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Die Entwicklung von MOSFETs war ein Meilenstein - nicht nur bei Audio-Verstärkern

Sony-TA-F730-ES

Feb. 2023 - Hier folgen ein paar gefundene Fach- Artikel über die Vorteile und Nachteile der MOSFETs in Audio-Geräten und Schaltnetzteilen.

Wie immer gibt es nie die Vorteile alleine und wie immer ist in dieser Betrachtung nicht alles physikalisch absolut korrekt beschrieben, denn Sie sollen es verstehen können.
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Der normale Silizium-Transistor (lange vor dem MOSFET)

Grundig A5000-innenleben

Die Erfindung (1947) des anfänglich sogenannten Strom-Ventils war genial. Mit ein paar Milliampere konnten man den hundertfachen Strom bis zu ein paar Ampere steuern. Also ein elektrischer Strom (besser : ein kleines Strömchen) steuert den 10fachen oder gar 100fachen Wert seines Stromwertes. So funktioniert unser normaler Audio-Verstärker.

Bei den Audio-Leistungsverstärkern kamen ein paar Randbedingungen hinzu, denn bei den Phono-Vorstufen und den anderen Audio-Vorverstärkern spielt die Verlustwärme (die Verlustleistung) noch keine Rolle.
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Sollte aber die von einem Lautsprecher (einer Box) benötigte Leistung geliefert werden, flossen da doch erhebliche Ströme und die Transistoren wurden glühend heiß.
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Dann gab es den "Metall-Oxyd-Semiconductor" - "Field-Effect-Transistor", den "MOSFET"

Abweichend von dem oben kurz erklärten "normalen" Transistor haben die Forscher und Ingenieure herausgefunden, wie man jetzt mit einer kleinen Spannung (also nahezu ohne ein Strömchen) die vielen Ampere - die dicken Ströme - steuern kann. Das war eine völlig neue geniale Idee, als sie endlich funktionierte.

Denn bei den normalen Transistoren war der Verstärkungsfaktor (im linearen Audio-Arbeitsbereich) begrenzt und man mußte zuerst mit einer Vorstufe die Treiberstufe steuern und mit dieser Treiberstufe steuerte man dann die Endstufe mit den dicken Endstufen-Transistoren.

Weiterhin hatten diese Leistungs-MOSFETs eine deutlich geringere Verlustleistung (durch einen geringeren Innenwiderstand) als die alten Leistungs- transistoren. Mußte man bisher für eine 120 Watt-Endstufe mehrere Leistungstransistoren (natürlich paarweise) parallel betreiben, reichte jetzt ein einzelnes Paar MOSFET Transistoren aus.
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Natürlich gibt es bei den MOSFETs auch Nachteile ....

Die MOSFETs verstärken mit Leichtigkeit (und oft unerlaubt und unkontrolliert) viel höhere Frequenzen und müssen da gebremst oder gestoppt werden.

Viele MOSFET bestückte Verstärker aus den ersten Generationen fingen an - ohne besonderen Anlaß - zum Beispiel nach dem Anschließen der beiden Boxen - zu schwingen. Diese (Hochfrequenz-) Schwingneigung war anfänglich fast nicht zu bemerken, denn man konnte 200 oder 500 kHz nicht hören und im Lautsprecher wurden solche Frequenzen oft weggefiltert.

Nur wurde der Endstufenteil des Leistungsverstärkers - sogar ohne ein Audio-Signal - glühend heiß. Und nur mit hochwertigen Oszilloskopen (100 MHz und besser) und dem Wissen, wo man überhaupt die Ursache dieser Hitzeentwicklung suchen sollte, kam man dieser Schwingneigung auf die Schliche. Das kannte der Rundfunk- und Fernsehtechniker (noch) nicht und repariert (erfolglos) drauf los. Die Endstufen waren kurz danach - die Ursache war ja gar nicht beseitigt worden - wieder defekt - wie unser SONY TA-F730ES Verstärker.
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Weiterhin sind MOSFET- Endstufen anfälliger gegen Kurzschluß. Der Innenwiderstand eines MOSFET ist deutlich geringer und dann wird auch noch - bei hochwertigen Leistungsendstufen - mit kleinsten Kollector- Widerständen gearbeitet. Passiert am Ausgang ein Kurzschluß - warum auch immer - , fließen erhebliche (Maximal-) Ströme und die können das ganze Gerät (meist die Platinen) abbrennen. In solchen Verstärkern müssen unbedingt komplexe (strombegrenzende) Schutzschaltungen eingebaut werden.
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Dann wurde mit dem IGBT die MOSFET Technik verfeinert.

Mit dem Aufkommen hochwertiger und hocheffizienter Schaltnetzteile nahmen deren Entwickler den MOSFET ins Visier. In einem Schaltnetzteil brauchte man aber keine analogen Verstärker-Transistoren, man brauchte hocheffiziente schnelle Schalter, also elektronische Schaltbausteine. Der IGBT (INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR) war geboren. Auch hier entwickelte sich das Wissen eher schleppend. Wir haben mehrere Artikel gefunden, deren Aussagen sich teilweise widersprechen.

In der Elektor von 1995 wurden IGBT- Audio-Leistungs- Endstufen vorgestellt, die nach Aussage eines Infinion Mannes so gar nicht hätten funktionieren sollen oder dürfen. IGBTs seien nicht für analoge Verstärker-Funktionen getrimmt bzw. geeignet.
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