Комп'ютерний блок живлення автомобільного підсилювача. Потужний перетворювач напруги автомобільного підсилювача. Відріжте провід заземлення від роз'єму і зачистіть край від ізоляції.

Нещодавно було вирішено повторити відому схему перетворювача акумуляторної напруги автомобіля 12 вольт, підвищене двополярне, для живлення потужних УМЗЧ. Показано основу схеми, далі її можна "удосконалити" за своїми бажаннями. Схема проста, надійна, при потужності близької до максимальної практично не спостерігається нагрівання діодів моста, трансформатора та вихідних ключів. Хоча в генераторі перетворювача і стоїть класична TL494 – схема працює на ура.

Весь перетворювач живлення зібраний на невеликій друкованій платі з фольгованого стелотекстоліту, транзистори та потужні діоди припаяні металевими фланцями назовні – до них прикручується масивний алюмінієвий радіатор. Його розміри залежить від навантаження, підключеного до пристрою.

На наступній фотографії показано вигляд з боку монтажу. Розмальовка плати та схеми в Layout – на форумі.

Як випрямляючі діоди стоять діоди Шоттки. Даним девайсом розгойдував в автомобілі дві STK4044, суб'єктивна оцінка – дуже добре!

При вихідному напрузі U=+-51В, для нормальної роботи мікросхем STK на холостому ходу, при P=max просідання порядку 1,5 Вольт на плече. Думаю цей провал мало відчутний на слух, тим більше, що підсилювач на максимумі навряд чи хтось слухає постійно. Плата розроблена власноруч, можна сказати нашвидкуруч, так що ви можете вдосконалити її за бажанням. Загалом цей саморобний перетворювач для автомобільного УНЧ працює на 100% – рекомендую до повторення. Більш докладно залежність потужності від напруги виходу та опору динаміка УМЗЧ показана в таблиці.

Здавалося б, що може бути простіше, підключити підсилювач до блоку живлення, і чи можна насолоджуватися улюбленою музикою?

Однак, якщо згадати, що підсилювач по суті модулює згідно із законом вхідного сигналу напругу джерела живлення, то стане зрозуміло, що до питань проектування та монтажу блоку живленняварто підходити дуже відповідально.

Інакше помилки та прорахунки допущені при цьому можуть зіпсувати (в плані звуку) будь-який, навіть найякісніший і найдорожчий підсилювач.

Стабілізатор чи фільтр?

Дивно, але найчастіше для живлення підсилювачів потужності використовуються прості схеми з трансформатором, випрямлячем і конденсатором, що згладжує. Хоча у більшості електронних пристроїв сьогодні використовуються стабілізовані блоки живлення. Причина цього полягає в тому, що дешевше і простіше спроектувати підсилювач, який мав би високий коефіцієнт придушення пульсацій по ланцюгах живлення, ніж зробити відносно потужний стабілізатор. Сьогодні рівень придушення пульсацій типового підсилювача становить близько 60дБ для частоти 100Hz, що практично відповідає параметрам стабілізатора напруги. Використання в підсилювальних каскадах джерел постійного струму, диференціальних каскадів, роздільних фільтрів у ланцюгах живлення каскадів та інших схемотехнічних прийомів дозволяє досягти ще більших значень.

живлення вихідних каскадівнайчастіше робиться нестабілізованим. Завдяки наявності в них 100% негативного зворотного зв'язку, одиничному коефіцієнту посилення, наявності ТОВС, запобігається проникненню на вихід фону і пульсацій напруги живлення.

Вихідний каскад підсилювача насправді є регулятором напруги (живлення), поки не увійде в режим кліпування (обмеження). Тоді пульсації напруги живлення (частотою 100 Гц) модулюють вихідний сигнал, що звучить просто жахливо:

Якщо для підсилювачів з однополярним живленням відбувається модуляція тільки верхньої напівхвилі сигналу, то підсилювачі з двополярним живленням модулюються обидві напівхвилі сигналу. Більшості підсилювачів властивий цей ефект при великих сигналах (потужностях), але ніяк не відбивається в технічних характеристиках. У добре спроектованому підсилювачі ефекту кліпування не повинно відбуватися.

Щоб перевірити свій підсилювач (точніше блок живлення підсилювача), ви можете провести експеримент. Подайте на вхід підсилювача сигнал частотою трохи вище за чутну вами. У моєму випадку достатньо 15 кГц: (. Підвищуйте амплітуду вхідного сигналу, поки підсилювач не увійде в кліпінг. У цьому випадку ви почуєте в динаміках гул (100Гц). За його рівнем можна оцінити якість блоку живлення підсилювача.

Попередження! Обов'язково перед цим експериментом відключіть твіттер вищої акустичної системи, інакше він може вийти з ладу.

Стабілізоване джерело живлення дозволяє уникнути цього ефекту та призводить до зниження спотворень при тривалих перевантаженнях. Проте, з урахуванням нестабільності напруги мережі, втрати потужності на стабілізаторі становлять приблизно 20%.

Інший спосіб послабити ефект кліпування це харчування каскадів через окремі RC-фільтри, що теж дещо знижує потужність.

У серійній техніці таке рідко застосовується, оскільки, крім зниження потужності, збільшується ще й вартість виробу. Крім того, застосування стабілізатора в підсилювачах класу АВ може призводити до збудження підсилювача через резонанс петель зворотного зв'язку підсилювача і стабілізатора.

Втрати потужності можна значно скоротити, якщо використовувати сучасні імпульсні блоки живлення. Проте тут спливають інші проблеми: низька надійність (кількість елементів у такому блоці живлення суттєво більша), висока вартість (при одиничному та дрібно-серійному виробництві), високий рівень ВЧ-перешкод.

Типова схема блоку живлення для підсилювача з вихідною потужністю 50Вт представлена на малюнку:

Вихідна напруга за рахунок конденсаторів, що згладжують більше вихідної напруги трансформатора приблизно в 1,4 рази.

Пікова потужність

Незважаючи на зазначені недоліки, при живленні підсилювача від нестабілізованогоджерела можна отримати деякий бонус - короткочасну (пікову) потужність вище, ніж потужність блоку живлення, за рахунок великої ємності конденсаторів, що фільтрують. Досвід показує, що потрібно щонайменше 2000мкФ на кожні 10Вт вихідної потужності. За рахунок цього ефекту можна заощадити на трансформаторі живлення можна використовувати менш потужний і, відповідно, дешевий трансформатор. Майте на увазі, що вимірювання на стаціонарному сигналі цього ефекту не виявлять, він проявляється лише при короткочасних піках, тобто при прослуховуванні музики.

Стабілізований блок живлення такого ефекту не дає.

Паралельний чи послідовний стабілізатор?

Існує думка, що паралельні стабілізатори краще в аудіопристроях, так як контур струму замикається в локальній петлі навантаження-стабілізатор (виключається джерело живлення), як показано на малюнку:

Той самий ефект дає установка роздільного конденсатора на виході. Але в цьому випадку обмежує нижня частота сигналу, що посилюється.

Захисні резистори

Кожному радіоаматору напевно знайомий запах горілого резистора. Це запах лаку, що горить, епоксидної смоли і... грошей. Тим часом дешевий резистор може врятувати ваш підсилювач!

Автор при першому включенні підсилювача в ланцюгах живлення замість запобіжників встановлює низькоомні (47-100 Ом) резистори, які в кілька разів дешевші за запобіжники. Це не раз рятувало дорогі елементи підсилювача від помилок у монтажі, неправильно виставленого струму спокою (регулятор поставили на максимум замість мінімуму), переплутаної полярності живлення тощо.

На фото показано підсилювач, де монтажник переплутав транзистори TIP3055 з TIP2955.

Транзистори у результаті не постраждали. Все закінчилося добре, але не для резисторів, і кімнату доводилося провітрювати.

Головне - падіння напруги

При проектуванні друкованих плат блоків живлення і не тільки не слід забувати, що мідь не є надпровідником. Особливо це важливо для "земляних" (загальних) провідників. Якщо вони тонкі і утворюють замкнуті контури або довгі ланцюги, то через струм, що протікає, на них виходить падіння напруги і потенціал у різних точках виявляється різним.

Для мінімізації різниці потенціалів прийнято загальний провід (землю) розводити як зірки — коли кожному споживачеві йде свій провідник. Не варто термін «зірка» розуміти буквально. На фото показаний приклад такого правильного розведення загального дроту:

У лампових підсилювачах опір анодного навантаження каскадів досить високий, близько 4кОм і вище, а струми не дуже великі, тому опір провідників не відіграє суттєвої ролі. У транзисторних підсилювачах опору каскадів істотно нижче (навантаження взагалі має опір 4Ом), а струми набагато вищі, ніж лампових підсилювачах. Тому вплив провідників тут може бути дуже суттєвим.

Опір доріжки на друкованій платі у шість разів вищий, ніж опір відрізка мідного дроту такої ж довжини. Діаметр взятий 0,71 мм, це типовий провід, який використовується при монтажі лампових підсилювачів.

0.036 Ом на відміну від 0.0064 Ом! Враховуючи, що струми у вихідних каскадах транзисторних підсилювачів можуть у тисячу разів перевищувати струм у ламповому підсилювачі, отримуємо, що падіння напруги на провідниках може бути в 6000! разів більше. Можливо, це одна з причин, чому транзисторні підсилювачі звучать гірше за лампові. Це також пояснює, чому зібрані на друкованих платах лампові підсилювачі часто звучать гірше за прототип, зібраний навісним монтажем.

Не варто забувати закон Ома! Для зниження опору друкованих провідників можна використовувати різні прийоми. Наприклад, покрити доріжку товстим шаром олова або припаяти вздовж доріжки луджений товстий дріт. Варіанти показані на фото:

Імпульси заряду

Для запобігання проникненню фону мережі в підсилювач потрібно вжити заходів від проникнення імпульсів заряду конденсаторів, що фільтрують, в підсилювач. Для цього доріжки від випрямляча повинні йти безпосередньо на конденсатор фільтра. Ними циркулюють потужні імпульси зарядного струму, тому нічого іншого до них підключати не можна. Ланцюги живлення підсилювача повинні підключатися до висновків конденсаторів фільтра.

Правильне підключення (монтаж) блока живлення для підсилювача з однополярним живленням показано на малюнку:

Збільшення на кліку

На малюнку показано варіант друкованої плати:

Пульсації

Більшість нестабілізованих джерел живлення мають після випрямляча тільки один конденсатор, що згладжує (або кілька включених паралельно). Для покращення якості живлення можна використовувати простий трюк: розбити одну ємність на дві, а між ними увімкнути резистор невеликого номіналу 0,2-1 Ом. При цьому навіть дві ємності меншого номіналу можуть виявитися дешевшими за одну велику.

Це дає більш плавні пульсації вихідної напруги з меншим рівнем гармонік:

При великих струмах падіння напруги на резистори може стати суттєвим. Для його обмеження до 0,7В паралельно резистори можна включити потужний діод. У цьому випадку, правда, на піках сигналу, коли діод відкриватиметься, пульсації вихідної напруги знову стануть «жорсткими».

Далі буде...

Статтю підготовлено за матеріалами журналу «Практична електроніка щодня»

Вільний переклад: Головного редактора «РадіоГазети»

Виготовлення гарного джерела живлення для підсилювача потужності (УНЧ) або іншого електронного пристрою – це дуже відповідальне завдання. Від того, яким буде джерело живлення, залежить якість і стабільність роботи всього пристрою.

У цій публікації розповім про виготовлення легкого трансформаторного блоку живлення для мого саморобного підсилювача потужності низької частоти "Phoenix P-400".

Такий нескладний блок живлення можна використовувати для живлення різних схем підсилювачів потужності низької частоти.

Передмова

Для майбутнього блоку живлення (БП) до підсилювача у мене вже був тороїдальний сердечник з намотаною первинною обмоткою на ~220В, тому завдання вибору "імпульсний БП або на основі мережевого трансформатора" не стояло.

У імпульсних джерел живлення невеликі габарити та вага, велика потужність на виході та високий ККД. Джерело живлення на основі мережевого трансформатора - має велику вагу, простий у виготовленні та налагодженні, а також не доводиться мати справу з небезпечною напругою при налагодженні схеми, що особливо важливо для таких початківців як я.

Тороїдальний трансформатор

Тороїдальні трансформатори, порівняно з трансформаторами на броньових сердечниках із Ш-подібних пластин, мають кілька переваг:

менший обсяг та вага;
вищий ККД;
найкраще охолодження для обмоток.

Первинна обмотка вже містила приблизно 800 витків проводом ПЕЛШО 0,8мм, вона була залита парафіном та ізольована шаром тонкої стрічки з фторопласту.

Вимірявши приблизні розміри заліза трансформатора можна виконати розрахунок його габаритної потужності, таким чином можна прикинути чи підходить осердя для отримання потрібної потужності чи ні.

Мал. 1. Розміри залізного сердечника для тороїдального трансформатора.

Габаритна потужність (Вт) = Площа вікна (см 2) * Площа перерізу (см 2)
Площа вікна = 3,14*(d/2) 2
Площа перерізу = h * ((D-d)/2)

Наприклад, виконаємо розрахунок трансформатора з розмірами заліза: D=14см, d=5см, h=5см.

Площа вікна = 3,14 * (5см/2) * (5см/2) = 19,625 см 2
Площа перерізу = 5см * ((14см-5см)/2) = 22,5 см 2
Габаритна потужність = 19,625*22,5 = 441 Вт.

Габаритна потужність трансформатора виявилася явно меншою ніж я очікував - десь 250 Ватт.

Підбір напруги для вторинних обмоток

Знаючи необхідну напругу на виході випрямляча після електролітичних конденсаторів, можна розрахувати необхідну напругу на виході вторинної обмотки трансформатора.

Числове значення постійної напруги після діодного мосту і конденсаторів, що згладжують, зросте приблизно в 1,3..1,4 рази, порівняно зі змінною напругою, що подається на вхід такого випрямляча.

У моєму випадку, для живлення УМЗЧ потрібна двополярна постійна напруга - по 35 Вольт на кожному плечі. Відповідно, на кожній вторинній обмотці має бути змінна напруга: 35 Вольт / 1,4 = ~25 Вольт.

За таким же принципом я виконав приблизний розрахунок значень напруги інших вторинних обмоток трансформатора.

Розрахунок кількості витків та намотування

Для живлення інших електронних блоків підсилювача було вирішено намотати кілька окремих вторинних обмоток. Для намотування котушок мідним емальованим дротом був виготовлений дерев'яний човник. Також його можна виготовити із склотекстоліту або пластмаси.

Мал. 2. Човник для намотування тороїдального трансформатора.

Намотка виконувалася мідним емальованим дротом, який був у наявності:

для 4х обмоток живлення УМЗЧ – провід діаметром 1,5 мм;
для решти обмоток – 0,6 мм.

Число витків для вторинних обмоток я підбирав експериментальним способом, оскільки мені не було відомо точну кількість витків первинної обмотки.

Суть методу:

Виконуємо намотування 20 витків будь-якого дроту;
Підключаємо до мережі ~220В первинну обмотку трансформатора та вимірюємо напругу на намотаних 20-ти витках;
Ділимо потрібну напругу на отриману з 20 витків - дізнаємося скільки разів по 20 витків потрібно для намотування.

Наприклад: нам потрібно 25В, а з 20 витків вийшло 5В, 25В/5В=5 - потрібно 5 разів намотати по 20 витків, тобто 100 витків.

Розрахунок довжини необхідного дроту був виконаний так: намотав 20 витків дроту, зробив на ньому мітку маркером, відмотав і виміряв його довжину. Розділив потрібну кількість витків на 20, отримане значення помножив на довжину 20 витків дроту - отримав приблизно необхідну довжину дроту для намотування. Додавши 1-2 метри запасу до загальної довжини, можна намотувати провід на човник і сміливо відрізати.

Наприклад: потрібно 100 витків дроту, довжина 20-ти намотаних витків вийшла 1,3 метра, дізнаємося скільки разів по 1,3 метра потрібно намотати для отримання 100 витків - 100/20=5, дізнаємося загальну довжину дроту (5 шматків по 1, 3м) - 1,3 * 5 = 6,5м. Додаємо для запасу 1,5м та отримуємо довжину - 8м.

Для кожної наступної обмотки вимір варто повторити, оскільки з кожною новою обмоткою необхідна на один виток довжина дроту збільшуватиметься.

Для намотування кожної пари обмоток по 25 Вольт на човник були паралельно укладені відразу два дроти (для 2х обмоток). Після намотування, кінець першої обмотки з'єднаний з початком другої - вийшли дві вторинні обмотки для двополярного випрямляча з'єднання посередині.

Після намотування кожної з пар вторинних обмоток для живлення схем УМЗЧ вони були ізольовані тонкою фторопластової стрічкою.

Таким чином було намотано 6 вторинних обмоток: чотири для живлення УМЗЧ та ще дві для блоків живлення решти електроніки.

Схема випрямлячів та стабілізаторів напруги

Нижче наведено принципову схему блоку живлення для мого саморобного підсилювача потужності.

Мал. 2. Принципова схема джерела живлення саморобного підсилювача потужності НЧ.

Для живлення схем підсилювачів потужності НЧ використовуються два двополярні випрямлячі - А1.1 та А1.2. Інші електронні блоки підсилювача живляться від стабілізаторів напруги А2.1 та А2.2.

Резистори R1 і R2 потрібні для розрядки електролітичних конденсаторів, коли лінії живлення відключені від схем підсилювачів потужності.

У моєму УМЗЧ 4 каналу посилення, їх можна включати та вимикати попарно за допомогою вимикачів, які комутують лінії живлення хустку УМЗЧ за допомогою електромагнітних реле.

Резистори R1 і R2 можна виключити зі схеми, якщо блок живлення буде постійно підключений до плат УМЗЧ, в такому випадку електролітичні ємності будуть розряджатися через схему УМЗЧ.

Діоди КД213 розраховані на максимальний прямий струм 10А, у разі цього достатньо. Діодний міст D5 розрахований струм не менше 2-3А, зібрав його з 4х діодів. С5 та С6 – ємності, кожна з яких складається з двох конденсаторів по 10 000 мкФ на 63В.

Мал. 3. Принципові схеми стабілізаторів постійної напруги мікросхемах L7805, L7812, LM317.

Розшифрування назв на схемі:

STAB – стабілізатор напруги без регулювання, струм не більше 1А;
STAB+REG - стабілізатор напруги з регулюванням, струм не більше 1А;
STAB+POW - регульований стабілізатор напруги, струм приблизно 2-3А.

При використанні мікросхем LM317, 7805 та 7812 вихідну напругу стабілізатора можна розрахувати за спрощеною формулою:

Uвих = Vxx * (1 + R2/R1)

Vxx для мікросхем має такі значення:

LM317 – 1,25;
7805 - 5;
7812 - 12.

Приклад розрахунку LM317: R1=240R, R2=1200R, Uвых = 1,25*(1+1200/240) = 7,5V.

Конструкція

Ось як планувалося використовувати напругу від блоку живлення:

+36В, -36В - підсилювачі потужності на TDA7250
12В - електронні регулятори гучності, стерео-процесори, індикатори вихідної потужності, схеми термоконтролю, вентилятори, підсвічування;
5В – індикатори температури, мікроконтролер, панель цифрового управління.

Мікросхеми та транзистори стабілізаторів напруги були закріплені на невеликих радіаторах, які я витягнув із неробочих комп'ютерних блоків живлення. Корпуси кріпилися до радіаторів через ізолюючі прокладки.

Друкована плата була виготовлена із двох частин, кожна з яких містить двополярний випрямляч для схеми УМЗЧ та необхідний набір стабілізаторів напруги.

Мал. 4. Одна половинка плати джерела живлення.

Мал. 5. Інша половинка плати джерела живлення.

Мал. 6. Готові компоненти блока живлення для саморобного підсилювача потужності.

Пізніше, при налагодженні я дійшов висновку, що набагато зручніше було б виготовити стабілізатори напруг на окремих платах. Тим не менш, варіант "все на одній платі" теж непоганий і зручний.

Також випрямляч для УМЗЧ (схема малюнку 2) можна зібрати навісним монтажем, а схеми стабілізаторів (рисунок 3) у необхідній кількості - на окремих друкованих платах.

З'єднання електронних компонентів випрямляча показано малюнку 7.

Мал. 7. Схема з'єднань для збирання двополярного випрямляча -36В+36В з використанням навісного монтажу.

З'єднання потрібно виконувати, використовуючи товсті ізольовані мідні провідники.

Діодний міст із конденсаторами на 1000pF можна розмістити на радіаторі окремо. Монтаж потужних діодів КД213 (таблетки) на один загальний радіатор потрібно виконувати через ізоляційні термо-прокладки (терморезина або слюда), оскільки один із висновків діода має контакт із його металевою підкладкою!

Для схеми фільтрації (електролітичні конденсатори по 10000мкФ, резистори та керамічні конденсатори 0,1-0,33мкФ) можна нашвидкуруч зібрати невелику панель - друковану плату (рисунок 8).

Мал. 8. Приклад панелі з прорізами зі склотекстоліту для монтажу фільтрів випрямляча, що згладжують.

Для виготовлення такої панелі знадобиться прямокутний шматочок склотекстоліту. За допомогою саморобного різака (рисунок 9), виготовленого з ножівочного полотна по металу, прорізаємо мідну фольгу вздовж по всій довжині, потім одну з частин, що виходять, розрізаємо перпендикулярно навпіл.

Мал. 9. Саморобний різак з ножівочного полотна, виготовлений на верстаті.

Після цього намічаємо та свердлимо отвори для деталей та кріплення, зачищаємо тоненьким наждачним папером мідну поверхню та лудимо її за допомогою флюсу та припою. Впаюємо деталі та підключаємо до схеми.

Висновок

Ось такий нескладний блок живлення був виготовлений для майбутнього саморобного підсилювача потужності звукової частоти. Залишиться доповнити його схемою плавного включення (Soft start) та режиму очікування.

UPD: Юрій Глушнєв надіслав друковану плату для складання двох стабілізаторів з напругою +22В та +12В. На ній зібрані дві схеми STAB+POW (рис. 3) на мікросхемах LM317, 7812 та транзисторах TIP42.