Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Bandpass statt Tiefpassfilter für Klasse-D-Verstärker

Zeus schrieb:
> mit (mehreren) Klasse-D-Verstärkern möchte ich piezoelektrische
> Lautsprecher im Hörschallbereich betreiben.
Kannst du uns ein Beispiel (Datenblatt eines solchen Piezos verlinken? 
Impedanzverlauf über die Frequenz?

> Im Gegensatz zu "normalen" Lautsprechern (mit wenigen Ohm)
> ist dessen Impedanz laut Datenblatt und Ersatzschaltbild hoch.
Ja, und die Betriebsspannungen entsprechend auch(!).

> Vor dem Lautsprecher wird üblicherweise ein LC-Filter eingesetzt,
Vor dem Piezo- oder dem normalen Lautsprecher? Du meinst am Ausgang der 
D-Endstufe(?)!
> nur ist dies hier wegen des erheblichen
> Überschwingens von >60dB (Simulationsergebnisse) nicht geeignet.
Ich ahne, wie deine Schaltung zur Simulation aussieht. Und ja, natürlich 
gibt es da eine heftige Resonanz:

> Bei normalen Lautsprechern wäre dies kein Problem, weil die niedrige
> Impedanz schön dämpft.
Genau. Wenn ein Piezo aufgrund seiner hohen Impedanz kaum Energie dem 
Schwingkreis entnehmen kann, bedämpft er natürlich nicht nur kaum - er 
kann auch kaum kaum Energie abstrahlen.

> Ich kämpfe nun schon seit einer Woche mit verschiedenen Filtertypen etc.
> und bin am verzweifeln. Künstliche Dämpfung des Überschwingens mit einem
> Widerstand am Kondensator wäre eine Lösung, aber dann ist der Übergang
> Passband/Stoppband sehr breit, hab schon viel herumexperimentiert.
Aber 1. nicht breiter als normal, und 2. kann die pure Vernichtung der 
Energie keine Lösung sein.

> Ich bin nun draufgekommen, dass ein Bandpass diese Probleme aushebeln
> würde: er schneidet steil genug ab und ein Überschwingen gibt es nicht,
> das benötigte Frequenzband lässt sich super anpassen.
Jetzt möchte ich aber mal eine Schaltung & Simulation deines Bandpasses 
sehen!
> Allerdings bin ich
> mir nicht ganz sicher, da ich nirgendwo in der Literatur lesen konnte,
> dass ein Bandpass eingesetzt wird bei Klasse-D-Verstärkern. Es ist immer
> nur von Tiefpassfiltern die Rede.
Ich sehe auch unter keinen Umständen etwas anderes als sinnvoll.

> Meine Frage daher: kann sich jemand einen Grund vorstellen, aus dem
> Bandpassfilter für Klasse-D-Verstärker ungeeignet sein könnten? Übersehe
> ich hier irgendwas?
Ganz bestimmt. Aber lass' mich bzw. uns erst mal mehr wissen.

wow, vielen Dank für deine ausführliche Antwort, im Anhang habe ich 
Simulationsergebnisse (LC, LC gedämpft und ein Bandpass), rechts im Bild 
ist das Ersatzschaltbild des Piezos. Der Treiber (2EDN7524) wird einfach 
durch den Rechteckgenerator dargestellt, Ausgangswiderstand ist 0,5 bis 
0,7 Ohm, roundabout 1 Ohm daher in der Schaltung mit kurzer Zuleitung 
auf dem PCB.

Benutzt wird ein Murata MA40S4S Ultraschall-Transducer (40kHz). Ich 
hatte Hörschall geschrieben sorry, es wird letztlich Hörschall erzeugt 
aber das ist ein anderes Thema. Trägerfrequenz ist 40 kHz, Audiosignal 
wird aufmoduliert.

Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb:
>> Allerdings bin ich
>> mir nicht ganz sicher, da ich nirgendwo in der Literatur lesen konnte,
>> dass ein Bandpass eingesetzt wird bei Klasse-D-Verstärkern. Es ist immer
>> nur von Tiefpassfiltern die Rede.
> Ich sehe auch unter keinen Umständen etwas anderes als sinnvoll.

Das verstehe ich nicht, warum wäre nur ein TP hier sinnvoll nicht aber 
in Bandpass?

Im Anhang ist dann noch ein Bodeplot vom Transducer (sorry etwas 
abgeschnitten habe aber sonst keines), man erkennt die Resonanzfrequenz 
bei 40kHz, weitere bei 80kHz (genauso stark wie die erste) und dann noch 
einige bei 131, 142, 156 kHz. Die Frage ist, was ich hier tun soll. Ich 
könnte den Bandpass in die 40kHz legen, das wäre für mich ideal, du 
meinst aber das wäre nicht sinnvoll.

Alternative wäre, einen LC-TP nehmen und die Grenzfrequenz etwas 
oberhalb zu legen. Das geht sich aber nicht aus, ohne dass man entweder 
zumindest die 2. Resonanz dadurch verstärkt. Und noch weiter draußen 
will ich die Grenzfrequenz nicht haben dann nimmt er mir die 3. 4. 5. 
Resonanzfrequenz auch noch mit.

Ich habe auf dem PCB nicht viel Platz und viele Transducer, daher will 
ich jetzt auch keine komplizierte Lösung höherer Ordnung oder einen 
aktive Filter oder sowas, die Filterung muss mit wenigen passiven 
Elementen auskommen.

Danke nochmals !!!

Zeus schrieb:
> warum wäre nur ein TP hier sinnvoll
D-Verstärker können prinzipiell bis DC arbeiten. Wenn man weniger 
braucht, z. B. bei Audio, kann man immer noch einen Hochpass im Eingang 
vorsehen. Es müssen aber niemals irgendwelche tiefen Frequenzen heraus 
gefiltert werden - die sind immer Teil des Nutzsignals bzw. nicht 
vorhanden.

Bei dir sind sie nicht nur nicht Teil des Nutzsignals, sondern gar nicht 
vorhanden, also du brauchst sie auch nicht zu filtern. Jetzt kommt aber 
der "dicke" Fehler, den du mit deinem Bandpass machst: Es werden 
lediglich die tiefen Frequenzen am Ausgang per L und die hohen per C 
kurzgeschlossen. Das ergibt riesige Ströme bei den Schaltflanken über R 
und C, also enorme Verluste, bis zum wahrscheinlichen Tod des Treibers. 
Das geht gar nicht.

Woher hast du das Ersatzschaltbild des Transducers? Bei Murata finde ich 
das nicht. Wie auch immer, in seinem Übertragungsbereich wird seine 
Impedanz auch einen reellen Anteil haben. Wenn L und C vom Tiefpass nur 
groß genug sind, gibt es keine Resonanz. Aber was stört die überhaupt? 
Der Transducer hat doch selber schon eine ausgeprägte Resonanz! Ihn kann 
man auch direkt an den Rechteck-Ausgang anschließen, 2 nF kann der noch 
ab. Da braucht's keinen Tiefpass. Und wenn du etwas besser machen 
willst: Mit nur einem L, groß genug, dass deine Anforderungen an den 
Amplitudengang erfüllt sind, ergibt sich auch schon ein Tiefpass und es 
ist genug getan. 4 mH schätze ich. Wie groß ist denn der 
Frequenzbereich, den du übertragen willst? Doch nicht viel größer als 
die Bandbreite der Resonanz des Transducers?

Zeus schrieb:
> Ich kämpfe nun schon seit einer Woche mit verschiedenen Filtertypen etc.
> und bin am verzweifeln. Künstliche Dämpfung des Überschwingens mit einem
> Widerstand am Kondensator wäre eine Lösung, aber dann ist der Übergang
> Passband/Stoppband sehr breit, hab schon viel herumexperimentiert.

Das geht auch ohne Überschwinger. Ein Filter am Ausgang belastet aber 
den Verstärker kapazitiv deutlich mehr als der Transducer alleine. Ob 
dieser diese Last überhaupt abkann?

Im Anhang sind zwei Bsp. (TP 4. Ordnung + BP 2. Ordnung). Die 
Eigenkapazität des Transducers wird durch das Filter absorbiert, der 
Amplitudengang weist keine Resonanzen auf. Wegen der nun recht hohen 
kapazitiven Last für den Verstärker, habe ich zur Entlastung einen 
kleinen Serienwiderstand hinzugefügt.

Erstmal danke für eure Antworten, ihr hab mir die Augen geöffnet ;-)
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@Zahn der Zeit:
siehe zum Ersatzschaltbild eine Ultraschallwandlers das Butterworth-Van 
Dyke Modell:

https://www.imeko.org/publications/tc4-2005/IMEKO-TC4-2005-084.pdf

irgendwo in den App-Notes von Murata sind dann auch die einzelnen 
Bauteilwerte zu finden zum Ersatzschaltbild. Es wird das Audioband 
übertragen, ich werde es auf 100-12.0000 Hz beschränken. Eben auf einem 
40kHz Träger aufmoduliert. Du kannst es dir z.B. als 
amplitudenmoduliertes Signal vorstellen, vor dem Klasse-D-Verstärker 
erfolgt (nach einer digitalen Signalverarbeitung) noch eine PWM oder 
Puls-Dichte-Modulation (letztere bevorzugt). Ich glaube schon, dass man 
tiefere Frequenzen eben im Nutzsignal hat. Aber wie du völlig richtig 
schreibst, wäre ein Bandpassfilter wohl vernichtend...

Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb:
> Aber was stört die überhaupt?
> Der Transducer hat doch selber schon eine ausgeprägte Resonanz!

Das dachte ich mir zunächst auch, der Transducer ist ein guter Bandpass 
(er hat aber mehrere Resonanzfrequenzen!), trotzdem reicht das nicht 
aus. Es sind deutliche Verzerrungen zu hören und im Oszi-Bild eines 
Mikrofons und Ultraschallmikrofons ist auch deutlich zu erkennen, dass 
das Sinussignal genau an den Flanken des Rechtecksignales (bei einem 
fehlenden Filter vor dem Wandler) Spikes aufweist. Wenn ich statt eines 
Rechtecksignals einen Sinus an den Wandler hänge, sind keine Spikes zu 
sehen im Oszi. Im Bodeplot ist oberhalb von 180 kHz (oben nicht 
dargestellt) auch zu erkennen, dass der Amplitudengang langsam ansteigt. 
Ein Filter ist daher schon erforderlich.

@argos: ein herzliches Dankeschön dafür!!! Ich werde mir das jetzt 
genauer ansehen und ein bisschen experimentieren und wohl beim Tiefpass 
bleiben müssen.

Aber mal was anderes: Mir scheint der Einsatz eines D-Verstärkers mit 
Kanonen auf Spatzen geschossen. Maximal können +/-30 mA fließen (20 Vpp, 
330 Ohm), das schafft fast Operationsverstärker.

Nachteil von OPVs ist aber, dass sie kapazitive Lasten oft nur schlecht 
handhaben können und zum Schwingen neigen.

@argos:
Der Filter schneidet schön ab, aber es ist auch eine hohe 
Phasenverschiebung (100°) schon bei 40kHz vorhanden. Das kann nicht gut 
sein für ein Audiosignal, oder?

Ist schwierig hier eine gute Lösung zu finden, weil mit ansteigendem 
Filtergrad auch die Phasenverschiebung zunimmt. Sollte ich die 
Grenzfrequenz einfach außerhalb der Resonanzfrequenzen 
(40,80,131,150,160) legen frage ich mich gerade. Ich hätte aber gerne ab 
40 kHz höhere Frequenzen gedämpft bei möglichst verschwindender 
Phasenverschiebung.

Hat wer eine Idee?

Zeus schrieb:
> Der Filter schneidet schön ab, aber es ist auch eine hohe
> Phasenverschiebung (100°) schon bei 40kHz vorhanden. Das kann nicht gut
> sein für ein Audiosignal, oder?

Die Phasenverschiebung ist normal und der Verlauf der Phase ist abhängig 
von Filtertyp und -ordnung. Für ein Butterworth Filter 4. Ordnung wären 
das -180° bei der Grenzfrequenz.

Zeus schrieb:
> ch hätte aber gerne ab
> 40 kHz höhere Frequenzen gedämpft bei möglichst verschwindender
> Phasenverschiebung.

Möchtest du wirklich geringe/keine Phasenverschiebung oder meinst du 
einen linearen Phasengang, d. h. konstante Gruppenlaufzeit für alle 
Frequenzen im Durchlassbereich des Filters?

Zeus schrieb:
> Ich hätte aber gerne ab 40 kHz höhere Frequenzen gedämpft bei
> möglichst verschwindender Phasenverschiebung.
Dann darfst du auf keinen Fall einen Sender (Transducer) mit einer 
ausgeprägten Resonanz nehmen. Dessen Phasenverschiebung ist weitaus 
größer und ändert sich wesentlich schneller mit der Frequenz als ein 
einfacher Tiefpass.

Du schreibst ja auch, dass du die 40 kHz mit bis zu 12 kHz modulieren 
willst. Die Ausgangs-Bandbreite bei AM ist dann 28 - 52 kHz. Nicht nur 
der Phasengang ist heftig nichtlinear (bzw. die Gruppenlaufzeit ändert 
sich stark), auch der Amplitudengang ist es. Ich fürchte, ein Filter mit 
"möglichst verschwindender Phasenverschiebung" ist ein ziemlich absurdes 
Ziel.

Zeus schrieb:
> Nachteil von OPVs ist aber, dass sie kapazitive Lasten oft nur schlecht
> handhaben können und zum Schwingen neigen
Da fehlt dir etwas Grundwissen und Erfahrung. Ja, es stimmt - aber es 
ist so trivial zu vermeiden: Ein Widerstand in den Ausgang, z. B. 100 
Ohm, ergibt einen Tiefpass mit den 2 nF von ca. 800 kHz und damit sogar 
die überflüssige "verschwindende Phasenverschiebung". Der Transducer 
bekommt im Resonanzfall etwas weniger Spannung, was bedeutet, das seine 
Resonanz etwas stärker gedämpft wird. Prinzipiell gut, aber nicht in 
relevantem Maß.

Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb:
> Da fehlt dir etwas Grundwissen und Erfahrung.

Ja leider :-), ich lerne hier aber sehr viel wie man sieht. Das Problem 
ist hier aber vor allem, dass ich in der Literatur zu dem Ganzen kaum 
was finde. In erster Linie stellt sich die Frag wo der Filter 
abschneiden soll, erst nach diesen fünf Resonanzfrequenzen oder eben 
schon nach 40 kHz.

Bei der Phasenverschiebung bin ich mir eben auch nicht sicher, glaube 
aber, wie argos schon sagte, dass es eher auf eine konstante 
Gruppenlaufzeit ankommt. Ob diese aber überhaupt erforderlich ist oder 
egal wäre, weiß ich nicht.

@argos: hat der TP-Filter von dir eine konstante Gruppenlaufzeit bzw. 
wie finde ich das bei der Simulation in LTSpice auch für andere Filter 
heraus?

OK eine konstante Gruppenlaufzeit ist hier wichtig lese ich gerade..
Ich weiß jetzt auch wie ich eine konstante Phasenverschiebung in LTSpice 
erkenne..

@Zahn der Zeit:
Der TP-Filter von argos ist eigentlich ziemlich linear im gewünschten 
Band. Wäre nur schön, wenn ich ein, zwei Komponenten einsparen könnte da 
ich viele Lautsprecher habe und wenig Platz (und nicht 1000 Teile löten 
will).

Zeus schrieb:
> Der TP-Filter von argos ist eigentlich ziemlich linear im gewünschten
> Band.
Das ist aber so irrelevant, weil der Transducer eine ziemlich heftige 
Phasenänderung um 180° bei der Resonanzfrequenz macht, die man schon 
eher Phasensprung nennen kann.

Es hängt davon ab, was du erreichen willst, ob Phasenänderungen oder gar 
Phasensprünge überhaupt eine Rolle spielen. Allein, dass der Transducer 
weit über 40 dB(!!!) Reduktion der Amplitude der Seitenbänder bei 12 kHz 
AM hat, lässt bei mir die Alarmglocken klingeln, dass du da etwas machen 
willst, was zum grandiosen Scheitern verurteilt ist, und die Diskussion 
um das Phasenverhalten eines Tiefpasses zum Lernen zwar sinnvoll, aber 
in diesem System wegen des Verhaltens des Transducers absurd ist.

Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb:
> bei mir die Alarmglocken klingeln

Da kann ich dich beruhigen, akustisch wird das dadurch ausgeglichen, 
dass höhere Frequenzen mit einer deutlichen Verstärkung (12dbB pro 
Oktave) verstärkt ausgegeben werden. Steckt viel Theorie dahinter, das 
Ganze ist daher keinesfalls absurd sondern gibt es auch kommerzielle 
Systeme die normale Transducer verwenden. Danke dass du dir auch 
Gedanken abseits vom Thema machst aber ich brauche hier wirklich nur den 
Filter, der Rest ist echt kein Problem.

Zeus schrieb:
> In erster Linie stellt sich die Frag wo der Filter
> abschneiden soll, erst nach diesen fünf Resonanzfrequenzen oder eben
> schon nach 40 kHz.

Da ein 40kHz Träger mit max. 12kHz amplitudenmoduliert wird, müsste das 
TP-Filter bei 52kHz abschneiden. Wenn über analoge oder digitale 
Signalverarbeitung das obere Seitenband der AM unterdrückt wird, kann 
das TP-Filter für 40kHz dimensioniert werden.

Zeus schrieb:
> hat der TP-Filter von dir eine konstante Gruppenlaufzeit bzw.

Nein, da es sich, wenn ich mich recht erinnere, um ein Chebyshev 
TP-Filter handelt. Für konstante Gruppenlaufzeit müsste die Phase über 
ein Allpassfilter entweder analog oder digital vorverzerrt bzw. passiv 
nach dem Filter nachverzerrt werden. Bei einem Bessel TP-Filter ändert 
sich die Phase linear (konstante Gruppenlaufzeit) im Durchlassbereich, 
die Selektivität des Filters ist jedoch, selbst bei höherer 
Filterordnung, nicht besonders gut. Siehe Anhang.

> wie finde ich das bei der Simulation in LTSpice auch für andere Filter
> heraus?

Das müsste in LTspice über eine AC-Analyse möglich sein, danach auf der 
rechten y-Achse klicken und "GroupDelay" auswählen.

Zeus schrieb:
> Wäre nur schön, wenn ich ein, zwei Komponenten einsparen könnte da
> ich viele Lautsprecher habe und wenig Platz (und nicht 1000 Teile löten
> will).

Da der Transduces sowieso bei 40kHz eine recht hohe Selektivität 
aufweist, könnte man, um Bauteile einzusparen, ein einfaches Anpassglied 
nehmen. Siehe Anhang. Der Ausgangswiderstand des Verstärkers wird über 
ein Isolationswiderstand auf 10 Ohm erhöht und ein LC-Filter 
transformiert danach auf 330 Ohm (Impedanz bei der 1. Resonanz des 
Transducers). Die Parallelkapazität des Transducers wird im Anpassglied 
absorbiert. Die Bandbreite des Anpassgliedes liegt deutlich über die des 
Transducers. Beachte den Spannungsgewinn durch die 
Aufwärtstransformation.

@argos: Dankeschön nochmals, ich glaube, dass ich mit einem einfachen LC 
Tiefpass wie von dir gezeigt auskommen muss

"da ich viele Lautsprecher habe und wenig Platz (und nicht 1000 Teile 
löten
will).
Sag mal, was haste denn überhaupt im Sinn mit der Nummer?
Fledermäuse anlocken?
Demonstranten verjagen?
Verkaufst das so 'nem Innenminister, Behelfs-Erdogan, Zweit-Noske?

Götz schrieb:
> "da ich viele Lautsprecher habe und wenig Platz (und nicht 1000
> Teile
> löten
> will).
> Sag mal, was haste denn überhaupt im Sinn mit der Nummer?
> Fledermäuse anlocken?
> Demonstranten verjagen?
> Verkaufst das so 'nem Innenminister, Behelfs-Erdogan, Zweit-Noske?

bald orte und jage ich dich damit ;-)

Zeus schrieb:
> ankeschön nochmals, ich glaube, dass ich mit einem einfachen LC
> Tiefpass wie von dir gezeigt auskommen muss

Die Tiefpässe sind notwendig weil auf Verstärker in Klasse-D gesetzt 
wird. Warum war Klasse-AB oder die erweiterte Klasse-H/G nicht OK?

argos schrieb:
> Die Tiefpässe sind notwendig weil auf Verstärker in Klasse-D gesetzt
> wird. Warum war Klasse-AB oder die erweiterte Klasse-H/G nicht OK?

weil mit einem FPGA Phasenverschiebungen eingebracht werden, ich habe 
daher nur ein digitales Signal zur Verfügung und ist ein Klasse D der 
einfachste den ich kenne. H/G kenne ich nicht so gut.

Zeus schrieb:
> weil mit einem FPGA Phasenverschiebungen eingebracht werden, ich habe
> daher nur ein digitales Signal zur Verfügung und ist ein Klasse D der
> einfachste den ich kenne. H/G kenne ich nicht so gut.

OK. H/G sind Erweiterungen der Klasse AB, daher auch nicht passend in 
deinem Fall.

Zwischenzeitig vielen Dank für die fachmännischen Antworten bin jetzt 
schon einen Schritt weiter!!