Butterworth filter toegepast als PWM filter.

In een ontwerp van een PWM modulator ben ik bezig aan het laagdoorlaat PWM filter.
De bedoeling is om laagfrequent audio signalen door te laten en meer natuurlijk niet.
Daarom heb ik de kantelfrequentie hoog genoeg gekozen op 57kHz bij een belasting van 26 ohm. In de calculator krijg ik dan onderstaande resultaat:

De PWM versterker is een (vermogen) buck converter, waarbij ik de benodigde spoel heb berekend en dan bepaald de calculator dat deze 94,5µH moet zijn.

Dat is heel wat anders als die eerste spoel in het Butterworth filter.
Klakkeloos het ontwerp van het Butterworth filter hier achter gaan zetten is niet de juiste oplossing.
De spoel van een buck converter dient als energie opslag-spoel, dat is belangrijk om juist wel die waarde te gebruiken zoals dat bepaald is door de calculator.

Wat ik nu gedaan heb is om die spoel van 94,5µH aan de ingang van het filter te plaatsen.
De condensator in het filter pas ik dan aan.
Hiervoor heb ik de kantelfrequentie van de spoel 37,5µH en de condensator 151nF berekend, ik kom dan uit op 66,8kHz.
Voor die frequentie heb ik nu de condensator berekend en dan kom ik uit op 60nF, hiervoor gebruik ik een standaard waarde van 68nF.

De rest van het Butterworth filter blijft onveranderd, dus de spoel van 140µH en de C van 200nF, plus die laatste spoel en C, wat erachter komt.
Wat is jullie mening, doe ik het op de juiste manier?

"tijd" is een interpretatie van een bepaald moment op een bepaalde schaal. Het begin van tijd is ontstaan na het begin van het universum. Buiten het universum bestaat er geen tijd, het is slechts een dimensie.

Je converter en het filter kun je niet los van elkaar zien. De impedanties moeten op elkaar aansluiten. De door jou gekozen 26 Ohm en het filtertype bepalen de spoelen en condensatoren. Voor PWM/audio is een Bessel filter overigens aan te bevelen.

Het is ook onduidelijk, hoe je met een buck converter PWM/audio wilt genereren. Een buck heeft 1 fet en 1 diode, en kan DC leveren. Een halve brug heeft 2 fets en 2 (vrijloop) diodes en kan AC leveren.

Piet

Hallo Piet,

Een buck converter heeft ook twee dioden, waarvan één extern is geplaatst en die andere zit al in de Mosfet zelf.
Een buck converter is prima geschikt om er PWM mee te gebruiken, laagfrequent signalen zijn geen probleem.
Ik zal overwegen mijn ontwerp aan te passen en maak er dan een Bessel type filter van.
Dan is die eerste spoel wel groot genoeg namelijk 164µH.

"tijd" is een interpretatie van een bepaald moment op een bepaalde schaal. Het begin van tijd is ontstaan na het begin van het universum. Buiten het universum bestaat er geen tijd, het is slechts een dimensie.

Hallo Martin,

Ga je dan een soort klasse A PWM versterker maken? Met andere woorden, een DC stroom, die gemoduleerd wordt? Je hebt maar 1 actieve schakelaar, en geen 2, zoals gebruikelijk.

Piet

Op 28 januari 2022 22:05:30 schreef Piet1950:

Het is ook onduidelijk, hoe je met een buck converter PWM/audio wilt genereren. Een buck heeft 1 fet en 1 diode, en kan DC leveren. Een halve brug heeft 2 fets en 2 (vrijloop) diodes en kan AC leveren.

Piet

zo moeilijk is dat toch niet? als de duty cycle van de PWM verandert, verandert het DC level, en de verandering, dat is op zich AC , in dit geval de muziek.

Inderdaad Kris, Piet de buck converter is een schakelaar met een duty-cycle van 45% op maximaal vermogen, het is een klasse D versterker niet voor een luidspreker uitgang maar om de voedingspanning van (tevens een klasse D) HF eindversterker amplitude te moduleren.

Nog even over het filter, de toepassing van een Bessel filter vindt ik wat tegenvallen door de niet zo steile afval karakteristiek die dat wel is bij een (6 pole) Butterworth filter.
Nu is de berekende kantelfrequentie van het filter gekozen op 57kHz, wat ver boven de hoogste gebruikte audio frequentie van 6000Hz is.
Daarom is mijn mening dat groep looptijd verschillen en fase verschillen verwaarloosbaar zijn doordat het filter is ontworpen op 57kHz.
En dus dat het gebruik van een Bessel filter, makkelijk vervangen kan worden door een Butterworth filter, mits de frequentie van dat filter maar hoog genoeg is.

"tijd" is een interpretatie van een bepaald moment op een bepaalde schaal. Het begin van tijd is ontstaan na het begin van het universum. Buiten het universum bestaat er geen tijd, het is slechts een dimensie.

Ik haak maar even af. Teveel onduidelijkheden over de toepassing, om zinvol te kunnen meedenken.

Piet

Martin, bij PWM is de bron dichter bij nul Ohm. En de filters hebben dan allemaal een rimpel.

Voor AM zou ik die hoge kantelfrequentie verlagen tot hooguit 10 kHz, maar misschien is je toepassing een andere.

Frederick E. Terman

Honourable Member

Als je je filter ontwerpt voor 26 ohm symmetrisch, en het dan met wat vermogen aanstuurt vanuit 0 ohm, dan gaat de eerste condensator waarschijnlijk kapot: de spanning slingert daar op tot bijna het honderdvoudige van de ingangsspanning.

Je filter moet niet alleen voor de belasting, maar ook voor de bronimpedantie ontworpen worden.
Uit Zverev (zelf nog even omrekenen voor impedantie en frequentie):

code:

Butterworth, n= 6; ω= 1           L1    C1    L2    C2    L3    C3
bron 1 ohm, belasting 1 ohm     0.518 1.414 1.932 1.932 1.414 0.518    <-- deze staat in je startpost
bron 0 ohm, belasting 1 ohm     1.553 1.759 1.553 1.202 0.758 0.259

Je ziet dat de getallen voor ongelijke in- en uitgang ook niet meer symmetrisch zijn.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

de spanning slingert daar op tot bijna het honderdvoudige van de ingangsspanning.

Hallo Frederick E. Terman en Brightnoise,

Dat klopt niet Frederick, de uitgaande spanning kan nooit hoger worden als de ingangspanning.
De uitgaande spanning is evenredig met de tijd dat de Mosfet ingeschakeld is, dus gelijk aan de pulsduur.

De modulator staat als een schakelaar in serie met de positieve voedingspanning en de belasting.
Spanningspieken (op de source) worden over de Mosfet doorgegeven naar de ingang (drain +Ud) via de interne diode overgang welke in de Mosfet zit.
Alleen een buck-boost converter die over de voedingspanning heen staat, kan een hogere spanning afgeven als de ingangspanning, maar dat is hier niet het geval.

"tijd" is een interpretatie van een bepaald moment op een bepaalde schaal. Het begin van tijd is ontstaan na het begin van het universum. Buiten het universum bestaat er geen tijd, het is slechts een dimensie.

Yep. Is het een AM toepassing? Dan gaat je filter zich anders gedragen wanneer de instelling van de PA afwijkt.

Gokje: 104 volt en 4 Ampere voor pakweg 400 PEP?
Of het dubbele van die spanning; ik zag zoiets een keer langskomen in een draadje van je.

Frederick E. Terman

Honourable Member

Op 29 januari 2022 19:45:29 schreef Frederick E. Terman:
Als je je filter [...] aanstuurt vanuit 0 ohm, dan gaat de eerste condensator waarschijnlijk kapot

Op 29 januari 2022 21:47:48 schreef Martin V:
Dat klopt niet Frederick, de uitgaande spanning kan nooit hoger worden als de ingangspanning.

Ik heb het niet over de uitgangsspanning, maar over de spanning op de eerste condensator in het filter:

(verloop bij R= 1 en ω= 1; bij ontwerpwaarden uiteraard dezelfde verhoudingen)

Overigens wordt, met een spanningsbron aan de ingang, de uitgangsspanning op bepaalde frequenties toch óók nog goed 10x zo hoog als de ingangsspanning (als tenminste de bron en het filter niet kapot gaan).
Een impedantiesymmetrisch filter sturen met een spanningsbron is een recept voor vuurwerk. Maar je kunt gewoon ontwerpen voor spanningsinput.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Gokje: 104 volt en 4 Ampere voor pakweg 400 PEP?
Of het dubbele van die spanning; ik zag zoiets een keer langskomen in een draadje van je.

Je zit er niet ver naast, 180 Volt bij 7,5 Ampere.
Verdeeld over twee eindtrappen.
Dat is tijdens draaggolf bedrijf, voor P.E.P het dubbele van die waarden.

"tijd" is een interpretatie van een bepaald moment op een bepaalde schaal. Het begin van tijd is ontstaan na het begin van het universum. Buiten het universum bestaat er geen tijd, het is slechts een dimensie.

Ik heb geen verstand van HF, maar wel van schakelende voedingen: je moet zorgen dat hij in continuous conduction mode blijft, anders klopt dat verband (Vout = Vin * D) niet meer.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

Op 30 januari 2022 06:39:20 schreef Martin V:
[...]
Je zit er niet ver naast, 180 Volt bij 7,5 Ampere.
Verdeeld over twee eindtrappen.
Dat is tijdens draaggolf bedrijf, voor P.E.P het dubbele van die waarden.

Daar kan ik je wel mee horen. Maar dat sommetje: carrier 180 V * 7,5 A en een beetje verlies in de filters van de schakelende eindtrap maakt 1350 Watt carrier maximaal. Dat verdubbelen bij P.E.P. klopt niet. Beter gelezen: de waarden voor V en I verdubbelen. Of toch Dus wel, want je verdubbelt spanning en stroom.Bij een voeding die het aan kan en 100 % AM is het dan 5,4 kW P.E.P. (Binnen mijn licentie mag dat niet).

De belastingsweerstand blijft hetzelfde, ook bij piek vermogen.
Nu weet ik niet precies het rendement van de eindtrappen, of dat 90 of 95% is, bij klasse D.
Dus weet ik ook niet wat het toegevoerde vermogen zal zijn, ik denk toch dat de maximale stroom eerder 7 Ampere zal zijn, dan 7,5 Ampere.
Alles is nog in de ontwerp fase, nog niets gebouwd hier.
Ik blijf uiteraard in de continuous conduction mode, @Sparky.
Bij 90% pulsbreedte verhouding is de uitgangspanning op de hoogste waarde, dat is 360 Volt.
Dat lijkt veel, maar de Fets kunnen tot aan 1200 Volt gebruikt worden, alhoewel dat zal ik niet proberen. (Sic Mosfets)
Ondertussen heb ik toch weer een nieuw ontwerp van het filter gemaakt:

"tijd" is een interpretatie van een bepaald moment op een bepaalde schaal. Het begin van tijd is ontstaan na het begin van het universum. Buiten het universum bestaat er geen tijd, het is slechts een dimensie.

Daar moet je toch nog even naar kijken....
Groen is jouw filter.
De oplossing van FET staat in rood.