Archiwum. Klasa D już tu jest !
Jeszcze do niedawna akustyczne wzmacniacze klasy D były czymś niezwykłym. Teraz zdominowały i zrewolucjonizowały rynek. Ludzie żyjący w rewolucyjnych czasach wcale nie mają świadomości że w takich czasach żyją. Bowiem dopiero po latach zmiany i czasy nazywane są "rewolucyjnymi".
W 1993 roku kupiłem znakomity wzmacniacz Sony TA-F870ES. Ma 200 watów mocy na każdy stereofoniczny kanał przy 0.02% zniekształceń w całym pasmie. Jego waga to ponad 24 kg ! Oczywiście pracował w klasie AB.
Obecnie wszystkie koncerny
technologiczne przeszły na klasę D - Panasonic, Sony, JVC, Philips,
LG.
Kilka słów o Panasonicu SA-XR55. Cyfrowy wzmacniacz ma 7 x 100 Watów mocy.
We wzmacniaczach cyfrowych stopień mocy nie jest objęty sprzężeniem zwrotnym. Jest tylko pełnomostkowym inwerterem mocy sterowanym cyfrowym przebiegiem PWM z procesorów sygnałowych. Czas martwy tego inwertera przekłada się na zniekształcenia sygnału wyjściowego, stad też musi być niezwykle mały. Napięcie zasilające musi być dokładnie stabilizowane i bardzo czyste bowiem układ ma zerowe tłumienie zakłóceń intermodulacyjnych napięcia zasilania.
We wzmacniaczach cyfrowych prawie zawsze stosowane są przetwornice.
Panasonic w swojej linii amplitunerów / kin domowych stosuje główny zasilacz SMPS typu Flyback wykonany na układzie mocy firm Sanken / Allegro typu STR-F6629 z rodziny STR-F6600. Stabilizowane jest napięcie wyjściowe via pętle sprzężenia zwrotnego z transoptorem. Stabilizacja jest znakomita. Stabilizowane jest napięcie na samym wzmacniaczu mocy a nie wyjściu zasilacza. W ten sposób eliminowane są spadki na impedancji połączeń ! Ma także mały zasilaczyk pomocniczy Standby o malutkim poborze mocy, <1 wata.
Wzmacniacz cyfrowy nie ma żadnych przetworników D/A. Przetwornikiem jest sam wzmacniacz.
Cyfrowy sygnał audio PCM jest przerabiany na PWM w procesorze Texasa TAS5076 (Six Channel Digital Audio PWM Processor). Przetworzenie PCM na PWM nie jest zadaniem banalnym bowiem modulacja PWM jest silnie dynamicznie nieliniowa.
Sygnały PWM podane są do czterech driverów TAS5182, 100W Stereo Digital Amplifier Power Stage Controller. Wystarczy wpisać w okienku Search na stronie www.ti.com nazwy układów aby uzyskać ich pełne dokumentacje w plikach PDF. Dostępne są także liczne i bardzo ciekawe noty aplikacyjne. Nie podaje linków bowiem lokacje się zmieniają i często trafia się na "404".
Drivery sterują umieszczonymi w pięcionózkowych obudowach TO220 półmostkach typu IRFI4024. Każda obudowa ma wewnątrz dwa połączone w półmostek tranzystory Mosfet o parametrach - 55V, 48 mOhm. IRFI4042 jest produkowany przez Japoński oddział International Rectyfier. Na jeden pełnomostkowy kanał przypadają dwa półmostki IRFI4024, jest ich wiec na zdjęciu 14.
Sygnał PWM z wyjścia mostka podany jest na filtry LC.
Załączam zdjęcia na których widać wymienione układy.
Wymaga odpowiedzi pytanie czy podana przez Panasonica moc wyjściowa jest lipna czy rzeczywista. Jeśli to kogoś zainteresuje mogę załączyć obraz uzyskanego spectrum sygnału mocy przy podaniu na oba kanały stereofoniczne sygnałów 1 i 3 KHz i obciążeniu rezystorami. Zniekształcenia są przyzwoite i mniejsze niż podaje Panasonic w materiałach reklamowych. Uwaga dla wszystkich którzy nie stykali się z klasą D - należy mierzyć wyjściowy sygnał symetryczny tak jak jest podany do głośników. Jeśli zmierzymy sygnał jednego wyjścia w stosunku do masy do zniekształcenia są koszmarnie duże !
Z łatwością uzyskujemy ponad 100 W na kanał w całym paśmie. Nie ma spadku mocy przy niskich częstotliwościach co jest niezwykle cenne. Napięcie zasilające ani drgnie !
Czy wzmacniacz ma jednak 7 x 100 watów ? Nie jest łatwo odpowiedzieć na to pytanie. Po pierwsze trzeba dysponować cyfrowym sygnałem 7x różne sinusoidy. Ja nie dysponuje. Trzeba dysponować siedmioma rezystorami mocy aby natychmiast nie uszkodzić głośników. Także i tym nie dysponuje.
Ale... Odtwarzałem różnistą muzykę i filmy , nawet lekko przesterowując. Napięcie na zasilaczu ani drgnie. Prawdopodobnie nigdy jednocześnie nie są wysterowane wszystkie 7 kanałów a głośniki często mają większą impedancje niż znamionową i oczywiście nie czysto rezystancyjną. Reaktancja głośników wywołuje tylko cyrkulacje mocy co zasadniczo różni klasę D od AB, potrzebny jest znacznie mniejszy zasilacz.
Wreszcie na koniec dołączyłem regulowane Big Obciążenie do zasilacza . Z zasilacza daje się wycisnąć 300 Watów co jest i tak wartością ogromną. Tak wiec oczywiście wzmacniacz nie ma mocy wyjściowej 700 watt ale skoro nie istnieje sposób aby zasilacz drgnął przy jakimkolwiek normalnie dostępnym sygnale i obciążeniu to widać jest on całkowicie wystarczający.
Stabilizacja napięcia powoduje ze wzmacniacz jest bardzo głośny. Dosłownie huczy. Moc nie spada przy basach. Parę lat temu testowałem konwencjonalny amplituner w klasie AB ze zwykłym zasilaczem z transformatorem sieciowym. Wysterowanie wielu kanałów dawało drastyczny spadek napięcia zasilacza i potworny spadek mocy.
Moc stereofoniczna wynosiła ca 2 x 100 W (dopiero powyżej 50Hz) ale nie więcej niż 7 x 30 W w surroundzie.
Cały Service Manual jest bardzo obszerny. Schematy i rozwiązania są ciekawe. Mam go tylko w postaci papierowej a więc skany miałyby olbrzymią wagę.
Kilka słów o Panasonicu SA-XR55. Cyfrowy wzmacniacz ma 7 x 100 Watów mocy.
We wzmacniaczach cyfrowych stopień mocy nie jest objęty sprzężeniem zwrotnym. Jest tylko pełnomostkowym inwerterem mocy sterowanym cyfrowym przebiegiem PWM z procesorów sygnałowych. Czas martwy tego inwertera przekłada się na zniekształcenia sygnału wyjściowego, stad też musi być niezwykle mały. Napięcie zasilające musi być dokładnie stabilizowane i bardzo czyste bowiem układ ma zerowe tłumienie zakłóceń intermodulacyjnych napięcia zasilania.
We wzmacniaczach cyfrowych prawie zawsze stosowane są przetwornice.
Panasonic w swojej linii amplitunerów / kin domowych stosuje główny zasilacz SMPS typu Flyback wykonany na układzie mocy firm Sanken / Allegro typu STR-F6629 z rodziny STR-F6600. Stabilizowane jest napięcie wyjściowe via pętle sprzężenia zwrotnego z transoptorem. Stabilizacja jest znakomita. Stabilizowane jest napięcie na samym wzmacniaczu mocy a nie wyjściu zasilacza. W ten sposób eliminowane są spadki na impedancji połączeń ! Ma także mały zasilaczyk pomocniczy Standby o malutkim poborze mocy, <1 wata.
Wzmacniacz cyfrowy nie ma żadnych przetworników D/A. Przetwornikiem jest sam wzmacniacz.
Cyfrowy sygnał audio PCM jest przerabiany na PWM w procesorze Texasa TAS5076 (Six Channel Digital Audio PWM Processor). Przetworzenie PCM na PWM nie jest zadaniem banalnym bowiem modulacja PWM jest silnie dynamicznie nieliniowa.
Sygnały PWM podane są do czterech driverów TAS5182, 100W Stereo Digital Amplifier Power Stage Controller. Wystarczy wpisać w okienku Search na stronie www.ti.com nazwy układów aby uzyskać ich pełne dokumentacje w plikach PDF. Dostępne są także liczne i bardzo ciekawe noty aplikacyjne. Nie podaje linków bowiem lokacje się zmieniają i często trafia się na "404".
Drivery sterują umieszczonymi w pięcionózkowych obudowach TO220 półmostkach typu IRFI4024. Każda obudowa ma wewnątrz dwa połączone w półmostek tranzystory Mosfet o parametrach - 55V, 48 mOhm. IRFI4042 jest produkowany przez Japoński oddział International Rectyfier. Na jeden pełnomostkowy kanał przypadają dwa półmostki IRFI4024, jest ich wiec na zdjęciu 14.
Sygnał PWM z wyjścia mostka podany jest na filtry LC.
Załączam zdjęcia na których widać wymienione układy.
Wymaga odpowiedzi pytanie czy podana przez Panasonica moc wyjściowa jest lipna czy rzeczywista. Jeśli to kogoś zainteresuje mogę załączyć obraz uzyskanego spectrum sygnału mocy przy podaniu na oba kanały stereofoniczne sygnałów 1 i 3 KHz i obciążeniu rezystorami. Zniekształcenia są przyzwoite i mniejsze niż podaje Panasonic w materiałach reklamowych. Uwaga dla wszystkich którzy nie stykali się z klasą D - należy mierzyć wyjściowy sygnał symetryczny tak jak jest podany do głośników. Jeśli zmierzymy sygnał jednego wyjścia w stosunku do masy do zniekształcenia są koszmarnie duże !
Z łatwością uzyskujemy ponad 100 W na kanał w całym paśmie. Nie ma spadku mocy przy niskich częstotliwościach co jest niezwykle cenne. Napięcie zasilające ani drgnie !
Czy wzmacniacz ma jednak 7 x 100 watów ? Nie jest łatwo odpowiedzieć na to pytanie. Po pierwsze trzeba dysponować cyfrowym sygnałem 7x różne sinusoidy. Ja nie dysponuje. Trzeba dysponować siedmioma rezystorami mocy aby natychmiast nie uszkodzić głośników. Także i tym nie dysponuje.
Ale... Odtwarzałem różnistą muzykę i filmy , nawet lekko przesterowując. Napięcie na zasilaczu ani drgnie. Prawdopodobnie nigdy jednocześnie nie są wysterowane wszystkie 7 kanałów a głośniki często mają większą impedancje niż znamionową i oczywiście nie czysto rezystancyjną. Reaktancja głośników wywołuje tylko cyrkulacje mocy co zasadniczo różni klasę D od AB, potrzebny jest znacznie mniejszy zasilacz.
Wreszcie na koniec dołączyłem regulowane Big Obciążenie do zasilacza . Z zasilacza daje się wycisnąć 300 Watów co jest i tak wartością ogromną. Tak wiec oczywiście wzmacniacz nie ma mocy wyjściowej 700 watt ale skoro nie istnieje sposób aby zasilacz drgnął przy jakimkolwiek normalnie dostępnym sygnale i obciążeniu to widać jest on całkowicie wystarczający.
Stabilizacja napięcia powoduje ze wzmacniacz jest bardzo głośny. Dosłownie huczy. Moc nie spada przy basach. Parę lat temu testowałem konwencjonalny amplituner w klasie AB ze zwykłym zasilaczem z transformatorem sieciowym. Wysterowanie wielu kanałów dawało drastyczny spadek napięcia zasilacza i potworny spadek mocy.
Moc stereofoniczna wynosiła ca 2 x 100 W (dopiero powyżej 50Hz) ale nie więcej niż 7 x 30 W w surroundzie.
Cały Service Manual jest bardzo obszerny. Schematy i rozwiązania są ciekawe. Mam go tylko w postaci papierowej a więc skany miałyby olbrzymią wagę.
Cyfrowe wzmacniacze S-Master Sony
Koncern Sony w całej gamie amplitunerów / kin domowych stosuje cyfrowe wzmacniacze dużej mocy klasy D nazwane firmowo jako S-Master.
Konstrukcja samego wzmacniacza jest bardzo prosta.
Sygnał PCM z procesora DSP efektów dźwiękowych zostaje podany do dwukanałowego konwertera PCM na PWM typu CXD9788 (S-Master Processor). Siedmiokanałowy amplituner ma 4 takie układy. Przebieg PWM steruje bufor mocy (inwerter) typu CXD9883. Jeden bufor to jeden pełny mostek mocy i jeden kanał. Dalej sygnał mocy PWM filtrowany jest symetrycznym filtrem LC (10uH plus 1 uF) i podany do głośników. Małe kondensatorki SMD w filtrze wyjściowym i odcinki ścieżek na płycie drukowanej to filtr skutecznie zatrzymujący zakłócenia w pasmie radiowym. Projektowanie takich filtrów jest niebywale trudne. Sygnał na wyjściach głośnikowych nie zawiera praktycznie żadnych zakłóceń radiowych i praca radia w amplitunerza przebiega bez problemów.
Dlaczego konwersje PCM na PWM oraz wytworzenie przebiegu PWM dokonuje się w wyspecjalizowanych układach DSP a nie w głównym procesorze sygnałowym który jest przecież w każdym amplitunerze.
Na konwerter PCM na PWM składa się:
- jedno lub dwustopniowy filtr interpolacyjny typu FIR (Finite Impulse Response) podnoszący częstotliwość próbek sygnału PCM aż do częstotliwości PWM (w Sony-m 384 KHz)
- algorytmu / układu modulacji Pseudo Natural PWM
- układu Sigma Delta 2 lub 3 rzędu do zmniejszenia długości słowa do 6-8 bitów czyli o rozdzielczości liczników PWM i usunięcia szumów
- układu liczników wytwarzających sygnał PWM
Zadania te może wykonać każdy współczesny procesor DSP ale.... procesor o średniej mocy obliczeniowej może obsłużyć zaledwie 2-5 kanałów nie robiąc przy tym nic innego Stosowanie extra conajmniej dwóch procesorów DSP straszliwie podniosłoby cenę i komplikację amplitunerów.
Dlatego produkuje się "proste" i tanie wyspecjalizowane "procesory" DSP do konwersji PCM-PWM. W sumie jest to dość elastyczny układ filtru który wykonuje filtracje FIR oraz algorytm Sigma Delta. Ten "procesor" DSP nie ma żadnej pamięci programu. Jego sterujący hardware to niejako zaszyty program. Ma on tylko pamięć przetwarzanego sygnału oraz bardzo szybki układ mnożący z akumulatorem.
Stosowany jest algorytm PWM podtypu BD. Nie będę się rozwodził na tą złożoną sprawą. Najważniejsze jest to ze sygnał PWM musi być podany do symetrycznego bufora mocy i filtru LC. Sam sygnał sprzed bufora mocy można przez opornik (parę Kohm) podać na czułe słuchawki i usłyszeć sygnał ! W ten sposób można sprawdzić czy uszkodzony jest bufor mocy.
Sony stosuje także bardzo podobny procesor S-Master firmy Renesas typu M65818 , dokumentacja dostępna na stronie www.renesas.com.. Gigantyczny Renesas to połączone koncerny Mitsubishi i Hitachi.
Jako bufor mocy / inwerter stosowany jest także przez Sony układ SLA5506 firmy Allegro / Sanken Electric. Allegro robi znakomite układy mocy (głównie do sterowania silników) i spotykany jest w wielu innym wzmacniaczach cyfrowych.
Bufory mocy są kompletnymi inwerterami. Zawierają więc klucze mocy Mosfet tworzące kompletny mostek dla każdego kanału, ich drivery, układy bootstrap, zabezpieczenie nadprądowe i temperaturowe.
Wykonane w technologi CMOS-DMOS bufory maja z reguły maksymalne napięcie zaledwie 40-45-50 V. Napięcie zasilania musi być jeszcze mniejsze z uwagi na obecne przepięcia. Jak przystało na układy w technologi CMOS bufor jest umieszczony w płaskiej obudowie SMD mającej aż 36 nóżek. GND, zasilania i wyjścia mają wiele równoległych nóżek. Obudowa ma jednak konstrukcje przydatna do rozpraszania - odprowadzania dużej mocy strat.
Zastosowanie do produkcji buforów mocy typowej technologii produkcji wielkomasowej oraz nieomal typowych obudów SMD powoduje ze jest wyrób stosunkowo tani.
Przykładowy amplituner Sony jest przewidziany do pracy z głośnikami o impedancji 3 OHM. Przy sztywnym napięciu zasilania 32 Volt oddaje aż 140 watów na każdy kanał. Jeden z amplitunerów Sony ma 7 x170 W na kanał - jest to obecnie kres możliwości wymienionych buforów mocy ale.... już w produkcji są bufory o mocy 300 Watt a zapowiadane są 500 Watt. Istne szaleństwo.
Cyfrowy wzmacniacz mocy jest urządzeniem High Technology. Nawet bufor mocy jest wykonany w typowej technologi CMOS - SMD.
Cyfrowy wzmacniacz ma zerowe tłumienie zakłóceń pochodzących z napięcia zasilania. Każdy cyfrowy wzmacniacz ma dokładnie stabilizowane i bardzo sztywne napięcia zasilające. Wzmacniacz zawsze pracuje w układzie mostkowym i ma tylko jedno napięcie zasilające.
Sony w głównej przetwornicy Flyback stosuje układ mocy STR-F6168 LF1362 firmy Sanken Electric. Główna przetwornica wytwarza tylko jedno napięcie 32 V (w amplitunerze 7 x 170 W jest to 38 V).
Pomocnicza przetwornica (również Flyback) małej mocy dostarcza napięcie w modzie Standby a w czasie pracy zasila wszystkie układy sygnałowe DSP , oraz ewentualnie napęd DVD i tuner.
Napięcie 32 V do wzmacniacza jest próbkowane na wyjście przetwornicy a sygnał błędu podany do układu mocy transoptorem. Stabilizacja jest wyśmienita, obserwowane dokładnym miernikiem napięcie 32V ani drgnie, nawet jeśli amplituner dosłownie huczy.
Moc przetwornicy należy ocenić na niepełne 200 wat.
W modzie Stereo wzmacniacz oddaje na dwa rezystory 3 Ohm po 140 W na kanał. Nie ma żadnych kłamstw i przesady w materiałach reklamowych Sony. Nie udało mi się znaleźć materiału muzycznego ani filmowego który by załamał zasilacz w trakcie pracy surround nawet przy przesterowaniu. napięcie przetwornicy ani drgnie. Próby mocy amplitunera 7x140 W zakończyła interwencja cierpliwego sąsiada.
Jeszcze dziesięć , piętnaście lat temu za górny pułap mocy przetwornic typu Flyback uważano 100-150 W czyli telewizor 28-29 cali w technologii 50Hz z porządnym dźwiękiem Stereo. Odbiorniki 100 Hz mają większy pobór mocy. Sony w 100Hz odbiornikach serii 29 FX zastosował złożoną rezonansową przetwornice przeciwsobną w technologii LLC o potencjalnie dużej mocy ale... potem wrócił do układów Flyback. Coraz potężniejsze Mosfety podniosły próg przetwornic Flyback aż do obecnych 400 watów. Na schemacie podano pojemność kondensatora elektrolitycznego prostownika sieciowego na 330uF / 450V ale w badanym amplitunerze zastosowano 470uF / 400V. Biorąc pod uwagę moc przetwornicy kondensator nie jest duży. Przy mocnym obciążeniu tętnienia napięcia 300V są wielkie ale z drugiej strony "mała" pojemność pozwala podnieść odrobinę współczynnik mocy przy dużych mocach pobieranych z sieci. Zaletą przetwornic Flyback jest to ze ich moc i sprawność niewiele spada przy mniejszym chwilowym napięciu zasilającym co umożliwia stosowanie względnie małego kondensatora elektrolitycznego. Wielki kondensator elektrolityczny sprawiałby także problemy z włączeniem urządzania do sieci 230VAC.
Transformator mocy musi mieć bardzo mała indukcyjność rozproszenia. Uzwojenia pierwotne i wtórne są dzielone jak pokazano na schemacie Minimalizacja indukcyjności rozproszenia wyklucza obecność dodatkowych uzwojeń i dlatego pozostałe napięcia pochodzą z mniejszej przetwornicy.
Warto zwrócić uwagę na istotny szczegół - kondensator filtru Y jest dołączony do „gorącej” końcówki uzwojenia wtórnego a nie tak jak zawsze do GND. Uzyskano w ten sposób aktywną kompensację składowej wspólnej napięcia zakłócającego tak jak to robi się w wyrafinowanych falownikach.
Schemat zasilacza na pierwszy rzut oka nie zawiera niczego nowego. Jednak jeśli dokładnie się mu przyjrzeć to takich różnych "dziwactw" jest całkiem sporo.
Zasilacz mimo dużej mocy nie zawiera układu Power Factor Correction do poprawy współczynnika mocy pobieranej z sieci 230VAC.
Warto dokładniej przyjrzeć się tej sprawie. Stosowanie układu PFC byłoby społeczno- ekonomicznym nonsensem i marnotrawstwem. Słuchacz bowiem tylko sporadycznie korzysta z wielkiej mocy - są granice wytrzymałości jego uszu, domowników, sąsiadów i samych głośników. Układ PFC byłby potrzebny tylko przez mniej niż 0.01-1% czasu użytkowania. Za to przez 100% czasu użytkowania układ PFC pobierałby dodatkową moc (ca 1-6 Watt) czyli obniżał sprawność zasilacza i wydzielał kłopotliwe ciepło. Czysty absurd nie biorąc pod uwagę zwiększonej ceny amplitunera z PFC oraz zmarnowanego materiału do jego budowy.
Sprawność potężnych cyfrowych wzmacniaczy amplitunera jest naprawdę wysoka. Pobór mocy nawet przy głośnym graniu jest mały.
Technologia wzmacniaczy mocy klasy D warta jest popularyzacji i omówienia. Szkoda ze Service Manuale ze schematami szczegółowymi i blokowymi jest tylko w formie papierowej. Zresztą nawet te w formie papierowej nie są bynajmniej łatwo dostępne. To wpisuje się w absurdalną - obsesyjną politykę utrudniania dostępu do dokumentacji wszelkich urządzeń energoelektronicznych.
Królująca na rynku technologia wzmacniaczy klasy D jest objęta nieomal tajemnica technologiczną. Są to tematy które wypłyną szeroko dopiero za jakiś czas.
Koncentracja mocy w małych obudowach jest potężna. Reguła jest stosowanie załączanych przy dużej mocy cichobieżnych wentylatorków. Obecnie tylko światowe koncerny technologiczne przełamały potężne przeszkody i opanowały technologie cyfrowych wzmacniaczy audio dużej mocy. Jakość jest cały czas podnoszona. Wydaje się ze technologia już przeskoczyła wyobraźnie i wymagania rynku. Czy potrzebne są na rynku amplitunery 7 x 300 Wat albo 7 x 500 Watt.
Koncern Sony w całej gamie amplitunerów / kin domowych stosuje cyfrowe wzmacniacze dużej mocy klasy D nazwane firmowo jako S-Master.
Konstrukcja samego wzmacniacza jest bardzo prosta.
Sygnał PCM z procesora DSP efektów dźwiękowych zostaje podany do dwukanałowego konwertera PCM na PWM typu CXD9788 (S-Master Processor). Siedmiokanałowy amplituner ma 4 takie układy. Przebieg PWM steruje bufor mocy (inwerter) typu CXD9883. Jeden bufor to jeden pełny mostek mocy i jeden kanał. Dalej sygnał mocy PWM filtrowany jest symetrycznym filtrem LC (10uH plus 1 uF) i podany do głośników. Małe kondensatorki SMD w filtrze wyjściowym i odcinki ścieżek na płycie drukowanej to filtr skutecznie zatrzymujący zakłócenia w pasmie radiowym. Projektowanie takich filtrów jest niebywale trudne. Sygnał na wyjściach głośnikowych nie zawiera praktycznie żadnych zakłóceń radiowych i praca radia w amplitunerza przebiega bez problemów.
Dlaczego konwersje PCM na PWM oraz wytworzenie przebiegu PWM dokonuje się w wyspecjalizowanych układach DSP a nie w głównym procesorze sygnałowym który jest przecież w każdym amplitunerze.
Na konwerter PCM na PWM składa się:
- jedno lub dwustopniowy filtr interpolacyjny typu FIR (Finite Impulse Response) podnoszący częstotliwość próbek sygnału PCM aż do częstotliwości PWM (w Sony-m 384 KHz)
- algorytmu / układu modulacji Pseudo Natural PWM
- układu Sigma Delta 2 lub 3 rzędu do zmniejszenia długości słowa do 6-8 bitów czyli o rozdzielczości liczników PWM i usunięcia szumów
- układu liczników wytwarzających sygnał PWM
Zadania te może wykonać każdy współczesny procesor DSP ale.... procesor o średniej mocy obliczeniowej może obsłużyć zaledwie 2-5 kanałów nie robiąc przy tym nic innego Stosowanie extra conajmniej dwóch procesorów DSP straszliwie podniosłoby cenę i komplikację amplitunerów.
Dlatego produkuje się "proste" i tanie wyspecjalizowane "procesory" DSP do konwersji PCM-PWM. W sumie jest to dość elastyczny układ filtru który wykonuje filtracje FIR oraz algorytm Sigma Delta. Ten "procesor" DSP nie ma żadnej pamięci programu. Jego sterujący hardware to niejako zaszyty program. Ma on tylko pamięć przetwarzanego sygnału oraz bardzo szybki układ mnożący z akumulatorem.
Stosowany jest algorytm PWM podtypu BD. Nie będę się rozwodził na tą złożoną sprawą. Najważniejsze jest to ze sygnał PWM musi być podany do symetrycznego bufora mocy i filtru LC. Sam sygnał sprzed bufora mocy można przez opornik (parę Kohm) podać na czułe słuchawki i usłyszeć sygnał ! W ten sposób można sprawdzić czy uszkodzony jest bufor mocy.
Sony stosuje także bardzo podobny procesor S-Master firmy Renesas typu M65818 , dokumentacja dostępna na stronie www.renesas.com.. Gigantyczny Renesas to połączone koncerny Mitsubishi i Hitachi.
Jako bufor mocy / inwerter stosowany jest także przez Sony układ SLA5506 firmy Allegro / Sanken Electric. Allegro robi znakomite układy mocy (głównie do sterowania silników) i spotykany jest w wielu innym wzmacniaczach cyfrowych.
Bufory mocy są kompletnymi inwerterami. Zawierają więc klucze mocy Mosfet tworzące kompletny mostek dla każdego kanału, ich drivery, układy bootstrap, zabezpieczenie nadprądowe i temperaturowe.
Wykonane w technologi CMOS-DMOS bufory maja z reguły maksymalne napięcie zaledwie 40-45-50 V. Napięcie zasilania musi być jeszcze mniejsze z uwagi na obecne przepięcia. Jak przystało na układy w technologi CMOS bufor jest umieszczony w płaskiej obudowie SMD mającej aż 36 nóżek. GND, zasilania i wyjścia mają wiele równoległych nóżek. Obudowa ma jednak konstrukcje przydatna do rozpraszania - odprowadzania dużej mocy strat.
Zastosowanie do produkcji buforów mocy typowej technologii produkcji wielkomasowej oraz nieomal typowych obudów SMD powoduje ze jest wyrób stosunkowo tani.
Przykładowy amplituner Sony jest przewidziany do pracy z głośnikami o impedancji 3 OHM. Przy sztywnym napięciu zasilania 32 Volt oddaje aż 140 watów na każdy kanał. Jeden z amplitunerów Sony ma 7 x170 W na kanał - jest to obecnie kres możliwości wymienionych buforów mocy ale.... już w produkcji są bufory o mocy 300 Watt a zapowiadane są 500 Watt. Istne szaleństwo.
Cyfrowy wzmacniacz mocy jest urządzeniem High Technology. Nawet bufor mocy jest wykonany w typowej technologi CMOS - SMD.
Cyfrowy wzmacniacz ma zerowe tłumienie zakłóceń pochodzących z napięcia zasilania. Każdy cyfrowy wzmacniacz ma dokładnie stabilizowane i bardzo sztywne napięcia zasilające. Wzmacniacz zawsze pracuje w układzie mostkowym i ma tylko jedno napięcie zasilające.
Sony w głównej przetwornicy Flyback stosuje układ mocy STR-F6168 LF1362 firmy Sanken Electric. Główna przetwornica wytwarza tylko jedno napięcie 32 V (w amplitunerze 7 x 170 W jest to 38 V).
Pomocnicza przetwornica (również Flyback) małej mocy dostarcza napięcie w modzie Standby a w czasie pracy zasila wszystkie układy sygnałowe DSP , oraz ewentualnie napęd DVD i tuner.
Napięcie 32 V do wzmacniacza jest próbkowane na wyjście przetwornicy a sygnał błędu podany do układu mocy transoptorem. Stabilizacja jest wyśmienita, obserwowane dokładnym miernikiem napięcie 32V ani drgnie, nawet jeśli amplituner dosłownie huczy.
Moc przetwornicy należy ocenić na niepełne 200 wat.
W modzie Stereo wzmacniacz oddaje na dwa rezystory 3 Ohm po 140 W na kanał. Nie ma żadnych kłamstw i przesady w materiałach reklamowych Sony. Nie udało mi się znaleźć materiału muzycznego ani filmowego który by załamał zasilacz w trakcie pracy surround nawet przy przesterowaniu. napięcie przetwornicy ani drgnie. Próby mocy amplitunera 7x140 W zakończyła interwencja cierpliwego sąsiada.
Jeszcze dziesięć , piętnaście lat temu za górny pułap mocy przetwornic typu Flyback uważano 100-150 W czyli telewizor 28-29 cali w technologii 50Hz z porządnym dźwiękiem Stereo. Odbiorniki 100 Hz mają większy pobór mocy. Sony w 100Hz odbiornikach serii 29 FX zastosował złożoną rezonansową przetwornice przeciwsobną w technologii LLC o potencjalnie dużej mocy ale... potem wrócił do układów Flyback. Coraz potężniejsze Mosfety podniosły próg przetwornic Flyback aż do obecnych 400 watów. Na schemacie podano pojemność kondensatora elektrolitycznego prostownika sieciowego na 330uF / 450V ale w badanym amplitunerze zastosowano 470uF / 400V. Biorąc pod uwagę moc przetwornicy kondensator nie jest duży. Przy mocnym obciążeniu tętnienia napięcia 300V są wielkie ale z drugiej strony "mała" pojemność pozwala podnieść odrobinę współczynnik mocy przy dużych mocach pobieranych z sieci. Zaletą przetwornic Flyback jest to ze ich moc i sprawność niewiele spada przy mniejszym chwilowym napięciu zasilającym co umożliwia stosowanie względnie małego kondensatora elektrolitycznego. Wielki kondensator elektrolityczny sprawiałby także problemy z włączeniem urządzania do sieci 230VAC.
Transformator mocy musi mieć bardzo mała indukcyjność rozproszenia. Uzwojenia pierwotne i wtórne są dzielone jak pokazano na schemacie Minimalizacja indukcyjności rozproszenia wyklucza obecność dodatkowych uzwojeń i dlatego pozostałe napięcia pochodzą z mniejszej przetwornicy.
Warto zwrócić uwagę na istotny szczegół - kondensator filtru Y jest dołączony do „gorącej” końcówki uzwojenia wtórnego a nie tak jak zawsze do GND. Uzyskano w ten sposób aktywną kompensację składowej wspólnej napięcia zakłócającego tak jak to robi się w wyrafinowanych falownikach.
Schemat zasilacza na pierwszy rzut oka nie zawiera niczego nowego. Jednak jeśli dokładnie się mu przyjrzeć to takich różnych "dziwactw" jest całkiem sporo.
Zasilacz mimo dużej mocy nie zawiera układu Power Factor Correction do poprawy współczynnika mocy pobieranej z sieci 230VAC.
Warto dokładniej przyjrzeć się tej sprawie. Stosowanie układu PFC byłoby społeczno- ekonomicznym nonsensem i marnotrawstwem. Słuchacz bowiem tylko sporadycznie korzysta z wielkiej mocy - są granice wytrzymałości jego uszu, domowników, sąsiadów i samych głośników. Układ PFC byłby potrzebny tylko przez mniej niż 0.01-1% czasu użytkowania. Za to przez 100% czasu użytkowania układ PFC pobierałby dodatkową moc (ca 1-6 Watt) czyli obniżał sprawność zasilacza i wydzielał kłopotliwe ciepło. Czysty absurd nie biorąc pod uwagę zwiększonej ceny amplitunera z PFC oraz zmarnowanego materiału do jego budowy.
Sprawność potężnych cyfrowych wzmacniaczy amplitunera jest naprawdę wysoka. Pobór mocy nawet przy głośnym graniu jest mały.
Technologia wzmacniaczy mocy klasy D warta jest popularyzacji i omówienia. Szkoda ze Service Manuale ze schematami szczegółowymi i blokowymi jest tylko w formie papierowej. Zresztą nawet te w formie papierowej nie są bynajmniej łatwo dostępne. To wpisuje się w absurdalną - obsesyjną politykę utrudniania dostępu do dokumentacji wszelkich urządzeń energoelektronicznych.
Królująca na rynku technologia wzmacniaczy klasy D jest objęta nieomal tajemnica technologiczną. Są to tematy które wypłyną szeroko dopiero za jakiś czas.
Koncentracja mocy w małych obudowach jest potężna. Reguła jest stosowanie załączanych przy dużej mocy cichobieżnych wentylatorków. Obecnie tylko światowe koncerny technologiczne przełamały potężne przeszkody i opanowały technologie cyfrowych wzmacniaczy audio dużej mocy. Jakość jest cały czas podnoszona. Wydaje się ze technologia już przeskoczyła wyobraźnie i wymagania rynku. Czy potrzebne są na rynku amplitunery 7 x 300 Wat albo 7 x 500 Watt.
Amplitunery JVC.
Obecnie wszystkie koncerny technologiczne stosują w amplitunerach / kinach domowych o dużej mocy wyjściowej wzmacniacze klasy D.
Dominują wzmacniacze cyfrowe zasilane z przetwornic.
Wyjątkiem jest koncern JVC ze swoimi urządzeniami RX-D201S, RX-D301S, RX-D411S, RX-D701S. Moc wyjściowa wynosi od 7 x 100 W do 7 x 130 W.
JVC stosuje analogowy wzmacniacz klasy D. Wzmacniacz ma analogowy modulator oraz objęty jest sprzężeniem zwrotnym z wyjścia filtru LC - Hybrid Feedback Amplifier, tak to nazwał koncern JVC. Częstotliwość modulacji PWM jest stała i wynosi 400 KHz. Stosowany jest układ półmostkowy z symetrycznym zasilaniem
Sygnał PWM z analogowego modulatora podany jest do drivera IRS20124S firmy International Rectyfier www.irf.com.. Schemat urządzeń JVC , jeśli chodzi o fragment układu z driverem IRS20124S, jest niemalże powtórzenie not aplikacyjnych International Rectyfier. Zasadniczo różny jest za to modulator. IR generalnie stosuje bowiem układy samooscylujące ewentualnie synchronizowane. JVC jest typowym modulatorem w którym sygnał błędu porównuje się z liniowym przebiegiem piłokształtnym. Sygnał błędu pochodzi zaś z regulatora PIIID, to nie pomyłka. Jest aż potrójne całkowanie.
Driver podobnie jak i tranzystory mocy są tanie i niezawodne.
Driver IR20124S stanowi ewolucyjne rozwiniecie znanych od lat i bardzo popularnych driverów takich jak IR2110 czy IR2113 czy IR2010 szeroko stosowanych w energoelektronice a w tym wzmacniaczach akustycznych dużej i wielkiej mocy. Dotychczasowe drivery firmy IR były kopiowane nieomal przez wszystkie koncerny światowe , prawdopodobnie tak będzie i z nowym układem IRS20124.
Chip układu IR2110 stosowany jest przykładowo w hybrydowych układach firmy Tripath typu TA0103, 0104,0105 oraz TA3020 oraz dalszych. Są to sterowniki wzmacniaczy audio klasy D.
Nowy układ ma świetne zabezpieczenie nadprądowe Mosfetów. Mierzy spadek napięcia na załączonym tranzystorze Mosfet. Jeśli napięcie przewodzenia (ustalone zewnętrznymi rezystorami) jest zbyt duże (co świadczy o zbyt dużym płynącym prądzie przez Mosfeta) następuje zadziałanie zabezpieczenia. Zbędny jest bardzo kłopotliwy rezystor przez który w starszych układach zabezpieczeń płynął prąd Mosfeta. Rezystor musiał mieć odpowiednią moc i znikomą indukcyjność co rzutowało na jego cenę. Dopuszczalne napięcie przewodzenia programuje się zewnętrznymi rezystorami co sprawia ze rozwiązanie jest elastyczne. Dodatni współczynnik rezystancji Rdson tranzystora Mosfet powoduje ze próg ograniczenia prądu maleje wraz z temperaturą Mosfeta co czyni zabezpieczenie jeszcze lepszym i wiarygodnym / niezawodnym. Układ jest odporny na zwarcie, sprawdzono to doświadczalnie.
Driver pozwala także na wybór czasu martwego z pośród czterech wartości. Wartości czasów martwych pozwalają na optymalny wybór.
Driver w każdym z siedmiu kanałów steruje dwoma tranzystorami Mosfet IRFB4212 (100V, Rdson=72 mOhm) w obudowach TO220. Sygnał PWM podany jest na filtr LC i dalej do … głośników, tak jak widać na zdjęciu.
IR na stronie internetowej w dziale poświęconym biznesowi omawia także i to że jego rozwiązania zostały wybrane także do wzmacniaczy klasy D m.in przez koncern JVC.
Analogowy wzmacniacz mocy w klasie D objęty sprzężeniem zwrotnym nie wymaga stabilizowanego napięcia zasilania bowiem posiada ogromny współczynnik tłumienia zakłóceń napięcia zasilania - w odróżnieniu od wzmacniacza cyfrowego.
Zastosowanie stabilizacji napiec zasilających wzmacniacz powoduje jednak ze z określonych tranzystorów Mosfet (nieprzekraczalna graniczna wartość napięcia zasilania) można "wycisnąć" nieporównanie większa moc. napięcie zasilania bowiem we wzmacniaczach bardzo spada przy dużym obciążeniu, spada także przy niskich częstotliwościach sygnału.
Spadek napięcia zasilania w starszych amplitunerach ze wzmacniaczami klasy AB powodował ze chociaż wzmacniacz miał dla przykładu moc wyjściową 2 x 100 W (dla sygnałów powyżej 100Hz) to spadała ona do zaledwie 7 x 30W w modach surround.
W urządzeniach firmy JVC napięcie z konwencjonalnego sieciowego transformatora mocy 50Hz podane jest to typowego prostownika mostkowego z potężnymi kondensatorami elektrolitycznymi a dalej do dwóch impulsowych stabilizatorów napięcia. Elementami wykonawczymi regulatorów są oczywiście tranzystory Mosfet. Zastosowano driver IR2110. Regulatory mogą być pominięte ale napięcie zasilania musi być znacznie mniejsze (stosowany jest inny transformator o mniejszych napięciach) co ponad dwukrotnie zmniejsza moc wyjściową amplitunera. Rozwiązanie bez regulatorów napiec stosuje się na uboższe, mniej wymagające rynki.
Zastosowane rozwiązanie jest odrobinę dziwne. Pozostałe koncerny technologiczne stosują po prostu przetwornice co skutkuje choćby mniejszą wagą z powodu braku transformatora 50Hz.
Amplituner JVC jest przede wszystkim urządzeniem energoelektronicznym w którym przekroczono pułap 1 KW mocy.
Ciekawy jest sam analogowy modulator PWM. Jego omówienie wymaga jednak podania schematu który jest duży ! Service Manual dostępny jest tylko w formie papierowej. Pętlą sprzężenia zwrotnego objęto także wyjściowy filtr LC co sprawiło ze możliwe jest stosowanie mało kosztownego , niewyrafinowanego dławika wyjściowego który nie musi być ultraliniowy.
Moc wyjściowa badanego egzemplarza amplitunera była większa od deklarowanej przez koncern JVC. Stabilizowane napięcie zasilacza pozostawało stabilne przy każdym materiale muzycznym i filmowym, nawet przy przesterowaniu wzmacniacza. Dobrze to świadczy o konstruktorach. Praca wielokanałowa odbywa się z pełną dynamiką. Moc nie spada także przy niskich częstotliwościach co bardzo pozytywnie wyróżnia zastosowaną stabilizacje napięcia.
Obecnie wszystkie koncerny technologiczne stosują w amplitunerach / kinach domowych o dużej mocy wyjściowej wzmacniacze klasy D.
Dominują wzmacniacze cyfrowe zasilane z przetwornic.
Wyjątkiem jest koncern JVC ze swoimi urządzeniami RX-D201S, RX-D301S, RX-D411S, RX-D701S. Moc wyjściowa wynosi od 7 x 100 W do 7 x 130 W.
JVC stosuje analogowy wzmacniacz klasy D. Wzmacniacz ma analogowy modulator oraz objęty jest sprzężeniem zwrotnym z wyjścia filtru LC - Hybrid Feedback Amplifier, tak to nazwał koncern JVC. Częstotliwość modulacji PWM jest stała i wynosi 400 KHz. Stosowany jest układ półmostkowy z symetrycznym zasilaniem
Sygnał PWM z analogowego modulatora podany jest do drivera IRS20124S firmy International Rectyfier www.irf.com.. Schemat urządzeń JVC , jeśli chodzi o fragment układu z driverem IRS20124S, jest niemalże powtórzenie not aplikacyjnych International Rectyfier. Zasadniczo różny jest za to modulator. IR generalnie stosuje bowiem układy samooscylujące ewentualnie synchronizowane. JVC jest typowym modulatorem w którym sygnał błędu porównuje się z liniowym przebiegiem piłokształtnym. Sygnał błędu pochodzi zaś z regulatora PIIID, to nie pomyłka. Jest aż potrójne całkowanie.
Driver podobnie jak i tranzystory mocy są tanie i niezawodne.
Driver IR20124S stanowi ewolucyjne rozwiniecie znanych od lat i bardzo popularnych driverów takich jak IR2110 czy IR2113 czy IR2010 szeroko stosowanych w energoelektronice a w tym wzmacniaczach akustycznych dużej i wielkiej mocy. Dotychczasowe drivery firmy IR były kopiowane nieomal przez wszystkie koncerny światowe , prawdopodobnie tak będzie i z nowym układem IRS20124.
Chip układu IR2110 stosowany jest przykładowo w hybrydowych układach firmy Tripath typu TA0103, 0104,0105 oraz TA3020 oraz dalszych. Są to sterowniki wzmacniaczy audio klasy D.
Nowy układ ma świetne zabezpieczenie nadprądowe Mosfetów. Mierzy spadek napięcia na załączonym tranzystorze Mosfet. Jeśli napięcie przewodzenia (ustalone zewnętrznymi rezystorami) jest zbyt duże (co świadczy o zbyt dużym płynącym prądzie przez Mosfeta) następuje zadziałanie zabezpieczenia. Zbędny jest bardzo kłopotliwy rezystor przez który w starszych układach zabezpieczeń płynął prąd Mosfeta. Rezystor musiał mieć odpowiednią moc i znikomą indukcyjność co rzutowało na jego cenę. Dopuszczalne napięcie przewodzenia programuje się zewnętrznymi rezystorami co sprawia ze rozwiązanie jest elastyczne. Dodatni współczynnik rezystancji Rdson tranzystora Mosfet powoduje ze próg ograniczenia prądu maleje wraz z temperaturą Mosfeta co czyni zabezpieczenie jeszcze lepszym i wiarygodnym / niezawodnym. Układ jest odporny na zwarcie, sprawdzono to doświadczalnie.
Driver pozwala także na wybór czasu martwego z pośród czterech wartości. Wartości czasów martwych pozwalają na optymalny wybór.
Driver w każdym z siedmiu kanałów steruje dwoma tranzystorami Mosfet IRFB4212 (100V, Rdson=72 mOhm) w obudowach TO220. Sygnał PWM podany jest na filtr LC i dalej do … głośników, tak jak widać na zdjęciu.
IR na stronie internetowej w dziale poświęconym biznesowi omawia także i to że jego rozwiązania zostały wybrane także do wzmacniaczy klasy D m.in przez koncern JVC.
Analogowy wzmacniacz mocy w klasie D objęty sprzężeniem zwrotnym nie wymaga stabilizowanego napięcia zasilania bowiem posiada ogromny współczynnik tłumienia zakłóceń napięcia zasilania - w odróżnieniu od wzmacniacza cyfrowego.
Zastosowanie stabilizacji napiec zasilających wzmacniacz powoduje jednak ze z określonych tranzystorów Mosfet (nieprzekraczalna graniczna wartość napięcia zasilania) można "wycisnąć" nieporównanie większa moc. napięcie zasilania bowiem we wzmacniaczach bardzo spada przy dużym obciążeniu, spada także przy niskich częstotliwościach sygnału.
Spadek napięcia zasilania w starszych amplitunerach ze wzmacniaczami klasy AB powodował ze chociaż wzmacniacz miał dla przykładu moc wyjściową 2 x 100 W (dla sygnałów powyżej 100Hz) to spadała ona do zaledwie 7 x 30W w modach surround.
W urządzeniach firmy JVC napięcie z konwencjonalnego sieciowego transformatora mocy 50Hz podane jest to typowego prostownika mostkowego z potężnymi kondensatorami elektrolitycznymi a dalej do dwóch impulsowych stabilizatorów napięcia. Elementami wykonawczymi regulatorów są oczywiście tranzystory Mosfet. Zastosowano driver IR2110. Regulatory mogą być pominięte ale napięcie zasilania musi być znacznie mniejsze (stosowany jest inny transformator o mniejszych napięciach) co ponad dwukrotnie zmniejsza moc wyjściową amplitunera. Rozwiązanie bez regulatorów napiec stosuje się na uboższe, mniej wymagające rynki.
Zastosowane rozwiązanie jest odrobinę dziwne. Pozostałe koncerny technologiczne stosują po prostu przetwornice co skutkuje choćby mniejszą wagą z powodu braku transformatora 50Hz.
Amplituner JVC jest przede wszystkim urządzeniem energoelektronicznym w którym przekroczono pułap 1 KW mocy.
Ciekawy jest sam analogowy modulator PWM. Jego omówienie wymaga jednak podania schematu który jest duży ! Service Manual dostępny jest tylko w formie papierowej. Pętlą sprzężenia zwrotnego objęto także wyjściowy filtr LC co sprawiło ze możliwe jest stosowanie mało kosztownego , niewyrafinowanego dławika wyjściowego który nie musi być ultraliniowy.
Moc wyjściowa badanego egzemplarza amplitunera była większa od deklarowanej przez koncern JVC. Stabilizowane napięcie zasilacza pozostawało stabilne przy każdym materiale muzycznym i filmowym, nawet przy przesterowaniu wzmacniacza. Dobrze to świadczy o konstruktorach. Praca wielokanałowa odbywa się z pełną dynamiką. Moc nie spada także przy niskich częstotliwościach co bardzo pozytywnie wyróżnia zastosowaną stabilizacje napięcia.
Szkoda że Polska nie ma teraz własnej elektroniki. Taki prowincjonalny grajdołek.
OdpowiedzUsuń