02.10.2005, 04:26 PM
[red]Ich schreib meine Anmerkungen gleich mal direkt in Tillgs Beitrag[/red]
Der Gedanke, das Ausgangsfilter statt eines zusätzlichen Integrators zur Erzeugung der Schaltflanken zu benutzen kam mir, lange bevor ich das erste mal von UcD gehört hatte. Ich hab ihn euch nur nicht kund getan, da geht es mir wie Timo. Und ich hab es vor allem deshalb nicht, weil er mir nach einiger Überlegung als zu mangelhaft erschien, und ich ihn deshalb wieder verworfen habe.
Da UcD aber hier so in Mode gekommen ist, habe ich diese Überlegungen noch einmal aufgefrischt und durch neue ergänzt. Und da ich sie euch telepatisch schlecht übermitteln kann, habe ich dazu ein wenig rumsimuliert, um euch meine Überlegungen zu veranschaulichen.
Für alle, die überhaupt nicht wissen, wovon die Rede ist, eine kurze Erläuterung findet ihr bei der hifiakademie.
[Bild: plan5tw.gif]
V1 liefert 250kHz, grüne Kurve. Das LC-Ausgangsfilter ist bekanntlich ein Filter 2. Ordnung. Die erste Integration findet ihre Entsprechung im Strom durch die Spule, rot dargestellt. Am Ausgang liegt die blaue Spannung, im Bild 15-fach vergrößert. Sie entspricht der Kondensatorladung durch den Spulenstrom.
[Bild: ik02wx.gif]
Die erste Integration kehrt natürlich bei Umschaltung der Eingangsspannung ihre Richtung um. Beim HyWa/SODFA löst ein solcher Integrator durch Erreichen der Komparatorschwellen die Umschaltung aus. Man kann daher mit der Komparatorsteilheit und der Differenz der Spannungsgrenzsen die Schaltfrequenz einstellen.
Die zweite Integration (blau) hat bei den Schaltflanken ihren Nulldurchgang. Deshalb benutzt der UcD diesen Nulldurchgang zum Umschalten der Schaltstufe. Der Komparator für die Umschaltung soll dabei keine Hysterese aufweisen. Das erscheint anhand der Abbildung auch plausibel.
Nun könnte man annehmen, wenn die oben gezeigte Schaltung durch Anlegen eines Rechtecksignals an den Filter genau diese Intrgrationskurven erzeugt, funktioniert das auch umgekehrt. Es entsteht also genau diese Frequenz, wenn man mit dem Nulldurchgang eine Schaltstufe schaltet. Die 250kHz habe ich aber willkürlich gewählt. Mit einer anderen Frequenz funktioniert das gezeigte genau so. Der Nulldurchgang liegt auf der Umschaltflanke, nur die Amplitude ist eine andere.
Ein UcD ohne Hysterese und ohne Verzögerungszeit würde nicht schwingen, er ist ausgeregelt. Schwingt er doch, währe er bestrebt, ständig die Ausgangsamplitude zu verringern. Damit erhöht er zwangsläufig die Schaltfrequenz. Aber zum Glück hat er ja zumindest eine Verzögerungszeit und schwingt dadurch tatsächlich. Hysterese und Verzögerungszeit sind also irgendwie Frequenzbestimmend.
[red]Nicht "irgendwie", Tillg. Putzeys Formeln sind ok.[/red]
Nimmt man die Hysterese zur Frequenzeinstellung, so wandert sie bei Aussteuerung entlang der Filter-Ausgangsspannung (blau). Diese will man ja möglichst klein haben, und damit gelangt man bei dieser Wanderung schnell in den nichtlinearen Bereich bzw. sogar mit einem Umschaltpunkt über die Amplitudengrenze der Ausgangsspannung.
Bleibt die Verzögerungszeit. Sie bewirkt, dass die Umschaltung der Schaltstufe später erfolgt, als der Komparator-Umschaltpunkt, also der Nulldurchgang. Dieser Nulldurchgang wird aber durch das Umschalten der Schaltstufe hervorgerufen, der nächste Nulldurchgang trifft also später ein. Das alleine würde die Umschaltperiode bei geringster Verzögerungszeit immer länger machen. Es trifft aber mit dem Effekt zusammen, dass die Phase des Ausgangssignales um etwas weniger als 180° zum Eingang verschoben ist, wie man im Bild 1 bereits sieht. Die Ausgangsspannung schneidet die Nulllinie ca. 40ns vor der Schaltflanke. Ein Umstand, der dem UcD sehr entgegenkommt, ihn erst möglich macht. Zusammen mit dieser scheinbaren Negativverschiebung stellt sich dadurch ein diffiziles Gleichgewicht ein.
[red]Er hat sich nicht in Putzeys Paper eingearbeitet![/red]
Woher kommt dieser Effekt? An der Filtergüte selbst liegt es nicht. Verschlechtert man die Filterelemente, ändert sich kaum etwas. Es liegt am angeschlossenen Lastwiderstand, der die Filtergüte viel stärker beeinflusst, als die Filterelemente selbst. Verringert man diesen z.B. auf 1 Ohm, ergibt sich folgendes Bild:
[Bild: ik01r6zo.gif]
Die Verschiebung beträgt jetzt 340ns. Sie hat sich damit etwa umgekehrt proportional zum Lastwiderstand verändert.
Das bedeutet aber, dass die Schaltfrequenz auch deutlich von der Lastimpedanz abhängt, was immer das für komplexe Lasten bedeuten mag, wozu auch eine zweite Filterstufe gehört, und was immer das für Auswirkungen hat.
Auch beim Hysteresewandler ist die Schaltfrequenz in geringem Maße lastabhängig. Die Kurvenform und Amplitude der Schaltfrequenz verändert sich. Beim SODFA ist diese Abhängigkeit noch mal deutlich geringer.
[red]Sorry. Aber bisher war es nur belangloses grafisch unterlegtes Rumgelaber. Aber nun solls endlich losegehen:[/red]
Nun möchte ich zum wichtigsten Schwachpunkt des UcD kommen, zum Verhalten bei Aussteuerung. Ich habe ein Tastverhäliniss von 3:1 eingestellt, was 50% Aussteuerung entspricht. Erwartungsgemäß stellt sich im Mittel (also durch eine zweite Filterstufe oder den Lautsprecher integriert) eine Ausgangsspannung von 5V ein. Diese 5V habe ich im Bild auf die 0V-Linie verschoben, um die 15-fach vergrößerte Ausgangskurve mit im Bild darstellen zu können. Denkt euch also auf der Nulllinie für die blaue kurve 5V und je Skalenteil ca. 0,13V:
[Bild: ik504yp.gif]
Die (blauen) Flächen unterhalb und oberhalb der Nulllinie sind also gleich, wenn LTSpice richtig gerechnet hat.
In dieser 5V-Linie schneidet aber die Kurve keineswegs die Schaltflanken. Die Umschaltung der Schaltstufe erfolgt ca. 0,25V höher, also bei 5,25V. Mit anderen Worten, bei einem Spannungsteiler zwischen NF-Eingang und UcD-Ausgang mit dem R-Verhältniss 1:1, bei dem wir eine Verstärkung von -1 erwarten, benötige ich ?5,25V Eingangsspannung, um die 5 V Ausgangsspannung zu erhalten, die man hier sieht. Die Regelung des UcD stellt nämlich das PWM-Tastverhältniss so ein, dass an der virtuellen Masse des Komparators zum Schaltzeitpunkt auch 0V liegen. Man könnte es auch genau andersherum ausdrücken. So ist eben Regelung.
Nun währe eine solche Verschiebung kein Problem, wenn sie linear währe. Aber sie findet entlang der blauen Kurve statt, und die ist wie man sieht keineswegs linear. Der UcD hat also von Hause aus eine nichtlineare Kennlinie, und das ergibt Oberwellen. Wohingegen ein SODFA (und theoretisch auch der HyWa) von sich aus linear ist. Er kann nur durch ungünstige Schaltungsausführung davon abgebracht werden, linear zu übertragen.
Erhöht man die Filterdämpfung für die Schaltfrequenz, kann man den Effekt natürlich verringern. Beseitigen kann man ihn damit nicht. Wegen der verringerten Amplitude der Integratorspannung am Komparatoreingang handelt man sich dabei aber wiederum Schaltungenauigkeiten ein, ich möchte als Stichwort nur Leitungs- und Masseführung erwähnen. Ein direkter Komparatoreingang reagiert außerdem darauf noch ganz anders, als ein gutmütiger Integratoreingang beim HyWa oder SODFA, das hatte ich schon mal erläutert.
Anhand der letzten gezeigten Kurven kann man auch gut nachvollziehen, welch unangenehme Wirkung eine Komparatorhysterese haben muss.
Die Phasenverschiebung zwischen Ausgangsspannung und Schalflanke an der Triggerschwelle bei Aussteuerung beträgt hier übrigens nur 25ns (bei 10 Ohm RL), was die Schaltfrequenz reduzieren müsste.
Und wenn man die Sache etwas weiter denkt (dazu braucht man auch nur ein kleines bisschen Fantasie) kann man leicht herausfinden, woher beim UcD ein Offset kommt, wenn die Verzögerungszeiten der Schaltstufe unsymmetrisch sind. Auch eine Prinzipbedingte Schwäche des UcD.
edit:
Jetzt habe ich den Beitrag auch mal gelesen, auf den ich mich am Anfang bezogen hab:
Zitate Bruno Putzeys:
- "Self-oscillating amps are indeed liable to produce intermod tones. So far we've gone up to 5 channels x 100W crammed on a single PCB."
- "The UcD layout was in its 5th or 6th "generation" before it was finally ready to be used in production."
- "...I no longer manage with two-layer boards and I move up to 4 layers."
Richtig was für DIY!
Ich muss allerdings einräumen, dass sich die blaue Kurve durch die Aussteuerung verbiegt. Sollte es der Zufall oder die Vorsehung wollen, dass sie dadurch auf wundersame Weise quasi linearisiert wird? Die Tendenz dazu hat könnte sie haben:
[Bild: ik9998op.gif]
[red]Ich faß es nicht!!!! Ein Beitrag, der uns wortreichst erklärt, warum der UcD nicht arbeitet. Tonne!! Ich mach gleich nochmal eine Simu fertig, mit der jeder selbst rumspielen kann und sich auch vor Augen führen kann, was eine Hysteresis bringt. Tillg philosophiert doch nur rum... getestet hat er's offensichtlich nicht.[/red]
Der Gedanke, das Ausgangsfilter statt eines zusätzlichen Integrators zur Erzeugung der Schaltflanken zu benutzen kam mir, lange bevor ich das erste mal von UcD gehört hatte. Ich hab ihn euch nur nicht kund getan, da geht es mir wie Timo. Und ich hab es vor allem deshalb nicht, weil er mir nach einiger Überlegung als zu mangelhaft erschien, und ich ihn deshalb wieder verworfen habe.
Da UcD aber hier so in Mode gekommen ist, habe ich diese Überlegungen noch einmal aufgefrischt und durch neue ergänzt. Und da ich sie euch telepatisch schlecht übermitteln kann, habe ich dazu ein wenig rumsimuliert, um euch meine Überlegungen zu veranschaulichen.
Für alle, die überhaupt nicht wissen, wovon die Rede ist, eine kurze Erläuterung findet ihr bei der hifiakademie.
[Bild: plan5tw.gif]
V1 liefert 250kHz, grüne Kurve. Das LC-Ausgangsfilter ist bekanntlich ein Filter 2. Ordnung. Die erste Integration findet ihre Entsprechung im Strom durch die Spule, rot dargestellt. Am Ausgang liegt die blaue Spannung, im Bild 15-fach vergrößert. Sie entspricht der Kondensatorladung durch den Spulenstrom.
[Bild: ik02wx.gif]
Die erste Integration kehrt natürlich bei Umschaltung der Eingangsspannung ihre Richtung um. Beim HyWa/SODFA löst ein solcher Integrator durch Erreichen der Komparatorschwellen die Umschaltung aus. Man kann daher mit der Komparatorsteilheit und der Differenz der Spannungsgrenzsen die Schaltfrequenz einstellen.
Die zweite Integration (blau) hat bei den Schaltflanken ihren Nulldurchgang. Deshalb benutzt der UcD diesen Nulldurchgang zum Umschalten der Schaltstufe. Der Komparator für die Umschaltung soll dabei keine Hysterese aufweisen. Das erscheint anhand der Abbildung auch plausibel.
Nun könnte man annehmen, wenn die oben gezeigte Schaltung durch Anlegen eines Rechtecksignals an den Filter genau diese Intrgrationskurven erzeugt, funktioniert das auch umgekehrt. Es entsteht also genau diese Frequenz, wenn man mit dem Nulldurchgang eine Schaltstufe schaltet. Die 250kHz habe ich aber willkürlich gewählt. Mit einer anderen Frequenz funktioniert das gezeigte genau so. Der Nulldurchgang liegt auf der Umschaltflanke, nur die Amplitude ist eine andere.
Ein UcD ohne Hysterese und ohne Verzögerungszeit würde nicht schwingen, er ist ausgeregelt. Schwingt er doch, währe er bestrebt, ständig die Ausgangsamplitude zu verringern. Damit erhöht er zwangsläufig die Schaltfrequenz. Aber zum Glück hat er ja zumindest eine Verzögerungszeit und schwingt dadurch tatsächlich. Hysterese und Verzögerungszeit sind also irgendwie Frequenzbestimmend.
[red]Nicht "irgendwie", Tillg. Putzeys Formeln sind ok.[/red]
Nimmt man die Hysterese zur Frequenzeinstellung, so wandert sie bei Aussteuerung entlang der Filter-Ausgangsspannung (blau). Diese will man ja möglichst klein haben, und damit gelangt man bei dieser Wanderung schnell in den nichtlinearen Bereich bzw. sogar mit einem Umschaltpunkt über die Amplitudengrenze der Ausgangsspannung.
Bleibt die Verzögerungszeit. Sie bewirkt, dass die Umschaltung der Schaltstufe später erfolgt, als der Komparator-Umschaltpunkt, also der Nulldurchgang. Dieser Nulldurchgang wird aber durch das Umschalten der Schaltstufe hervorgerufen, der nächste Nulldurchgang trifft also später ein. Das alleine würde die Umschaltperiode bei geringster Verzögerungszeit immer länger machen. Es trifft aber mit dem Effekt zusammen, dass die Phase des Ausgangssignales um etwas weniger als 180° zum Eingang verschoben ist, wie man im Bild 1 bereits sieht. Die Ausgangsspannung schneidet die Nulllinie ca. 40ns vor der Schaltflanke. Ein Umstand, der dem UcD sehr entgegenkommt, ihn erst möglich macht. Zusammen mit dieser scheinbaren Negativverschiebung stellt sich dadurch ein diffiziles Gleichgewicht ein.
[red]Er hat sich nicht in Putzeys Paper eingearbeitet![/red]
Woher kommt dieser Effekt? An der Filtergüte selbst liegt es nicht. Verschlechtert man die Filterelemente, ändert sich kaum etwas. Es liegt am angeschlossenen Lastwiderstand, der die Filtergüte viel stärker beeinflusst, als die Filterelemente selbst. Verringert man diesen z.B. auf 1 Ohm, ergibt sich folgendes Bild:
[Bild: ik01r6zo.gif]
Die Verschiebung beträgt jetzt 340ns. Sie hat sich damit etwa umgekehrt proportional zum Lastwiderstand verändert.
Das bedeutet aber, dass die Schaltfrequenz auch deutlich von der Lastimpedanz abhängt, was immer das für komplexe Lasten bedeuten mag, wozu auch eine zweite Filterstufe gehört, und was immer das für Auswirkungen hat.
Auch beim Hysteresewandler ist die Schaltfrequenz in geringem Maße lastabhängig. Die Kurvenform und Amplitude der Schaltfrequenz verändert sich. Beim SODFA ist diese Abhängigkeit noch mal deutlich geringer.
[red]Sorry. Aber bisher war es nur belangloses grafisch unterlegtes Rumgelaber. Aber nun solls endlich losegehen:[/red]
Nun möchte ich zum wichtigsten Schwachpunkt des UcD kommen, zum Verhalten bei Aussteuerung. Ich habe ein Tastverhäliniss von 3:1 eingestellt, was 50% Aussteuerung entspricht. Erwartungsgemäß stellt sich im Mittel (also durch eine zweite Filterstufe oder den Lautsprecher integriert) eine Ausgangsspannung von 5V ein. Diese 5V habe ich im Bild auf die 0V-Linie verschoben, um die 15-fach vergrößerte Ausgangskurve mit im Bild darstellen zu können. Denkt euch also auf der Nulllinie für die blaue kurve 5V und je Skalenteil ca. 0,13V:
[Bild: ik504yp.gif]
Die (blauen) Flächen unterhalb und oberhalb der Nulllinie sind also gleich, wenn LTSpice richtig gerechnet hat.
In dieser 5V-Linie schneidet aber die Kurve keineswegs die Schaltflanken. Die Umschaltung der Schaltstufe erfolgt ca. 0,25V höher, also bei 5,25V. Mit anderen Worten, bei einem Spannungsteiler zwischen NF-Eingang und UcD-Ausgang mit dem R-Verhältniss 1:1, bei dem wir eine Verstärkung von -1 erwarten, benötige ich ?5,25V Eingangsspannung, um die 5 V Ausgangsspannung zu erhalten, die man hier sieht. Die Regelung des UcD stellt nämlich das PWM-Tastverhältniss so ein, dass an der virtuellen Masse des Komparators zum Schaltzeitpunkt auch 0V liegen. Man könnte es auch genau andersherum ausdrücken. So ist eben Regelung.
Nun währe eine solche Verschiebung kein Problem, wenn sie linear währe. Aber sie findet entlang der blauen Kurve statt, und die ist wie man sieht keineswegs linear. Der UcD hat also von Hause aus eine nichtlineare Kennlinie, und das ergibt Oberwellen. Wohingegen ein SODFA (und theoretisch auch der HyWa) von sich aus linear ist. Er kann nur durch ungünstige Schaltungsausführung davon abgebracht werden, linear zu übertragen.
Erhöht man die Filterdämpfung für die Schaltfrequenz, kann man den Effekt natürlich verringern. Beseitigen kann man ihn damit nicht. Wegen der verringerten Amplitude der Integratorspannung am Komparatoreingang handelt man sich dabei aber wiederum Schaltungenauigkeiten ein, ich möchte als Stichwort nur Leitungs- und Masseführung erwähnen. Ein direkter Komparatoreingang reagiert außerdem darauf noch ganz anders, als ein gutmütiger Integratoreingang beim HyWa oder SODFA, das hatte ich schon mal erläutert.
Anhand der letzten gezeigten Kurven kann man auch gut nachvollziehen, welch unangenehme Wirkung eine Komparatorhysterese haben muss.
Die Phasenverschiebung zwischen Ausgangsspannung und Schalflanke an der Triggerschwelle bei Aussteuerung beträgt hier übrigens nur 25ns (bei 10 Ohm RL), was die Schaltfrequenz reduzieren müsste.
Und wenn man die Sache etwas weiter denkt (dazu braucht man auch nur ein kleines bisschen Fantasie) kann man leicht herausfinden, woher beim UcD ein Offset kommt, wenn die Verzögerungszeiten der Schaltstufe unsymmetrisch sind. Auch eine Prinzipbedingte Schwäche des UcD.
edit:
Jetzt habe ich den Beitrag auch mal gelesen, auf den ich mich am Anfang bezogen hab:
Zitate Bruno Putzeys:
- "Self-oscillating amps are indeed liable to produce intermod tones. So far we've gone up to 5 channels x 100W crammed on a single PCB."
- "The UcD layout was in its 5th or 6th "generation" before it was finally ready to be used in production."
- "...I no longer manage with two-layer boards and I move up to 4 layers."
Richtig was für DIY!
Ich muss allerdings einräumen, dass sich die blaue Kurve durch die Aussteuerung verbiegt. Sollte es der Zufall oder die Vorsehung wollen, dass sie dadurch auf wundersame Weise quasi linearisiert wird? Die Tendenz dazu hat könnte sie haben:
[Bild: ik9998op.gif]
[red]Ich faß es nicht!!!! Ein Beitrag, der uns wortreichst erklärt, warum der UcD nicht arbeitet. Tonne!! Ich mach gleich nochmal eine Simu fertig, mit der jeder selbst rumspielen kann und sich auch vor Augen führen kann, was eine Hysteresis bringt. Tillg philosophiert doch nur rum... getestet hat er's offensichtlich nicht.[/red]