Tranzystorowy wzmacniacz w klasie D

[Einherjer]

Czy ktoś z forumowiczów próbował budować wzmacniacz w klasie D na pojedynczych tranzystorach? Coś takiego jak tu: http://trioda.com/index.php/pl/artykuly ... ze-klasy-d Wiem, że efekty brzmieniowe będą słabe, ale jestem ciekawy jakie w praktyce.

[Tomek Janiszewski]

Dawno temu (chyba jeszze w liceum) marzyłem o zbudowaniu któregoś z tych wzmacniaczny, ale po ich przeanalizowaniu zwątpiłem, bynajmniej nie tylko ze względu na egzotyczne typy tranzystorów, szczególnie końcowych . Natomiast na studiach popełniłem (w realu!) wzmacniacz klasy D własnego pomysłu, z wykorzystaniem łatwo wtedy (i dziś chyba też) dostępnych tranzystorów 2N2219A i 2N2905A w stopniu końcowym. Pozostałe tranzystory, nie pracujące w nasyceniu były zwyczajnymi becetkami. Użycie w stopniu końcowym zwyczajnych tranzystorów przeznaczonych do celów audio (BC211/313, BD139/140 etc.) skutkowało znaczącym wzrostem prądu po przejściu na klasę D, chyba że między ich bazy a kolektory zostały włączone diody Schottky'ego zapobiegające wchodzeniu w głębokie nasycenie i tym samym skracające czas przeciągania. Efekt był zauważalny: z właściwymi tranzystorami końcowymi prąd pobierany przy niezmienionej mocy bardzo wyraźnie spadał po przejściu z klasy B na klasę D, co osiągało się poprzez rozwarcie dławika. Bo też idea została zaczerpnięta z samooscylujących stabilizatorów impulsowych "Step-down": ujemne napięciowe sprzężenie zwrotne dla sygnału audio (jak w klasycznych wzmacniaczach klasy AB), plus dodatnie sprzężenie zwrotne dla składowej w.cz. Różnica między wzmacniaczem a zasilaczem polegała na zastosowaniu przeciwsobnego stopnia końcowego w miejsce pojedynczego, oraz sygnału audio w miejsce napięcia odniesienia. Przywołany z pamięci schemat mógł wyglądać mniej więcej tak:

Jak widać - po zwarciu dławika L1 staje się toto całkiem typowym wzmacniaczem klasy B. Pracuje on bez polaryzacji wstępnej, bowiem bazy T3 i T4 są zwarte. Rola diod D5-D8 polega na ograniczaniu prądu kolektorów T2 i T4 a tym samym prądów baz tranzystorów końcowych T5 i T6. Mimo braku polaryzacji zniekształcenia skrośne były słyszalne jedynie przy pracy w klasie B, w klasie D natomiast znikały. Pojawiała się bowiem wówczas swego rodzaju polaryzacja dynamiczna, mogąca nasuwać skojarzenie z prądem podkładu przy zapisie magnetofonowym.
W przeciwieństwie do konstrukcji z RiK stopień kluczujący (T5-T6) pracuje w konfguracji WE, tym samym zdolny jest kluczować napięcie na wyjściu Rail-to rail, co daje lepszą sprawność. Oczywiście generatora przebiegu piłoksztatnego próżno tutaj szukać, rolę zaś komparatora pełni stopień wejścowy.
Teraz spróbuję to przesymulować czy działa poprawnie, oraz czy nie byłaby wskazana rozbudowa poprzez zastosowanie wejściowego stopnia różnicowego z lustrem prądowym. Wówczas wypadną diody równoważące D1-D4 którego w latach studenckich jeszcze nie wykombinowałem, ale dziś nie wyobrażam sobie wzmacniacza przeznaczonego do zasilania z baterii z pojedynczym stopniem wejściowym, który by go nie miał. Nawet jeśli pracuje w zgrzebanym radyjku Dana. Gdyby tak udało się jeszcze uzależnić prądy sterujące bazami tranzystorów końcowych od prądu wyjściowego - byłaby to już w ogóle bajka.

[AZ12]

Witam

W układzie samooscylującym wzmacniacza impulsowego częstotliwość pracy nie jest stała. W typowym układzie stosuje się jako generator PWM podwójny wzmacniacz operacyjny, pierwszy jest generatorem piły, drugi pełni rolę komparatora. Kondensator C7 pokazany na schemacie powinien mieć jak najmniejszą wartość ESR w celu zmniejszenia promieniowania zakłóceń przez przewód doprowadzający sygnał do głośnika.

[Tomek Janiszewski]

W układzie samooscylującym wzmacniacza impulsowego częstotliwość pracy nie jest stała.

I to było z góry założone. W samooscylującym stabilizatorze impulsowym jest wszak tak samo. Za to w przybliżeniu stała jest międzyszczytowa wartość tętnień po pierwszym (i często jedynym) członie filtru.

W typowym układzie stosuje się jako generator PWM podwójny wzmacniacz operacyjny, pierwszy jest generatorem piły, drugi pełni rolę komparatora.

No a w RiK zrobiono to na paru tranzystorach. W wyniku powyższego liniowość zboczy nie jest stała, co powoduje zniekształcenia nieliniowe i zostało to wyraźnie zastrzeżone. Układy samooscylujące mają tę zaletę że proces wytwarzania sygnału impulsowego jest pod kontrolą pętli USZ co pozwala nie obawiać się tego rodzaju zniekształceń.

Kondensator C7 pokazany na schemacie powinien mieć jak najmniejszą wartość ESR w celu zmniejszenia promieniowania zakłóceń przez przewód doprowadzający sygnał do głośnika.

Ale dopiero teraz sobie uświadomiłem sobie że na przytoczonym schemacie brak czegoś istotnego. To równoległy człon RL na którym odkłada się sygnał proporcjonalny do chwilowej wartości prądu dławika. Zwykle pomija się go także w stabilizatorach impulsowych, i w efekcie tętnienia stają się dużo większe niż mogłyby być. Co więcej - zdarza się że im lepszy kondensator w filtrze (o mniejszej ESR) tym tętnienia stają się większe, bowiem nienormalnie obniża się wówczas częstotliwość kluczowania W krańcowym przypadku zasilacz może nawet się wzbudzić na częstotliwości bliskiej częstotliwości granicznej filtru LC, podczas gdy normalna częstotliwość kluczowania jest przynajmniej o rząd wielkości większa. Oczywiście, ów człon RL zostanie uwzględniony w projekcie wzmacniacza.

[Einherjer]

Własnie się zastanawiam czy kiedyś nie zbudować tego drugiego układu z RiK na płytce stykowej. Za ASZ20 powinien podejść radziecki P416B, może przy nieco obniżonym napięciu zasilania, za HT401 może KT601A jak już jedziemy sajuzem, za ASY26 podejdzie nasz ASY36. Stopień końcowy jest dziwny. Z jednej strony jest OC140, który jest szybkim (jak na german) tranzystorem impulsowym z ft ~ 12 MHz, a jako para do niego pracuje 2G387, który wydaje się tranzystorem ogólnego przeznaczenia z ft ~ 1 MHz. W stopniach końcowych w klasie B OC140 pracował często z OC74, a więc podobnym do 2G387. W impulsowym układzie spodziewałbym się pary bardziej zgodnej pod względem częstotliwości granicznej. Z szybszych npn mam ASY28, ewentualnie kupię OC140 i sparuję go z AC128 albo OC1074 zależnie co znajdę w szpargałach.

[AZ12]

Witam

Płytka stykowa nie jest dobrym rozwiązaniem dla układu pracującego przy częstotliwościach rzędu setek kiloherców, a do takich należy wzmacniacz impulsowy. Na czymś takim może nieprawidłowo pracować.

[Tomek Janiszewski]

Własnie się zastanawiam czy kiedyś nie zbudować tego drugiego układu z RiK na płytce stykowej

Ale szczególnie wówczas (na co pozwala płytka stykowa) wskazane byłoby poprawić coś co można poprawić bezkosztowo. A imienno podpiąć kolektor T4 pod układ bootstrap, stosownie do powyższego zmniejszając rezystor 680 omów. Dopiero to pozwoli wysterować końcową parę komplementarną rail to rail. Znów twórca tego schematu zapomniał jak to zrobiono w TAA435:
https://www.forum-trioda.pl/viewtopic.p ... 16#p400816

Za ASZ20 powinien podejść radziecki P416B, może przy nieco obniżonym napięciu zasilania

A więc jak rozumiem - stawiasz na tranzystory Retro, krzemowe tranzystory epiplanarne a co dopiero overlay (np. 2N2369 który ma zresztą także odpowiednik komplementarny) w grę nie wchodzą?

za HT401 może KT601A jak już jedziemy sajuzem

To jest wysokonapięciowy tranzystor do wzmacniaczy wizji, coś jak nasz BF257 tylko znaczne słabszy. Stosownie do powyższego jego fT jest niewielka jak na tranzystor krzemowy, także beta może okazać się niepraktycznie mała. Lepsze byłyby KT312 (w płaskim mininocniku, jak GT309) lub KT603.

za ASY26 podejdzie nasz ASY36

Jeszcze lepszy byłby ASY37 (większa beta oraz fT. Czy to jednak wystarczy? (patrz dalej).

Stopień końcowy jest dziwny. Z jednej strony jest OC140, który jest szybkim (jak na german) tranzystorem impulsowym z ft ~ 12 MHz, a jako para do niego pracuje 2G387, który wydaje się tranzystorem ogólnego przeznaczenia z ft ~ 1 MHz. W stopniach końcowych w klasie B OC140 pracował często z OC74, a więc podobnym do 2G387. W impulsowym układzie spodziewałbym się pary bardziej zgodnej pod względem częstotliwości granicznej. Z szybszych npn mam ASY28, ewentualnie kupię OC140 i sparuję go z AC128 albo OC1074 zależnie co znajdę w szpargałach.

Wszystkie tranzystory o których piszesz (dotyczy to także ASY26, ASY36 oraz ASY37) są germanowymi tranzystorami stopowymi. Nawet jeśli mają imponującą jak na tę technologię fT (np. nasz ASY37 aż 10MHz) to ich pojemność złącza baza - kolektor jest niepraktycznie duża jak na tego rodzaju zastosowania. Wyraźnie mniejsza w porównaniu z typowymi tranzystorami stopowymi do zastosowań audio (których typowa fT wynosi 1MHz) jest jedynie pojemność dyfuzyjna złącza baza - emiter, stąd wyższa fT. Zbilansuj sobie zresztą moc w stopniu końcowym. Impedancja głośnika wynosi 15 omów, tymczasem sama tylko oporność dolnego bootstrapu wynosi zaledwie 47 omów toteż będzie się w niej tracić conajmniej 1/3 mocy użytecznej, a w istocie znacznie więcej (i to bez względu na wysterowanie!) bowiem tam dochodzi w pełnym wymiarze prostokątny sygnał nośny. W efekcie jest więcej niż pewne że sprawność będzie zbliżona do uzyskiwanej we wzmacniaczu pracującym w płytkiej klasie AB. Można sobie postawić pytanie dlaczego zastosowano w bootstrapie tak małe rezystory (220R + 47R). Suma ich wynosi 267 omów, co stanowi tylko niespełna 18-krotność impedancji obciążenia. Najwyraźniej przy częstotliwości kluczowania można liczyć tylko na tak mizerne wzmocnienie prądowe.
Dla formalności wyszczególnię jednak prawdziwe germanowe pary komplementarne, nie licząc oczywiście przeznaczonych do audio, powszechnie znanych acetek, adetek i petów. Są to ASY26 (pnp) i ASY28 (npn) a także egzemplarze o większej becie, odpowiednio ASY27?ASY29. Zbliżone do nich, tylko nieco mocniejsze są 2N1302, 2N1304, 2N1306, 2N1308 (npn), komplementarne są do nich odpowiednio 2N1303, 2N1305, 2N1307, 2N1309. Również w ich przypadku im wyższy numer tym większa beta, ale zarazem nieco większe UCE sat.
Czy jednak z deklarowaną w artykule mocą wyjściową 2W to przypadkiem nie kompletna ściema? Niby w wyidealizowanych warunkach wychodzi na obciążeniu 15 omów nieco więcej (2,133W), moc tracona (również w wyidealizowanych warunkach) w klasie D z definicji wychodzi 0, ale... co z prądem kolektora? Szczytowy prąd wynosi 0,5A, tymczasem spośród polecanych tranzystorów jedynie OC140 miałby szanse tyle wytrzmać (Ic max = 400mA), ale dla 2G387 wynosi on już tylko 100mA. ASY są mocniejsze ale także zdecydowanie za słabe: dla ASY26 i ASY27 - 300mA, dla ASY28 i ASY29 - już tylko 200mA, podobnie (300mA) jest dla całej rodziny 2N1302-2N1309. Marnie zatem widzę sens budowy wzmacniacza wg schematów z RiK, oraz w ogóle na germanowych tranzystorach stopowych.
Natomiast schemat który przytoczyłem wcześniej daje w symulacji zachęcające wyniki. Niestety nie powiem na 100% czy wzmacniacz wykonany w myśl tej filozofii w realu miał wejściowy stopień różnicowy, czy też pojedynczy. Sprawdzam jeszcze oba rozwiązania, czy rozbudowa do stopnia różnicowego warta jest ewentualnej poprawy parametrów. Na pewno jednak stopień końcowy był taki jaki narysowałem, i chyba budzi większe zaufanie niż to co przedstawiono w RiK? Zważ że w tym wypadku sygnał prostokątny, o wartości międzyszczytowej równej niemal napięciu zasilania bez względu na wysterowanie nie dochodzi do układu bootstrap, dzięki czemu unika się stałych strat mocy.

[Einherjer]

No własnie pomysł polega na tym, żeby na szybko zbudować coś jak najbardziej zbliżonego do wzmacniacza z RiK, żeby zobaczyć czy to w ogóle miało szansę zadziałać i jak bardzo źle jeśli już.

[Tomek Janiszewski]

No własnie pomysł polega na tym, żeby na szybko zbudować coś jak najbardziej zbliżonego do wzmacniacza z RiK, żeby zobaczyć czy to w ogóle miało szansę zadziałać i jak bardzo źle jeśli już.

A może na początek lepiej zasymulować, nawet na tranzystorach krzemowych? W necie pokutuje jakaś bubloteka, niby to firmowana przez LTSpice, ale zawierająca obok becetek, bedetek, beefów, dwuenek - także pokaźny wybór sowieckich kotów a nawet kilka germanowych petów, w tym MP41, MP35, P416B, GT308B, i wreszcie acetki AC127, AC128 i AC151. Niestety nie mogę jej już znaleźć, ale jeśli jej nie masz - spróbuję przesłać jako załącznik tekstowy.

[Einherjer]

Mam te modele, nawet ich używałem, z grubsza są dobre. Tyle tylko, że zamiast spędzać kolejne godziny przed ekranem, wolę posiedzieć nad płytką, bardziej mnie to relaksuje. To tylko siedem tranzystorów i kilka elementów biernych, dużo czasu nie zmarnuję.

[Tomek Janiszewski]

Powodzenia życzę, choć sam w te układy z RiK nie wierzę, z powodów przedstawionych wyżej. Tymczasem wzmacniacz który symuluję urósł do tego co poniżej:

Opanowało go jak widzisz - szaleństwo stopni SRPP. Nawet każdy z tranzystorów końcowych jest sterowany indywidualnym stopniem SRPP, aby można było wyeliminować małooporowe rezystory między emiterem a bazą, kradnące cenny prąd. Oczywiście działało i z tymi rezystorami zamiast SRPP, ale symulacja kosztuje tak niewiele, że warto wypróbować najbardziej zwariowane rozwiązania.

[Einherjer]

Skoro już jesteśmy przy przy nieco nowocześniejszych samooscylujących wzmacniaczach w klasie D, to warto też zerknąć na rozwiązanie opisane w załączonych pdfach.

[ballasttube]

Witam P.T. Kolegów.
A propos tematu tego postu i wzmiankowanych w nim tranzystorów
mam książkę radzieckiego autora W.M.Kibakina (nie grubą,proszę
się "z góry" nie przerażać:-))pod tytułem "Autonomiczne urządzenia
rozgłaszające".
Chodzi generalnie o megafony przenośne ze wzmacniaczami kl "D".
Część tej książki już przetłumaczyłem sobie.I mam to tłumaczenie.
Chętnie ją odstąpię któremuś z Kolegów, widzę tutaj,że o "całe niebo"
kompetentniejszych ode mnie w temacie.
Ja byłem onegdaj tylko tłumaczem technicznym ze średnim
wykształceniem elektronicznym,uzyskanym, hen, lata całe temu:-)
Jeszcze,gdy się pracowało na lampach...
Opisy są w tej książce dokładne,szczegółowe,jak to wtedy bywało
w kraju autora.
Proszę o odpowiedź
Pozdrawiam Kolegów.
Jacek"b/t"

[saico]

Gdyby ktoś poszukiwał do budowy / eksperymentów słynnego w poście TAA435, to mam takowe i to nowe. Do tego para AD161 / AD162 (też mam) i wzmacniacz gotowy:)

[Romekd]

Czołem.

Gdyby ktoś poszukiwał do budowy / eksperymentów słynnego w poście TAA435, to mam takowe i to nowe. Do tego para AD161 / AD162 (też mam) i wzmacniacz gotowy:)

Wysłałem PW.