Clip лиммитеры в усилителях мощности

[Igor]

В данной теме обсуждаем все реализации лиммитеров в усилителях мощности.
Так как Clip лиммитер - это отдельный, особо функциональный узел любого усилителя, любого класса - то тема в общем разделе.

Итак, необходимость данной темы очевидна - имеем проблемы постоянно с высокими уровнями входного сигнала, фидбеки, прочие перегрузки. Это все как плохо и для усилителя, так само и для акустики, особенно для ВЧ драйверов.

По мотивам темы Mister Fox " http://forum.audiosila.com/showthread.php?t=679 " вывод можно сделать один - все фильтра были подвержены выгоранию элементов в следствии перегрузок, которые подавались на усилители с микшеров и прочих источников. То есть, усилитель что-то пытался давить по входным уровням, но не смог А не смог, так как скорее всего лиммитер работал, как компрессор, или не было его, или он был отключен.

Также у Василия были вопросы по лиммитеру в теме http://forum.audiosila.com/showthread.php?t=649

В отчасти я там отписал минуса микросхемного лиммитера на lm13600/13700
В этой теме поговорим про него детально и очень детально

Зацепим и оптику

И один из важных моментов - место размещения самого ограничителя лиммитер в усилителе мощности. Это важный момент. От этого зависит перегрузочаная способность всех, предварительных каскадов усилителя, и собственно говоря, вероятность еще где-то подгадить звук.

[Igor]

Ну и по ходу дела начну про все же известную микруху LM13600(13700)
Это операционный усилитель и изменяемым коэффициенту усиления.
Наибольшее распространение имеет в звукотехнике для применения или для компрессоров, тех же лиммитеров; можно применять, как обычный ОУ.

Но остановимся на стандартом применении для лиммитеров.
Итак, при схеме от даташита нужен для этой микросхемы еще один ОУ.
И с обратным включением 13600 микросхемы мы как бы давим КУ прямого ОУ. Плюс данной микросхемы, что она может в данном включении создать минусовый КУ, что и нужно для глушения выходного уровня с прямого ОУ. Но насколько?..

Схема включения прилагается.
V1 - источник звука, или в схеме, генератор синуса.

X1 - инвертор сигнала с КУ=1

X2 - сумматор балансного входа, который есть в любом, нормального качества ПРО-усилителя.

X3 - прямой ОУ, который включен по схеме усиления тока.

X4 - LM13600

out1 - выход на усилитель мощности.

Start - замыкаем на общий - лиммитер включается.

На схеме нету крутилки громкости.
Она должна стоять перед С4, а можно и после С4 поставить.

[Igor]

Предыдущий пост - не успел приклеить рисунок. Тут он, как 13600_1.

А красным прямоугольником выделил узел, что имеется в усилителе 100%. Для каждого канала этот узел применяется не зависимо.

Давайте глянем по началу на частотный диапазон и КУ на выходе в одном же графике. Рисунок 13600_2.

На выходе имеем фактически 0 дБ. Ну чуток ослаблено, то есть эти все каскады усиления по напряжению не дают.

Включим лиммитер (13600_3)
Да, давит амплитуду, все красиво, смотрим теперь на графики (13600_4)
Было 0 дБ, стало -15.5 дБ.
Лиммитер задавил уровень на 15.5 дБ. Это предел. Больше он не сможет по данной схеме. Можно подкорректрировать. Но это большого разгона не даст (немного наперед укажу).


Допустим усилитель имеет стандарт по входу 0.775В
Возьмем для примера усь на 1 кВт на 4 ома с выходной мощей.

КУ усилительного модуля должен быть 37.3 дБ.

Сумматор усиления ведь не дает.

И именно на модуль даем ровно 0.775 в - он не в клипе, но дает ровно 1 кВт
КПД максимальный. Схемотехника: симметричный дифкаскад - она может дать максимальную раскачку на выходе. Схему усилителя приложу отдельно.

Другими словами лиммитер для усилителя может задавить эффективно величину 4.3 вольта амплитудного, или 3 вольта, если мерить тестером рис. 13600_5
Выходные напряжения микшеров и прочих источников среднеквадратическое указываться и может составлять до 5.5 вольт ( 7.755в амплитудного).
Тут не трудно предсказать, до какого выходного уровня с микшера или другого источника лиммитер в усилителе будет адекватно давить уровень до той отметки, чтобы клип не появился - это как раз 15.5 дБ. С децибеловольтами нужно разобраться отдельно.

НО.
Не забываем, что усилитель работает на динамическом сигнале, на нагрузку не по типу резистора, а динамики с фильтрами, с переменным сопротивлением. Также напряжение в сети не ровно всегда 220В.
Все эти факторы будут провоцировать более ранний клип, и в некоторых моментах 15.5 дБ может оказаться очень мало.
Самый тяжелый режим для усилителя - КЗ по выходу. И интересно выходит, когда, на вход даем сигнал близкий, к максимально-возможному порогу ограничения данного лиммитера. То есть лиммитер должен подавить те + по входу, что генерируют клип по перенапряжению по входу и еще к тому 80 дБ (и даже выше)!!! чтобы сровнять входной сигнал усилителя примерно к уровню шумов, то есть на 100% снять напряжение на усилительный модуль.
Поэтому защита ВК, что дает сигнал на сработку лиммитера при КЗ на выходе особенно при таком лиммитере, с запасом в 15.5 дБ - становится просто бесполезной.
Для такого случая + выхода Х3 было бы проще замкнуть с реле на корпус, тогда на выходе ничего не будет. Но реле сильно медленное, а все полупроводники имеют минимальный порог напряжения, при котором они не пропустят через себя ток (0.6 в - для кремниевого транзистора например).

[ВаСыль]

Очень интересная и полезная тема. Может лучше начать с клип индикации? Она есть на всех моделях ПРО усилков, НО насколько она правильно работает? И как она работает?

[Igor]

Захватим и детектор клипа.
Тут просто коль зацепился, так как с ней буквально недавно имел дело (LM13600). Короче впечатлений не мало осталось.
Просто на индикацию клипа полагаться - не всегда верно.
Например в усилителях ТСМ, нашего производства - клип лиммитер, что внутри усилителя имеет четко детекцию по нелинейным искажениям. Или просадка по напруге, или превышение по току - все эток клип видит сразу.
А от индикация на передней панели клипа - только по напряжению. То есть абсолютно не верна, чем реальный детектор и ограничитель на самом усилителе.
Точнее в ТСМ детектора на клип 2, а ограничитель один. 1 детектор на искажения, второй - по напруге. Хорошо, что детектор по искажения именно и дает сработку на органичение, а не тот детектор, что на напругу.
если рэк с этими усилками будет где-то под сценой за порталами стоять - кому там будет видно ту индикацию??) А от работа того же усилителя и ограничителя нужна максимально надежна и точная, ну и правильная.

Есть не мало усилителей, что имеют лиммитер, в которых детектор фиксирует только выходное напряжение. Конечно такие детекторы не сложны. Но и при токовых перегрузках и по просадке в сети - просто бесполезны. Ну и четка привязка по омности. Точнее именно такой лиммитер на усилитель аналоговый на 4 ома допустим 1000 Вт, а на 8 ом - ровно 500 Вт. Так как лиммит четко по напруге. А не 600-800 Вт, как с детектором по нелинейности или по току. То есть кпд на немного высшем сопротивлении сразу падает на 30%.

Есть у меня схемы на усилители, где применяется только клип лиммитер по току. Как бы интересно - защита от КЗ есть, тем более, что там детектор совмещен с классической защитой выходного каскада. Но если на такой усь насадить высокоомную нагрузку, то сработки по току и ограничения не будет - естественно клип лиммитер автоматически отваливается.

Ну и захвачу более интересные варианты - это сработка по выходному и напряжению и выходного тока - лучше, чем по отдельности, но все равно, при просадке в сети оба этих варианта ограничения становятся бесполезны. Ибо при пониженном напряжении и напруга падает и ток через ВК.

Конечно надо детектор только по нелинейным искажениям. Парки применяют такие детекторы. То конечно с ими дополнительную защиту по току можно и не ставить, так как она ничем не лучше, чем традиционная.

Ну и еще большинство брендов, что стоящие.
Хотя китаец Sven KD-278 имел схемотехнику QSC RMX, но детектор клипа по искажениям на выходе. И причем на две полувольны. Оригинал QSC тоже сделан по нелинейным искажениям, но немного онерционный и реально на ограничитель подает срабоку лишь по одной полуволне сигнала. Оно как бы и ничего, но не совсем, ибо нужно ограничитель подстраивать, чтобы через промежутки противоположных волн сигнала усь не клиппировал.

[ВаСыль]

Все верно. Нормальная клип-индикация должна ориентироваться на появление подреза синуса на выходе (по неЛИ). И не важно от чего заниженного сопротивления, сети, и Т.Д. И уже к нему привязать лимитер.

[Igor]

Данный лиммитер хорошо может защитить усилитель при низком сопротивлении на выходе, или КЗ на выходе - отчасти. Но если нагрузить на более высокоомное сопротивление (8 ом например или, может 4) - никогда фактически не сработает. Ну и порог выходного тока может тоже быть изменен в большую сторону при просадках в сети.
Взял схемку одного, промышленного усилителя, где именно лиммитер по токовой перегрузке. Индикация привязана с детектором одинаково. То есть индикатор показывает точно такую же работу и ограничителя.
Сам ограничитель охватывает входной ОУ и за счет уменьшения собственного сопротивления при сработке - снижает КУ.
Это не оптимальная схема ограничителя в плане подавления, так как КУ не может быть ниже 1. LM13600 в этом плане по лучше, так как КУ мог быть на выходе ОУ ниже 1, ну и не сильно глубокое ограничение он все же не давал, как описывал выше.

[Igor]

Собственно тут только индикация клипа, но ограничителя нет.
Взято от усилка саундкинг.
Ну собственно все предельно просто - транзистор 4Q2 с резисторами и кондером образуют порог сработки и причем только на переменной составляющей.
Ну тоже не идеал - низкое сопротивление нагрузки - защита ВК каскада срабатывает - индикатор не схватит, а перегруз то есть.
Просадка напряжения питания точно также влияет.

Ну и в данной схеме этот узел включен параллельно выходным динамикам, то есть после реле защиты от переходных процессов и постоянного напряжения на выходе.

[Igor]

Взято от схемы JTL Prost T серии. Но новые - тоже думаю, что там та же схемотехника.
На транзисторах CMPSA42 и KSP92 с обвязкой построен сам детектор, с нужным порогом сработки. По обеим полуволнам. NE5532 тут работает, как сумматор сигнала. Ну и дальше пошло на сам оптолиммитер и на индикацию. То есть индикация одинаково показывает сработку клипа.
Однако есть и второй узел, что может быть распаян или нет на усилителе - отслеживание входного напряжения на усилительный модуль.
А что? КУ усилителя мы знаем, и поэтому номинальное, входное напряжение рассчитать можно.
Поэтому на второй NE5532, что обведена как раз и построен детектор с настраиваемым порогом по входному напряжению на усилитель.

Однако несмотря на то, что тут 2 детектора, работают почти не зависимо - они оба работают по напряжению. То есть просадка сетевого, или КЗ или низкий импеданс по выходу - этого всего данные лиммитеры не видят.

[Igor]

Собственно от усилителя American Audio VLP-300
Похоже с предыдущим постом, но только входное.
Ну и реализация - чисто транзисторная.
Тоже на 2 полуволны и порог можно регулировать.
Тут тоже детектор как и на ограничитель, так и на индикацию показывает одинаково. А сам ограничитель точно также построен, как и в 7 посте.
Ну минуса, что у предыдущем посте, для этого детектора тоже сохраняются.