Ода о трансформаторе.
реклама
Для запитывания усилителя мощности нужен блок пинания, обычно его делают с использованием понижающего трансформатора на 50Hz с последующим выпрямлением и сглаживанием на больших конденсаторах.
Подобное решение обладает рядом замечательных моментов:
- очень хорошо фильтруются помехи из первичной сети 220V
- все виды импульсных помех весьма качественно подавляются. Это каается и синфазной и дифференциальной составляющей, по напряжению и токовой компоненте.
- достаточно высокая надежность
- простота исполнения.
И недостатки:
- низкий КПД, большая рассеиваемая мощность
- весьма значительный размер и вес
- может издавать акустический звук
- нестабильность выходного напряжения
- трудность получения множества выходных напряжений. Например, для предварительных каскадов необходимо другое, меньшее напряжение.
- пульсации частотой 100Hz с богатым спектром всегда присутствуют, особенно при максимальной нагрузке.
- большое магнитное поле, порождающее фон в недостаточно экранированных малосигнальных цепях усилителя и окружающем оборудовании. Наиболее чуствительными из них являются устройства с ЭЛ трубками - мониторы и телевизоры. Дефект настолько существенный, что может перечеркнуть все достоинства. Уровень магнитных наводок очень сильно зависит от нагруженности трансформатора и при перегрузке возрастает в несколько раз.
Т.е. наводки на телевизор/монитор будут зависеть от громкости звука, очень неприятный эффект. Тороидальные транформаторы обладают наименьшим полем рассеивания, потому речь пойдет только о них.
Порядок выбора трансформатора под усилитель. Впрочем, обычно стоит обратная проблема - как из стандартного набора траснсформаторов подобрать нужный.
Для отечественных трансформаторов приняты следующие напряжения:
ТТП- 3 ( 2х12В 0.1 А) - хорошо подходит для запитывания слаботочных входных усилителей и коммутаторов.
ТТП-50 (12 В 3.6А )
ТТП-50 (16.5 В 3.0А )
ТТП-50 (25В 1.8А)
ТТП-50 (2х15В 1.5А)
ТТП-60 ( 25 В 2.2А )
ТТП-60 ( 6 В 9.0А )
ТТП-60 ( 9 В 6.0А )
ТТП-60 (12.0 В 4.3А )
ТТП-60 (16.5 В 4.2А )
ТТП-60 (220/220 0.3А)
ТТП-60 (2х12 В 2.2А )
ТТП-60 (2х18 В 1.5А )
ТТП-60 (2х25 В 1.1А )
ТТП-60 (2х6 В 4.3А )
ТТП100 (12 В 7.5А )
ТТП100 (2х12 В 3.7А )
ТТП100 (2х18 В 2.5А )
ТТП100 (2х25 В 1.8А )
ТТП120 (12В 8.6А )
ТТП120 (18В 6.0А )
ТТП120 (2х12В 4.3А )
ТТП120 (2х18В 3.0А )
ТТП120 (2х27В 2.5А )
ТТП120 (9 В 12.0А )
ТТП150 (12В 12.0А )
ТТП150 (18В 8А )
ТТП150 (2x12В 5.5А )
ТТП150 (2x18В 4.0А )
ТТП150 (2x9 В 8.0А )
ТТП150 (9В 14.0А )
ТТП250 ( 12В 18 А )
ТТП250 ( 16В 12 А )
ТТП250 ( 25В 8 А )
ТТП250 ( 6 В 38 А )
ТТП250 ( 9 В 22 А )
ТТП250 (2х12В 9 А )
ТТП250 (2х25В 4 А )
ТТП250 (2х2х12В 4 А )
ТТП250 (2х2х18В 3.5A)
ТТП250 (2х2х25В 2 А )
ТТП250 (2х35В 3.2А )
Важно учесть, что обмотки трансформатора ни в коем случае нельзя соединять параллельно! Допустимо только последовательное соединение обмоток. Не забывайте об этом!!
Например, нужен блок питания для НЧ канала с одним динамиком 8Om и желаемой мощностью в 100W. Долговременная мощность динамика не обязательно должна быть равна максимальной выходной мощности усилителя. Можно сделать усилитель с бОльшей мощностью, если будет гарантировано недолговременная работа на максимальной мощности. (remark: но лучше не нарушать этого равенства)
Итак, 100W 8Om дает 28V синусоидального напряжения или минимум +/-42V постоянного напряжения питания усилителя. (расчет для не_мостового усилителя)
Кандидаты из типов:
1)ТТП120 (2х27В 2.5А )
2)ТТП250 (2х25В 4 А )
3)ТТП250 (2х2х12В 4 А )
Второй и третий - одно и то-же с соответстсующей коммутацией, так что остается 1 и 2.
ТТП120 (2х27В 2.5А ), но 27V переменного напряжения нормируется при 100%-ой нагрузке на полностью активной нагрузке типа 'резистор', но выходной выпрямитель является очнь нелинейным элементом и напряжение исказится. Если посмотреть осциллографом, напряжение на выходе трансформатора при достаточно большой нагрузке после выпрямителя из синусоидального все больше будет превращаться в меандр. Это проиисходит из-за весьма большого внутреннего сопротивления обмоток (как вторичной, так и первичной) и того, что выходной выпрямитель проводит только на пиках напряжения (что еще больше усугубляет вред внутреннего сопротивления обмоток).
Итак, переменное 27V с учетом вредоностного действия диодов и сопротивления обмоток выпрямится не в 1.4 раза, а только в 1.3...1.4 раза (зависит от соотношения мощности нагрузки и габаритной мощности трансформатора). Положим 1.35 и это даст: 27*1.35 = 36V
Увы, уже меньше нужного напряжения в 42V. Выходов два - или ограничить себя в мощности усилителя или поставить другой трансформатор.
Другой вариант выбора:
ТТП250 (2х35В 3.2А )
Увы, тут особенно выбирать не из чего.
35V переменного напряжения обеспечит 48V выпрямленного. Вроде-бы это больше нужного в 42V и чрезмерно, но увы, это не так.
Для сглаживания выходного напряжения на выходе неоюходимо поставить электролитические конденсаторы весьма значительной емкости и, соответственно, размера.
Эти конденсаторы и так будут весьма значительны, порядка половины об'ема трансформатора, и 'просто так' увеличивать их нельзя. Но ... чем меньше их емкость, тем больше напряжение пульсаций на выходе блока питания.
Для усилителя важна не 'среднее' напряжение, а минимальное, с учетом пульсаций. Это означает, что на выходе будет примерно то-самое напряжение, что и надо в приведенном примере.
В этих весьма примерных расчетах не учитывалась габаритная мощность трансформатора к мощности нагрузки. Можно приводить расчеты, но смысл не изменится - мощность трансформатора должна быть в 1.5-2 раза больше максимальной мощности усилителя. Чем этот запас больше, тем стабильнее будет выходное напряжение БП.
Конденсаторы, расчет.
Конденсаторы в блоке питания усилителя выполняют двойственную функцию - сглаживания выпрямленного напряжения с трансформатора и накопительный элемент для обеспечения энергии в усилитель мощности при пиках нагрузки. Т.е. при бОльших емкостях конденсатора как-бы увеличивается мощность всего блока питания.
При расчете важно учитывать следующие слагающие:
- емкость конденсатора, расчитывается из максимального уровня пульсаций при максимальной нагрузке
- напряжение конденсатора. Оно обязано быть больше максимально-возможного напряжения на выходе блока питания. Расчет должен вестись при максимальном напряжении сети 220V и без нагрузки на усилитель. Совсем без усилителя напряжение будет несколько больше этой цифры из-за фонового тока потребления режима AB... но это не существенно, ведь включать блок питания без усилителя никто не будет.
- предельный ток через конденсатор. Если ток будет превышен, то возможны деструктивные последствия, а с учетом большого размера конденсатора - очень заметны.
- прочие параметры конденсатора (ESR, индуктивность, угол потерь, утечки, рабочая темпратура) не существенны для данного применения.
Можно приводить расчеты, но я пользуюсь упрощенной методикой вычисления, ведь частота и параметры трансформатора достаточно типичны.
Работа в выпрямителе конденсатора характеризуется тем, что 2.5mS он заряжается и 7.5mS разряжается. Их взаимное соотношение может меняться от тока нагрузки, но при ее максимальном значении будет где-то так.
Т.о. конденсатор должен выдавать напряжение на усилитель в течении 7.5mS, при этом напряжение на нем будет уменьшаться. Величина напряжения U=I*T/C, где I = ток нагрузки, T = время, С = емкость конденсатора.
Или, C = I*T/U.
Для приведенного примера усилителя параметры будут:
I = 42V/8 Om = 5.25A. Усилитель должен работать в полосе частот до 30Hz, что много меньше выпрямленной частоты трансформатора 100Hz = 50Hz * 2. Т.о., с точки зрения блока питания нагрузка является постоянной.
T = 7.5mS
U - желаемое напряжение пульсаций при максимальной нагрузке. Ставить 0.1V явно утяжелит конденсаторы, 10V тоже перебор. Положим 10% или 4.2V.
Итог: C = 5.25*7.5E-3/4.2 = 10E-3 или 10_000uF. Получилось вполне предсказуемая величина для усилителя в 100W.
Выбор номинального напряжения конденсатора:
Приведенный трансформатор обеспечивает 36V переменного напряжения под нагрузкой. Без нагрузки (или при малой величине) это напряжение возрастет на 15%. С учетом возможного повышения напряжения в сети 220V на 10% (по стандарту на сеть 220V допускается +10%/-15%) и коэф-та преобразования переменного в постоянное 1.4 составит:
36*1.15*1.1*1.4 = 63V При расчете можно учесть потери в 1.5V на диодном мосте, но для цифры в десятки воль это не существенно. Крайне желательно иметь 10%-ный запас по напряжению конденсатора.
Т.о., конденсатор должен иметь следующие параметры:
10000uF 63V (лучше 80-100V)
Есть следующие конденсаторы:
К 50-18 4700 мкф х 80в
К 50-35 4700 мкф x 63в
К 50-35 4700 мкф х 63в
К 50-35 6800 мкф х 63в "Jamicon"
К 50-35 6800 мкф x 63в
К 50-35 6800 мкф x 63в "Chang"
К 50-35 10000 мкф х 63в "Jamicon"
К 50-35 10000 мкф х 63в
К 50-35 10000 мкф х80в
К 50-35 15000 мкф х 63в "Jamicon"
Из приведенного списка подходят:
1) К 50-18 4700 мкф х 80в (параллелить 2 штуки)
2) К 50-35 10000 мкф х 63в "Jamicon"
3) К 50-35 10000 мкф х80в
Вообще говоря, все решения равнозначны, у всех недостатки.
У 1 неудобный корпус, у 2 напряжение, у 3 размеры.
Но, можно поставить любой вариант.
Предельный ток конденсатора. Для приведенных конденсаторов и приведенного усилителя предельный ток конденсаторов примерно соответствуют друг другу. Более точно можно сказать только по конкретному типономиналу. Но, в общем, если приерживаться вышеприведенных расчетов,
на этот пункт можно не обращать внимание.
При двуполярном выходе блока питания такие конденсаторы ставятся на + и - выходы блока питания.
------------------------------------------------------------------------------
Для данной конструкции усилителя вышло, что напряжение на выходе блока питания меняется в интервале 63...47V(35%) при изменении нагрузки на усилитель. Сие пустяк, это может сбивать схемы компенсации тока покоя. Кроме того, это увеличивает рассеиваемую мощность на радиаторе микросхемы усилителя (или соотв-х транзисторов), да и изменение напряжения питания (плюс изменяющиеся пульсации) вряд-ли улучшат качество сигнала.
Но, это не самая серьезная проблема. Напряжение питания микросхем усилителя мощности весьма ограничено и при привышении может наступить crash. Очень не рекомендую использовать микросхемы с предельным напряжением питания, особенно при придельной мощности. Сочетание предельного напряжения и максимальной мощности всегда заканчивается фатально.
Выход из положения есть - надо установить линейные стабилизаторы по выходу блока питания. Для приведенного случая можно организовать стабизизацию по уровню +/-40V, что позволит применить достаточно недорогой и доступный chip.
Линейный стабилизатор должен иметь следующие характеристики:
- напряжение 40V*
- максимальный ток 6А
- падение вхо-выход не больше 1V
(схему не здесь, Ok? .... у меня там есть соответствующий 'загончик' )
(*) - для усилителей блок питания должен обеспечивать малый уровень пульсаций и защищать от большого напряжения. Т.о., при перегрузке хорошо-бы превести стабилизатор из режима 'стабилизация напряжения' в 'устранение пульсаций'. Да, напряжение станет меньше 40V, но пульсации 100Hz не полезут в динамик.
Хочу особо остановиться на пульсациях и помехах из блока питания.
При перегрузке усилитель выдает практически все питание на динамик, т.е. все помехи в линиях питания пямо проникают на динамик. Особенно сие заметно при низких частотах самого низшего диапозона (30-100Hz). При подобном 'бум' на динамик попадет целая гамма частот из блока питания с частотой 100Hz и окраска, естественность звука изменится. 'Удар' получится 'рваным'. (очень трудно описать словами ощущения)
Попутно, хочу обратить внимание на симметричность ограничения сигнала. Если этого не выполнить, то на выходе появятся четные гармоники, а их заметность много сильнее нечетных. Т.е., обязательно должна соблюдаться симметричность сигнала даже при ограничении.
Речь о симметричности завел потому, что на линейных стабилизаторах достаточно просто изменить напряжение питания + или - выхода для получения нужного(симметричного) ограничения сигнала.
Вообще говоря, в музыке большой 'пик фактор' и можно повысить общую мощность без значительного увеличения искажений введением мягкого ограничения. (При очень большом сигнале уменьшается усиление).
Короче говоря, линейные стабилизаторы не ухудшают ни тепловых ни мощностных характеристик усилителя. Впрочем, тепло уменьшится - питание микросхемы усилителя будет 40V вместо 63V в режиме покоя и мощность уменьшиться соответственно.
p.s.
На самом деле, достаточно просто переделать обычный ATX на два выход +/-20V с соответствующим качеством стабилизации.
Только 'не надо' говорить о импульсном БП в усилителе! Это действительно противопоказано, если в всей системе не используется ни одного импульсного БП. .... да и то очень спорно. Усилитель мощности работает с сигналом большой амплитуды, да и элементарное экранирование никто не отменял. ;)
------------------------------------------------------------------------------
реклама
Лента материалов
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Сейчас обсуждают