Трохи про блоки живлення підсилювачів (частина I)

1. Стабілізатор або фільтр?
2. Пікова потужність
3. Паралельний або послідовний стабілізатор?
4. захисні резистори
5. Головне - падіння напруги
6. імпульси заряду
7. пульсації

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

Однак, якщо згадати, що підсилювач по суті модулює за законом вхідного сигналу напруга джерела живлення, то стане ясно, що до питань проектування та монтажу блоку харчування варто підходити дуже відповідально.

Інакше помилки і прорахунки допущені при цьому можуть зіпсувати (в плані звуку) будь-який, навіть самий якісний і дорогий підсилювач.

Стабілізатор або фільтр?

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

Харчування вихідних каскадів найчастіше робиться нестабілізованою. Завдяки наявності в них 100% негативного зворотного зв'язку, одиничного коефіцієнта посилення, наявності ВОНС, запобігає проникнення на вихід фону і пульсацій напруги живлення.

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

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

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

Попередження! Обов'язково перед цим експериментом вимкніть твіттер виший акустичної системи інакше він може вийти з ладу.

Стабілізований джерело живлення дозволяє уникнути цього ефекту і призводить до зниження спотворень при тривалих перевантаженнях. Однак, з урахуванням нестабільності напруги мережі, втрати потужності на самому стабілізаторі складають приблизно 20%.

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

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

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

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

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

Пікова потужність

Незважаючи на зазначені недоліки, при харчуванні підсилювача від нестабілізованого джерела можна отримати певний бонус - короткочасну (пікову) потужність вище, ніж потужність блоку живлення, за рахунок великої місткості фільтруючих конденсаторів. Досвід показує, що потрібно мінімум 2000мкФ на кожні 10 Вт вихідної потужності. За рахунок цього ефекту можна заощадити на трансформаторі харчування - можна використовувати менш потужний і, відповідно, дешевий трансформатор. Майте на увазі, що вимірювання на стаціонарному сигналі цього ефекту не виявлять, він проявляється тільки при короткочасних піках, тобто при прослуховуванні музики.

Стабілізований блок живлення такого ефекту не дає.

Паралельний або послідовний стабілізатор?

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

Той же ефект дає установка розділового конденсатора на виході. Але в цьому випадку обмежує нижня частота підсилюється сигналу.

Автор використовує стабілітрони для живлення операційних підсилювачів. При цьому можна організувати індикацію напруги живлення практично без додаткових витрат (светодиодам не потрібні резистори, що гасять):

захисні резистори

Кожному радіоаматорові напевно знаком запах горілого резистора. Це запах палаючого лаку, епоксидної смоли і ... грошей. Тим часом, дешевий резистор може врятувати ваш підсилювач!

Автор при першому включенні підсилювача в ланцюгах харчування замість запобіжників встановлює низькоомні (47-100 Ом) резистори, які в кілька разів дешевше запобіжників. Це не раз рятувало дорогі елементи підсилювача від помилок в монтажі, неправильно виставленого струму спокою (регулятор поставили на максимум замість мінімуму), переплутав полярності харчування і так далі.

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

Транзистори в результаті не постраждали. Все закінчилося добре, але не для резисторів, і кімнату провітрювати довелося.

Головне - падіння напруги

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

Для мінімізації різниці потенціалів прийнято загальний провід (землю) розводити у вигляді зірки - коли до кожного споживача йде свій провідник. Не варто термін «зірка» розуміти буквально. На фото показаний приклад такої правильної розводки загального проводу:

У лампових підсилювачах опір анодного навантаження каскадів досить висока, 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 вище, ніж в лампових підсилювачах. Тому вплив провідників тут може бути досить істотним.

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

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

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

імпульси заряду

Для запобігання проникнення фону мережі в підсилювач потрібно вжити заходів від проникнення імпульсів заряду фільтруючих конденсаторів в підсилювач. Для цього доріжки від випрямляча повинні йти безпосередньо на конденсатори фільтра. За ним циркулюють потужні імпульси зарядного струму, тому нічого іншого до них підключати не можна. ланцюга харчування підсилювача повинні підключатися до висновків конденсаторів фільтра.

Правильне підключення (монтаж) блоку живлення для підсилювача з однополярним живленням показаний на малюнку:

Збільшення при натисканні

На малюнку показаний варіант друкованої плати:

Збільшення при натисканні

Автору досі трапляються підсилювачі, у яких високий рівень фону викликаний неправильною розводкою землі і підключенням доріжок від різних «споживачів» до виходів випрямляча.

пульсації

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

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

При великих токах падіння напруги на резисторі може стати істотним. Для його обмеження до 0,7 В паралельно резистору можна включити потужний діод. В цьому випадку, правда, на піках сигналу, коли діод буде відкриватися, пульсації вихідної напруги знову стануть «жорсткими».

Далі буде...

Стаття підготовлена ​​за матеріалами журналу «Практична електроніка кожен день»

Автор: Джек Розман

Вільний переклад: Головного редактора «радіогазету»

Схожі статті: