Підсилювач в класі D (від mr. Dream)

[mr. Dream]

Вітаю, колеги!
Перебираючи різні "готові" варіанти д-класу від китайців до американців, з тієї чи іншої причини все мені не підходило. Або ціна кусалась, або якість не відповідала вимогам. Основна вимога була - це потужність, ремонтопригодність, високий ккд, балансний вхід, мостовий вихід та за можливості однополярне живлення. Прийшлось видумувати свій велосипед За аудофільськими параметрами я не гнався, але робив по можливості гарно. Десь приблизно рік тому взявся за розробку "з нуля", не крадучи чужі схеми та тим більше не використовуючи спеціалізовані мікросхеми. Вклавши трохи часу та матеріальних ресурсів деякого результату я все таки добився, і не зупиняюсь на досягнутому, хоч клята війна вносить свої корективи та я змушений займатись дещо іншим. Потужність прототипу трохи більше 200Вт (на одній алюмінієвій платі підсилювач одразу з блоком живлення від мережі 220В) але при краш тесті з зовнішнішм БЖ вдалось зняти 460 Вт на синусі без кліпа на 8 ом при живленні 89В в мості.

Короткі ТХ:
вхід: балансний, чутливість 1,1В (типово)
вихід: мостовий
потужність: 200ВТ (масштабується)
ККД з БЖ при 100%: 84%
Несуча частота: 420кГц
сигнал/шум і ДД: кращий моєї звукової, тому виміряти не можу )
THD 1W/150W 1kHz: 0,015%/0.4%
Діапазон частот по -3дБ: 10гц-24кгц
є термозахист
Індикація:
кліп 100%
-6дб
перевантаження виходу по струму
перегрів + вимкннення до падіння температури
перевантаження БЖ
блок живлення зі стабіліацією струму, тому він може працювати на КЗ в режимі. Виходячи з цього захисту по постійному струмові на виході не потрібно, бо при пробої "стійки" одного з півмостів він йде в КЗ і бж показує режим СС ) але ключі там з добрим запасом

Вступом в тему буде кілька затравочних графіків/осцилограм з коментарями.
Всі осцилограми в режимі пікового вимірювання з накопиченням, тому по ширині лінії добре видно рівекь несучої.

КНС при 1Вт

1w2.png (18.46 КБ) 4956 просмотров

КНС при амплітуді 90% від живлення

90percent.png (20.36 КБ) 4956 просмотров

Кілька осцилограм. Всі вони зняти при навантаженні резисторами 8Ом

Вихідний сигнал при 50%, 100% і кліпі 160%

[mr. Dream]

І перейдемо до меандру

56 Гц

-

1,1кГц

-

5,3кГц

[mr. Dream]

Не можу прикріпляти більш, ніж 3 файли за раз.
Останній меандр, 10,4 кгц.

10,4кГц

-
"робочий прототип"

Чи буде таке творіння цікаве шановній аудиторії? При номінальній 200Вт звуковій потужності достатньо пасивного охолодження самої плати на алюмінієвій основі, розмір якої 133*85*31мм, по висоті гарно влазить в один юніт корпус з запасом Планувався як модуль для активних проф-колонок. Ціна закінченого модуля (підсилювач з блоком живлення) орієнтовно виходить 65 доларів. Але поки що до продажів далеко, маю, як казав на початку теми, багато "інших електронних справ". Моя суб'єктивна думка - звучить гарно. Свій АВ-шник на двох STK4050-V запхав запхав глибоко в шафу, поруч не лежав.

[Inok]

Поздоровляю, початок непоганий.

[mr. Dream]

Поекспериментував трохи. В принципі, якщо погратись добротністю контуру демодуляції, правильно підібрати снаббер та зарізати спектр вхідного сигналу, можна досягнути кращого меандру. Але технічні характеристики це не впливає в межах робочої смуги частот. Меандр я генерував з допомогою attint13a, так як ддс генератора не маю, а звукова карта не спроможна відтворити меандр. Отже, роблю висновки, що спектрально і по сигнал/шум він вийшов краще звукової. Єдине - трохи гармонік вилазить при наближенні до кліпу, але я їх (ті долі відсотка) вухом на синусі не чую.

1кГц

-

10,4кГц

-

22кГц

я тут ще трохи неправильний дросель впаяв, так як в мене міст, а навантаження 8Ом, то мав би бути розрахунок під 4Ом, а в мене вдвічі більші )) і щоби не випаювати дроселі, я зменшив ємність, від того трохи постраждав час наростання. Але запас на 20 кГц синуса є на повній амплітуді. Думаю, з перехідними викидами на викокогармонічному меандрі немає місту сильно заморочуватись, все рівно джерело не дасть такого спектру сигналу, щоби збуджувався фільтр демодуляції.

[Alex]

Цікавий підсилювач, приємно, що він зроблений своїми руками з нуля.

[IT-Prof]

Интересный проект, думаю со временем автор его сможет еще улучшить.

[mr. Dream]

THD 1W/150W 1kHz: 0,015%/0.4%

Поекспериментував. Вдалось зменшити THD до 0,045% при 150Вт (кліп наступає при 185)

THD0045.png (20.69 КБ) 4542 просмотра

ще кавальчик "робочого відео" записав

phpBB [media]

через необережність попік пальці об навантажувальні резистори

[mr. Dream]

Прикол. Колись при потребі випаяв фільтрувальний конденсатор з блоку живлення підсилювача, а от сьогодні захотів послухати. Спершу не міг зрозуміти, звідки спотворення при великій гучності, а часом і на долю секунди він взагалі виключався, надто швидко показував кліппінг та перевантаження по струму самого блоку живлення... Але тим не менше, він запустився і навіть грав
Записував, як завжди, експромтом без монтажу, просто ставлячи на паузу запис. Тому за художність вибачайте )

phpBB [media]

До речі, гарно видно періодичність просадки в 10мс, що якраз відповідає провалу живлення без конденсатора )

[mr. Dream]

І тут мене осінило! Чому ж третя гармоніка вища від другої і взагалі природа її походження. У мене ж мостовий підсилювач, а він володіє певною симетрією. На цю думку навіяла відповідь у темі Буфер на лампах от LinuxManiac
Хто що думає з цього приводу?

[drmodd]

По поводу конденсатора в БП, айспауэр так делает, но в вторичке много емкости надо.

[mr. Dream]

Підсилювачу прилетіло кілька оновлень
- додана можливість підключення вентилятора з автоматичним ввімкненням при нагріві вище 45 градусів. При музичній потужності до 30-50 Вт він не вмикається )) Хоча в мене два таких модулі взагалі без вентилятора працюють в невеликому корпусі. Правда, можна пальці попекти
- блок живлення отримав зниження вихідного струму з 5,5 до 2А при перевантаженні більше секунди, тобто при нештатній ситуації - пробої вихідних ключів. Зроблено для того, щоби не збільшуючи габарити трансформатора і дроселя він видав 325Вт (5,5А 59В) короткочасно, а при постійному навантаженні вище норми перейшов в режим зниженого струму і не перегрів обмотки. Бо на платі є захист від перегрівання.
- доданий захист від КЗ по виходу. Працює на рівні драйвера, вимикаються всі 4 ключі в мості. Працює дуже шустро і гарно. Тепер випадкове КЗ чи нетипово велике навантаження не спалить підсилювач. Це була вимога від про-аудіо інсталяторів

phpBB [media]

[uriy]

Чому ви відмовляєтеся від використання спеціалізованих мікросхем для класу Д? Наприклад та сама TPA3255 дасть вам 200Вт на виході при цьому у мікросхемі захист вже прошито, тобто не потрібно городити зовнішній город. Вартість мікросхеми п'ять доларів на алі.

[mr. Dream]

Чому ви відмовляєтеся від використання спеціалізованих мікросхем для класу Д?

Якщо захочеться риби, її можна купити в супермаркеті, уже готову, правильну і без ризиків. А можна на всі гроші накупити знаряддя, експериментувати з прикормкою, сидіти в негоду, часто приходити додому з пустими руками. Але іноді як клюне велика рибина!
Так і тут, більше працюю на процес, ніж на результат. Хоч і результат також є Тепер я ходжу не на роботу, а на оплачуване хобі. Багато проєктів реалізував успішно, хоч скептики казали "навіщо? От же ж є в Китаї готове в вдвічі дешевше!" А в результаті два роки поспіль (2020 та 2021):

Типу - давайте знайомитись. Мене звуть Ярослав і я алко... інженер

А щодо підсилювача на мікросхемі, вона не дає такої гнучкості, як на дискретних елементах. Наприклад, на базі цих модулів було реалізовано кілька трансляційних підсилювачів, в яких нема вихідного трансформатора, а безпосередньо висока напруга на виході (120В RMS, 170В пік-ту-пік)

[uriy]

Так і тут, більше працюю на процес, ніж на результат. Хоч і результат також є

Ну я ще розумію як мету вивчити принципи роботи Д класу, але на мій погляд це виправдано тільки на початковому етапі, далі все одно інтегральні рішення і дешевші і легші і швидші і по ТТХ краще в результаті.

Тепер я ходжу не на роботу, а на оплачуване хобі.

Це круто, можна сказати, це велика рідкість.

А щодо підсилювача на мікросхемі, вона не дає такої гнучкості, як на дискретних елементах. Наприклад, на базі цих модулів було реалізовано кілька трансляційних підсилювачів, в яких нема вихідного трансформатора, а безпосередньо висока напруга на виході (120В RMS, 170В пік-ту-пік)

За цю гнучкість ви платите погіршенням ТТХ вироба. Наскільки це виправдано вирішувати, звичайно ж, вам. Зі своєї дзвіниці - я не бачу сенсу в дискретних рішеннях коли є доступна готова інтегральна мікросхема. Якщо потрібно мати 200Вт, то на мій погляд найбільш оптимально застосувати 3255, але знову ж таки повторюся, це звичайно ж вирішувати вам.

P/S.
Як я розумію у вас у цьому підсилювачі застосован резонансний БП?

[mr. Dream]

P/S.
Як я розумію у вас у цьому підсилювачі застосован резонансний БП?

Ні, класика - півміст, трансформатор, груповий дросель. Не бачу смислу туди резонансник пихати. Він має вищий ККД при максимальному навантаженні, в порівнянні з ШІМ. А при невеликому навантаженні резонансник програє. Як би то якийсь зарядний пристрій, то так, був би зміст. А що таке музика? Якщо то не скомпресований до межі клубняк, то спектральна щільність невисока, 1/8-1/5 середня потужність при кліпі. Та імпеданс акустики.... як би ми слухали синуси на резисторах, то так, резонансник мав би суттєву перевагу

[uriy]

Ні, класика - півміст, трансформатор, груповий дросель.

Хммм... А де ви сховали груповий дросель? Я його на платі не бачу, я говорю за останнє ваше відео.

Не бачу смислу туди резонансник пихати. Він має вищий ККД при максимальному навантаженні, в порівнянні з ШІМ. А при невеликому навантаженні резонансник програє. Як би то якийсь зарядний пристрій, то так, був би зміст. А що таке музика? Якщо то не скомпресований до межі клубняк, то спектральна щільність невисока, 1/8-1/5 середня потужність при кліпі. Та імпеданс акустики.... як би ми слухали синуси на резисторах, то так, резонансник мав би суттєву перевагу

Загалом згоден з таким підходом, тим більше для двох полюсів живлення зробити "виразну" ООС у резонасніку ще складніше, ніж у класиці.

[mr. Dream]

Хммм... А де ви сховали груповий дросель? Я його на платі не бачу, я говорю за останнє ваше відео.

На відео він бовтається збоку (ферит PQ26/25), я його виніс на дротах 10см, бо під ним ще трохи деталей і мені потрібно було добитись кращої стабільності виходу БЖ методом підбору
Ось сьогоднішній результат. Навантаження резистором ~3А, 59В (174 Вт). І це на виході конденсатор 220мкФ замість 1000 (тимчасово для кращої візуалізації). Пульсації 100гц та 80кгц відносно невеликі (режим пікового вимірювання).

скидання навантаження

В той же час на вхідному конденсаторі 150мкф відбувається таке:
(змушений був вимкнути пікове вимірювання, бо багато шумів пролазило через самороьний дільник до осцилографа без компенсаційного конденсатора)

Чи вийшло б у мене з резонансником таке - не впевнений.

[uriy]

Ось сьогоднішній результат. Навантаження резистором ~3А, 59В (174 Вт). І це на виході конденсатор 220мкФ замість 1000 (тимчасово для кращої візуалізації). Пульсації 100гц та 80кгц відносно невеликі (режим пікового вимірювання).

Як бачу 100Гц пульсації по виходу под навантаженням близько 1В пік ту пік, результат так собі якщо чесно, для підсилювача зійде звичайно.

Чи вийшло б у мене з резонансником таке - не впевнений.

Я коли роблю БП, то у мене є якась своя норма. 100Гц пульсація напруги на виході БП при його максимальному навантаженні повинна бути менше 0,5В пік ту пік. При цьому якщо стерео підсилювач має 50Вт на канал, то БП повинен витримувати короткочасно 200Вт і при цьому мати пульсації 100Гц на виході не більше 0,5В пік ту пік. Не завжди вдається отримати такі показники, коли потужність підсилювача більше 100Вт на канал, іноді доводиться підзабивати на цю норму. Куди складніше з ООС в БП коли він працює на підсилювач, там часом таке діється, що мало не здасться. Зробити глибокий зворотній зв'язок у резонансних БП звичайно куди складніше ніж у класичному прямо ходовому напівмісті, але резонансник приваблює своєю мінімалистичністю, тобто не потрібен зовнішній дросель, немає проблем із жорстким перемиканням ключів, тощо, суто технічний виграш є у резонаснника, але вичавити з нього хороші показники звичайно складніше.

[Sous]

Вопрос в целесообразности тех мизерных пульсаций 100Гц. Глубина ОС в усилителях на НЧ сейчас не проблема, потому может лучше оставить систему без стабилизации вообще, так как 100Гц можно поправить в самом усилителе спокойно. А динамические характеристики в целом у блока со стабилизацией будут заметно хуже.
Но если касается чисто профессионального звука, то стабилизация, пожалуй, выигрывает, как ни крути.

[uriy]

Вопрос в целесообразности тех мизерных пульсаций 100Гц. Глубина ОС в усилителях на НЧ сейчас не проблема, потому может лучше оставить систему без стабилизации вообще, так как 100Гц можно поправить в самом усилителе спокойно.

Можно и так, просто нужно учитывать просадку напряжения полюсов питания при максимальной нагрузке т.к. ОС усилителя не сможет ничего скомпенсировать если напряжение питания усилителя ниже необходимого т.е. приходится увеличивать ёмкость и напряжение питания. Вот и получается что введение ос в БП позволяет делать меньший запас по напряжению питания усилителя тем самым уменьшать потери в усилителе и уменьшать необходимую ёмкость конденсаторов в БП.

А динамические характеристики в целом у блока со стабилизацией будут заметно хуже.

Смотря что понимать под динамическими характеристиками.

Но если касается чисто профессионального звука, то стабилизация, пожалуй, выигрывает, как ни крути.

По моему мнению стабилизация БП и в бытовых усилителях даёт выигрыш, особенно в НЧ диапазоне.

[mr. Dream]

В якості хронології. Перестав гнатись за космічними характеристиками по спотворенню, зупинився на розумному значенні, яке не натреноване вухо не здатне почути на синусі, а з врахуванням спотворень динамічних головок - тим більше. Натомість більшу увагу приділив "професійним" плюшкам, таким як захисти. Для 8-омного навантаження захист вихідних ключів по миттєвому значенні струму біля 8А, в незалежності від рівня сигналу, і чи це перевантаження чи реальне КЗ. Біля 8,5А захист блока живлення від перевантаження. Живлення 60В з хвостиком. Потенціал БЖ біля пів-кіловата при середньому синусоїдальному навантаженні вдвоє менше, ну а музичний сигнал ще в половину як мінімум. Поганяв на реальному музичному сигналі вчора ввечері "до кліпу" з півгодини, то нагрівся динамік більше, ніж підсилювач) вхідний рівень вирішив залишити по проф. стандарту +4дБ (1,23В RMS). Ну і в якості розваги - скріншот з відео: "тест бж на кз"

[drmodd]

Пинцет не сгорел?))))

[mr. Dream]

Як то кажуть, нейметься мені доналаштував до ідеалу (розумної межі) PID-регулятор блока живлення і отримав чудовий результат стабільності, як при різкому навантаженні, так і при різкому його скиданні

phpBB [media]

скріншот з відео))))

[uriy]

Як то кажуть, нейметься мені

Яка смуга пропускання у вашого осцилографа? Просто якщо зворотний негативний зв'язок швидкий тобто швидкість стабілізації висока, то провали напруги будуть дуже короткими. В цілому результат дуже гарний, але те, що не видно провалів і викидів напруги при навантаженні це мені здається проблема осцилографа, та й це, бажано перевірити вихід БП під синусоїдальним сигналом підсилювача, може статися що на деякій частоті, БП може втратити стабілізацію...

[mr. Dream]

Яка смуга пропускання у вашого осцилографа? Просто якщо зворотний негативний зв'язок швидкий тобто швидкість стабілізації висока, то провали напруги будуть дуже короткими. В цілому результат дуже гарний, але те, що не видно провалів і викидів напруги при навантаженні це мені здається проблема осцилографа, та й це, бажано перевірити вихід БП під синусоїдальним сигналом підсилювача, може статися що на деякій частоті, БП може втратити стабілізацію...

15МГц. При тому я спецально увімкнув режим Peak та Memo, тобто не залежно від розгортки "накладає" все у всій смузі, що попадає на його АЦП та воно підсвічується деякий час. І виглядало воно якось так: (тільки ще з різкими провалами та підйомами і перехідним процесом)

а на синусному чи музичному сигналі при навантаженні все навіть краще, адже спектр такого навантаження вужчий, ніж "дребезг" контакту, що іскрить )) і це не призводить до збудження зворотнього звязку

[mr. Dream]

На замовлення зацікавлених запустив в серію двоканальну версію підсилювача, який може працювати, як у режимі стерео, так і в режимі "біамп". По суті, різниці ніякої, лише різне призначення, а також різне співвідношення потужностей. В стерео 100+100, в біампі 150+50.
Також були додані плати узгоджуючих преампів, які, по перше, перетворюють небалансний сигнал в балансний, якщо це необхідно, одночасно займаються і взаємокомпенсацією завад в шнурках, а також з допомогою підлаштовувального резистора можна підігнати чутливість від ~0,3 до ~1,5В, що перекриває широкий спектр джерел сигналів, від любительського до проф В решті без змін, не враховуючи заміни резисторів зворотнього зв'язку в модуляторі на melf, що знизило рівень шуму та змінило його спектр в приємніший для слуху - визначав аналітично дуже багатократним підсиленням і аналізом у програмі

[uriy]

Казав тоді, і зараз кажу .... Ви даремно витрачаєте час на напівмостові топології, мостовий вихід підсилювача куди більш прогресивне рішення, багато плюшок дає міст, особливо в плані блоків живлення з звз, півмости це минуле століття. Зробіть свій підсилювач на ТРА3255 думаю ваші замовники, які згодні брати ваші напівмости, з тим же успіхом будуть брати ваші мости на ТРА3255.

P/S
На мій смак колір паяльної маски не поєднується із кольором компонентів.

[mr. Dream]

витрачаєте час на напівмостові топології, мостовий вихід підсилювача куди більш прогресивне рішення

Ви не уважні Я ще самого початку писав

Короткі ТХ:
вхід: балансний, чутливість 1,1В (типово)
вихід: мостовий

Та й наявність двох дроселів у одного каналу як би натякає на міст
І досить тулити мені тпа3255, мене це ображає Дана мікросхема, як і всі мікросхеми, в яких інженери заклали певний функціонал, зв'язує мені руки. З мікросхемами я в свій час награвся достатньо, коли займався ремонтом проф обладнання. Це - найгірше рішення для важких умов експлуатації. Там свої пріоритети, а не гонитва за 0,0000001% КНС. Дуже часто в мікросхемах захист чомусь не відпрацьовує - ні по струму, ні по температурі. Вірніше трохи не так. Коли кристал достатньо гарячий, фізичний тепловий пробій силових елементів наступає раніше, ніж установка порогу захисту по струму. В моїх замовників одна із вимог - ніяких мікросхем у силових частинах. І давайте надалі цей момент не обговорювати.
Стосовно кольору маски, це по перше прототип, по друге - замовляв невелику партію, і чорна (інші кольори не доступні) маска впливала на ціну та особливо терміни, а оскільки це було збірне замовлення з іншими платами, які в мене щодня в продакшені, це було критичним моментом. По друге - вам шашечки чи їхати? Це якось впливає на функціонал? Особливо у закритій активній АС?

[uriy]

Ви не уважні Я ще самого початку писав

Да, не доглядел. Ну раз мостовой усь, то это уже хорошо.

Це якось впливає на функціонал? Особливо у закритій активній АС?

Никак не влияет.