• Announcements

    • admin

      Размещайте материалы своей компании БЕСПЛАТНО!   04/18/18

      Редакционная политика портала позволяет размещать на бесплатной основе различные типы материалов: интересную информацию, наработки, технические решения, аналитические статьи и т.д. Пример такого блога. Взамен мы рекламируем ваш блог в наших группах в соц. сетях, ну и плюс естественная самореклама от пользователей форума и блогов, которые будут читать ваш блог. К примеру охват одного поста только в нашей группе VK составляет более 10 тыс. человек. Т.е. мы предлагаем бартер - вы ведете у нас блог и публикуете какую-то полезную и интересную информацию связанную с вашим производством, а мы рекламируем ваш блог в наших соц. сетях. Блоги можно полностью кастомизировать: поставить изображение шапки, сделать меню или оглавление, также в своем блоге вы будете модератором - сможете удалять комментарии и т.д. Ведение своего блога требует времени и навыков, но рекламный эффект колоссальный, т.к. это живое общение и отклик. Посты не должны быть рекламой, а также должны соответствовать правилам форума. Для тех компаний, которые будут публиковать интересный контент, права в дальнейшем будут расширяться - сможете публиковать больше ссылок, пресс-релизы, новости компании, анонсы и т.д. Ну а если вы хотите размещать платную рекламу: условия и прайс размещения на сайте и форуме, коммерческая тема на форуме, реклама в группе VK.
Sign in to follow this  
  • entries
    2
  • comments
    9
  • views
    297

About this blog

О проекте: описание изделий, схемы, назначение, состав и работа блоков, результаты измерений.

Entries in this blog

Dmitriy Khamuev

   В статье описание возможностей режима работы УМЗЧ AB-plus опиралось на результаты имитационного моделирования.   Для экспериментального подтверждения эффективности усилителя MOSFET класса АВ-plus, проведен сравнительный тест работы усилителя при обычном AB включении и в режиме работы AB-plus. Для теста использованы WiFi версия модуля, эквивалент нагрузки в режиме 8Ohm, осциллограф Rigol DS1054Z и термометр Fluke 59MAX. Точность измерения определена параметрами приборов.

MosfetHoltonTestAB-plus.jpgLoadEquivalent4-8-16Ohm.jpgA350v3_2DG_tower960.jpg

   Тестовый сигнал: тональная посылка 30Hz длительностью 200ms и периодом 500ms (Tone Burst), близок к типичной работе сабвуфера. Сигнал подан на LFE вход модуля, фазовращатель незначительно влияет на форму сигнала.
В процессе измерений контролировались, напряжение цепей (+65V), (+56V), (-56V), (Out),  температура модуля и эквивалента нагрузки. К одному из цепи резисторов в эквиваленте нагрузки через конденсатор 2.2uF подключена широкополосная АС для контроля входа усилителя в режим ограничения амплитуды.

Тест эффективности усилителя MOSFET класса АВ, дополнительное питание не подключено

abStdFree.png

   Входного сигнала нет, подключено только силовое питание и нагрузка.
Напряжения цепей:  
(+65V) = 51.3V (54.3V-51,3V=3.0V соответствует модели R20(2,35V) + D2(0,74V))
(+56V) = 54.3V
(-56V) = -55.1V ( Vpp=800mV пульсации напряжения питания)
(Out) =  0V (измеренное мультиметром смещение на выходе усилителя +10mV, Vpp=800mV?)

abStdNominal.png

   Входной сигнал соответствует номинальной мощности, ограничения нет.
Напряжения цепей:  
(+65V) = 49.0V
(+56V) = 52.2V
(-56V) = -53.3V ( Vpp=6,4V просадка напряжения питания)
(Out, Vpp) =  81.6V (от пика до пика)
Ppeak=(81.6/2)^2/8=208W

abStdClipping.png

   Входной сигнал соответствует максимальной мощности, признаки ограничения есть.
Напряжения цепей:  
(+65V) = 48.6V
(+56V) = 52.1V
(-56V) = -52.9V ( Vpp=7,2V просадка напряжения питания)
(Out, Vpp) =  89.6V (от пика до пика)
Ppeak=(89.6/2)^2/8=251W

abStdClippingEnlarged.png

   Входной сигнал соответствует максимальной мощности, признаки ограничения есть.
Укрупнённый фрагмент четвёртой волны пачки.
Напряжения цепей:  
(+56V AY) = 49.5V
(Out, BY) =  41.6V (выходное напряжение ниже питания на 7.9V)
Ppeak=(41.6)^2/8=216W (амплитуды 4 и 5 волн пачки уже практически равны)

Тест эффективности усилителя MOSFET класса АВ-plus, подключено дополнительное питание +-65V

  abPlusFree.png

Входного сигнала нет, подключено силовое и дополнительное питание. Усилитель работает в режиме AB-plus.
Напряжения цепей:  
(+65V) = 61.7V
(+56V) = 54.1V
(-56V) = -55.7V ( Vpp=800mV пульсации напряжения питания)
(Out) =  0V (измеренное мультиметром смещение на выходе усилителя +10mV, Vpp=1.6V?)

abPlusNominal.png

   Входной сигнал соответствует номинальной мощности, ограничения нет.
AB-plus. Напряжения цепей:  
(+65V) = 58.9V
(+56V) = 51.6V
(-56V) = -52.8V ( Vpp=6,4V просадка напряжения питания)
(Out, Vpp) =  92.8V (от пика до пика)
Ppeak=(92.8/2)^2/8=269W (+29.4% к режиму AB)

abPlusClipping.png

   Входной сигнал соответствует максимальной мощности, признаки ограничения есть.
AB-plus. Напряжения цепей:  
(+65V) = 58.2V
(+56V) = 50.9V
(-56V) = -52.4V ( Vpp=7,2V просадка напряжения питания)
(Out, Vpp) =  102.0V (от пика до пика)
Ppeak=(102/2)^2/8=325W (+29.5% к режиму AB)

abPlusClippingEnlarged.png

   Входной сигнал соответствует максимальной мощности, признаки ограничения есть.
AB-plus. Укрупнённый фрагмент четвёртой волны пачки.
Напряжения цепей:  
(+56V AY) = 49.3V
(Out, BY) =  48.6V (выходное напряжение ниже питания на 0.7V)
Ppeak=(48.6)^2/8=295W (+36,7%, но на осциллограмме амплитуды 1 и 2 волн сравнивать с режимом AB некорректно)

   Проведённый тест показывает возможности УМЗЧ MOSFET в режиме AB-plus. В этом режиме полностью реализуется низкое падение напряжение сток-исток открытого MOSFET транзистора. Температура усилителя не превышала 54 градуса, эквивалент нагрузки нагревался до 71 градуса.  Источник питания модуля тороидальный трансформатор 200W, две силовые обмотки ~40.5V(2.5A), обмотка 8V(800ma) для питания модуля ESP32, для реализации режима AB-plus понадобились две обмотки трансформатора по ~6.5V(100ma), два маломощных моста и два конденсатора 1000uF*10V. Основные конденсаторы фильтра по два на плечо 10000uF*63V, всего 4 штуки. Напряжение силовых обмоток можно поднять до ~42V.
   Рост эффективности практически на 30% при равной энергетике блока питания - это отличный результат.

Появились вопросы, заметили ошибки, пишите,  постараюсь ответить и исправить.

Dmitriy Khamuev

   В модулях для сабвуферов Newton-Lab старших моделей в качестве усилителя я взял за основу симметричный MOSFET AV400 Entony E. Holtona, компактный, недорогой, термостабильный, музыкальный и с хорошим выходным током.  С задачами он справлялся на 4 (из 5). Владимир Перепёлкин (НОЭМА Новосибирск) внёс в схему усилителя полезные улучшения. В порядке эксперимента, я изменил схему термостабилизации для  удобства первичной настройки и контроля. Всё прекрасно работает, но главная проблема осталась.

mosfet_pa_pa_1920.png

S350PA-v3-1_960.jpg

   Усилители с MOSFET выходными транзисторами на выходе имеют такой существенный недостаток, как сниженный КПД по сравнению с биполярными. Основная причина в пороговом напряжении затвора Vgs(th) 5..6 вольт MOSFET, транзисторы полностью не открываются. Решается проблема повышением питания предварительных каскадов, известный способ выжать по максиму из имеющихся возможностей питания и охлаждения. Питание усилителя определяет его возможности, возможности питания определяют конденсаторы фильтров, возможности конденсаторов определяют ёмкость и рабочее напряжение (ряд 35V, 50V, 63V, 100V).  Что такое 56V = 63V-10%, соответствует допуску на бытовые 230V+-10%. Переход из 63V в 100V - это кратное удорожание и увеличение массогабаритных показателей питания и охлаждения. Нужно выжимать всё из 56V, излишки можно "прижать" программируемым лимитёром.
   Такой режим работы усилителя я называл MOSFET AB+ (AB-plus) для маркетингового позиционирования изделий. Решение требует дополнительных источников напряжения по 6..9 вольт на плечо. Потребление предварительных каскадов приведённого ниже усилителя не превышает 30ma, соответственно, требования к дополнительным обмоткам питающего трансформатора минимальные.
   Проверенная схема симметричного усилителя изменена по рекомендациям Владимира Перепёлкина, транзисторы BC546 (Vceo=65V, Ic=100ma, Pc=500mW) заменены на 2N5551 (Vceo=160V, Ic=600ma, Pc=625mW), ток дифкаскада увеличен с 1,5ma до 3,8ma, ток каскада усиления напряжения 8,6ma->15,5ma, Q6-Q21 каскод и как результат увеличена полоса усиления в 1,5 раза. Узел стабилизации тока покоя изменён из технологических соображений. На электролитическом конденсаторе C4 в обратной связи присутствует постоянное напряжения до 200mV, что делает необязательным применение неполярного конденсатора. Балансировка каскодного дифкаскада RV1, R6, R36,  введена для экспериментов, без RV1 при номиналах R6=R36=51ом смещение "0" не более 30mV (в данном экземпляре +-7mV). Узел термостабилизации и управления током покоя выполнен на диодах D13, D14, D15, стабилитроне D12, светодиоде D11 и резисторе RV2. Диоды расположены на печатной плате в непосредственной близости от силовых транзисторов в наиболее горячей точке усилителя. Традиционный транзистор, вынесенный на радиатор, требует дополнительного крепления, принимает температуру медленнее и он, в итоге, холоднее на 5..20 градусов по сравнению с предложенным вариантом. Регулировка тока покоя удобно контролируется светодиодом D11. Цепи подачи питания на предварительные каскады D1, D2, R20, R21 сохранены на случай пропадания дополнительного питания и возможности работы усилителя в традиционном AB режиме.  В усилителе на фото, в качестве эксперимента, применены MOSFET транзисторы  FQA28N15 33/132A и FQA36P15 36/144A, эта пара вполне заменяет три пары RFP9240/IRFP9240 до напряжения питания +-70V. Замена  работает без замечаний, но на предельных режимах транзисторы следует ставить на керамические прокладки (НОМАКОН имеет большое тепловое сопротивление).

   Что даёт режим AB+ в данном усилителе, сравним работу в двух режимах:

- AB подано только +-56V на выходной каскад. Ограничение амплитуды 46,5V на 8 Омах. Потери напряжения V=56V-46.5V=9,5V, пиковая мощность P=46,5V^2/8oHm=270W.

- AB+ подано на предварительные каскады +-65V на выходной  +-56V. Ограничение амплитуды 54,75V на 8 Омах. Потери напряжения V=56V-54.5V=1.5V, пиковая мощность P=54,5V^2/8oHm=371W.

В режиме AB+ имеем прирост пиковой мощности по сравнению с AB 37% при питании выходного каскада +-56V.

За счёт чего - это происходит?
   В режиме AB+ выходной каскад в пиковом режиме теряет напряжение только на сопротивлении сток - исток MOSFET транзистора и на резисторе в цепи стока. Так для IRFP9240 не более 0,5oHm (7,2А) и   для IRFP240 не более 0,18oHm (12А) имеем падение на  3-х параллельных каскадах не более
U=56V/8oHm/3*(0,5oHm+0,22oHm)=1,68V.
   В режиме AB (в положительном плече) потери складываются из
U=R20(2,35V) + D2(0,74V) + R16(0,5V) + Q8ek(0,06V) +Q11gs(5,47V) +R25(0,43V)=9,55V.
Данная модель и расчёты построены на предположении стабильного напряжения 56V и 65V, учитывая просадки напряжения, при питании от реального источника пиковые значения несколько снижаются, но соотношения эффективности AB+ и AB режимов работы усилителя сохраняются.

Выводы:
Режим AB+ значительно расширяет энергетические возможности аналогового дискретного УМЗЧ, сохраняя все его преимущества.
Дополнительные обмотки трансформатора и цепи выпрямителей небольшая цена за существенный прирост мощности и КПД.

Осталось подтвердить результаты имитационного моделирования экспериментально.

Появились вопросы, заметили ошибки, пишите,  постараюсь ответить и исправить.

Sign in to follow this