ampli classe D 3/5

 

Abbiamo visto nelle scorse puntate che gli ampli in classe D  sono dei cosi che sparano onde quadrate e, siccome non possono essere perfettamente quadrate e precise, probabilmente ringano di bestia, ricordo che serve MOLTA energia istantanea per farle giuste,  come conseguenza dell'impossibilita' della cosa  debbono essere molto controreazionati.
Chiaramente quelle onde quadre non devono neppure sfiorare le casse, come si fa?

Con un passa basso.
Purtroppo, per una serie di ragioni, non si monta un 96dB ottava o piu' ripido, ma in genere un filtraggio molto piu' blando.
Generalmente 12dB ottava.
Che verrebbe da chiedesi, quando li vedi sulle schedine, se davvero costruite cosi' in economia se gli amperoni ci passano e se quei condensatori fra 5 anni saranno dello stesso valore.
Perche' un filtro "migliore" (come oltretutto si faceva mooolti anni fa) non va bene?

O se preferite in soldoni vuol dire che se iniziate a tagliare a 20KHz a 40KHz avrete -12dB (che e' poco) a 80KHz avrete solo -24dB, che per carita', essendo quasi quadre ve le portate via (i famigerati dittering e menate servono per lo piu' a tenere alto il ciclo), ma deviazioni della cosa ve le beccate (il famoso libro "addio ai cari TW" o nel migliore dei casi i TW non collaborano piu' come devono vista la sovracorrente).
Insomma i vati 0,0X di distorsione li vedere solo su carichi resistivi.

Perche', ricordiamo un momentino.
Un passa basso passivo come quello ha il taglio a 20Khz solo a quella impedenza di carico.
Una impedenza che noi non conosciamo.
Con un complesso ragionamento, noi non sapiamo in the wild se il filtro attenuera' o meno le alte o lascera' scappare le schifezze.
Se la problematica seguente vi sembra quella del tamarro del car-audio che va a comprare un "filtro" generico per i suoi altoparlanti presi a casaccio seguendo la regola "quello che mi sembra figo" non vi sbagliate.

Mettiamo che io faccio un filtro per una R di 8Ohm, ma ci collego una cassa da 4Ohm e, come da grafici visti sul blog, essa in quella frequenza si presenta a un singolo Ohm.
Pero' sappiamo che durante un transiente la stronzetta arrivera' pure a mezzo Ohm

Posso del resto avere casse che sono da 8Ohm e si presentano anche a 32, ma anche a 2 o... in negativo...

Ovvero la corrente puo' andare o tornare.
Quindi ho 2Ohm, 8 o 60?
E poi che valori induttivi e capacitivi posside?
Lo vedere il modulo?
Perche' cambia per il passabasso...
 

Il passa basso dove cavolo e' andato a finire come taglio? 
Posso alzare il taglio solo se il clock minimo (che e' per lo piu' segreto non essendo pubblicato che di rado soprattutto per apparecchi di fascia alta) e' MOLTO alto.
Ma il taglio puo' essere troppo basso o troppo alto.
Cosa succede che il famoso taglio che dovrebbe iniziare a 22KHz e spingere in attenuazione a 110Hz (-60dB)  si scoprisse essere un taglio a 60KHz o peggio a 14KHz?

Cominciate a vedere dolori di pancia?
Prima o poi qualcuno fara' dei classe D no-filter che risolvera' tutti i problemi... introducendo altri problemi.
Ma per il momento nessuna rivista o entusiasta ha mai pubblicato la risposta in frequenza di quella roba su di una cassa normale.
Almeno io non sono stato in grado di trovarne, il che e' gia' una risposta.
Perche' con tutte le riviste che incensano questa roba non si fanno neppure le misure base che si facevano qualche anno fa sugli AB per vedere se baravano?
Invito chi vuole ridere a calcolare quella roba, del resto basta vedere come si comporterebbe su di una RLC abbastanza a caso.

Bene, ma la conseguenza a questa cosa di avere un altoparlante e non una resistenza e' che la corrente puo' andare con forti picchi o... TORNARE.
Perche se voi avete caricato un condensatore (e ne avete anche di fisici nei filtri delle casse e nel passa basso dell'ampli) e scendete di tensione la corrente torna.
Non parliamo poi dei woofer che tornano verso il centro che divengono generatori.
Soprattutto se pesantoni che sono spesso connessi ai classe D perche' "ci hanno i Uatti".

In pratica mentre in un ampli AB i transistor sono sempre in conduzione, ovvero il segnale guida l'uscita che guida il cono, nei PWM no.
I transistor sono aperti o chiusi.

Cosa succede allora?
nei classe AB i finali si scaldano, non a caso ci sono casse che venivano chiamate killer di ampli, e alcuni ampli li trovavate con i finali aperti come un cotechino, ma nella classe D i finali sono sconnessi... e dove va quella roba? 
Rimane li e aumenta il ripple, o se preferite la manopola del volume a caso o la distorsione.
Trovate la trattazione come "Bus Pumping" un fenomeno molto conosciuto e studiato per i servo dei motori alimentati in PWM che vanno allo sbando (e guarda caso vengono controreazionati in varie maniere)

Persino IRF e IR ne parlano, anche per il motivo che possono flippare i mosfet finali, oltre a suonare di medda. E il produttore non vuole che il prodotto "finale molto costoso e fulgido esempio del catalogo" sia associato a prodotti scadenti.
Come si puo' limitare il problema?

in pratica le correnti di ritorno finiscono per aumentare la distorsione del segnale (una cosa che se alimenti una resistenza non vedi molto, la capacita' nel circuito e' solo quella del passa basso, che comunque non e' zero).
La "soluzione" per evitare ripple, che ovviamente porta altri problemi, e' il "full bridge"
In pratica se il vostro classe D ha solo 2 finali e' di bassissima qualita', deve averne 4.
Se non lo vedete (perche' sotto un dissipatore e/o nel chip veneziano (faso tuto mi)) potete contare le induttanze che devono essere 2 per canale o 4 per altri schemi.
Quello che sapete istantaneamente e' che se ne ha solo uno per canale e' da discarica (almeno se parliamo di HiFi e non una cassettina BT da 30E)
E adesso capite perche' ci sono dei classe D con 2 chip e non uno piu' grosso, non e' solo per aumentare la potenza.

Ovviamente migliora, ma ora (ogni soluzione causa un altro problema) ora si tratta di mandare un pacchetto di energia non richiesto all'alimentatore dove se e' sfortunato con un alimentatore PWM si ripresenta la menata.
Uno puo' dire "ma io tanto ci carico i condensatori"...  ma devono essere "grossini" per non salire di tensione e messi molto vicini... ricordo che e' un ripple molto energetico e a frequenze tali che molti condensatori non reagiscono e si torna ad avere costi da classe A.
Bonus pack aiutano a squadrare l'onda.
Se guardate e' il motivo per cui molte basette con un classe D hanno una marea di piccoli condensatori elettrolitici (e non uno grosso), peccato che dovrebbero essere MOLTI di piu'. Almeno 50 volte tanto.

 Photo: basetta errata di un ampli da 2000E che mostra non abbastanza condensatori e non e' full bridge.

 

Questa roba ovviamente interagisce con le "protezioni" che ricordiamo nei classe D, quando dichiarato, possono entrare ed uscire in millesimi di secondo o peggio (quindi facendo centinaia di danni al segnale al secondo) e dalla controreazione che si mette a lavorare storta. 

Si noti che di tutta questa roba che causa distorsione a nastro ed e' documentata piu' da chi fa i finali che dai produttori di chip e ampli e non ne esiste traccia sui test delle riviste.
Per chi prova questi affari le misure sono sempre bellissime e il suono bellissimo.
Su di una resistenza.

In tutte le misure delle riviste anche i primi Classe-D di tripath, che erano pesantemente affetti dal ripple risultavano a dir poco perfetti.
Piccoli ampli, che non erano full bridge, con poca alimentazione e condensatori che nella mania del momento che gli stolti chiamavano "killer di giganti" connettevano pure a casse con pesanti woofer da 30cm.
Il ripple non esiste secondo i fanboy.
Solo per i costruttori di FET e qualche raro pazzo delle varie AES o IEEE.

Sembra un po la questione dei pannelli solari in cui le universita' studiano i gravi problemi che non esistono da nessuna parte del mondo secondo i fanboy.
IF e' pazza, fa i finali per i modulatori prodotti dai vari texas e soci, ma e' pazza a dire che esistono problemi.
Perche' il problema... non esiste. 
In condizioni di test, ovviamente. 

del resto come nella puntata precedente:
Il prodotto nuovo risolve tutti i problemi che avevamo detto di aver risolto! 

 

PS
 Giusto per avere un idea della differenza fra un classe D e un AB, il chip  in classe AB moderni hanno quasi il doppio di corrente della versione D a parita' di potenza.
E ci scommetterei che ha MOLTA piu' birra all'ascolto.

Nel chip in classe D inoltre ST, che mi sono sempre piaciuti i loro data sheet che sono molto piu' onesti di altri (ricordo che alla fine e' un catalogo per vendere roba, non e' la verita' assoluta su tutti gli aspetti o i difetti!) dice:

Per evitare problemi di interferenze, è  necessario utilizzare un filtro passa-basso a monte dell'altoparlante.
Grazie al ciuffolo lo avevamo capito tutti, ma ora arriva il bello.

La frequenza di taglio dovrebbe essere maggiore di 22 kHz e molto inferiore alla frequenza di commutazione in uscita.

Anche qui lapalissiano, e la f 310kHz, ma quanto si allontana dal basso con lo shaping&c non e' chiaro, ma ora viene il bello. 

È necessario scegliere i valori delle componenti L e C in base all'impedenza dell'altoparlante. Alcuni valori tipici, che danno una frequenza di taglio di 27 kHz, sono mostrati nella Figura 24 (tipico filtro LC per un altoparlante da 8 Ω) e nella Figura 25 (tipico filtro LC) per un altoparlante da 6 Ω) sotto.

 

Prima cosa e' gia' piu' raffinato della media, pur essendo un affare ultra-economico, di solito e' un 12dB ottava del tubo easy easy. 
E' evidente che per questa roba non esista un altoparlante, ma una resistenza.
Perche' se dobbiamo variare quella roba per passare da 6 ad 8Ohm, una differenza pari a meno di zero, lascio solo immaginare cosa succede se applichiamo questa roba ad un carico che a seconda del suo giramento di scatole va fra 2 e 40 e non e' neppure resistivo.
Nota che questa cosa, che non e' sempre ben evidenziata nei datasheet, e' valida anche per ampli al di sopra di sospetti nei fanboy... solo che qui e' esplicita: questi ampli sono buoni solo per alimentare resistenze ben precise, non certo induttanze complesse.
Se inoltre devo cambiare il filtro per cosi' pochi Ohm, vuol anche dire che la commutazione nella parte bassa per qualche ragione e' molto vicina all'audio, altrimenti tagliare un pochino piu' in la non dovrebbe essere un problema.

Ricordo: per una R (non una induttanza, una resistenza) da 6 o 8 Ohm e' una differenza da dover cambiare schema secondo l'oste.

Provate ad immaginare che ikea facesse una sedia per umani da 65Kg e va cambiata se pesate 50 o 70Kg. In pratica ogni componete della vs famiglia avrebbe una sedia sua e se invitate a casa un amico dovete avere la sua sedia, se e' ingrassato dovete comprarne una diversa.
Cominciate a capire il problema? 

Lascio a voi i calcoli per 2 e per 40 Ohm e il punto di taglio che hanno quei cosi applicati all'impedenza errata. Magari con TW esotici (che possono essere pure capacita') o peggio.
A me ricorda tanto quelli del car audio che mettevano il crossover della unicars su "altoparlanti a caso" e poi bruciavano i tw e/o si sentiva strano, che poi e' la firma del car audio dove con segnali parassiti e caricamenti a caxxo riescono pure a bruciare i woofer...