Cyfrowe wzmacniacze S-Master Sony
Koncern Sony w całej gamie amplitunerów / kin domowych stosuje cyfrowe wzmacniacze dużej mocy klasy D nazwane firmowo jako S-Master.
Konstrukcja samego wzmaciacza jest bardzo prosta.
Sygnał PCM z procesora DSP efektów dzwiekowych zostaje podany do dwukanałowego konwertera PCM na PWM typu CXD9788 (S-Master Processor). Siedmiokanałowy amplituner ma 4 takie układy. Przebieg PWM steruje bufor mocy (inwerter) typu CXD9883. Jeden bufor to jeden pełny mostek mocy i jeden kanał. Dalej sygnał mocy PWM filtrowany jest symetrycznym filtrem LC (10uH plus 1 uF) i podany do głosników. Małe kondensatorki SMD w filtrze wyjsciowym i odcinki sciezek na plycie drukowanej to filtr skutecznie zatrzymujący zakłocenia w pasmie radiowym. Projektowanie takich filtrow jest niebywale trudne. Sygnał na wyjsciach głośnikowych nie zawiera praktycznie zadnych zakłoceń radiowych i praca radia w amplitunerza przebiega bez problemów.
Dlaczego konwersje PCM na PWM oraz wytworzenie przebiegu PWM dokonuje sie w wyspecjalizowanych ukladach DSP a nie w głownym procesorze sygnałowym który jest przecież w każdym amplitunerze.
Na konwereter PCM na PWM składa się:
- jedno lub dwustopniowy filtr interpolacyjny typu FIR (Finite Impulse Response) podnoszacy czestotliwosc próbek sygnału PCM az do częstotliwości PWM (w Sonym 384 khz)
- algorytmu / układu modulacji pseudo natural PWM
- układu Sigma Delta 2 lub 3 rzedu do zmniejszebnia dlugości słowa do 6-8 bitów czyli o rozdzielczości liczników PWM i usuniecia szumów
- układu liczników wytwarzajacych sygnał PWM
Zadania te moze wykonac każdy współczesny procesor DSP ale.... procesor o średniej mocy obliczeniowej moze obsłużyc zaledwie 2-5 kanałów nie robiąc przy tym nic innego Stosowanie extra conajmniej dwóch procesórów DSP straszliwie podniołoby cene i komplikację amplitunerów.
Dlatego produkuje sie "proste" i tanie wyspecjalizowane "procesory" DSP do konwersji PCM-PWM. W sumie jest to dosc elastyczny układ filtru który wykonuje filtracje FIR oraz algorytm Sigma Delta. Ten "procesor" DSP nie ma zadnej pamieci programu. Jego hardware to niejako zaszyty program. Ma on tylko pamiec przetwarzanego sygnału oraz bardzo szybki układ mnożacy z akumulatorem.
Stosowany jest algorytm PWM podtypu BD. Nie bedę sie rozwodził na tą żłożoną sprawą. Najwazniejsze jest to ze sygnał PWM musi być podany do symetrycznego bufora mocy i filtru LC. Sam sygnał sprzed bufora mocy mozna przez opornik (pare kohm) podac na czułe słuchwaki i usłyszeć sygnał ! W ten spoósb mozna sprawdzić czy uszkodzony jest bufor mocy.
Sony stosuje także bardzo podobny procesor S-Master firmy Renesas typu M65818 , dokumentacja dostępna na stronie www.renesas.com. Gigantyczny Renesas to połączone koncerny Mitsubishi i Hitachi.
Jako bufor mocy / inwerter stosowany jest takze przez Sony układ SLA5506 firmy Allegro / Sanken Electric. Allegro robi znakomite uklady mocy (głównie do sterowania silników) i spotykany jest w wielu innym wzmacniaczach cyfrowych.
Bufory mocy sa kompletnymi inwerterami. Zawieraja wiec klucze mocy Mosfet tworzace kompletny mostek dla każdego kanału, ich drivery, układy bootstrap, zabezpiecznie nadpradowe i temperaturowe.
Wykonane w technologi CMOS-DMOS bufory maja z reguły maksymalne napiecie zaledwie 40-45-50 V. Napiecie zasilania musi być jeszcze mniejsze z uwagi na obecne przepiecia. Jak przystało na układy w technologi CMOS bufor jest umieszczony w płaskiej obudowie SMD majacej az 36 nóżek. GND, zasilania i wyjscia mają wiele równoległych nózek. Obudowa ma jednak konstrukcje przydatna do rozpraszania - odprowadzania duzej mocy strat.
Zastosowanie do produkcji buforów mocy typowej technologii produkcji wielkomasowej oraz nieomal typowych obudów SMD powoduje ze jest wyrób stosunkowo tani.
Przykładowy amplituner Sony jest przewidziany do pracy z głosnikami o impedancji 3 OHM. Przy sztywnym napieciu zasilania 32 Volt oddaje aż 140 watów na każdy kanał. Jeden z amplitunerów Sony ma 7 x170 W na kanał - jest to obecnie kres możliwosci wymienionych buforów mocy ale.... już w produkcji są bufory o mocy 300 Watt a zapowiadane są 500 Watt. Istne szaleństwo.
Cyfrowy wzmacniacz mocy jest urzadzeniem High Technology. Nawet bufor mocy jest wykonany w typowej technologi CMOS - SMD.
Cyfrowy wzmacniacz ma zerowe tłumienie zakłóceń pochodzacyh z napiecia zasilania. Kazdy cyfrowy wzmacniacz ma dokladnie stabilizowane i bardzo sztywne napiecia zasilajace. Wzmacniacz zawsze pracuje w układzie mostkowym i ma tylko jedno napiecie zasilajace.
Sony w głównej przetwornicy Flyback stosuje układ mocy STR-F6168 LF1362 firmy Sanken Electric. Główna przetwornica wytwarza tylko jedno napiecie 32 V (w amplitunerze 7 x 170 W jest to 38 V).
Pomocnicza przetwornica (również Flyback) małej mocy dostarcza napiecie w modzie standby a w czasie pracy zasila wszystkie układy sygnałowe DSP , oraz ewentualnie napęd DVD i tuner.
Napiecie 32 V do wzmacniacza jest probkowane na wyjscie przetwornicy a sygnał błedu podany do układu mocy transoptorem. Stabilizacja jest wysmienita, obserwowane dokładnym miernikiem napiecie 32V ani drgnie, nawet jesli amplituner dosłownie huczy.
Moc przetwornicy nalezy ocenić na niepełne 400 wat.
W modzie Stereo wzmacniacz oddaje na dwa rezystory 3 ohm po 140 W na kanał. Nie ma zadnych kłamstw i przesady w materiałach reklamowych Sony. Nie udało mi sie znależść materiału muzycznego ani filmowego który by załamał zasilacz w trakcie pracy surround nawet przy przesterowaniu. Napiecie przetwornicy ani drgnie. Próby mocy amplitunera 7x140 W zakonczyła interencja cierpliwego sąsiada.
Jeszcze dziesieć , pietnaście lat temu za górny pułap mocy przetwornic typu Flyback uwazano 100-150 W czyli telewizor 28-29 cali w technologii 50Hz z porządnym dzwiekiem Stereo. Odbiorniki 100 Hz mają większy pobór mocy. Sony w 100Hz odbiornikach serii 29 FX zastosował złożoną rezonansową przetwornice przeciwsobną w techologii LLC o potencjalnie duzej mocy ale... potem wrócił do układów Flyback. Coraz potezniejsze Mosfety podniosły próg przetwornic Flyback az do obecnych 400 watów. Na schemacie podano pojemność kondensatora elektrolitycznego prostownika sieciowego na 330uF / 450V ale w badanym amplitunerze zastosowano 470uF / 400V. Biorac pod uwagę moc przetwornicy kondensator nie jest duzy. Przy mocnym obciązeniu tetnienia napiecia 300V sa wielkie ale z drugiej strony "mała" pojemnosc pozwala podnieśc odrobinę wspólczynik mocy przy duzych mocach pobieranych z sieci. Zaletą przetwornic Flyack jest to ze ich moc i sprawnosc niewiele spada przy mniejszym chwilowym napieciu zasilajacym co umozliwia stosowanie wzglednie małego kondenstaora elektrolitycznego. Wielki kondensator elektrolityczny sprawiałby takze problemy z właczeniem urządzania do sieci 230VAC.
Transformator mocy musi mieć bardzo mała indukcyjnosć rozproszenia. Uzwojenia pierwotne i wtórne są dzielone jak pokazano na schemacie Minimalizacja indukcyjnosci rozproszenia wyklucza obecnosc dodatkowych uzwojen i dlatego pozostałe napiecia pochodzą z mniejszej przetwornicy.
Warto zwrócić uwagę na istotny szczegół - kondensator filtru Y jest dołączony do goracej koncówki uzwojenia wtórnego a nie tak jak zawsze do GND. Uzyskano w ten sposób aktywną kompensację składowej wspólnej napieca zakłócającego tak jak to robi sie w wyrafinowanych falownikach.
Schemat zasilacza na pierwszy rzut oka nie zawiera niczego nowego. Jednak jeśli dokładnie sie mu przyjrzec to takich róznych "dziwactw" jest całkiem sporo.
Zasilacz mimo duzej mocy nie zawiera układu Power Factor Corection do poprawy wspólczynnika mocy pobieranej z sieci 230VAC.
Warto dokładniej przyjrzeć sie tej sprawie. Stosowanie układu PFC byłoby społeczno- ekonomicznym nonsensem i marnotrawstwem. Słuchacz bowiem tylko sporadycznie korzysta z wielkiej mocy - sa granice wytrzymałosci jego uszu, domowników, sąsiadów i samych głośników. Układ PFC byłby potrzebny tylko przez mniej niż 0.01-1% czasu uzytkowania. Za to przez 100% czasu użytkowania układ PFC pobierałby dodatkową moc (ca 1-10 watt) czyli obnizał sprawnosc zasilacza i wydzielał klopotliwe ciepło. Czysty absurd nie biorac pod uwage zwiększonej ceny amplitunera z PFC oraz zmarnowanego materiału do jego budowy.
Sprawnosc poteżnych cyfrowych wzmacniaczy amplitunera jest naprawde wysoka. Pobór mocy nawet przy glośnym graniu jest mały.
Technologia wzmacniaczy mocy klasy D warta jest popularyzacji i omówienia. Szkoda ze Service Manuale ze schematami szczególowymi i blokowymi jest tylko w formie papierowej. Zreszta nawet te w formie papierowej nie sa bynajmniej łatwo dostępne. To wpisuje się w absurdalną - obsesyjną politykę utrudniania dostępu do dokumentacji wszelkich urzadzeń energoelektronicznych.
Królująca na rynku technologia wzmacniaczy klasy D jest objęta nieomal tajemnica technologiczna. Sa to tematy które wypłyną szeroko dopiero za jakis czas.
Koncentracja mocy w małych obudowach jest potęzna. Reguła jest stosowanie załączanych przy duzej mocy cichobieżnych wentylatorków. Obecnie tylko światowe koncerny technologiczne przełamały potężne przeszkody i opanowały technologie cyfrowych wzmacniaczy audio duzej mocy. Jakość jest cały czas podnoszona. Wydaje się ze technologia już przeskoczyła wyobraznie i wymagania rynku. Czy potrzebne są na rynku amplitunery 7 x 300 Wat albo 7 x 500 Watt.
Koncern Sony w całej gamie amplitunerów / kin domowych stosuje cyfrowe wzmacniacze dużej mocy klasy D nazwane firmowo jako S-Master.
Konstrukcja samego wzmaciacza jest bardzo prosta.
Sygnał PCM z procesora DSP efektów dzwiekowych zostaje podany do dwukanałowego konwertera PCM na PWM typu CXD9788 (S-Master Processor). Siedmiokanałowy amplituner ma 4 takie układy. Przebieg PWM steruje bufor mocy (inwerter) typu CXD9883. Jeden bufor to jeden pełny mostek mocy i jeden kanał. Dalej sygnał mocy PWM filtrowany jest symetrycznym filtrem LC (10uH plus 1 uF) i podany do głosników. Małe kondensatorki SMD w filtrze wyjsciowym i odcinki sciezek na plycie drukowanej to filtr skutecznie zatrzymujący zakłocenia w pasmie radiowym. Projektowanie takich filtrow jest niebywale trudne. Sygnał na wyjsciach głośnikowych nie zawiera praktycznie zadnych zakłoceń radiowych i praca radia w amplitunerza przebiega bez problemów.
Dlaczego konwersje PCM na PWM oraz wytworzenie przebiegu PWM dokonuje sie w wyspecjalizowanych ukladach DSP a nie w głownym procesorze sygnałowym który jest przecież w każdym amplitunerze.
Na konwereter PCM na PWM składa się:
- jedno lub dwustopniowy filtr interpolacyjny typu FIR (Finite Impulse Response) podnoszacy czestotliwosc próbek sygnału PCM az do częstotliwości PWM (w Sonym 384 khz)
- algorytmu / układu modulacji pseudo natural PWM
- układu Sigma Delta 2 lub 3 rzedu do zmniejszebnia dlugości słowa do 6-8 bitów czyli o rozdzielczości liczników PWM i usuniecia szumów
- układu liczników wytwarzajacych sygnał PWM
Zadania te moze wykonac każdy współczesny procesor DSP ale.... procesor o średniej mocy obliczeniowej moze obsłużyc zaledwie 2-5 kanałów nie robiąc przy tym nic innego Stosowanie extra conajmniej dwóch procesórów DSP straszliwie podniołoby cene i komplikację amplitunerów.
Dlatego produkuje sie "proste" i tanie wyspecjalizowane "procesory" DSP do konwersji PCM-PWM. W sumie jest to dosc elastyczny układ filtru który wykonuje filtracje FIR oraz algorytm Sigma Delta. Ten "procesor" DSP nie ma zadnej pamieci programu. Jego hardware to niejako zaszyty program. Ma on tylko pamiec przetwarzanego sygnału oraz bardzo szybki układ mnożacy z akumulatorem.
Stosowany jest algorytm PWM podtypu BD. Nie bedę sie rozwodził na tą żłożoną sprawą. Najwazniejsze jest to ze sygnał PWM musi być podany do symetrycznego bufora mocy i filtru LC. Sam sygnał sprzed bufora mocy mozna przez opornik (pare kohm) podac na czułe słuchwaki i usłyszeć sygnał ! W ten spoósb mozna sprawdzić czy uszkodzony jest bufor mocy.
Sony stosuje także bardzo podobny procesor S-Master firmy Renesas typu M65818 , dokumentacja dostępna na stronie www.renesas.com. Gigantyczny Renesas to połączone koncerny Mitsubishi i Hitachi.
Jako bufor mocy / inwerter stosowany jest takze przez Sony układ SLA5506 firmy Allegro / Sanken Electric. Allegro robi znakomite uklady mocy (głównie do sterowania silników) i spotykany jest w wielu innym wzmacniaczach cyfrowych.
Bufory mocy sa kompletnymi inwerterami. Zawieraja wiec klucze mocy Mosfet tworzace kompletny mostek dla każdego kanału, ich drivery, układy bootstrap, zabezpiecznie nadpradowe i temperaturowe.
Wykonane w technologi CMOS-DMOS bufory maja z reguły maksymalne napiecie zaledwie 40-45-50 V. Napiecie zasilania musi być jeszcze mniejsze z uwagi na obecne przepiecia. Jak przystało na układy w technologi CMOS bufor jest umieszczony w płaskiej obudowie SMD majacej az 36 nóżek. GND, zasilania i wyjscia mają wiele równoległych nózek. Obudowa ma jednak konstrukcje przydatna do rozpraszania - odprowadzania duzej mocy strat.
Zastosowanie do produkcji buforów mocy typowej technologii produkcji wielkomasowej oraz nieomal typowych obudów SMD powoduje ze jest wyrób stosunkowo tani.
Przykładowy amplituner Sony jest przewidziany do pracy z głosnikami o impedancji 3 OHM. Przy sztywnym napieciu zasilania 32 Volt oddaje aż 140 watów na każdy kanał. Jeden z amplitunerów Sony ma 7 x170 W na kanał - jest to obecnie kres możliwosci wymienionych buforów mocy ale.... już w produkcji są bufory o mocy 300 Watt a zapowiadane są 500 Watt. Istne szaleństwo.
Cyfrowy wzmacniacz mocy jest urzadzeniem High Technology. Nawet bufor mocy jest wykonany w typowej technologi CMOS - SMD.
Cyfrowy wzmacniacz ma zerowe tłumienie zakłóceń pochodzacyh z napiecia zasilania. Kazdy cyfrowy wzmacniacz ma dokladnie stabilizowane i bardzo sztywne napiecia zasilajace. Wzmacniacz zawsze pracuje w układzie mostkowym i ma tylko jedno napiecie zasilajace.
Sony w głównej przetwornicy Flyback stosuje układ mocy STR-F6168 LF1362 firmy Sanken Electric. Główna przetwornica wytwarza tylko jedno napiecie 32 V (w amplitunerze 7 x 170 W jest to 38 V).
Pomocnicza przetwornica (również Flyback) małej mocy dostarcza napiecie w modzie standby a w czasie pracy zasila wszystkie układy sygnałowe DSP , oraz ewentualnie napęd DVD i tuner.
Napiecie 32 V do wzmacniacza jest probkowane na wyjscie przetwornicy a sygnał błedu podany do układu mocy transoptorem. Stabilizacja jest wysmienita, obserwowane dokładnym miernikiem napiecie 32V ani drgnie, nawet jesli amplituner dosłownie huczy.
Moc przetwornicy nalezy ocenić na niepełne 400 wat.
W modzie Stereo wzmacniacz oddaje na dwa rezystory 3 ohm po 140 W na kanał. Nie ma zadnych kłamstw i przesady w materiałach reklamowych Sony. Nie udało mi sie znależść materiału muzycznego ani filmowego który by załamał zasilacz w trakcie pracy surround nawet przy przesterowaniu. Napiecie przetwornicy ani drgnie. Próby mocy amplitunera 7x140 W zakonczyła interencja cierpliwego sąsiada.
Jeszcze dziesieć , pietnaście lat temu za górny pułap mocy przetwornic typu Flyback uwazano 100-150 W czyli telewizor 28-29 cali w technologii 50Hz z porządnym dzwiekiem Stereo. Odbiorniki 100 Hz mają większy pobór mocy. Sony w 100Hz odbiornikach serii 29 FX zastosował złożoną rezonansową przetwornice przeciwsobną w techologii LLC o potencjalnie duzej mocy ale... potem wrócił do układów Flyback. Coraz potezniejsze Mosfety podniosły próg przetwornic Flyback az do obecnych 400 watów. Na schemacie podano pojemność kondensatora elektrolitycznego prostownika sieciowego na 330uF / 450V ale w badanym amplitunerze zastosowano 470uF / 400V. Biorac pod uwagę moc przetwornicy kondensator nie jest duzy. Przy mocnym obciązeniu tetnienia napiecia 300V sa wielkie ale z drugiej strony "mała" pojemnosc pozwala podnieśc odrobinę wspólczynik mocy przy duzych mocach pobieranych z sieci. Zaletą przetwornic Flyack jest to ze ich moc i sprawnosc niewiele spada przy mniejszym chwilowym napieciu zasilajacym co umozliwia stosowanie wzglednie małego kondenstaora elektrolitycznego. Wielki kondensator elektrolityczny sprawiałby takze problemy z właczeniem urządzania do sieci 230VAC.
Transformator mocy musi mieć bardzo mała indukcyjnosć rozproszenia. Uzwojenia pierwotne i wtórne są dzielone jak pokazano na schemacie Minimalizacja indukcyjnosci rozproszenia wyklucza obecnosc dodatkowych uzwojen i dlatego pozostałe napiecia pochodzą z mniejszej przetwornicy.
Warto zwrócić uwagę na istotny szczegół - kondensator filtru Y jest dołączony do goracej koncówki uzwojenia wtórnego a nie tak jak zawsze do GND. Uzyskano w ten sposób aktywną kompensację składowej wspólnej napieca zakłócającego tak jak to robi sie w wyrafinowanych falownikach.
Schemat zasilacza na pierwszy rzut oka nie zawiera niczego nowego. Jednak jeśli dokładnie sie mu przyjrzec to takich róznych "dziwactw" jest całkiem sporo.
Zasilacz mimo duzej mocy nie zawiera układu Power Factor Corection do poprawy wspólczynnika mocy pobieranej z sieci 230VAC.
Warto dokładniej przyjrzeć sie tej sprawie. Stosowanie układu PFC byłoby społeczno- ekonomicznym nonsensem i marnotrawstwem. Słuchacz bowiem tylko sporadycznie korzysta z wielkiej mocy - sa granice wytrzymałosci jego uszu, domowników, sąsiadów i samych głośników. Układ PFC byłby potrzebny tylko przez mniej niż 0.01-1% czasu uzytkowania. Za to przez 100% czasu użytkowania układ PFC pobierałby dodatkową moc (ca 1-10 watt) czyli obnizał sprawnosc zasilacza i wydzielał klopotliwe ciepło. Czysty absurd nie biorac pod uwage zwiększonej ceny amplitunera z PFC oraz zmarnowanego materiału do jego budowy.
Sprawnosc poteżnych cyfrowych wzmacniaczy amplitunera jest naprawde wysoka. Pobór mocy nawet przy glośnym graniu jest mały.
Technologia wzmacniaczy mocy klasy D warta jest popularyzacji i omówienia. Szkoda ze Service Manuale ze schematami szczególowymi i blokowymi jest tylko w formie papierowej. Zreszta nawet te w formie papierowej nie sa bynajmniej łatwo dostępne. To wpisuje się w absurdalną - obsesyjną politykę utrudniania dostępu do dokumentacji wszelkich urzadzeń energoelektronicznych.
Królująca na rynku technologia wzmacniaczy klasy D jest objęta nieomal tajemnica technologiczna. Sa to tematy które wypłyną szeroko dopiero za jakis czas.
Koncentracja mocy w małych obudowach jest potęzna. Reguła jest stosowanie załączanych przy duzej mocy cichobieżnych wentylatorków. Obecnie tylko światowe koncerny technologiczne przełamały potężne przeszkody i opanowały technologie cyfrowych wzmacniaczy audio duzej mocy. Jakość jest cały czas podnoszona. Wydaje się ze technologia już przeskoczyła wyobraznie i wymagania rynku. Czy potrzebne są na rynku amplitunery 7 x 300 Wat albo 7 x 500 Watt.
