met smooth clipping

Inhoudsopgave
Samenvatting
Blz. 2
1.
Inleiding
Blz. 3
2.
PFC voeding
Blz. 4
3.
De versterker
Current celltm
Verschillende energie reservoirs
Klasse A naar B current processor
Blz.
Blz.
Blz.
Blz.
Versterker klassen
Klasse A
Klasse B
Klasse AB
Klasse C
klasse D, E & F
klasse G
Klasse H
De enigste in zijn klasse
Blz. 10
Blz. 10
Blz. 10
Blz. 10
Blz. 10
Blz. 11
Blz. 11
Blz. 11
Blz. 11
5.
Perfect clipping
Blz. 12
6
Beveiliging
Kortsluitbeveiliging op de uitgang
Dc protectie
Overtemperatuur
Start en stop beveiliging
RF protectie
Blz. 13
Blz. 13
Blz. 13
Blz. 13
Blz. 13
Blz. 13
Conclusie
Blz. 14
Bronvermelding
Blz. 15
3.1
3.2
3.2
4.
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
Bijlage 1: schema’s van de PFC voeding
Bijlage 2: schema’s van de Current celltm
6
7
8
8
Samenvatting
Om een geheel vooruitstrevend ontwerp te maken moest de oude conventionele techniek
vervangen worden door nieuwe componenten.
De ontwikkeling van de zwaarste versterker die qsc ooit had gemaakt moest nu bijna twee
maal zo zwaar worden. De uitdaging was om een versterker te maken met een cosinus phi
correctie.
In de loop der jaren heeft qsc de conventionele voeding met zware transformatoren met zware
koperkernen en wikkelingen vervangen voor een veel lichtere en efficiëntere hoogfrequent
voedingen. Zowel de conventionele voeding en geschakelde voeding hebben weinig effect op
het lichtnet bij lage vermogens, zodra er grote vermogens met deze techniek uit het lichtnet
onttrokken worden kan andere apparatuur gaan disfunctioneren.
Om dit te voorkomen moet er van de gehele sinus stroom worden onttrokken en niet alleen
maar wanneer dat nodig is. Hiervoor heeft qsc de gewone geschakelde voeding in de steek
gelaten, en zijn ze een nieuwe PFC (PowerFactorCorrected) voeding gaan gebruiken. De
PFCvoeding heeft een veel gecompliceerder systeem die het dc reservoir (elco’s) niet
spanningsgewijs vult, maar een spoel met een constante stroom vult, dit was de enigste
mogelijkheid om de volledige sinus te gebruiken. Als innoverende toepassing in de audio
hebben ze er een circuit ingebouwd om de cosinus phi fout die de versterker maakt op het net
te verbeteren.
Omdat mosfets al gebruikt werden in geschakelde voedingen moeten deze hoge spanningen
en stromen kunnen verwerken en ook zeer snel kunnen schakelen. Al deze eigenschappen
maken de mosfets ook zeer toepasselijk voor de professionele audio toepassingen.De
powerlight 9.0pfc bestaat uit 2 eindversterkers van ieders 4500 watt deze kunnen samen in
brug worden geschakeld om een vermogen van 9000 Watt per eindversterker te produceren.
Beide eindversterkers hebben een individuele voeding.
Wanneer men gebruik zou maken van de half-bridge topologie, zoals bij conventionele
eindversterkers, dan zouden er vier positieve en vier negatieve spanningen aanwezig moeten
zijn, dit om een symmetrisch audio signaal te kunnen produceren.
De powerlight 9.0pfc gebruikt alleen maar positieve voedingsspanningen dit om de voeding te
vereenvoudigen en de ruimte die benodigd is kleiner te maken.
Om nu toch een geheel symmetrisch audio signaal op de uitgang te krijgen zijn de
stroomcellen in een brug geschakeld, die intern zijn geaard.
De powerlight 9.0pfc maakt gebruik van vier verschillende voedingspanningen. Een
detectieschakeling zorgt ervoor dat de juiste voedingsspanning wordt aangeschakeld vlak
voordat deze benodigd is voor de hoogste efficiëntie.
Het doel van de ontwerpers was dus om een nieuwe klasse versterker te ontwikkelen met
duizenden watts. De resultaten zijn er wel naar, één van de ingewikkeldste versterkers op de
aardbodem, een versterker die 9000 Watt onvervormd kan leveren uit een consumenten
stopcontact.
2
1.
Inleiding
Soms is het belangrijk om de geringe conventionele techniek aan de kant te zetten en nieuwe
componenten en een geheel vooruitstrevend ontwerp durven te maken.
De ontwikkelaars van qsc werd zo een opdracht voorgelegd. De ontwikkeling van de
powerlight 9.0pfc. De eerste professionele hoog vermogens versterker voor audio toepassingen
met een cosinus phi correctie als voornaamste kenmerk.
Reagerend op de groeiende vraag in professionele audio wereld naar hogere vermogens,
betrouwbaardere versterkers die lichter in gewicht en kleiner van behuizing zijn.
Het powerlight 9.0pfc team heeft die taak aangenomen om een versterker te ontwikkelen die
twee maal zo zwaar was als de zwaarste versterker, de powerlight 4.0 totaal 4000 Watt aan 4
Ohm, zonder het aantal watt per kilo en de rack space (de ruimte die benodigd is in een 19
inch rack) niet toe te laten nemen
Het doel van de ontwerpers was dus om een nieuwe klasse versterker te ontwikkelen met
duizenden watts, dat een graadje meer is dan een paar honderd watt.
De powerlight 6.0pfc is een lichtere versie van de powerlight 9.0pfc, de techniek hiervan steekt
hetzelfde in elkaar. Wanneer er in dit verslag over de powerlight 9.0pfc wordt geschreven kan
dat ook de powerlight 6.0pfc inhouden.
De bedoeling van dit verslag is om de doeken van zo een ingewikkelde eindversterker te
ontdoen, en de basis ervan uit te leggen.
3
2. PFC voeding
Het versterker gedeelte dat de stroom naar de speakers stuurt heeft een energiereservoir
nodig. De voeding van de versterker moet ervoor zorgen dat de reservoirs een juiste waarde
hebben om de eindversterker voldoende vermogen te kunnen leveren.
Het probleem was hierbij dat een commercieel 240V~ stopcontact maar 16A kan leveren, dit
komt overeen met ongeveer 3600 Watt. Deze wisselspanning, met een vaste frequentie, moet
omgezet worden naar een dc reservoir voor de eindversterker om voldoende vermogen te
kunnen leveren.
In de conventionele eindversterkers wordt deze manier het meest gebruikt met merkbare
begrenzingen van het vermogen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een transformator die de
netspanning omzet naar een lagere spanning voor de eindversterker. Aan de secundaire zijde
van de transformator wordt deze spanning gelijkgericht en het energiereservoir op niveau
gehouden door een paar flinke elco’s.
Het gebruik van dit systeem heeft het nadeel dat de laag frequent transformatoren (50 a 60
Hz) groter worden des te hoger de vermogens van de versterker. Dus het nadeel is dat het
gewicht en de ruimte die nodig is ook groter wordt
In de loop der jaren heeft qsc de conventionele voeding met zware transformatoren met zware
ijzerkernen en koperwikkelingen vervangen voor een veel lichtere en efficiëntere
hoogfrequent voedingen.
Een volledige sinus ac direct uit het net, wordt zonder tussenkomst van een transformator,
wordt naar dc gelijkrichting voor een dc reservoir dat door fets of IGBT’s wordt omgezet naar
hoog frequent wisselspanning.
Zowel de conventionele voeding en geschakelde voeding hebben weinig effect op het lichtnet
bij lage vermogens. De gelijkrichting is alleen actief op de top van de netspanning, omdat het
reservoir niet geheel is leeggelopen (Zie figuur 1).
Bij een geschakelde voeding wordt het dc energiereservoir omgezet in een hoogfrequent
wisselspanning met een hoog stroomverbruik met zeer korte pulsen. Dit kan bij zeer zwaar
gebruik storing op het lichtnet veroorzaken waardoor andere apparatuur kan disfunctioneren.
Figuur 1, De tijd wanneer er stroom uit het net wordt ontrokken
4
Door korte stroompieken zou er een inductieve belasting op het net komen te staan, dit zou
effect hebben op het maximale vermogen van de versterker. De cosinus phi waarde ligt
daarbij tussen de 0.6 en 0.75, daardoor neemt het maximale vermogen van de versterker met
25% tot 40% af.
Om dit te voorkomen moet er van de gehele sinus stroom worden ontrokken en niet alleen
maar wanneer dat nodig is (dus aan de top van de sinus) zie figuur 1.
Hiervoor heeft qsc de gewone geschakelde voeding in de steek gelaten, en zijn ze een nieuwe
PFC (PowerFactorCorrected) voeding gaan gebruiken. De PFCvoeding heeft een veel
gecompliceerder systeem die het dc reservoir (elco’s) niet spanningsgewijs vult, maar een
spoel met een constante stroom vult, dit was de enigste mogelijkheid om de volledige sinus te
gebruiken. Als innoverende toepassing in de audio hebben ze er een circuit ingebouwd om de
cosinus phi fout die de versterker maakt op het net te verbeteren
De werking van de voeding is als volgend. Eerst komt er wisselspanning binnen die
gelijkgericht wordt, de spanning wordt niet gelijk opgeslagen in een dc reservoir (elco’s),
zoals bij een spanningsgestuurd reservoir, maar bij een PFC wordt er een grote stroom
tijdelijk in een spoel (L1) opgeslagen (zie figuur 2 en bijlage 1).
Figuur 2, Vereenvoudigd schema van de pfc voeding.
De uitgang van de spoel L1 wordt gebruikt door twee cascade’s van hoog vermogens
N-channel mosfets. De mosfets worden snel aan en uit gezet, zo wordt er energie uit spoel L1
onttrokken en in het energiereservoir aan de secundaire zijde aangevuld.
Het PFC controle circuit regelt de duty cycle van de mosfets voor de benodigde stroom aan
de secundaire zijde, die afhankelijk is van de belastingsweerstand zoals een luidspreker (Zie
figuur 3).
De PFC voeding levert voor de powerlight 9.0pfc vier
spanningswaardes af, (+50V +100V +150V en +200V). In het
ontwerp van de powerlight 9.0pfc is voor de eindversterker geen
negatieve spanning vereist. Hierop kom ik later nog terug (blz. 7).
De PFC voeding is een zeer complex gebeuren en het moet twee
dingen doen. Als eerste moet de cosinus phi factor worden
gecorrigeerd zodat deze de 0.99 benadert. Als tweede moet er
gekeken worden naar de gemiddeld gebruikte stroom per
spanning, hierop worden de duty cycle van de fets bepaald.
Figuur 3, PFC gecorrigeerde
netopname
5
3. De versterker: nieuwe onderdelen, nieuwe technieken
Het was niet zo gemakkelijk voor qsc om de zwaarste versterker die ze hadden, de powerlight
4.0 (totaal 4000 Watt aan 4 Ohm), bijna 2 keer zo zwaar te maken met een paar beperkingen.
Het aantal watt per kilo mocht niet groter worden en de rack space (de ruimte die benodigd is
in een 19 inch rack) mocht niet toenemen.
Omdat mosfets al gebruikt werden in geschakelde voedingen moeten deze hoge spanningen
en stromen kunnen verwerken en ook zeer snel kunnen schakelen. Al deze eigenschappen
maken de mosfets ook zeer toepasselijk voor de professionele audio toepassingen.
Als men de powerlight 9.0pfc zou ontwerpen als een conventionele versterker met een
geschakelde voeding zou de eindversterker alleen al bestaan uit 56 transistoren.
Uit onderzoek is gebleken dat die vervangen kunnen worden door acht mosfets te gebruiken
van de laatste generatie. Er is een keus gemaakt om alleen N-channel mosfets om de reden dat
deze een veel lagere geleidingsweerstand en een hogere doorlaatstroom hebben (zie figuur 4).
Mosfets hebben daarentegen een veel lagere efficiëntie ten opzichte van transistoren.
Er waren alleen twee probleem met het gebruik van N-channel mosfets.
Het eerste is dat de stuurspanning van verschillende mosfets zeer uiteenlopend zijn, hierdoor
zou men een probleem krijgen met een ongewenste ruststroom of een cross-over vervorming.
Het tweede probleem was hoe men een positief en negatief signaal konden versterken, met
alleen maar een positieve voedingsspanning. De oplossing hiervan is een versterker die in
brug staat geschakeld. De voedingen van de powerlight 9.0pfc en alle andere qsc
eindversterkers zijn altijd zwevend ten opzichte van het massa.
De powerlight 9.0pfc bestaat uit 2 eindversterkers van ieders 4500 watt. Deze kunnen samen in
brug worden geschakeld om een vermogen van 9000 Watt per eindversterker te produceren.
Beide eindversterkers hebben een individuele voeding.
Figuur 4, Mofets VS Bipolar device
6
3.1 Current celltm concept
Door het gebruik van stroomcellen werden beide problemen opgelost. Elke fet heeft een eigen
gesloten circuit met een terugkoppeling van het uitgangssignaal, zo kan de relatie tussen de
ingangsspanning en de uitgangsstroom nauwkeurig geregeld worden.
Door de terugkoppeling per fet apart te regelen kan men de fets met een lineaire regeling
besturen, ook zijn de verschillende fets op elkaar afgestemd met een nauwkeurigheid van 1%.
Dit was een nieuwe techniek die in de audiowereld op deze manier voor het eerst werd
toegepast, een droom van elke ontwikkelaar.
Wanneer men gebruik zou maken van de half-bridge topologie, zoals bij conventionele
eindversterkers, dan zouden er vier positieve en vier negatieve spanningen aanwezig moeten
zijn, dit om een symmetrisch audio signaal te kunnen produceren.
De powerlight 9.0pfc gebruikt alleen maar positieve voedingsspanningen dit om de voeding te
vereenvoudigen en de ruimte die benodigd is kleiner te maken.
Om nu toch een geheel symmetrisch audio signaal op de uitgang te krijgen zijn de
stroomcellen in een brug geschakeld, die intern zijn geaard (zie figuur 5 en bijlage 2).
De full-bridge topologie heeft een gebalanceerd en volledig symmetrisch uitgangssignaal, met
zowel positieve als negatieve uitgangsspanningen. Om te zorgen dat de eindfets niet al te heet
worden is er gekozen voor een klasse H ontwerp. Hierop kom ik later nog terug (blz 11). De
verstoring van de spanningsschakelingen geeft nauwelijks vervorming van het audio signaal.
De resultaten zijn dan ook bijna te vergelijken met een klasse D versterker (pulswijdte
modulatie).
Om zowel een positieve als negatieve helft van de sinus te kunnen versterken is er voor een
full-bridge oplossing gekozen, deze oplossing is alleen mogelijk wanneer de voeding geen
potentialen heeft ten opzicht van massa en aarde, de werking hiervan is als volgend.
Eerst wordt er een positieve helft versterkt (zie bijlage 2). De nul volt referentie van de
voeding wordt via de negatieve kant van de speaker intern naar massa (aarde) verbonden door
current cell 4A en 4B. Hierdoor is de spanning die op het plus potentiaal van de speaker komt
te staan door current cell 2A en 2B positief. De conus van de speaker zal nu naar voren
bewegen door elektromagnetische kracht in de spoel.
Als de negatieve kant van een sinus wordt versterkt (zie bijlage 2). De eindtrap zal niet de nul
volt referentie maar de (+200 V) spanningsrail van de voeding naar massa (aarde) verbinden
door current cell 1A en 1B, hierdoor lijkt het voor
de speaker dat de spanning die naar de plus
potentiaal van de speaker wordt geleid door
current cell 3A en 3B negatief is. Nu zal de conus
van de speaker de andere kant uit slaan.
Figuur 5, De full-bridge eindtrap
7
3.2 Verschillende energie reservoirs
Veel verschillende versies van de powerlight series gebruiken verschillende
spanningsbronnen van verschillende grote om de efficiëntie zo groot mogelijk te maken.
De powerlight 4.0 maakte gebruik van drie verschillende bipolaire spanningen, 48V als
minimale waarde, 96V en 144V als maximale waarde.
De powerlight 9.0pfc maakt gebruik van vier verschillende voedingspanningen, 50v als
minimale spanning, 100V, 150V en 200V als maximale spanning. Het grootste verschil met
de powerlight 4.0 is dat de voedingspanningen daar zowel negatief als positief geschakeld
zijn, dit zou voor de powerlight 9.0pfc uitkomen op acht spanningsreservoirs.
Een detectieschakeling zorgt ervoor dat de juiste voedingsspanning pas wordt aangeschakeld
(zie figuur 7) vlak voordat deze benodigd is, en nadat deze niet meer nodig is direct een stap
lager wordt gezet voor de hoogste efficiëntie (zie figuur 8).
Figuur 7, Multi rail principe
Figuur 8, Schakelen van de voedingsspanning
3.3 Klasse A naar B current processor
De stroomcellen zijn onmogelijk aan te sturen met een klasse A ingang, dat het toegevoerde
audio signaal in de professionele audio wereld is. Het audiosignaal wat naar de versterker
wordt gevoerd is volledig symmetrisch en kan lengtes tot 600m ongestoord overbruggen. Om
de stroomcellen aan te kunnen sturen moet het klasse A audio signaal, dat symmetrisch
varieert tussen een positieve en een negatieve maximale waarde, voor een optimale aansturing
omgezet worden naar een klasse B signaal en naar de desbetreffende stroomcellen worden
gestuurd.
In een conventionele versterker worden de polariteiten gesplitst, dit gebeurt met gebruik van
complementaire positieve en negatief transistoren met gematigde nauwkeurigheid. Deze
transistorparen hebben een van tevoren zorgvuldig ingestelde bias zodat ze elkaar precies op
de nullijn “ontmoeten”.
8
De positieve transistor regelt de het positieve gedeelte van het audio signaal en negeert het
negatieve deel, en de negatieve transistor regelt het negatieve gedeelte van het audio signaal
en negeert het positieve deel. In de meeste gevallen werkt deze oplossing goed, maar het
(nul)gebied waar de twee transistoren elkaar raken kan wat onprecies en
temperatuurafhankelijk zijn. Deze techniek vergt een precies ontwerp en temperatuur
correctie circuits om de nauwkeurigheid te behouden. De meeste problemen zijn dat er een
cross-oververvorming ontstaat of dat er een ongewenste ruststroom gaat lopen.
Ook kunnen fouten ontstaan door de tolerantie van componenten. Er kan met deze techniek
ook een storing in een van de stuurtransistoren ontstaan, hierdoor kunnen dan beide
uitgangstrappen tegelijk in geleiding komen. De gevolgen met een paar duizend watt zijn dan
niet te overzien, deze problemen tegen gaan was bijna ongekend.
In de powerlight 9.0pfc is gebruik gemaakt van het innovatieve “stroom gestuurd” ontwerp.
Eerst wordt het audio signaal omgezet naar een stroom met gebruikelijke signaalconversie.
De stroom stuurt een schakeling aan die speciaal ontworpen is voor deze versterker, hierbij
wordt rekening gehouden met de exceptionele verlopen van de transistoren en andere
ongewenste eigenschappen, daarna word het signaal in een positieve en een negatieve helft
gesplitst (het signaal is nog steeds een stroomsturing en geen spanningssturing). De positieve
en negatieve helft worden beide apart naar de eindtrappen gestuurd, die daar via enkele
beveiligcircuits de eindfets aansturen.
Met het principe van de stroomsturing wordt het voor de powerlight 9.0pfc mogelijk gemaakt
om met zeer grote vermogens toch een uitstekende stabiliteit en kwaliteit te waarborgen, zelfs
op hoge frequenties.
Stroomsturing is volledig lineair omdat de totale stroom, positieve met negatieve helft,
constant blijft en er geen onvoorspelbare omstandigheden zijn waardoor er een cross-over
vervorming of een ongewenste ruststroom ontstaat. Zelfs als een component het zou begeven
kan er geen positieve en negatieve helft tegelijk aangestuurd worden.
Het ergste wat kan gebeuren is dat de eindfets open blijven staan, dan blijft er een
gelijkspanning op de uitgang staan. Wanneer dat gebeurt komt de gelijkspannings detectie in
actie en wordt de versterker in de “protect modus” gezet.
Het circuit is zo opgebouwd dat er nooit cross-over vervorming zal optreden, zelfs niet door
temperatuursveranderingen. De powerlight 9.0pfc geeft dan ook altijd scherpe geluids
dynamiek en levert een bijna perfect audiosignaal in vergelijking met een
klasse A versterker, alleen met een veel groter rendement..
9
4. Versterker klassen
4.1 Klasse A
Het principe van een klasse A eindversterker is het makkelijkst te begrijpen. De negatieve en
positieve uitgangstransistoren worden ieder bestuurd door het gehele audiosignaal. De bias is
ingesteld op de helft van de maximale en minimale voedingspanning van de transistoren.
Wanneer we in dit systeem een transistor zouden gebruiken zou men een plof horen en zou de
speakerspoel doorbranden door oververhitting. Wanneer we nu twee transistoren gebruiken
neemt de een de stroom van de ander op en zal er in ruststand geen stroom door de
speakerspoel lopen.
Met dit systeem voor een eindversterker worden de transistoren het heetst wanneer er geen
geluid wordt versterkt. Het is net als een auto met een gaspedaal die je vast zet en waar je
alleen met de rem rijdt. Het voordeel van een klasse A versterker is dat er geen cross-over
vervorming ontstaat.
4.2 Klasse B
Met geringe voorzichtigheid kunnen we met 2 transistoren, een voor de positieve helft en een
voor de negatieve helft, een versterker maken. Elke transistor versterkt dan een halve sinus.
Het nadeel van een klasse B versterker is de drempelspanning van de transistoren. Dit zorgt
ervoor dat ze niet exact op de nullijn bij elkaar komen. Hierdoor ontstaat een crossoververvorming.
4.3 Klasse AB
De klasse AB versterker is een combinatie van een klasse B versterker met een zeer kleine
ruststroom. Dit is een van de meest gebruikte ontwerpen.
Het grootste nadeel hiervan is dat wanneer de transistoren heet worden de bias instellingen
kunnen verlopen.
4.4 Klasse C
Dit is een ongebruikelijke klasse in de audio wereld, hierbij bestuurd elke transistor minder
dan 50% van de sinus. Klasse C heeft een groot gat bij het cross-over point zitten.
In sommige eindversterkers zijn de eindtransistoren in klasse C geschakeld om ongewenste
warmte tegen te gaan, en komen er extra stuur transistoren bij om dat “gat” op te vullen. Dit
is dan klasse ABC
10
4.5 Klasse D, E & F
De lineaire regeling is vaak het probleem met de eindversterkers, hierdoor worden de
eindtransistoren of eindfets heet. De warmte die verloren gaat is vermogensverlies.
Klasse D is een pulswith modulation amplifier (geschakelde versterker), zo worden de
eindfets geschakeld, zoals bij een geschakelde voeding, in plaats van lineair geregeld. Het
voordeel is dat de eindfets beduidend minder heet worden, dus minder vermogensverlies.
Klasse E & F zijn speciale versterkers en worden in de professional audio niet gebruikt.
4.6 Klasse G
Klasse G was de voorloper voor klasse H, het principe werkt als volgt.
Wanneer de versterker een voedingsspanning heeft voor de eindversterker, laten we 100 volt
nemen, en er is maar 40 volt nodig dan moet de overige 60 volt in warmte worden omgezet
een zeer groot verlies dus.
In een klasse G versterker is er een 2de bank eindtransistoren op een lagere spanning
aangesloten, laten we nu 50 volt nemen, hierdoor wordt de transistor die maar 40 volt hoeft
uit te sturen veel minder warm omdat er nog maar 10 volt in warmte moet worden omgezet.
Wanner er nu een hogere spanning dan 50 volt nodig is schakelt de tweede eindtrap, die aan
de voedingsrails van 100 volt verbonden in. Met deze techniek wordt 50% minder
warmteverlies geproduceerd.
Deze techniek heeft qsc in de oudere versterkers zoals de “qsc series three” en de “qsc MX
series” succesvol toegepast.
4.7 Klasse H
Klasse H is te vergelijken met een klasse G versterker, alleen heeft een klasse H versterker
maar één bank met eindtransistoren. Wanneer er bij een klasse H versterker een hogere
spanning vereist is wordt de lagere spanningsrails door een fet op een hogere waarde
geschakeld.
De “qsc EX series” en de “qsc MXa series” hebben deze techniek gebruikt om 2 maal zoveel
vermogen in dezelfde behuizing te krijgen, ook alle powerlight, rmx2450 en de powerlight 2
series gebruiken dit systeem.
4.8 De enigste in zijn klasse
De powerlight 6.0pfc en powerlight 9.0pfc is de enige in zijn soort.die alleen met een positieve
voedingspanning werken. Deze maken gebruik van het omhoogschakelen van de spanning op
de eindfets met 4 stappen, 50V(standaard), 100V, 150V en 200V maximaal. Omdat de
powerlight 6.0pfc en powerlight 9.0pfc ook gebruik maken van het multi switch rail systeem
vallen ze het beste in de H klasse.
11
5. Perfect clipping
Een opmerkelijke functie is “non-clipping feedback loop”.
Wanneer er bij een conventionele versterker op de uitgang maximaal wordt uitgestuurd, nu
zal het uitgangssignaal de ingang niet meer volgen, de versterker clipt op dit moment.
De positieve en negatieve spanning bereiken hum maximale waarde (zie figuur 9).
Als het ingangssignaal weer binnen de bereikbare waarde komt zal het uitgangssignaal met een
korte vertraging zich herstellen, hierop valt de uitgangspanning even te ver terug en blijft langer
dan gewenst in de clip hangen, dit wordt ook wel “clip sticking” genoemd.
De powerlight 9.0pfc is immuun voor dit probleem, dit komt omdat er een apart circuit is dat
er voor zorgt dat de versterker al soft clipt “remt” voordat deze daadwerkelijk de maximale
waarde van de voedingsspanning bereikt. Een precisie circuit met een opamp meet constant
hoeveel headroom er tussen het maximale uitgangssignaal is en de voedingsspanning. Zodra
de uitgangsspanning dicht in de buurt komt van de maximale uitgangsspanning dan wordt de
ingangsamplitude automatisch teruggeregeld zodat er een maximale lineaire
uitgangsspanning bereikt kan worden zonder werkelijk te clippen. De eindfets zullen dan ook
nooit in de clip gaan met deze techniek (zie Figuur 10).
Figuur 9, speakersignaal in de clip
Figuur 10, uitgangssignaal
met smooth clipping
Een andere eigenschap van dit systeem is dat wanneer de versterker constant in de clip wordt
gezet, de versterker het ingangssignaal constant dempt, zo verliest de powerlight 9.0pfc nooit
controle over de aangesloten belasting. Gebruikers van de powerlight 9.0pfc horen dat
subwoofers hierdoor een mooier en strakker geluid hebben zonder een extra limiter toe te
passen.
.
12
6. Beveiliging
6.1 Kortsluitbeveiliging op de uitgang
In de powerlight 9.0pfc is er rekening gehouden met de echte wereld,
hier kan dan ook kortsluiting in een speakerkabel ontstaan. De
minimale belastingsweerstand is 2Ohm per kanaal, wanneer deze lager
is kunnen de eindfets de grote stromen niet meer verwerken. Om tegen
te gaan dat daardoor de versterker opgeblazen wordt is er een detectie
circuit ingebouwd dat in de gaten houdt hoeveel vermogen er naar de
speakers gaat, hierdoor is het niet mogelijk de versterker te overbelasten.
6.2 Dc protectie
Het ergste wat kan gebeuren is dat er gelijkspanning op de uitgang komt te
staan, hierdoor worden de spoelen van de speakers zeer heet en deze
branden dan door. Door de gelijkspanning op de uitgang komt de
gelijkspanning detectie in actie en wordt de versterker in de “protect
modus” gezet. Hierdoor wordt de aansturing van de eindfets uitgeschakeld.
6.3 Overtemperatuur
De versterker kan te heet worden als één van de vier ventilatoren uitvalt of dat
de versterker te weinig verse “koele” lucht krijgt of een te warme omgeving
enzovoort. Wanneer er zo een situatie zich voordoet zal de powerlight 9.0pfc
zichzelf bij een temperatuur van 106°C uitschakelen.
6.4 Start en stop beveiliging
De powerlight 9.0pfc heeft een start en stop beveiliging. Een paar
seconde na het aanzetten van de versterker wordt de uitgang pas
aangeschakeld, direct na het uitzetten wordt de uitgang uitgeschakeld.
Dit om de speakers tegen ongewenste schakelsignalen te beschermen.
Ook is de voeding voorzien van de softstart mogelijkheid om te zorgen
dat bij het aanzetten van de versterker de zekering er niet gelijk uitklapt.
6.5 RF protectie
Een extra 50 kHz Bessel filter is ingebouwd dat er geen ongewenste
frequenties kunnen worden versterkt, zoals te hoge frequenties die de
eindfets niet aan kunnen en andere ongewenste effecten op kunnen leveren
13
Conclusie
Ik heb tot zo ver een scherp beeld gegeven van de unieke maar ingewikkelde techniek van de
powerlight 9.0pfc.
In het verslag heb ik beschreven hoe belangrijk het kan zijn om de conventionele techniek aan
de kant te zetten en een geheel vooruitstrevend ontwerp te durven maken met nieuwe
componenten. De nieuwe techniek die is gebruikt maakt het mogelijk een versterker te
produceren met een cosinus phi factor van bijna altijd 0.99.
Het doel van de ontwerpers was dus om een nieuwe klasse versterker te ontwikkelen met
duizenden watts. De resultaten zijn er wel naar, een van de ingewikkeldste versterkers op de
aardbodem, een versterker die 9000 Watt onvervormd kan leveren uit een consumenten
stopcontact.
Qsc blijft niet stil zitten en zijn bezig met ontwikkelingen voor de zwaarste lichtgewicht
versterker ooit, voor professionele audio toepassingen.
Ondanks deze perfectie blijft deze techniek te verbeteren en vooruit gaan, niemand weet wat
ons nog te wachten staat!
14
Bronvermelding
http://www.qscaudio.com/
Diverse emails met qsc audio
http://www.ixys.com/
http://www.texas-instruments.com/
decilux audio
© Copyright 2002, J.Zevenbergen.
QSC® is a registered trademark, and PowerLight™, PowerWave™, PFC™, and MultiSignal Processor™ are trademarks, of QSC Audio Products, Inc.
“QSC” and the QSC logo are registered with the U. S. Patent and Trademark Office.
15
16