Wzmacniacze w klasie D?

[Profesjonalista]

Zbig, mam pytanie:), jak to jest , bez wytworzonej strefy martwej mos-fety zagryzą się przy tych 500khz, a jakby(hipotetycznie) zrobić prostokąt 50hz też się pogryzą?.

[Zbig]

Pogryzą się zawsze - jeśli sterowane będą identycznie. Częstotliwość zmienia tylko ilość "pogryzień" na sekundę. Przy 50Hz możesz tego nie odczuć - każde przełączenie to porcja energii strat. im niższa częstotliwość tym mniejsza sumaryczna moc strat.

[Profesjonalista]

No tak ale jak źródło zasilania będzie "silne" to przy pierwszym przełączeniu bum ?

[Zbig]

Wszystko zależy od czasu równoczesnego otwarcia. Zawsze są indukcyjności, które ograniczają szybkość narastania prądu. Ponadto w krótkim impulsie tranzystory są w stanie przewodzić większy prąd, np IRFP240 ma ciągły 20A, a w impulsie 80A. Oczywiście powyżej tego pierwszy impuls może być też ostatnim.

---------- Post dodany o 16:35 ---------- Poprzedni post o 09:25 ----------

Temat 12: Dv/dt, czyli co za szybko to nie zdrowo
Przyszedł czas, żeby zająć się samymi tranzystorami w stopniu mocy, czyli bliżej spojrzeć na MOSFET-y. Najczęściej patrzymy tylko na kilka parametrów: Maksymalne napięcie, maksymalny prąd (ich pomnożenie daje tę wspaniałą, działająca ożywczo na wyobraźnię MOC :) ), oraz na napięcie progowe, czyli ile woltów trzeba przyłożyć na bramkę, żeby zaczął przewodzić. Reszta zwykle wydaje się dziwna i nikomu niepotrzebna… Niestety, tam gdzie zamierzamy ich użyć, te pozostałe parametry nabierają ogromnego znaczenia. Ba, nawet te parametry, których w nocie katalogowej nie zawsze znajdziemy :( . Spójrzmy na symbol naszego tranzystora. Domalowałem mu złośliwie 3 dodatkowe elementy, które są dla nas bardzo ważne: To dwie pojemności oraz jedna rezystancja.

Wróćmy przez chwilę do naszego poprzedniego tematu, w którym mówiliśmy, że prąd w dławiku nie może zaniknąć natychmiast, więc gdy wyłączamy dolny MOSFET, to napięcie na drenie tranzystora gwałtownie rośnie, do wartości napięcia dodatniego zasilnia. Ale spójrzmy na elementy pasożytnicze tranzystora: jest tam pojemność Cgd, która przecież będzie przewodzić prąd, gdy na drenie będzie zmieniać się napięcie. Ten prąd po części będzie „odbierany” przez rezystancję Rg (oraz zwykle dodatkowy opornik rzędu 10..22 Ohm) do masy, a po części będzie ładować pojemność Cgs.
Tu trzeba byłoby zaprząc trochę matematyki do roboty, w każdym razie dla bardzo szybko narastającego napięcia jest to po prostu dzielnik pojemnościowy, w którym
dUgs = dUds * Cgd / (Cgd + Cgs)
gdzie:
dUgs - przyrost napięcia na bramce
dUgd – przyrost napięcia na drenie
Przykładowo dla IRF9540 pojemność Cgs to 1300pF, a Cgd 240pF. To tworzy dzielnik pojemnościowy 6,5 : 1. Załóżmy, że wyłączenie tranzystora powoduje bardzo szybki skok napięcia na drenie o 50V (zasilanie +/25V), czyli uwzględniając dzielnik, na bramce pojawi się ponad 7V – to wystarczy do puszczenia prądu 20 A :(
Oczywiście gdy napięcie na drenie rośnie stosunkowo wolno, to oporność bramki zdąży odprowadzić ten ładunek Cgs i tranzystor się nie otwiera. Niestety u nas staramy się przełączać tranzystory bardzo szybko, do tego ich obciążeniem jest indukcyjność, więc bardzo łatwo osiągnąć ten efekt. Zresztą widać go bardzo ładnie na oscyloskopie. To dlatego te popularne tranzystory nie nadają się do klasy D, a jeśli już, to do bardzo niskich napięć zasilania. Eksperymentatorom dodam jeszcze wskazówkę: im większy prąd przewodzi dławik, tym większa szybkość narastania napięcia na nim (bo większy prąd szybciej ładuje wszelkie pasożytnicze pojemności. To dlatego bez sygnału wszystko może wydawać się cacy, ale po wysterowaniu wzmacniacza tranzystory zaczynają się grzać silniej niż wynikałoby to z ich oporności kanału.
Rezystancja bramki to parametr, który tylko dla nielicznych tranzystorów jest podawany. Czyżby był tak mały, ze można o nim zapomnieć? Bynajmniej, „dobre” tranzystory do klasy „D” ze specjalnie zmniejszoną rezystancją bramki mają ok. 2,5 Ohma. Pewnie „zwykłe” mają co najmniej drugie tyle. Co to oznacza w praktyce? Że nawet zwarcie bramki słabego MOSFETA do masy może nie „utrzymać” go w stanie wyłączenia przy bardzo szybkiej i dużej zmianie napięcia na drenie.
Nie ma rady, trzeba zastosować dobre tranzystory, np. takie, które mają Cgd na poziomie 19pF przy pojemności Cgs rzędu 800pF. Daje to dzielnik 43:1! Nawet skok na drenie o 100V spowoduje skok napięcia na bramce poniżej progu przewodzenia.

[SaYruS1]

Przykład tej klasy:

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

kiedyś złożyłem właśnie takie UcD ze zdjęcia 6 z tego pdfa. (jeśli kogoś interesuje mam zbędne pcb i 2 złożone układy)... układ podobny do UcD philipsa którego także złożyłem jednak na zamiennikach elementów a nie na takich które produkował philips dlatego miałem duże szpilki na mosfetach. czas martwy można było tam regulować poprzez zmianę jednego rezystora.

>Zbig
Możesz opisać trochę o parametrach mosfetów jak Qg czyli ładunek bramki który trzeba naładować a potem szybko rozładować, tutaj ważna jest wydajność samego drivera i IR pisze o tym w swoich notach. Czasy włączenia i wyłączenia, pojemność bramki i dalej parametry diody trr i Qrr tutaj różnica pomiędzy poszczególnymi mosfetami dedykowanymi do klasy d i "zwykłymi" jest znaczna ale czasami nawet "wolny" mosfet zazwyczaj o dużym prądzie ale z dobrymi parametrami diody nadaje się do szybkiego przełączania

[irek]

Przykładowo dla IRF9540 pojemność Cgs to 1300pF, a Cgd 240pF. To tworzy dzielnik pojemnościowy 6,5 : 1. Załóżmy, że wyłączenie tranzystora powoduje bardzo szybki skok napięcia na drenie o 50V (zasilanie +/25V), czyli uwzględniając dzielnik, na bramce pojawi się ponad 7V – to wystarczy do puszczenia prądu 20 A

To prawda i to jeden z dosc trudnych problemow. W zasadzie to wszyscy rozwiazuja go podobie a mianowicie dodajac diody rownolegle do rezystora bramkowego. Wtedy rezystor ogranicza tylko prad ladowania bramki a prad rozladowania jest ''maksymalny''.

Mi sie udalo puscic IRF540/9540 przy +-50V na wysokich 500khz.

Generalnie to wszelkie parametry mosfetow sa powiazane ze soba glownie maksymalnym napieciem i pradem mosfeta. Czym wyzsze napiecie i wyzszy prad tym tranzystor ma wieksza pojemnosc bramki. Specjalne wersje do kalsy D to mosfety skrojone na miare czyli dokladnie na potrzebne napiecie i prad. Typowe mosfety zazwyzcaj dajemy z zapasem napeicie i bardzo duzym zapasem pradu bo to taka cecha mosfetow i nasza ze lubimy dac zapas. Do klasy D robi sie mosfety z max napieciem do 200V i stosunkowo malym pradem dzieki temu maja mala pojemnosc bramki i sa dosc szybkie.

Ladunek bramki jest z tym powiazany i jest on glownym zmartwieniem drivera, ktory dla pojemnej bramki musi dysponowac duzym pradem. W ukladzie philipsa UcD driver jest wyjatkowo smieszny i ma wrecz zalosne parametry ale dzieki zastosowaniu szybkich mosfetow jakos to dziala. Niestety niemozliwe bedzie wstawienie tam czegos potezniejszego.

Dopieszczanie mosfetow pod wzgledem szybkosci wplywa glownie na odwzorowanie bardziej idealnego prostokata a wiec na jakosc wzmacniacza i to dzieki temu mozliwe jest uzyskiwanie coraz lepszych parametrow znieksztalcen.

Moj wzmak z pomiaru, jak dobrze pamietam, ma narastanie/opadanie sygnalu PWM ok 2000V/us i male dzwonienie. Choc pomiar na oscyloskopie o dosc waskim pasmie wiec kto wie jak jest na prawde.

---------- Post dodany o 20:04 ---------- Poprzedni post o 20:01 ----------

na zamiennikach elementów a nie na takich które produkował philips dlatego miałem duże szpilki na mosfetach.

Duzo zalezy od topologi, indukcyjnosci prowadzenia sciezek. IR ostatnio chwali sie swoimi mosfetami ''do druku'', dzieki ktorym zostaly zredukowane indukcyjnosci polaczen i spadlo dzwonienie, pokazuja jakies wykresy porownawcze.

Inna sprawa to odsprzeganie zasilania, jakiego elektrolita w zasilaniu bym nie wsadzil to sie grzal, dlatego wogole ich nie stosuje :)

[Zbig]

święte słowa. PHP28NQ15 ma tylko 55pF Cgd, mogli sobie pozwolić na taki słaby driver.
Jeszcze jednym problemem MOSFET-ów jest pasożytniczy tranzystor złączowy, "ukryty" wewnątrz kolejnych warstw półprzewodnika w strukturze.
Przy bardzo szybkiej zmianie napięcia na drenie on również może się załączyć przez pojemności pasożytnicze, a gdy przewodzi prąd może dojść do jego tzw. wtórnego przebicia, znacznie poniżej napięcia granicznego MOSFET-a. Ten efekt jest nasilony, gdy dioda przewodzi wstecznie i w jej złączu są zgromadzone ładunki. Dlatego podawany jest dla MOSFET-ów parametr "peak diode recovery dV/dt" czyli maksymalnej szybkości narastania napięcia wstecznego dla diody (czyli też na drenie), która nie powoduje samoistnego otwarcia się tranzystora pasożytniczego. Przykładowo dla IRF540 jest to wartość 5,5V/ns czyli 5500V/us - Irku jesteś po bezpiecznej stronie, o ile oscyloskop za bardzo nie nakłamał. Co ciekawe, nie znalazłem tego parametru dla szybkich tranzystorów do kasy "D" - czyli praktycznie wyeliminowano ten problem.

[raven1985]

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.

Wygląda na to że Zbig-u sprzeczam się z tobą o to co jak się nazywa a to bez sensu :)
sigma delta to PDM i o to właśnie mi chodzi.

No dobrze jakie są najlepsze z popularnych tranzystorów. Bo te specjalne do klasy D IR mogę sobie tylko w katalogach pooglądać :)

[Zbig]

Wcale nie. Zajrzyj do TME, są na stanie dokładnie te tranzystory użyte w IRAUDAMP7, w baaardzo przyzwoitej cenie, IMO nie ma sensu kombinować z "popularnymi".

[raven1985]

Faktycznie są :) Dzięki.

[irek]

Dzis sa a jutro nie bedzie tak to jest z wynalazkami IR i probkami ktore sciaga od nich TME. Ja mam IR2011 z TME o ktorych mozna teraz pomarzyc.
Tu niestety technika za szybko sie zmienia i tylko producenci kupuja to co maja zamontowac a potem malo kto mysli o serwisie a o amatorach juz zupelnie nikt. Obecnie producenci sprzetu pakuja typowe aplikacje producentow scalakow a nawet zdaza sie ze pakuja cale plytki ''evaluation board'', bo tak szybciej. Te plytki sa projektowane na szybko zeby tylko pokazac mozliwosci scalaka i sa mocno niedopracowane. Juz widzialem dlawiki wyjsciowe na rdzeniach szpulkowych umieszczone tak blisko siebie ze to nie mialo prawa dobrze dzialac.

[Zbig]

Gorzej jak producent kończy produkcję, tak naciąłem się na magnetometry. Cały projekt do kosza :(

Dziś uruchomiłem eksperymentalny układ mostkowy. Nie jest to klasyczny mostek w postaci 2x pełny wzmacniacz + inwerter, ale zupełnie inna koncepcja z radykalnie mniejsza ilością elementów. Ruszył od strzału, na ucho nieźle, ale trzeba będzie go pomierzyć: THD, intermodulacyjne, etc. Wtedy dopiero okaże się czy warto iść tą drogą. Póki co daje 100W na 8 Ohm już przy +/- 24V, a jest to prawie minimum, a nie maksimum jego zasilania.
Ech, kończy się urlop, więc pewnie tempo trochę spadnie.

[raven1985]

Ech, kończy się urlop, więc pewnie tempo trochę spadnie.

Nikomu się nie spieszy za 2 dni znowu długi weekend :)

Ja na razie bawię się w symulatorze :)

[Zbig]

Wprawdzie pełny mostek nie musi kluczować tranzystorów synchronicznie (różnicę w fazie impulsów i tak wyrównają kondensatory filtra), niemniej postanowiłem zrobić w pełni synchroniczny mostek, mało tego z jednym wspólnym modulatorem i tylko z dwoma stopniami mocy. Idea szczytna i upraszczająca konstrukcję, ale wcale nie taka trywialna jakby się na pierwszy rzut oka wydawało. Oczywiście nie jest problemem odwrócenie fazy kluczowania obydwu gałęzi mostka po takim zabiegu układ działa, ale to nie wystarczy. Jak pisałem wcześniej modulator musi kompensować wahania napięcia zasilania, inaczej przenosiłyby się praktycznie w całości na głośnik. Modulatory UcD i sigma-delta robią to niejako ze swojej natury, ale sprzężenie zwrotne można poprowadzić tylko z jednej gałęzi mostka. Druga gałąź pracując w przeciwfazie zamiast tłumić zakłócenia zasilania wręcz by je wzmacniała. A więc trzeba wprowadzić podwójne sprzężenie zwrotne, ale w przeciwnych fazach (jako suma napięć z obydwu stron, która to suma de facto napędza głośniki) . No i tu zaczynają się schody. W UcD trzeba by wprowadzić dodatkowy stopień sumujący, co wiąże się z dodatkowymi przesunięciami fazowymi, a w S-D jeszcze gorzej, bo trzeba by odwrócić w fazie sygnał prostokątny z drugiego wyjścia mostka. Zadanie nietrywialne, bo jak pisał Irek slew rate napięcia na tym wyjściu to rząd 2000V/uS, a więc układ musiałby być ekstremalnie szybki, do tego trzeba by wyrównywać poziom sprzężenia dla każdej strony, żeby uzyska idealną kompensację. Mimo wszystko zdecydowałem się powalczyć z S-D. Tu miałem kilka dni kombinowania, trochę upalonych tranzystorów i chwile zniechęcenia. Ale ostatecznie udało mi się uzyskać kompensację brumów i szumów, do tego bez potrzeby regulacji. Jutro najważniejszy test, czyli zdejmowanie charakterystyki pasma i zniekształceń. Trzymajcie kciuki. Postaram sie jutro wrzucic fotki tego co zmontowałem i wyniki pomiarów.
p.s. Ten mostek jest zrobiony na "ogólnodostępnych" elementach - przesyłka z elektronicznego się trochę opóźniła...

---------- Post dodany o 14:27 ---------- Poprzedni post o 23:12 ----------

Pierwsze testy za mną. Układ pracuje na stosunkowo niskiej częstotliwości - ok 280 kHz (free) - to z racji tych "ogólnodostępnych" tranzystorów IRF240/9240
W układzie półmostkowym uzyskałem 0.04% zniekształcenia (dla 1kHz), pasmo pełne do 20kHz (wyżej mój soft nie mierzy).
W układzie pełnomostkowym z podwójnym sprzężeniem zniekształcenia są wyższe, rzędu 0,1% choć tu pomiar jest trudniejszy, bo mogę mierzyć tylko niezależnie po każdej stronie mostka (to z powodu braku "masy" w mostku). Pasmo bez zmian. Eksperymenty trwają nadal.

[Zbig]

No to czas na obiecane zdjęcia i charakterystyki
Na początek mostek zmontowany na płytce uniwersalnej


U dołu po lewej ten chaos to integrator zrobiony na tranzystorach, okazał się lepszy niż na szybkim (4MHz - 16V/uS) wzmacniaczu operacyjnym z wejściem FET.

Ostatecznie udało mi się "wyciągnąć" z niego THD = 0,046% dla 1kHz / 2W / 8 Ohm (moja karta w kompie która użyłem do testów ma THD na poziomie 0.02 na obrazku widać harmoniczne

i charakterystykę THD dla całego pasma. Tu widać, że dla 1Khz jest minimum zniekształceń, w całym paśmie niestety zniekształcenia rosną. Ale do 2kHz wygląda to całkiem przyzwoicie.

Pasmo pełne do 20kHz z nierównością poniżej 1.2dB - tu na obrazku dół jest obcięty przez kartę w kompie, w rzeczywistości na generatorze przenosi dół od kilku Hz.

To rosnące THD dla dołu wynika z obcięcia pasma przez kartę. Niestety wewnętrzna karta w notebooku jest słaba :(
No i na koniec poziom szumów:

Słuchając "Nothing else matter" stwierdziłem, że Metallica nigdy nie zajmowała się strojeniem wzmacniacza w klasie "D". Inaczej napisałaby utwór "Everything matter". Na zniekształcenia ma wpływ praktycznie każdy element wzmacniacza, że o przypięciu gdziekolwiek sondy oscyloskopu nawet nie wspomnę. Powiedzmy do 0,1% dałoby się to zestroić "na oko" za pomocą amperomierza, dalej to już zabawa wyłącznie z przyrządami. Oczywiście montaż na płytce uniwersalnej nie poprawia sprawy zniekształceń :)

[Profesjonalista]

Pięknie, bardzo zaawansowany montaż jak na taką płytkę, widzę rdzenie za szczeliną. Zbig jak to jest że uzyskujesz tak niskie zniekształcenia z wzmacniacza który powinien dawać je znacznie wyższe od liniowego ?

[Zbig]

Ależ liniowe wzmacniacze dają mniejsze zniekształcenia! Mój MOSFET w tych samych warunkach pomiarowych ma tylko 0,011%, czyli 4x mniejsze.
(przy okazji okazało się, ze jednak karta jest lepsza niż myślałem, po prostu przy połączeniu "Out - line In" bez dzielnika napięcia nie radziła sobie z poziomem sygnału)
Tak, rdzenie są ferrytowe ze szczeliną.
Rdzenie na filtr wyjściowy to temat, który czeka na opis. To bardzo ważny element wzmacniacza, decydujący również o zniekształceniach.
Rdzeń musi mieć małe straty i nie wchodzić w nasycenie przy maksymalnym obciążeniu wzmacniacza.

[Profesjonalista]

Zbig, a będzie można po tym wszystkim liczyć na kit D-ampa ?

[dolphin123]

Zbig, a będzie można po tym wszystkim liczyć na kit D-ampa ?

Daj na razie spokój z kitami, jak wszystko będzie si to może najpierw pcb powstanie:)

[Zbig]

Właściwie to projekt na ogólnodostępnych elementach (IRF240/9240, TC427, 74HC132, BC547) jest gotowy, ale jest to dosyć "przypadkowa" konstrukcja, choć gra całkiem przyzwoicie. Powinienem teraz zabrać się za ciekawszą wersję z dedykowanym driverem półmostkowym (w magazynie TME mają ponad 900 sztuk :) ), chyba też będę robił od razu projekt pełnego mostka - wyniki tego układu są wielce obiecujące. Powinienem uzyskać również większą częstotliwość kluczowania (bo TC427 gotują się już przy 300kHz)