Mythos PWM-Amps--- was ist so schwierig dran? - Thema anzeigen

Hallo zusammen,

da ich hier einige kenne, die neben mir selber Verstärker bauen, reparieren und sich sonst irgendwie mit Elektronik beschäftigen, stelle ich hier mal eine kleine Grundsatzfrage: Worin liegt das Geheimnis der PWM-Amps? Bei klassischen Endstufen wird der Widerstand der Endverstärkertransistoren gesteuert und damit der Lautsprecher über die H-Brücke Umgepolt und mit unterschiedlichen Spannugen gefüttert. Bei den PWN-Endstufen wird das Signal zerhackt. Die entstandenen Strompulse werden durch ein LC-Glied wieder in die benötigten Spannungsschwankungen umgewandelt, da ja die Endtransen nur i/o kennen. und immer volle Scheitelspannung hinten ausspucken.

Nun zur eigentlichen Frage: die Ansteuerung der Transistoren wäre ja dadurch teils digital, da nur i/o. Die Abstimmung des LC-Glieds stellt meiner Meinung nach nicht das Problem dar. Bei der Digitalisierung des Analogsignals sieht es wieder anders aus. Wie macht man das? Sägezahnverfahren, einfach fertiges IC rein oder wie? Welche Bitbreite, Taktung würde ich jetzt von dem Einsatzzweck der Endstufe abhängig machen (im Bass sehe ich wenig Sinn in einer 96Khz-Taktung).

Wenn ich aus der Sicht eines Maschinenbauers mit seinen Motorendstufen rausschau, nimm' ich das Signal, setze es an einen AD-Port des AVRs über einen hochohmigen Spannungsteiler. der liefert dann immer 128, bei Negativausschlag weniger und bei positiver Halbwelle halt dann mehr. Anschließend eine kleine Routine programmiert: Betrag des Ausschlags in positive Richtung wird an die LR-Durchschaltseite per PWM geschaltet und negative analog an Rl_Durchschaltstufe. Je mehr Pegel desto höher der Ausschlag desto länger der Puls am PWM-Ausgang.
Mein kleiner Ausflug wäre dadurch auch selbstschützend da nie alle Transistoren durchschalten können. AD In muss ja immer entweder über oder unter 1/2 Vss sein und kann sich ja nicht zerreißen.

Einziges kleines, aber fatales Problem das ich bei mir habe ist die gerige Bandbreite der AD-Inputs am AVR nämlich nur 8 Bit. Beim PWM sieht es nicht viel besser aus, muss ich nochmal nachsehen. Der sollte aber 16 bit taktbar sein so wie ich es aus dem Datenblatt lese bzw. wäre das ja wiederum programmierbar.

Mit einem 16Bit-AD-Wandler am Eingang wäre doch damit meine einfach PWM-Endstufe fertig ...

Was sehe ich falsch?

Der versierte Leser wird feststellen, dass ich übrigens die Netzteilseite etwas ausgeklammert habe... gehen wir mal von konventionellem NT und PWM Endstufe aus a la Crown K2...

CNC hat geschrieben:HalloWorin liegt das Geheimnis der PWM-Amps? Bei klassischen Endstufen wird der Widerstand der Endverstärkertransistoren gesteuert..

Die Beantwortung wäre Stoff für ein Buch mit großen Umsatzchancen, man kann es hier nur sehr sehr grob umreißen.

Es gibt mehrere Wege zur PWM. Ich kann hier nur den Weg beschreiben den meine Sachen gehen:

Vorn im Amp befindet sich als Vorstufe ein VCA.
Ebenso ein Sägezahnoszillator.
Ebenso ein PWM Comparator.
Dahinter folgen die beiden Treiberverstärker für die Endstufenhälften.
Dahinter die beiden Endstufensätze.
Dahinter sitzt das LC Filter Richtung Ausgang.
Vom Ausgang führt eine Gegenkopplung über einen Aktiven Filter, diesem wird noch eine Referenz zugeführt. Sein Ausgang korrigiert den Phasengang des Amps durch Zugriff auf den Komparator und gleichzeitige Korrektur des Gains am VCA.

Der Ausgang der beiden Treiber muß folgendes Signal bereitstellen:

Takt1 - Pause - Takt2 - Pause.
Eine zu kurze Pause führt zur Zerstörung des Amps, hier ist radikale Limitierung ratsam.
Takt1 ist am Plus-Rail. Takt2 ist am Minus-Rail.

Das "Geheimnis" ist die Rekonstruktion der Eigangsamplitude am Ausgang innerhalb des Arbeitsfrequenzbereichs und eben die genannte Gegenkopplung über aktives Filter, diese muß zudem noch so arbeiten daß es nicht zur Selbsterregung (Oszillation) kommt.

Bei großen Amps greift diese Steuerung auch noch auf das SNT zu und regelt die Railspannungen mit, hinzu kommen noch die Protections gegen DC, Übersteuerung, HF, Thermal.

Die Slewrate solch eines Amps darf nicht geringer sein als 20V, sonst kriegt er Probleme damit, das Ausgangssignal genau entsprechend der Eingangsreferenz abzubilden.

Das mit dem AVR wird nicht sonderlich gut funktionieren. Neben dem zu ungenauen A/D-Wandler wird die PWM-Generierung nicht ausreichend schnell sein. Rechenbeispiel: 16bit-PWM bedeutet, dass 2^16 Takte eine PWM-Periode bilden -> 65536 Takte Zykluszeit. So ein AVR hat soweit ich weiss maximal 16 MHz -> 244 Hz PWM-Frequenz. Naja, da wirds auch für eine Bassendstufe etwas eng. 8bit-PWM wären dann zwar immerhin ~63 kHz, was auch noch zu wenig fürs volle Spektrum ist, aber die 8 bit entsprechen nur einem SNR von 48dB. Auch nicht sonderlich.

Falls ich irgendwo falsch liege, möge man mich bitte korrigieren.

Greets,
N-Dee

das mit dem AVR war nur mein Analogon , es ging mir nur um das Prinzip.

Naja, der Punkt ist eigentlich, dass die Generierung der PWM eigentlich nicht digital ist - die Pulsweite ist (meisst) analog. Deshalb heissts (üblicherweise) auch nicht Digital-, sondern PWM-Endstufe. Wäre die Pulsweite auch diskret, könnte man durchaus von einer digitalen Endstufe sprechen.
Wenn man die PWM schon von einem DSP (bitte zu unterscheiden von einem Microcontroller im eigentlichen Sinne!) generieren lässt, kann man auch gleich 'Kleinigkeiten' wie IIR- und FIR-Filter oder auch Peak- und RMS-Limiter damit realisieren (sprich: Digitalcontrollerfunktionen). Das Signal wurde zuvor ja bereits digitalisiert. Solche DSPs dürften aber anscheinend noch nicht billig genug sein - Manu, wie siehst du das?

Greets,
N-Dee

Der erforderliche Rechendurchsatz ist schon enorm hoch, von daher wirds auch kosten. Das eigentlich schwierige ist ja daß man nicht alles "rein mathematisch" aufbauen kann, da gibts ja den unbekannten Faktor Last.
Somit muß auch bei solch einem Gerät wieder der Ausgang gelesen und ausgewertet werden um die Korrekturmaßnahmen zu fahren die das gewünschte Signal hervorbringen.
Insofern ist wieder eine Spur "analoges Leben" vorhanden.

Richtig ans Eingemachte gehts bei PWM Geräten wenn man den Verlauf des "Sägezahns" optimiert, seine Kurvenform ist das Ein und Alles des lebendigen Klangs. Interessanterweise ist das gehörrichtige Ideal, also das wo alle sagen "mein Gott wie toll klingt diese Kiste" kein liearer sondern ein leicht gebeugter Verlauf des Anstiegs. Das hat was mit dem Ausgangsfilter zu tun der sich etwa umgekehrt verhält, somit kommts dann erst ganz hinten zur Geraden.

Fuddelei

Hi,

ich weiß nicht ob du folgenden artikel schon kennst, aber an sich ist die funktionsweise und auch die damit verbunden probleme gut erklärt (wenn auch teilweise noch etwas oberflächlich).

http://sound.westhost.com/articles/pwm.htm

gruß florian

gutes Beispiel, Fig.8 zeigt das schon so wie ich es beschrieben habe.

Was ich auszusetzen habe ist das fehlerhafte PWM Diagramm, tatsächlich geht man im PWM Takt Plus . Pause (null Volt) Takt Minus Pause (null Volt) und nicht wie abgebildet.

Wird im Text auch so beschrieben das man eine "dead-time" zwischen den Takten braucht um zu vermeiden das beide MOSFETs Rise-/Falltime bedingt gleichzeitig durchsteuern.

danke, der Link vermittelt ziemlich gut die Grundlagen der Class-D Technik. Nach den Prüfungen werde ich mich mal näher damit auseinandersetzen.

so und nun genug rumgelesen und wieder ab zum Lernen...