Topologie Federmann

Základní údaje: Napsal Bohumil_Federmann; Nadřazená kategorie: Nf. technika; Kategorie: Topologie Federmann; Zveřejněno: 23. červenec 2010; Vytvořeno: 23. červenec 2010; Zobrazení: 18323

Úvod

Mnozí se často baví o zisku, rezervě zisku, zkreslení a mnoha dalších parametrech zesilovače aniž by jen tušili jejich souvislosti. Tak jsem si dal tu práci abych tuto problematiku nepatně objasnil a nastavil tak zrcadlo mnohým bludům, které se často na rádoby odborných webech vyskytují.

Vymezení zkreslení

Pro začátek budu uvažovat o zesilovači jehož výstupní napětí dosahuje amplitudy 2V a zkreslení způsobené vnitřními obvody dosahuje amplitudy 1V.

Vycházejme z předpokladu, že tvar zkreslení není nikdy nespojitý. Pro další úvahu se oprostíme o vstupní a výstupní užitečný signál a budeme se bavit pouze o zkreslení jako takovém.

Pro tento účel jsem realizoval v prostředí MC zapojení dle schématu s OZ LF147, jako zdroj zkreslení jsem použil generátor s označením V3 u kterého jsem měnil frekvenci a sledoval, jak si zesilovač s takovým zkreslením poradí.

10Hz

Jako první měření bylo provedeno měření při 10Hz, zde má OZ zesílení otevřené smyčky 99,74dB, při nastaveném zesílení zesilovače 20dB je rezerva zisku 79,74dB.

Podíváme-li se na rozkmit výstupního napětí, pak můžeme odečíst

U=10,233mV-10,027mV

U=206μV.

Podělíme-li napětí zdroje V3, které nám tvoří umělé zkreslení napětím, které se nám dostává skutečně na výstup, pak dostaneme 20log(2V/206μV)=79,74dB.

Můžeme tedy napsat, že zesilovač potlačil vnitřní zkreslení o hodnotu, které je rovna hodnotě rezervy zisku v otevřené smyčce.

100Hz

Jako další měření bylo provedeno měření při 100Hz, zde má OZ zesílení otevřené smyčky 91,4dB, při nastaveném zesílení zesilovače 20dB je rezerva zisku 71,4dB.

Podíváme-li se na rozkmit výstupního napětí, pak můžeme odečíst

U=10,398mV-9,861mV

U=537μV.

Podělíme-li napětí zdroje V3, které nám tvoří umělé zkreslení napětím, které se nám dostává skutečně na výstup, pak dostaneme 20log(2V/537μV)=71,4dB.

Můžeme tedy znovu napsat, že zesilovač potlačil vnitřní zkreslení o hodnotu, které je rovna hodnotě rezervy zisku v otevřené smyčce.

1kHz

Jako další měření bylo provedeno měření při 1kHz, zde má OZ zesílení otevřené smyčky 72,1dB, při nastaveném zesílení zesilovače 20dB je rezerva zisku 52,1dB.

Podíváme-li se na rozkmit výstupního napětí, pak můžeme odečíst

U=12,625mV-7,635mV

U=4,99mV.

Podělíme-li napětí zdroje V3, které nám tvoří umělé zkreslení napětím, které se nám dostává skutečně na výstup, pak dostaneme 20log(2V/4,99mV)=52,1dB.

Můžeme tedy znovu napsat, že zesilovač potlačil vnitřní zkreslení o hodnotu, které je rovna hodnotě rezervy zisku v otevřené smyčce.

10kHz

Jako další měření bylo provedeno měření při 10kHz, zde má OZ zesílení otevřené smyčky 52,1dB, při nastaveném zesílení zesilovače 20dB je rezerva zisku 32,1dB.

Podíváme-li se na rozkmit výstupního napětí, pak můžeme odečíst

U=35,053mV+14,792mV

U=49,845mV.

Podělíme-li napětí zdroje V3, které nám tvoří umělé zkreslení napětím, které se nám dostává skutečně na výstup, pak dostaneme 20log(2V/49,845mV)= 32,1dB.

Můžeme tedy znovu napsat, že zesilovač potlačil vnitřní zkreslení o hodnotu, které je rovna hodnotě rezervy zisku v otevřené smyčce.

100kHz

Jako další měření bylo provedeno měření při 100kHz, zde má OZ zesílení otevřené smyčky 32,1dB, při nastaveném zesílení zesilovače 20dB je rezerva zisku 12,1dB.

Podíváme-li se na rozkmit výstupního napětí, pak můžeme odečíst

U=252.839mV+232,559mV

U=485,398mV.

Podělíme-li napětí zdroje V3, které nám tvoří umělé zkreslení napětím, které se nám dostává skutečně na výstup, pak dostaneme 20log(2V/485,398mV)= 12,3dB.

Můžeme tedy znovu napsat, že zesilovač potlačil vnitřní zkreslení o hodnotu, které je rovna hodnotě rezervy zisku v otevřené smyčce a drobnou odchylku 0,2dB přičteme ještě na vrub přesnosti.

1MHz

Jako další měření bylo provedeno měření při 1MkHz, zde má OZ zesílení otevřené smyčky pouhých 12dB, při nastaveném zesílení zesilovače 20dB již není žádná rezerva!

Podíváme-li se na rozkmit výstupního napětí, pak můžeme odečíst

U=1,047V+0,948V

U=1.995V

Podělíme-li napětí zdroje V3, které nám tvoří umělé zkreslení napětím, které se nám dostává skutečně na výstup, pak dostaneme 20log(2V/ U=1.995V)= 0dB!

Můžeme tedy znovu napsat, že zesilovač potlačil vnitřní zkreslení o hodnotu, které je rovna hodnotě rezervy zisku v otevřené smyčce, rezerva však již není a celé chybové napětí se nám nyní dostává na výstup!

Závislost potlačení zkreslení na frekvenci

Jako poslední měření bylo provedeno měření přes celé pásmo od 1Hz až do 100MHz. Měření bylo provedeno s malou amplitudou a může se od předchozích měření nepatrně lišit, nicméně přesně s předchozími měřeními a výpočty koreluje.

Celkový pohled na potlačení zkreslení v závislosti na frekvenci.

Můžeme tedy znovu napsat, že zesilovač potlačil vnitřní zkreslení o hodnotu, které je rovna hodnotě rezervy zisku v otevřené smyčce, dále je nutné si uvědomit, že samotná zpětná vazba žádné zkreslení nezanáší či nevytváří, naopak potlačuje zkreslení vytvořené nelinearitou aktivních prvků zesilovače, které je závislé jak na frekvenci, tak na amplitudě, čímž se nám rezerva zisku a její frekvenční a amplitudový průběh rázem stává nejdůležitějším parametrem zesilovače.

Závěr

Abych naplnil obsah článku, jehož směr jsem vytyčil v samotném úvodu, pak bych musel dopočíst jednotlivá zkreslení.

Pro:

10Hz by to bylo 2V užitečného signálu a 206µV zkreslení, vyjádřeno v % by jsme dostali

206μV/2V=0,010.3%

100Hz by to bylo 2V užitečného signálu a 537µV zkreslení, vyjádřeno v % by jsme dostali

537µV/2V=0,026.8%

1kHz by to bylo 2V užitečného signálu a 4,99mV zkreslení, vyjádřeno v % by jsme dostali

4,99mV/2V=0,249.5%

10kHz by to bylo 2V užitečného signálu a 50mV zkreslení, vyjádřeno v % by jsme dostali

50mV/2V=2,5%

100kHz by to bylo 2V užitečného signálu a 485mV zkreslení, vyjádřeno v % by jsme dostali

485mV/2V=25,25%

1MHz by to bylo 2V užitečného signálu a 2V zkreslení, vyjádřeno v % by jsme dostali

2V/2V=100%

Krom uvedených hodnot zkreslení můžeme ještě napsat, že pokles rezervy zesílení vždy způsobuje nárůst zkreslení. Dále je nutno dodat, že jsem uvažoval, že převodní charakteristika je nelineární, ale frekvenčně stálá u běžného zapojení však s frekvencí pravděpodobně nelinearita poroste a výsledný nárůst zkreslení bude větší jak pokles rezervy zisku.

Tento článek není o přesném stanovení míry zkreslení, ale ukazuje na velmi těsnou vazbu mezi rezervou zisku a samotným zkreslením.

Dále je patrné, že ne vždy je nutno řešit zapojení jako ultra lineární, pokud bude zdánlivě méně vhodným zapojením způsobený nárůst nelinearity menší jak přidaná rezerva zisku, pak bude vždy dosaženo lepšího výsledku!

Lze napsat, že vlastní zkreslení - nelinearita zesilovače je potlačena úměrně rezervě zisku, ale pokud rezerva zisku zanikne, pak zanikne i potlačení vlastního zkreslení, které se nám na výstupu projeví plnou měrou.

Dále lze napsat, že na celkovém zkreslení hraje rezerva zisku mnohonásobně větší roli než bezhlavá snaha o maximální linearizaci zapojení, obzvláště když přihlédneme ke skutečnosti, že každý tranzistor je nelineárním prvkem.

Diskuse

Základní údaje: Napsal Bohumil_Federmann; Nadřazená kategorie: Nf. technika; Kategorie: Topologie Federmann; Zveřejněno: 28. červen 2010; Vytvořeno: 28. červen 2010; Zobrazení: 9233

Úvod

Po koncových stupních Zesilovač 300W/600W, HQQ-55-505W-3-1, Zesilovač 1000W/2000W, HQQ-55-505W-10-1, Zesilovač 500W/1000W, HQQ-55-505W-5-1 a HQQF-55-200, inteligentním řízení napájení je čas představit další obvody potřebné k sestavení kvalitního kytarového komba.

Baxandallův korektor

V horní části zapojení můžeme vidět klasický Baxandallův korektor jehož zdvih jsem nastavil na ±15dB, jednotlivé průběhy jsou patrné z gryfů.

Wiennův článek

Ve spodní části zapojení můžeme vidět Wiennův článek zapojený do zpětné vazby v důsledku čehož můžeme regulovat zisk v rozsahu ±9dB. Wiennův článek jsem sestavil jako přeladitelný a umožňuje přeladitelnost od 100Hz až po 10kHz. Rozsah regulace je opět patrný z grafů.

Závěr

Článek je o přesné počítačové simulaci, tedy o stanovení optimálních hodnot součástek a dostavení všech požadovaných hodnot a parametrů zapojení, žádné řešení pokus omyl, jak jsme občas od mnohých "Mistrů" zvyklí.

Následovat bude návrh v EAGLE, zvolení požadovaných vstupů a výstupů, prostorové uspořádání ovládacích prvků a podobně.

Dovětek

Další verze bude zřejmě 10÷12 pásmový ekvalizér, nebude opomněn ani zkreslený kanál. Další funkce je možno do návrhu zakomponovat, záleží na konkrétním zájmu, proto neváhejte a svůj zájem dejte vědět.

Diskuse

Základní údaje: Napsal Bohumil_Federmann; Nadřazená kategorie: Nf. technika; Kategorie: Topologie Federmann; Zveřejněno: 20. červen 2010; Vytvořeno: 20. červen 2010; Zobrazení: 14129

Úvod

Po dlouhé době jsem se konečně dostal k již avizovanému návrhu inteligentního řízení napájení zesilovačů řady HQQF-55-505W. Aby mohlo takové inteligentní řízení vzniknout, musela mu předcházet dostatečná podpora v zesilovačích řady HQQF-55-505W.

Zesilovač 300W/600W, HQQ-55-505W-3-1

Zesilovač 500W/1000W, HQQ-55-505W-5-1

Zesilovač 1000W/2000W, HQQ-55-505W-10-1

Opožděné připojení hlavního napájení

Zesilovače HQQF-55-505W již disponují kontrolou napětí pomocných zdrojů, tato kontrola je vyvedena přes konektor X₆ k dalšímu zpracování.

Při dostatečně velkém napětí pomocných zdrojů je otevřen tranzistor optočlenu OK₂, přes konektor X₈ dojde k sepnutí relé K1, čímž dojde k sepnutí kontaktů K1₁₁ a K1₁₄ a připojení hlavního transformátoru.

Pomalý náběh

Termistor R₁ zajistí pomalý náběh hlavního zdroje. Pomalý náběh je nutný pro odstranění proudových rázů při zapnutí hlavního zdroje.

Hlavní pojistka

Jako jištění je použita hlavní pojistka, uvádím hlavní, přestože jde o jedinou použitou tavnou pojistku, která má za úkol chránit celé zařízení před přetížením.

Velikost hlavní pojistky je volena s ohledem na velikost středního výkonu zesilovače a velikost hlavního transformátoru, což musí být ve vzájemné relaci. Počáteční proudový náraz je omezen termistorem R₁, jak jsem uvedl dříve.

Rychlé odpojení

Pro případ poruchy zesilovače má modul HQQF-55-200 celkem 5 vstupů X₉ ÷ X₁₃, které mohou být použity pro snímání ss složky zesilovačů řady HQQF-55-505W, pro snímání teploty chladiče či další potřebné kontrolní činnosti.

Kontrola ss složky

Pro tuto funkci jsou moduly zesilovačů řady HQQF-55-505W vybaveny samostatnou kontrolou. V případe ss složky je otevřen tranzistor optočlenu OK₁, přes konektor X₅ a dále prostřednictvím jednoho z konektorů X₉ ÷ X₁₃ dojde k otevření tyristoru T₁.

Přes tyristor T₁ dojde k sepnutí relé K₂, čímž dojde k rozepnutí kontaktů K2₁₁ a K2₁₂ a odpojení hlavního transformátoru.

Stav sepnutí T₁ je nevratný a trvá pokud je přítomno napájecí napětí, k rozepnutí T₁ a opětovnému nastartování zařízení je zapotřebí jeho celkové vypnutí.

Kontrola teploty a další potřebné kontrolní činnosti.

Kontrola teploty a dalších potřebných kontrolních činností, pokud je použita tepelná vratná pojistka či jiný zdroj signalizace poruchy se připojí prostřednictvím dalšího z konektorů X₉ ÷ X₁₃. Funkce je identická jako v případě kontroly ss složky a signály se sčítají.

Zvýšení ochrany

Modul inteligentního řízení napájení zesilovačů HQQF-55-505W, HQQF-55-200 disponuje další užitečnou funkcí, kterou je nejenom odpojení napájecího napětí ale rovněž rychlého vybití filtračních kondenzátorů.

Po sepnutí tyristoru T₁dojde k sepnutí relé K₂, čímž dojde k rozepnutí kontaktů K2₁₁ a K2₁₂ a odpojení hlavního transformátoru, dále se nabíjí kondenzátor C₂, který zajistí zpoždění pro sepnutí optočlenů OK₁ a OK₂ a následné odpálení tyristorů T₂ a T₃, které přes odpory R₂ a R₃ zajistí přes konektory X₃ ÷ X₇, rychlé vybití hlavních filtračních kondenzátorů všech připojených modulů HQQF-55-505W.

Srovnání se současným stavem

HQQF-55-200 - modul inteligentního řízení napájení zesilovačů HQQF-55-505W, se dá jen velmi těžce srovnávat s jinými produkty používanými k různým ochranným účelům, neboť samotné pojetí řízení napájení je diametrálně jiné než u jiných konstruktérů.

SS složka

SS složka je hlídána na úrovni samotného zesilovače a modul HQQF-55-200 zajišťuje jen její vyhodnocení a zpracování.

Odpojení reproduktorů

Odpojení reproduktorů, zde není vůbec realizováno. Vycházeje z názoru, že jakékoliv přechodové odpory a další prvky v cestě signálu jsou naprosto nežádoucí, bylo přistoupeno k odpojení celého zesilovače.

Pojistky

Vycházeje ze stejného názoru, že jakékoliv přechodové odpory a další prvky v cestě napájení, mezi filtračními kapacitami a výkonovými tranzistory jsou naprosto nežádoucí, bylo přistoupeno k jištění celého zesilovače pouze jednou tavnou pojistkou na vstupu celého zařízení.

Ochrany výkonových prvků

Ochrany výkonových prvků se téměř neřeší, každý konstruktér odpojí reproduktor a čeká až zbytek zařízení bude postupně, ale dokonale zničen.

Modul inteligentního řízení napájení HQQF-55-200 disponuje odpojením hlavního napájení a následným rychlým vybitím filtračních kondenzátorů. Jde o funkci, kterou v současné době nenabízí žádný konstruktér. Tato funkce může zachránit, když ne všechny výkonové prvky, pak alespoň jejich podstatnou část.

Závěr

Modul inteligentního řízení napájení HQQF-55-200 vychází z mnou používaných principů a mých zapojení v 70. letech minulého století, přesto je i nyní svým pojetím zcela převratným řešením, které nemá v soudobé praxi žádnou konkurenci. S drobnými úpravami jde tento modul s jistým omezením použít i pro jiné výkonové stupně.

Mnohem více však lze funkce inteligentního řízení napájení HQQF-55-200 využít, jako vzor pro mnohé konstruktéry, aby povýšili svá řešení k vyšší bezpečnosti, spolehlivosti a dokonalosti.

Pokud někdo nechce využít všech funkcí modulu HQQF-55-200, pak není nutnost jednotlivé prvky osazovat, totéž platí v přiměřené míře pro moduly zesilovačů řady HQQF-55-505W. Velikost jednostranného plošného spoje je 90x57mm.

Diskuse

Základní údaje: Napsal Bohumil_Federmann; Nadřazená kategorie: Nf. technika; Kategorie: Topologie Federmann; Zveřejněno: 17. červen 2010; Vytvořeno: 17. červen 2010; Zobrazení: 11565

Úvod

Tento článek je věnován dokončovacím pracím na návrhu jednokanálové verze zesilovače popsané v textu Zesilovač 2 x 50 ÷ 500W aneb 100 ÷1000W.

V článku Zesilovač 500W/1000W, HQQF-55-505W-5-1 jsem se věnoval konstrukci s 5 páry výkonových tranzistorů, následně jsem se v článku Zesilovač 1000W/2000W, HQQF-55-505W-10-1 věnoval verzi s 10 páry výkonových tranzistorů.

Volba výkonu

Někteří očekávají, že budou následovat verze se 6, 7, 8 a 9 páry koncových tranzistoru, ale ty moc nepotěším. Těmto konstrukcím se věnovat nebudu, rozdíl mezi 9 a 10 páry je nevýznamný proto jsem volil poměr 1:2.

Nejvýkonnější 2kW verze je můstek osazený 20 páry výkonových tranzistorů.
Další 1kW verze má 10 párů výkonových tranzistorů, může být zapojena jako jeden 10 párový modul, nebo můstek dvou 5 párových modulů.
Následuje 500W konstrukce, která je realizována 5 párovým modulem.
Následovat bude pouze 3 párová konstrukce, která umožní vznik modulů do výkonu 300W, nebo 600W pro můstkové zapojení.

Diskuse

Základní údaje: Napsal Bohumil_Federmann; Nadřazená kategorie: Nf. technika; Kategorie: Topologie Federmann; Zveřejněno: 15. červen 2010; Vytvořeno: 15. červen 2010; Zobrazení: 18443

Úvod

Tento Článek JE věnován dokončovacím pracím Na návrhu jednokanálové verze zesilovače popsané v edited Zesilovač 2 x 50 ÷ 500W aneb 100 ÷ 1000W.

V článku Zesilovač 500W/1000W, HQQF-55-505W-5-1 jsem o sobe věnoval konstrukcí s 5 páry výkonových tranzistorů, nyní představím konstrukcí s 10 páry výkonových tranzistorů.

Komu však nestačí 1kW konstrukce osazená 10 páry výkonových tranzistorů, Pak JE tu ještě nejvýkonnější konstrukce, která umožňuje vytvořit výkon přesahující 2kW, JDE o DVA moduly osazené božstvo 20 páry zapojenými výkonových tranzistorů do Můstku.