Subwoofer met stroomsturing en MFB

[Chocomel]

Niet omdat het moet, maar omdat het kan. Het worden twee kleine subwoofers die van 20 – 200 Hz ingezet kunnen worden.

Op internet is genoeg informatie te vinden over het hoe en wat van stroomsturing en motional feedback (mfb). Beide dragen bij aan het verlagen van harmonische vervorming. Stroomsturing is misschien wat minder bekend, die werkt door Le(x) en Le(i) irrelevant te maken.
http://www.rmsacoustics.nl/papers/white ... design.pdf
http://www.rmsacoustics.nl/activecontrol.html
https://www.klippel.de/fileadmin/_migra ... Poster.pdf

Commercieel worden beide al toegepast in de Grimm Audio LS1s-dmf.
http://www.grimmaudio.com/pro-products/ ... /ls1s-dmf/

Ik gebruik een TangBand W69-1042J in een gesloten kast van 14 L, omdat ik die woofers nog had liggen. Om de controllers te voeden heb ik een mooie voeding van forumlid Sevenup overgenomen, de versnellingsmeters wil ik bij PirateLogic halen.

Zowel de stroomsturing als mfb zijn te beschouwen als systemen met negatieve feedback. Je kan ze apart van elkaar zien. Een blokschema van een systeem met negatieve feedback ziet er als volgt uit:

Alle blokjes zijn lineaire transfer functions. Het proces P(s) is bijvoorbeeld een luidspreker die een signaal krijgt en geluid uitzendt. Een echte luidspreker doet dat niet perfect lineair, maar vervormt daarbij. Deze niet-lineariteit wordt meegenomen alsof het een verstoring van het proces is. Hoe zo’n systeem met negatieve feedback werkt is het makkelijkst door te beginnen bij het proces. De uitgang ‘uit’ van het proces wordt teruggevoerd en vergeleken met het ingangssignaal ‘in’, wat een maat is voor de fout. Deze fout wordt versterkt door controller C(s) en opnieuw aan het proces aangeboden. Het proces maakt er weer iets moois van enzovoorts.

De transfer function van ‘in’ naar ‘uit’ is PC/(1+PC). Van ‘verstoring proces’ naar ‘uit’ is P/(1+PC). Het doel is om het effect van verstoring op de uitgang te minimaliseren, dus C moet zo groot mogelijk zijn. Zomaar een grote versterkingsfactor maken van C klinkt dus logisch, maar helaas werkt dat niet. Het feedbacksysteem wordt dan instabiel. Om te kijken of een systeem stabiel is, is de transfer function van de open lus L = PC handig. Een vereenvoudigd criterium voor stabiliteit is dat de fasedraaiing van L kleiner moet zijn dan 180 graden voor alle frequenties waarbij de versterking groter is dan 1. Aan beide eisen kan worden voldaan als PC een banddoorlaatfilter is, dat aan beide kanten met 6 dB / octaaf afvalt. P staat vast en is te meten, C kan je maken zoals je wilt.

Een blokschema van zowel de stroomsturing als mfb samen wordt als volgt:

K is een oude stereoversterker; Z de impedantie van de woofer; R een weerstand van 0,18 ohm die in serie staat met de woofer om de stroomsterkte te meten; W1 en W2 stellen samen de woofer voor; A de versnellingsopnemer die op de spreekspoel komt; F een MiniDSP; C1 en C2 filters die nog ontworpen moeten worden: C1 voor de stroomsturing, C2 voor de mfb. P1 en P2 zijn groepen van meerdere elementen samen.

Als eerst maak ik de binnenste regellus werkend, dus alleen van de stroomsturing. Niet-lineariteit neem ik niet mee. Het blokschema wordt dan een stuk simpeler:

P1 stelt de transfer function voor, van [signaal op ingang stereoversterker] naar [gemeten stroomsterkte]. Er zit nog een weerstand R in het schema, omdat je anders nogal moeilijk spanning (in) met stroomsterkte (uit) kan vergelijken. Uit een meting blijkt dat de transfer function als volgt is:

Onder de 5 Hz vertrouw ik de meting niet. Tussen 5 en 10 Hz is een hoogdoorlaatfilter te zien, vermoedelijk afkomstig van de stereoversterker. Op 63 Hz zit een dip, als gevolg van de impedantiepiek van de woofer. Boven 100 Hz valt het af, wat zou kunnen komen door de hoge zelfinductie. Wel vreemd dat het met minder dan 6 dB / octaaf afvalt.

Binnen het gemeten frequentiebereik is de transfer function al een banddoorlaatfilter. Het laagdoorlaatfilter blijft in ieder geval van 150 Hz - 20 kHz een flauw genoege helling hebben om de fasedraaiing laag te houden. De resonantie op 63 Hz doet geen rare dingen met de fase en kan dus genegeerd worden. In het laag wordt de helling van het hoogdoorlaatfilter helaas al gauw te steil, met bijbehorende fasedraaiing van > 180 graden. Uitpluizen van de service manual van de stereoversterker laat zien dat de dominante hoogdoorlaatfilters op 5, 1 en 1 Hz zitten. Die filters geven samen 180 graden fasedraaiing op 0,85 Hz. Daar is de versterking -23 dB, dus de controller mag een simpele versterker van maximaal 23 dB zijn:

Uit even uitproberen blijkt dat het systeem rond 20 dB versterking inderdaad instabiel wordt. Wel grappig om te zien, als je kort een signaal van 1 Hz instuurt blijft de woofer nog een tijdje door wapperen.

23 dB versterking vind ik wat weinig, zeker als daar nog een paar dB marge af moet. Als het hoogdoorlaatfilter van 5 Hz wordt verplaatst naar 20 Hz, mag de controller 10 dB meer versterken voordat de boel instabiel wordt, 33 dB i.p.v. 23 dB:

Met stroomsturing meet de woofer als volgt (microfoon op 1 cm van conus):

Een bijeffect van stroomsturing is dat de elektrische demping wegvalt, zoals te zien is aan de piek op 65 Hz. Maakt niet uit, mfb lost dat straks op.

[SSassen]

Oww, leuk, mag ik meedoen? Ik heb nog wat spullen die liggen te verstoffen die hier prima voor te gebruiken zijn!

[FritsK]

Oeh. En dan i.c.m. een potente subwoofer (Ala Grimm; Seas L26RO4Y of anders Peerless XXLS-10/12 of Dayton RSS390HF) kan dat beste leuke resultaten opleveren! Ondanks dat ik niets van de calculaties snap klinkt dit als muziek in de oren. Volgmodus aan!

[motoindo]

Zeer interessant onderwerp, ter info deze mosfet currentdrive eindtrap van Hans Mons @ mfblabs.nl:

Een bijpassende expirimenteer print van zijn hand is er inmiddels ook :

[motoindo]

Hoe staat het met dit project, zit de StarBass al in elkaar ?

[Chocomel]

Inmiddels zit er één Starbass in elkaar en die lijkt te werken. Ik moet nog wel afscherming toevoegen, de pootjes inkorten en hem in de spreekspoel lijmen.

[Chocomel]

Beide opnemers zitten in elkaar en zijn in de woofers gemonteerd:

Het wilde eerst maar niet lukken om een fatsoenlijk signaal uit de opnemers te krijgen, het kwam nauwelijks boven de ruis van de geluidskaart uit. Alleen bij hoge tonen kwam er wat uit. Het enige wat ik kon bedenken was dat dat ding gewoon heel ongevoelig is en dat de aansluitdraden het magneetveld van de spreekspoel opvingen. Aansluitdraden verlegd, nee dat helpt ook niet echt. Wat ook opviel was dat de ene opnemer 5 dB gevoeliger was dan de andere. Misschien zit er iets verkeerd gesoldeerd bij eentje? Koperfolie om de opnemer opengemaakt, niks te zien. Misschien heb ik de FET of transistor gesloopt bij het solderen? Hmm vreemd, hij bromt wel als je met je vinger in de buurt komt. Die zijn dus niet het probleem. Beide piëzo's geven ook signaal als je er afzonderlijk op duwt. Ah, ze staan per ongeluk in tegenfase! Als je er eentje omdraait zou het weer moeten werken. Met één piëzo verwijderd meet hij als volgt (woofer op spanningsversterker, geen afscherming rond opnemer):

De eerste resonantie zit pas tussen de 6 en 7 kHz, wat goed nieuws is. De Starbass is dus stijf en licht. Bij 7 kHz wordt de fase voor het eerst -90 graden. Met een simpel 1e orde laagdoorlaatfilter (6 dB/oct.) in de tegenkoppellus komt er -90 graden fasedraaiing bij, dus is er pas vanaf 7 kHz -180 graden fasedraaiing. Als het systeem niet meer dan marginaal stabiel hoeft te zijn en je even niet kijkt naar wat er in het laag gebeurt, zou het dus mogelijk zijn om op 220 Hz (5 octaven onder 7 kHz) al 5*6 = 30 dB versterking te hebben in de transfer function van de open lus. Dat betekent dus dat verstoringen met ongeveer 30 dB worden verzwakt op die frequentie. Zo'n verstoring is bijvoorbeeld harmonische vervorming. De 3e harmonische van 73 Hz is bijvoorbeeld 220 Hz, dus die zou dan zoveel verzwakt worden.

Nou zijn er nog wat dingen om rekening mee te houden waardoor dit niet helemaal mogelijk is, maar het heeft potentie.

[toetertje]

Ik snap helemaal niets van wat hier gebeurd, maar ik vind het super interessant.
Ik heb met verbazing gehoord, wat die speakertjes van motoindo presteerden.
Graag zou ik mijn 2 xls 10 woofers vervangen voor wat kleiners.

[motoindo]

Dat zijn bemoedigende resultaten chocomel, blij om te horen dat je een en ander aan de praat hebt ! Ik zal jouw feedback gebruiken voor de volgende manual update, de laatste is alweer van 14 maart :

https://piratelogic.nl/data/docs/produc ... ual.en.pdf

[Thomox]

Wat is hiervan de status?

[Chocomel]

Sorry, ik zie je bericht nu pas. Na een jaar dit project met rust gelaten te hebben, ben ik er weer mee bezig gegaan. De subwoofer is nu af.


De correctiefilters voor de stroomsturing bestaan uit 38x versterking, 1e orde hoogdoorlaat op 50 Hz en 1e orde laagdoorlaat op 5 kHz. De openlusrespons ziet er als volgt uit. De ingang van de geluidskaart stond per ongeluk verkeerd ingesteld, waardoor het absolute niveau en en de respons < 10 Hz niet kloppen. De maxmale versterking ligt op net iets meer dan 20 dB en de respons < 10 Hz volgt een 1e orde hoogdoorlaatfilter.

De correctiefilters voor de motional feed back bestaan als eerst uit een low shelf op 15 Hz en een high shelf op 700 Hz. Dat zijn tevens de punten waarop de openlusversterking 0 dB wordt. Deze shelving filters zorgen voor enige fasemarge. Daarna volgt een trap met 48x versterking en een 2e orde laagdoorlaatfilter op 150 Hz met Q = 2. De opslingering daarvan zorgt voor wat extra versterking rond de 100 Hz. Er is geen notch filter nodig om de resonantie van de opnemer op 6,4 kHz te onderdrukken. De maximale versterking ligt op ruim 30 dB. De fasemarges zijn met 20 graden wat krap. De geluidskaart staat nu goed ingesteld, dus het absolute niveau in de grafiek is nu wel correct.

Gaaf maar ook vreemd om onvervormde bas uit zo'n klein kastje te horen. Als je 20 Hz uitstuurt zie je de woofer flink wapperen en hoor je bijna niks. Iets harder en de versterker schiet in de clip, wat een hoop herrie maakt.

[grimoire]

Goh wat een facinerend project, ik kende het nog niet!
Gaaf zeg dat het gelukt is

[Martijn M]

Gaaf project en goed beschreven! Complimenten!

[Chocomel]

Dankjewel! Het werkt erg fijn met de opnemer van Chris, waar een mooi signaal uit komt.

[SSassen]

Graag meer van dit, hier smul ik van!

[SSassen]

Zeer interessant onderwerp, ter info deze mosfet currentdrive eindtrap van Hans Mons @ mfblabs.nl:

Mosamp_double-V0_9.png
MosAmp_Double_0.9-view.png
Een bijpassende expirimenteer print van zijn hand is er inmiddels ook :

Mfb-pcb-1_1%2Bcomp.png

Bah! Relais in de uitgang, da’s echt een gigantische blunder als je deze versterker wilt gebruiken voor stroomsturing, ook het gebruik van normale ipv. laterale MOSFETs is een misser.

[Henkjan]

kan je dat eens uitleggen?

[SSassen]

kan je dat eens uitleggen?

Ligt dat niet voor de hand dan? De hier gepresenteerde stroomversterker versterkt stroom ipv. spanning, een relaiscontact heeft een overgangsweerstand, dit zorgt voor een directe beïnvloeding van de stroom die erdoor loopt, sterker nog, bij bepaalde legeringen van de contacten treedt zelfs een halfgeleider effect op (koperoxide b.v.) dit alles zorgt ervoor dat de versterker niet correct functioneert. En dan heb ik het nog niet eens gehad over wat er gebeurd bij het in- of uitschakelen van het relais, op dat moment kan er wel of geen stroom lopen, waardoor de versterker vastloopt tegen één van de voedingsspanningen. MOSFETs voor eindversterkers die in dit soort toepassingen worden gebruikt horen van het laterale type te zijn, deze hebben namelijk van nature een stroombegrenzing en zullen niet met spectaculair vuurwerk defect raken als er iets misgaat met de belasting, zeker bij een subwoofer versterker is dat een must.

[Pjotr]

kan je dat eens uitleggen?

Ligt dat niet voor de hand dan? De hier gepresenteerde stroomversterker versterkt stroom ipv. spanning, een relaiscontact heeft een overgangsweerstand, dit zorgt voor een directe beïnvloeding van de stroom die erdoor loopt, sterker nog, bij bepaalde legeringen van de contacten treedt zelfs een halfgeleider effect op (koperoxide b.v.) dit alles zorgt ervoor dat de versterker niet correct functioneert. En dan heb ik het nog niet eens gehad over wat er gebeurd bij het in- of uitschakelen van het relais, op dat moment kan er wel of geen stroom lopen, waardoor de versterker vastloopt tegen één van de voedingsspanningen. MOSFETs voor eindversterkers die in dit soort toepassingen worden gebruikt horen van het laterale type te zijn, deze hebben namelijk van nature een stroombegrenzing en zullen niet met spectaculair vuurwerk defect raken als er iets misgaat met de belasting, zeker bij een subwoofer versterker is dat een must.

Hmmm ja, allemaal heel voor de hand liggend maar dat gaat nu juist niet op. Met stroomsturing heb je juist géén last van allerlei overgangsweerstanden. Daar is het stroomsturing mede voor bedoeld. Immers de stroom verandert daardoor juist niet! Dat is nu precies waarom je stroomsturing gebruikt: Om geen last te hebben van de variërende speaker impedantie. En verder zijn relaiscontacten niet van koper maar doorgaans van een zilver/nikkel legering. En bij relais voor versterker uitgangen nog eens verguld. Waar je dat halfgeleider effect nu vandaan haalt. Gevalletje klok en klepel: Bij blank koperen speakerkabel onder schroefklemmen kan het voorkomen.

Voor de rest ben ik het met je eens: Relais horen sowieso niet in de uitgang van high-end versterkers. En bij stroomversterkers waarbij de meetweerstand in de min-leiding van de speaker zit zou een relais de stroom-regellus verbreken en de versterker tegen de voeding slaan.

[SSassen]

Met stroomsturing heb je juist géén last van allerlei overgangsweerstanden.

Natuurlijk wel, relais contact geeft niet elke keer dezelfde overgangsweerstand, dit onder andere ivm. slijtage, zowieso horen relais niet in de uitgang van een eindversterker thuis, of alleen dan wanneer een relais niet de feitelijke uitgangsklemmen schakelt naar de uitgang van de versterker.

Voor de rest ben ik het met je eens: Relais horen sowieso niet in de uitgang van high-end versterkers. En bij stroomversterkers waarbij de meetweerstand in de min-leiding van de speaker zit zou een relais de stroom-regellus verbreken en de versterker tegen de voeding slaan.

Juist! En ja, ik ben wat chagrijnig vandaag, druk met de boekhouding voor de belastingaangifte en als ik ergens een hekel aan heb, ik mag de legale diefstal die men belastingen noemt ook nog zelf gaan sponsoren, want alle uren die ik erin steek kan ik nergens verhalen en krijg ik ook niet terug.

[Pjotr]

Jawel maar je redenering dat je met stroom sturen last hebt van een variërende weerstand klopt gewoon niet! Dat heb je dan gewoon niet.