Klasse D versterker met buizen?!

[Pjotr]

Deze schakeling is functioneel, in tegenstelling tot de "fantastrons" waar huidige high-end audio vol mee lijkt te zitten...

Mwah dat doen ze alleen maar voor de verkoop. Wat er in werkelijkheid in zit valt meestal wel mee. In die zin verschilt high-end audio niet zo veel met waspoeder.

[timpert]

Vandaar dat ik het woord "fantastron" zo mooi vind. Het lijkt heel wat in een advertentie, maar in feite stelt het helemaal niks voor.

Maar goed, terug naar het onderwerp. Ik denk dat je, meer nog dan met transistors, jezelf een aardig stukje EMC hel op de hals haalt als je niet vanaf het allereerste begin zorgvuldig bent met filtering en layout. Voor een probeersel natuurlijk geen ramp, maar in de woonkamer kan zoiets rare fenomenen veroorzaken.

[Pjotr]

Nou ja dan maar even geen wifi en snoerloze telefoon... Maar ik denk eerder dat de schakeling zelf niet helemaal gaat werken zoals je bedoeld hebt als je niet zorgvuldig HF technieken toe gaat passen. Ook de UGT gaat nog wel een uitdaging worden. Die constructie met anodewikkeling samen met de flyback wikkeling waar de diode zit, gaat alleen goed werken als beide wikkelingen vrijwel 100% gekoppeld zijn. Dat betekent bifilair wikkelen.

[timpert]

De uitgangstrafo zal wel loslopen, in alle gepresenteerde ontwerpen zit die na het uitgangsfilter. Door de spreidingsinductie en de wikkelcapaciteit krijg je nog wat extra filtering als bonus.

Het flyback ontwerp lijkt me inefficiënt doordat de uitgangsstroom door de weerstand van 750 Ohm geleverd moet worden, en die staat meteen parallel aan de uitgang. Ik denk dat een SE trapje met een 2A3 het zelfs nog beter doet. Als proof of concept is het wel leuk.

Interessant wordt het pas als je de trafo's op schakelfrequentie kan laten werken, en zo gewicht en ruimte kan besparen.

David Berning heeft het weer anders gedaan, maar dat is geen klasse D. Hij heeft de uitgangstrafo vervangen door een hele slimme converter, maar de eindbuizen werken in klasse A of AB.

[Piet1950]

David Berning heeft het weer anders gedaan, maar dat is geen klasse D. Hij heeft de uitgangstrafo vervangen door een hele slimme converter, maar de eindbuizen werken in klasse A of AB.

Hierbij werken de buizen inderdaad gewoon analoog. De buizen zijn als analoog regelbare belasting aangesloten op de uitgang van een step-up DC/DC converter. De laag-ohmige luidspreker is in serie met deze converter aangesloten op de voeding. Door de belasting van de converter te regelen met de buis, wordt de opgenomen stroom van de converter (= luidsprekerstroom) geregeld. Door twee van deze converters antiparallel te zetten, kan de luidsprekerstroom bipolair geregeld worden. Hiermee ontstaat inderdaad een HF uitgangstrafo, maar het zijn hier de mosfets, die het eigenlijke schakelende werk doen. De buizen werken dus gewoon analoog. Op zich ook weer eens wat anders.

Piet

[Pjotr]

Hoe anders en vernuftig dan ook, dat is dan gewoon geen klasse-D versterker.

[timpert]

Peter, thanks for nerd sniping me...

Het laat me niet los. Maar omdat je er serieus een project van wil maken, misschien moeten we het dan even over de spelregels hebben. Wat vind je nog acceptabel, en wat niet? Als je bijvoorbeeld met HF transformatoren wil werken in plaats van een "gewone" uitgangstrafo, dan kan dat alleen maar als je synchrone gelijkrichting toepast. En daarvoor heb je aan de secundaire zijde MOSFETs nodig. Vind je zoiets nog acceptabel?

[Piet1950]

Inmiddels heb ik al wat geknutseld met wat buizen in klasse D. En al de eerste muziek geluisterd. Nog op laag vermogen hoor.
De balansversterker is voor mij daarbij afgevallen. Het filter wordt erg onhandig. En bij gebruik van penthodes moeten de buizen in triode geschakeld worden, anders wordt de schermroosterstroom veel te hoog. De buizen worden namelijk continue in verzadiging gestuurd. Dus triodeschakeling is wel mogelijk, maar dan wordt de voedingsspanning wel beperkt, omdat bij de meeste buizen de schermroosterspanning niet al te hoog mag zijn. En bij de klasse D in balans worden de anodepieken juist extra hoog.

Daarom heb ik voor het vervolg van mijn geknutsel gekozen voor de serie balans. De buizen staan dan in serie, waardoor de piekspanning op de anodes meer onder controle is. De nieuwe uitdaging is dan wel de aansturing van de bovenste buis (ik wil dit met een stuurtrafootje oplossen), en de voeding van de gloeidraad van de bovenste buis. Dat zal wel een aparte voeding worden met extra kleine parasitaire capaciteit.

Maar wie kan mij nog een (deel) schakeling geven voor een goede driehoek generator met buizen? Daar ben ik nog niet echt uit. Er zijn genoeg zaagtandgenerators met buizen, maar een driehoekgenerator met buizen heb ik nog niet gevonden. En natuurlijk met niet al te veel buizen, want straks gaat mijn sturing nog meer rustvermogen trekken dan de eindtrap. Dan schiet klasse D ook haar doel voorbij.

Piet

[SSassen]

Misschien kun je hier verder mee Piet? Echt eenvoudig wordt het niet ben ik bang?

https://patents.google.com/patent/US2602151
https://scholarship.rice.edu/bitstream/ ... sAllowed=y

[Pjotr]

Wat is er dan mis met een zaagtand (halve driehoek)?

[Piet1950]

Misschien kun je hier verder mee

Het patent is inderdaad een driehoek generator met buizen. Maar met zwevende stroombronnen. En dan nog de aansturing. Het lijkt overigens meer op een PWM naar driehoek omzetter. Maar het idee van 2 aangestuurde stroombronnen, dat moet ik even in gedachten houden. De tweede is met transistoren. Die wil ik nog even niet gebruiken. (misschien later voor een hybride verzie).

Wat is er dan mis met een zaagtand (halve driehoek)?

Bij een zaagtand is de modulatie asymmetrisch in de tijd; bij een driehoek symmetrisch. Als de schakelfrequentie hoog genoeg is, zal dit overigens waarschijnlijk weinig extra vervorming geven.
Verder is bij de zaagtandgenerator met buizen alleen de lange heenslag, (als het goed is) lineair. De korte terugslag is niet lineair. Dit geeft dus ook vervorming.
Maar wat voor mij eigenlijk doorslaggevend is op dit moment, ik wil op de toppen van de driehoek nog een pulsje toevoegen, dat er voor zorgt dan de modulator bij oversturing nooit vast loopt, en dus geen pulsen meer afgeeft. De reden is het gebruik van een pulstrafo voor de eindbuizen. De duty cycle mag dus nooit 0% of 100% worden. Want dat kan de trafo niet overdragen. En dat gaat bij een driehoek (hopelijk) eenvoudiger dan bij een zaagtand. Vandaar.

Piet

[timpert]

Of iets zelfoscillerends proberen zoals de UCD...

[SSassen]

Of iets zelfoscillerends proberen zoals de UCD...

Concept is redelijk eenvoudig, alleen hoe ga je het schakelen aanpakken op ~400kHz?

[timpert]

Het kan natuurlijk ook wat lager. Vanaf 100 kHz zou je toch wel uit de voeten moeten kunnen, dat lijkt me zo uit de losse pols best haalbaar.

[Pjotr]

En hoe ga je dan de uitgangstrafo doen? Klasse-D werkt bij de gratie van de simpel HF lo-pass filter, UcD of niet. Ik zie een blikpakket nog niet de volle flux zwaai maken van zeg 1T bij een honderd kHz. Of het zou met een serie PP moeten met een HF pre-filter.

[timpert]

De uitgangstrafo moet sowieso het LF signaal kunnen transformeren, daarop behaal je geen winst met een "gewone" halve brug uitgangstrap. Het beste plaats je die dan buiten de lus, met een filter aan de primaire kant. Of je maakt gebruik van de spreidingsinductie. Ik snap je opmerking over volledige flux zwaai bij 100 kHz niet. Dat hoeft toch helemaal niet?

[timpert]

En bij gebruik van penthodes moeten de buizen in triode geschakeld worden, anders wordt de schermroosterstroom veel te hoog. De buizen worden namelijk continue in verzadiging gestuurd.

Is iets als een PL504 niet speciaal voor dit bedrijf gemaakt? Daar is ook een of ander geintje mee uitgehaald om de roosterstroom "below the knee" wat onder controle te houden.

[Pjotr]

De uitgangstrafo moet sowieso het LF signaal kunnen transformeren, daarop behaal je geen winst met een "gewone" halve brug uitgangstrap. Het beste plaats je die dan buiten de lus, met een filter aan de primaire kant. Of je maakt gebruik van de spreidingsinductie. Ik snap je opmerking over volledige flux zwaai bij 100 kHz niet. Dat hoeft toch helemaal niet?

Ja dat schreef ik toch ook? HF pre-filter. Lijkt mij dan logisch dat de trafo geen HF voor zijn kiezen krijgt. Maar zou je een balans PP maken dan moet je de volledige fluxzwaai schakelen die je bij LF nodig hebt.

[Piet1950]

Inmiddels hebben een aantal buizen al miljoenen keren geschakeld, en heb ik mijn experimenten min of meer afgerond. Het was leuk en leerzaam, maar gaat zeer waarschijnlijk niet tot een bouwproject leiden.

Ik heb veel schakeling geprobeerd. Daar zal ik jullie niet mee vermoeien. Ik zal mijn laatste, complete proefschakeling laten zien.
Deze is uitgerust met 4 buizen en een IC'je (inderdaad). De modulator is opgebouwd met 2 stuks ECF80's. De penthodes vormen samen een astabiele multivibrator, die oscilleert op ongeveer 200kHz. In feite zijn hierbij de schermroosters, samen met de stuurroosters en de kathodes als 2 triodes gebruikt. Zij zijn in feite de oscillator. De anodes zijn alleen maar de uitgangen, waar vanaf de signalen komen. Dit geeft redelijke blokgolven, maar de flanken zijn niet steil genoeg. De frequentie wordt bepaald door de 2 condensatoren van 33pF en de 2 weerstanden van 150k. En de spanning, die op deze weerstanden staat. Deze weerstanden zijn daarom aangesloten op een balanstrapje, dat gevormd wordt met de 2 triodes in de ECF80's. Het audio signaal wordt op een rooster aangesloten; het andere rooster staat op een vaste spanning. De verschilspanning op de anodes van deze triodes stuurt de spanning op de 150k weerstanden van de astabiele multivibrator. Hierdoor wordt zowel de symmetrie van de multivibrator, als de frequentie gevarieerd. De duty-cycle varieert daardoor tussen ongeveer 10% en 90%. De frequentie tussen ongeveer 100kHz en 250kHz. Het bleek mij, dat deze combinatie een zeer goede lineariteit gaf.

De buffer wordt gevormd door een dubbele mosfet driver. Om voldoende stuurspanning te krijgen, zijn step up pulstrafo's toegevoegd, die tevens de galvanische scheiding geven voor de bovenste eindbuis.

De eindtrap is een halve brug, zoals ook bij mosfet versterkers. Deze is uitgerust met 2 stuks E130L penthodes. Parallel aan deze buizen staan snelle diodes. In de uitgang zit een eenvoudig HF filter, en daarachter, via een elco een 100V laagfrequente lijntrafo. De schermroostervoeding voor de bovenste buis wordt via een common mode filter toegevoerd. In de anodes zijn ontstoor-ferrietjes opgenomen.

De versterker levert maximaal ongeveer 30 Watt. De bandbreedte met het huidige filter is ongeveer 10 kHz. Dit zou nog verder verbeterd kunnen worden met een 4-de orde filter met een hogere grensfrequentie. Het rustvermogen van de eindtrap is ongeveer 10W. Bij vol vermogen (30W uit) is het opgenomen vermogen van de eindtrap ongeveer 45W. Al met al een redelijk resultaat.

Het schema is hierbij toegevoegd. Ter lering ende vermaeke.

Piet

[marter544]

Ik ben er nog niet uit wat de praktische overweging is geweest om dit te doen, maar ik vind het wel heel gaaf Best een acceptabele schakelfrequentie nog, buizen zijn van voor mijn tijd en ik heb er weinig ervaring mee, maar ik had niet verwacht dat je dat zou halen. Als je em op 250 kHz zou kunnen houden is een 2e orde filter genoeg, of is je duty cycle dan te beperkt?

[Piet1950]

Als je em op 250 kHz zou kunnen houden is een 2e orde filter genoeg, of is je duty cycle dan te beperkt?
Omhoog

Zodra de modulator uitgestuurd wordt, wordt de frequentie lager. Dat is een handicap van deze modulator. Als de analoge stuurversterker de spanning op de ene 150k weerstand en bepaald aantal volts verlaagd, tot bijvoorbeeld de pulsbreedte daar gehalveerd is, dan zal aan de andere kant de pulsbreedte verdubbeld zijn. Stel dat de frequentie in rust 100kHz is (5us + 5us), dan is de periodetijd bij uitsturing zoals aangegeven 5/2us + 5x2us = 12,5us, en de frequentie gedaald naar 80kHz. Een modulator die met een driehoekgenerator en een comparator werkt, heeft dit probleem niet. Maar is met buizen veel complexer. Vandaar mijn oplossing. Door te beginnen met bijvoorbeeld 400kHz, zou de minimum frequentie boven de 250kHz kunnen blijven. Dat is ook een mogelijkheid. Maar de parasitaire effecten nemen dan ook toe. Dat is weer de keerzijde.

Piet

[Pjotr]

Vind dat je een heel eind gekomen bent Piet. Chapeau! Best een leuk resultaat, had ik eigenlijk niet zo verwacht

[Ah!buis]

Leuk bezig geweest
Dat de flanken van de blok wat te wensen overlaten is te verwachten, voor de opgaande flank moet de 33k opgeladen door 10k. En die mag zo niet veel kleiner om de stroom voor g2 niet te groot te maken.
Is er geen behoorlijke driehoek te maken door een integrator (condensator tussen anode en stuurrooster) aan te sturen met een 50/50 blokgolf ?
Grappig trouwens, ronde buizen voor analoog en nu hoekige voor digitaal
Anne

[SSassen]

Kun je niks met het UcD concept Piet? Dit is een zelfoscillerende klasse-D met een globale lus.

https://patents.google.com/patent/US711 ... S7113038B2

https://patents.google.com/patent/US680 ... S6803816B2

[Piet1950]

voor de opgaande flank moet de 33k opgeladen door 10k.

Ik neem aan, Anne, dat je met 33k eigenlijk 33pF bedoeld. Door de schermroosters als anode te gebruiken, is de opgaande flank op de schermroosters erg traag. Maar omdat de buis toch schakelt, is dit op de anodes niet terug te vinden. De flanken zijn daar veel sneller en symmetrisch. Maar toch nog niet snel genoeg. Vandaar, en vanwege de pulstrafo's, is toch een IC-buffer gebruikt.

Is er geen behoorlijke driehoek te maken door een integrator (condensator tussen anode en stuurrooster) aan te sturen met een 50/50 blokgolf ?

De buizen integrators werken maar 1 kant op Anne. Er is alleen maar een zaagtand mee te maken. Een driehoek is ook wel met buizen te maken, maar het aantal buizen neemt dan snel toe. En heb je een mooie driehoek, dan is er vervolgens een snelle comparator nodig met buizen. Dat is ook niet eenvoudig. Ik heb dat al eerder aangegeven. En er moet dan ook een voorziening komen, dat de duty cycle niet kleiner dan bijvoorbeeld 5% of groter dan 95% mag worden. Dan werken de pulstrafo's niet

Kun je niks met het UcD concept Piet?

Bij een zelf-oscillerende versterker, Sander, is ook een goede integrator en een snelle comparator nodig. Met IC's is dat gemakkelijk te realiseren. Maar met buizen wordt dat ook zeer uitgebreid. En dan zijn de pulstrafo's zeker een breekpunt.

Piet