærkere? For at kunne designe en forstærker, som skal have potentiale til at blive en kommerciel succes, undersøges hvad forbrugere lægger vægt på ved køb af musikanlæg. Forstærkerens egenskaber bør være så den bedst muligt opfylder forbrugernes ønsker. 1.3 Metodeafsnit I problemanalysen undersøges det, hvad der adskiller en klasse-d forstærker fra andre, mere traditionelle forstærkere, og hvordan mulighederne er for at anvende en sådan forstærker i forbindelse med et musikanlæg. Herunder hvad det vil kræve for, at en sådan forstærker vil kunne klare sig på markedet. Problemanalysen startes en definition af lyd, hvordan den typisk frembringes i et musikanlæg, og hvorfor det her er nødvendigt med en forstærker. Ideelt set skulle en forstærker gengive en eksakt 7

10 KAPITEL 1. INDLEDNING kopi af indgangssignalet, blot med forøget amplitude. I praksis vil der dog optræde fænomener som forvrængning og støj, som har betydning for den oplevede lydkvalitet. Disse vil ligeledes defineres indledningsvist. Herefter beskrives principperne i forskellige typer transistorkoblinger, som kan bruges i forstærkere, samt hvordan deres indbyrdes egenskaber er i forhold til parametre som lydkvalitet og effektivitet. Disse beskrivelser skal bruges til at klarlægge hvilke fordele og ulemper, der kan være ved, at anvende en klasse-d forstærker i et musikanlæg. Desuden vil det, med udgangspunkt i de egenskaber vi finder frem til for en klasse-d forstærker, undersøges hvor det vil være relevant at bruge den. F.eks. set i forhold til frekvensområder og størrelsen på udgangseffekten. For at undersøge om der overhovedet vil være basis for at sælge klasse-d forstærkere i forbindelse med musikanlæg, vil der blive lavet en markedsanalyse, for at finde ud af hvad forbrugerne lægger vægt på ved køb af musikanlæg. Resultatet af denne analyse, skal bruges til at klarlægge hvilke egenskaber en klasse-d audioforstærker til et musikanlæg skal have. Dette sammenfattes i en produktmatrix, for at klarlægge hvilke parametre der skal vægtes højest under udviklingen af forstærkeren. Desuden vil vi gennem en SWOT 3 -analyse summere op hvilke styrker og svagheder klasse-d teknologien har, og hvad der findes af eksterne muligheder og trusler for og imod teknologien. Ved hjælp af dette kan der udarbejdes en strategi for udvikling og markedsføring af en klasse- D forstærker Informationssøgning Under udarbejdelsen af dette projekt er følge informationskilder benyttet: Aalborg Universitetsbibliotek. Biblioteket er brugt til, at finde fagbøger om emner som grundlæggende lyd og forstærkerteori. Desværre har der kun være relativt få bøger, som direkte har omhandlet klasse-d forstærkere. Internettet. I dette projekt har internettet været en meget væsentlig informationskilde. Dette skyldes primært at der her har været en meget større mængde materiale om emnet, end det var tilfældet på biblioteket. Vi har dog så vidt muligt holdt os til større professionelle sites, for at have så troværdige kilder som muligt. Stig Munk Nielsen. Vi har igennem vores hovedvejleder fået arrangeret et foredrag om effektelektronik, med Stig Munk Nielsen fra institut for energiteknik. Foredraget fandt sted onsdag den 5. marts og varede cirka halvanden time. Indholdet omhandlede hovedsageligt grundlæggende switch-mode teori og opbygning af MOSFET-drivers. Claus Mygind Rasmussen, B&O ICEpower A/S. Vi har været på virksomhedsbesøg på Bang & Olufsen i Struer. Dette besøg bestod, udover rundvisninger i to af fabrikkerne, og en tur igennem virksomhedens historiske gang, af et foredrag med Claus Mygind Rasmussen fra B&O ICEpower. Indholdet af foredraget var primært en introduktion til B&O ICEPower og de modulations- og kontrolprincipper de bruger i forstærkeren. Desuden havde vi fremsendt en række spørgsmål, som vi besvarede under foredraget. På bilags-cd en findes både vores spørgsmål, Claus Mygind Rasmussens slides samt lydoptagelser fra foredraget. 3 SWOT: Strenghts, Weaknesses, Opportunities and Threats. 8

11 Kapitel 2 Problemanalyse 2.1 Introduktion til Lyd I dette afsnit vil begrebet lyd defineres. Lyd defineres som elastiske svingninger i luftformige, væskeformige eller faste stoffer, hvilket vil sige, at lyd som udgangspunkt kan betragtes som bølger 1. Lydbølger deles ind i tre grupper på frekvensskalaen. Ved lave frekvenser er der tale om infralyd hvilket er lydbølger under 20 Hz. Fra ca. 20 Hz til 20 khz befinder det frekvensområde sig, som det menneskelige øre kan opfatte. Disse lydbølger kaldes for audio. Over 20 khz er der tale om ultralyd. Det, rapporten vil beskæftige sig med, er kun audio, og derfor er det audio, der menes når der efterfølgende skrives lyd. Generelt gælder det at jo lavere frekvens lyden har, jo større lydtryk skal der til, for at opfatte lyden som værende ligeså høj som lyde med højere frekvenser. Dette er illustreret på figur Det vil sige at det kræver mere energi, at gengive en lav tone, så den opfattes som værende ligeså kraftig som en højere tone. Figur 2.1: Opfattelse af lyd i forhold til frekvens og lydtryk Den måde, hvorved rapporten vil betragte en lydbølge, er som et elektrisk signal. Grunden til dette er, at udgangen fra en audioforstærker skal tilsluttes en højttaler, og den skal bruge et elektrisk 1 Kilde: Physics For Scientists and Engineers[3] 2 Kilde: High Performance Audio Power Amplifiers[1], side 7 9

12 KAPITEL 2. PROBLEMANALYSE signal for at få membranen i højttaleren til at lave lydbølger. En lydbølge med en fast frekvens vil være en sinusformet spænding, som funktion af tiden, hvilket vil resultere i en konstant tone. Hvis spændingen ændres, forandres amplituden på signalet, hvorimod tonen forandres når frekvensen ændres Støj og forvrængning Her vil vi kort gennemgå de elektriske forstyrrelser, man kan opleve i forbindelse med lydforstærkning. Støj Støj er elektromagnetiske signaler, som kommer udefra og intefererer med lydsignalet. Støjsignaler dannes og udsendes fra alle elektroniske komponenter og kan forstyrre det lydsignal, der forstærkes og altså lægge sig som et signal udover dette. I forbindelse med konstruktionsovervejelser gælder det derfor om at vælge komponenter, der i sig selv udsender et minimum af støj for sin type og som samtidig er velafskærmet for andre støjkilder. Forvrængning Hvor støj defineres som signaler udover lydsignalet, er forvrængning en forstyrrelse af selve lydsignalet. I dette projekt vil vi i forhold til vores forstærker beskæftige os med følgende typer forvrængning: Crossover Crossover forvrængning er karakteriseret ved at der opstår en pause ved skiftet mellem den positive og den negative halvbølge på udgangstransistortrinnet. Denne forvrængning kan opstå, når der én V t Figur 2.2: Figuren viser princippet i crossoverforvrængning, her vist som en pause mellem den positive og den negative halvperiode. Den ideelle sinuskurve er vist stiplet. transistor slukker og en anden tænder. Dette kan ikke ske helt samtidig og derfor opstår denne forvrængning af signalet, der har betydning for formen på lydsignalets sinuskurve på udgangen af forstærkeren, som vist på figur

13 2.1. INTRODUKTION TIL LYD Clipping Clipping er karakteriseret ved at lyden bliver klippet i stykker, hvis signalet er for kraftigt. Den sinuskurve, der beskriver lyden, bliver afklippet i den del af perioden, som overskrider et bestemt niveau. Dette skaber en DC-spænding i dette niveau indtil sinuskurven igen kommer under. Dette er vist på figur 2.3. Clipping opstår for eksempel på en lydforstærkers udgangstransistortrin, hvis V Vmax t -Vmax Figur 2.3: Figuren viser princippet for clipping. denne påtrykkes et for stærkt signal. Da udgangstransistorerne ikke kan åbne for mere end emitterspændingen, vil de dele af sinuskurven, som forsøges forstærket til over dette spændingsniveau, blive klippet væk og der vil i denne delperiode være en DC på forstærkerens udgang. Harmonisk forvrængning Harmonisk forvrængning er lyde, der opstår udover det lydsignal som ønskes forstærket, og som har en frekvens som det ønskede signal går op i med et heltal. For eksempel er den 2.harmoniske af 1000 Hz, 2000 Hz, den 3.harmoniske er 3000 Hz osv. V f 2f 3f t Figur 2.4: Figuren viser de 2. og 3. harmoniske til et signal med frekvensen f. Derudover kan støj, der optræder på en forstærker, have en harmonisk frekvens til den kilde, støjen stammer fra. For eksempel kan lyde med frekvenser, som er de harmoniske til frekvensen på forsyningsspændingen 3, optræde som en summen i højttaleren, altså på udgangen af forstærkeren V AC, 50Hz 11

14 KAPITEL 2. PROBLEMANALYSE Måling af støj og forvrængning Mængden af støj kan angives ved hjælp af signal til støjforholdet 4. Denne beregnes, som forholdet mellem lydtonens styrke og støjens styrke. SNR skal derfor være så stor som muligt. Total Harmonic Distortion + Noise 5 er en metode til at angive den samlede mængde af uønskede signaler, dvs. harmonisk forvrængning og støj, i forhold til det ønskede signals størrelse. THD+N opgives som en procentdel af det ønskede udgangssignal og måles ved at påtrykke en ren testtone med en fast frekvens på forstærkerens indgang og derefter måle på udgangen, hvad der optræder af signaler udover testtonen på udgangen. Formlen for beregning af THD+N er: %T HD+N = H H H2 N + n H 21 + H H2 N + n 100 (2.1) H 2...N er amplituden på den 2. til N te harmoniske tone, H 1 er grundtonen (testtonen) og n er støjens amplitude 6. En anden måde at beskrive forvrængningen i en forstærker er ved at måle på intermodulationsforvrængningen 7. Her sendes to rene toner ind på forstærkerens indgang og der måles hvad der findes af signaler på forstærkerens udgang. hvis tone1 har frekvensen f1 og tone 2, f2 er de frekvenser der måles efter på udgangen: f 2 f 1 f 1 2 (f2 f 1) f 1 (f2 f 1) f 1+2 (f2 f 1) f 1+3 (f2 f 1) 2 f 1 f 1+ f 2 2 f 2 3 f 1 2 f 1+ f 2 2 f 2+ f 1 3 f 2 Værdien af IMD er herefter forholdet mellem summen af størrelserne på de ovenstående frekvenser og summen af størrelsen på de to kraftigste toner SNR efter engelsk: Signal to Noise Ratio 5 THD+N 6 Kilde: purebits[13] 7 IMD efter engelsk: InterModulation Distortion 8 Kilde: purebits[13] 12

15 2.2. FREKVENSANALYSE 2.2 Frekvensanalyse Da det, som vist på figur 2.1 på side 9, kræver meget energi at gengive lave frekvenser kan det være interessant at se hvor stor en del af musikken de lave frekvenser udgør. Frekvensanalysen foretages på seks forskellige musik genrer. Dette vil vise hvorvidt der er visse fællestræk mellem dem. Analysen foretages kun på seks sange, da det er nok til at give et generelt billede af hvordan frekvenserne er repræsenteret i musikken. Analysen er udført med CoolEditPro, som udemærker sig ved at give en let overskulig graf over analysen. Der analyseres på sange fra seks forskellige genrer for at få et så repræsentativt udsnit som muligt. Der analyseres kun på et brudstykke af hvert nummer på ca. 60 sekunder. Dette er tilstrækkeligt til at give et brugbart resultat. Vi har valgt følgende sange: Jennifer Lopez - Play. Genre: Pop D:A:D - Simpatico. Genre: Rock Jens Lysdal - Big Bad Bill. Genre: Jazz Elvis Presley - Don t Be Cruel. Genre: Rock n Roll New Order - Confusion. Genre: Techno Beethoven - Für Elise. Genre: Klassisk Sangene er valgt ud fra et mål om at repræsentere så meget forskelligt musik som muligt. Analysen Graferne viser kun frekvenser op til 1kHz. Tendensen i analyserne er at amplituden falder fra 1kHz og opefter. Det er mere interessant at se på de lave frekvenser, da det er der, hvor der kræves meget energi for at gengive musikken. Figur 2.5: Jennifer Lopez - Play Figur 2.5: Her ses et toppunkt omkring 55Hz, men helt op til 200Hz er amplituden høj. Mellem 55 og 20Hz dykker amplituden, men der er dog stadig hørbar bas i området. 13

16 KAPITEL 2. PROBLEMANALYSE Figur 2.6: D:A:D - Simpatico Figur 2.7: Jens Lysdal - Big Bad Bill Figur 2.6: Også i denne type musik er amplituden kraftigst mellem 100 og 200Hz. Ved 85Hz begynder amplituden at falde og ved 30 Hz er den faldet 12 db. Dog kan man stadig se at den overvejende del af energien ligger i basområdet. Figur 2.7: Dette er en hel anden genre end de to foregående. En ret interessant ting er at der ikke er trommer og elbas med i sangen. De eneste instrumenter der er med er guitar og kontrabas. Under 60Hz er amplituden svag, men ved ca. 60Hz sker der en kraftig stignig indtil 100Hz. Området under 60Hz er dog ikke uden betydning, da en kontrabas kan spille toner med frekvenser på helt ned til 30Hz. Figur 2.8: Dette nummer er et gammelt nummer fra Her er det interessant at undersøge om indspilninger fra den gang også indeholder dybe baslyde. Som ved figur 2.7, er amplituden under 50Hz beskeden, men stiger kraftig indtil ca. 90Hz, hvorefter amplituden falder ca. 20dB ved 170Hz. Figur 2.9: Technogenren repræsenteres i dette nummer. Her viser figuren en høj amplitude ved ca. 50Hz, der falder kraftigt mod 100Hz. Herefter er tendensen svagt faldende, dog med en høj omkring Hz. Figur 2.10: Dette stykke klassiske musik er atypisk i forhold til de andre nævnte eksempler. Ligesom de foregående sker der ikke ret meget før 50Hz. Men i stedet for en brat kraftig stigning, ses 14

17 2.3. FORSKELLIGE FORSTÆRKERTYPER Figur 2.8: Elvis Presley - Don t Be Cruel Figur 2.9: New Order - Confusion en jævn stigning i amplituden helt frem til ca. 300Hz, hvorefter amplituden begynder at aftage. Konklusion Ud fra disse diagrammer kan det konkluderes at en stor del af energien i musikken ligger i basområdet mellem 100 og 200Hz. 2.3 Forskellige forstærkertyper I dette afsnit vil nogle af de forskellige forstærkertyper der typisk anvendes til lyd blive beskrevet. Bskrivelserne er blevet afgrænset til at omhandle klasse-a, B, AB og D, altså klasser som er defineret som international standard af IEC60268 [7]. IEC60268 nævner også klasse-c, som dog ikke beskrives nærmere, da den ikke umiddelbart egner sig til lyd (se High Performance Audio Power Amplifiers [1] side 84). 15

18 KAPITEL 2. PROBLEMANALYSE Figur 2.10: Beethoven - Für Elise Udover de, af IEC, omtalte standarder, findes diverse kommercielle forstærkerklasser såsom E, G, H S og T. Hver beskrivelse indeholder en kort forklaring af virkemåden, et simpelt diagram af opbygningen uden strømforsyning, feedback og andre periferære enheder, en beskrivelse af dens effektivitet samt en sammenfatning i form af fordele og ulemper. Formålet med beskrivelserne er at vise om vi har ret i vores antagelser om klasse-d forstærkerens fordele i forhold til de andre typer. Fælles for alle forstærkertyper er at de har behøv for feedback, for at korrigere fejl som følge at temperaturafhængighed mv Beskrivelse af klasse-a forstærkeren Klasse-A forstærkeren er historisk set den første forstærker, der kom frem. De øvrige forstærkerklasser: B, AB samt D er alle forstærkere, der er blevet udviklet efter klasse-a. Klassebetegnelsen viser altså blot i hvilken rækkefølge, de er blevet opfundet. Klasse-A forstærkeren er ofte meget stor og tung på grund af strømforsyningen og kølingen. Dette skyldes, at udgangstransistorerne altid er åbne. Der løber en strøm gennem transistorerne og dermed afsættes der effekt i dem. Transistorerne skal af med denne varme og det sker ved hjælp af køleplader. En klasse-a forstærker bliver inden for audio brugt til High-End effektforstærkere samt små-signal forstærkertrin 9 (High Performance Audio Power Amplifiers [1] side 120). Forstærkeren er karakteriseret ved, at tomgangsstrømmen er større end den største strøm, der kan leveres til belastningen, således at transistoren altid opererer i deres lineare område. Dette giver lav forvrængning. Effektivitet En klasse-a forstærker er den mindst effektive af de nuværende forstærkerklasser, da udgangstransistorerne altid er åbne på grund af den store tomgangsstrøm 10. Dette betyder med andre ord, at selvom der ikke er noget indgangssignal, omsættes der stadig maksimal effekt i udgangstransistorerne. Hvis forstærkeren er på 50 W, og der ikke er noget indgangssignal afsættes der alligevel 50 W i form af varme i forstærkeren. Ved maksimal effekt for forstærkeren er dens effektivitet givet ved formlen: η = P OUT P SUPPLY (2.2) 9 Det kan f.eks. være mikrofonforstærkere. 10 Strømmen der løber i udgangstransistorerne når forstærkerens udgangsspænding er 0V. 16

19 2.3. FORSKELLIGE FORSTÆRKERTYPER P OUT er forstærkerens udgangseffekt og P SUPPLY er den effekt strømforsyningen leverer. Dette forhold definerer forstærkerens effektivitet η. Udgangseffekten P OUT er givet ved: P OUT = v2 o,rms R L P OUT = ˆv2 o 2 R L (2.3) hvor ˆv o er peak-spændingen, v o,rms er effektivværdien af udgangsspændingen og R L er belastningen. Forsyningseffekten er givet ved: P SUPPLY = 2 V CC I (2.4) hvor V CC er forsyningsspændingen, V CC = V EE og I er forsyningsstrømmen og dermed strømmen gennem transistoren. Virkningsgraden bliver: ˆv 2 o η = (2.5) 4 R L V CC I Formlen forudsætter, at den maksimale udgangsspænding er V CC, da det er her den højeste virkningsgrad opnås, dermed: ˆv o = V CC = I R L (2.6) Heraf kan den maksimale teoretiske virkningsgrad udledes: η = 1 100% = 25% (2.7) 4 Klasse-A forstærkeren har med en maksimal effektivitet på 25% brug for store køleplader til at flytte den omsatte effekt fra udgangstransistorerne for at sikre at de ikke brænder af. Simpelt kredsløb Figur 2.11: (a): Simpel klasse-a forstærker med serieforbundet belastning, (b): strøm, (c): arbejdslinje På figur 2.11 (a) ses diagrammet for den simpeleste metode til klasse-a forstærkning. Kredsløbet består af en transistor der forstærker alle 360 af sinussignalet. Der løber en strøm (b) gennem 17

20 KAPITEL 2. PROBLEMANALYSE V_CC R1 Q2 V_IN Q3 C1 Q1 R_L R2 V_EE Figur 2.12: Push-pull transistorkobling trinnet uanset om indgangsspændingen er positiv, negativ eller 0V. Det ses endvidere, at arbejdspunktet Q (c) er placeret således, at transistoren er længst muligt fra mætning og cut off. Dermed vil den altid være i sit lineare arbejdsområde. For at øge effektiviteten, benytter man to transistorer i en push-pull-kobling, hvor transistorparret deles om at forstærke indgangssignalet. En sådan forstærker ses på figur 2.12, der benytter pushpull-transistorkoblingen. De ledende transistorer (Q1 og Q2) er altid aktive og arbejder hele tiden i det lineære område. Begge transistorer forstærker hele sinussignalet, men under forstærkningen inverterer Q2 signalet. De to forstærkede signaler trækkes fra hinanden, og da det ene er inverteret bliver forstærkningen summen af de to transistores forstærkning. Inverteringen sker ved hjælp af Q3, da Q1 og Q2 sidder på henholdsvis kollektor og emitter benet af den. Forvrængning En klasse-a forstærkers forvrængning er minimal, og det er også den forstærkerklasse hvor man nemmest kan opnå en lav THD (High Performance Audio Power Amplifiers [1] side 122). Grunden til det er, som tidligere nævnt, at transistorerne altid arbejder i det lineære område og derfor ikke er med til at forvrænge signalet. Fordele Fordelene ved klasse-a forstærkeren er, at lydkvaliteten er god, da crossover- og THD-forvrængningen kan reduceres til et minimum. Crossover forvrængningen betegnes ofte som værende ikke eksisterende (High Performance Audio Power Amplifiers [1] side 121). 18

21 2.3. FORSKELLIGE FORSTÆRKERTYPER Ulemper Ulemperne ved klasse-a forstærkeren er, at den ofte er stor og tung, da der skal være plads til en kraftig strømforsyning og en stor køleplade (alt efter hvor kraftig forstærkeren er), da der altid bliver omsat maksimal effekt (I Q VCC) i udgangstransistorerne. Den store tomgangsstrøm gør også forstærkeren ineffektiv, hvilket medfører et højt energiforbrug Beskrivelse af klasse-b forstærkeren En klasse-b forstærker fungerer på den måde at der sidder 2 transistorer, der forstærker hver deres halvdel af et indgangssignal. Dette bliver beskrevet senere i dette afsnit, hvor et simpelt diagram også vil blive vist. Klasse-B forstærkeren blev tidligere brugt som audioforstærker i batteridrevne audio-produkter eller produkter, der skulle begrænse deres strømforbrug. I dag benytter man ikke klasse-b forstærkere til lyd, da de pr. definition forvrænger signalet. Grunden til dette er at signalet bliver forvrænget i det punkt hvor den ene transistor lukker og den anden åbner. Dette kaldes også crossover forvrængning 11 [1]. Dette blev beskrevet nærmere i afsnit 2.1.1, der forklare nærmere om dette. Effektivitet En klasse-b forstærker er mere effektiv end en klasse-a forstærker, der ikke er særligt effektiv. Grunden er, at transistorerne er slukkede når der ikke er noget inputsignal, modsat en klasse-a forstærker hvor der konstant bliver forbrændt energi. Ud over at kun een transistor er åben ad gangen har en klasse-b forstærker også en lav tomgangstab. Dette skyldes, at når der er 0 V på indgangen er begge transistorer lukkede. Det eneste tab der er i kredsløbet er den lille bias-strøm, der sørger for at transistorerne er klar til at forstærke, når der kommer et signal. For at beregne effektiviteten er der blevet benyttet formler og information fra Karsten Nielsens Ph.D.[17]: appendix A side 2 til 3. I praksis viser det sig at den maksimale virkningsgrad for en klasse-b forstærker er 78,5%. Dette er blevet udregnet ved følgende: Hvis vi antager at x er det relative outputniveau, i forhold til max, kan forstærkerens output effekt bestemmes som P L (x) = x 2 V 2 2R L (2.8) Med dette udtryk i minde, findes nu den tilførte effekt til forstærkeren. Den tilførte effekt er : P til f oert (x) = 2 1 π V xv sin(ωt)d(ωt) (2.9) 2π 0 R L Hvor x er det relative output i forhold til max, V er forsyningsspændingen og R L er Load modstanden, dvs. den belastning, der er sat til forstærkerens udgang. Da integralet i den negative periode af signalet bliver negativt, findes integralet blot for den positive periode af signalet (fra 0 til π), 1 og ganges så med 2. Det ses at 2π er periodetiden. Selve formlen som integralet ønskes beregnet for er V xv R L sin(ωt) fra 0 til π. xv R L er strømmen, og den ganges med V og selve audiosignalet sin(ωt). Denne ligning integreres med hensyn til dωdt. Dette integrale løses og giver 11 S. 128 i High Peformance Audio Power Amplifiers x 2V 2 πr L (2.10) 19

22 KAPITEL 2. PROBLEMANALYSE Det man finder ved dette udtryk er den tildelte effekt til forstærkeren. Når man nu har fundet frem til dette udtryk, kan effektiviteten beregnes ved at dividere ligning 2.8 med ligning Dette giver følgende udtryk : η B = x2 V 2 2R L x 2V 2 πr L = x π 4 (2.11) Man er nu kommet frem til et simpelt udtryk, hvor man kan udregne effektiviteten for en klasse-b forstærker ved forskellig udgangseffekt. Det ses tydeligt at effektiviteten for en klasse-b forstærker er størst ved maksimalt output, og at den falder lineært som det relative output falder. Simpelt kredsløb På figur 2.13 ses en simpel klasse-b forstærker. De to transistorer sidder på en anden måde end i Figur 2.13: Simpel Klasse-B forstærker klasse-a forstærkeren, hvor de sad som push-pull og begge arbejdede samtidigt. Når der her kommer en positiv spænding på indgangen vil den nederste transistor lukke helt, mens den øverste vil begynde at forstærke signalet. Når indgangsspændingen så bliver negativ vil den nederste transistor åbne, mens den øverste vil lukke. Skiftet sker ved 0 volt, men da der ikke er to transistorer, der er ens og da transistorer ikke er lineære, vil der i dette punkt komme det, der som tidligere nævnt hedder crossover forvrængning. Dette gør at der vil komme et hul i udgangssignalet, som derved vil resultere i støj på udgangssignalet. De to dioder sørger for at der ligger den rigtige biasspænding over basis-emitter på transistorerne, så transistorerne hele tiden er klar til at forstærke et signal. Den bias-spænding er nødvendig da transistorerne skal have et en indgangsspænding over et hvis niveau for at operere. Bias-niveauet er derfor sat sådan at transistorerne vil begynde at forstærke selv små signaler. 20

23 2.3. FORSKELLIGE FORSTÆRKERTYPER Forvrængning Som tidligere nævnt forekommer der forvrængning af udgangssignalet i form af crossover forvrængning, der kommer, når den ene transistor åbner, og den anden lukker. Den tid, der går fra den ene lukker til den anden når at åbne kaldes dødetiden og det er dette tidsrum, der gør at der kommer et hul i signalet, som medfører at signalet bliver forvrænget. Dette står også forklaret i afsnit 2.1.1, hvor vi beskriver crossover forvrængning. Fordele Fordelen ved en klasse-b forstærker er, at den har en høj virkningsgrad. Dette gør, at den tidligere er blevet brugt i applikationer, hvor netop en høj virkningsgrad var påkrævet, f.eks. i apparater, der havde batteriforsyning, og som derfor skulle spare på strømmen. 12. Når den ene transistor åbner, og den anden lukker, går der ingen strøm i den lukkede, dvs. der bliver med andre ord kun omsat effekt i den åbne. Ulemper Ulempen ved denne forstærkertype er, at for at den kan have den høje virkningsgrad, lukker den helt for den ene transistor, når den anden er åben, og i det punkt, hvor de skifter, kommer der, som tidligere beskrevet, crossover forvrængning. Denne ulempe er grunden til, at den ikke er anbefalelsesværdig til audio-produkter i dag Beskrivelse af klasse-ab-forstærkeren En klasse-ab forstærker er et forsøg på at kombinere A-klassens fraværende crossover-forvrængning med B-klassens effektivitet. Ved lavere indgangssignaler virker den i praksis som en klasse-a forstærker, mens den ved højere indgangssignaler virker som en klasse-b forstærker. [10] Endvidere findes der også nogle afarter af klasse-ab forstærkeren, der benævnes klasse-g og H. Fælles for de to typer er, at de er mere effektive, idét de varierer indgangsspændingen i forhold til signalstyrken. På klasse-g forstærkeren gøres det ved at skifte mellem to seperate spændingsforsyninger, mens klasse-h istedet modulerer spændingsforsyningen [11]. Denne beskrivelse vil dog kun omhandle den grundlæggende klasse-ab forstærker, da G og H blot er udbygninger af AB. Simpelt kredsløb Figur 2.14 viser et simpelt diagram til en klasse-ab forstærker. Som det ses, ligner den en klasse- B forstærker meget, den eneste forskel er de to ekstra dioder. I bias er en konstant strøm, der leveres af et andet kredsløb. Ved hjælp af denne konstante strøm bliver spændingen over transistorernes to emitterben v ee = 2v d, når spændingen på indgangssignalet er nul. Grunden til dette er, at den samlede spænding over dioderne er 4V d, mens det samlede spændingsfald i transistorerne svarer nogenlunde til 2V d. Det betyder også, at der løber en tomgangsstrøm i begge transistorer, når V d > v in > V d, og der kun løber strøm i den ene, når V d < v in < V d. Det ses altså her ud fra, at klasse-ab forstærkeren virker som en klasse-a forstærker, når indgangsspændingen er under et vist niveau, og som en klasse-b når den er over. 12 S. 127 i High Performance Audio Power Amplifiers [1] 21

24 KAPITEL 2. PROBLEMANALYSE Figur 2.14: Simpel Klasse-AB forstærker. Frit efter [9] En fordelagtig måde, at regulere dette niveau, er at gøre tomgangsstrømmen variabel ved at udskifte dioderne med en såkaldt V BE -multiplier, som gør det muligt, at regulere det, der svarer til spændingsfaldet over dioderne. V BE -multiplieren består af en transistor og et potentiometer, som bruges til at regulere basis-emitterstrømmen på transistoren. Når V BE -multiplieren indsættes i kredsløbet, ser det ud som på figur Figur 2.15: Til venstre ses V BE -multiplieren, og til højre ses den indsat i AB-forstærkeren. Frit efter [10] Effektivitet Ved at lade transistorerne modarbejde hinanden, altså ved at lade en tomgangsstrøm løbe i dem, undgår man til en vis grad cross-over forvrængningen. Tomgangsstrømmen skader dog også effektiviteten, så man må nødvendigvis indgå et kompromis imellem effektivitet og lydkvalitet. 22

25 2.3. FORSKELLIGE FORSTÆRKERTYPER Den teoretiske maksimalt opnåelige virkningsgrad er, ligesom i klasse-b, 78,5%. Ved lave signalniveauer sænker tomgangstrømmen dog virkningsgraden, så effektiviteten falder. Fordele En klasse-ab forstærker kan konfigureres til et hvilket som helst kompromis mellem en klasse-a og B forstærker, hvilket giver den et bredt anvendelsesområde. Ulemper Hvis høj effektivitet prioriteres højt, vil det gå ud over lydkvaliteten. Ligeledes vil en højt prioriteret lydkvalitet gå ud over effektiviteten. En klasse-ab forstærker er altså ikke perfekt, men kun et kompromis mellem klasse-a og -B Beskrivelse af klasse-d forstærkeren Udgangstransistorerne i en analog forstærker kan være mere eller mindre åbne, dette afgør udgangsspændingen på forstærkeren. Dette giver, som tidligere nævnt, et højere tomgangsforbrug da der løber en strøm samtidigt med at der ligger en spænding over den. På en klasse-d forstærker kan udgangstransistorerne enten være åbne eller lukkede, hvilket teoretisk set giver et tomgangstab i udgangstransistorerne på nul. Grundstenen i en klasse-d forstærker er dens modulation af signalet. Indgangssignalet bliver sammenlignet med et trekantssignal, og der kommer her en række PWM signaler ud af dette. Da signalet til en højttaler skal være sinusformet, skal der benyttes elektroniske kredsløb, der laver det digitale signal om til et signal, der kan sendes ind i højttaleren. Samtidigt skal der også benyttes et kredsløb, som kan lave indgangssignalet om til et digitalt signal. Effektivitet En klasse-d forstærker er den mest effektive af alle forstærkerklasser, og normalt siges det, at effektiviteten ligger på over 90% 13. Teoretisk set ligger effektiviteten på 100 %, men da der ikke findes nogen ideelle transistorer, vil der altid være et tab. Benyttes en SMPS 14 som strømforsyning til klasse-d forstærkeren har man en forstærker med en væsentlig bedre effektivitet end andre tidligere omtalte forstærker-klasser. Simpelt kredsløb I de forrige afsnit, hvor klasse- A, B og AB er blevet beskrevet, er der blevet vist et simpelt diagram for hver forstærkerklasser. I dette afsnit vil vi i stedet vise et blokdiagram, hvor de vigtigste blokke vil blive beskrevet. Klasse-D forstærkerens opbygning og diagram vil blive forklaret mere grundigt senere i rapporten. Blokdiagrammet vist på figur 2.16 vil her blive beskrevet kort og meget generelt, da det bliver uddybet mere konkret og mere uddybende i afsnit 4.2. På blokdiagrammet ses det at indgangssignalet går ind i komparatoren hvor det bliver sammenlignet med et trekantssignal. Outputtet herfra bliver en række pulser med forskellig længde. Det 13 S. 159 i [1] 14 Switch Mode Power Supply 23

26 KAPITEL 2. PROBLEMANALYSE Trekantssignal Komparator Driver MOSFET Figur 2.16: Generelt klasse-d blokdiagram der foregår i dette trin hedder PWM 15. Dette er grundstenen i en klasse-d forstærker. Det fungere på den måde at komparatoren giver et højt output i den periodetid hvor trekantssignalet er mindre en audiosignalet. Frekvensen på trekantssignalet kan ændres alt efter hvilke frekvenser man ønsker at kunne fortærke. Ønsker man at forstærke helt op til 20kHz, skal man vælge en højere switchfrekvens end hvis man kun ønskede at forstærke frekvenser op til 300Hz. Disse PWM signaler, som består af en række pulser bliver efterfølgende sendt ind i en mosfet driver, der styrer udgangstransistorerne. Signalet fra udgangstransistorerne bliver som sidste led i forstærkeren sendt ind i et lavpas filter, der fjerner de højfrekvente signaler og kun lukker de frekvenser igennem, der skal ud til højttaleren. Forvrængning En af problemstillingerne med en klasse-d forstærker er, at den har tendens til at forvrænge signaler ved de høje frekvenser. Grunden til dette er, at udgangssignalet er bygget op af en masse pulser med varierende længde, der senere bliver glattet ud til en sinuskurve, men hvis signalet er bygget op af f.eks. kun 3 pulse, bliver det et meget ujævnt sinussignal. Derfor skal der en hurtig switchfrekvens til, for at forstærke signaler med høje frekvenser. De høje switchfrekvenser kan dog også være med til at støje, da de kan udsende en del støj som vil forvrænge signalet på forstærkeren. Fordele Der er flere fordele ved at benytte en klasse-d forstærker frem for en af de øvrige forstærkertyper. Den største og mest omtalte fordel er, at den har en betydelig højere effektivitet end de øvrige klasser. Dette medfører, at der ikke er så stor varmeudvikling, hvilket igen medfører, at der ikke skal bruges plads på store køleprofiler. Det er muligt at lave kraftige forstærkere, som er væsentligt mindre end det, man er vant til at se. Et eksempel på det er B&O s ICEpower-forstærkere, der ikke er særligt store, samtidigt med at de yder op til 1000 W. Det, at der er mulighed for at lave kraftige forstærkere små, gør, at man med hensyn til forstærkerens design er mere frit stillet. Man har mulighed for at lave kraftige minianlæg, eller aktive højttalere/subwoofere, uden at skulle bruge al pladsen på forstærkeren. En anden klar fordel ved klasse-d forstærkere er dens begrænsede størrelse og vægt, hvilket resulterer i besparelser på både materiale og transportomkostninger. 15 Pulse Width Modulation 24

27 2.3. FORSKELLIGE FORSTÆRKERTYPER Ulemper En af ulemperne ved en klasse-d forstærker er, at den ikke er så god til at gengive de høje frekvenser. Grunden til dette er, at jo højere frekvens, man vil gengive, desto højere switchfrekvens er man også nødt til at have. Efterhånden er klasse-d forstærkeren dog blevet videreudviklet så meget, at den godt kan benyttes i de højere frekvenser, samtidigt med at man får en god lyd ud af det. En anden ulempe ved klasse-d forstærkeren er, at når man arbejder med forholdsvis høje frekvenser vil man få en del støj fra forstærkeren. Denne støj kan i værste fald få indflydelse på ens andre el-apparater. Det er svært at udvikle en ordentlig klasse-d forstærker. Det kræver mange timer at sætte sig ind i de mange modulationsprincipper og forskellige topologier, der er indenfor switchmode-forstærkning. Derfor er det dyrt i udviklingstimer at udvikle en klasse-d forstærker. Det, at forstærkeren har en forholdsvis hurtig switchfrekvens, stiller også store krav til ens printudlægning. Problemer i forbindelse med dette er bl.a., at de andre komponenter bliver påvirket af den højfrekvente støj forårsaget af dårligt printudlæg Sammenfatning af forstærkertyperne I dette afsnit vil de forskellige forstærkertypers egenskaber sammenfattes i nedenstående tabel. Af tabellen kan det læses, hvor svært det vil være at implementere en given egenskab i en given forstærkertype. A B AB D Lav forvrængning Simpelt Kompliceret Moderat Moderat Høj effektivitet Umuligt Simpelt Moderat Simpelt Simpel konstruktion Simpelt Simpelt Simpelt Kompliceret Lille størrelse Kompliceret Moderat Kompliceret Simpelt Tabel 2.1: Denne tabel illustrerer kompleksiteten af at opnå en given egenskab i hver af de forskellige forstærkerklasser Forvrængning Som det ses af tabel er det uproblematisk at undgå cross-over forvrængning på en klasse-a forstærker. Grunden til dette er, som nævnt i afsnittet omhandlende klasse-a, at transistorerne konstant er inden for deres arbejdsområde. Modsat er det med klasse-b, hvor transistorerne lukkes helt, hver gang signalet krydser 0 V. Klasse-AB er et kompromis på dette område, her vil cross-over forvrængningen være afhængig af tomgangsstrømmen. Klasse-D forstærkeren er anderledes, idet dens opbygning slet ikke giver anledning til cross-over forvrængning, hvis dødetiden er lav nok, da udgangsfilteret fjerner denne forvrængning. Til gengæld giver dens opbygning anledning til anden forvrængning. Denne forvrængning kan bl.a. opstå, hvis lydsignalet deles ind for få switchperioder, hvilket forårsages af for lav switchfrekvens. Endvidere bliver der let problemer med støj på klasse-d forstærkeren. Effektivitet Klasse-A forstærkeren er, som nævnt i klasse-a afsnittet, opbygget på en måde, hvor høj effektivitet er en umulighed. Modsat er det med klasse-b, hvor effektiviteten dog er skyld i cross-over forvrængning. Klasse-AB er, som nævnt i klasse-ab afsnittet, et variabelt kompromis mellem klasse-a og -B. Klasse-D forstærkeren har en teoretisk effektivitet på op mod 100 %. I praksis ligger den dog lavere, men alligevel over 90 %. Grunden til dette skal bl.a. findes i at det tager tid, at tænde en transistor. 25

28 KAPITEL 2. PROBLEMANALYSE Konstruktion En klasse-a forstærker kan, som nævnt i afsnittet omhandlende klasse-a, konstrueres meget simpelt. Ligeledes er det med klasse-b og -AB, som dog er nødt til at indeholde flere komponenter. Klasse-D forstærkeren er, i forhold til de A, B og AB væsentligt mere kompleks. Størrelse Klasse-A forstærkeren er kompliceret at lave kompakt i forhold til ydelsen, da den har et stort behov for køling. Klasse-B forstærkeren kræver derimod kun lidt køling, på grund af dens høje effektivitet og kan dermed laves kompakt i forhold til klasse-a. Klasse-D forstærkeren kan, på trods af dens mange komponenter, laves relativt kompakt ved brug af integrerede kredsløb. Dens høje effektivitet muliggør endvidere minimal køling. 2.4 Markedsanalyse For at danne et overblik over hvilke parametre, der skal satses på i markedsføringen af en klasse- D forstærker, laves et studie af en gruppe brugeres fokusområder. For at gøre dette laves et spørgeskema, som gruppen vil stå for distributionen af. Spørgeskemaet bliver lavet for at opnå information fra primære datakilder, dvs. field research. Samtidig vurderes det, at der ikke er nogen eksterne undersøgelser, sekundære datakilder, der kan svare på spørgsmål omkring folks fokusområder inden for musikanlæg. Af sekundære kilder har Dansk Statistik og Internettet været anvendt, dog uden held. Det følgende afsnit vil derfor forsøge at klargøre hvilke problemstillinger, som ønskes svar på, samt hvordan dette bedst gøres Formulering af problemstilling Med dette afsnit opstilles spørgsmål som er relevante forbindelse med markedsundersøgelsen. Dette er undersøgelsens problemformulering og besvarelsen giver forhåbentlig mulighed for at se hvad folk ønsker af et musikanlæg og derved hvad, der skal satses på, samt hvilke problemer og muligheder dette indebærer. Problemer og muligheder Følgende spørgsmål ønskes besvaret i markedsundersøgelsen: 1. Er der et marked for klasse-d forstærkere? Spørgsmålet kan være svært at få svar på gennem en markedsanalyse, da mange ikke ved hvad en klasse-d forstærker er. Spørgsmålene i analysen bliver derfor karakteriseret ved at skulle svare indirekte på om en klasse-d kan opfylde forbrugerens krav. 2. Hvad skal man markedsføre en klasse-d forstærker på? Det er interessant, at vide hvordan en markedsføring skal foregå for at ramme den rigtige målgruppe. 3. Hvad er relevansen af stor effekt i fysisk små forstærkere? Spørgsmålet skal hjælpe med at afklare om størrelsen, herunder også design, er vigtigt for forbrugeren eller om det udelukkende er lyden, der er i fokus når folk handler musikanlæg. Da klasse-d teknologien er karakteriseret ved, at kunne levere stor effekt i fht. sit rumfang, er dette en mulighed for produktet. 26