В этой статье описываются схема блока питания для усилителей мощности звука, обладающего экологическими и экономическими качества одновременно, которые идеально подходят для любителей качественного звука.
Экологическая схема блока питания для усилителей мощности
Данный проект представляет собой улучшенную схему блока питания для усилителей мощности звука (см. Фото 1), который ведет себя как резистивная нагрузка по отношению к сетевому напряжению. Таким образом, ток, потребляемый из сети, имеет ту же форму, что и напряжение, подаваемое в сеть, и ту же фазу, так что коэффициент мощности очень близок к 1. Следовательно, действующее значение потребляемого тока является более низким и при этом обеспечивает несколько преимуществ звука.
В этой конструкции я старался ограничить трудности в сборке данного устройства. Представленная здесь схема блока питания, обеспечивает хорошее регулирование силовой шины и незначительную пульсацию с низким уровнем гармоник. Вы также получаете более низкие электромагнитные наводки 50 Гц. Сравнение классического и нового подходов в конструировании БП показано в таблице 1.
Схема блока питания рассчитана на усилители мощности 100 Вт RMS/4 или 8 Ом. Из этого следует, что выходная мощность одновременно ограничивается регулированием выходного напряжения и выходного тока. Поскольку среднеквадратичный ток низкий и почти синусоидальный, то и трансформатор с повышенной мощностью не требуется.
Во-вторых, электромагнитное излучение от источника питания и трансформатора, которое часто вызывает помехи в усилителе мощности, имеют незначительное значение, тоже самое и гармоники меньше. В-третьих, вам не придется покупать дорогой экранированный сетевой кабель.
Так как выход регулируется, выходное сопротивление постоянного тока низкое. Это важно, если вы хотите получить расширенную полную мощность от усилителя мощности. Классическим решением было бы переоценить все компоненты блока питания. Переходный отклик также быстрее и имеет меньшую пульсацию. Поскольку форм-фактор текущей ИК-зарядки сглаживающих конденсаторов близок к 1, эти конденсаторы могут быть в четыре раза меньше.
Теперь предположим, что вы строите усилитель мощности. Классическое решение для блока питания — использование трансформатора, мостового выпрямителя и сглаживающих конденсаторов.
Допустим, это усилитель мощности 100 Вт RMS/8 Ом. Чтобы правильно оценить свой блок питания, необходимо учитывать:
- Ток покоя усилителя мощности
- Падение напряжения на силовых транзисторах.
- КПД усилителей мощности класса AB на полной мощности
- Сопротивление блока питания постоянному току.
- Коэффициент мощности блока питания
- КПД трансформатора
Вам может понадобиться трансформатор не менее 300 ВА (600 ВА для стерео). Вот почему домашние мастера часто используют трансформаторы «чрезмерных размеров», и они правы. Вы наверное тоже захотите, чтобы сопротивление постоянному току было как можно более низким, чтобы получить полную мощность от вашего усилителя.
Вам нужно, чтобы пульсации шин питания были как можно меньше, поскольку ограниченный коэффициент отклонения цепи питания вашего усилителя может привести к гудению усилителя мощности. «Классическое» решение — использовать большие конденсаторы блока питания.
С этим новым блоком питания вам не придется быть недовольным трансформатором, если у него отличный коэффициент мощности, правильные характеристики и есть возможность регулировки мощности — 150 ВА достаточно. Вам также не придется грешить на сглаживающие конденсаторы из-за тока, питающего эти конденсаторы.
Наконец, ваши впечатления от прослушивания усилителя на низких и высоких уровнях улучшаться. (Обратите внимание, что выходная пульсация также важна, когда усилитель мощности насыщается. Более плавная пульсация даст меньше неприятные искажения.) Восприятие прослушивания среднего уровня, вероятно, не сильно изменится, за исключением, возможно, удовлетворения от использования более экологичного усилителя мощности.
Общепризнанно, что энергопотребление является экологической проблемой, но следует помнить, что при этом следует избегать использования реактивных и искаженных токов. К счастью, эти проблемы могут быть полностью совместимы с пожеланиями любителей хорошего звука. Вот почему я предлагаю эту схему блока питания своими руками.
Таблица 1: Здесь мы сравниваем «классические» топологии блоков питания с новым подходом.
Рисунок 1: Топология этого источника питания называется методом Imax.
Рисунок 2: Это функциональная схема фильтра, выпрямителя и цепи питания блока питания.
Топология устройства питания
Такая схема блока питания не является революционной. Данная конструкция существует уже много лет, но, к сожалению, в усилителях мощности она не используется. И хотя этот проект мог бы работать даже без трансформатора, я все же интегрировал трансформатор в это устройство по одной важной причине: без трансформаторного блока питания может быть опасно работать, поэтому я предпочитаю, чтобы он был безопасным в зонах высокого напряжения.
Тот факт, что это может быть небольшой трансформатор в сочетании с относительно небольшими сглаживающими конденсаторами, компенсирует стоимость печатной платы, так что это остается экономически выгодным решением. Топология не самая популярная, она сочетает в себе импульсный источник питания, которому предшествует корректор коэффициента мощности (PFC).
Используемый здесь метод называется «методом Imax» (см. Рисунок 1). Основное отличие состоит в том, что здесь задействована только одна структура. Вы можете найти одну или несколько микросхем, предназначенных для этой топологии, но я не использую их по двум причинам.
Во-первых, я стараюсь не применять специализированные микросхемы для своих проектов, чтобы компоненты можно было легко найти. Во-вторых, эти специализированные микросхемы переключаются на напряжении постоянной частоты, что не подходит для конструкции с переменным выходным напряжением из-за естественного переключения между двумя режимами. В результате этого ток больше не является синусоидальным.
Наконец, игнорирование специализированных компонентов обеспечивает большую гибкость и возможности для дальнейшего развития, и вы можете узнать больше, изучив подробнее этот проект. Итак, по сути, в основе блока питания лежит повышенно-понижающая структура. Он всегда работает в режиме полного размагничивания, так что IMAX (пиковый ток в катушке) пропорционален Ton и напряжению на шине питания коммутационной структуры, которая является фильтром трансформатора и выпрямленным выходом.
Таким образом, ток, потребляемый трансформатором, имеет форму напряжения сети, а его амплитуда пропорциональна Ton. На рисунке 2 показана функциональная схема фильтра, выпрямителя и цепи питания блока питания. Ton управляется через обратную связь для регулирования выходного напряжения независимо от выходного тока IC.
Ограничение Ton обеспечивает ограничение тока, которое вызывает ограничение мощности (путем насыщения обратной связи), когда выходное напряжение Vout превышает 33 В. При коротком замыкании источника питания катушка становится шумной из-за низкой частоты переключения, но ток никогда не превышает 6 А и даже ниже, когда Vout закорочен до абсолютного 0 В.
Я не буду здесь вдаваться в подробности схемы. Здесь мы сосредоточимся на практическом применении. В таблице 2 показаны формы сигналов источника питания.
Таблица 2: Схема блока питания включают в себя формы сигналов: a) треугольную форму и МОП-транзистор (без JP1); б) треугольную форму и МОП-транзистор (Ich = 2 А); в) напряжение и ток сети (Iч = 2 А); и d) напряжения питания.
Рисунок 3: Здесь показаны фильтр, выпрямитель и схема питания.
Схема блока питания и элементы
Схема включают в себя следующие элементы: LC-фильтр, выпрямитель и зарядовый насос; понижающе-повышающий преобразователь; генератор треугольных сигналов; нелинейная обратная связь; линейная обратная связь; силовой МОП-транзистор. LC-фильтр сглаживает ток, потребляемый переключающим преобразователем, а затем выдает среднее значение этого тока в течение периода переключения перед фильтром (см. Рисунок 3).
Для выпрямителя средний ток за период переключения является выпрямленным синусом после этого выпрямителя (всегда положительным) и синусоидальным перед ним. Диоды представляют собой диоды Шоттки, которые установлены на алюминиевом уголке в качестве теплоотвода. Зарядовый насос подает вспомогательное напряжение для цепи регулирования.
На рисунке 4 показана структура повышающего напряжения, она работает как повышающая, потому что выходное заземление — это не не общая масса конструкции, а ее питающая шина. Катушку я изготавливал самостоятельно, ничего сложного в этом нет. Вам понадобится 4 метра кабеля из более чем 600 жил.
Многожильный провод обеспечивает низкий скин-эффект. Это очень важно для этих устройств из-за сильных и быстро меняющихся колебаний тока в катушке в результате режима полного размагничивания. Выбирайте конденсаторы с низким ESR (C22, C23), чтобы повысить эффективность и увеличить срок службы. Они не должны быть ниже по стоимости из соображений стабильности, но могут быть больше.
Рисунок 4: Это диаграмма понижающего напряжения.
Рисунок 5: Генератор треугольного сигнала с частотным регулированием управляется входом обратной связи.
Частота генератора треугольного сигнала регулируется входом обратной связи. Выходной сигнал этого генератора сравнивается с напряжением обратной связи для управления полевым МОП-транзистором (см. Рисунок 5). Поскольку обратная связь управляет частотой этого сигнала генератора и переключением Ton/Tsw одновременно, при изменении частоты Ton_max не изменяется.
Для нелинейной обратной связи, показанной на рисунке 6, Ton_max может быть уменьшено этой схемой путем отключения при превышении выходного предела. Цепь безопасности является дополнительной мерой в случае всплеска мощности. В этом случае загорится светодиод.
На рисунке 7 показана линейная обратная связь, которая позволяет частоте переключения быть пропорциональной выходному напряжению, так что структура переключения всегда работает в режиме полного размагничивания. Это полезно для создания кратковременного ограничения среднего выходного тока, в то время как сглаживающие конденсаторы допускают импульсы выходного тока, намного превышающие это ограничение.
На рисунке 8 показан драйвер силового полевого МОП-транзистора. Первый вход — это узел регулирования выхода. Затем у вас есть низкочастотный фильтр первого порядка (он должен быть медленнее, чем половина периода сети), компаратор и ограничитель ширины импульса, от которого зависит ограничение тока (он немного шире, чем Ton_max). Переключающий MOSFET управляется 11 параллельными затворами. Хотя это не научный подход и он не требует специального специализированного драйвера, он недорогой, эффективный, простой, а детали можно легко найти.
Рисунок 6: Эта схема показывает адаптацию уровней обратной связи и ограничения безопасного напряжения.
Рис. 7: Линейная обратная связь позволяет частоте переключения быть пропорциональной выходному напряжению.
Рисунок 8: Это драйвер силового полевого МОП-транзистора.
Возможности самостоятельной сборки
Я старался ограничить размер печатной платы, поэтому я использовал стандартную плату 160×100 мм, которую вы можете самостоятельно изготовить. Коммутационные полупроводники устанавливаются на радиатор рассеивания мощности в виде углового кронштейна. Этот теплоотвод должен иметь толщину не менее 2 мм. Обратите внимание, что эффективность этого блока питания повышается, когда эти компоненты нагреваются.
Предупреждение! Эта схема имеет несколько ограничивающих и защитных функций. Тем не менее, вы не должны собирать устройство без базовых знаний и опыта в области электроники. Особое внимание следует уделять полярности компонентов, особенно диодов и конденсаторов. Повышение напряжения питания может быть очень опасным, если вы не будете осторожны.
Рисунок 9: Выходы двух блоков питания соединены последовательно, чтобы получить симметричный биполярный источник питания. Обратите внимание, что катушки находятся вдали от усилителей мощности.
Схема блока питания — для первого включения
Этот блок питания является обычным биполярным источником напряжения для вашего усилителя мощности. Только понадобится трансформатор 2×30v 300 ВА. Между двумя вторичными обмотками трансформатора не должно быть общей точки. Необходимо, что бы трансформатор имел две независимые вторичные обмотки (см. Рисунок 9). Выходы двух источников питания соединены последовательно, чтобы получить симметричный биполярный блок питания.
Вы можете подключить или отключить JP2, чтобы адаптировать выходное напряжение к нагрузке усилителя мощности — 4 Ом или 8 Ом. Для нагрузки 4 Ом также может потребоваться больший ток. Тем не менее, источник питания имеет ограничение мощности, так что выходное напряжение и ограничение тока адаптируются к нагрузке, когда требуется высокая мощность. Поэтому, радиаторы усилителя мощности не обязательно устанавливать слишком больших размеров, в основном они имеют классические габариты, учитывающую возможную нагрузку 4 Ом.
Отключите JP1 при первом включении и проверьте выходы ±15 В. Они не должны быть ниже ±12 В. Затем убедитесь, что вы получили треугольную волну в контрольной точке J9. Эта треугольная волна должна колебаться в пределах от 0 В до 5 В. Ее частота может составлять всего 1 кГц, но увеличится до 33 кГц после подключения JP1.
Перед подключением JP1 убедитесь, что в контрольной точке J3 есть импульсы 15 В, которые могут достигать 15 мкс. Это связано с тем, что JP1 все еще не подключен, и регулировка для увеличения выходного напряжения позволяет импульсам находится в широком диапазоне.
Если все в порядке, подключите JP1, а затем снова включите цепь. Вы услышите свистящий звук. Это звук катушки. Чем ниже выходное напряжение, тем ниже частота переключения. Поскольку катушка издает больше звука на более низких частотах, вы сможете услышать и увидеть, что выходное напряжение увеличивается.
Светодиод, подключенный к цепи безопасности, не должен гореть. Но если это так, убедитесь, что небольшой выходной ток нагрузки (менее 100 мА) снова погасит его. Если это не так, еще раз проверьте правильность треугольной волны на J9. Если все в порядке, ваш блок питания готов к работе.
Таблица 3: Вот сравнительные измерения, полученные мной от моего нового блока питания.
Сравнительные измерения
Я провел несколько измерений, чтобы помочь радиолюбителям, которые намерены собрать это устройство, протестировать собственные блоки питания и лучше понять, как они работают. На них показаны все основные формы сигналов схем, описанных в таблице 1. В таблице 3 показаны эти измерения с одним и тем же трансформатором, используемым в каждом случае, с одинаковыми сглаживающими конденсаторами (4×4700 мкФ) и почти одинаковым выходным напряжением (около 42V).
Эти измерения ясно показывают, насколько ниже среднеквадратичный ток сети и гармоники в представленном здесь новом блоке питания. Они также показывают, насколько меньше пульсация на выходе источника и наличие гармоник.
Такой подход к изготовлению данного БП будет меньше воздействовать на ваш слух, меньше раздражающего гула 100/120 Гц и меньше гармонических помех в сети. Такой блок питания требует меньших вложений для уменьшения сетевых помех, чем массивные и дорогие экранированные кабели. Низкое сопротивление в цепи постоянного тока, также поможет получить максимальную отдачу от вашего усилителя мощности, каким бы он ни был.
Результаты
Измерения подтверждают преимущества этого блока питания по сравнению с классическим вариантом. Его надежность была проверена с использованием четырех различных единиц оборудования — трех усилителей мощности собственного изготовления и лабораторного блока питания с линейной пострегулировкой.
Хотя я не претендую на создание лучшего оборудования для поглощения синусоидальной волны, чем производители, я считаю, что этот вид источников питания является настоящим прогрессом в применении к усилителям мощности. Я надеюсь, читателям понравится создавать и использовать этот проект.
Файлы Gerber для печатной платы и список компонентов для этого проекта, можно скачать здесь: Thiernesse-AX