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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Subwoofer H-Brücken Class-D Amp


Autor: MN (Gast)
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Hallo Leute,

ich möchte einen Class-D Amp bauen und habe das mal im Spice simuliert.

Kurze Info vorab:
Ich möchte am Ausgang einen Gatetreiber und Mosfets verwenden, die am 
Ausgang eine Rise- / Falltime von ca 300ns haben im Leerlauf (das ist so 
gesetzt einfach mal).
Hintergrund ist der: Ich möchte einen System-Demonstrator aufbauen, der 
einen Gatetreiber + Leistungsmosfets verwendet, die eigentlich für 
Motor-Control Anwendungen gedacht sind (darf hierzu keine näheren 
Angaben machen).
Ich habe bei den Halbbrücken wie oben geschrieben im Leerlauf eine Rise- 
/ Falltime von ca 300 ns gemessen.

Idee ist, dass man zu Showzwecken das ganze "Zweckentfremdet" um einen 
Subwoofer-Verstärker zu bauen.

Ich habe jetzt einfach einen High/Lowside Treiber von LT verwendet und 
mit den Gatewiderständen ca die Rise- / Falltime nachgebildet.

Jetzt kenne ich mich leider nicht wahnsinnig mit Audio aus und habe mich 
an ein paar Schaltungen im Netz orientiert.

Angefangen habe ich jetzt mit dem LTC6992 Modulator um das Audiosignal 
zu modulieren.
Da es ein Subwoofer wird, wird die maximale Audiofrequenz bei ca 120 Hz 
begrenzt. Als PWM Frequenz möchte ich 20 kHz verwenden.


Ich hätte allerdings ein paar Fragen bzgl. des Feedback-Loops:
Wie wird dieser korrekterweise realisiert. Ich habe ja damit zu kämpfen, 
dass die Busspannung an den Brücken einbricht -> das versucht man damit 
ja "auszuregeln".
Ist der LTC6992 überhaupt sinnvoll für diesen Anwendungszweck?

Bzw. hat jemand direkt bessere Ideen wie ich das realisieren könnte?

Danke vorab.

: Verschoben durch Moderator
Autor: MN (Gast)
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Und noch eine Frage:

Man will bei einem Audioamp ja einen fixen Voltage-Gain haben:

In meinem Fall kann man den Voltage-Gain ja dadurch berechnen, dass man 
sagt mit 0.5V Amplitudenausschlag (bei 0.5V Offset) am Modulator 
moduliert er die vollen 100% -> Busspannung ist ja auch fix bei 12V.

Aber ich möchte den Voltage-Gain gerne über das Feedback konfigurierbar 
machen.
Macht man das dann überhaupt mit dem Feedback in dem Sinne und dient das 
Feedback nur um den THD zu verbessern und voltage-gain über 
Spannungsteiler / voltage-amp vor dem Modulator ?

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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MN schrieb:
> Aber ich möchte den Voltage-Gain gerne über das Feedback konfigurierbar
> machen.

Dann mach das doch. Schalt einen OpAmp vor den Modulator und lege den 
gefilterten Ausgang auf den -Input und dein Audio auf den +Input. 
Genauso wird das auch in anderen Endstufen gemacht und über die 
Widerstände im -Zweig bestimmst du die Verstärkung.
Ob das dann auf einen PWM-Modulator und H-Brücke geht oder auf eine 
Class B Endstufe, spielt dabei keine Rolle.

MN schrieb:
> Macht man das dann überhaupt mit dem Feedback in dem Sinne und dient das
> Feedback nur um den THD zu verbessern und voltage-gain über
> Spannungsteiler / voltage-amp vor dem Modulator ?

Deswegen und aus Stabilitätsgründen. Niemand möchte eine Endstufe, die 
wegen Drift im Modulator anfängt, DC am Ausgang zu liefern.

Autor: A-Freak (Gast)
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Meiner Meinung nach wäre es sinnvoller das ganze freischwingend 
aufzubauen, so in Anlehnung an Delta-Sigma-Modulator oder ganz brutal 
als Zweipunktregler.

Autor: Michael B. (laberkopp)
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MN schrieb:
> Wie wird dieser korrekterweise realisiert. Ich habe ja damit zu kämpfen,
> dass die Busspannung an den Brücken einbricht -> das versucht man damit
> ja "auszuregeln".

Ja.

Siehe
https://www.intersil.com/content/dam/intersil/docu...

MN schrieb:
> Ich habe bei den Halbbrücken wie oben geschrieben im Leerlauf eine Rise-
> / Falltime von ca 300 ns gemessen.

Das ist für Audio eine halbe Ewigkeit, eine Grössenordnung zu hoch.

Die MOSFETs lesen sich im Infineon-Werbetext gut, angeblich superschnell 
und ultra low gate charge, aber dann stehen dort wahnwitzige 12nF, die 
sind völlig ungeeignet, zudem mit ihrer Auslegung nur 40V aber 124A an 
der Last von 4 Ohm weit vorbei.

Autor: guck mal (Gast)
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Michael B. schrieb:
> Das ist für Audio eine halbe Ewigkeit, eine Grössenordnung zu hoch.

Nun ja, ...

MN schrieb:
> Subwoofer ... max. Audiofrequenz bei ca 120 Hz
> ... PWM Frequenz möchte ich 20 kHz verwenden.

Das sollte doch locker gehen, falls es dabei bleibt.

Autor: guck mal (Gast)
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Welche weiteren "Entschärfungen" fürs Design ergeben sich evtl. daraus?
(Und: Weitere mögliche Anwendungen der Übermodulation, bzw. sogar 
Auslegung der Hardware dafür, für beides, also max. 120Hz-Audio + 
bestimmte Motoren?)

Autor: MN (Gast)
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Habe am AMP mal weiter simuliert...
Habe die Brückentreiber mal rausgeschmissen, da die so viel 
Rechenleistung gefressen haben und die Simulation sehr langsam war.

Ich bin im Netz auf eine Schaltung mit einem TL494 Modulator gestoßen, 
die ich jetzt mal zumindest ähnlich nachgebaut habe.
Das Feedback realisiere ich über einen Differenz-Amplifier.

Laut simu geht das recht gut.
Was meint ihr?

Autor: guck mal (Gast)
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MN schrieb:
> Was meint ihr?

Schade, ich darf auf diesem Rechner LTSpice nicht installieren.

Aber ganz allgemein - für nur so dermaßen niedrige Frequenz "geht so 
einiges". Als Extrembeispiel (aus der reinen Erinnerung):

Ein Bekannter wollte irgendwann um 2010 mal unbedingt aus vorhandenen
Teilen einen solchen Verstärker, ebenfalls nur bis max. 150Hz glaube 
ich, bauen. Er hatte auch den TL494 in der Kiste. Und machte alles auf 
Lochraster...  manno, da war echt vieles "try and error".  :-)

Weil er noch dazu weder passende P-Fets für die Endstufe, noch einen 
gebootstrappten Gate-Treiber vorrätig hatte, wurde sogar ein GDT 
gewickelt (4 Versuche waren nötig, bis der saubere Pulse brachte), dann 
noch BD139 und BD140 davor - schon konnten zwei N-Fets benutzt werden.

Ehrlich, ich weiß nicht mehr, wie er den TL494 genau beschaltet hatte. 
Jedenfalls waren die Ausgänge parallel ("uncommitted outputs" - Du weißt 
ja) an die BDs gekommen, da bin ich recht sicher.

Lustigerweise setzte er nach Tests mit einem "richtigen" LC-Filter 
(alles war dabei zur Zufriedenheit - nur war die Drossel vom, und für 
den, Ausgang eines Gegentaktwandler-Netzteils...) eine selbstgewickelte 
Eisenkern-Drossel aus 50Hz-Schnittband-Kern ein (!).

Die aber koppelte dann plötzlich, iirc, irgendwie (vermutlich kapazitiv) 
die Schaltflanken recht stark durch... was den Klang auf nicht 
nachvollziehbare Weise zu versauen schien.

Nun wollte er aber nicht mehr in die (ja "funktionierende") Schaltung 
der Ansteuerung etc. eingreifen - er wollte das anders lösen... Nach 
einer mir nicht bekannten Anzahl diverser Versuche (welche auch immer 
genau) stellte sich heraus, daß es akustisch erst mit einem noch 
dahinter geschalteten (integrierten) Netzfilter besser wurde.

Am Schluß war das Ding "im Blindtest" (THD nie gemessen) schon in 
Ordnung, und brachte auch die gewünschten 400W an 4 Ohm (der TL494 
scheint wohl geeignet).

Ich will damit nur sagen: Für 120Hz ist tatsächlich nicht viel nötig - 
trotzdem braucht es ein gewisses Minimum. Mach nicht zu_viele 
Kompromisse, nimm z.B. gescheite Bauteile. Sonst könnte die Sache 
vielleicht im Chaos enden, ein unerwünschtes Ergebnis bringen, oder 
zumindest weit mehr Zeit in Anspruch nehmen, als gedacht...   :-P

(Sollte übrigens auch - so früh am Morgen, und weil die Resonanz des 
Forums noch sehr klein ist - Deine Laune positiv beeinflussen, die 
Geschichte. :)

Autor: MN (Gast)
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Danke für deine Worte...Das motiviert mich grad total.


Ich frage mich aber ernsthaft: Braucht man den LC-Filter für einen Test 
überhaupt? Schlussendlich sind die Lautsprecher bei den 
PWM-Switchingfrequenzen ja doch so hochimpedant, dass da kein 
ernsthafter Strom mehr fliest. Daher ist es ja eher eine EMV Sachen der 
Filter... Bei meinem Rise- / Falltimes mit 300-400 ns glaube kann ich 
das aber erstmal entspannt sehen.

Ich habe mein Feedback ja jetzt hinter dem LC-Filter realisiert -> 
könnte ich aber genausogut über ein RC Glied machen.


Ich habe ja gesagt ich wollte anfänglich mal 20 kHz anpeilen -> 
inzwischen denke ich dass ich auch um die 60 kHz mal anstreben will für 
den Anfang um vielleicht  doch möglichst viel Audiospektrum mitzunehmen.

Autor: Mark S. (voltwide)
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MN schrieb:
> Ich habe ja gesagt ich wollte anfänglich mal 20 kHz anpeilen ->
> inzwischen denke ich dass ich auch um die 60 kHz mal anstreben will für
> den Anfang um vielleicht  doch möglichst viel Audiospektrum mitzunehmen.

Jaja, Du hast jetzt ein bißchen in LTSpice simuliert, und meinst nun die 
Schwierigkeiten gemeistert zu haben. Mit 300ns Totzeit würde ich 
bestenfalls ein Subwoofer betreiben. Natürlich könntest Du auch mal in 
LTSpice das Verzerrungsspektrum des Ausgangssignales untersuchen - wie 
realitätsnah dies ist, weiß ich nicht.

Autor: Klaus R. (klara)
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MN schrieb:
> ich möchte einen Class-D Amp bauen und habe das mal im Spice simuliert.

Wenn Du wirklich einen Subwoofer brauchst, schau Dir den und seine 
Brüder mal an. Billiger geht es nicht.

https://www.hobbyhifiladen.de/wondom-tamp2500-mkii-gremlin

Noch etwas zum Lesen.
https://www.diy-hifi-forum.eu/forum/archive/index....

mfg klaus

Autor: MN (Gast)
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Hallo Leute,

wollte mich nochmal bedanken für euren Support.

@Klaus_Ra : Danke für deinen Tipp -> allerdings bin ich wie du oben 
vielleicht gelesen hast, an einen ganz bestimmten Brückentreiber + 
Mosfets gebunden, die Verhältnismäßig "lahm" sind. Es gilt quasi das 
beste daraus zu machen.


Ich habe mein Feedback-Konzept nochmal überarbeitet.
Habe mich etwas am Referenz-Design des IRS2092 orientiert (das 
allerdings mit symmetrischer Spannung arbeitet).
Im Endeffekt ist nur eine der beiden Halbbrücken gefeedbackt (und geht 
davon aus, dass sich die andere Equivalent verhält).
Habe auch eine dynamische Ausregelung des DC-Offset realisiert.

Habe mal die ersten THD Messungen gemacht mit 1kHz knapp 1V 
Ausgangsamplitude
-> bin jetzt bei > 9% gelandet. Das ist schon sehr viel (allerdings 50 
kHz fSW)
Mit 200 kHz sind es ca 2,3%.




Ich glaube es ist jetzt einfach mal an der Zeit, das ganze in der Praxis 
auszutesten um mal zu sehen, wie es sich anhört. Werde euch auf jeden 
Fall auf Update halten.


Falls jemand weiter simulieren will -> habe es wieder angehängt.

Autor: Mark S. (voltwide)
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MN schrieb:
> Habe mal die ersten THD Messungen gemacht mit 1kHz knapp 1V
> Ausgangsamplitude
> -> bin jetzt bei > 9% gelandet. Das ist schon sehr viel

Wenn es schon in der Simu derart finster aussieht, wird es in der 
Realität wohl auch kaum besser heraus kommen. Aber mach mal, ein jeder 
lernt auf seine Art und Weise.

Autor: MN (Gast)
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Also Leute,

ich habe die Schaltung mal aufgebaut und ausprobiert:

Das Gute vorweg: Sie funktioniert tatsächlich... zumindest irgendwie ;-)


ich habe ein Problem festgestellt, was den Komparator mit dem Dreieck 
angeht:

Im Anhang seht ihr zwei Oszi-Screenshots.


Dunkelblau -> am OC pin gemessen (da sieht man die Dreiecksspannung)
Hellblau -> Referenzspannung (also am IN+)... Liegt auf (1/2)*Supply (um 
den Ripple am Buffercap auszuregeln).
Gelb ist am IN- gemessen (also Mix aus Feedback und Inputsignal)
Lila -> modulierte PWM die auf die Halbbrücke geht

Dabei ist mir aufgefallen, dass immer wenn das Dreieck die fallende 
Flanke zu 0V zurück macht, am Komparatorausgang "Dreckeffekte" zu sehen 
sind und zwei Schaltflanken direkt hintereinander kommen.
Ansonsten läuft im Leerlauf die PWM ganz gut mit 50:50 Dutycycle


Bei dem zweiten Bild habe ich als Eingangssignal einen 1 khz Sinus 
reingegeben (da sieht mans auch wieder).. Führt schlussendlich dazu dass 
der Ton mit nem hochfrequenten nervigen Pipsen überlagert ist.


Habt ihr Ideen, wie ich das abstellen kann? evtl. müsste ich das 
wirklich mal mit einem richtigen Dreiecksgenerator aufbauen?

Autor: Mark S. (voltwide)
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Deine Bilder zeigen einen Schwarzafrikaner bei Wartungsarbeiten im 
St.Gotthardt-Tunnel während eines Stromausfalles. Zweimal als Positiv 
und zweimal als Negativ.

Autor: MN (Gast)
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Mark S. schrieb:
> Deine Bilder zeigen einen Schwarzafrikaner bei Wartungsarbeiten im
> St.Gotthardt-Tunnel während eines Stromausfalles. Zweimal als Positiv
> und zweimal als Negativ.

Was ein produktiver Beitrag - ich bin fasziniert.

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