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
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.
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
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
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
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).
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.
@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
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.
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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