Seltsame Verzerrungen bei Eigenbau Class-D Verstärker

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Seltsame Verzerrungen bei Eigenbau Class-D Verstärker
Suche nach: verstärker (9015)

    







BID = 865439

Racingsascha

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Ich hab mit die Tage mal einen Class-D Verstärker aufgebaut, mal zum ausprobieren. Weils entsprechende ICs weder bei Conrad noch bei Reichelt gibt und sonst auch meist in unhandlichen Gehäusen stecken, habe ich ihn diskret aufgebaut. Orientiert habe ich mich an diesem Schaltplan. Halbbrücke braucht aber ne symmetrische Versorguung und hat Probleme mit Bus-Pumping, da die Energie der Siebdrossel zurück in die Versorgungsspannungen gedrückt wird und sie dabei anhebt. Also habe ich das Ganze auf Vollbrücke adaptiert, sieht so aus:


Fuktioniert auch soweit. Ich habe statt dem IR2110 den IR2104S eingesetzt, da er integrierten Shootthrough-Schutz und Deadtime hat und nur einen gemeinsamen Eingang hat. Die MOSFETs stammen von einem Mobo und hören auf den Namen IPB06N03LA.

So sieht das im Betrieb aus:

Man sieht den Sägezahn des TL494 und die Spannung an Pin 3 in Ruhelage. Das DC beträgt 50% und an den Lautsprecherklemmen liegen 0V an.


Mit Vollaussteuerung:

Wieder der Sägezahn, die Spannung an Pin 3 schwankt um den Mittelpunkt.


Ohne Lastwiderstand am Ausgang sieht das im Differenzmodus des Oszis so aus:



Mit einem 10R Lastwiderstand sieht das so aus:

Hier sieht man auch den Rest der 140kHz Schaltfrequenz. Soweit so gut.


Sobald die Scheitelspannung etwa 2V erreicht wirds seltsam:

Man bekommt eklige Kanten und Verzerrungen. Wählt man den Lastwiderstand kleiner, sinkt auch diese Schwelle.


Geht man noch weiter auf Vollaussteuerung siehts so aus:

Von den Verzerrungen bleiben nur kleine Höcker bei +-2V übrig. Auf der steigenden Flanke des Sinus sind sie auch, nur schwächer. Durch diese Verzerrungen wird vermutlich auch der Sinus etwas kleiner.

Um die Ursache zu finden habe ich folgendes ausprobiert:
- Ausgangsdrosseln getauscht, keine Wirkung.
- Die Rückkopplung von der Halbbrücke auf den Ausgang des entsprechenden XOR-Gatters gelegt. Das sorgte dafür, dass die Verzerrungen symmetrischer werden, die Höcker wurden auf der steigenden Flanke des Sinus deutlich.
- Ich habe an Pin 2 des TL494 ein Poti gelötet um die Ausgangsspannung statisch regeln zu können. Dabei sind mir zwei Sachen aufgefallen:
Wenn man das Poti gleichmäßig dreht und dabei diese Verzerrungszone um etwa +-2V durchquert, macht die Ausgangsspannung einen kleinen Sprung, als ob sie da nicht sein möchte. Wenn man sich dabei das Ausgangssignal der Gatetreiber ansieht, werden die Flanken etwas flacher während man die Zone durchquert.

Was ist also das Problem? Ist der IR2104S mit seinen etwa 200mA Ausgangsstrom im Vergleich mit dem IR2110 (2A) zu schwach? Die Flanken sehen gut aus und haben eine Rise- bzw Fallzeit von etwa 100-150ns. Der Sägezahn des TL494 ist glatt wie ein Lineal.

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[ Diese Nachricht wurde geändert von: Racingsascha am  1 Jan 2013 18:34 ]

BID = 865440

Racingsascha

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EOM

[ Diese Nachricht wurde geändert von: Racingsascha am  1 Jan 2013 18:32 ]

BID = 865493

perl

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Der Zacken sieht aus, als ob da der PWM nicht mehr arbeitet, sondern die Ausgangstransistoren statisch angesteuert werden, und die Wellen dürften auf zu wenig Schleifenverstärkung bei höheren NF-Frequenzen zurückzuführen sein, wodurch die Gegenkopplung nicht mehr wirkt.

BID = 865540

Racingsascha

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Beiträge: 2247
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Weitere Experimente:

- Integrationskondensator C24 vergrößert: Ausgangssignal wird dreieckiger, Verzerrungen bleiben.

- C24 entfernt, Signal sieht etwa so aus: -^-v-^-v-^-

- Zu C24 einen 56k Widerstand parallelgeschaltet: Verstärkung sinkt, man muss also lauter machen um Vollaussteuerung zu erhalten, Verzerrungen bleiben.

- Verstärker durchgewobbelt: Verzerrungen bleiben unabhängig von der Frequenz.

Kann also eigentlich entweder am TL494 oder an der Leistungsstufe liegen. Ich probier mal den SG3525A aus, der funktioniert subtil anders und schafft bis zu 400kHz, das kann das Ausgangsfilter auch besser wegfiltern.

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BID = 865565

perl

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Zitat :
Integrationskondensator C24 vergrößert: Ausgangssignal wird dreieckiger
Kein Wunder. Ich schrieb doch, dass die Schleifenverstärkung bie höheren NF-Frequenzen zu gering ist.
Wenn du den Kondensator größer machst, wird der Verstärker noch lahmer.

Speziell geht es hier um die Anstiegsgeschwindigkeit, neuteutsch "Slew-Rate".
Wie schnell kann die Ausgangsspannung der Endstufe einem Signalsprung also überhaupt folgen.
Das kann man anhand der Schaltfrequenz und der verwendeten Bauteile, isbesondere auch der Ausgangsdrossel, für verschiedene Lastfälle abschätzen.
Ein Ausgangssignal U=U0sin(ωt) erfordert, -Amplituden und frequenzabhängig-, die Anstiegsgeschwindigeit dU/dt = U0ωcos(ωt) und wenn der Verstärker diese nicht schafft, gibt es eben Verzerrungen. Stichwort: Leistungsbandbreite.






BID = 865605

Racingsascha

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Die gezeigten Oszillogramme waren alle von einem 50Hz Sinus, wenns ein Slewrate-Problem wäre, würde sich das Problme bei höheren Frequenzen doch noch verschärfen? Aber das tut es nicht, die Verzerrungszone bleibt bei +-2V. Mit einem Poti die Ausgangsspannung direkt einstellen (also quasi DC) hat das gleiche Problem gezeigt, in besagtem Bereich verhält sich die PWM seltsam.

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BID = 865690

perl

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Zitat :
Also habe ich das Ganze auf Vollbrücke adaptiert,
Dabei hast du aber übersehen, dass die Gegenkopplung nur auf die linke Seite der Halbbrücke wirkt. Dass die rechte Seite sich genau komplementär verhält, dürfte ein frommer Wunsch sein.
Probier mal die Gegenkopplung mit einem echten Differenzverstärker aufzubauen.

BID = 865897

elektron53

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Was ist das für eine LED1 ? An dieser Stelle muß das Gegenkopplungssignal auf möglichst exakt 4 Volt begrenzt werden, damit im nicht ausgesteuerten Zustand (Duty-cycle 50%) eime Spannung von 2 Volt entsteht. Sonst gibt es eine Asymetrie bei der Aussteuerung, da Pin 1 auf 2 Volt liegt (Mitte des Aussteuerungsbereiches des Opamps).
Das ist jetzt nur eine Vermutung von mir, aber vielleicht doch eine mögliche Ursache.

@perl:


Zitat :
Dabei hast du aber übersehen, dass die Gegenkopplung nur auf die linke Seite der Halbbrücke wirkt. Dass die rechte Seite sich genau komplementär verhält, dürfte ein frommer Wunsch sein.
[/quote]

Das sollte bei der gezeigten DIGITALschaltung eigentlich ausreichend genau zutreffen, da über IC3A/B eine symmetrische Ansteuerung erfolgt.

BID = 865923

perl

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Beiträge: 11110,1
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Zitat :
da über IC3A/B eine symmetrische Ansteuerung erfolgt.
Wie gesagt, halte ich das für einen frommen Wunsch.
Wenn es so wäre, brauchte man die ganze Gegenkopplung nicht.

BID = 866243

sycatern

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Bei dieser Schaltung ist die Rückkopplung unglücklich dimensioniert.
Eine Endstufe muss im Ruhezustand idealerweise U-Halbe haben,in diesem Falle also 12V
Diese Gleichspannung sollte nun linear,direkt oder über einen Spannungsteiler auf
den Eingang des OP(je nach Schaltung inv oder nichtinv)gegeben Werden.
Da die U-Ref des TL494 aber nur 5 Volt hat würde es sich bei 5V einpegeln.
Wie beim Netzteil wofür der Chip ja eigentlich gemacht ist sollte man einen Spannungsteiler
(mit Poti) anstelle der LED und R9 und R10 einsetzen
Alternativ -> nur Die LED wegnehmen (R9-R10 sind dann überflüssig ->brücken)
und R3 an 24V anstelle Uref anschliessen.
Am Besten dann Werte auch erhöhen Poti und R3 R7 je 10k

Nebenbei das Signal nicht in die Rückkopplung einspeisen sondern an C2 dann 10 µ
an Pin 1?

Eventuell haben die IRS2104 da sie feste "Totzeiten" haben ein für NF unglückliches
Verhalten ähnlich einer zu geringen Ruhestromeinstellung bei konventionellen Endstufen.

BID = 866428

sycatern

Gelegenheitsposter



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Der IR2104 hat ja miese werte für Schaltungen über 100kHz
leider bekommt man die entsprechenden Chips zB.IRS2011,2092
als Normalbürger nicht.
Eine Alternative zum Selbstbau eines Class-D Amps ist die
Seite 41hz.com mit Bausätzen rund um die Tripath-Chips,
die klanglich sehr überzeugen.

nur so eine Idee

Es geht um den Gedanken eine Endstufe in Brückenschaltung
mit beiden Ausgängen rückzukoppeln.
Da die Platine offensichtlich fertig ist ->schwierig!
Hab das noch nicht probiert,nur ein Gedanke.
Den Rest der Schaltung hab ich mal weggelassen.
Anstelle am Knoten der beiden Endstufentransistoren könnte
man die Rückkkopplung auch am Lautsprecherausgang anknüpfen,
da die direkte Rückkopplung hauptsächlich bei selbstschwingenden
PWM-Amps angewandt wird.
Die werte der Widerstände eventuell variieren.


BID = 866661

Racingsascha

Schreibmaschine



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Sorry, war die letzten Tage viel beschäftigt.

die LED hat 4V Flussspannung (zwei in Reihe, hatte keine passende Z-Diode da), mit dem Poti an Pin1 des TL494 gleicht man auf 0V Ausgangsspannung ab.

Die Platine bzw. Schaltung existiert nur zum Experimentieren, keine Verbindlichkeiten. Ich erwarte da auch keine Wunder an Klangqualität. Halbwegs verzerrungsfrei sollte es aber schon sein Die Rückkopplung über die Halbbrücken soll besser sein, da der Filter eine frequenzabhängige Phasenverschiebung hat. Der Integrationskondensator macht letztendlich das Gleiche wie der Filter.

24V am Fehler-OP des TL494 ist nicht gut, weil dieser nur eine Common Mode Voltage von VCC-2V hat. Ein Problem ist auch, die PSRR möglichst hoch zu halten.

Die Schaltung sieht interessant aus, seh ich mir mal genauer an. Vielen Dank soweit. Werde demnächst wieder etwas bei Reichelt bestellen, da werden auch IR2110 dabei sein.

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BID = 867654

sycatern

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Die 24V liegen auch dann nicht direkt sondern über einen Spannungsteiler an.
Wichtig ist die LED -oder Zenerdiode kann da nicht hin ,denn sie würde die
Rückkopplung oberhalb von 4V Ausgangssignal abschneiden was dann zu einem
Signalsprung führt und Verzerrungen verursacht.
Ausserdem sollte bei einer Endstufe mit nicht Symmetrischer Betriebsspannung
der Eingangs-OP die Ausgangsspannung mit der Betriebsspannung der Endstufe
und nicht einer Festspannung vergleichen,da sich dann bei Betriebsspannungs-
schwankungen der Arbeitspunkt verschiebt,was bei einer Brückenschaltung mit
nur einem Rückkopplungszweig sehr derb für die Lautsprecher wäre.

Hinweis bei www.segor.de gibt es den IRS2011S (leider SMD) zu bestellen.

und der OP im Posting zuvor soll natürlich den Eingang des 494 darstellen.

Hier einmal eine Schaltung die etwa 18 Jahre alt ist,und der Meister im Betrieb
mit "klingt jetzt nicht mal so schlecht wie ich bei PWM-Amps gedacht hätte"
kommentierte.Jetzt muss ich zugeben das der Einwand mit der Rückkopplung was
für sich hat denn diese Endstufe neigte je nach Auslegung des C4 zu fiesen
Schwingungen im NF-Bereich.Die Schaltung gibts nicht mehr,und jetzt würd
ichs halt anders bauen.


BID = 868002

Racingsascha

Schreibmaschine



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Nächster Versuch:


Statt dem IR2104S jetzt den IR2110 reingeklöppelt und die Rückkopplung nach dem Vorschlag von sycatern und perl entworfen. Werde ich ausprobieren wenn die IR2110 da sind.

Mich stört noch das für seine Funktion relativ sperrige 4fach XOR. Es gibt einzelne Logikgatter in SMD, da müsst ich aber extra bei Conrad bestellen. Nach etwas stöbern bin ich auf die SN75176B bzw. SN75179B gestoßen, das sind Line-Transceiver im DIP8, gedacht für RS485 bzw. RS422, also differenziell. Da die Leitungen zu den Treibern nur etwa 15mm lang sind, kann man sich die Terminierung sparen und direkt an die Gatetreiber anschliessen. Kann man das so machen?

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[ Diese Nachricht wurde geändert von: Racingsascha am 14 Jan 2013 18:38 ]

BID = 868101

perl

Ehrenmitglied



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Zitat :
Nach etwas stöbern bin ich auf die SN75176B bzw. SN75179B gestoßen, das sind Line-Transceiver im DIP8,
Das verstehe ich nicht.
Was hoffst du damit zu erreichen?


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