Przystawka do pomiaru wzmacniaczy audio - również mostkowych, w klasie D i słuchawkowych
Co ją wyróżnia? Można mierzyć coraz częściej występujące współcześnie wzmacniacze mostkowe jak również te w klasie D (także nierzadko pracujące jako mostkowe)
na obu kanałach jednocześnie bez obawy o zwarcie i problemy z łączeniem mas. Ponadto ma niewielkie wymiary i pasywne chłodzenie (aluminiowa obudowa), dzięki czemu nie zajmuje dużo miejsca.
Niniejsza przystawka zawiera w sobie:
- sztuczne obciążenie 4 / 8 ohm do wzmacniaczy mocy
- sztuczne obciążenie 32, 300, 600 ohm do wzmacniaczy słuchawkowych
- obsługa wmacniaczy (mocy i słuchawkowych) z wyjściem SE i mostkowych BTL
- filtr dolnoprzepustowy dedykowany do pomiaru wzmacniaczy mocy w klasie D
- wyjścia na oscyloskop (1:1 / 1:10)
- wyjścia audio do pomiaru zbalansowane i niezbalansowane (tłumienie 1:1.5, 1:5, 1:10)
- zabezpieczenie przed zbyt dużym napięciem na wyjściu audio do pomiaru
- zabezpieczenia przed napięciem stałym ze wzmacniacza
- pasywne chłodzenie bez wentylatorów
- moc znamionowa obciążenia dla wzmacniaczy mocy 50W/8ohm, 100W/4ohm
- możliwość dodatkowego chłodzenia wodą (hermetyczna dolna część obudowy) w wypadku konieczności krótkotrwałego przekroczenia mocy znamionowej obciążenia
W stosunku do większości publikowanych na elektrodzie czy youtube tego typu przyrządów ten posiada szereg usprawnień i unowocześnień co pozwala współpracować z wieloma współczesnymi konstrukcjami wzmacniaczy mocy. Znakomita większość takich konstrukcji uniemożliwia pomiar obu kanałów wzmacniaczy jednocześnie w topologii BTL. Dlaczego?
Albo mają połączone masy kanału lewego i prawego, a jeśli nawet nie mają to i tak ujemny zacisk do podłączenia obciążenia zwykle łączy się z masą wyjścia pomiarowego na oscyloskop. W praktyce oznacza to, że po podłączeniu obu kanałów do oscyloskopu przez jego masę ujemne wyjścia wzmacniacza galwanicznie się połączą. Grozi to uszkodzeniem lub co najmniej załączeniem zabezpieczeń badanego wzmacniacza. Niektórzy radzą sobie w ten sposób że łączą tylko jeden kanał wzmacniacza a oscyloskop (i ewentualnie komputer z interfejsem pomiarowym) odseparowują galwanicznie (w przypadku laptopa jest to proste) od zasilania wzmacniacza poprzez odłączenie od sieci bądź podłączenie do gniazda bez PE (jeśli masa wzmacniacza jest na potencjale PE). Jednak to tylko połowiczne rozwiązanie, ponadto uniemożliwia sprawdzenie każdego półmostka z osobna.
W mojej konstrukcji zarówno dla wejść wzmacniacza mocy jak i wzmacniacza słuchawkowego można przełącznikiem rodzaju wzmacniacza SE/BTL odłączyć ujemny zacisk wzmacniacza od masy. Wtedy każdy z zacisków kierowany jest na osobne wyjście pomiarowe oscyloskopu (dlatego wyjścia są cztery po dwa na każdy kanał badanego wzmacniacza).
Ponadto sygnał jest przesyłany na wyjścia zbalansowane dla karty dźwiękowej, jednak są także wyjścia niezbalansowane, gdzie w takim wypadku sygnał jest desymetryzowany w układzie na wzmacniaczu operacyjnym (o tym jak i całym pozostałym układzie dalej). Jest też oczywiście zacisk do masy, ponieważ jeśli chcemy zmierzyć taki półmostek musimy mieć odniesienie względem masy układu badanego wzmacniacza.
Teraz o samej konstrukcji:
Każde wyjście, czy to na oscyloskop czy audio ma skokowo regulowany poziom tłumienia. Dlaczego skokowo? Ponieważ potencjometr nie zapewnia idealnej dokładności
(zbieżność) i to zarówno między kanałami jak i między poziomami sygnału zbalansowanego z dwóch półmostków, co ma znaczenie dla procesu desymetryzacji sygnału.
Ponadto uniemożliwia wiarygodny pomiar mocy obu kanałów, bo nigdy nie wiadomo czy potencjometry są nierówno ustawione, czy jest różnica w poziomach między kanałami.
W przypadku wyjść oscyloskopu albo sygnał przechodzi 1:1 albo jest tłumiony 10 krotnie, jest to odwzorowany układ tłumika z typowej sondy oscyloskopowej 1:10.
Wyjścia audio mają do wyboru tłumienie 1:2, 1:10, 1:30. Tłumik składa się z metalizowanych, niskoszumnych rezystorów o tolerancji 1% dobieranych na etapie montażu.
Jest odcięcie składowej stałej - kondensator o napięciu 250V i pojemności tak dobranej by częstotliwość odcięcia była jak najniższa (-1Hz -3dB). Dlaczego w ogóle blokować DC?
Wzmacniacze mostkowe zasilane pojedynczo wystawiają na każdym półmostku połowę napięcia zasilania. O ile 99% oscyloskopów ma sprzężenie AC, o tyle mamy tu wyjście audio na interfejs pomiarowy w postaci karty dźwiękowej która nie wiadomo jak się zachowa przy dość sporej wartości napięcia DC bo nie znamy jej układu wejściowego,
do tego układ desymetryzujący który po dostaniu DC mógłby się "rozjechać". Możliwa jest też zwykła awaria podłączonego wzmacniacza, co w skrajnych przypadkach może prowadzić do pojawienia się pełnego napięcia zasilania końcówkę mocy, dodatniego lub ujemnego. Do tego, nawet mimo trybu AC w oscyloskopie producenci stosują tam różne pojemności, przez co niektóre oscyloskopy mają spadek np -3dB już przy 30Hz, co może zafałszować wynik pomiaru przy niskiej. I po ostatnie: na wyposażeniu mojej pracowni posiadam (wielu twierdzi że niezbyt wysokich lotów) oscyloskop na USB Hantek 6022BE. Nie jest moim jedynym, ale jest o tyle wygodny że ma małe wymiary i podłącza się go do komputera więc zajmuje mało miejsca. Wierzcie lub nie, ale nie ma on trybu AC (!)
Mimo wszystko wyjścia pomiarowe audio (za tłumikiem) są zabezpieczone dwukierunkowymi diodami TVS na napięcie 12V.
Filtr dolnoprzepustowy dedykowany do wzmacniaczy klasy D:
W przypadku pomiaru takich wzmacniaczy do pomiaru musi zostać zastosowany filtr którego tłumienie zaczyna się nieco powyżej 20kHz.
Filtr taki jest stosowany w profesjonalnych pomiarach (do swoich przyrządów oferuje go choćby Audio Precision).
Oddajmy zatem głos Audio Precision (tekst tłumaczony translatorem):
https://www.ap.com/analyzers-accessories/acce...amily-switching-amplifier-measurement-filters
i jescze Texas Instruments:
https://www.ti.com/lit/an/sloa107/sloa107.pdf
Pod powyższym linkiem znajdziecie też schemat filtra który TI zaleca, ja w swoim urządzeniu właśnie tak go wykonałem.
Na potwierdzenie tych teorii, wrzucam dwa przebiegi sinusoidalne ze wzmacniacza klasy D na TPA3116, przebiegi z wyjścia jednego z półmostków. Ten "grubszy" to przebieg bez filtra, ten "cieńszy" - z filtrem.
Układ desymetryzujący: jeśli chcemy mierzyć wzmacniacz mostkowy i nie dysponujemy kartą dźwiękową z wejściem symetrycznym, to układ ten tworzy nam
sygnał niesymetryczny i możemy skorzystać z jego wyjścia. Zbudowany jest na dwóch pojedynczych (po jednym na kanał w celu zapewnienia małego przesłuchu międzykanałowego) wzmacniaczach operacyjnych NE5534. Oczywiście można użyć lepszych, jednak stosunek parametry/cena był tu istotny
W aplikacji znajduje się także potencjometr nastawny precyzyjny w celu odpowiedniego ustawienia offsetu całego układu (opamp ma dedykowane wyprowadzenia) by zapewnić jak najmniejszy błąd pomiarowy i najlepsze parametry. Zasilany jest z dwóch stabilizatorów LM317/337 napięciem +/-12V, stabilizatory dostają +/-15V z konwertera DC/DC który z kolei zasilany jest z zewnętrznego zasilacza 12V.
Układ ten praktycznie nie pogarsza parametrów całego toru. Dla porównania pomiar toru karty dźwiękowej której używam (ASUS Xonar DX) i pomiar toru ze wzmacniaczem operacyjnym:
Obciążenia, przełączanie, tryb SE/BTL:
Obciążeniem są w sumie 4 rezystory o oporności 8ohm i mocy 50W, po dwa na kanał z możliwością równoległego łączenia dla uzyskania 4ohm.
Rezystory przykręcone są do spodu aluminiowej obudowy. Zastosowałem pastę termoprzewodzącą, miejsce przełożenia śrub przez otwory w dnie obudowy
jest uszczelnione silikonem. Dzięki temu dół obudowy jest szczelny i można w pewnym stopniu zanurzyć go w wodzie dla dodatkowego chłodzenia jeśli
istnieje obawa że moc rezystorów zostanie przekroczona.
Zmiana trybu SE/BTL sprowadza się do tego, że ujemny zacisk wejściowy dla wzmacniacza (tak samo jest w sekcji słuchawkowej) podłączany jest
do masy lub nie jest w trybie BTL. Wtedy cały tor od wejście do wyjść pomiarowych jest symetryczny. Niemniej żeby mieć odniesienie względem masy urządzenia,
jest osobny zacisk do takiego podłączenia.
W przypadku toru słuchawkowego jest bardzo podobnie, jedyna różnica to rodzaj obciążenia - 8 rezystorów 150R/1W, jak to jest podłączone widać na schemacie.
Dostępne rezystancje dla toru słuchawek: 32, 300 i 600 ohm.
PCB, części itp:
płytka zaprojektowana w KiCAD, wykonana w JLCPCB
części: większość z TME (łącznie z obudową), pozostała drobnica jak niektóre złącza, przewody - alledrogo.
zastosowana obudowa: Gainta G-0247
Otworowanie we własnym zakresie, opisy folia przezroczysta samoprzylepna.
Koszt całości - ok 500zł (sama obudowa kosztowała 80...).
Zdjęcia z tworzenia konstrukcji:
Przykładowe pomiary:
Przebieg na wyjściu mostkowym wzmacniacza klasy D - przebiegi z pojedynczych półmostków i różnica tych przebiegów:
Zdjęcie z pomiaru tego wzmacniacza:
Pomiar wzmacniacza klasy D TPA3116 - obciążenie 8ohm, moc 1W:
J.w., moc 3W:
Pomiar wzmacniacza na układzie hybrydowym GML025 (moje DIY), moc 3W, obciążenie 8R:
Pomiar wzmacniacza słuchawkowego (moje DIY), obciążenie 300 ohm, moc 100mW:
Wzmacniacz j.w.,moc 80mW, obciążenie 600ohm:
Schemat układu:
PS1:
najniższy stopień tłumienia na wyjścia pomiarowego wynosił pierwotnie 1:2, w czasie prób korzystniejszy okazał się 1:1.5
PS2:
Na pomiarze GML025 jeden kanał opisany jest jako "inverted" - wynika to z mojego niedopatrzenia, zamieniłem przewody lutując je do PCB. Później zostało to poprawione.
Co ją wyróżnia? Można mierzyć coraz częściej występujące współcześnie wzmacniacze mostkowe jak również te w klasie D (także nierzadko pracujące jako mostkowe)
na obu kanałach jednocześnie bez obawy o zwarcie i problemy z łączeniem mas. Ponadto ma niewielkie wymiary i pasywne chłodzenie (aluminiowa obudowa), dzięki czemu nie zajmuje dużo miejsca.
Niniejsza przystawka zawiera w sobie:
- sztuczne obciążenie 4 / 8 ohm do wzmacniaczy mocy
- sztuczne obciążenie 32, 300, 600 ohm do wzmacniaczy słuchawkowych
- obsługa wmacniaczy (mocy i słuchawkowych) z wyjściem SE i mostkowych BTL
- filtr dolnoprzepustowy dedykowany do pomiaru wzmacniaczy mocy w klasie D
- wyjścia na oscyloskop (1:1 / 1:10)
- wyjścia audio do pomiaru zbalansowane i niezbalansowane (tłumienie 1:1.5, 1:5, 1:10)
- zabezpieczenie przed zbyt dużym napięciem na wyjściu audio do pomiaru
- zabezpieczenia przed napięciem stałym ze wzmacniacza
- pasywne chłodzenie bez wentylatorów
- moc znamionowa obciążenia dla wzmacniaczy mocy 50W/8ohm, 100W/4ohm
- możliwość dodatkowego chłodzenia wodą (hermetyczna dolna część obudowy) w wypadku konieczności krótkotrwałego przekroczenia mocy znamionowej obciążenia
W stosunku do większości publikowanych na elektrodzie czy youtube tego typu przyrządów ten posiada szereg usprawnień i unowocześnień co pozwala współpracować z wieloma współczesnymi konstrukcjami wzmacniaczy mocy. Znakomita większość takich konstrukcji uniemożliwia pomiar obu kanałów wzmacniaczy jednocześnie w topologii BTL. Dlaczego?
Albo mają połączone masy kanału lewego i prawego, a jeśli nawet nie mają to i tak ujemny zacisk do podłączenia obciążenia zwykle łączy się z masą wyjścia pomiarowego na oscyloskop. W praktyce oznacza to, że po podłączeniu obu kanałów do oscyloskopu przez jego masę ujemne wyjścia wzmacniacza galwanicznie się połączą. Grozi to uszkodzeniem lub co najmniej załączeniem zabezpieczeń badanego wzmacniacza. Niektórzy radzą sobie w ten sposób że łączą tylko jeden kanał wzmacniacza a oscyloskop (i ewentualnie komputer z interfejsem pomiarowym) odseparowują galwanicznie (w przypadku laptopa jest to proste) od zasilania wzmacniacza poprzez odłączenie od sieci bądź podłączenie do gniazda bez PE (jeśli masa wzmacniacza jest na potencjale PE). Jednak to tylko połowiczne rozwiązanie, ponadto uniemożliwia sprawdzenie każdego półmostka z osobna.
W mojej konstrukcji zarówno dla wejść wzmacniacza mocy jak i wzmacniacza słuchawkowego można przełącznikiem rodzaju wzmacniacza SE/BTL odłączyć ujemny zacisk wzmacniacza od masy. Wtedy każdy z zacisków kierowany jest na osobne wyjście pomiarowe oscyloskopu (dlatego wyjścia są cztery po dwa na każdy kanał badanego wzmacniacza).
Ponadto sygnał jest przesyłany na wyjścia zbalansowane dla karty dźwiękowej, jednak są także wyjścia niezbalansowane, gdzie w takim wypadku sygnał jest desymetryzowany w układzie na wzmacniaczu operacyjnym (o tym jak i całym pozostałym układzie dalej). Jest też oczywiście zacisk do masy, ponieważ jeśli chcemy zmierzyć taki półmostek musimy mieć odniesienie względem masy układu badanego wzmacniacza.
Teraz o samej konstrukcji:
Każde wyjście, czy to na oscyloskop czy audio ma skokowo regulowany poziom tłumienia. Dlaczego skokowo? Ponieważ potencjometr nie zapewnia idealnej dokładności
(zbieżność) i to zarówno między kanałami jak i między poziomami sygnału zbalansowanego z dwóch półmostków, co ma znaczenie dla procesu desymetryzacji sygnału.
Ponadto uniemożliwia wiarygodny pomiar mocy obu kanałów, bo nigdy nie wiadomo czy potencjometry są nierówno ustawione, czy jest różnica w poziomach między kanałami.
W przypadku wyjść oscyloskopu albo sygnał przechodzi 1:1 albo jest tłumiony 10 krotnie, jest to odwzorowany układ tłumika z typowej sondy oscyloskopowej 1:10.
Wyjścia audio mają do wyboru tłumienie 1:2, 1:10, 1:30. Tłumik składa się z metalizowanych, niskoszumnych rezystorów o tolerancji 1% dobieranych na etapie montażu.
Jest odcięcie składowej stałej - kondensator o napięciu 250V i pojemności tak dobranej by częstotliwość odcięcia była jak najniższa (-1Hz -3dB). Dlaczego w ogóle blokować DC?
Wzmacniacze mostkowe zasilane pojedynczo wystawiają na każdym półmostku połowę napięcia zasilania. O ile 99% oscyloskopów ma sprzężenie AC, o tyle mamy tu wyjście audio na interfejs pomiarowy w postaci karty dźwiękowej która nie wiadomo jak się zachowa przy dość sporej wartości napięcia DC bo nie znamy jej układu wejściowego,
do tego układ desymetryzujący który po dostaniu DC mógłby się "rozjechać". Możliwa jest też zwykła awaria podłączonego wzmacniacza, co w skrajnych przypadkach może prowadzić do pojawienia się pełnego napięcia zasilania końcówkę mocy, dodatniego lub ujemnego. Do tego, nawet mimo trybu AC w oscyloskopie producenci stosują tam różne pojemności, przez co niektóre oscyloskopy mają spadek np -3dB już przy 30Hz, co może zafałszować wynik pomiaru przy niskiej. I po ostatnie: na wyposażeniu mojej pracowni posiadam (wielu twierdzi że niezbyt wysokich lotów) oscyloskop na USB Hantek 6022BE. Nie jest moim jedynym, ale jest o tyle wygodny że ma małe wymiary i podłącza się go do komputera więc zajmuje mało miejsca. Wierzcie lub nie, ale nie ma on trybu AC (!)
Filtr dolnoprzepustowy dedykowany do wzmacniaczy klasy D:
W przypadku pomiaru takich wzmacniaczy do pomiaru musi zostać zastosowany filtr którego tłumienie zaczyna się nieco powyżej 20kHz.
Filtr taki jest stosowany w profesjonalnych pomiarach (do swoich przyrządów oferuje go choćby Audio Precision).
Oddajmy zatem głos Audio Precision (tekst tłumaczony translatorem):
Cytat:Proces przełączania dodaje szybko narastające zbocza przy częstotliwości przełączania (ponadakustycznej - dopowiedzenie Jaro89) do sygnału wyjściowego audio.
Te szybkie zbocza nie mają znaczenia dla typowego obciążenia (głośnika), ale stanowią trudny sygnał dla przyrządów pomiarowych.
Szybkie zbocza przełączania mają wysoką zawartość energii i wprowadzą ograniczenie szybkości narastania, gdy zostaną przedstawione stopniowi wejściowemu większości przyrządów pomiarowych.
Gdy zostaną obciążone tymi szybkimi zboczami, wzmacniacz wejściowy analizatora zwykle ograniczy szybkość narastania i nie będzie w stanie efektywnie działać w swoim normalnym trybie.
Automatyczne zakresowanie zostanie zakłócone, a sygnał poddawany testowi zostanie błędnie przedstawiony w następujących obwodach pomiarowych.
W rezultacie pomiary szumu i zniekształceń wzmacniaczy przełączających za pomocą niemal każdego analizatora bez wstępnego kondycjonowania dadzą niedokładne i nieprzewidywalne wyniki."
https://www.ap.com/analyzers-accessories/acce...amily-switching-amplifier-measurement-filters
i jescze Texas Instruments:
Cytat:
"Rodzina wzmacniaczy mocy audio klasy D (APA) firmy Texas Instrument (TPA2000D i TPA3000D)
wykorzystuje schemat modulacji, który nie zawsze wymaga filtra wyjściowego do działania, ale wymaga
pewnego rodzaju filtrowania dolnoprzepustowego podczas pomiaru mocy wyjściowej lub pomiaru THD+N.
Dzieje się tak, ponieważ sygnał przełączający 250 kHz jest postrzegany jako napięcie wspólne na wejściach
instrumentu pomiarowego audio. Zazwyczaj sprzęt do analizy audio ma niskie tłumienie
wspólnego trybu przy 250 kHz, ponieważ sprzęt jest zaprojektowany do pracy w paśmie audio. Chociaż większość
instrumentów do analizy audio ma wewnętrzne filtrowanie, nadal mają wzmacniacze wejściowe, które nie mogą
reagować na szybko narastające zbocza sygnału PWM. Celem filtra RC jest usunięcie 250-kHz
składowej przełączającej z wyjścia PWM wzmacniacza klasy D."
https://www.ti.com/lit/an/sloa107/sloa107.pdf
Pod powyższym linkiem znajdziecie też schemat filtra który TI zaleca, ja w swoim urządzeniu właśnie tak go wykonałem.
Na potwierdzenie tych teorii, wrzucam dwa przebiegi sinusoidalne ze wzmacniacza klasy D na TPA3116, przebiegi z wyjścia jednego z półmostków. Ten "grubszy" to przebieg bez filtra, ten "cieńszy" - z filtrem.
Układ desymetryzujący: jeśli chcemy mierzyć wzmacniacz mostkowy i nie dysponujemy kartą dźwiękową z wejściem symetrycznym, to układ ten tworzy nam
sygnał niesymetryczny i możemy skorzystać z jego wyjścia. Zbudowany jest na dwóch pojedynczych (po jednym na kanał w celu zapewnienia małego przesłuchu międzykanałowego) wzmacniaczach operacyjnych NE5534. Oczywiście można użyć lepszych, jednak stosunek parametry/cena był tu istotny
Układ ten praktycznie nie pogarsza parametrów całego toru. Dla porównania pomiar toru karty dźwiękowej której używam (ASUS Xonar DX) i pomiar toru ze wzmacniaczem operacyjnym:
Obciążenia, przełączanie, tryb SE/BTL:
Obciążeniem są w sumie 4 rezystory o oporności 8ohm i mocy 50W, po dwa na kanał z możliwością równoległego łączenia dla uzyskania 4ohm.
Rezystory przykręcone są do spodu aluminiowej obudowy. Zastosowałem pastę termoprzewodzącą, miejsce przełożenia śrub przez otwory w dnie obudowy
jest uszczelnione silikonem. Dzięki temu dół obudowy jest szczelny i można w pewnym stopniu zanurzyć go w wodzie dla dodatkowego chłodzenia jeśli
istnieje obawa że moc rezystorów zostanie przekroczona.
Zmiana trybu SE/BTL sprowadza się do tego, że ujemny zacisk wejściowy dla wzmacniacza (tak samo jest w sekcji słuchawkowej) podłączany jest
do masy lub nie jest w trybie BTL. Wtedy cały tor od wejście do wyjść pomiarowych jest symetryczny. Niemniej żeby mieć odniesienie względem masy urządzenia,
jest osobny zacisk do takiego podłączenia.
W przypadku toru słuchawkowego jest bardzo podobnie, jedyna różnica to rodzaj obciążenia - 8 rezystorów 150R/1W, jak to jest podłączone widać na schemacie.
Dostępne rezystancje dla toru słuchawek: 32, 300 i 600 ohm.
PCB, części itp:
płytka zaprojektowana w KiCAD, wykonana w JLCPCB
części: większość z TME (łącznie z obudową), pozostała drobnica jak niektóre złącza, przewody - alledrogo.
zastosowana obudowa: Gainta G-0247
Otworowanie we własnym zakresie, opisy folia przezroczysta samoprzylepna.
Koszt całości - ok 500zł (sama obudowa kosztowała 80...).
Zdjęcia z tworzenia konstrukcji:
Przykładowe pomiary:
Przebieg na wyjściu mostkowym wzmacniacza klasy D - przebiegi z pojedynczych półmostków i różnica tych przebiegów:
Zdjęcie z pomiaru tego wzmacniacza:
Pomiar wzmacniacza klasy D TPA3116 - obciążenie 8ohm, moc 1W:
J.w., moc 3W:
Pomiar wzmacniacza na układzie hybrydowym GML025 (moje DIY), moc 3W, obciążenie 8R:
Pomiar wzmacniacza słuchawkowego (moje DIY), obciążenie 300 ohm, moc 100mW:
Wzmacniacz j.w.,moc 80mW, obciążenie 600ohm:
Schemat układu:
PS1:
najniższy stopień tłumienia na wyjścia pomiarowego wynosił pierwotnie 1:2, w czasie prób korzystniejszy okazał się 1:1.5
PS2:
Na pomiarze GML025 jeden kanał opisany jest jako "inverted" - wynika to z mojego niedopatrzenia, zamieniłem przewody lutując je do PCB. Później zostało to poprawione.
Fajne? Ranking DIY