Impedantie metingen met gebrugde-versterkers

[b_force]

Het was me opgevallen dat er nog steeds wat onduidelijkheid is over impedantie metingen en gebrugde versterkers.
Nu kon ik vandaag op mijn stage toch een tijd even niks zinnigs doen, dus ik heb alles even duidelijk opgeschreven en uitgewerkt om het aan jullie uit te leggen (op hopelijk een simpele manier).
Mocht je desondanks geen zin hebben in een heel verhaal, dan wil ik toch vragen om even naar de "disclaimer" en het laatste plaatje te scrollen.

Laten we bij het begin beginnen.
Hoe het dus werkt met een "normale" versterker. (dwz, een versterker met de min aan ground)
Dat is namelijk het makkelijkste om te begrijpen.

Dit is in de volgende afbeelding schematisch weergeven.

Normaal.GIF (1.67 KiB) 615 keer bekeken

Ik zal het op een begrijpelijke manier proberen toe te lichten.
Het blokje "A" is niets anders dan een (niet gebrugde) versterker.
Vervolgens zie je een weerstand die in serie staat met een luidspreker.
Om de impedantie te bepalen moet je in principe twee dingen weten.
De waarde van de serie weerstand (Rs) en de spanning die over Rs staat (dV).

Deze spanning zal namelijk door de impedantie ("complexe weerstand") gaan veranderen.
Dit komt doordat Rs en de luidspreker (RL) een spanningsdeler vormen.
Daar kunnen we een formule opstellen, namelijk:

Vo = Va*(RL/(RL+Rs))

Of in een zogenaamde overdrachtsvorm:
Vo/Va = RL / (RL+Rs)

dV is dan gelijk aan Va-Vo

Dit is dus hoe je met een "normale" versterker impedanties meet.
Met "normaal" bedoel ik dus waar de "min" aan ground ligt.

Laten we nu verder gaan naar een gebrugde versterker.
Ik zal eerst laten zien hoe een gebrugde versterker er schematisch uit ziet.

Bridge_amp.GIF (2 KiB) 615 keer bekeken

Simpel gezegd zie je eigenlijk twee versterkers die elkaars inverse zijn.
Wat je dus krijgt is dat er tegelijk een "+ sinus" en een "- sinus" krijgt. Wanneer de een een maximum heeft, heeft de andere een minimum.
Het resultaat is dus dat je twee keer zoveel uitgangsspanning krijgt tov een "normale versterker".
Ook zie je dat de uitgangen "zwevend" zijn. Dat wil zeggen, niet aan ground hangen.
Wat je dan ook regelmatig ziet, is dat bij vaak bij gebrugde versterker een DC op de uitgang staat.
Normaal zou dat een probleem zijn, maar omdat deze voor zowel de "plus kant" als de "min kant" gelijk is, is de het verschil over beiden gelijk aan nul.

Doordat de uitgangen "uit fase" zijn en ook nog eens zwevend zijn, ontstaan er een aantal problemen voor het meten van impedanties.
Laten we nog eens kijken naar het 1e voorbeeld bij het meten van impedanties van "normale" versterkers.
Als we dat schema toepassen op een gebrugde versterker, dan ziet dat er schematisch zo uit:

Bridge_fout.GIF (2.08 KiB) 615 keer bekeken

Je ziet een groot verschil, namelijk dat de "onderkant" van de speaker (RL) niet aan ground hangt.
Ook hier kunnen we vervolgens weer aan rekenen.
We willen wederom de spanning Vo bepalen.
Dit wordt echter ietsjes lastiger, omdat we nu een bijdrage hebben van de positieve kant (+Va) en en de negatieve kant (-Va) van de gebrugde versterker.
Hieruit volgt dat:

Vo = Va*(RL/(RL+Rs)) - Va*((Rs/(RL+Rs))
Dus:

Vo/Va = (RL-Rs) / (RL+Rs)

De oplettende lezer ziet gelijk een verschil.
Dit is niet de formule die we eerder hebben gezien bij de "normale" versterker.
We willen juist WEL dezelfde overdracht hebben, omdat we dus precies dezelfde spanning willen hebben.
Anders klopt de gemeten waarde namelijk niet. (de "normale" versterker werkt immers probleemloos voor impedanties")
We zullen dus iets anders moeten verzinnen.

Hiervoor gaan we een aantal trucs en aannames toepassen.
Laat ik eerst maar het schema zien:

Bridge_goed.GIF (2.28 KiB) 615 keer bekeken

Ook hier is Vo weer uit te rekenen.
Weer iets complexer als het vorige, maar eigenlijk is het principe hetzelfde

Vo = Va*(RL+R2)/((RL+R1+R2) - Va*(R1)/(RL+R1+R2)

Gaan we dit een beetje bij elkaar harken en mooi maken, dan vinden we:

Vo/Va = (RL+R2-R1) / (RL+R1+R2)

Omdat we de "invloed" van de positieve en negatieve kant gelijk willen houden, moeten R1 en R2 dezelfde waarde hebben.
Er geldt dus R1 = R2 = Rv
Om dezelfde belasting te "zien" als een "normale" versterker, moeten deze waardes (dus R1 en R2) de helft zijn van Rs
dus: Rs = 2*Rv

Hier uit volt dus dat:
Vo/Va = RL / (RL+2Rv)

En Voila!!!
Deze formule is dus identiek aan de formule die we vonden bij een "normale" versterker.
Dit laatste schema zou je dus kunnen gebruiken voor impedantie metingen met een gebrugde versterker.

*disclaimer*
Nu zie ik gelijk al voor me dat allerlei mensen nu hun goedkope TA2024 versterkertje pakken om snel te gaan meten.
Er zit echter een flinke kanttekening aan!
Dat heeft met een aantal dingen te maken.
Ten eerst moet men er zeker van bewust zijn dat het mogelijk is dat er een DC spanning op de uitgangen van een geburgde versterker staat.
Deze kan theoretisch maximaal de helft van de voedingsspanning zijn. Dat is echter bij RL = 0 (er vormt zich dan een spanningsdeler met R1 en R2).
Wat echter een groter probleem is, is dat de tolerantie/onnauwkeurigheid heel slecht is van deze schakeling!!!!
Dat heeft te maken met het feit dat er een "onbalans" kan ontstaan tussen R1 en R2.
Dit komt omdat geen enkele weerstand gelijk is.
Normaal is dat niet een heel groot probleem, maar in deze schakeling beïnvloed het elkaar flink.
In de bijgevoegde Excel sheet kun jet het verschil zien bij een tolerantie van maximaal 5% tov een "normale" versterker met 5% tolerantie.
Het is dus uiterst noodzakelijk om de weerstanden uiterst nauwkeurig met elkaar te matchen!!!
Duidelijk is te zien dat bij vooral lage belastingen (dus speakers met een lage weerstand/impedantie) de fout erg groot kan worden



Ik ben uitgegaan van de minimale en maximale waardes die de weerstanden kunnen hebben.
Daarbij moet ik toegeven dat dit eigenlijk niet de beste methode is.
Normaal wordt dit gedaan via de zogenaamde "standaard deviatie".
Om het echter toch inzichtelijk te houden en niet te moeilijk te maken, heb ik het via deze methode gedaan.

[b_force]

Nou, kom op jongens, heb ik nu dit hele verhaal voor niks opgeschreven............

[Henkjan]

Bart maakt zich zorgen omdat iedereen het in 1 keer begrijpt het is al 55 keer gelezen hoor.

[b_force]

Bart maakt zich zorgen omdat iedereen het in 1 keer begrijpt het is al 55 keer gelezen hoor.

Ja, maar dan weet ik nog niet of men er iets aan heeft
Graag feedback!

Nu denk ik dat of niemand het boeit of dat het te moeilijk is.
Met feedback kan ik daar anders verandering in brengen

[bertor]

Ja, twee vragen/opmerkingen

1. Heb je al gemeten met een gebrugde versterker, om te kijken of het allemaal klopt?
2. In de LIMP user manual is heel overzichtelijk te zien hoe de spanningen t.o.v. aarde worden gemeten.

U1 en U2 is gelijk aan jouw Vo en Va in je eerste figuur. Als ik eenzelfde schema voor de gebrugde schakeling zou tekenen, met nu ook de extra weerstand na de speaker vanwege symmetrie, dan kom ik erop uit dat spanning Vo en Va worden gemeten t.o.v. 'halverwege' de luidspreker. Dus feitenlijk meet je 0.5*RL.

Vul je dat in dan kom je via deze route op hetzelfde uit:

Vo/Va = 0.5*RL / (0.5*RL + Rv) = RL / (RL + 2*Rv);

[EppeRRR]

Nou, kom op jongens, heb ik nu dit hele verhaal voor niks opgeschreven............

Ik vind het allemaal prachting wat je geschreven hebt Bedankt
Ben nu nog helemaal bezig met het buizentheorie gedeelte, maar als mijn buizenbak af is dan is dit zeker iets wat ik wil gaan gebruiken

.xls bestandje staat hier op de schijf iig, binnenkort maar eens een map aanschaffen om het 'zooitje' uit te printen (heb nogal wat specifieke electronica info op schijf staan in .pdf, .xls enz )

[b_force]

Ja, twee vragen/opmerkingen

1. Heb je al gemeten met een gebrugde versterker, om te kijken of het allemaal klopt?
2. In de LIMP user manual is heel overzichtelijk te zien hoe de spanningen t.o.v. aarde worden gemeten.

De bijlage 20101128 - limp.png is niet meer beschikbaar

U1 en U2 is gelijk aan jouw Vo en Va in je eerste figuur. Als ik eenzelfde schema voor de gebrugde schakeling zou tekenen, met nu ook de extra weerstand na de speaker vanwege symmetrie, dan kom ik erop uit dat spanning Vo en Va worden gemeten t.o.v. 'halverwege' de luidspreker. Dus feitenlijk meet je 0.5*RL.

Vul je dat in dan kom je via deze route op hetzelfde uit:

Vo/Va = 0.5*RL / (0.5*RL + Rv) = RL / (RL + 2*Rv);

Nog niet praktisch kunnen meten.
Wat betreft jou formule.

Kijk nog maar eens goed de bijdrage in punt Vo van de positieve en negatieve kant.
dus: Vo = Va*(RL+R2)/((RL+R1+R2) - Va*(R1)/(RL+R1+R2)
Dit zijn gewoon de wetten van Kirchoff.
Eerst doe je net alsof de andere bron niet mee doet (is kortgesloten) en daarna de andere.
Het linker deel is dus de bijdrage van de +Va en de negatieve kant van -Va

Om het nog eens extra duidelijk te maken, zie hier een simulatie.
Dus wat er staat klopt

[b_force]

Hier trouwens de overdracht van het goede circuit voor een gebrugde versterker (dus symmetrisch) en het eerdere foute schema.

Wat trouwens volgens mij ondanks toch niet helemaal waar is, is de DC spanning.
Volgens mij moet die overal gelijk zijn in het hele circuit ipv maximaal de helft!!
Voor bv een TA2024 zou die DC spanning iets van 12V zijn?

edit:
Oh nee, wacht ik weet het weer.
Het slaat op het idee dat je normaal bij een enkele spanning maximale output kan krijgen op ½DC

[Henkjan]

toch nog een vraag: zou je eens kunnen verklaren waarom er van die onzin als resultaat komt als je met een gebrugde versterker meet?

[b_force]

toch nog een vraag: zou je eens kunnen verklaren waarom er van die onzin als resultaat komt als je met een gebrugde versterker meet?

Heb je dat gedaan met die impedantie box?

edit:
Owjha dat probleem.
Echter is dat wel specifieker hoor Henkjan.
Maar waarom je dus onzin kan krijgen staat eigenlijk in mijn startpost hier.
Zeker als je de impedantie box gaat gebruiken kan het helemaal fout gaan!!
De min hang je dan namelijk aan ground.
Wat je dan kan krijgen is sowieso een scheve DC-offset maar ook nog eens een scheve belasting.
Alles behalve ideaal voor je versterker.

[BertDB]

Duidelijk verhaal.
Lijkt dat een heleboel onduidelijkheden of foute aannames hiermee wel de wereld uit geholpen worden.
Kan wel een sticky worden wat mij betreft

[b_force]

Duidelijk verhaal.
Lijkt dat een heleboel onduidelijkheden of foute aannames hiermee wel de wereld uit geholpen worden.

Dank je

Welke foute aannames bedoel je?

[BertDB]

Met foute aannames bedoelde ik eigenlijk foute metingen of aansluitwijzen
Door deze 'handleiding' zou dat nu toch opgelost moeten zijn

[daniel]

Hier trouwens de overdracht van het goede circuit voor een gebrugde versterker (dus symmetrisch) en het eerdere foute schema.

Wat trouwens volgens mij ondanks toch niet helemaal waar is, is de DC spanning.
Volgens mij moet die overal gelijk zijn in het hele circuit ipv maximaal de helft!!
Voor bv een TA2024 zou die DC spanning iets van 12V zijn?

edit:
Oh nee, wacht ik weet het weer.
Het slaat op het idee dat je normaal bij een enkele spanning maximale output kan krijgen op ½DC

Bart,

De DC op beide meetpunten is toch een groot probleem? De spanningen die je meet zijn beide niet per definitie gerefereerd aan ground, dwz aan de output ground van je geluidskaart.

De DC die er daadwerkelijk staat hangt natuurlijk helemaal af van het soort versterker dat gebruikt wordt. Maar het lijkt me niet ondenkbaar dat je ofwel een DC hebt die de ingangen van je geluidskaarten overstemt (of eventueel zelfs beschadigt!). Volgens mij werkt dit dus alleen maar als je zeker weet dat beide helften van de brug altijd vrij zijn van DC, dwz werken tov ground. Hoe denk jij daar over?

[b_force]

Nou het werkt natuurlijk ook als je twee condensatoren gebruikt om de DC te blokkeren.
Ik durf wel te wedden dat elke geluidskaart wel een stelletje condensatoren in serie heeft, maar de vraag is dus echter wat deze maximaal kunnen verdragen.
Maar het kan inderdaad nog een probleem zijn, hoewel dus ook op te lossen.

Zoals ik aangeef is echter nog het grootste probleem dat een kleine mismatch tussen de weerstanden kan leiden tot gigantische meetfouten.