Перейти к содержанию

Dmitriy Khamuev

Members
 Профиль  Обзор контента

  • Постов

    177

  • Зарегистрирован

  • Посещение

 Тип контента 

Записи блога, опубликованные Dmitriy Khamuev

  1. Dmitriy Khamuev
    Встречал описания разных экспериментальных методов определения выходного сопротивления УМЗЧ.
    Они универсальны и основаны на измерении разности выходного напряжения при разной нагрузке. Методики понятны и достаточно трудоёмки.
    Но в случае прямой гальванической связи с нагрузкой всё можно упростить.
    Описание метода:
    1. Берём гальванически развязанный с питанием усилителя источник тока (использовал лабораторный ИП)
    2. Выставляем напряжение и ток КЗ (5V, 2A)
    3. Прикладываем ток в прямой и обратной полярности к выходу включённого и прогретого усилителя.
    4. Обращаемся к закону Ома.
    Мои результаты (УМ практически такой же, как тестах выше):
    Источник тока 2,0 A
     
    Смещение (х.х.) = 0,0453V
    Смещение (-2А) = 0,0409V
    Выходное сопротивление = 0,00220Ohm
    Damping factor (8Ohm) = 3636
    Damping factor (4Ohm) = 1818
    Смещение (х.х.) = 0,04570V
    Смещение (+2А) =0,05060V
    Выходное сопротивление = 0,00245Ohm
    Damping factor (8Ohm) 3265
    Damping factor (4Ohm) 1633
    Интересно мнение коллег - это имеет право на жизнь, или я неправильно провёл час воскресного вечера?
    Есть ли предположения на каких токах стоит измерять? 
  2. Dmitriy Khamuev
    Цель разработки: создать компактную схему управления и защиты с требуемыми функциями.

    Назначение:
    Защита динамка от постоянного тока. Задержка подключения силового питания ~400ms Отключение силового питания при пропадании или снижения одного из плеч Управление силовым питанием микроконтроллером Включение силового питания по детектору наличия сигнала Дистанционное включение в комплексе сигналом TRIGGER +12V Состав узла управления-защиты:
    Оптопары U1 PC817, U2 PC814 (использую оба 814 для унификации). Интегратор R36-C19, U4 логическая КМОП микросхема 4001 (четыре логических элемента "2ИЛИ-НЕ" 564ЛЕ5), цепи фильтрации и предустановки,  светодиоды - индикаторы состояний ON, STANDBYE , DC-PROTECT, SLP. Транзистор Q17, цепь R33-C26, реле RL1 RT424048 48V управление 2x8A коммутация.
    Работа:
    Объект управления реле RL1 управляется оптроном U2 по принципу монтажного ИЛИ, цепь R32 - управляющий диод оптопары - светодиоды STANDBYE , DC-PROTECT, SLP.
    Функция защиты динамика: с выхода усилителя сигнал поступает через интегратор R36(22k)-C19(100uF) на светодиоды оптрона U2, оптрон срабатывает при входном уровне ~1V. При подаче 50V на вход интегратора защита сработает за ~<50ms при R36=22k или ~<100ms при R36=47k. Рабочее напряжение C19 не превысит прямого падения на диоде, выбрал неполярный конденсатор на 16V из наличия, но можно и на 6V. Защитный RS-триггер реализован на элементах 2ИЛИ-НЕ U4:A-B, C20 защищает от импульсных помех, R37 нагрузка для фототранзистора оптрона, цепь R38-C21 устанавливает в "1" (5V) DC-PROTECT при включении питания.
    814 оптрон включает триггер при напряжение на диоде ~0.88V и токе ~0.095ma. Постоянное напряжение на входе цепи защиты R36 переключающее триггер составляет ~3.36V при R36=22k, ~3.98V при R36=33k и ~4.72V при R36=47k.
    Задержка подключения силового питания обеспечивается цепью R33-C26 и при данных номиналах ~400ms, увеличив C26 задержку можно сделать больше. Рабочее напряжение на конденсаторе не превышает напряжения Б-Э транзистора Q17.
    Отключение силового питания при пропадании или снижения одного из плеч происходит из-за обесточивания обмотки реле.
    Управление силовым питанием микроконтроллером необходимо для корректной последовательности включения - выключения и перезагрузки.
    Включение силового питания по детектору наличия сигнала и дистанционное включение в комплексе сигналом TRIGGER +12V реализовано на  элементах 2ИЛИ-НЕ U4:C-D  сигнал SLEEP поступает с детектора наличия сигнала, цепь R40-R41 делитель сигнал TRIGGER +12V (срабатывает от ~6V), диод D10 защищает от переполюсовки.
    Применив вместо диода D10 стабилитрон на 4.7V дополнительно защищаем вход логического элемента и от перенапряжения. 
    Резистор  R46 "развязывает" от лишней "земли" на корпусе разъёма TRIGGER +12V - это обычно такой:

     

    Примечания:
    метки проводников +-35V и +-36V указаны условно, номинал балластного резистора R34 питания обмотки реле указан для напряжения +-56V.
    Применённый оптрон  U1 814 серии имеет на входе два инверсно-параллельных инфракрасных светодиода и такое обозначение.
     

    Интересно мнение коллег по такому варианту защиты, на опытных экземплярах всё работает.
    Какие напряжения и время срабатывания можно считать приемлемыми?
  3. 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.

       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

       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?)

       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

       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

       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
     
    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?)

       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)

       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)

       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.
  4. 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.


       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.
×
×
  • Создать...