Wzmacniacze w klasie D?

[raven1985]

Przepraszam za tą histerezę w ferworze walki z symulatorem całkowicie mi to umknęło :)

Zrobiłem FFT wyjścia i mi to kompletnie nie pasuje wygląda jak PWM, ale zanim coś wrzucę upewnię się czy czegoś nie spartoliłem). Muszę się z tym przespać.
Typowy analogowy znany mi modulator delta sigma wygląda tak:


---------- Post dodany o 21:50 ---------- Poprzedni post o 21:28 ----------


Mam nadzieje że teraz lepiej.
Niebieski to z rezystorem 47om czerwony z 100G om czyli bez rezystora :)

[Zbig]

Tak, to jest prawie typowy sigma-delta. Prawie - bo nie ma komparatora, a w zasadzie zamiast niego jest napięcie progowe układu TTL Teraz wyobraź sobie, ze wyjście przerzutnika D to jest wyjście stopnia mocy. Przerzutnik "D" po prostu przepisuje stan wejscia na wyjscie za każdym zboczem zegara. A teraz jedziemy w górę z częstotliwościa zegara - im wyżej tym lepiej, prawda? No to w górę! Jeszcze wyżej! Śmiało! Zapomnijmy o niewydajnych układach scalonych! Czy już w wyobraźni jesteś na gigahercach? tak często i szybko przepisujemy ten stan, ze aż trudno sobie wyobrazić? No to wywalmy całkiem przerzutnik "D" i wstawmy tam tylko komparator, to tak jakbyśmy taktowali nieskończoną częstotliwościa!
Uff, pora zwolnić. Ale co mamy w konsekwencji? Naszą topologię Sigma-delta wzmacniacza :)
Dziękuję za współpracę i pomoc w wyjaśnieniu kolejnej zagadki.
p.s. Coś ta "płetwy rekina" słaba. Zwiększ wysterowanie wzmacniacza, żeby wypełnienie impulsów się bardziej zmieniło.

[Profesjonalista]

Mam nadzieję że będą kolejne wykłady i za jakiś czas jakiś zestaw kitowy, z tym że nie wiem czy myślimy o wzmacniaczu do subwoofera czy pełnopasmowym ?

[Zbig]

Temat 11: Bus pumping, czyli od przybytku czasem głowa boli
Przewija się co chwila temat bus pumping, wiec chyba warto opisać go raz a porządnie, bo dla układów półmostkowych, czyli takich jakie do tej pory omawialiśmy, może to być istotny problem.
Na obrazku mamy stan kiedy przewodzi dolny tranzystor. Strzałką zaznaczono kierunek prądu płynącego przez dławik z filtra wyjściowego, oraz dla ilustracji równoważny mu układ z przełącznikiem (Diody na zasilaniu to np. diody prostownicze transformatora sieciowego lub przetwornicy zasilacza)

Gdy teraz wyłączymy dolnego MOSFET-a, to prąd w dławiku nie może zaniknąć natychmiast, więc musi gdzieś popłynąć. Popłynie w jedyny możliwy sposób, czyli przez diodę górnego MOSFET prosto do… kondensatora w zasilaczu dodatniej strony.

Ten prąd będzie doładowywał kondensator powodując wzrost napięcia na dodatniej stronie zasilania.
Doświadczeniu elektronicy z pewnością natychmiast rozpoznali w tej konfiguracji przetwornice step-up :) Przy silnym wysterowaniu wzmacniacza, gdy prąd jest duży, a czas impulsów włączenia górnego tranzystora jest krótki (i nie ma jak rozładować górnego kondensatora), napięcie to może poważnie wzrosnąć. Szczególnie dla najniższych częstotliwości (basów), gdy czas takiego ładowania jest długi. W moim testowym układzie, przy kondensatorach w zasilaczu 2200uF, zasilaniu +/- 22V i częstotliwości 50Hz napięcie na zasilaniu wzrastało do 32V. Przy zwiększaniu częstotliwości sygnału (przy stałej amplitudzie na wyjściu wzmacniacza), napięcie „bus pumping” wynosiło już tylko ok. 26V. Nie schodziłem niżej z częstotliwością, bo obawiałem się o swój zasilacz. Ale niżej byłoby jeszcze gorzej. Czym to grozi w praktyce? Przebiciem tranzystorów wyjściowych lub kondensatorów, albo zniszczeniem zasilacza z elektroniką.
Na obrazku jest oscylogram „bus pumping” dla dwóch szyn zasilania, dla sygnału audio 50Hz, skala to 10V/działkę.

Jak widać problemu nie należy lekceważyć, szczególnie dla subwoofera, gdzie cała moc jest w paśmie niskich częstotliwości . Oczywiście jak pisał Irek, rozwiązaniem jest układ mostkowy, w którym to, co „napompuje” jedna strona mostka, z nawiązką jest „połykane” przez drugą stronę mostka. Drugim rozwiązaniem są odpowiednio duże kondensatory zasilacza, proporcjonalnie im większa ich pojemność, tym mniejsze napięcie "dopompowane" przez wzmacniacz -to zadziała jeśli mamy odpowiedni margines bezpieczeństwa napięcia kondensatorów i wzmacniacz wytrzyma to zwiększona napięcie.

[mbar]

prąd w dławiku nie może zaniknąć natychmiast

To niedokładnie tak, w cewkach w przypadku gwałtownie "rozerwanego" obwodu i zaniku prądu generuje się SEM o dużej wartości -- i to podwyższone napięcie "leci" potem do kondensatora, bo:

im większa ich pojemność, tym mniejsze napięcie "dopompowane"

Tu chodzi o ładunek -- ten z cewki musi wpaść do kondensatora (zasada zachowania ładunku), co przy jego większej pojemności da niższe "dodane" napięcie.
[różnica_potencjału] = [ładunek] / [pojemność_kondensatora]

[jaromas]

Mam nadzieję że będą kolejne wykłady i za jakiś czas jakiś zestaw kitowy, z tym że nie wiem czy myślimy o wzmacniaczu do subwoofera czy pełnopasmowym ?

ja byłbym bardziej za wersją wzmacniacza w klasie D do subwoofera, zniekształcenia mniej odczuwalne i tam potrzeba najwięcej mocy :)

[Zbig]

mbar, dokładnie jest tak jak napisałem. Nawet przy rozerwaniu obwodu prąd w dławiku nie zanika natychmiast. Po prostu nie może zmieniać się skokowo i tyle. Prąd zanika tak długo, aż wyczerpie się energia zgromadzona w dławiku. W dławiku nie ma ładunku! A co do SEM to pojawi się dokładnie takie, jak aktualne napięcie na kondensatorze i diodzie w kierunku przewodzenia. Ani odrobinę wyższe.

Nie mam subwoofera :( Ale pełnopasmowy można zawsze wykorzystać w subwooferze :)

[mbar]

energia zgromadzona w dławiku. W dławiku nie ma ładunku!

Oczywiście, mój błąd, zbyt duży skrót myślowy :)
Energia magnetyczna cewki przejdzie na różnicę ładunku kondensatora -- przez wymuszony (przerwaniem obwodu) prąd.

[Profesjonalista]

Ale chwila , przecież zgodnie z prawem fizyki siłą elektromotoryczna zmieni biegunowość na cewce w skutek zaniku pola magnetycznego i niby dławik powinien rozładowywać kondensator, chyba że dranie nie zgaśnie za pierwszym razem i układ wygeneruje następną odwróconą siłę elektromotoryczną. Albo po prostu doładuje dolny kondensator.

[Zbig]

Wszystko sie zgadza. Gdy przewodzi dolny mosfet, na końcu dławika (tym przeciwnym od masy) jest (-Vcc), po wyłączeniu mosfeta na tym samym końcu pojawia się dodatnie napięcie (+Vcc), czyli masz odwrócenie napięcia na dławiku
p.s. pominąłem napięcia na diodach w kierunku przewodzenia :).

[Profesjonalista]

no tak , wtopiłem jest ok.

[irek]

Oczywiście jak pisał Irek, rozwiązaniem jest układ mostkowy, w którym to, co „napompuje” jedna strona mostka, z nawiązką jest „połykane” przez drugą stronę mostka. Drugim rozwiązaniem są odpowiednio duże kondensatory zasilacza, proporcjonalnie im większa ich pojemność, tym mniejsze napięcie "dopompowane" przez wzmacniacz -to zadziała jeśli mamy odpowiedni margines bezpieczeństwa napięcia kondensatorów i wzmacniacz wytrzyma to zwiększona napięcie.

Pewnym rozwiazaniem jest tez ''slaby zasilacz''. Nie testowalem tego ale teoretycznie przed impulsem podwyzszania napiecia nastepuje pobor pradu co obniza to napiecie i potem podbicie jest nieco nizsze bo startuje z nizszej wartosci. U ciebie tego nie widac bo pewnie zastosowales dosc sztywny zasilacz. Typowe zasilacze do klasy D maja moc ciagla zedu 30-50% mocy wzmacniacza przy liniowych jest to min 80-100%.
Dla mniej zorientowanych dodam ze typowy zasilacz stabilizowany jest tu jeszcze gorszym rozwiazaniem i spowoduje jeszcze wieksze podbicie napiecia. Co moze uszodzic zasilacz lub sama koncowke. Z tego powodu zaawansowane (czytaj firmowe) maja szybkie wylaczniki nadnapieciowe. I juz nie raz sie zdazalo ze amator kupil sama koncowke w klasie D podlaczyl do zasilacza o duzym napieciu i malej pojemnosci a potem sie dziwil dlaczego koncowka sie wylacza.
Koniecznosc dodania tego zabezpieczenia razem z innymi dosc mocno komplikuje uklad ktory na rysunku pogladowym wyglada tak dziecinnie prosto..

---------- Post dodany o 20:50 ---------- Poprzedni post o 20:45 ----------

Popłynie w jedyny możliwy sposób, czyli przez diodę górnego MOSFET prosto do… kondensatora w zasilaczu dodatniej strony.

Z ta dioda to pewne uproszczenie, nie chodzi tu wcale o diode bo jej funkcje przejmuje gorny mosfet ktory wlaczy sie zaraz po wylaczonym dolnym. Dioda przejmuje prad tylko w czasie martwym lub gdy mosfet ma wieksza rezystancje dajaca spadek wiekszy nim ma dioda. Przy zastosowaniu typowych mosfetow dodaje sie szybkie diody bo te wewnetrzne sa wolne, przy zastosowaniu specjalnych mosfetow z szybka dioda, czasem sa to zwykle mosfety z dodatkowym oznaczeniem informujacych o przyspieszonej diodzie, zewnetrzne diody nie sa juz potrzebne.

[Zbig]

Skoro jestesmy przy tym temacie, tu warto powiedzieć po co dioda w mosfecie ma być szybka. Nie chodzi o szybkość w stronę przewodzenia (z tym diody nie mają zwykle problemów :) ), ale z tzw. szybkością reverse recovery (jak to będzie po polsku?), czyli po jakim czasie w diodzie zanikają nośniki ładunku i zaczyna ona stanowić zaporę dla przeciwnego kierunku napięcia (czyli przestaje przewodzić prąd "do tyłu"). Diody w "zwykłych" mosfetach, np. IRFP240 mają ten czas rzędu 250ns, a te z szybkich, np. IRFB4019 maja ten czas tylko 64ns. Dlaczego ten czas jest ważny, skoro mosfet "przejmuje" prąd diody lub nawet zaczyna przewodzić w druga stronę, nawet dłużej niż te 250ns?
Problem w tym, że jak włącza się mosfet, to na diodzie jest niskie napięcie i ładunek nadmiarowych nośników w złączu diody nie jest wystarczająco szybko usuwany. W efekcie po wyłączeniu mosfeta dioda przez pewien czas jeszcze przewodzi prąd, a to bardzo nieprzyjemna sytuacja. Rosną straty i trzeba zwiększać dead time.
To jedna z przypadłości mosfetów. Inną przykrą cechą jest to, ze może się niespodziewanie włączyć. gdy napięcie na drenie narasta zbyt szybko. Nawet gdy jego bramka jest zwarta do masy :(. Ale o tym w nastepnych odcinkach.

[Profesjonalista]

Inną przykrą cechą jest to, ze może się niespodziewanie włączyć. gdy napięcie na drenie narasta zbyt szybko.

A to domena tyrystorów sterowanych na granicy wytrzymałości napięciowej - myślałem ze mos-feta to nie dotyczy.

[Zbig]

Oj może być jeszcze gorzej: może włączyć się zwykły tranzystor złączowy znajdujący się w strukturze MOSFET-a :)

[Profesjonalista]

Proszę o objaśnienia tematu, bo czym głębiej "drążymy" tym więcej do zrozumienia

[raven1985]

Tak, to jest prawie typowy sigma-delta. Prawie - bo nie ma komparatora, a w zasadzie zamiast niego jest napięcie progowe układu TTL Teraz wyobraź sobie, ze wyjście przerzutnika D to jest wyjście stopnia mocy. Przerzutnik "D" po prostu przepisuje stan wejscia na wyjscie za każdym zboczem zegara. A teraz jedziemy w górę z częstotliwościa zegara - im wyżej tym lepiej, prawda? No to w górę! Jeszcze wyżej! Śmiało! Zapomnijmy o niewydajnych układach scalonych! Czy już w wyobraźni jesteś na gigahercach? tak często i szybko przepisujemy ten stan, ze aż trudno sobie wyobrazić? No to wywalmy całkiem przerzutnik "D" i wstawmy tam tylko komparator, to tak jakbyśmy taktowali nieskończoną częstotliwościa!
Uff, pora zwolnić. Ale co mamy w konsekwencji? Naszą topologię Sigma-delta wzmacniacza :)
Dziękuję za współpracę i pomoc w wyjaśnieniu kolejnej zagadki.
p.s. Coś ta "płetwy rekina" słaba. Zwiększ wysterowanie wzmacniacza, żeby wypełnienie impulsów się bardziej zmieniło.

Zbig-u trochę mi namieszałeś ale miałem rację tak samo jak IR pisząc że ich kości to PWM. To samo oscylujący modulator PWM ze zmienną częstotliwością nie delta sigma. W delta sigma musi być ten przerzutnik.
W delta sigma na wyjściu jest PDM.
Może gdzieś ze środka będzie lepiej widać. Ciekawe rzeczy dzieją się jak się wzmacniacz przesteruje.

[irek]

W delta sigma na wyjściu jest PDM.

Kazda modulacja jest zaliczana do PWM bo zawsze dochodzi do zmiany wspolczynnika wypelnienia ktory jest kluczowy. Specjalne modulacje PDM, PFM itd sa uscisleniem modulacji PWM.

Ciekawe rzeczy dzieją się jak się wzmacniacz przesteruje.

No wlasnie i to jest bardzo wazne ze wzgledu na uzytecznosc wzmacniacza. Jesli przy przesterowaniu wzmacniacz mialby sie uszkodzic, wylaczyc czy wygenerowac jakies trzaski to jest on bezuzyteczny. A znam takie przypadki i to zaawansowanych konstrukcji z superprocesorami PWM do w pelni cyfrowej klasy D.

[marusmk]

Przykład tej klasy:

http://marusmk.jor.pl/EL/classd.pdf

[Zbig]

Raven, masz prawo się nie zgodzić - to wolny kraj. Ale proponuję zajrzeć na 4-ta stronę w pliku iraudamp7d.pdf :)
Oczywiście wszystkie modulacje które opisałem są Pulse Width Modulation, choć UcD i Sigma-delta modulują równocześnie częstotliwość, a układ z porównaniem z trójkątem zachowuje częstotliwość i dlatego jest to dla mnie "czysty" PWM.
Prawdę mówiąc klasyczna Sigma-Delta z przerzutnikiem to jest Pulse Density Modulation - moduluje ilość impulsów (o stałym czasie trwania) w jednostce czasu (pomiaru), więc IMO nie jest PWM-em.