Усилитель звуковой частоты (УЗЧ), или усилитель низкой частоты (УНЧ) является одним из самых распространенных электронных устройств. Все мы получаем звуковую информацию, используя ту или иную разновидность УНЧ. Не все знают, но усилители низкой частоты используются также в измерительной технике, дефектоскопии, автоматике, телемеханике, аналоговой вычислительной технике и других областях электроники.
Хотя, конечно же, основное применение УНЧ – донести до нашего слуха звуковой сигнал с помощью акустических систем, преобразующих электрические колебания в акустические. И сделать это усилитель должен максимально точно. Только в этом случае мы получаем то удовольствие, которое доставляют нам любимая музыка, звуки и речь.
С появления в 1877 фонографа Томаса Эдисона до настоящего времени, ученые и инженеры боролись за улучшение основных параметров УНЧ: прежде всего за достоверность передачи звуковых сигналов, а также за потребительские характеристики, такие как потребляемая мощность, размеры, простота изготовления, настройки и использования.
Начиная с 1920-ых годов сформировалась буквенная классификация классов электронных усилителей, которая используется и по сей день. Классы усилителей отличаются режимами работы применяемых в них активных электронных приборов – электронных ламп, транзисторов и т.д. Основными «однобуквенными» классами являются A, B, C, D, E, F, G, H. Буквы обозначений классов могут сочетаться в случае совмещения некоторых режимов. Классификация не является стандартом, поэтому разработчики и производители могут использовать буквы достаточно произвольно.
Особое место в классификации занимает класс D. Активные элементы выходного каскада УНЧ класса D работают в ключевом (импульсном) режиме, в отличие от остальных классов, где большей частью используется линейный режим работы активных элементов.
Одним из основных преимуществ усилителей класса D является коэффициент полезного действия (КПД), приближающийся к 100%. Это, в частности, приводит к уменьшению рассеиваемой активными элементами усилителя мощности, и, как следствие, уменьшению размеров усилителя за счет уменьшения размеров радиатора. Такие усилители предъявляют значительно меньшие требования к качеству источника питания, который может быть однополярным и импульсным. Другим преимуществом можно считать возможность применения в усилителях класса D цифровых методов обработки сигнала и цифрового управления их функциями – ведь именно цифровые технологии преобладают в современной электронике.
С учетом всех этих тенденций компания Мастер Кит предлагает широкий выбор усилителей класса D , собранных на одной и той же микросхеме TPA3116D2, но имеющих различное назначение и мощность. А для того, чтобы покупатели не тратили время на поиски подходящего источника питания, мы подготовили комплекты усилитель + блок питания , оптимально подходящие друг к другу.
В этом обзоре мы рассмотрим три таких комплекта:
- (Усилитель НЧ D-класса 2х50Вт + источник питания 24В / 100Вт / 4,5A);
- (Усилитель НЧ D-класса 2х100Вт + источник питания 24В / 200Вт / 8,8A);
- (Усилитель НЧ D-класса 1х150Вт + источник питания 24В / 200Вт / 8,8A).
Первый комплект предназначен, прежде всего для тех, кому необходимы минимальные размеры, стереозвук и классическая схема регулировки одновременно в двух каналах: громкость, низкие и высокие частоты. Он включает в себя и .
Сам двухканальный усилитель имеет беспрецедентно маленькие размеры: всего 60 х 31 х 13 мм, не включая ручек регуляторов. Размеры блока питания 129 х 97 х 30 мм, вес – около 340 г.
Несмотря на небольшие размеры, усилитель отдает в нагрузку 4 ома честные 50 ватт на канал при напряжении питания 21 вольт!
В качестве предварительно усилителя применена микросхема RC4508 – двойной специализированный операционный усилитель для аудиосигналов. Он позволяет идеально согласовать вход усилителя с источником сигнала, имеет крайне низкие нелинейные искажения и уровень шума.
Входной сигнал подается на трехконтактный разъем с шагом контактов 2,54 мм, напряжение питания и акустические системы подключаются с помощью удобных винтовых разъемов.
На микросхему TPA3116 с помощью теплопроводящего клея установлен небольшой радиатор, площади рассеяния которого вполне хватает даже на максимальной мощности.
Обращаем ваше внимание на то, что с целью экономии места и уменьшения размеров усилителя отсутствует защита от неверной полярности подключения источника питания (переполюсовки), поэтому будьте внимательны при подаче питания на усилитель.
С учетом небольших размеров и эффективности сфера применения комплекта весьма широка – от замены устаревшего или вышедшего из строя старого усилителя до очень мобильного звукоусилительного комплекта для озвучивания мероприятия или вечеринки.
Пример использования такого усилителя приведен .
На плате отсутствуют отверстия для крепления, но для этого с успехом можно использовать потенциометры, имеющие крепления под гайку.
Второй комплект включает в себя на двух микросхемах TPA3116D2, каждая из которых включена в мостовом режиме и обеспечивает до 100 ватт выходной мощности на канал, а также с выходным напряжением 24 вольта и мощностью 200 ватт.
С помощью такого комплекта и двух 100-ваттных акустических систем можно озвучить солидное мероприятие даже вне помещения!
Усилитель снабжен регулятором громкости с выключателем. На плате установлен мощный диод Шоттки для защиты от переполюсовки блока питания.
Усилитель снабжен эффективными фильтрами низкой частоты, установленными согласно рекомендациям производителя микросхемы TPA3116, и обеспечивающими совместно с ней высокое качество выходного сигнала.
Питающее напряжение и акустические системы подключаются с помощью винтовых разъемов.
Входной сигнал может быть подан как на трехконтактый разъем с шагом 2,54 мм, так и с помощью стандартного аудиоразъема типа Jack 3,5 мм.
Радиатор обеспечивает достаточное охлаждение обеих микросхем и прижимается к их термопадам винтом, расположенным с нижней части печатной платы.
Для удобства использования на плате также установлен светодиод зеленого свечения, сигнализирующий о включении питания.
Размеры платы, с учетом конденсаторов и без учета ручки потенциометра составляют 105 х 65 х 24 мм, расстояния между крепежными отверстиями - 98,6 и 58,8 мм. Размеры блока питания 215 х 115 х 30 мм, вес около 660 г.
Третий комплект представляет собой l и с выходным напряжением 24 вольта и мощностью 200 ватт.
Усилитель обеспечивает до 150 ватт выходной мощности на нагрузке 4 ома. Основное применение этого усилителя – построение качественного и энергоэффективного сабвуфера.
По сравнению со многими другими специализированными сабвуферными усилителями, MP3116btl отлично раскачивает низкочастотные динамики достаточно большого диаметра. Это подтверждается отзывами покупателей рассматриваемого УНЧ. Звук получается насыщенный и яркий.
Радиатор, занимающий большую часть площади печатной платы обеспечивает эффективное охлаждение TPA3116.
Для согласования входного сигнала на входе усилителя применена микросхема NE5532 – двухканальный малошумящий специализированный операционный усилитель. Он имеет минимальные нелинейные искажения и широкую полосу пропускания.
На входе также установлен регулятор амплитуды входного сигнала со шлицем под отвертку. С его помощью можно подстроить громкость сабвуфера под громкость основных каналов.
Для защиты от переполюсовки питающего напряжения на плате установлен диод Шоттки.
Питание и акустические системы подключаются с помощью винтовых разъемов.
Размеры платы усилителя 73 х 77 х 16 мм, расстояния между крепежными отверстиями – 69,4 и 57,2 мм. Размеры блока питания 215 х 115 х 30 мм, вес около 660 г.
Во все комплекты включены импульсные источники питания компании MEAN WELL.
Основанная в 1982 году, компания является ведущим производителем импульсных источников питания в мире. В настоящее время корпорация MEAN WELL состоит из пяти финансово независимых компаний-партнеров на Тайване, в Китае, США и Европе.
Продукция MEAN WELL характеризуется высоким качеством, низким процентом отказов и длительным сроком службы.
Импульсные источники питания, разработанные на современной элементной базе, удовлетворяют самым высоким требованиям по качеству выходного постоянного напряжения и отличаются от обычных линейных источников малым весом и высоким КПД, а также наличием защиты от перегрузки и короткого замыкания на выходе.
Источники питания LRS-100-24 и LRS-200-24, используемые в представленных комплектах, имеют светодиодный индикатор включения и потенциометр для точной регулировки выходного напряжения. Перед подключением усилителя проверьте выходное напряжения, и при необходимости выставьте его уровень на 24 вольта с помощью потенциометра.
В примененных источниках используется пассивное охлаждение, поэтому они совершенно бесшумны.
Необходимо отметить, что все рассмотренные усилители могут быть с успехом применены для конструирования звуковоспроизводящих систем для автомобилей, мотоциклов и даже велосипедов. При питании усилителей напряжением 12 вольт выходная мощность будет несколько меньше, но качество звука не пострадает, а высокий КПД позволяет эффективно питать УНЧ от автономных источников питания.
Также обращаем ваше внимание на то, что все рассмотренные в этом обзоре устройства можно приобрести по отдельности и в составе других комплектов на сайте .
Д. КОЛГАНОВ, г. Калуга
Импульсные источники питания широко используются в современной радиоэлектронной аппаратуре. Чаще стали применять их и радиолюбители, о чем свидетельствует возросшее число публикаций в радиотехнической литературе, в частности в журнале "Радио". Однако в большинстве случаев описываются относительно маломощные конструкции. Автор публикуемой статьи предлагает вниманию читателей импульсный блок питания мощностью 800 Вт. От описанных ранее он отличается применением в преобразователе полевых транзисторов и трансформатора с первичной обмоткой со средним выводом. Первое обеспечивает более высокий КПД и пониженный уровень высокочастотных помех, а второе - вдвое меньший ток через ключевые транзисторы и исключает необходимость в развязывающем трансформаторе в цепях их затворов.
Недостаток такого схемного решения - высокое напряжение на половинах первичной обмотки, что требует применения транзисторов с соответствующим допустимым напряжением. Правда, в отличие от мостового преобразователя, в данном случае достаточно двух транзисторов вместо четырех, что упрощает конструкцию и повышает КПД устройства.
В импульсных блоках питания (ИБП) используют одно- и двухтактные высокочастотные преобразователи. КПД первых ниже, чем вторых, поэтому однотактные ИБП мощностью более 40...60 Вт конструировать нецелесообразно. Двухтактные преобразователи позволяют получать значительно большую выходную мощность при высоком КПД. Они делятся на несколько групп, характеризующихся способом возбуждения выходных ключевых транзисторов и схемой включения их в цепь первичной обмотки трансформатора преобразователя. Если говорить о способе возбуждения, то можно выделить две группы: с самовозбуждением и внешним возбуждением. Первые пользуются меньшей популярностью из-за трудностей в налаживании. При конструировании мощных (более 200 Вт) ИБП сложность их изготовления неоправданно возрастает, поэтому для таких источников питания они малопригодны. Преобразователи с внешним возбуждением хорошо подходят для создания ИБП повышенной мощности и порой почти не требуют налаживания.
Что касается подключения ключевых транзисторов к трансформатору, то здесь различают три схемы: так называемую полумостовую (рис. 1, а), мостовую (рис. 1, б) и с первичной обмоткой, имеющей отвод от середины (рис. 1, в). На сегодняшний день наибольшее распространение получил полумостовой преобразователь . Для него необходимы два транзистора с относительно невысоким значением напряжения Uкэ max. Как видно из рис. 1, а. конденсаторы С1 и С2 образуют делитель напряжения, к которому подключена первичная (I) обмотка трансформатора Т2. При открывании ключевого транзистора амплитуда импульса напряжения на обмотке достигает значения Uпит/2 - Uкэ max.
Мостовой преобразователь аналогичен полумостовому, но в нем конденсаторы заменены транзисторами VT3 и VT4 (рис. 1. б), которые открываются парами по диагонали. Этот преобразователь имеет несколько более высокий КПД за счет увеличения напряжения, подаваемого на первичную обмотку трансформатора, а следовательно, уменьшения тока, протекающего через транзисторы VT1 - VT4. Амплитуда напряжения на первичной обмотке трансформатора в этом случае достигает значения Uпит - 2Uкэ max.
Особняком стоит преобразователь по схеме на рис. 1. в. отличающийся наибольшим КПД. Достигается это за счет уменьшения тока первичной обмотки и. как следствие, уменьшения рассеиваемой мощности в ключевых транзисторах, что чрезвычайно важно для мощных ИБП. Амплитуда напряжения импульсов в половине первичной обмотки возрастает до значения Uпит - Uкэ max. Следует также отметить, что в отличие от остальных преобразователей (1,2) для него не нужен входной развязывающий трансформатор.
В устройстве по схеме на рис. 1. в необходимо использовать транзисторы с высоким значением Uкэ max. Поскольку конец верхней (по схеме) половины первичной обмотки соединен с началом нижней, при протекании тока в первой из них (открыт VT1) во второй создается напряжение, равное (по модулю) амплитуде напряжения на первой, но противоположное по знаку относительно Uпит. Иными словами, напряжение на коллекторе закрытого транзистора VT2 достигает 2Uпит. поэтому его Uкэ max должно быть больше 2Uпит. В предлагаемом ИБП применен двухтактный преобразователь с трансформатором, первичная обмотка которого имеет средний вывод. Он имеет высокий КПД. низкий уровень пульсаций и слабо излучает помехи в окружающее пространство. Автор использует его для питания двухканального умощненного варианта УМЗЧ. описанного в . Входное напряжение ИБП - 180...240 В. номинальное выходное напряжение (при входном 220 В) - 2х50 В. максимальная мощность нагрузки - 800 Вт. рабочая частота преобразователя - 90 кГц.
Принципиальная схема ИБП изображена на рис. 2. Как видно, это преобразователь с внешним возбуждением без стабилизации выходного напряжения. На входе устройства включен высокочастотный фильтр C1L1C2, предотвращающий попадание помех в сеть. Пройдя его, сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом VD1 - VD4. пульсации сглаживаются конденсатором СЗ. Выпрямленное постоянное напряжение (около 310 В) используется для питания высокочастотного преобразователя.
Показать в полный размер
Устройство управления преобразователем выполнено на микросхемах DD1-DD3. Питается оно от отдельного стабилизированного источника, состоящего из понижающего трансформатора Т1. выпрямителя VD5 и стабилизатора напряжения на транзисторах VT1, VT2 и стабилитроне VD6. На элементах DDI. 1. DD1.2 собран задающий генератор, вырабатывающий импульсы с частотой следования около 360 кГц. Далее следует делитель частоты на 4, выполненный на триггерах микросхемы DD2.
С помощью элементов DD3.1, DD3.2 создаются дополнительные паузы между импульсами. Паузой является не что иное, как уровень логического 0 на выходах этих элементов, появляющийся при наличии уровня 1 на выходах элемента DDI.2 и триггеров DD2.1 и DD2.2 (рис. 3). Напряжение низкого уровня на выходе DD3.1 (DD3.2) блокирует DD1.3 (DD1.4) в "закрытом" состоянии (на выходе - уровень логической 1).
Длительность паузы равна 1/3 от длительности импульса (рис. 3, эпюры напряжений на выводах 1 DD3.1 и 13 DD3.2), чего вполне достаточно для закрывания ключевого транзистора. С выходов элементов DD1.3 и DDI .4 окончательно сформированные импульсы поступают на транзисторные ключи (VT5. VT6), которые через резисторы R10, R11 управляют затворами мощных полевых транзисторов VT9, VT10.
Импульсы с прямого и инверсного выходов триггера DD2.2 поступают на входы устройства, выполненного на транзисторах VT3. VT4. VT7. VT8. Открываясь поочередно, VT3 и VT7. VT4 и VT8 создают условия для быстрой разрядки входных емкостей ключевых транзисторов VT9, VT10. т. е. их быстрого закрывания. Причем, как видно из рис. 3 (эпюры напряжений на выводах 12 и 13 DD2.2). VT7 и VT8 открываются сразу же после окончания импульса, поэтому при любой выходной мощности каждый из транзисторов VT9, VT10 всегда успевает надежно закрыться до открывания второго. Если бы это условие не выполнялось, через них, а следовательно, через первичную обмотку трансформатора Т2 протекал бы сквозной ток. который не только уменьшает надежность и КПД ИБП. но и создает всплески напряжения, амплитуда которых порой превышает напряжение питания преобразователя.
В цепи затворов транзисторов VT9 и VT10 включены резисторы относительно большого сопротивления R10 и R11.Вместе с емкостью затворов они образуют фильтры нижних час мл, уменьшающие уровень гармоник при открывании ключей. С этой же целью введены элементы VD9-VD12. П16, R17, С12.С13
В стоковые цепи транзисторов VT9. VT10 включена первичная обмотка трансформатора Т2. Выпрямители выходного напряжения выполнены по мостовой схеме на диодах VD13 - VD20, что несколько уменьшает КПД устройства, но значительно (более чем в пять раз) снижает уровень пульсаций на выходе ИБП. Важно отметить, что форма колебаний, почти прямоугольная при максимальной нагрузке, плавно переходит в близкую к синусоидальной при уменьшении мощности до 10...20 Вт. что положительно сказывается на уровне шумов УМЗЧ при малой громкости.
Выпрямленное
напряжение обмотки IV трансформатора
Т2 используют для питания вентиляторов
(см. далее).
В устройстве применены конденсаторы К73-17 (С1. С2. С4). К50-17 (СЗ), МБМ (С12. С13). К73-16 (С14-С21. С24. С25). К50-35 (С5-С7). КМ (остальные). Вместо указанных на схеме допустимо применение микросхем серий К176. К564. Диоды Д246 (VD1-VD4) заменимы на любые другие, рассчитанные на прямой ток не менее 5 А и обратное напряжение не менее 350 В (КД202К. КД202М. КД202Р, КД206Б. Д247Б). или диодный выпрямительный мост с такими же параметрами, диоды КД2997А (VD13-VD20) - на КД2997Б. КД2999Б. стабилитрон Д810 (VD6) - на Д814В. В качестве VT1 можно использовать любые транзисторы серий КТ817. КТ819. в качестве VT2-VT4 и VT5, VT6 - соответственно любые из серий КТ315. КТ503. КТЗЮ2 и КТ36К КТ502. КТ3107. на месте VT9. VT10 - КП707В1. КП707Е1. Транзисторы КТ3102Ж (VT7. VT8) заменять не рекомендуется.
Трансформатор Т1 - ТС-10-1 или любой другой с напряжением вторичной обмотки 11... 13 В при токе нагрузки не менее 150 мА. Катушку L1 сетевого фильтра наматывают на ферритовом (М2000НМ1) кольце типоразмера К31М8,5у7 проводом ПЗВ-1 1,0(2x25 витков), трансформатор Т2 - на трех склеенных вместе кольцах из феррита той же марки, но типоразмера К45х28х12. Обмотка I содержит 2x42 витка провода ПЭВ-2 1,0 (наматывают едва провода), обмотки II и III - по 7 витков (в пять проводов ПЭВ-2 0,8), обмотка IV - 2 витка ПЭВ-2 0.8. Между обмотками прокладывают три слоя изоляции из фторопластовой ленты. Магнитопроводы дросселей L2, L3 - ферритовые (1500НМЗ) стержни диаметром 6 и длиной 25 мм (подстроечники от броневых сердечников Б48). Обмотки содержат по 12 витков провода ПЭВ-1 1.5.
Транзисторы VT9. VT10 устанавливают на теплоотводах с вентиляторами, применяемых для охлаждения микропроцессоров Pentium (подойдут аналогичные узлы и от процессоров 486). Диоды VD13-VD20 закрепляют на тепло-отводах с площадью поверхности около 200 см2. Для охлаждения транзисторов выходного каскада УМЗЧ на задней стенке устанавливают вентилятор от компьютерного блока питания или любой другой с напряжением питания 12 В.
При монтаже ИБП следует стремиться к тому, чтобы все соединения были возможно короче, а в силовой части использовать провод возможно большего сечения. ИБП желательно заключить в металлический экран и соединить его с выводом 0 В выхода источника, как показано на рис. 4. Общий провод силовой части с экраном соединяться не должен. Поскольку ИБП не оснащен устройством защиты от короткого замыкания и перегрузки, в цепи питания УМЗЧ необходимо включить предохранители на 10 А.
В налаживании описанный ИБП практически не нуждается. Важно только правильно сфазировать половины первичной обмотки трансформатора Т2. При исправных деталях и отсутствии ошибок в монтаже блок начинает работать сразу после включения в сеть. Если необходимо, частоту преобразователя подстраивают подбором резистора R3. Для повышения надежности ИБП желательно эксплуатировать его с УМЗЧ, в котором предусмотрена сквозная продувка вентилятором.
ЛИТЕРАТУРА 1. Жучков В., Зубов О., Радутный И. Блок питания УМЗЧ. - Радио. 1987, ╧ 1. с. 35-37. 2. Цветаев С. Мощный блок питания. -Радио. 1990. ╧ 9. с. 59-62. 3. Брагин Г. Усилитель мощности 34. -Радио. 1987. N9 4. с. 28-30.
Приветик всем!!!
Представляю вашему вниманию испытанную мной схему достаточно простого импульсного сетевого блока питания УМЗЧ. Мощность блока составляет около 180 Вт.
Краткие характеристики ИБП
Входное напряжение - 220В;Выходное напряжение - ±25В;
Частота преобразования - 27кГц;
Максимальный ток нагрузки - 3,5А.
Схема импульсного блока питания
Схема достаточно проста:Она представляет из себя полумостовой инвертор с переключающим насыщаюшимся трансформатором. Конденсаторы С1 и С2 образуют делитель напряжения для одной половины полумоста, а так же сглаживают пульсации сетевого напряжения. Второй половиной полумоста являются транзисторы VT1 и VT2, управляемые переключающим трансформатором Т2. В диагональ моста включена первичная обмотка силового трансформатора Т1, который рассчитан так что он не насыщается во время работы.
Для надёжного запуска преобразователя, применён релаксационный генератор на транзисторе VT3, работающем в лавинном режиме.
Кратко принцип его работы. Конденсатор С7 заряжается через резистор R3, при этом напряжение на коллекторе транзистора VT3 пилообразно растёт. При достижении этого напряжения примерно 50 – 70В, транзистор лавинообразно открывается, и конденсатор разряжается через транзистор VT3 на базу транзистора VT2 и обмотку III трансформатора Т2, тем самым запуская преобразователь.
Конструкция и детали ИБП
Блок питания собран на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита.Чертёж платы не привожу, так как у каждого в заначке свои детали. Ограничусь лишь фото своей платы:
По моему, утюжить такую плату не имеет смысла, она слишком простая.
В качестве транзисторов VT1 и VT2 можно применить отечественные КТ812, КТ704, КТ838, КТ839, КТ840, то есть с граничным напряжением коллектор-эмиттер не менее 300В, из импортных знаю только J13007 и J13009, они применяются в компьютерных БП. Диоды можно заменить любыми другими мощными импульсными или с барьером шоттки, я, например, использовал импортные FR302.
Трансформатор Т1 намотан на двух сложенных кольцах К32×19Х7 из феррита марки М2000НМ, первичная обмотка намотана равномерно по всему кольцу и составляет 82 витка провода ПЭВ-1 0,56. Перед намоткой необходимо скруглить острые кромки колец алмазным надфилем или мелкой наждачной бумагой и обмотать слоем фторопластовой ленты, толщиной 0,2 мм, так же нужно обмотать и первичную обмотку. Обмотка III намотана сложенным вдвое проводом ПЭВ-1 0,56 и составляет 16+16 витков с отводом от середины. Обмотка II намотана двумя витками провода МГТФ 0,05, и расположена на свободном от обмотки III месте.
Трансформатор Т2 намотан на кольце К10×6Х5 из феррита той же марки. Все обмотки намотаны проводом МГТФ 0,05. Обмотка I состоит из десяти витков, а обмотки II и III намотаны одновременно в два провода и составляют шесть витков.
Наладка ИБП
ВНИМАНИЕ!!! ПЕРВИЧНЫЕ ЦЕПИ БП НАХОДЯТСЯ ПОД СЕТЕВЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ, ПОЭТОМУ НУЖНО СОБЛЮДАТЬ МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ ПРИ НАЛАДКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ.
Первый запуск блока желательно производить подключив его через токоограничивающий резистор, представляющий из себя лампу накаливания мощностью 200 Вт и напряжением 220 В. Как правило, правильно собранный БП в наладке не нуждается, исключение составляет лишь транзистор VT3. Проверить релаксатор можно подключив эмиттер транзистора к минусовому полюсу. После включения блока, на коллекторе транзистора должны наблюдаться пилообразные импульсы частотой около 5 Гц.
Казалось бы что может быть проще, подключить усилитель к блоку питания , и можно наслаждаться любимой музыкой?
Однако, если вспомнить, что усилитель по сути модулирует по закону входного сигнала напряжение источника питания, то станет ясно, что к вопросам проектирования и монтажа блока питания стоит подходить очень ответственно.
Иначе ошибки и просчёты допущенные при этом могут испортить (в плане звука) любой, даже самый качественный и дорогой усилитель.
Стабилизатор или фильтр?
Удивительно, но чаще всего для питания усилителей мощности используются простые схемы с трансформатором, выпрямителем и сглаживающим конденсатором. Хотя в большинстве электронных устройств сегодня используются стабилизированные блоки питания. Причина этого заключается в том, что дешевле и проще спроектировать усилитель, который бы имел высокий коэффициент подавления пульсаций по цепям питания, чем сделать относительно мощный стабилизатор. Сегодня уровень подавления пульсаций типового усилителя составляет порядка 60дБ для частоты 100Hz , что практически соответствует параметрам стабилизатора напряжения. Использование в усилительных каскадах источников постоянного тока, дифференциальных каскадов, раздельных фильтров в цепях питания каскадов и других схемотехнических приёмов позволяет достичь и ещё больших значений.
Питание выходных каскадов чаще всего делается нестабилизированным. Благодаря наличию в них 100% отрицательной обратной связи, единичному коэффициенту усиления, наличию ОООС, предотвращается проникновение на выход фона и пульсаций питающего напряжения.
Выходной каскад усилителя по сути является регулятором напряжения (питания), пока не войдет в режим клиппирования (ограничения). Тогда пульсации питающего напряжения (частотой 100 Гц) модулируют выходной сигнал, что звучит просто ужасно:
Если для усилителей с однополярным питанием происходит модуляция только верхней полуволны сигнала, то у усилителей с двухполярным питанием модулируются обе полуволны сигнала. Большинству усилителей свойственен этот эффект при больших сигналах (мощностях), но он никак не отражается в технических характеристиках. В хорошо спроектированном усилителе эффекта клиппирования не должно происходить.
Чтобы проверить свой усилитель (точнее блок питания своего усилителя), вы можете провести эксперимент. Подайте на вход усилителя сигнал частотой чуть выше слышимой вами. В моём случае достаточно 15 кГц:(. Повышайте амплитуду входного сигнала, пока усилитель не войдёт в клиппинг. В этом случае вы услышите в динамиках гул (100Гц). По его уровню можно оценить качество блока питания усилителя.
Предупреждение! Обязательно перед этим экспериментом отключите твиттер вышей акустической системы иначе он может выйти из строя.
Стабилизированный источник питания позволяет избежать этого эффекта и приводит к снижению искажений при длительных перегрузках. Однако, с учётом нестабильности напряжения сети, потери мощности на самом стабилизаторе составляют примерно 20%.
Другой способ ослабить эффект клиппирования это питание каскадов через отдельные RC-фильтры, что тоже несколько снижает мощность.
В серийной технике такое редко применяется, так как помимо снижения мощности, увеличивается ещё и стоимость изделия. Кроме того, применение стабилизатора в усилителях класса АВ может приводить к возбуждению усилителя из-за резонанса петель обратной связи усилителя и стабилизатора.
Потери мощности можно существенно сократить, если использовать современные импульсные блоки питания. Тем не менее, здесь всплывают другие проблемы: низкая надёжность (количество элементов в таком блоке питания существенно больше), высокая стоимость (при единичном и мелко-серийном производстве), высокий уровень ВЧ-помех.
Типовая схема блока питания для усилителя с выходной мощностью 50Вт представлена на рисунке:
Выходное напряжение за счёт сглаживающих конденсаторов больше выходного напряжения трансформатора примерно в 1,4 раза.
Пиковая мощность
Несмотря на указанные недостатки, при питании усилителя от нестабилизированного источника можно получить некоторый бонус — кратковременную (пиковую) мощность выше, чем мощность блока питания, за счёт большой ёмкости фильтрующих конденсаторов. Опыт показывает, что требуется минимум 2000мкФ на каждые 10Вт выходной мощности. За счёт этого эффекта можно сэкономить на трансформаторе питания — можно использовать менее мощный и, соответственно, дешёвый трансформатор. Имейте ввиду, что измерения на стационарном сигнале этого эффекта не выявят, он проявляется только при кратковременных пиках, то есть при прослушивании музыки.
Стабилизированный блок питания такого эффекта не даёт.
Параллельный или последовательный стабилизатор?
Бытует мнение, что параллельные стабилизаторы лучше в аудиоустройствах, так как контур тока замыкается в локальной петле нагрузка-стабилизатор (исключается источник питания), как показано на рисунке:
Тот же эффект дает установка разделительного конденсатора на выходе. Но в этом случае ограничивает нижняя частота усиливаемого сигнала.
Защитные резисторы
Каждому радиолюбителю наверняка знаком запах горелого резистора. Это запах горящего лака, эпоксидной смолы и... денег. Между тем, дешёвый резистор может спасти ваш усилитель!
Автор при первом включении усилителя в цепях питания вместо предохранителей устанавливает низкоомные (47-100 Ом) резисторы, которые в несколько раз дешевле предохранителей. Это не раз спасало дорогие элементы усилителя от ошибок в монтаже, неправильно выставленного тока покоя (регулятор поставили на максимум вместо минимума), перепутанной полярности питания и так далее.
На фото показан усилитель, где монтажник перепутал транзисторы TIP3055 с TIP2955.
Транзисторы в итоге не пострадали. Все закончилось хорошо, но не для резисторов, и комнату проветривать пришлось.
Главное — падение напряжения
При проектировании печатных плат блоков питания и не только не надо забывать, что медь не является сверхпроводником. Особенно это важно для «земляных» (общих) проводников. Если они тонкие и образуют замкнутые контуры или длинные цепи, то в из-за протекающего тока на них получается падение напряжения и потенциал в разных точках оказывается разным.
Для минимизации разности потенциалов принято общий провод (землю) разводить в виде звезды — когда к каждому потребителю идёт свой проводник. Не стоит термин «звезда» понимать буквально. На фото показан пример такой правильной разводки общего провода:
В ламповых усилителях сопротивление анодной нагрузки каскадов довольно высокое, порядка 4кОм и выше, а токи не очень велики, поэтому сопротивление проводников не играет существенной роли. В транзисторных усилителях сопротивления каскадов существенно ниже (нагрузка вообще имеет сопротивление 4Ом), а токи гораздо выше, чем в ламповых усилителях. Поэтому влияние проводников тут может быть весьма существенным.
Сопротивление дорожки на печатной плате в шесть раз выше, чем сопротивление отрезка медного провода такой же длинны. Диаметр взят 0,71мм, это типичный провод, который используется при монтаже ламповых усилителей.
0.036 Ом в отличие от 0.0064 Ом! Учитывая, что токи в выходных каскадах транзисторных усилителей могут в тысячу раз превышать ток в ламповом усилителе, получаем, что падение напряжения на проводниках может быть в 6000! раз больше. Возможно, это одна из причин, почему транзисторные усилители звучат хуже ламповых. Это также объясняет, почему собранные на печатных платах ламповые усилители часто звучат хуже прототипа, собранного навесным монтажом.
Не стоит забывать закон Ома! Для снижения сопротивления печатных проводников можно использовать разные приёмы. Например, покрыть дорожку толстым слоем олова или припаять вдоль дорожки лужёную толстую проволоку. Варианты показаны на фото:
Импульсы заряда
Для предотвращения проникновения фона сети в усилитель нужно принять меры от проникновения импульсов заряда фильтрующих конденсаторов в усилитель. Для этого дорожки от выпрямителя должны идти непосредственно на конденсаторы фильтра. По ним циркулируют мощные импульсы зарядного тока, поэтому ничего другого к ним подключать нельзя. цепи питания усилителя должны подключаться к выводам конденсаторов фильтра.
Правильное подключение (монтаж) блока питания для усилителя с однополярным питанием показан на рисунке:
Увеличение по клику
На рисунке показан вариант печатной платы:
Пульсации
Большинство нестабилизированных источников питания имеют после выпрямителя только один сглаживающий конденсатор (или несколько включенных параллельно). Для улучшения качества питания можно использовать простой трюк: разбить одну ёмкость на две, а между ними включить резистор небольшого номинала 0,2-1 Ом. При этом даже две ёмкости меньшего номинала могут оказаться дешевле одной большой.
Это дает более плавные пульсации выходного напряжения с меньшим уровнем гармоник:
При больших токах падение напряжения на резисторе может стать существенным. Для его ограничения до 0,7В параллельно резистору можно включить мощный диод. В этом случае, правда, на пиках сигнала, когда диод будет открываться, пульсации выходного напряжения опять станут «жесткими».
Продолжение следует...
Статья подготовлена по материалам журнала «Практическая электроника каждый день»
Вольный перевод: Главного редактора «РадиоГазеты»
Рассказать в:Предлагаемый вниманию читателей импульсный источник питания (ИИП) обеспечивает двуполярное выходное напряжение и предназначен для питания УМЗЧ. От аналогичного ИИП (Москатов Е. "Импульсный источник питания для УМЗЧ". - Радио, 2007, № 10, с. 36-39) данное устройство отличается почти в два раза большей максимальной выходной мощностью, наличием системы стабилизации выходного напряжения и существенно меньшим числом примененных элементов.Основные технические характеристикиНапряжение питающей сетипеременного тока, В.....230 ±15%Частота питающего напряжения, Гц.....................50Частота преобразования, кГц.....132Стабилизированное выходное напряжение, В..........2x50Максимальная мощностьнагрузки, Вт, не более........290Амплитуда пульсаций выходного напряжения, В.......0,15Максимальный КПД, % ...........84Принципиальная схема устройства показана на рисунке. Сетевое напряжение через плавкую вставку FU1 и выключатель питания SA1 поступает на фильтр C1L1C3, который подавляет помехи, проникающие в сеть отИИП. Варистор RU1 защищает элементы ИИП от аварийного повышения напряжения питающей сети. После фильтра сетевое напряжение выпрямляет диодный мост VD4, а конденсатор С5 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Терморезистор RK1 с отрицательным ТКС ограничивает зарядный ток этого конденсатора при включении устройства. Защитный диод VD2 ограничивает выбросы напряжения на обмотке I трансформатора Т1 и тем самым защищает микросхему DA1 от выхода ее из строя.Диоды VD6 и VD7 совместно с конденсаторами С6, С7 образуют двуполярный выпрямитель, а светодиод HL1 совместно с токоограничивающим резистором R6 - цепь индикации наличия выходного напряжения ИИП. Одно-полупериодный выпрямитель на диоде VD5 со сглаживающим конденсатором С8 предназначен для питания вентилятора М1 постоянным напряжением 12 В. Этот вентилятор необходим для обдува теплоотвода и, кроме того, он совместно с цепью индикации выполняет функцию постоянной нагрузки ИИП.Дополнительный маломощный выпрямитель собран на диоде VD3, конденсатор С4 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Стабилизация выходного напряжения ИИП осуществляется с помощью оптопары U1 и стабилитрона VD8. При увеличениивыходного напряжения ток через излучающий диод оптопары возрастает, сопротивление фототранзистора этой оптопары уменьшается и напряжение на входе С микросхемы DA1 возрастает - скважность импульсов через обмотку I увеличивается, следовательно, выходные напряжения ИИП уменьшаются. На элементах C9,C10,L2 собран ФНЧ, уменьшающий амплитуду пульсаций выходных напряжений.В устройстве применены постоянные резисторы МЛТ, ОМЛТ, С2-22, С2-23 мощность резистора R3 (2 Вт) выбрана не из-за рассеиваемой на неммощности, а только с учетом максимально допустимого напряжения. Под-строечный резистор - 3329Н-1 или СПЗ-19а, варистор RU1 - JVR-7N391K, JVR-10N391K, JVR-10N431K, JVR-14N391K, JVR-14N431K. Терморезистор RK1 с отрицательным ТКС - любой из серии NTC, обладающий сопротивлением в нормальном состоянии от 10...33 Ом, допускающий протекание тока не менее 3 АОксидные конденсаторы - импортные фирмы Elzet или СарХоп, они должны быть рассчитаны на работу на пульсирующем напряжении с частотой пульсаций не менее 132 кГц. Их можно заменить отечественными конденсаторами К50-35 и аналогичными при условии, что они будут зашунтированы керамическими (КМ-5, КМ-6, К10-17) или пленочными (К73-16, К73-17) конденсаторами на рабочее напряжение не менее 50 В и емкостью 0,047...0,47 мкФ. Конденсаторы С1, СЗ - серии FKP1 или МКР10 фирмы Wima.Диодный мост KBU8M можно заменить на мост BR1010, KBU606, KBU8K, KBU10K или RS807, стабилитрон ZY6.2 - на 1N4735A, ZY6.8, BZX85B-6V2, BZX85C-6V2, 1 N5341В или 1N5342B, а диод 1.5КЕ350СА - на SMBJ200CA или Р6КЕ300СА. Диоды 15ЕТН03 заменимы на 15ЕТН06, 15ETX06S, 30ЕРН06, 30ЕТН06, BYV29-500, BYC10-600, DSEI12-06А или FES16JT, диоды 1N4934 - на BYD33D, ES1B, ES2B, ER1B, ER1D, FR103, MUR120, FYR120, MURS110,SF12, SF22, UF4002. Взамен светодио-да КИПД02Г-1Л можно применить све-тодиоды КИПД36Ж1-Р, КИПД36И1-Р, КИПМ15М-1Р, КИПД02В-1Л, АЛ307ГМ, АЛ307НМ, АЛ307ПМ, а взамен оптопары РС817 - LTV816, LTV817, LTV817A или РС816. Выключатель питания должен обеспечивать коммутацию переменного напряжения 250 В при токе до 3 А, подойдет, например, SC768.Дроссель L1 намотан проводом ПЭЛШО 0,8 на магнитопроводе КП15х7х6,5 из материала МП-140. Намотку ведут вдвое сложенным проводом до заполнения окна. Для изго-
товления импульсного трансформатора применен магнитопровод Ш 12x15 из феррита 3000НМС, специально разработанного для работы в сильных магнитных полях. Толщина зазора в магнитопроводе составляет 0,16 мм. Обмотка I содержит 60 витков провода ПЭВ-2, ПЭЛШО 0,6, а обмотка II - 5 витков такого же провода диаметром 0,12 мм. Обмотка III содержит 15+2+2+15 витков литценд-рата, состоящего из 16 жил изолированного провода с диаметром каждой 0,15 мм. Обмотки изолируют одну от другой тремя слоями фторопластовой, майларовой или лакотканевой ленты. Такой же литцендрат применен для изготовления дросселя 12 - он намотан на тороидальном магнитопроводе КП24х13x6,5 мм из материала МП-140, намотку также ведут вдвое сложенным проводом до заполнения.Микросхему TOP250Y (в корпусе ТО-220-7С) допустимо заменить на TOP250R (в корпусе ТО-263-7С) или TOP250F (в корпусе ТО-262-7С). В любом случае микросхему крепят на теп-лоотводе с площадью поверхности не менее 40 см2. Место теплового контакта микросхемы и теплоотвода желательно смазать теплопроводной пастой, например КПТ-8. На этом же теп-лоотводе через диэлектрические теп-лопроводящие прокладки крепят диоды VD6 и VD7.Вентилятор М1 размерами 40x40x12 мм и напряжением питания 12 В - производства фирмы Gembird, но можно применить аналогичный от компьютерной техники. Налаживание сводится к точной установке постоянных выходных напряжений подстроечным резистором R5. Раздел: