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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Class D Verstärker mit Mikrocontroller: wie gegen Kurzschluss absichern?


Autor: Ralf (Gast)
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Hallo,

ich spiele gerade mit dem Gedanken, einen (minimalen) Class D Verstärker 
mittels Mikrocontroller zu realisieren.

Ich habe mir dazu von diversen Herstellern entsprechende AppNotes über 
die grundlegende Funktionsweise durchgelesen. Was ich noch nicht ganz 
verstehe ist folgendes:

Die beiden Ausgänge sind grob gesagt ja immer invertiert zueinander 
angesteuert, damit der Lautsprecher entsprechend Energie bekommt. Als 
einzig relevanter ohmscher Widerstand innerhalb der Schaltung ist ja nur 
der Lautsprecher vorhanden.

Wie ist sowas nun gegen vollen Kurzschluss abgesichert? Gerade wenn man 
die Ansteuerung mit einem Mikrocontroller realisiert, kann es ja am 
Anfang passieren, dass die Software mal hängen bleibt. Und dann würde 
doch quasi die Versorgungsspannung kurzgeschlossen, oder?
Fügt man generell eine Totzeit in die PWM ein, bei der beide Ausgänge 
den gleichen Zustand haben?

Und wie ist das generell im laufenden Betrieb? Hier wirkt die 
Filterschaltung als Strombegrenzung, oder? D.h. ich muss die Impedanz 
der Filterschaltung bei einem PWM-Signal berechnen, um sicher zu 
stellen, dass mir nix abraucht?

Ralf

Autor: voltwide (Gast)
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Eine wirksame Strombegrenzung mißt den Ausgangsstrom und schaltet im 
Fehlerfall ab. Die erforderlichen Reaktionszeiten für 
kurzschlusssicheren Betrieb dürften insgesamt zwischen 10 und 100ns 
liegen. Genau aus diesem Grunde habe ich diskrete Lösungen schon seit 
Längerem aufgeben zugunsten von ICs mit integriertem Überstrom- und 
Übertemperaturschutz.

Autor: Ralf (Gast)
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Hi Voltwide,

das hatte ich befürchtet :/
Mal schauen ob/wie ich das lösen kann.

Ralf

Autor: Mr Moe (Gast)
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Hallo Ralf,

du kannst ja zunächst einfache Widerstände zur Strombegrenzung einbauen. 
Wenn dann alles funktioniert, kannst du sie wieder entfernen. Entwickeln 
möchtest du ja sowieso nicht mit einem Lautsprecher, dass könnte bei 
Testsignalen schnell sehr nervig sein ;-), sondern mit Oszi und einer 
Widerstandslast.

Totzeit musst du einbauen, damit nicht beide Transistoren gleichzeitig 
durchschalten und die Spannungsversorgung kurzschließen. Es gibt 
Kontroller, die sowas direkt mit integrieren. Welchen wolltest du denn 
nehmen?

Viele Grüße

Moe

Autor: ths (Gast)
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Google mal nach Antikoinzidenzschaltung.

Autor: Klaus Ra. (klara)
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Ralf schrieb:
> ich spiele gerade mit dem Gedanken, einen (minimalen) Class D Verstärker
> mittels Mikrocontroller zu realisieren.

Wie soll denn das funktionieren?

Hier sind aktuell ein paar Punkte zu Class-D angesprochen. Ich habe da 
auch etwas ganz Einfaches.
Beitrag "Re: Trianglewave opamps"

mfg klaus

Autor: Ralf (Gast)
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Hallo zusammen,

@Mr Moe:
> du kannst ja zunächst einfache Widerstände zur Strombegrenzung einbauen.
> Wenn dann alles funktioniert, kannst du sie wieder entfernen. Entwickeln
> möchtest du ja sowieso nicht mit einem Lautsprecher, dass könnte bei
> Testsignalen schnell sehr nervig sein ;-), sondern mit Oszi und einer
> Widerstandslast.
Och, ich bin da durchaus tolerant, je mehr es quiekt und schnarrt, desto 
schneller will man den Fehler finden grins
Aber die Widerstände sind ein guter Tip, gerade für den Anfang.

> Totzeit musst du einbauen, damit nicht beide Transistoren gleichzeitig
> durchschalten und die Spannungsversorgung kurzschließen. Es gibt
> Kontroller, die sowas direkt mit integrieren. Welchen wolltest du denn
> nehmen?
Einen Cypress PSoC 5LP. Die Komparatorausgänge können +-25mA treiben 
(leider nicht rail-to-rail). Die Hardware-PWM unterstützt invertierte 
Ausgänge, und eine Totzeit kann man auch mit reinnehmen.

@ths:
> Google mal nach Antikoinzidenzschaltung.
Mach ich, danke =)

@Klaus Ra:
>> ich spiele gerade mit dem Gedanken, einen (minimalen) Class D Verstärker
>> mittels Mikrocontroller zu realisieren.
> Wie soll denn das funktionieren?
Siehe oben die Erläuterung. Würd ich gern mal so ausprobieren.

> Hier sind aktuell ein paar Punkte zu Class-D angesprochen. Ich habe da
> auch etwas ganz Einfaches.
Danke, les ich mir gleich mal durch.

Ralf

Autor: MaWin (Gast)
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Ralf schrieb:
> ich spiele gerade mit dem Gedanken, einen (minimalen) Class D Verstärker
> mittels Mikrocontroller zu realisieren.

Du hast offensichtlich überhaupt nicht verstanden wie ein Class-D 
Verstärker funktioniert.

Für Audio (20kHz) in normaler Qualität (16 bit) muss der auf 350ps 
(1/(2^16)/44000) genau schalten (ja, Picosekunden)

Wie willst du das mit einem uC getimt hinbekommen ?

Kommerzielle schaffen das übrigens auch nicht, aber irgendwo im 
Nanosekundenreich, daher eher für Subwoofer).

Autor: Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)
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So genau muß man das auch nicht "timen". Die für Class-D Verstärker sehr 
gut klingenden Tripath-ICs arbeiten mit 200kHz bis 1,5Mhz Taktfrequenz, 
nicht mehr. Das ist auch genug, weil die Gates der im Stromverstärker 
eingesetzten FETs auch noch bei dieser Geschwindigkeit sehr schnell 
umgeladen werden müssen. Bei zu geringer Taktfrequenz steigen halt die 
Verzerrungen bei hohen Frequenzen, aber mehr nicht. Die Generation 
Kopfhörer bemerkt davon nichts.

Das D hat wie ich schon woanders schrieb nichts mit "digital" zu tun. Es 
ist und bleibt eine rein analoge Schaltung, die ein PWM-Signal erzeugt, 
aus dem mit einem LC-Lowpassfilter das (verstärkte) Audiosignal 
zurückgewonnen werden kann. Ob mab das nun mit einem µC macht oder mit 
z.B. einem Sigma-Delta-Modulator ist egal. Das "digital" ist nur ein 
Werbeversprechen der frühern 80er Jahre, als diese Endstufen aufkamen 
und "digital" Modernes, Fortschrittliches suggerierte, das D kommt von 
der fortlaufenden Bezeichnung der Endstufen-Topologie wenn man das so 
nennen möchte.

Für den Audiobereich runtergebrochen könnte das so sagen:

Class-A: (Eintakt-) Endstufen mit Konstantstromquelle und 100% 
Ruhestrom. Auch bekannt als audiophile Heizung. Was an Energie nicht im 
Lautsprecher landet, wird im Stromverstärker verheizt. Bester Klang, 
schlechtester Wirkungsgrad.

Class-B: (Gegentakt-) Endstufen ohne Ruhestrom. Deutlich besserer 
Wirkungsgrad als Endstufen in Class-A, allerdings Übernahmeverzerrungen 
um den Nulldurchgang, wenig bis gar nicht für Audio zu gebrauchen. Wird 
in Sende-Endstufen mit hoher Leistung verwendet, wo die Verzerrung keine 
große Rolle spielt.

Class-A/B: Wie Class-B, aber mit geringem Ruhestrom. Bedeutet, daß im 
Bereich des Nulldurchganges beide aktiven Transistoren geringfügig 
leiten, die Endstufe arbeitet in diesem Bereich als Class-A Endstufe und 
hat dadurch keine oder nur sehr geringe Übernahmeverzerrungen. Bei 
höherer Leistung (Ausgangsstrom überschreitet den Ruhestrom) arbeitet 
die Endstufe als Class-B ohne Ruhestrom. Etwas geringerer Wirkungsgrad 
als Class-B, aber deutlich besser als bei Class-A.

Class-C: HF-Endstufe, benötigt eine abgestimmte Last (Schwingkreis), 
sonst extreme Verzerrungen. Sehr guter Wirkungsgrad, 
Standard-Sendeendstufe für kleine bis mittlere Leistungen, für Audio 
eigentlich uninteressant.

Class-D: PWM-Endstufen. Erzeugen ein PWM-Signal und gewinnen das 
Eingangssignal durch ein LPF zurück. Sehr guter Wirkungsgrad bei hohen 
Leistungen, meist aber höherer Leerlaufstrom als bei Class-A/B, bedingt 
durch die Treiberleistung für die PWM-gesteuerten Stromverstärker. Bei 
geringer Taktfrequenz Verzerrungen bei hohen Wiedergabe-Frequenzen. Sehr 
gut geeignet für hohe Leistung bei geringer Frequenz (Subwoofer), für HF 
unbrauchbar bzw. nicht sinnvoll.

Class-E und Class-F: HF-Endstufen, für Audio wenig interessant.

Class-G: Endstufen mit geschalteter Spannungsversorgung. Der 
Stromverstärker einer Class-A/B-Endstufe wird bei geringer Leistung mit 
einer niedrigen Spannung versorgt, bei hoher Leistung wird auf eine 
höhere Spannung umgeschaltet, dadurch deutlich besserer Wirkungsgrad bei 
geringer Last.

Class-H: Endstufen mit nachgeführter Spannung. Der Stromverstärker einer 
Class-A/B-Endstufe wird mit einer Spannung betrieben, die (ggf. 
teilweise) dem Eingangssignal nachgeführt wird. Gewissermaßen übernimmt 
das Netzteil eine "Grobregelung" und die Class-A/B-Endstufe die 
Feinheiten. Dadurch verbessert sich der Wirkungsgrad gegenüber Class-G 
weiter, stellt aber hohe Anforderung an das Netzteil (schnell regelbare 
Ausgangsspannung, hohe Impulsströme durch wenig Siebkapazität).

Vielleicht trägt das mal zur Aufklärung bei wo das D herkommt.

Autor: Ralf (Gast)
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@MaWin:
>> ich spiele gerade mit dem Gedanken, einen (minimalen) Class D Verstärker
>> mittels Mikrocontroller zu realisieren.
> Du hast offensichtlich überhaupt nicht verstanden wie ein Class-D
> Verstärker funktioniert.
Korrekt. Deswegen wollt ich's ja auch mal probieren :)
Ich brauch keine 44kHz und 16-Bit, ich möchte einfach generell Sound 
damit erzeugen. Da tut's wahrscheinlich auch 8-Bit und 8kHz oder was 
auch immer, so lange man etwas mehr damit machen kann als einen 
Lautsprecher mit Rechteck und variabler Frequenz anzusteuern ist das 
doch schon mal ein Anfang...

@Ben B:
Vielen Dank für die Erläuterungen, interessant zu wissen was es da so 
alles gibt und v.a. dass die Reihenfolge "umgekehrt", also Class-A nicht 
unbedingt das beste ist. Von A bis D kannte ich es schon, aber dass es 
noch weitere gibt wusste ich nicht.

Ralf

Autor: MaWin (Gast)
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Ben B. schrieb:
> So genau muß man das auch nicht "timen". Die für Class-D Verstärker sehr
> gut klingenden Tripath-ICs arbeiten mit 200kHz bis 1,5Mhz Taktfrequenz,
> nicht mehr.

Auch du hast offensichtlich die Funktion eines Class-D Verstärkers nicht 
mal ansatzweise verstanden. Es kommt nicht auf die Wiederholfrequenz an 
(solange die hoch genug ist) sondern auf die Präzision mit der die 
Analogspannung in PWM gewandelt wird, und dabei eben auf die 
Spannungsauflösung des Vergleichers (10 bit reichen jedrnfalls nicht) 
und Präzision mit der bei Vergleicherkennung die Endstufe schaltet (ob 2 
us später wäre egal, dann aber immer 2.000 us später und nicht einmal 
2.001 us).

Eine Strombegrenzung im Testexemplar kann man einfach durch eine 
Srrombegrenzung im Netzteil erreichen, aka Labornetzteil).

Ja, mit 8 bit PWM von 1.84MHz konnte man schon im leidigen IBM PC 
(Standardausstattung - Piepser) krächzig Musik und Sprache wiedergeben.

Autor: Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)
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Mal wieder typischer MaLose-Bullshit.

Für die Endstufe ist die Spannungsauflösung unerheblich, solange die 
Regelschleife schnell genug ist, so daß man die Fehler nicht hört. 
Dieses Prinzip nutzt man beim Sigma-Delta-Modulator, der hat nur 1 Bit 
Auflösung wenn man das so sagen möchte. Diese Ungenauigkeit wird mit 
einer sehr hohen Abtastrate korrigiert (Oversampling) bzw. mit einem 
analogen Komparator, der die PWM formt. Der LPF am Ausgang bügelt 
sowieso die ganze PWM raus, egal wie sie aussieht oder welche genaue 
Frequenz sie hat. Sigma-Delta-Modulatoren als PWM-Endstufe können ohne 
feste Taktfrequenz laufen, diese stellt sich durch die Gegenkopplung 
selber ein und wenn sie hoch genug liegt (Regelschleife schnell genug, 
geringe Komparator-Hysterese) bleibt davon nach dem LPF nichts übrig, 
was man hören könnte.

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