Wie könnte man effektiv und verlässlich die Verzerrungen digitaler
Endverstärker durchrechnen oder simulieren?
Es geht um digitale Leistungsstufen mit >500W Effektivleistung mit
Frequenzen bis 50kHz. Aus Erfahrung weiß ich, dass pSPICE-Simulationen
nur so lala zum Einstellen von Totzeiten taugen und auch deren
Übertragungsverhalten nicht so gut modelliert ist, dass man daraus
vereinfachte digitale Taktschemata ableiten und Oberwellen berechnen
könnte. Rein analytisch tue ich mich auch schwer. Die Zerlegung der
Schaltpulse mit Totzeit in Oberwellen nach Fourier klappt zwar, aber die
Ergebnisse sind zu ungenau.
Die Frage dreht sich momentan darum, mit welchen Taktfrequenzen eine
digitale Stufe arbeiten müsste, um 50kHz mit einem maximalen Klirr von
1% abzubilden und wie ich den filtern kann. Und es geht darum, wieviele
Schaltstufen sie bräuchte, um dahin zu gelangen:
Eine einfache H-Brücke und fette Drosseln alleine scheiden da wohl aus,
nehme ich an. Es braucht sicher eine mehrstufige Umrichterschaltung.
Edi M. schrieb:> Wie könnte man effektiv und verlässlich die Verzerrungen digitaler> Endverstärker durchrechnen oder simulieren?
Ist das ein rein theoretisches Projekt, oder möchtest Du hinterher eine
funktionierende Hardware haben?
Für eine Hardware musst Du bei 500W so einige Probleme lösen:
- PWM-Schaltfrequenz ca. 500kHz erzeugen
- MOSFET-Ansteuerung (mit Gateströmen >> 1A)
- Impulsfeste Spannungsversorgung
- Ausgangsfilter (bis ca. 50A?)
- Snubber-Dimensionierung
- MOSFET-Kühlung
- Leiterplatte für Ströme von ca. 50A?
Der rein theoretische Ansatz bringt Dich bei der praktischen
Realisierung kaum weiter.
Allenfalls sollte man realistisch bleiben. Klirrfaktor bei welcher
Frequenz ? Was ist denn die Anwendung ? Delphine aufscheuchen ? Fuer
Fledermaeuse wuerde weniger Leistung genuegen.
Audio eher nicht. Zum Einen ist den Audioleuten 1% klirr viel zuviel,
zum Anderen sind 50kHz zu hoch. Bis diese Leute in der Lage sind ihre
Ansprueche zu bezahlen, sind sie schon halb taub uberhalb 5kHz.
Die Frequenzen sind leider nicht schmalbandig, sondern BIS ZU 50kHz. Die
Anwendung ist kein Audio. 1% Klirr wäre da zu viel.
Worauf es mir ankommt, wäre in etwa zu wissen, wie ich anfangen kann und
womit.
PWM Schaltfrequenz von 500kHz scheint mir schon recht hoch, für das, was
MOSFETs so schalten.
Die PWM soll entsprechend fein aufgelöst werden, sagen wir, mit z.B.
4ns. Das wären dann scheinbare 250MHz/500 = Faktor 500. Aber reicht das
für 1% Klirr?
Die Dynamik einer PWM ist ja irgendwie Frequenz x Amplitude. Kann ich
daraus die Amplitudenreserve/Auflösung bestimmen?
Wie müsste ich die 500 des Faktors mit der Überabtastung 500/50 und der
Amplitudenauflösung in Verbindung bringen?
Ich würde jetzt rechnen, dass der maximale Anstieg eine volle 1 bei
vorheriger 0 ist und damit 1/500 je 2ns Anstieg möglich wären. Macht in
% genau 0,1% / us. Bei 50kHz stehen 20us zu Buche, macht 2%
Signaländerung je Sample. Wären 50 Stufen maximale Dynamik.
Andere Meinungen?
1% THD bei 50khz und welcher Messbandbreite?
Welche Impedanz ist zu treiben - daraus ergibt sich die anzupeilende
Betriebsspannung.
500kHz Schaltfrequenz sind bei class-d Stand der Technik.
Und bei 50kHz verzerrungsarmer Bandbreite wohl eher eine
Mindestforderung.
Ansonsten kann ich Dir von einem diskreten Design aufgrund der zu
erwartenden Schwierigkeiten nur abraten - schau Dir mal die integrierten
TPA3255 etc von TI mal an.
Edi M. schrieb:> Andere Meinungen?
Fang doch mit Deinen Überlegungen einfach vorne an.
Was sind die Voraussetzungen für Deinen Verstärker:
- Größe und Art der Betriebsspannung?
- Größe der Last (auch induktive oder kapazitiv)?
- Halbbrücke oder Vollbrücke?
- Galvanische Trennung?
Wenn Du diese Fragen beantwortet hast, dann kann überlegt werden, ob ein
analoger, ein rein digitaler oder ein Aufbau mittels integriertem Chip
sinnvoll ist.
Und Frequenzbereich. Es ist nur die Obergrenze gegeben. Zweitens mit
welcher Geschwindigkeit diese sich aendert, fals eine Festfrequenz
verwendet wuerde. Gan anders waere es wen ein breitbandiges Signal
uebertragen werden soll.
Der TO ist schon laenger hier im Forum und weiss das eigentlich. So wie
es aussieht anscheinend auf dem smartphone getippt und daher wenige
Angaben.
Mathematisch malt man sich die Kurven auf, baut die Funktion oder die
Kurvenpunkte zusammen. Mit wxmaxima berechneten Fourierkoeffizienten
ergeben sich die Klirrfaktoren.
Mark S. schrieb:> 1% THD bei 50khz und welcher Messbandbreite?
Die Frage ist berechtigt: Die Bandbreite ist nicht unendlich, was für
die Messung freundlich wäre. Ich sage jetzt mal 1MHz bis 10MHz maximal.
Den Rest macht die Eingangskapazität der Zielhardware platt.
Dieter schrieb:> Und Frequenzbereich. Es ist nur die Obergrenze gegeben. Zweitens mit> welcher Geschwindigkeit diese sich aendert, fals eine Festfrequenz> verwendet wuerde.
Theoretisch DC, praktisch momentan vielleich 1kHz oder auch weniger. Ich
meine aber, dass die Obergrenze das Problem sein müsste, oder?
Die Änderung der Frquenzen ist in den 50kHz mit drin, weil sich die dort
ja ebenfalls als Frquenzsteigerung abbildet.
dieter.h. schrieb:> - Größe und Art der Betriebsspannung?
Kann festgelegt werden. Die 500Watt sind pro Stufe und werden einzeln
gerechnet. Parallelbetrieb löst die Zielhardware mechanisch. Ich denke
momentan an 10A und 50V. Spitzenspannung Richtung 100V, also
Schaltspannung noch etwas höher. 150V wären kein Problem.
> - Größe der Last (auch induktive oder kapazitiv)?
Für den Verstärker überwiegend induktiv, dahinter schwach kapazitiv.
> - Halbbrücke oder Vollbrücke?
Ideal Vollbrücke, geht aber wegen den Anforderungen nicht. Daher denke
ich an eine Serienschaltung von mehreren Stufen, die den Sollstrom
feiner aufrastern, als nur on/off.
> - Galvanische Trennung?
Nein.
Edi M. schrieb:>> - Halbbrücke oder Vollbrücke?> Ideal Vollbrücke, geht aber wegen den Anforderungen nicht.
Vollbrücke geht also wegen der Anforderungen nicht? Also geht
Halbbrücke, aber Vollbrücke nicht? Weshalb genau ist das so?
> Daher denke ich an eine Serienschaltung von mehreren Stufen,> die den Sollstrom feiner aufrastern, als nur on/off.
Du meinst einen Multi-Level-Converter, der unterschiedliche
Spannungslevel an den Schaltknoten legt. Tja, dafür wäre aber
definitiv eine komplexe Schaltungstopologie nötig. Ob das wohl
die_Anforderungen zulassen?
Natürlich würde das der (hier scheinbar anspruchsv.) Auslegung
des Ausgangsfilters sehr zugute kommen, mehrere Spannungslevel
am Ausgang bereitstellen zu können.
Auch ist das eine Stufe, da keine n Konverter hintereinander.
Mehrstufig wäre ein modernes Netzteil: PFC + DC-DC = 2 Stufen.
(Korinthengek..., auch ohne PFC: Graetz mit Glättung = 1 Stufe)
Junge, Junge... sparsam an Infos, dabei enthaltene Fachbegriffe
falsch angewendet - teils ziemlich verwirrend, das alles.
Edi M. schrieb:>> - Größe der Last (auch induktive oder kapazitiv)?> Für den Verstärker überwiegend induktiv, dahinter...kapazitiv.
Es wurde nach der Größe gefragt - also nach konkreten Werten.
(Von mir aus: Welche Werte konkret am Verstärker und welche
konkret dahinter - vielleicht eröffnet sich dabei noch, was
das überhaupt genau heißen sollte, das "dahinter".)
Du solltest weder Daten zum Projekt auslassen, noch versuchen,
so zu tun, als seiest Du ein absoluter Vollprofi oder was.
Ohne ersteres wird es definitiv nichts werden. Jegliche Versuche
bezüglich zweiterem sind äußerst störend dabei, Dir wenigstens
halbwegs bei Deinem Ansinnen folgen zu können.
Offenheit wäre die Devise. Dann käme man hier endlich voran.
Da ich Digitalverstärker im sehr hohen Leistungsbereich entwickle, hätte
ich schon einige Ideen, was so alles möglich ist und wie Probleme dabei
zu lösen sind.
Leider verstehe ich an vielen Stellen auch nicht, was mit den teilweisen
sehr wirren Angaben gemeint ist. Deshalb also nochmal meine Bitte,
welche technischen Daten sind zu erreichen und wie sehen die
Voraussetzungen dazu aus? (Also: max. Ausgangsspitzenstrom, Daten der
Last, Versorgungsspannung, Grenzfrequenz (-3dB), ... und das in klaren
Worten!)
Edi M. schrieb:>> - Größe und Art der Betriebsspannung?> Kann festgelegt werden. Die 500Watt sind pro Stufe und werden einzeln> gerechnet. Parallelbetrieb löst die Zielhardware mechanisch. Ich denke> momentan an 10A und 50V. Spitzenspannung Richtung 100V, also> Schaltspannung noch etwas höher. 150V wären kein Problem.
Was genau ist denn das für eine mechanische Hardware?
Edi M. schrieb:>> - Halbbrücke oder Vollbrücke?> Ideal Vollbrücke, geht aber wegen den Anforderungen nicht. Daher denke> ich an eine Serienschaltung von mehreren Stufen, die den Sollstrom> feiner aufrastern, als nur on/off.
Was meinst du mit "Serienschaltung von mehreren Stufen? Einen
kaskadierten Multilevel Konverter?
Dann macht das:
Edi M. schrieb:> Ideal Vollbrücke, geht aber wegen den Anforderungen nicht.
wiederum nicht so wirklich Sinn.
Erzähl doch mal ein bisschen mehr...die Anwendung eines solchen Systems
würde mich schon interessieren.
Die bisherigen Angaben wären vergleichbar mit einem digitalen Verstärker
für ein Ultraschallreinigungsbecken.
Wenn die Schwankungen der Frequenz und Bandbreite gering sind, dann
könnte ein simpler Rechteckgenerator mit nachgeschaltetem Tiefpass und
dahinter ein aktives Filter ausreichende Qualität liefern.
Bei mehr Veränderlichen und Bandbreite, muss der Kurvenverlauf mittels
PWM (deutlich höher als 50kHz) nachgebildet werden. Ein Tiefpass ist zur
Unterdrückung der PWM-Frequenzen notwendig.
Wenn das nicht aussreicht, d.h. die Regelung der PWM wäre zu ungenau,
gäbe es noch die Ergänzung um ein aktives Filter zur
Qualitätsverbesserung.
Ausgehend davon, dass immer voll ausgesteuert würde, würde die
Genauigkeit von 8bit für die PWM reichen. Bei kleineren "Lautstärken"
steigt aber die Ungenauigkeit an. Vollpegel: Fehler Klirr ist 1/127, bei
10% Pegel Klirr ist 1/12,7. Die Regelung/Steuerung kann auch analog
ausgeführt werden. Da wären die Verhältnisse anders.
