PWM audio en gate drive transformator kansloos?


Op 16 maart 2021 09:07:25 schreef EgbertG:
.. . ze blijven nu koud en het geluid klinkt geweldig!

Dat betekent enkel dat ze iets sneller schakelen, maar om audio te pwm'en heb ik toch mijn bedenkingen.

Maar we gaan rustig blijven en de metingen of resultaten afwachten ;)

LDmicro user.

Ha EgbertG,

Een vraag weet je trouwens welk ferriet materiaal je nu heb staat dat omschreven ?

Mijn driver is ook een totem maar dan met twee BJT's en loopt van 10 kHz tot 1 MHz met 15 ns stijgtijd.
Wat @MGP aangeeft is belangrijk je kan de modulatie index veranderen en de lineariteit bekijken...... ik kan van 10 % tot 100 % met een vervorming van <0,3 % dat is redelijk voor een gettoblaster maar deze techniek is niet voor Hifi |:(

Om een vergelijk te maken voor de berekeningen P.W.M. is gelijk aan F.M modulatie P.A.M is gelijk aan A.M. modulatie en P.D.M is gelijk aan fase modulatie.
Dit inzicht is belangrijk voor de berekening/gebruik van je trafo en de condensatoren.

Ik heb ( dit is een ander onderwerp ) nog net voor het verhuizen 3 jaar geleden een schakel voeding gebouwd met een schakel frequentie van 13 MHz mooi klein en gemakkelijk te filteren deze is schoner dan menig lineaire voeding :D

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
EgbertG

Special Member

Henk, de enige data die ik van deze trafo's heb is het onderstaande.

Eens met een ieder dat deze schakeling met een gate driver transformator beduidend minder
goed is dan een DC gekoppelde schakeling zonder L of C!
Deze experimenten zijn begonnen omdat de driver IC's niet de juiste bleken.
Met een slechtere eindtrap is je modulatiediepte beperkt en dus ook je S/N.

HIFI en PWM is zeker mogelijk, maar dan wel met een betere eindtrap!
Het opgewekte PWM audio signaal op TTL niveau voldoet zeker aan HIFI met
meer dan 70 dB aan signaal/ruis verhouding.

Ha EgbertG,

Mee eens met een beter ontwerp ( maar ook wat er voor zit... de modulator ) is een Hifi kwaliteit wel mogelijk er is uiteraart wel meer voor nodig dan alleen de signaal ruis verhouding ;)

Kan je misschien de binnen diameter en dikte van de kern meten ?
Nu weet je nog niets over de magnetische eigenschappen.... 8)7 de sturing die de jongens gebruiken zij meten met 0,3 V bij 1 kHz ben je niet bang dat je te hard instuur en de 1 µF aan de primaire zijde is wel aan de hoge kant.
De waarde van de primaire koppelcondensator bepaalt direct de rimpel en amplitude van de stuurstroom eroverheen.
De stroom die nodig is om Power MOSFET in te schakelen is,
Idrv =Ig + ICsecundair
Een te grote waarde van Csecundair zal ervoor zorgen dat het stuurcircuit de amplitude van het originele PWM-signaal niet kan herstellen.
Maar een te kleine waarde van Csecundair zal ervoor zorgen dat Vgs afneemt, wat leidt tot een slechte immuniteit het zal duidelijk zijn dat de keuze van de twee condensatoren veel invloed heeft op de correcte werking !

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Hallo EgbertG,

Zo moeilijk hoeft het toch niet te zijn?
Wat je nu heb gedaan is onbekende ringkern trafo's gekocht bij Ali.
Daarvan weet je de eigenschappen niet, dat wat Electron ook al zei.
Als je nu eerste eens gaat beginnen om bij een distrubiteur op zoek te gaan naar ferriet met de juiste eigenschappen, dat is een permabuliteit van 5000µ.
Mouser heeft aardig wat en Farnell ook wel, jammer alleen dat je als particulier voor een minimum bedrag moet bestellen, dat maakt het kopen van een paar ferriet kernen wel erg duur, maar deze winkels verkopen wat jij nodig heeft.
Fabrikanten als Micro metals verkopen die kernen.
Omdat ik ook niet exact weet welk ferriet materiaal voor jou het beste is heb ik even gekeken bij Amidon.
Met materiaal #77 zou je evtueel ook een trafo kunnen maken, want 385kHz is toch een aardig hoge frequentie.
Dit materiaal heeft een permeabiliteit van 2000µ.
Je zou een FT50-77 ringkern van Amidon kunnen gebruiken met daarop 10 windingen (110µH), maar dit lijkt met toch iets te weinig.
Met 20 windingen zit je op een zelfinductie van 440µH.
Wat je ook kan doen is een trafo gebruiken uit een SMPS van de sloop, maar opnieuw weet je daarvan niet de eigenschappen van het ferriet.
Die zal je dus moeten meten, alvorens je dit weet.

Voor de Mosfets zou ik geen BS170 gebruiken maar echte power fets, zoals de IRFZ44 of de IRF510, deze laatste heeft weinig gate capaciteit.
Het circuit rond de trafo daarvoor zou ik onderstaande schakeling voor gebruiken.

De weerstand van 1K heeft als functie de gate spanning snel genoeg te ontladen.
Je kan daarvoor een tijd aanhouden welke korter is als de periode tijd.
Met een Mosfet welke een kleine ingangs capaciteit heeft wordt die weerstand groter.
De zenerdioden clampen de spanning af tot 12 Volt maar er mogen ook wel typen in van 10 Volt.

"tijd is relatief"
EgbertG

Special Member

MartinV dank voor je reactie. Het klopt .. ik zit met onbekende kernen
te stoeien.... Ik ga zo kijken bij de sites die je noemde. Je noemt
de RC tijd en dan voor de C de capaciteit tussen Gate/Source. Bij een neergaande flank zal de gate toch ontladen worden via de 47nF en niet via de 1k?

Het punt is dat ik t experimenteel aanvlieg omdat ik werkelijk niet weet
hoe ik voor deze schakeling de ideale trafo zou moeten berekenen.

Dat het 1:1:1 is qua wikkelverhouding lukt nog, maar wat voor de schakeling
de optimale zelfinductie zou zijn en hoe ik voorkom dat ik m verzadig...
Geen idee! Bovendien vroeg ik me nog af of een mogelijke verzadiging eerder optreedt
bij 10% duty cycle of bij 50% duty cycle of om t even is.

Henk kan me op basis van een bekende ringkern voorrekenen hoeveel wdg er nodig zijn voor een
bepaalde zelfinductie. Maar naar welke zelfinductie streven we? En waarom?

Toevallig krijg ik binnenkort deze pulstrafo's 1:1:1 en pulsetime 0,5-1 us.
Klinkt voor mij goed, maar dan zit deze data er nog bij:

EgbertG

Special Member

Induction learning kit ....

Ha EgbertG,

Ik dacht in een oog op slag dat je een print had gebouwd met je experiment :7 ik denk zooooo maar bij een tweede blik ;(
Wel een leuk board voor een leer momentje.
Ik zie dat je ook nog een andere trafo heb gevonden daar staat iets meer bij.....

De trafo lijkt ingewikkeld maar het is net als jij een voedingstrafo uitzoekt !
Dan kijk je ook welke spanning gaat er in welke spanning moet er uit komen en op welke frequentie moet de trafo gaan werken ( 50 Hz ) of anders en welke elektrische stroom moet de trafo kunnen leveren wat mag de temperatuur verhogen zijn.
Het enige verschil met een normale voedingstrafo is je frequentie is veel hoger en je gebruikt een puls gemoduleerde golfvorm en geen sinus hierdoor zijn de piek belastende eigenschappen belangrijker geworden.
Maar ook de parasitaire eigenschappen wegen zwaarder dit zowel elektrisch als magnetisch !

Morgen kijk ik even naar je nieuwe info of daar iets bij zit om aan te rekenen anders stuur ik je een aantal ringkernen veel kleiner als jij nu heb maar veel beter voor jou werk op dit moment......
Ik heb trafo's met een µr van 58000 voor een projectje met @miedema en voor mijn DC referentie dat is Nano kristallijn (FeCuNbSiB) in Nederland worden hele speciale kernen gemaakt !

Goed later meer ik heb mijn ontwerpje wel klaar in theorie met twee bjt als driver in totem dit vindt ik persoonlijk beter om daarmee de MOSfet's aan te sturen maar met jou MOS-fet's kan het uiteraard ook.
Je moet zelf even nadenken over de impedanties die je gaat gebruiken aan de ingang..... door de keuze van jou primaire maar ook secondaire weerstand wil je een goede aanpassing creëren i.v.m. de artifacts zoals ringen en oscilleren Later meer.....

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
EgbertG

Special Member

Ik bouw doorgaans niet zo netjes ;-)

Je hebt t over ringing ... dat is precies wat zn intrede deed vanaf het
moment van de Ali trafo. Bij diepere modulatie wordt dat ringing erger
en is er ook meer overlap in het gelijktijdig geleiden van de eind FET's.

Al van alles geprobeerd - ook de schakeling met de zenerdiodes - ontkoppelen, gateweerstanden,
gateweerstanden en deel ontkoppelen. Dat ringing is hardnekkig!

Toch klinkt t super ... hierbij toch bewijs. Probeer je niet te storen
aan de opbouw ;-) Ringing zal ook wel minder zijn als ik t meer op de
hoogfrequent manier zou bouwen.....

https://youtu.be/gwjJtmITMGY

Je bent al aardig gevorderd met je PWM versterker. Het klinkt inderdaad goed.

De benodigde zelfinductie van de trafo wordt overigens voornamelijk bepaald door de frequentie en de spanning. Ik zie hiervoor enkele trafo's, waar ook data bij staat.

De ringkerntrafo's, die ik zie staan, hebben een primaire zelfinductie van 250uH. Als je daar een blokgolf op aansluit, zal er een magnetiserings-stroom gaan lopen, die in jou geval een piekwaarde van ongeveer 75mA zal hebben. Ik ga dan uit van een frequentie van 320kHz (periodetijd ongeveer 3,1us, halve periode 1,55us), en een spanning van ongeveer 12V.
De berekening is: dI = E x dt / L. Met E=12V, dt = 1,55 us, L = 250uH.
Je driver moet deze stroom dus kunnen leveren, waarbij de stroom om de fet aan en uit te zetten er nog bij komt.
De spreidings-zelfinductie geeft de ringing, in combinatie met de ingangscapaciteit van de fet. Ik weet de ingangscapaciteit van de fet niet, maar om de ringing te dempen, kan een kleine weerstand in serie met de gate voldoende zijn (bijv. 10 Ohm)

De vierkante pulstrafo's die ik zie staan, zijn meer bedoeld voor het ontsteken van thyristors. De zelfinductie is veel groter, maar de spreidings-zelfinductie ook. Daardoor is de bandbreedte veel kleiner. En de stijgtijd van de puls is daardoor aan de secundaire kant veel te laag om een fet op zo'n hoge frequentie aan te sturen. Bij deze trafo's is de stijgtijd 0,5-1uS, en dat is al een flink deel van jou periode.
Bij deze trafo zie je ook de specificatie Vus staan. Dit geeft het product van spanning en tijd aan, die de trafo kan verdragen, voor deze in verzadiging komt. Bij 500 Vus kan de trafo dus maximaal een puls van bijvoorbeeld 10V en 50us breed overdragen. Meer en trafo voor 30kHz dan voor 300kHz.

In jou toepassing is dus een zelfinductie van een paar 100uH optimaal, denk ik. Hoe lager de zelfinductie, zoveel te lager is ook de spreidings-zelfinductie. En daardoor is de trafo "sneller". Maar je driver moet wel de magnetiseringsstroom kunnen leveren.

Piet

It's the rule that you live by and die for It's the one thing you can't deny Even though you don't know what the price is. It is justified.

Egbert, is dit de uitgangsspanning van de MOSFET's of is dit de gate spanning van de onderste FET? De ringing van jouw plaatje krijg ik in een simulatie op geen enkele manier en op geen enkele plaats te zien. Een resonantie van de spreidingszelfinductie met de ingangscapaciteit lijkt mij ook aannemelijk.

Is de plus goed ontkoppeld?

De fake-IR2104 IC's heb ik weer terug. En ook al zou het type IR2103 kunnen zijn: ze werken niet. Definitief niks mee te beginnen.

De ringing op het uitgangssignaal van Egbert's PWM audio amp (het moet de uitgang zijn vanwege de amplitude) komt waarschijnlijk door onvoldoende ontkoppeling van de voeding.

En geïnspireerd door de demo van Egbert heb ik vandaag dit gemaakt en op Youtube gezet. Geen lastige trafo's, geen ringing, eenvoudig schema, geen gelijktijdige geleiding van de totem-FET's en praktisch unlimited power. Je kunt er ook een AM zender seriemodulator mee maken tot ver in de kilowatten.....

https://www.youtube.com/watch?v=o3VflktQyAM

EgbertG

Special Member

Ik meet inderdaad aan de uitgang. Overigens staat dat ringing er ook nog als ik de voedingsspanning van de 2 eind FET's haal.
Zal vanavond eens wat zorgvuldiger ontkoppelen. Is dat LTSPICE zo nauwkeurig??

Piet dank voor je uiteenzetting ... en dit was er eentje die me meer inzicht
bracht in de materie. De formule ga ik onthouden. 75 mA ..... lijkt me voor dat kleine N/P mosfet trapje prima te doen.
Maarrrr .....elders realiseer
ik me opeens dat de eindfet's een piekstroom trekken van 2A! Met de formule lading FET/ risetime. ( 60 nC/30ns = 2A ).

Dit zal dus nooit wat worden, ook al zet je er een transistor voor. Tenzij je die transistorschakeling weer apart voorziet van voedingsspanning.

of ga ik ergens de mist in met mn redenatie?

Inductiewaarde "100uH-200uH"is zo inderdaad te berekenen. Is er een eenvoudige manier om te beoordelen of zo'n kern bij dit gebruik in verzadiging komt?

@Brightnoise: Je spaart me tijd en frustratie uit mbt de "2103". Zal wel heel toevallig zijn als je 6 defecte zou hebben en ik nog aantal goede.
Ik heb ze inmiddels een meter verplaatst: prullenbak! Dank voor de mededeling.

Frederick E. Terman

Honourable Member

Op 19 maart 2021 17:40:57 schreef EgbertG:
Is dat LTSPICE zo nauwkeurig??

Elke simulator is zo nauwkeurig als de modellen die je gebruikt.
Als je de spoelen en trafo's (en andere onderdelen) nauwkeurig modelleert, dan zal de sim waarheidsgetrouwe resultaten geven. Maar als je bijvoorbeeld alleen een ideale trafo gebruikt, dan zul je geen ringing zien - althans geen ringing veroorzaakt door de spreidingsinductie en de parasitaire capaciteit van een echte trafo.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org
EgbertG

Special Member

Ok, dus dat LTSPICE - ook al is t gratis - mag ik als zeer serieus hulpmiddel beschouwen!

en oh ja ... ik probeerde te googlen wat spreidingsinductie is.
Niet constante inductie gedurende de inbedrijfstelling?

Ha EgbertG,

Mooi plaatje incl. ringen ik ben nu van het binnenwerk af d.w.z. de werknemers de rest kan ik zelf bepalen :P

Het stuurtrapje waar ik inmiddels drie weken terug mee begonnen ben is niet gevoelig voor de lekinductie en heeft ook geen gate weerstand nodig i.v.m. de verliezen maar dat had ik ergens al vermeld :D
Het is wijs om zo nu en dan even je draadje terug te lezen want hetgeen @Piet1950 vermeld staat ook al ergens op je draadje.....
Ik kijk vanavond naar je andere post over de trafo's eens kijken wat ik er uit kan halen.

Met het meten let op de capaciteit van je probe liever een uitkoppel weerstand ( L-netwerkje ) naar een lage impedantie.
Of LTspice goed met de magnetische wet van Ω kan rekenen weet ik niet de meeste kunnen dit niet standaard maar je kunt altijd een macro model zelf ontwikkelen.
Later meer......

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
Frederick E. Terman

Honourable Member

Op 19 maart 2021 18:11:40 schreef EgbertG:
ik probeerde te googlen wat spreidingsinductie is.

Stel, je maakt een trafo met twee wikkelingen, ieder van 100 µH.
Als die nu 100% gekoppeld zijn, dan zie je aan de ingang dus gewoon de belasting, met parallel die 100 µH van de trafo zelf. Daarom moet de zelfinductie van de trafo niet te klein zijn, want dan zou er in verhouding te veel 'blindstroom' in die zelfinductie lopen.

Maar.. als de spoelen maar 90% gekoppeld zijn, dan heb je zowel primair als secundair een 'stukje spoel' van 10 µH dat niet met de transformatie meedoet, maar wél in serie staat. Dat heet de 'spreidingszelfinductie': zelfinductie die niet gekoppeld is, maar 'verspreid'.
Daarom moet de zelfinductie van de trafo ook weer niet te groot zijn, want dan zou er in verhouding te veel spanning over die stukjes loze spoel vallen.

Hoe beter de koppeling, hoe kleiner dus de spreidingsinductie, en dus hoe hoger in frequentie de trafo nog bruikbaar is voor een bepaalde onderfrequentie. Of je kunt met een betere (kleinere) spreidingsinductie juist zeggen: dan kan ik wat meer windingen leggen, en juist verder in het laag komen. Kortom: een goede koppeling (tegen 100% aan) levert een bredere bruikbare bandbreedte dan een mindere koppeling.

Bij andere wikkelverhoudingen is dat niet anders; alleen werk je dan primair en secundair met verschillende impedanties.

Spreidingsinducties kunnen gemakkelijk resoneren ('ringen') met parasitaire (of andere) capaciteiten, doordat ze niet of weinig door de bron en belasting gedempt worden.

--
Los gekoppelde luchtspoelen zoals bijvoorbeeld in een antenne-tuner, hebben heel kleine koppelfactoren, 20 of 30 % bijvoorbeeld, en dus hoge spreidingsinducties. Maar daar gaat het altijd om afgestemde kringen, die dus maar op één frequentie (of smalle frequentieband) tegelijk gebruikt worden, zodat het daar niet uitmaakt. De spreidingsinducties bepalen natuurlijk wél mede waar en hoe de kringen afgestemd zijn.
De spanningsverhoudingen zijn in zo'n 'luchttransformator' dan ook altijd heel anders dan je zou denken als je naar de wikkelverhouding kijkt.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org
EgbertG

Special Member

Dank Frederick ... paar keer gelezen en ik begrijp t begrip nu!

EgbertG

Special Member

@Brightnoise: Wat is de "resolutie" van zo'n delta - pwm schakeling?
Met mijn methode met de comparator is dat pak m beet 3mV op 10V.

Egbert, dat is het leuke van elke pulsduurmodulator: er is geen quantisatie of afronding. (En waarom heb jij een resolutie van 3 mV op 10 volt?).

Een AD-converter met een digitale waarde als uitgangssignaal op een vaste klokfrequentie heeft wel een quantisatie. Niet elke waarde kan worden weergegeven op het tijdstip van het klokmoment en daar zit een afrondingsfout. Maar wanneer je de afrondingsfouten in een accumulator bij houdt en mee laat spelen bij de volgende afronding dan kan zo een systeem er voor zorgen dat over langere tijd de gemiddelde fout klein blijft, of zelfs nul wordt, en heb je een betere resolutie. Dat heet noise shaping en dat systeem werkt steeds beter naarmate de klokfrequentie hoger is.

Een voorbeeld hiervan is een een-bits DA-converter met een klokfrequentie van 10 MHz of hoger zoals Philips (en ook andere firma's) in audio systemen toepassen.

Terug naar PWM:
** Er is geen vaste klok waar de samples mee moeten corresponderen in de tijd, dus geen opgelegd klok tijdgrid.
** Er is geen kwantisatie in welke vorm dan ook. In principe is het uitgangssignaal (na een laagdoorlaatfunctie, in welke vorm dan ook, al zijn het je oren) een kopie van het ingangssignaal.

Een PWM uitgangssignaal is dus (beter: kan dus zijn) een nauwkeurige kopie van het ingangssignaal met behalve het gewenste signaal ook een hoger frequentiespectrum. Die hoogfrequente signalen mogen geen bijdrage geven aan het uitgangssignaal. Elke vorm van detectie (of eigenlijk: niet-lineariteit) geeft ongewenste output in de vorm van vervorming of spurious signalen.

De TL494 die jij gebruikt (?) is een forward-PWM modulator zonder feedback. De pulsduur wordt bepaald door het ingangssignaal te vergelijken met een zaagtand signaal. Elke afwijking van de ideale zaagtand geeft vervorming. Ten tweede: een PWM zonder feedback vermenigvuldigt het gewenste signaal met de voedingsspanning en dat is ook ongewenst.

En voor de volledigheid: die afhankelijkheid van de voedingsspanning kan weggeregeld worden in een feed-forward systeem, of veel beter, tegenkoppeling. Er is vast wel een discussie te vinden op DIY-audio over de signaalafhankelijke groepslooptijd van PWM systemen zonder terugkoppeling.

Mijn Sigma-Delta PWM (het volledige schema wordt in het Youtube filmpje getoond) is een "forward PWM" die qua lineariteit niet afhankelijk is van een zuivere driehoek spanning, maar wel de vermenigvuldiging heeft met de voedingsspanning.

https://www.youtube.com/watch?v=o3VflktQyAM

EgbertG

Special Member

Je snapt dat ik dat natuurlijk een keer ga nabouwen ;-)
Erg leuke schakeling! Het lijkt te beginnen met een integrator.

Ik heb mijne heel conventioneel opgezet:

* kristal - 4066 - dubbele stroomspiegel - impedantie omzetting:
hiermee heb ik de perfecte driehoek op 320 Khz

* NE529 voltage comparator

Die NE529 krijgt een driehoek van 10V PP en de nauwkeurigheid van
de comparator is 3 mV.

Overigens... ja ... je had helemaal gelijk ( LTSPICE ook ). Na een
condensator van 330n zo dicht mogelijk op de behuizingen van de FET's
was die ringing net zo als op de andere flank. De condensator zat er al
wel, maar 4 cm bedrading verderop....

EgbertG

Special Member

Goedemorgen,

Is er nog iemand die iets wil zeggen over mijn vastlopen met betrekking tot de 75mA trafo in en de gewenste 2A uit voor de Gate?

Ha EgbertG,

Goedemorgen ik ga straks even voor je schrijven wat bedoel je met 75 mA en 2 A voor een gate :? O-)
Wel gisteren nog naar je trafo's gekeken die zijn niet zo goed als ik in eerste instantie dacht !
En ook weer verkeert gewikkeld dat wil zeggen niet optimaal voor jou toepassing de trafo die je zelf heb gewikkeld de laatste keer zo moet het....
Dan zijn er nog andere manieren van wikkelen en combineren ik maak trafo's van 1 kHz tot 90 MHz 0,25 dB vlak :P
Jou trafo moet tot minstens 3 octaven verder kunnen werken.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
EgbertG

Special Member

Ik kijk uit naar je reactie.

Wat ik bedoel met die 75mA ... dat is de stroom die de totempaal levert aan de primaire wikkeling van de trafo.

Secundair de 2 wikkelingen zouden de gate moeten schakelen van de eind FET's met een lading van 60 nC. Die lading in 30 ns rise time zou 2A betekenen.

Dat betekent toch gewoon dat deze opzet nooit optimaal zal werken?