Projektvorstellung: TDA7293 + Schaltnetzteil

Ich habe jetzt die ersten Tests mit Hochlastwiderständen und Sinustönen vorgenommen und habe die Ausgangsspannung kurz vor aufflackern der Clipping LED gemessen. Dabei habe ich (in Kräften der Messgenauigkeit meines einfachen Multimeters, Oszimessungen kommen noch) feststellen müssen, dass die Ausgangsleistung zu sehr tiefen Tönen hin einbricht. Das sind bei 250Hz noch wenige Watt, bei 30Hz halbiert sie sich schon.

Dabei habe ich auch die Railspannungen überwacht. Die geregelte positive Railspannung bricht dabei sogut wie garnicht ein bzw. erwartungsgemäß um wenige 100mV direkt am TDA7293. Der ungeregelte negative Anteil hingegen bricht verhältnismäßig stark ein, was der Grund des Clippings ist.

Grund hierfür dürfte sein, dass der Schaltregler nur bestrebt ist, die geregelte Spannung konstant zu halten. Steht die unter Last, muss das Tastverhältnis angehoben werden. Das geschieht aber nicht unter Belastung der ungeregelten Spannung. Desto tiefer nun die Frequenz ist, desto länger liegt die Belastung auf nur einer der beiden Ausgangsspannungen. Der TL494 reagiert dafür einfach zu schnell.

Es gilt nun einen Patch zu finden, der dieses Manko beseitigt. Prinzipiell sollte es möglich sein, die Regelgeschwindigkeit des TL494 herabzusetzen. Eine andere Möglichkeit, die mir im Kopf schwebt, ist es, beide Spannungen zu überwachen. Dazu muss ich eine Schaltung finden, die mir stets den kleineren Betrag der beiden Spannungen gegen Masse liefert.

Ich freue mich über jegliche Ideen.

Grüße,
Markus

Servus!

Die Idee sowie den Ansatz finde ich gut, nur beim Netzteil besteht das Problem, dass es nur bei Sperrwandlern möglich ist mehrere Ausgangsspannungen Stabil zu halten (was aber bei U_IN=12V nicht viel Sinn macht). Beim Gegentakt-Durchflußwandler funktioniert das nicht. Man kann immer nur eine Ausgangsspannung stabilisieren. Das ist einfach so und nicht zu ändern. Das habe ich schon vergeblich versucht. Das ist aber auch an vielen Stellen in der Literatur und auch im Netz nachzulesen...

Es passiert folgendes: Der TL494 regelt immer nur deine positive RAIL aus, weil er an diese für den SOLL/IST Vergleich angeschlossen ist. Bei Belastung der + Rail werden die vom TL ausgegebenen Pulse breiter (PWM eben). Dadurch wird mehr Energie in den Kern "geladen" und so die Spannung stabil gehalten. Die - Rail allerdings hat keinen Boden unter den Füsen und bricht bei Belastung bis annähernd null Volt ein. Im Umkehrschluß allerdings, also bei Belastung der + Rail und keiner oder nur geringer Belastung der - Rail wird deren Spannung immer höher! Das kann durchaus auch mal das doppelte des gewünschten sein!

In deinem Fall ist das Zusammenbrechen der Ausgangsleistung (Zusammenbruch der - Rail) bei niedrigen Frequenzen so zu erklären: bei höheren Frequenzen sind die Belastungen der Kondensatoren (Puffer-Elkos) gering (von der Zeit her gesehen wo diese alleine den Strom aufbringen müssen) und werden immer sofort nachgeladen obwohl sie kaum etwas abgegeben haben. Mit einem Oszi an beiden Rails würdest du sehen, dass die + Rail relativ stabil ist im Vergleich zu der - Rail, es allgemein aber in akzeptablen Grenzen liegt. Bei niegrider Ausgangsfrequenz ist es so, dass die Positive Rail ständig nachgeladen wird während diese durch die positive Sinuswelle belastet wird (während der Zeit wird deine - Rail sogar über den gewünschten / gewickelten Spannungswert steigen, weil diese ja auch Energie vom Trafo bekommt). Wenn aber jetzt die negative Sinushalbwelle kommt und deine negative Rail belastet, wird das vom TL nicht registriert. Wie auch? Es sind in dem Moment nur ganz kurze Pulse da die dafür sorgen, dass die + Rail stabil bleibt. Das reicht aber bei weitem nicht aus um die - Rail einigermaßen zu halten. Deshalb bricht sobald deine Pufferelkos auf der - Rail leer sind die Spannung sehr stark ein bis auf nahezu 0 Volt!

Wenn du jetzt den Regelkreis so verlangsamst, dass bei 30Hz das noch sauber funktioniert, hast du in dem Moment wo die Belastung relativ schnell weg fällt auf den beiden Rails, also sprich bei normaler Musik ständig und bei reinen Sinuns Tönen nur durch das lauter oder leiser machen, den Effekt, dass deine Regelung "hinterherhinkt" und dein Trafo in die Sättigung kommt, weil der TL immernoch breite Pulse generiert. Im 1. Moment werden deine Rail Spannungen deutlich ansteigen und im 2. Moment zerlegt es die Netzteil MOSFET's. Wenn der Trafo in Sättigung gerät, nimmt er unendlich viel Strom auf. Ich hoffe ich habe das einigermaßen verständlich zu "Papier gebracht"

Es gibt aber diverse Möglichkeiten das Problem zu umgehen:

1. Zwei gleiche Netzteile aufbauen und verwenden mit jeweils einer Ausgangsspannung, diese dann in Reihe schalten und so beide Rails generieren. Rückführung der dann negativen Rail müßte entweder geschickt über ein kleines Widerstandsnetzwerk im bezug auf die Referenzspannung des TL erfolgen, oder - idealerweise - mit Optokopplern von Sekundär zu Primär zurückführen. Beide Netzteile könnten dann indentisch aufgebaut werden und man hätte noch den Vorteil eine galvanische Trennung zu haben, was für eventuelle Störungen oder Masseströme zwischen Primär und Sekundär die Lösung wäre.

Der Nachteil ist, dass diese Lösung wohl die Aufwendigste ist, dafür aber auch die Komfortabelste und Leistungsstärkste.

2. Die Sekundärseite komplett nach dem "ungrouded" Prinzip aufbauen. Das sieht so aus, dass der Trafo nur ein Wicklung hat. Diese hat die doppelte Windungszahl von einer Wicklung auf deinem momentan bestehenden Trafo. Kurz: Wicklungsanfang und -ende deiner jetzt bestehenden Trafokonfiguration ohne den Mittelabgriff zu verwenden. Danach Brückngleichrichter (auch schon vorhanden) und zwei Pufferelkos in Reihe schalten und an den - und + des Gleichrichters anschließen (Achtung: jeder Elko muss die gesamte maximale Spannung aushalten können). Es können auch mehrere dieser "Paare" angeschlossen werden. Stabilisiert wird jetzt die gesamte Ausgangsspannung über Optokoppler. Wenn Deine Signalquelle 100%ig potentialfrei ist (z.B. Batteriebetriebener MP3-Player oder so) dann kannst du auch den Minuspol sekundär und primär verbinden und die Stabi wieder einfach mit Widerständen lösen. Durch die Reihenschaltung der Pufferelkos ist sozusagen eine virtuelle Masse entstanden, die bei Belastung mit Wechselspannung auch in der Mitte zwischen plus und minus bleibt.

Vorteile:
Stabilisierung möglich,
Kein DC-Offset am Ausgang, da die Elkos "nachwandern",
Keine elektronik zur DC-Erkennung am Ausgang notwendig, weil durch die Elkos der Schutz bereits gewährleistet ist,
Trafo mit nur einer Sek.-Windung erforderlich.

Nachteile:
Stabilisierung sollte über Optokoppler erfolgen, da sonst die Sekudäre virtuelle Masse etwa dem Betrag einer Rail-Spannung entspricht - Masse ist nicht gleich Minus,
höhere Belastung der Elkos,
Größere Elko-Kapazität erforderlich,
Reine Gleichstrombelastung nicht möglich - also nur für Audio oder HF geeignet.


3. Keine Stabilisierung verwenden. Der TL wird im offenen Regelkreis betrieben. D.h. im Prinzip wird "nur" die Rückführung der Sekudärspannung zum TL unterbrochen. Dieser geht dann auf's maximale Tastverhältnis (etwa 90%) und beides Rails haben somit immer die gleiche Energie zur Verfügung. Deine Railspannungen stiegen dann aber um einiges an. Also evtl. wieder etwas abwickeln, oder den Rest daran anpassen.

Vorteil:
sehr einfach zu realisieren,
mehr Impuls-Ausgangsleistung des Amp da höhere Railspannung

Nachteil:
keine Stabilisierung,
Trafo darf nicht in Sättigung geraten - Frequenz oder Kernmaterial anpassen falls notwendig,
höhere Elko-Kapazitäten erforderlich.


Ich bin jetzt schon gespannt für was du dich entscheidest?
Mich würde der werdegang deines Proektes sehr Interessieren! Also immer schön Posten!


Gruß

Flo

Hallo.

Danke erstmal für die umfangreiche Antwort und die Vorschläge!

Genauso hab ich mir das auch vorgestellt mit der Regelung. Ich habe letzte Woche folgende Versuche unternommen (hatte leider in letzter Zeit nicht soviel Zeit):

Versuch 1: Über exakt eingestellte Spannungsteiler, zwei Referenzspannungen, jeweils einen OPA und zwei Dioden eine Art "sobald eine der beiden Spannungen unter eine Schwelle fällt, regle voll auf, ansonsten mach garnix" Verhalten realisiert. Die Betriebsspannung war dadurch deutlich stabiler. Allerdings machte das Netzteil nun unangenehme Klackgeräuche vom harten Ein- und Ausschalten.

Versuch 2: Positive Betriebsspannung wie gehabt über einen Spannungsteiler auf Referenzspannung geteilt. Bei der negative Betriebsspannung das gleiche jedoch mit Pegelwandlung über einen Optokoppler. Das ganze mit zwei Dioden so beschalten, dass die kleinere Spannung "gewinnt". Damit war wieder eine fließende PWM Steuerung möglich. Die Spannung war auch halbwegs stabil, wenn auch etwas unsymmetrisch (um 0.5V). Bei sofort einsetzender Vollast hat der TDA aber für einen kurzen Moment Clipping vermeldet. Die Spannung brach also kurzzeitig ein.

Versuch 3: (und gleichzeitig der Gewinner) Zwei Z-Dioden mit einer Gesamtdurchbruchspannung von 49V über einen Optokoppler (+R) zwischen positiver und negativer Betriebsspannung geschalten. Über den Ausgang entsprechend den TL494 angesteuert. Eigentlich ganz simpel. Ergebnis sind (zumindest nach meinem recht langsamen Multimeter) ABSOLUT stabile und symmetrische +-25V. Es lassen sich keine Abweichungen >100mV messen, auch nicht in der Symmetrie, trotz dass ich den Widerstand der Last auf 3.6Ohm deutlich reduziert habe. Oszimessungen stehen zwar noch aus, allerdings ist der Clippingpunkt deutlich nach oben gewandert und ich konnte auf die schnelle keine Frequenzabhängigkeit und auch kein kurzzeitiges Einbrechen mehr feststellen.

Dies ändert sich auch nicht bei exzessiver Übersteuerung der Endstufe (geschätzt fast Rechteck) und einer geschätzten Ausgangsleistung weit über 100W. Dabei bezog das Netzteil 14A aus dem Akku, verrichtete seinen Dienst dabei unauffällig.

Jetzt muss ich nur noch die Schaltung auf eine Miniplatine von 2 mal 2 cm bauen. Das Layout steht schon, bin aber leider noch nicht dazugekommen.

Die MOSFETs werden bei hoher Last jedoch schon gut heiß, der Trafo und die beiden Drosseln auf der Sekundärseite auch schon gut warm. Abrauchen tut aber auf die Schnelle nichts.

Mfg,
Markus

Hallo,

im Prizip läuft es jetzt bei dir so wie ich es als Lösung 2 geschrieben hatte. Mit optokoppler und Z-Diode ist einwandfrei. Funktioniert sehr gut und stabil! Ich würde aber noch einen Vorwiederstand vor den Optokoppler bauen. vielleicht ca. 100 Ohm oder auch etwas kleiner, dass wenn deine 50Volt mal kurzzeitig etwas zu hoch sein sollten, nicht gleich die Z-Diode und / oder der Opto hinüber sind. Dann würde der TL nämlich wieder im Open Loop laufen, weil er keine Rückmeldung mehr bekommt.

Die Symmetrie funktioniert deshalb so gut, weil durch deine rein Wechselstrom mäßige Belastung die Pufferelkos als "Symmetrierer" funktionieren. Den Vorteil des ungroundet-Prizip kannst du aber erst nutzen wenn du die Mittelanzapfung vom Wandler zu den Elkos trennst. Ist aber klanglich und Leistungsmäßig nicht zu unterscheiden normalerweise. Hätte halt noch den Vorteil dass eine DC-Spannung am Ausgang durch die Elkos ausgeglichen wird und so der angeschlossenen LS keinen Schaden nimmt.

Bezüglich der Temperatur der IRFZ44: Das liegt zum einen an den Schaltzeiten bzw. Umschaltzeiten (je steiler die Pulse sind die die Fet's bekommen, desto weniger Verluste hast du). Auf kleine G-Kapazitäten achten . Die weitaus größeren Verluste bekommst du aber aufgrund des bei den Typen "miserablen" RDS-On Widerstandes von 17,5mOhm. Bei 14A sind das dann schon 245mV, das Wiederum ergibt eine Verlustleistung von 3,5 Watt. Das ist schon relativ viel.
Ich würde einfach mal die Fet's gegen IRF1010N oder IRF1405 oder den IRF1404 ersetzen. Die kosten zwar im Verglech zu den IRFZ44N einiges mehr, aber die sind es auch wert! Beim 1404er bleibt nur noch eine Verlustleistung von knapp 800mW !

Interessant wäre auch die Akkuspannung bei der vollen Belastung. Ich denke die wird bei 11,5 oder gar nur noch 11 V liegen ca. Ja nach Akku eben. Mich interessiert auch immer die effizienz eines solchen Netzteil. Deshalb könnte man sogar noch überlegen, ob man auf der Sekundärseite die Gleichrichterdioden auch durch diese FET's ersetzt, das würde den Wirkungsgrad nochmal ein paar Prozent nach oben schrauben, aber das wäre wohl etwas übertrieben. Vor allem in anbetracht der Tatsache, dass das Gerät soweit ja seinen Dienst verrichtet.

Ich hätte aber auch die eine oder andere Frage zu deinem Projekt:

Wie bist du zu dem Trafo gekommen? Also wo hast du den bestellt? Wie kommst du auf die Windungszahlen?
Wie bist du zur Betriebsfrequenz gekommen und wie hast du die Drosseln errechnet?

Danke!

Gruß

Flo

Der Widerstand existiert natürlich

Zur Wärmeentwicklung: Ich denke mal, es liegt nicht an den Schaltzeiten sondern hauptsächlich am Rds-on. Das wird mir die Oszibetrachtung dann zeigen. Austauschen kann man die ja immernoch, Treiberleistung ist auch genug da für große Gatekapazitäten.

Den Trafo gibt es bei Conrad. Die Windungszahl ist klassisch nach Verhältnis der minimalen Eingangsspannung zur Ausgangsspannung berechnet + Sicherheitszuschlag. Ansonsten hab ich sehr viel mit LTSpice simuliert.

Die Schaltfrequenz ist ein Kompromiss aus Kernverlusten (kann man recht gut berechnen) und erzielbarer Ausgangsleistung. Viel mehr als die 60khz sollten es aber bei N27er Material nicht sein, dann eher N87, was es bei Conrad nicht gab.

Diese Seite hat auch sehr geholfen:
http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/smps.html

Die Drosseln sind soweit nicht großartig berechnet. Die Sekundärdrosseln gab es in dieser Ausführung bei Reichelt sehr günstig fertig zu kaufen. Die Primärdrossel ist selbstgewickelt, wobei ich auch hier mit LTSpice einen Kompromiss aus Innenwiderstand und Ripple gesucht habe.

Soweit ich mich erinnern kann, brach die Spannung des mehr als halbleeren Akkus etwa um 0.5V auf etwas zwischen 11.5 und 12V ein. Das kann ich aber, wenn ich die Beschaltung vorgenommen habe, was noch etwas dauern wird auch nochmal verifizieren. Ich hab zwei unterschiedliche Akkutypen, einen 7.2Ah mit sehr niedrigem Innenwiderstand und mehrere 12Ah Akkus mit nicht ganz so niedrigem Innenwiderstand.

Mfg,
Markus

Hi,

wie sind die Langzeiterfahrugen mit dem Netzteil.. noch alles okay?

Gruss, mentox

Läuft zwar selten, aber immer einwandfrei. Und das auch nach mehrstündigem Dauerbetrieb bei voller Ausgangsleistung.

Allerdings hab ich vor, eine neue Version zu entwickeln. Aber ersteinmal muss ich dafür Zeit finden.

Grüße,
Markus

Prima,

mein Schwager sucht da noch nach so einer günstigen Lösung und da würde ich mich glatt mit anbieten (als wiederauferstandener elektroniker)

weiß nicht ob's noch relevant ist aber ich buddel den thread doch mal wieder aus...

bei solchen netzteilen läßt sich eine menge damit erreichen wenn die ausgangsdrosseln auf einen gemeinsamen kern gewickelt werden, also ein kern zwei gleiche wicklungen bekommt und die negative auch "negativ" gepolt wird. das verbessert das kreuzregelverhalten um einiges. trotzdem muß auf beiden zweigen in etwa der gleiche strom fließen - sollte bei einer gegentaktendstufe nicht das problem sein. habe jetzt leider keine kfz-endstufe mit geregeltem netzteil hier, wenn ich mal eine in die finger kriege schaue ich mal nach wie das da drin gemacht ist.

trafos für sowas findet man übrigens in jedem pc-schaltnetzteil, zusammen mit diversen anderen nützlichen teilen, oft ist sogar gleich der 494 mit dabei. den trafo eine woche in aceton baden dann bekommt man den meistens auch auseinander.

Pc-schaltnetzteile Kriegt man im Normalfall auch ohne Wickeln auf +-35Volt, also nur mit Takterhöhung.

NomNom schrieb:

Pc-schaltnetzteile Kriegt man im Normalfall auch ohne Wickeln auf +-35Volt, also nur mit Takterhöhung.

Wie taktest du ein PC-Schaltnetzteil höher und wie überlistest du dabei die Spannungsreglung?

Habe leider keine Ahnung aber mein Elektronik Händler hat mal was davon erzählt, und der baut selbst Schaltnetzteile.

Sorry

NomNom schrieb:

Habe leider keine Ahnung aber mein Elektronik Händler hat mal was davon erzählt, und der baut selbst Schaltnetzteile. Sorry :hail

Naja, ich glaub kaum, das er PC-Schaltnetzteile selber baut und weiterhin kannst du ein PC-Netzteil nicht auf 35V hochtakten. Ich würde meine Teile bei einem anderen Händler kaufen.

Pc-schaltnetzteile Kriegt man im Normalfall auch ohne Wickeln auf +-35Volt, also nur mit Takterhöhung.

Aha! welcher "Takt" sollte erhöht werden, wenn die Pulsweite variiert? Was tun wir (u.A.) gegen die vielen geplatzen Elkos?

Würdest du bitte dein Avatar wechseln...Es wirkt so, als würdest du dich mit Elektronik beschäftigen, was nun wirklich provoziert.

Danke für das Feedback. Meines Wissens nach arbeiten viele Car-Hifi Endstufen mit ungeregelten Netzteilen. Ich schau immer gerne auf http://amp-performance.de vorbei. Sekundärdrosseln sind nur zum Teil vorhanden.
Allerdings muss ich eingestehen, dass das Netzteil der Endstufe in diesem Thread nicht optimal gestaltet ist. Vor allem das Wickelverhältnis ist viel zu hoch gewählt wurden. Deswegen gibt es eine neue Version:

Mein neustes Projekt arbeitet ohne jegliche Drosseln ungeregelt mit maximaler Pulsweite, das Wickelverhältnis ist niedriger: http://www.hifi-forum.de/viewthread-103-70.html

Nachteilig ist allerdings die Abhängigkeit der Ausgangsleistung zur Betriebsspannung. Viel Spielraum zwischen gewünschter Ausgangsleistung und zu viel Verlustleistung hat man bei den integrierten Endstufen dann doch nicht.
Allerdings stehen Messungen mit dem Oszilloskop noch aus. Dazu bin ich leider noch nicht gekommen.

Mfg,
Markus

naja so ganz unrecht hat er nicht wenn er sagt ein PC-netzteil kriegt man auf 35V... allerdings nicht durch takterhöhung, sondern mit 100% PWM duty time. der trafo und die primäre schaltstufe packt das locker, daß dabei alle kondensatoren und die gleichrichter auf der sekundärseite wegfliegen mal dahingestellt.

ohne regelung (also 100% PWM duty time) hast du diese sorgen mit dem kreuzregelverhalten nicht, da die ausgangsspannung nur durch die eingangsspannung begrenzt wird. es gibt auch keine totzeit in der eine drossel den stromfluß der last aufrechterhalten müßte.

das bringt mich zu einer idee, zwei netzteile in reihe.
das erste ausgeführt als step-down-wandler, um die transformatorspannung für das zweite auf einen regelbaren wert unterhalb der eingangsspannung (vielleicht so 10V für vollast) zu bringen.
das zweite dann als gegentaktwandler mit immer 100% PWM, zum hochtransformieren und zur erzeugung der negativen spannung.
die ausgangsspannung würde sich dann über den step-down-wandler regeln lassen, allerdings wird das bestimmt verhältnismäßig träge. vielleicht nicht das konzept mit dem höchsten wirkungsgrad aber durch die heute verfügbaren halbleiter kann man sowas bis vielleicht 100W praktikabel einsetzen. wenn ich langeweile habe bau ich sowas mal zusammen und schau wie es sich verhält.