Wzmacniacze w klasie D?

[Zbig]

Przyszła zima, wiec skończył się czas beztroskiego latania modelami. Rok temu opisałem na forum konstrukcje wzmacniacza MOSFET, który to opis cieszył się całkiem sporym zainteresowaniem.
W tym roku również mam ochotę na wzmacniacz, ale tym razem naszło mnie na wzmacniacz w klasie D. Dawno, dawno temu (bardzo dawno temu :-) ) próbowałem robić takie konstrukcje, ale z racji niedostępności odpowiednich części były to jednak tylko próby, a nie skończone dzieła. Dziś nie ma problemu zarówno z częściami, jak i gotowymi układami bardzo upraszczającymi konstrukcje w tej klasie. Ale wciąż na tym forum królują "klasyczne" układy, a o układach w klasie D cisza.
Pierwszą próbę zrobiłem z wykorzystaniem przetwornika ADC i mikroprocesorowym generowaniem PWM - ogólnie zadziałało, ale efekt może nadawałby się do popędzenia subwofera, nic więcej - za słaby procesor i przetwornik.
Na chwilę odłożyłem temat, ale po Audio Show wróciłem do tematu "analogowych" (bez procesorów) wzmacniaczy w klasie D. Wygrzebałem więc trochę tranzystorów z szuflady, polutowałem do kupy, podłączyłem CD i kolumny i... zagrało! To był układ z klasyczynym PWM, czyli porównania analogu z trójkątem. Potem zainspirowany układem sigma-delta zrobiłem układ z całkowaniem, z bardzo fajnym wynikiem. Przy okazji poszukiwań trochę szybszych mosfetów natknąłem się w "swoim" sklepie elektronicznym na kompletny scalak do klasy D (IRS2092), który nabyłem, złożyłem i znów zadziałało (to również konstrukcja oparta na koncepcji sigma delta). Do kompletu brakuje mi jeszcze eksperymentu z układem UcD, czyli samooscylujący z analogowym sprzężeniem zwrotnym.
No i tu dochodzimy do sedna:
Czy jesteście zainteresowani tematem wzmacniaczy w klasie D? Czy chcielibyście sensowny opis różnych konfiguracji, a także kilka mniej lub bardziej udanych :-) konstrukcji mojego autorstwa?
Zima zapowiada się długa i mroźna, więc czasu i zapału na opis powinno mi wystarczyć. Co wy na to?

[Chilihead]

Chętnie będę śledził temat, zawsze to okazja do nauki.

[Shiver]

Brzmi interesująco, fajnie jakby urodziło się z tego coś prostego i konkretnego, tak aby nawet ktoś mniej doświadczony był w stanie złożyć sobie taki wzmacniacz.

[jaromas]

Myślę że wiele osób chętnie poczyta, posty na temat mosfeta Twojego autorstwa były bardzo edukacyjne i ciekawe, a jakby powstała prosta końcówka do suba to pewnie wzbudziła by spore zainteresowanie :)

[Profesjonalista]

Ja bym bardzo chętnie przyjął całą teorię budowy takich wzmacniaczy, problemy, zasady, poszerzenie pasma itp. aby kiedyś sięgnąć 20khz, w końcu po polsku.

[raven1985]

Jak najbardziej. Temat na czasie. Na pewno będzie to bezecny materiał edukacyjny a nawet jak nie będą to do końca udane układy to mogą stanowić dla kogoś inspiracje.

[Zbig]

No to postanowione. 5-ciu sprawiedliwych - to znaczy jawnie zainteresowanych :-) wystarczy.
Tym bardziej, że jest szansa zainteresować tych, dla których opisany przeze mnie wzmacniacz na MOSFET-ach miał za małą moc :-)
Plan mam taki:
- najpierw przedstawię po krótce różnice między wzmacniaczami D a pozostałymi,
-potem omówię znane mi topografie wzmacniaczy i podstawowe między nimi różnice.
- omówię dokładnie stopień mocy, wymagania i problemy z nim związane. Mam wrażenie, że uda mi się zaproponować jeden schemat PA dla wszystkich topografii, z wykorzystaniem tanich i dostępnych elementów w polskich sklepach.
- potem będę "jechał" po kolei każdą topografię wyjaśniając szczegółowo co i jak z układem modulatora na działającym przykładzie opracowanego przeze mnie modulatora
- mogę dorzucić swój opis układu IRS2092, bo wydaje się warty grzechu, a jest łatwo dostępny w PL i mam z nim już jakieś doświadczenia
oczywiście opisy będę okraszał oscylogramami, postaram się tez pozdejmować charakterystyki (pasmo, THD) wzmacniaczy.
jak efekty będą obiecujące, może powstaną gotowe projekty (PCB lub kity) dla chętnych - zobaczymy.

[Bebok]

Jak najbardziej jestem za, dobrych projektów końcówek mocy nigdy za wiele.
Mam nadzieję w nowym roku kupić co mi brakuje i złożyć twój projekt na mosfetach; ciekawi mnie jak wyjdzie porównane z n-mosfetem irka, który aktualnie pędzi moje kolumny.

[bawolek]

genialnie Zbig :) twój topic o mosfecie czytałem jak bardzo dobrą książkę :)
wzmacniacze klasy D to tak jak wyzej pisano temat bardzo na czasie, a oprócz samej ideii może powstać coś fajnego do np napedzania subwooferów :)

to forum zaczyna naprawdę nabierać konkretnych dobrze opisanych konstrukcji :)

[raven1985]

Zbig-u od jakiegoś czasu chodzi mi po głowie SMALA większej mocy może dokleimy to do twojego MOSFET-a ?

[Profesjonalista]

jak efekty będą obiecujące, może powstaną gotowe projekty (PCB lub kity) dla chętnych - zobaczymy.

Bardzo dobry i wręcz zalecany pomysł.

[marusmk]

To wkleję linki do stron na których można przynajmniej pooglądać różne koncepcje tej klasy.
Może do czego się przyda :)

http://forum.cxem.net/index.php?showtopic=17721
http://tinyurl.com/27vjnvm

Ten jest mocny:

http://forum.cxem.net/index.php?app=...ttach_id=76703

[Zbig]

Tak, widzę duże zainteresowanie, znajomość języków również. Mamy tu w miarę klasyczny UcD, możemy przy okazji omówić również tę konstrukcję.

---------- Post dodany o 22:37 ---------- Poprzedni post o 19:46 ----------

Temat numer 1, czyli czym się różni wróbelek
Na początek trochę nudnej teorii, która jednym przypomni to, co dobrze wiedzą, innym rzuci trochę światła na ten mroczny temat.
A więc jak doskonale wiecie rolą wzmacniacza jest wzmocnienie sygnału podanego na jego wejściu, ale w taki sposób, aby kształt sygnału na wyjściu był jak najbardziej podobny do sygnału wejściowego, tyle że wielokrotnie większy. W analogowych wzmacniaczach (A, AB, czy B, tranzystorowych czy lampowych – bez znaczenia) po podłączeniu źródła dźwięku , praktycznie w każdym miejscu w torze sygnałowym wzmacniacza, gdziekolwiek podłączylibyśmy oscyloskop (na wejściu, gdzieś w środku czy na wyjściu) to zobaczymy taki sam sygnał, podobny do sygnału wejściowego. To dlatego wzmacniacze takie nazywa się też liniowymi.



Zupełnie inaczej sprawa ma się ze wzmacniaczami w klasie D. W takich wzmacniaczach wprawdzie na wejściu i na wyjściu zobaczymy dobrze znany nam przebieg sygnału mowy czy muzyki, ale w środku toru wzmacniacza zobaczymy tylko jakieś przedziwne prostokąty, trójkąty i temu podobne, nie mające wiele wspólnego z muzyką!



Tu w zależności od temperamentu, jedni zapytają „Po co tak dziwnie robić?” a inni „A jak to działa?”
Postaram się odpowiedzieć na obydwa, najpierw „po co”, a potem „jak”.
- Pierwsza najważniejsza kwestia „po co” to ciepło, jakie wydziela się we wzmacniaczu. Szczególnie jeśli jesteśmy pasjonatami mocy wyjściowej, okazuje się że na każde 500W skierowane do głośnika z klasycznego wzmacniacza drugie tyle trzeba odprowadzić do otoczenia jako ciepło. Ale we wzmacniaczu klasy D na ciepło dla wzmacniacza tej samej mocy idzie nie 500W, ale tylko 50W lub 25W. Wzmacniacz ma mniejsze radiatory, zasilacz do niego jest 2x mniejszy (ewentualnie wzmak może być 2x mocniejszy).
Niestety w zasadzie na tym zalety się kończą. Poza tym wzmacniacze w klasie D mają sporo wad:
-Mają większe zniekształcenia, choć i tak na ucho tego nie rozróżnimy – pewnie tym stwierdzeniem rozpętam burzę, ale co mi tam: jeśli ktoś jednak wyłapuje swoim organem 0,01% THD, to proponuję ubezpieczyć takowy na jakąś okrągłą sumkę 1.000.000USD i nie czytać dalej.
-Mają węższe pasmo od góry, zwykle kończy się niewiele ponad 20 kHz, jeśli nie mamy w rodzinie psów lub nietoperzy, lub chcemy takowym wmakiem napędzać suba, nie powinno to nam szczególnie przeszkadzać :-).
-Wprowadzają zakłócenia EMI, czyli bez ekranowania mogą brzydko zakłócić naszą ulubioną stację radiową
Ich konstrukcja jest bardziej złożona a uruchomienie bywa trudniejsze.
-Części do nich muszą być najwyższej klasy jeśli chodzi o szybkość działania, inaczej parametry poleca na łeb na szyję. Na szczęście komuna dawno odeszła w niepamięć, a Chińczyk robi nam trany i scalaki po kilka zeta za sztukę.

Tak więc jak widać nie ma róży bez kolców. Ale jeśli lubicie wyzwania, to po tym przydługim wstępie zapraszam wkrótce na kolejny odcinek, tym razem będzie bardziej konkretny.

[Profesjonalista]

Że tak powiem przyjacielu, to ja poproszę od razu kit od 2*30W do 2*150W w zależności od ceny ,trudności i wyposażenia laboratorium - w moim przypadku zerowe. Czy trzeba mieć koniecznie oscyloskop w przypadku składania w przyszłości czegoś już przetestowanego ?

[Zbig]

Zbig-u od jakiegoś czasu chodzi mi po głowie SMALA większej mocy może dokleimy to do twojego MOSFET-a ?

O topologii SMALA czyli o wspomaganiu wzmacniacza w klasie D wzmacniaczem w klasie AB, żeby zmniejszyć jego zniekształcenia myślałem gdy zrobiłem wersję z mikroprocesorem i jego wewnętrznym PWM-em, który okazał się za słaby i generował bardzo duże zniekształcenia.
Zarzuciłem jednak ten pomysł, bo wyszło mi, że taka kompensacja nie jest trywialna.

-układ musi być mostkowy (wbrew temu, co niektórzy sugerują), bo wzmacniaczy nie da się połączyć równolegle – zrobimy po prostu zwarcie, chyba że chcemy „sumować” sygnały na oporności włączonych mosfetów + impedancji zasilacza :-(.

a więc dalej rozważajmy tylko układ mostkowy:

-wzmacniacz liniowy musi być wysokoprądowy (przejmuje cały prąd głośnika) ale zasilany niskim napięciem (żeby miał małe straty), więc konieczne jest osobne zasilanie.

-wzmacniacz liniowy musi być o wybitnie niskiej impedancji wyjściowej i liniowej charakterystyce tej impedancji w sytuacji „zasilania” wyjścia wzmacniacza liniowego przez ten w klasie D – mało kto zwraca uwagę na taki parametr konstruując wzmacniacze

-liniowy powinien mieć jak najbardziej zbliżoną charakterystykę pasma, fazy i odpowiedzi impulsowej jak ten w „D” bo inaczej będzie próbował kompensować również te odchyłki, a do tego może mu zabraknąć mocy lub zacznie się przesterowywać, co tylko pogorszy THD, lub może doprowadzić do jego spalenia.

-liniowy musi być „uodporniony” na „resztki” PWM na wyjściu „D” (nie próbować ich kompensować, bo musiałby mieć pasmo rzędu 1MHz lub lepiej)

-nietrywialny jest układ sprzężenia zwrotnego dla wzmacniacza liniowego.

-cała topologia SMALA jest podatna na wzbudzenia.

Według mojej opinii lepiej jest zrobić aktywną kolumnę, gdzie wzmacniacz „D” pójdzie na dół, a środek i górę napędzi mały, ale wysokiej klasy wzmacniacz „AB”. Wyższe harmoniczne dołu „by design” nie wejdą na środek i górę, do tego nie będzie zniekształceń intermodulacyjnych pochodzących z niższych częstotliwości na głośniku średnioto/wysokotonowym, a ucho najbardziej wrażliwe i precyzyjne jest właśnie w środkowej części pasma. Czyli same zalety.

[raven1985]

-układ musi być mostkowy (wbrew temu, co niektórzy sugerują), bo wzmacniaczy nie da się połączyć równolegle – zrobimy po prostu zwarcie, chyba że chcemy „sumować” sygnały na oporności włączonych mosfetów + impedancji zasilacza :-(.

Tak ponieważ nie można łączyć źródeł napięciowych równolegle. Ale można połączyć źródło napięciowe z prądowym :)
Wzmacniacz klasy AB dostarcza napięcia do obciążenia a wzmacniacz klasy D prąd w takim wypadku nie potrzebne jest dodatkowe zasilanie.

Można też jeszcze inaczej gdzie wzmacniacz klasy D dostarcza "fruwającego" zasilania dla wzmacniacza klasy AB. Ale wtedy potrzebny jest dodatkowy zasilacz.

Można też spróbować wykorzystać stary pomysł z korekcją feedforward wtedy mały wzmacniacz AB dostarcza tylko sygnału korekcji błąd można dodawać bezpośrednio na głośniku ale wtedy wzmacniacz AB musi być wstanie przyjąć cały prąd obciążenia no i sygnał błędu musi być w odpowiedniej fazie. Innym sposobem jest wykorzystanie małego transformatorka na rdzeniu ferrytowym i znoszenia się strumieni magnetycznych w rdzeniu (transformator jest włączony w pętle nfb wzmacniacza nim sterującego a więc fakt że jest nieliniowy może być pominięty :) ) być może udało by się to jakoś zintegrować z dławikiem filtra wyjściowego.
Sporą zaletą takiego rozwiązania jest brak pętli nfb a więc bak kłopotów ze stabilnością.

[Zbig]

"Fruwające" zasilanie to jakby nie patrzeć połączenie szeregowe: "D-AB-Głośnik", identyczne z "D-Głośnik-AB" czyli z mostkiem.
Transformator może być ciekawą opcją dopasowania "typowego" wzmacniacza AB do bardzo niskiej wymaganej impedancji w "mostku" - bo nadal trafo jest szeregowo.
O zintegrowaniu z dławikiem nawet nie myśl - to trafo musi mieć więcej zwojów po stronie AB, a dławik przeciez "zasilany" jest impulsami +/- zasilanie wzmacniacza "D", po stransformowaniu na AB byłyby jakieś kilowolty! (no chyba że damy kompensację na lampie :-) )

Natomiast nie jest prawdą że wzmacniacz "D" jest źródłem prądowym (czyli ma bardzo dużą impedancję wyjściowa), bo jego impedancja wyjściowa jest sumą oporności włączonego mosfeta (moje mają 0,08 Ohma) i impedancji zasilania (kondensatorów na zasilaniu) - zdecydowanie jest to źródło napięciowe.
Poza tym trzeba zwrócić uwagę na to, że wzmacniacz w klasie "D" ma swoje własne ujemne sprzężenie zwrotne, co po połączeniu równoległym ze wzmacniaczem kompensującym spowoduje, ze obydwa będą siebie nawzajem kompensować (obydwa mają takie samo ujemne sprzężenie! ), tylko każdy na miarę swoich "możliwości". Może się okazać, że to wzmacniacz kompensujący jako szybszy przejmie na siebie całą moc wyjścia, a ten "D" jako wolniejszy będzie tylko "kompensować" do swojego poziomu :-(

SMAL to niewątpliwie ciekawy temat, ale jest to (przynajmniej na tym etapie opisu ) off-topic, więc proponuje wstrzymać się na razie z tą dyskusją.

---------- Post dodany o 22:52 ---------- Poprzedni post o 21:29 ----------

Temat numer 2, czyli zgubne skutki picia wódki
W pierwszym temacie napisałem, że we wzmacniaczu klasy D sygnały „w środku” są jakimiś prostokątami, zamiast ładnie „powyginanymi” sygnałami dźwięku. Trzeba więc wytłumaczyć jaki mają one związek z dźwiękiem? Bo rzeczywiście maja i to spory.

Zaczniemy jednak od pojęcia wartości skutecznej napięcia. Wiele urządzeń zamienia prąd elektryczny na coś innego, np: ciepło(grzejnik), światło(żarówka) lub ruch(silnik).
Wiele z nich może być zasilane różnego rodzaju napięciem: stałym lub zmiennym z dokładnie takim samym skutkiem (np. żarówka świeci dokładnie tak samo jasno) – pod warunkiem, że zmierzona wartość tego napięcia tzw. wartość skuteczna jest taka sama. Powiem więcej – gdyby żarówkę podłączyć do napięcia nie 230V, ale 460V i bardzo, bardzo szybko włączać i wyłączać napięcie tak, żeby przez połowę czasu była włączona a połowę wyłączona, to skutek będzie taki sam – żarówka będzie świecić tak samo jasno, czyli skuteczna wartość napięcia będzie taka sama


To trochę jak z przesuwaniem szklanki o 20 centymetrów w bok. Ostatecznie nie ma znaczenia czy przesuniemy ją wolno, szybko, jednym ruchem, czy 20 razy po 1 centymetr, jeśli ostatecznie znajdzie się w tym samym miejscu, skutek będzie taki sam.
Podobnie rzecz się ma z głośnikiem (przykład z niskotonowym), jeśli podłączymy go np. do bateryjki 1,5V membrana się wychyli do pewnego poziomu (np. o 1 cm). Gdy podłączymy 3V wychyli się o 2cm, ale udało by nam się włączać i wyłączać równo i szybciej niż 20.000 razy na sekundę, to skutek będzie taki, że membrana wychyli się o 1 cm i będzie nieruchomo – dokładnie tak samo jak przy 1,5V podłączonym na stałe. Jeśli bateryjka 3V byłaby włączona przez 1/4 czasu, a wyłączona przez 3/4 czasu, to membrana wychyli się o 0,5cm. I to jest właśnie cała zasada działania wzmacniacza w klasie D: bardzo szybko włączać i wyłączać (setki tysięcy razy na sekundę – mój wzmacniacz robi to 500.000 razy na sekundę!) i tak dobrać czas włączenia i wyłączenia, żeby skutek dla głośnika był dokładnie taki sam, jak gdyby napięcie zmieniało się liniowo w takt muzyki.
To właśnie dlatego wzmacniacze w klasie "D" są nazywane wzmacniaczami impulsowymi - "w środku" sygnały są właśnie odpowiednio spreparowanymi impulsami, a nie liniowo zmieniającym się napięciem.



Tu niektórzy ostro zaprotestują: Nieprawda, na wyjściu są dławiki i filtry! To one zamieniają impulsy na liniowe przebiegi! Otórz do samego odtworzenia muzyki z impulsów filtry wcale być nie muszą. Wzmacniacze małej mocy do urządzeń przenośnych (np. dostępny w AVT scalony wzmacniacz 2x1W) często są przeznaczone do pracy bez żadnych elementów filtrujących! Oczywiście we wzmacniaczach które nas interesują są filtry wyjściowe i to bardzo potrzebne, ale o tym napiszę w kolejnym odcinku.

[raven1985]

Zbig-u wydaje mi się że nie do końca się rozumiemy :) Przepraszam za offtopic coś może polutuje kiedyś to pogadamy w tedy :)

[Profesjonalista]

Ja mam pytanie - dlaczego nie można od razu dać z generatora np. 5 mhz ? czy było by lepiej ?

[raven1985]

Pewnie że by było lepiej może za parę lat będzie to możliwe na dzień dzisiejszy nie ma dostępnych takich szybkich tranzystorów. Rzeczywiste tranzystory włączają się i wyłączają w skończonym czasie, w tym czasie tranzystor pracuje w stanie aktywnym i wydziela się na nim moc strat im szybciej przełączasz tym więcej tej mocy jest traconej.
Ale ten problem można obejść i są już takie wzmacniacze które efektywnie pracują na 8Mhz niestety nie mam nic za darmo... ale jak to jest robione może napisze nieco później.