Прогресс не стоит на месте, в домашнем хозяйстве используется множество электронных приборов и всем им требуется блок питания. В крупных аппаратах его встраивают в корпус устройства, а «мелочь» довольствуется внешним исполнением. Но что-то теряется, что-то перестает удовлетворять требованиям и приходится покупать новые модели. А так ли это необходимо? Можно ли сделать свой блок питания или улучшить старый? Одни из самых востребованных типов БП - те, что встраиваются в усилители низкой частоты. Сам усилитель, особенно начального уровня, собрать не трудно, обычно на все уходит одна-две микросхемы и немного «мелочевки», проблема возникает с блоком питания. Давайте об этом и поговорим.
Подобный блок подразумевает использование низкочастотного трансформатора для получения пониженного напряжения, из которого формируется постоянное выходное напряжение. Типовая топология БП выглядит следующим образом:
Входное напряжение сети 220 вольт через предохранитель FU1 подается на первичную обмотку трансформатора TV1 (выводы 1-2). На его вторичной обмотке (выводы 3-4) наводится переменное напряжение, которое выпрямляется диодным выпрямителем D1, сглаживается конденсатором С1 и подается на выход. Такое построение является типичным, меняются лишь номиналы и количество компонентов, а топология остается прежней.
Рассмотрим назначение элементов схемы.
Теперь подробнее про использование элементов устройства.
Предохранитель защищает устройство в случае возникновения экстренных ситуаций. При перегрузке или коротком замыкании в нагрузке возникает большой ток в первичной обмотке, что может привести к ее перегреву с последующим возгоранием устройства. Кроме того, не исключена вероятность пробоя межслойной изоляции, и фазное напряжение попадет на выход. Лучше уж отключенный БП, чем подобное, поэтому присутствие предохранителя обязательно.
К слову, зачастую элемент защиты монтируют в обмотку трансформатора, что позволяет отключать его при критическом нагревании. К сожалению, такой прием срабатывает только один раз, и восстановить работоспособность трансформатора удается не всегда – предохранитель, в конструктивном исполнении резистора 0.125 Вт, подключен к внешнему концу первичной обмотки и «намотан» вместе с ней под слоем изоляции.
Трансформатор преобразует переменное напряжение в магнитное поле, которое наводит напряжение во вторичной обмотке. Степень понижения (повышения) выходного напряжения, иначе говоря «коэффициент трансформации» зависит от соотношения числа витков в этих обмотках.
Диодный выпрямитель служит для преобразования переменного напряжения (положительной и отрицательной полярности) с вторичной обмотки в однополярную форму.
Выходной конденсатор сглаживает пульсации выходного напряжения. Дело в том, что трансформатор «предоставляет» напряжение той же формы, что и в сети 220 вольт, а именно синусоидальной. К слову, при работе от бесперебойных источников его форма может быть далеко не синусоидальной. Форма выпрямленного напряжения непостоянна во времени, наличествует длительное снижение до нуля вольт, поэтому необходима установка элемента, поддерживающего выходное напряжение постоянной величины, что выполняется на сглаживающем конденсаторе. Рассмотрим происходящие процессы подробнее, на модели блока питания 10 В.
На картинке представлены напряжения, токи вторичных обмоток трансформатора и выходных напряжений для трех вариантов:
1. (красный). Выходной конденсатор отсутствует.
2. (зеленый). Выходной конденсатор присутствует, но его емкости явно недостаточно.
3. (синий). Выходной конденсатор обладает достаточной емкостью.
Форма напряжения на выходной обмотке, в первом приближении, остается синусоидальной для всех трех случаев, но только в первом – обмотки трансформатора намотаны медным проводом, и хотя медь хорошо проводит электрический ток, но ее используется довольно много, а потому сопротивление обмоток весьма чувствительно по величине. Чем больше ток нагрузки, чем она более «импульсная», тем сильнее искажается напряжение на выходе трансформатора.
Посмотрите на форму тока для всех трех вариантов – по мере увеличения емкости сглаживающего конденсатора растет величина тока потребления вторичной обмотки с одновременным его «сужением» в зонах максимума напряжений. Ток нагрузки блока питания 1 ампер, но от вторичной обмотки потребляется 4 А, то есть следует говорить о «пик факторе» четыре. Иначе говоря, в трансформаторном БП пиковый ток выходной обмотки в три-четыре раза больше тока нагрузки, и по мере увеличения емкости сглаживающих конденсаторов он только возрастает, хоть и не так существенно. Это важный момент.
От общего к частному, рассмотрим основные составные части блока питания.
Сетевой трансформатор работает на частоте 50 Гц, что определяет тип магнитопровода – тонкие листы трансформаторного железа. Толщина пластин, или ленты, выбирается из уровня потерь на вихревые токи в железе, так называемые «токи Фуко» - переменное магнитное поле наводит напряжение в любом металлическом предмете, не только в обмотках, но и в самом магнитопроводе. Для уменьшения потерь применяют тонкие листы с лакокрасочным покрытием для изоляции между слоями. Впрочем, не будем самостоятельно выпиливать сердечник трансформатора из цельного куска железа.
По конструктивному исполнению трансформаторы делятся на тороидальные, стержневые и броневые.
Внешне они выглядят следующим образом:
Тороидальный трансформатор. Это конструктивное исполнение самое простое – обмотки наматываются на кольце из ленты трансформаторного железа, никаких специальных каркасов не требуется. Кроме того, у такого решения самое эффективное использование поверхности магнитопровода, что означает низкое рассеивание магнитного поля и снижение потерь в меди обмоток. Отсутствие каркаса приближает провод к сердечнику, диаметр витка уменьшается, что снижает общую длину провода, то есть его сопротивление.
Броневой трансформатор гораздо технологичнее тороидального – применяется один каркас для намотки обмоток, сам процесс изготовления не вызывает каких-либо технических трудностей, не требует весьма специфического оборудования, свойственного тороидальным трансформаторам. Увы, на этом его достоинства заканчиваются и начинаются недостатки – относительно низкий коэффициент использования магнитопровода, сильно ограниченное место для обмоток, плохое рассеивание тепла.
Стержневой трансформатор занимает среднее положение между тороидальным и броневым – от последнего он «взял» каркас для обмоток, а от первого – улучшенное использование поверхности магнитопровода. Да и по техническим свойствам данный тип расположен посредине между тороидальным и броневым вариантами. Из особенностей его исполнения отмечу то, что количество обмоток на трансформаторе удвоено. А именно, на каждом стержне присутствует первичная (сетевая) и вторичная обмотка (их может быть несколько).
При подключении такого трансформатора надо проявлять максимальную аккуратность – всегда можно спутать начало-конец обмоток, что может окончиться весьма печально. У меня были случаи, когда в партии советских трансформаторов некоторое их количество обладало «перевернутыми» обмотками. Как легко понять, это привело к необходимости «ручной настройки» серийной продукции, регулировщики были счастливы.
От исполнения перейдем к электрическим характеристикам. В домашних условиях мало кто возьмется изготавливать подобное самостоятельно – намотка сетевой обмотки тороидального трансформатора крайне утомительна, а другие исполнения требуют каркас, который хоть и облегчает работу, но все же является проблемой. Чаще всего подбирают подходящий трансформатор, удаляют с него вторичные обмотки и наматывают свои, с нужным числом витков. Такое решение довольно легко реализуется – достаточно узнать количество вольт на виток и намотать свои обмотки.
Методика переделки:
1. Определить первичную обмотку (или обмотки) трансформатора.
2. Удалить вторичные обмотки.
3. Намотать на трансформаторе тестовую обмотку с известным числом витков (например, сто), диаметр провода роли не играет.
4. Подключить его к сети 220 вольт и померить напряжение на временной обмотке.
Зная напряжение на тестовой обмотке и то, которое необходимо получить, нетрудно вычислить нужное количество витков. После удаления вторичных обмоток на каркасе освободилось место, вот исходя из этого и количества витков, можно вычислить диаметр провода для вторичной. Только не забудьте два момента – если выходных обмоток несколько, то надо их все уместить на свободном пространстве каркаса. И не следует забывать о слое изоляции поверх первичной – пробой фазы на вторичную обмотку хотелось бы получить меньше всего. Впрочем, вернемся к теме.
При рассмотрении схемы замещения трансформатора следует учитывать два фактора – сопротивление первичной и вторичной обмоток, а также величину индуктивности первичной обмотки. Дело в том, что трансформатор представляет собой дроссель, который подключен к источнику переменного напряжения довольно низкой частоты. Это означает, что через первичную обмотку протекает ток даже при отсутствии нагрузки на выходе.
Возьмем конкретный пример и оценим вклад каждого параметра. Скажем, трансформатор настольной лампы - 12 вольт, 20 Вт. Измерения показали следующие характеристики трансформатора:
Представим его в эквивалентном виде:
Резисторы R1 и R2 показывают сопротивление первичной и вторичной обмотки, L1 – индуктивность первичной стороны. «А»-«B» и «C»-«D» - «внешние» выводы обмоток.
Рассмотрим два варианта работы трансформатора – без нагрузки и с подключенной лампой накаливания.
На холостом ходу вторичная обмотка никуда не подключена, но через первичную обмотку течет некоторый ток, который определяется конечной индуктивностью первичной обмотки. Величина тока определяется из импеданса обмотки на частоте сети (50 Гц) и напряжения сети (220 В). Импеданс индуктивности считается по обычной формуле:
Z=2*PI*L*F
Где:
Для данного примера это составит 2*3.14*5.2*50=1.63 КОм. При напряжении в сети 220 вольт через обмотку будет протекать ток 220 В/ 1.63 кОм=135 мА. Обратите внимание, ток будет течь всегда, подключена ли нагрузка к трансформатору или нет. Это создает реактивный ток в проводах, но не считается за потребляемую мощность… по крайней мере счетчик электроэнергии его не должен учитывать. Увы, негативные последствия подобного тока все же присутствуют – он протекает через первичную обмотку с конечным сопротивлением, что наводит в ней чисто активную мощность потерь:
P = I*I*R = 0.135*0.135*144 = 2.6 Вт.
Вот эта мощность уже активная и вызывает вполне ощутимое последствие – трансформатор немного нагревается, даже при отключенной нагрузке (выключенной лампочке).
Фильтрация помех
Трансформатор довольно неплохо изолирует выходную обмотку от помех в сети, особенно в высокочастотной части звукового диапазона и выше. «Довольно неплохо», но никак не «хорошо» - у него существует конструктивно-технологическое ограничение, мешающее получению высокой степени изоляции. А именно – обмотки очень протяженные как по поверхности магнитопровода, так и по области их взаимного соприкосновения.
Особенно неудачно обстоят дела у тороидального варианта исполнения – межслойный экран сделать крайне сложно и не технологично, обмотки наматываются одна поверх другой с небольшим количеством слоев, что означает очень большую поверхность соприкосновения. У «стержневого» и «броневого» трансформатора с этим лучше – жесткий каркас намотки лишен искривлений и позволяет использовать экраны, да и поверхность соприкосновения обмоток менее «тороидального» варианта. Одна беда – полноценные экраны в трансформаторах встречаются довольно редко. Подчас экран вроде бы и есть, но выполнен он «одним слоем тонкого провода», что может выполнять свою функцию только на очень низких частотах.
Существует еще один способ получения высокой степени подавления помех – разнести первичную и вторичную обмотки по разные стороны магнитопровода, полностью исключив передачу помехи через емкость между обмотками. Кроме устранения емкостной связи такой способ позволяет фильтровать помехи за счет невысокой предельной рабочей частоты магнитопровода. Трансформаторное железо плохо пропускает переменное поле средней – высокой частоты, что положительно сказывается на уровне помех на вторичной стороне.
Увы, для этого трансформатор должен быть намотан специальным образом, что в серийном производстве для бытовых нужд не встречается. Для такого исполнения в «тороидальном» трансформаторе первичная и вторичная обмотки должны находиться в противоположных сторонах кольца без взаимного контакта. В «стержневом» – сетевые обмотки необходимо разместить на одном стержне, вторичные на другом. По конструктивным причинам разнесение обмоток в броневом трансформаторе выполнить сложнее, да и эффект от его применения проявится слабее – слишком компактное размещение не позволяет исключить емкостную связь между обмотками.
Трансформатор «для светильников» лишен каких-либо элементов ёмкостной изоляции обмоток, ведь они не только повышают его стоимость, но и снижают технические характеристики, поскольку возрастает индуктивность рассеивания между первичной и вторичной обмотками. Последнее в свою очередь приводит к увеличению выходного сопротивления. Но не все так плохо, и обычный трансформатор эффективно устраняет помехи средне-высокочастотного диапазона. Даже проникнув через межобмоточную емкостную связь на вторичную сторону, помеха встретит на пути проникновения как индуктивность катушки до её выводов, так и сглаживающий конденсатор довольно большой емкости.
С вторичной обмотки трансформатора поступает переменное напряжение, но для питания аппаратуры требуется постоянное, поэтому блок питания должен быть со схемой выпрямления. Обычно она выполняется на полупроводниковых диодах, синхронные выпрямители применяются крайне редко – сопротивление потерь трансформатора больше, чем теряется на p-n переходе диодов и смысл усложнения схемы отсутствует. В трансформаторном блоке питания чаще всего применяются два схемных решения – мост или полумост с удвоенным количеством обмоток.
Мост
Данное схемное решение означает применение четырех диодов:
Диоды открываются парами, D1 - D3 для положительной полуволны и D2 – D4 для отрицательной, в результате на выходе получается напряжение одной полярности, хоть и с непостоянной амплитудой.
Для сглаживания выходного напряжения применяется конденсатор довольно большой емкости (С1).
Полумост
Такое построение выпрямительного узла несколько напоминает «мост», но у него в два раза меньше диодов и удвоено количество выходных обмоток трансформатора:
Что сразу бросается в глаза – две вторичные обмотки вместо одной. На элементы в сером прямоугольнике пока не обращайте внимания. Выходные обмотки (выводы «3»-«5» и «1»-«4») включены в противофазе, напряжение на выводе «3» равно напряжению на выводе «4», но противоположно по знаку. Иначе говоря, когда на одной обмотке «+», то на другой «-».
Принцип работы схемы примерно такой же, как у ранее рассмотренной – при положительной полуволне «+» формируется на выводе «3», открывается диод D1 и на выход следует положительное напряжение. При отрицательной полуволне на выводе «3» получается «-», а на выводе «4» становится «+», диод D2 открывается и на выходе также получается положительное напряжение. В такой схеме используются всего лишь два диода, что должно (бы) уменьшить потери на выпрямительном узле и получить более стабильное выходное напряжение.
Увы, это далеко не так, применение подобного решения для получения одного напряжения неизбежно проиграет «мосту» - при удваивании числа обмоток их внутреннее сопротивление возрастает (примерно в два раза), что приведет к большим потерям, чем еще один p-n переход в мостовом выпрямителе. Подробнее вопрос будет рассмотрен в разделе расчета блока питания. Запомните главное – крайне не рекомендуется использовать полумостовой выпрямитель в трансформаторных блоках питания. Какой же смысл, зачем в разделе вообще идет речь о такой конструкции выпрямительного узла, если он проигрывает «мосту»?
Все просто – на «мосте» можно получить только одно напряжение и всё, а «полумост» способен предоставить как положительное, так и отрицательное напряжение, всё с тех же обмоток. Посмотрите еще раз на схему, в «сером» прямоугольнике изображены элементы, необходимые для получения отрицательного напряжения, причем той же величины, что и положительного. Эта часть работает точно так же, как и рассмотренная ранее, только диоды проводят в противоположной полярности и на выходе формируется отрицательное напряжение.
Небольшой вывод – если аппаратура требует однополярное выходное напряжение, то необходимо применять мостовую схему выпрямления, а если двухполярное – сдвоенную полумостовую. Кстати, если посмотреть на схему внимательнее, то окажется, что двойной полумост представляет собой мост, который работает с удвоенным напряжением, при этом две выходные обмотки трансформатора выполняют роль симметрирующего элемента для деления выходного напряжения на две равные «половинки».
Трансформаторный блок питания состоит из трех ключевых элементов – самого трансформатора, который понижает напряжение до нужной величины, выпрямительного узла, формирующего однополярное напряжение и, третьего обязательного элемента устройства – сглаживающего конденсатора. Смысл его существования в снижении пульсаций напряжения после выпрямительного узла.
В сети 220 вольт, от которой должен работать БП, представляет собой переменное напряжение синусоидальной формы частотой 50 Гц. Проблема в том, что синусоида довольно значительную часть периода обладает небольшим напряжением, вплоть до нуля, а аппаратура требует жесткого удержания выходного напряжения в заданных рамках, поэтому прямое подключение к выпрямительному узлу без дополнительных фильтрующих средств невозможно – пульсации будут слишком большие и работоспособность устройства нарушится.
Для устранения проблемы после диодного выпрямителя требуется установить элемент, который бы запасал энергию при высоком уровне синусоидального напряжения и отдавал ее на выход при снижении уровня синусоиды. Этого можно добиться применением конденсаторов достаточно большой емкости. На рисунке, приведенном ранее, указаны формы напряжения для различной емкости сглаживающего конденсатора – чем она выше, тем больше выходное напряжение похоже на прямую линию, то есть уровень пульсаций уменьшается. Выбор параметров сглаживающих конденсаторов будет произведен в следующем разделе.
Рассмотрев элементы, используемые в трансформаторном БП, перейдем к конкретным, практическим решениям. Теория суха и трудна в освоении, поэтому лучше что-то сделать своими руками, так проще.
Есть трансформатор с измеренными параметрами, можно собрать на нём блок питания с вполне утилитарным применением – источник питания усилителя низкой частоты. Для такого применения чаще всего используется однополярное питание с напряжением 12 вольт. Типичные микросхемы усилителей - TDA2005 (22 Вт), TDA1554Q (2*22 Вт), TDA7385 (4*30 Вт), TDA7386 (4*45 Вт) и другие. Габаритная мощность трансформатора вряд ли превышает 20 Вт, было бы излишне оптимистично пытаться запитать от него усилитель мощнее 20 Вт, ограничим ассортимент первой микросхемой из списка, TDA2005. Впрочем, вместо нее можно применить любую другую, и более мощную – только не удастся получить полную отдачу на все каналы, а так работать будет.
Микросхема выбрана, начнем по порядку.
Максимальное напряжение питания
У приведенных микросхем наличествует один и тот же предел по напряжению питания, что удивительно однообразно – а значит, и типично. Их максимальное рабочее напряжение - 18 вольт. Если вспомнить о том, что микросхемы усилителей разрабатывались для работы в автомобиле, то цифра «18 В» становится понятной. В блоке питания самое большое напряжение получается при минимальном токе нагрузки, что для перечисленных микросхем находится в диапазоне 80-190 мА.
При выполнении расчетов можно учитывать этот ток, но он более чем «на порядок» меньше номинального/максимального токов нагрузки, а потому про него можно забыть. В качестве выпрямительного узла будет применен мостовой выпрямитель, ведь требуется получить однополярный выход, поэтому «полумостовой» вариант рассмотрим несколько позже.
Итак, начинаем считать с конца цепочки - выходное напряжение не более 18 вольт, это четко определено в спецификации микросхем и нарушение чревато неприятными последствиями. Выпрямительный узел собран на «мосте», что означает удвоенное падение напряжения, по сравнению с одним диодом, они работают «парами». На обычном кремниевом диоде при небольшом токе падает порядка 0.6 вольта. Значит, до выпрямительного узла напряжение может быть на 0.6*2=1.2 вольта больше, или 18+1.2=19.2 В. Логика рассуждений понятна? В данном случае четко определено максимальное напряжение на выходе, ограниченное по микросхеме усилителя. Выходное напряжение получается после:
Я умышленно пошел с «выхода» на «вход». Так вот, на каждой «ступени» теряется напряжение. Выпрямительный узел – падение на диодах, трансформатор – сопротивление обмоток. Это значит, что по пути от «выхода» к «входу» напряжение должно быть больше, на величину потерь в каждом узле.
Выходное напряжение трансформатора
Технические данные трансформатора нормируются для режима нормальной работы, следовательно, указание «12 вольт» соответствует выходному напряжению с током нагрузки номинальной величины. А что происходит без нагрузки? У обмоток трансформатора вполне конечное сопротивление и при подключении нагрузки на них начинает теряться мощность, что снижает выходное напряжение. Вполне понятно как влияет сопротивление вторичной обмотки – его легко измерить и на ней падает напряжение, пропорциональное току нагрузки. А первичная обмотка, разве ее сопротивление ничего не значит?
Увы, через обмотку течет ток и её внутреннее сопротивление снижает входное напряжение. При вычислениях проще всего перевести сопротивление первичной обмотки к выходной, пересчитав сопротивление обратно пропорционально квадрату коэффициента трансформации. Для данного примера входное напряжение трансформатора 220 вольт, выходное (без нагрузки) 13.8, что задает коэффициент трансформации 220/13.8=16. Сопротивление первичной обмотки 144 Ом, для перевода на вторичную обмотку это число надо поделить на квадрат коэффициента трансформации, или 144/(16*16)=0.56 Ом. Много или мало? Сопротивление вторичной обмотки 0.7 Ома, что немного выше «приведенного» сопротивления первичной обмотки (0.56 Ом), что правильно – чаще всего вторичная обмотка наматывается поверх первичной, увеличивая длину витка и приводя к небольшому возрастанию внутреннего сопротивления.
Итак, выходное напряжение трансформатора без нагрузки определяется из отношения числа витков первичной обмотки к вторичной. При подключении нагрузки напряжение уменьшается из-за эквивалентного сопротивления выходной обмотки (равное сумме сопротивлению вторичной и пересчитанного сопротивления первичной обмоток).
Максимальное выходное напряжение (без нагрузки) получается на пиках переменного напряжения, которое в «корень из двух» раз больше действующего напряжения, получаемого со вторичной обмотки. Поскольку расчеты ведутся «с конца», выполним обратный расчет – из максимального выпрямленного напряжения вычыслим действующее напряжение. Ранее была получена цифра 19.2 вольта, что должно получаться в пике переменного напряжения.
«Действующее» будет в «корень из двух» меньше, или: 19.2/1.41=13.6 В. Мой трансформатор на холостом ходу выдает напряжение 13.8 вольта, что на 0.2 вольта больше допустимой величины (13.6 В)! Если бы это была разработка для серийной продукции, то исправление нарушения спецификации потребовало бы либо изменить схемное решение, либо вводить демпфирующие элементы – в серьезных устройствах никакие «авось» не допустимы, даже столь незначительные. Но в домашнем применении 0.2 вольта погоды не сделают.
Впрочем, не стоит «забывать» о небольшом «фоновом» потреблении микросхемы усилителя. Для приведенного списка ток потребления в состоянии покоя находится в интервале 0.08-0.19 ампера. Эквивалентное выходное сопротивление трансформатора 0.7+0.56=1.26 Ом. При токе 0.08-0.19 А это снизит напряжение на 1.26*(0.08…0.19)=0.1…0.24 вольта, что практически нивелирует завышенное на 0.2 вольта напряжение с трансформатора. Итак, последний признан условно годным для работы совместно с перечисленным списком микросхем-усилителей при предельном рабочем напряжении питания 18 вольт. Коль скоро трансформатор не отвергнут, можно выполнить «прямые» расчеты и оценить, какую максимальную мощность с него можно получить.
Рассмотрим два случая работы устройства:
Сложно? Вовсе нет, на примере станет понятнее.
Выходное напряжение трансформатора 13.8*1.41=19.45 В, эквивалентное сопротивление обмоток 0.7+0.56=1.26 Ом, пик-фактор 3.5, ток нагрузки… А действительно, какой ток нагрузки?
Возьмем самую простую микросхему из ранее приведенного списка, одноканальный мостовой усилитель TDA2005. Для него определен ток потребления 3.5 ампера. Если усилитель ограничен в инфразвуковой части диапазона, то можно вышеприведенную цифру считать пиковым значением, действующее значение в «корень из двух» раз меньше, или 3.5/1.41=2.48 А. Итак, ток нагрузки определен, можно продолжить вычисления.
Потери напряжения на внутренних сопротивлениях обмоток трансформатора составит 1.26 Ом * 3.5 * 2.48 А = 11 вольт. Из 19 вольт потерять 11 – это просто неприемлемо! Подобный трансформатор не способен обеспечить полную мощность даже для самой «слабой» микросхемы усилителя, что уж говорить о прочих вариантах. С другой стороны, музыкальные композиции отнюдь не то же самое, что генератор низкой частоты, в них громкие звуки встречаются относительно редко и непродолжительное время.
Поэтому заведомую негодность приведенного трансформатора можно скомпенсировать увеличенной емкостью сглаживающих конденсаторов. Довольно сложно выбрать типичный пример музыкального фрагмента, очень уж разные направления и течения в музыке, ну пусть будет «роковый бит» (сэмпл взят со страницы wiki):
В одной клетке 5 мс. Из этой картинки следует, что нагрузка на блок питания в среднем небольшая и только в течение небольшого интервала времени следует «всплеск» мощности. На фрагменте повышенное потребление продолжается семь клеток или 7*5=35 мс. Если установить сглаживающие конденсаторы такой емкости, чтобы они смогли удержать напряжение питания в допустимых рамках, то и из этого трансформатора может что-то получиться. Если «забыть» о локальном всплеске, то средняя величина потребления тока снижается в три и более раз.
Этот вывод совпадает с обычными рекомендациями – пик-фактор для музыки лежит в интервале 10-20 дб (3-10 раз). Коль скоро цифры совпадают, можно их и придерживаться. Значит, средний ток потребления усилителя будет в три раза меньше приведенной в документации на усилитель (3.5 ампера). Почему три, а не десять? Устройство собирается для себя, «кукурузный» усилитель делать не стоит, даже в качестве примера.
Возвращаемся к расчетам, использованный ранее «средний ток 2.48 А» зачеркиваем и подставляем вместо него 2.48/3=0.83 А. Падение на обмотках трансформатора составит 1.26 Ом * 3.5 * 0.83 А = 3.7 вольт, приемлемо.
Выпрямительный мост
Следующий этап – вычислить падение напряжения на выпрямительных диодах, при этом важно не забывать, что диоды работают «парами» и потери удваиваются. Но я несколько забежал вперед, вначале надо выбрать сами диоды или «диодный мост» как готовый элемент. И здесь краеугольный вопрос – можно ли использовать диоды Шоттки? Трудность в том, что этот класс обладает лучшими техническими характеристиками, но их не собирают в сборки типа «диодный мост».
Построение выпрямительного узла в виде «моста» означает, что максимальное напряжение на диодах немногим больше выходного напряжения, и в рассматриваемом случае диоды Шоттки использовать можно. Возьмем что-нибудь дешевое и доступное, например 1N5818 (1 А, 30 В). Его вольт-амперная характеристика выглядит следующим образом:
Кстати, обратите внимание – по мере повышения предельного рабочего напряжения (1N5817 = 20 В, 1N5818 = 30 В, 1N5819 = 40 В) возрастает падение на диоде, поэтому запас карман «тянет», установка диодов Шоттки с излишним запасом рабочего напряжения ухудшает характеристики БП.
Для данного случая, 1N5818, при токе 1-3 ампера падение напряжения составит 0.5-0.6 вольта, вполне приемлемо, особенно с учетом того, что диоды в мосте работают попеременно и средняя величина рассеиваемой мощности на диоде в два раза ниже. А максимальный долговременный ток трансформатора (а значит и диодного моста) - 0.83 А, что определяет рассеиваемую мощность на каждом диоде 0.83*0.5/2=0.2 Вт. Мощность не большая, установки на радиатор не требуется.
Полученные цифры можно подставить в расчет, для чего соберем все найденные цифры вместе:
Из первой цифры вычитаем вторую и третью, получается 19.6-3.7-1.2=14.7 В, - пиковое напряжение на выходе выпрямительного моста. Однако сейчас самое время вспомнить, что напряжение на выходе трансформатора синусоидальной формы, что означает непостоянную амплитуду на выходе выпрямителя и обязательное использование конденсатора довольно большей емкости.
Сглаживающий конденсатор
Требования к конденсатору достаточно просты – он должен разрядиться не более «V» за время «T» при токе нагрузке «I». Время можно вычислить по картинке, приведенной в начале статьи – конденсатор сохраняет напряжение на выходе всё время, пока диоды не проводят, а это примерно 70 процентов полупериода (для частоты сети 50 Гц это 10 мс * 0.7 = 7 мс). Ток нагрузки зависит… от тока нагрузки :). Напряжение «V» - на сколько можно позволить уменьшиться напряжению питания.
Можно было бы подставить эти цифры и получить довольно низкую емкость конденсатора, но вот беда – рассматриваемый трансформатор слишком «хлипкий» и не может обеспечить достаточный ток на пиках нагрузки, придется его проблемы решать за счет увеличения емкости конденсаторов. Ранее оговаривалось время пиковой нагрузки в 35 мс при токе нагрузке 2.48 А. Сравните это с 7 мс и 0.83 А для «обычного» режима.
Емкость конденсатора считается по обычной формуле: C=I*T/V.
Ой, опять поторопился. Вначале надо решить, на сколько можно позволить уменьшиться напряжению при разряде конденсатора. Номинальное напряжение питания 12 вольт, «пиковое» выпрямленное уже 14.7 В. Не хотелось бы опускаться ниже 11 В, ну пусть будет 3 вольта.
Подставляем полученные значения, С=2.48*0.035/3= 29000 мкФ. Такой конденсатор потребовался бы в том случае, если бы блок питания вообще отключился на всё время, но трансформатор продолжает работать и частично подзаряжать конденсатор, поэтому полученную цифру стоит поделить на два.
С емкостью конденсатора определились, 12000-15000 мкФ, рабочее напряжение не меньше 25 вольт, можно перейти к выбору конкретной модели. Возьмем доступные модели фирмы Jamicon серии LP на напряжение 25 В. Например, устроили бы два варианта:
Оба варианта проходят по току, «Max ripple current» 3.74-3.89 ампер, в зависимости от исполнения. Габариты конденсатора приемлемы, остается уточнить расчеты на симуляторе – удастся ли вписаться с таким решением в требуемые характеристики блока питания. Моделирование в PSPICE представляет следующий переходной процесс для импульсной нагрузки (конденсатор 12000 мкФ):
Сносно, но сойдет, усилитель работать будет.
Блок питания рассчитан, но есть еще один момент, который я опустил в виду «домашнего» исполнения. Дело в том, что напряжение сети только считается 220 вольт, а на деле может быть в диапазоне +10/-15% от номинального значения. Это означает, что вполне вероятна ситуация, когда блок питания подключат к сети 242 вольта, что вызовет увеличение выходного напряжения в режиме простоя с относительно безопасных 18 В до 20 В, что повлечет за собой… думаю, объяснений не нужно.
Обратный случай, снижение на 15 процентов не вызовет деструктивных последствий, микросхема усилителя не разрушится, просто уменьшится максимальная мощность. Обычно цифра «-15%» рассматривается как «-10%» на общий уход среднего напряжения и «-5%» на непродолжительные изменения, поэтому снижение напряжения сети не так заметно для усилителя. Если же брать другую аппаратуру, то там эффект противоположный – даже непродолжительное снижение напряжения может нарушить нормальное функционирование устройства.
Выпрямительный мост или полумост?
Остался еще один вопрос, который стоит обсудить один раз и больше никогда не возвращаться – что лучше для трансформаторного блока питания, мост или полумост?
С точки зрения потерь на диодах «полумост» лучше – в выпрямительной цепи используется только один диод, в «мосте» их пара, а значит меньше падение напряжения. Но, экономия на диодах приводит к удвоению количества обмоток. Попробуем оценить эффективность этих вариантов для рассматриваемого блока питания, скажем, при токе нагрузки 1 ампер. В данном случае интересуют только потери на сопротивлении обмоток трансформатора и диодах выпрямительного узла. Емкость и другие параметры конденсатора от исполнения схемы выпрямления не зависят, а потому про него пока можно «забыть».
Вначале «мост» – потери на трансформаторе считаются как сопротивление выходной обмотки плюс приведенное сопротивление первичной обмотки, умноженные на 3.5 и ток 1 А. Это составит величину (0.7 + 0.56) * 3.5 * 1 = 4.41 В.
Потери на диодах 0.6 * 2 = 1.2 В.
Теперь «полумост» – первичная обмотка пересчитывается так же, а вот с вторичной небольшая заминка. Коль скоро их количество удвоилось, то во столько же раз уменьшилось место на трансформаторе под каждую из них. Как следствие, сопротивление одной обмотки возрастет в два раза. Итак, цифры: (1.4 + 0.56) * 3.5 * 1 = 6.86 В.
Падение на диоде… стоп-стоп! В данном схемном решении напряжение на диодах возрастает в два раза, а потому диод Шоттки 1N5818 (30 В) принципиально нельзя применять, только 1N5819 (40 В). Хотя, и 40 вольт мало – из-за дребезга и звона, свойственного построению с двумя обмотками, напряжение на диодах несколько больше, чем просто «выходное напряжение», умноженное на два. Здесь хорошо бы подумать о диодах на 45-60 вольт. Впрочем, ограничимся 1N5819. Переход на другой диод, с большим рабочим напряжением, повысил падение в прямом направлении с 0.5-0.6 до 0.6-0.8 вольта.
Результаты расчета соберем в таблицу, так нагляднее:
| Тип выпрямительного узла | Падение на трансформаторе, В | Падение на диодах, В | Сумма потерь, В |
| Мост | 4.41 | 1.2 | 5.61 |
| Полумост | 6.86 | 0.8 | 7.66 |
Цифры вы видите, вопрос о выборе типа выпрямительного узла можно закрыть окончательно.
Предыдущий материал показал, что в трансформаторном блоке питания выходное напряжение не особо стабильно, да еще присутствуют пульсации частотой 100 Гц (удвоенная частота сети). Можно с этим мириться, но чаще всего аппаратура представляет довольно жесткие рамки по диапазону изменения напряжения и «банальным» увеличением емкости конденсатора не обойтись, придется устанавливать стабилизатор напряжения.
Существует множество реализаций такого элемента – полностью на транзисторах, с участием операционных усилителей или интегральные микросхемы, с или без каких-либо «внешних» силовых элементов. Довольно скучно изучать работу устройства, если оно выглядит как «черный ящик» с входом, выходом, лучше взять какой-нибудь пример. Ограничимся несложной схемой на двух транзисторах, например, такой:
Входное напряжение подается на цепь «Vin», стабилизированное напряжение получается на выводе «Vout». Данная схема хоть и выглядит просто, но обладает неплохими техническими характеристиками и даже получила цепь защиты от перегрузки по току. Можно небольшую загадку? Попробуйте самостоятельно определить в данной схеме цепь и принцип работы схемы защиты. Пока вы размышляете, я попробую обсудить вопрос рациональности применения стабилизаторов напряжения в усилителях низкой частоты, оставив вам время подумать.
В рассматриваемом примере слабенький трансформатор формирует напряжение для работы усилителя. Его мощности явно недостаточно, но проблему удалось «обойти», переместив акцент на увеличение емкости сглаживающего конденсатора. Однако не стоит забывать о самой сети 220 вольт – вовсе не обязательно, что в вашей квартире напряжение именно 220 вольт и оно сохраняет свою величину в неизменном виде всё время.
Официально, советская электросеть может работать в диапазоне от 187 до 242 вольта (220 В +10/-15%). Что будет с блоком питания, если напряжение сети повысится? Вполне очевидно, что выходное напряжение БП так же возрастет.
Расчеты приводить не стоит, их уже производили… хотя, тут всё просто – повышение напряжения сети с 220 до 242 повысит выходное напряжение трансформатора с 13.8 В до 13.8 В +10% = 15.18 В. Если вычислить пиковое значение (15.18 * 1.41), получится 21.4 вольта. Вычитаем 1.2 В падение на выпрямительном мосте и получается 20 вольт. Гм, на микросхему усилителя TDA2005 (как и для прочих «автомобильных» усилителей) нормируется максимальное рабочее напряжение 18 В, а здесь - 20. К чему это приведет? Можно погадать на ромашке, а вдруг не сгорит? Это плохая идея и, увы, от повышения напряжения нельзя избавиться никакими простыми средствами типа «поставить резистор».
В данном случае есть только одно разумное решение – стабилизатор напряжения. Для работы усилителя надо 12 вольт, вот стабилизатор его и будет поддерживать, а всё, что выше 12 В погасится на регулирующем транзисторе.
Рассмотрим целесообразность применения стабилизатора, знаком «[+]» будут отмечаться достоинства, «[-]» - недостатки:
Разберем по пунктам.
Стабильное выходное напряжение
Если усилитель спроектирован правильно, то он довольно спокойно относится к небольшому изменению питающих напряжений. Единственная цепь, которая обладает повышенной чувствительностью к изменению напряжения питания – это схема стабилизации тока покоя выходного каскада. Поэтому для «интегральных» усилителей особой стабильности напряжения питания не требуется, а вот «самодельные» варианты лучше снабжать стабилизаторами, но это не «критичное» требование и его можно обойти некоторым усложнением схемотехники самого усилителя.
Ограничение по току нагрузки
В любом устройстве бывают или возможны нештатные ситуации. Сгорел транзистор или уронили провод – если в блоке питания нет защиты, то может выйти из строя очень много деталей. Понятное дело, что БП с защитой не гарантирует распространение поломки на разные узлы усилителя, но хоть снизит ущерб. Второй момент – трансформаторный блок питания содержит в себе такой громоздкий элемент, как трансформатор. Если БП перегрузить, то на нём будет выделяться большая тепловая мощность из-за значительного сопротивления обмоток, и вероятны неприятные последствия, догадываетесь, какие?
Для борьбы с этим злом в цепь первичной обмотки устанавливают предохранитель, но и такое решение далеко от идеала. Дело в том, что экстраток включения трансформатора не позволяет установить предохранитель правильной величины, приходится выбирать его с номинальным током в два-три раза больше. Что до самого предохранителя, то его время срабатывания зависит от степени превышения тока над номинальным значением предохранителя. Декларируются три цифры:
Как видите, это не самый хороший способ защиты, он спасает только в «тяжелых» ситуациях – короткое замыкание или пробой изоляции с большим током фаза-заземление. В остальных случаях он помогает очень слабо. Для низковольтового питания закорачивание выхода БП, как правило, не приводит к сгоранию сетевого предохранителя. Увы. Поэтому электронная защита в блоке питания такого типа - вещь необходимая.
Снижение уровня пульсаций
Трансформаторный блок питания создает на выходе небольшой уровень пульсаций частотой 100 Гц, что усложняет достижение низкого уровня «фона» на выходе усилителя. Стабилизатор помогает решить эту проблему. Выше приведена схема стабилизатора, она обеспечивает на выходе уровень пульсаций 20 мВ при изменении входного напряжения в диапазоне 12.5-16 В, для тока нагрузки 1 ампер. То есть стабилизатор уменьшает уровень пульсаций в 170 раз. Впрочем, это «мелочи», переход на интегральные микросхемы позволяет получить гораздо большую степень подавления.
Перенос уровня земли
Усилитель довольно сложное устройство, даже у такой простой вещи как «земля» есть несколько прочтений - «чистая» земля, «силовая», «грязная» - всё зависит от места ее расположения. Нельзя совмещать точку земли входного сигнала и питания, особенно при их «обратном» расположении – возрастут искажения, шумы и прочее, вплоть до самовозбуждения усилителя.
Прокладка цепи «земля» от входных каскадов до выходных и блока питания представляется сложной задачей и стабилизатор напряжения способен оказать реальную помощь – он может взять в качестве опорного уровня потенциал «чистой» земли и стабилизировать напряжения относительно него. Фактически, стабилизатор регулирует ток по цепям питания и уровень «земли» для него не является «силовым», поэтому затекания тока в эту цепь не происходит. При неудачной трассировке усилителя данное свойство может оказаться востребованным.
Достоинства закончились, пошли недостатки.
Увеличение количества деталей
Стабилизатор напряжения – это отдельное устройство, хоть и весьма простое. На его установку надо затратить (небольшое) количество средств и время на сборку и наладку. Увы, контраргументов нет, придется потратить время и деньги. Поэтому так мало усилителей «низшего ценового диапазона» содержит стабилизатор в блоке питания.
«Изоляция» цепи питания усилителя от сглаживающих конденсаторов
Конденсатор в БП служит для сглаживания выпрямленного напряжения с вторичной обмотки трансформатора. Но, и самому усилителю крайне желательны такие конденсаторы по выводам питания – они усреднят броски тока потребления на пиках громкости. Если в блок питания устанавливается стабилизатор, то он «разъединяет» блок питания с его конденсаторами и сам усилитель. Теперь броски тока потребления усилителя ничем не сглаживаются и протекают через стабилизатор в неизменном виде. Это ужесточает требования к стабилизатору по величине максимального тока. При расчете трансформаторного блока питания, выполненном в предыдущем разделе, были получены следующие цифры:
Как видите, разница в числах довольно большая. Если удвоить количество сглаживающих конденсаторов и поставить половину из них до, а другую половину после стабилизатора, то сам стабилизатор можно было бы рассчитывать вовсе не на 3.5 ампера, а на значительно меньшую величину. Но так никто не делает, после стабилизатора устанавливают минимальное количество (емкость) конденсаторов, только бы сохранить низкий импеданс на средних-высоких частотах для исключения самовозбуждения усилителя.
Является ли это серьезным недостатком? Не думаю, достаточно установить регулирующий транзистор помощнее и всё, дополнительные затраты мизерные. На уровень тепловыделения величина емкости сглаживающих конденсаторов не оказывает влияния – при низкой емкости потребляемый ток будет большой, короткое время, увеличение конденсаторов снизит величину тока, но «растянет» его во времени – итоговый результат будет одним и тем же.
Возможно снижение качества работы усилителя
Усилитель и блок питания - устройства не настолько простые, как кажется на первый взгляд. Добавление стабилизатора не всегда приводит к улучшению работы всего комплекса. На мой взгляд, этому способствуют две проблемы – при разработке схемы забыли учесть повышенное потребление усилителя в переходных процессах, динамические головки обладают некоторой инерционностью и их импеданс может быть существенно меньше сопротивления по постоянному току. Вторая проблема – завышенные требования к качеству стабилизации напряжения питания. Зачастую, в схемотехнике стабилизатора используют интегральные микросхемы, которые обеспечивают высокое качество работы, но могут обладать проблемами с устойчивостью. Кроме того, такие схемные решения очень резко реагируют на превышение тока выше порогового.
Как следствие, желание обеспечить высокие эксплуатационные характеристики стабилизатора оборачивается ухудшением качества работы всего устройства – при эксцессах (резком росте тока нагрузки) выходное напряжение меняется очень резко, что вызывает «удар» по усилителю и каким-либо путем попадает на динамик. Я описал один из возможных вариантов ухудшения качества работы, а их может быть множество, в том числе и банальное «возбуждение» стабилизатора.
На практике мое предположение проверить довольно затруднительно, ведь симуляция или практическая сборка устройства не дадут корректного результата – при его разработке уже будут учтены эти нюансы и дефект не проявится в полной мере. Обращаться же к тем, у кого возникли проблемы после добавления стабилизатора напряжения – это процесс долгий и тернистый. Как мне кажется, для усилителя лучше подходит самый простой стабилизатор, на транзисторах – у него не самое стабильное выходное напряжение, но нет проблем с устойчивостью, да и при перегрузке ограничение/отключение наступает более «мягко».
При добавлении стабилизатора напряжение усилителя снижается
Установка стабилизатора снижает напряжение питания усилителя, это особенность работы линейного стабилизатора. Насколько это плохо и «плохо» ли вообще? Принцип работы усилителя класса АВ состоит в подаче на нагрузку тока с положительной или отрицательной цепи питания. То есть, он выполняет функцию того же стабилизатора, только выходное напряжение не фиксированное, а определяется звуковым сигналом.
Возьмем рассматриваемый злосчастный трансформаторный блок питания и оценим уровень громкости, который можно получить с и без стабилизатора. Без оного напряжение питания усилителя меняется от 18 до 12 вольт, в зависимости от уровня выходного напряжения (и сопротивления динамика). Ну, хорошо, если блок питания выдает 18 вольт, то можно ли получить бо́льшую громкость? Увы, чем больше напряжение на выходе усилителя, тем больше ток (сопротивление динамика не сильно меняется от подаваемой мощности).
Возрастание тока уменьшает напряжение на блоке питания и… с чего начали, тем и закончили – повышение напряжения питания усилителя при снижении громкости ничего не дает, редкие «импульсные» сигналы с большим пик-фактором погоды не сделают, первый же удар барабана загонит усилитель в насыщение. Короче говоря, добавление стабилизатора не снижает максимальную громкость (выходное напряжение) усилителя.
Тепло рассеивается не только на выходном каскаде усилителя, но и на стабилизаторе
На максимальной громкости стабилизатор работает с низким падением напряжения вход-выход, практически «закорочен» - этот режим понятен и обсуждать тут особо нечего. А вот при среднем уровне, положим, выходное напряжение усилителя составляет 50% от напряжения питания, уже можно проследить ряд полезных наблюдений.
Возьмем что-то конкретное, а именно два варианта – с питанием усилителя от 16 В (без стабилизатора) и от 12 В (с ним). Выходное напряжение усилителя, скажем, 6 вольт, сопротивление нагрузки (динамика) 4 Ом. В обоих случаях будет течь ток 6/4=1.5 А, из цепи питания в нагрузку. При этом на регулирующих транзисторах будет рассеиваться тепловая мощность, пропорциональная падению напряжения на них.
| Тип блока питания | Падение напряжения на усилителе, В |
Падение напряжения на стабилизаторе, В |
Рассеиваемая мощность на усилителе, Вт |
Рассеиваемая мощность на стабилизаторе, Вт |
Полная мощность, Вт |
| Без стабилизатора | 16-6=10 | 0 | 10*1.5=15 | 0 | 15 |
| С стабилизатором | 12-6=6 | 16-12=4 | 6*1.5=9 | 4*1.5=6 | 15 |
Как можно видеть, добавление стабилизатора мало влияет на уровень выделения тепла во всем устройстве. Иначе говоря, его использование не ухудшает технические характеристики всего усилителя. Если говорить о мощности тепловыделения, то установка стабилизатора приводит к некоторому улучшению работы системы отвода тепла. Дело в том, что микросхема усилителя весьма компактна, а пассивный радиатор довольно крупный и протяженный, что увеличивает концентрацию тепла около микросхемы и снижает эффективность отвода через радиатор.
А у стабилизатора есть свой регулирующий транзистор, который можно разместить подальше от микросхемы усилителя, что позволит разнести точки нагрева и сделать работу радиатора более эффективной. Посмотрите таблицу, при среднем уровне громкости, который является «типичным» для музыки, рассеиваемая мощность распределяется как 9 Вт (усилитель) и 6 Вт (стабилизатор), цифры довольно близкие. Короче говоря, введение в блок питания схемы стабилизации приносит пользу и по этому пункту.
Просуммировав всё вышесказанное, можно сделать вывод, что добавление стабилизатора улучшает работу всего комплекса. Негативные моменты в незначительном усложнении схемотехники и удвоении количества сглаживающих конденсаторов – всё это критично только для крайне «бюджетных» случаев.
Однако вернемся к баранам. Повторю схему стабилизатора, приведенную ранее.
Стабилизатор работает следующим образом - цепь R1, R2 и стабилитрон D3 формируют опорное напряжение для схемы стабилизации. Транзистор Q2, совместно с диодом D2, образуют неявный дифференциальный каскад, сравнивающий уровень выходного напряжения и опорного уровня (на стабилитроне D3). Возникающий ток рассогласования усиливается транзистором Q1, который создает ток такой величины, чтобы выходное напряжение сохранялось неизменным. Диод D1 выполняет вспомогательную функцию, о ней чуть позже.
Не знаю, разобрались ли вы со схемой защиты от перегрузки, проверяйте. В схеме нет явно выделенных элементов, ограничивающих предельный ток стабилизатора, для этой функции используется особенность работы полупроводникового транзистора – его ток коллектора зависит от тока базы почти линейно. Значит, ограничив максимальное значение тока базы, можно также ограничить максимальный ток коллектора.
Это ключевой элемент схемы защиты, но у него есть недостаток – предельный ток коллектора немного зависит от величины падения напряжения коллектор-эмиттер и по мере возрастания напряжения так же возрастает ток. Свойство вредное, при коротком замыкании в нагрузке (типичная аварийная ситуация для блока питания) на регулирующем транзисторе будет рассеиваться чрезмерно большая мощность. Для данного примера, с уровнем громкости усилителя 50%, на стабилизаторе рассеивается 6 Вт, что определяет необходимую эффективность (геометрические размеры) радиатора. При коротком замыкании стабилизатор будет пытаться обеспечивать максимальный ток (3.5-4 А) от блока питания и его рассеиваемая мощность превысит 20 Вт. Причем, на максимальном токе продолжительное время окажутся все элементы блока питания – и трансформатор и выпрямительные диоды. Ни тот, ни другие на подобное не рассчитаны и последствия… могут быть разными. Отсюда вывод – «банальное» ограничение тока не спасает блок питания от деструктивных последствий перегрузки, надо что-то еще, поумнее.
Наверно, полезно было бы обеспечить снижение предельного уровня тока при уменьшении выходного напряжения, тогда рассеиваемая мощность на регулирующем транзисторе не окажется слишком большой, а уровень тока потребления от блока питания не вызовет проблем с нагревом трансформатора и диодов. Как это реализовать? Величина тока базы регулирующего транзистора (Q1) определяется током коллектора транзистора сравнения (Q2) дифкаскада, который не может быть больше тока, протекающего через резистор R3.
Вот это и есть ключевой элемент схемы ограничения – величина тока через него, умноженная на коэффициент усиления транзистора Q1, задает величину ограничения выходного тока. Но, ток через резистор R3 напрямую зависит от величины опорного напряжения. Если при перегрузке снижать опорное напряжение, то выходной ток также будет снижаться. Вот тут становится понятен смысл установки диода D1 – он уменьшает величину опорного напряжения при перегрузке, шунтируя стабилитрон D3. Эффективность такого решения можно посмотреть на нагрузочной характеристике:
Синий график – схема без диода D1, красный – полный вариант.
Без диода схема ограничивает уровень тока, но весьма неактивно – по мере снижения величины нагрузочного сопротивления ток нагрузки немного возрастает и становится примерно 4.2 ампера на коротком замыкании. Полная схема обладает совсем другими характеристиками, по мере уменьшения нагрузочного сопротивления снижается величина выходного тока. При коротком замыкании ток стабилизатора минимален, около 0.5 ампера, и не вызывает каких-либо серьезных последствий.
Возможно, у вас может возникнуть мысль – а зачем оставлять так много, лучше же снижать ток еще ниже, к чему пустое рассеивание мощности? Дело в том, что дальнейшее снижение уровня тока при коротком замыкании вызовет трудности и с устойчивостью, и с качеством выхода стабилизатора на нормальный режим после устранения перегрузки. Обычно, аппаратура, которая запитывается от БП, хоть немного, но потребляет при сниженном напряжении питания, поэтому необходимо обеспечить небольшой ток на начальной стадии выхода из режима перегрузки, когда напряжение на выходе еще не вышло на номинальный режим. Альтернативой этому приему будет введение триггера и кнопки сброса защиты после перегрузки – не самое изящное решение, особенно для усилителя.
Рассмотрим нагрузочную характеристику стабилизатора более подробно. Из-за больших перепадов напряжения предыдущая картинка для этого не подходит, интересует диапазон тока нагрузки «до» момента срабатывания защиты, а потому стоит выделить диапазон напряжений 11.5-12.5 В.
Графики приводятся для трех случаев напряжения питания стабилизатора:
Второй и третий график ведут себя примерно одинаково, а вот первый (12.5 В) кроме небольшого снижения напряжения также снизил и максимальный уровень тока. Но вспомним о величинах напряжений – стабилизатор запитывается от 12.5 В и формирует на выходе 12 В, падение вход-выход всего лишь 0.5 вольта! Это хороший результат, а с учетом простоты схемного решения - очень хороший. Качество стабилизации вполне соответствует работе с усилителем низкой частоты – напряжение питания довольно стабильное, минимальное падение напряжения на стабилизаторе довольно низкое.
В схеме присутствует конденсатор C1 и «зачем-то» резистор задания тока стабилитрона разделен на два (R1 и R2). Такое схемное решение стабилизирует ток стабилитрона D3 при изменении входного напряжения, что обеспечивает крайне низкий уровень пульсаций выходного напряжения стабилизатора вплоть до полного насыщения регулирующего транзистора. Моделирование показало уровень пульсаций 13 мВ для тока нагрузки 1 ампер и изменение входного напряжения в интервале 12.3-16.3 В с частотой 100 Гц. При этом минимальное напряжение вход-выход стабилизатора составляло 0.3 вольта.
Положим, необходим стабилизатор с выходным напряжением 12 вольт. Данная схема считается «с конца», от величины тока ограничения. Из описания микросхемы TDA2005 следует, что максимальный ток потребления может быть 3.5 ампера. С одной стороны, стабилизатор должен обладать некоторым запасом по порогу защиты и его следует отодвинуть на 15-30 процентов в большую сторону. С другой – после стабилизатора все равно придется установить сглаживающий конденсатор, иначе усилитель может возбудиться. Дополнительный конденсатор снизит девиацию тока, поэтому предельный ток окажется меньше 3.5 ампер. Первое и второе ограничение взаимно компенсируются, остановимся на цифре «3.5А».
Предельный ток оговорен, но здесь сразу потребуется другой параметр – величина коэффициента усиления регулирующего транзистора. В качестве последнего может применяться любой pnp транзистор с достаточным предельным напряжением и рабочим током. Для данного случая это 22 вольта (максимальное напряжение на сглаживающем конденсаторе) и 3.5 ампера (ток нагрузки). Если посмотреть продукцию фирмы Fairchild по обычным pnp транзисторам в корпусе TO-220, то подходящими будут следующие кандидаты:
Возьмем первый вариант, у него рабочий ток побольше, а цена та же, что и у второго транзистора. Третий вариант вызывает сомнения, предельный ток 3.5 ампера, а у него нормируется только 4 А – на больших токах могут быть проблемы. Итак, берем MJE2955T.
Для начала смотрим на коэффициент усиления транзистора в схеме ОЭ:
Порядок анализа такой – на левой картинке идем вверх от тока 3.5 А до графика, а затем влево до оси hFe. В моем случае получается 37, транзистор с таким коэффициентом усиления при токе коллектора 3.5 ампера. По правой картинке можно определить напряжение насыщения транзистора, методика та же – от тока вверх и влево, получается 0.28 В. Много или мало, подходящий ли это транзистор?
Соберем данные по всем трем моделям транзисторов, для тока коллектора 3.5 ампера:
| Наименование | Коэффициент усиления | Напряжение насыщения, В |
| MJE2955T | 37 | 0.28 |
| BD244 | 45 | 0.22 |
| KSB596 | 35 | 1.5 |
По коэффициенту усиления все три транзистора обладают близкими характеристиками, а вот напряжение насыщения расставляет всё по своим местам – транзисторы с запасом по предельному току показывают схожие результаты, последний же кандидат «с треском» провалил тест, 1.5 вольта ни в какие ворота не лезет. Если установить его в схему, то минимальное напряжение вход-выход составит 1.5 вольта, что неприемлемо для моделируемого блока питания. Терять 1.5 вольта «просто так» – непозволительная роскошь.
Вывод – всегда используйте транзистор с запасом по току в 1.5-2 раза, иначе ухудшения характеристик не избежать.
Итак, коэффициент усиления транзистора известен (37), отсюда можно сразу вычислить предельный ток базы регулирующего транзистора Q1, он будет равен 3.5/37=0.1 А. Этот ток определяется величиной резистора R3 и напряжением на нем, которое составляет величину выходного напряжения минус падение на диоде D2 (0.6 В).
Формула расчета резистора простая, R=V/I, что для случая R3 составит (12-0.6)/0.1=114 Ом. При продумывании схемы надо пользоваться стандартными рядами номиналов, и лучше выбирать из набора с меньшим номером, скажем E6 – это снизит количество типономиналов в схеме и упростит приобретение компонентов.
Ряды выглядят следующим образом:
| E24 | 1 | 1.1 | 1.2 | 1.3 | 1.5 | 1.6 | 1.8 | 2 | 2.2 | 2.4 | 2.7 | 3 |
| 3.3 | 3.6 | 3.9 | 4.3 | 4.7 | 5.1 | 5.6 | 6.2 | 6.8 | 7.5 | 8.2 | 9.1 | |
| E12 | 1 | - | 1.2 | - | 1.5 | - | 1.8 | - | 2.2 | - | 2.7 | - |
| 3.3 | - | 3.9 | - | 4.7 | - | 5.6 | - | 6.8 | - | 8.2 | - | |
| E6 | 1 | - | - | - | 1.5 | - | - | - | 2.2 | - | - | - |
| 3.3 | - | - | - | 4.7 | - | - | - | 6.8 | - | - | - |
К слову, лично я стараюсь пользоваться рядом E3 (1, 2.2, 4.7), это позволяет обходиться небольшой кассетой резисторов, что особо ценно при SMD решениях.
Величину сопротивления 114 Ом можно выбрать как 110 Ом (ряд Е24) или 100 Ом (ряды Е6-E24). Если остановиться на 110, это потребует поиска резистора с точностью не хуже 5%, ведь номер ряда соответствует точности компонента, элементы с пониженной точностью не выпускаются с мелким шагом номиналов. Чтобы избежать глупых проблем с приобретением, можно уже на стадии разработки устройства использовать ряды с низким номером.
Итак, R3=100 Ом. Несколько меньший номинал означает чуть больший порог токовой защиты, что не существенно. В схеме моделирования использован несколько другой транзистор и номинал резистора R3 (75 Ом) не соответствует вычисленному, однако весьма близок – это нормально. Кроме того, никто не мешает после сборки схемы подобрать номинал резистора для получения нужной величины тока ограничения.
Номинальная мощность резистора вычисляется из рабочего напряжения на нем и его сопротивления. Это будет V*V/R или 11.4*11.4/100=1.3 Вт. На данном резисторе всегда рассеивается эта мощность, поэтому необходимо использовать резистор с габаритной мощностью в полтора-два раза больше, то есть 2 Вт. Увы, данная схема содержит в себе серьезный недостаток – повышенную мощность, рассеиваемую на токозадающем резисторе. Если параметр тепловыделения становится критичным, то транзистор Q1 следует заменить на составной.
Причем, лучше использовать не «готовый» составной транзистор или набор из двух одинаковой проводимости, а применить связку из pnp и npn – при этом получается меньшее падение напряжения (0.7 В против 1.2 В). Как правило, мощность токозадающего резистора становится критичной при повышенном входном напряжении (20-60 вольт и выше), поэтому немного возросшее минимальное падение вход-выход никого не будет беспокоить.
Следующий шаг – подбор транзистора Q2. К нему требования гораздо мягче – напряжение то же (22 В), а ток равен току базы транзистора Q1, 0.1 А (проводимость npn). Под такое описание попадает множество транзисторов, да хоть BC237. «Множество» – это хорошо, но не забывайте рассчитывать рассеиваемую мощность на компонентах. Для данного случая на транзисторе Q2 падает напряжение Vin-Vout.
Из всех характеристик интересует hFe транзистора и для BC237 он составляет 100. Это означает, что максимальный ток базы транзистора Q2 будет в сто раз меньше его тока коллектора или 0.1/100=1 мА.
Следующий шаг – выбор стабилитрона и резисторов, задающий ток через него.
Для 12 вольт задача простая – стабилитроны на это напряжение весьма распространены. Если необходимо получить больше 12 В, то можно использовать несколько стабилитронов (даже с различным номинальным напряжением), включив их последовательно. Для коррекции на небольшую величину, 0.6-1.2 вольта, можно воспользоваться кремниевыми диодами в прямом включении.
От примененного стабилитрона зависит величина минимального и максимального токов через него. Из критерия этих токов и тока базы транзистора Q2 (1 мА) выбирается номинал резистора, формирующего ток через стабилитрон. В данной схеме резистор разделен на два, R1 и R2. Сделано это для того, чтобы устранить изменение тока стабилитрона от пульсаций входного напряжения. Обычно стабилитроны сохраняют рабочие параметры при токе не меньше 0.5 мА и не больше 20 мА – в этот диапазон и надо уложиться. С учетом тока базы Q2 рамки сдвигаются на 1 мА и становятся 1.5-21 мА. Минимальное входное напряжение стабилизатора получается при высоком токе нагрузки, что означает повышенный уровень пульсаций напряжения питания, скажем +/-1 В. Методика расчета конденсатора и пульсаций напряжения от тока нагрузки рассмотрена ранее.
Итак, напряжение насыщения регулирующего транзистора 0.28 вольта, еще 1 вольт уходит на пульсации, значит минимальное среднее входное напряжение составит 12+0.28+1=13.28 В. Наименьший ток через ограничительный резистор определяется минимальным напряжением (минус выходное 12 В), отсюда можно вычислить величину резисторов R1+R2: (13.28-12)/1.5=850 Ом. То есть каждый резистор номиналом 850/2=470 Ом (ряд Е6). После этого надо проверить, что через стабилитрон не пойдет слишком большой ток при повышении входного напряжения до 22 вольт. На стабилитроне напряжение 12 вольт, входное 22 В, резистор 470 Ом *2. Величина тока составит (22-12)/(470*2)=10.6 мА. С учетом того, что в базу транзистора Q2 пойдет какой-то ток, да и «20 мА» были взяты с потолка, полученные 10.6 мА являются приемлемым результатом.
Дополнительная характеристика к резисторам R1 и R2 – мощность. В случае короткого замыкания на них приходится всё входное напряжение, отсюда можно вычислить их мощность: V*V/R = (22 В * 22 В) / (470 Ом *2) = 0.51 Вт. То есть необходимо использовать резисторы R1 и R2 с мощностью исполнения не хуже 0.25 Вт. В обычном режиме на них будет рассеиваться значительно меньшая мощность, поэтому для этих резисторов случай срабатывания защиты от перегрузки можно рассматривать без запаса по мощности.
Остался пустяк, выбор двух диодов. Требования по напряжению для них одинаковые, не меньше максимального входного напряжения (22 В), что достигается для (почти) всех диодов обычного применения. Требования по уровню тока для D1 и D2 различаются. Диод D1 работает с током, идущим через резисторы R1+R2, и с небольшой величиной - максимальное входное напряжение 22 В, номинал резисторов R1+R2 составляет 470 Ом *2, получается ток 22/(470*2)=23 мА. С подобной величиной тока способны работать все диоды обычного применения. Поставить можно что угодно, самое распространенное, скажем 1N4148. По диоду D2 требования аналогичные, но работает он на резистор R3 и его ток постоянен, не зависит от величины входного напряжения. Ток резистора R3 вычислен ранее, 0.1 А, это же требование и для диода D2. На 0.1 ампера допустимо использовать тот же 1N4148. То есть в схеме можно применить два одинаковых диода, что упрощает сборку.
Рассчитаны все компоненты, остался конденсатор С1. Его емкость определяет уровень пульсаций выходного напряжения. Чем он больше, тем лучше, но тем дольше стабилизатор будет устанавливать выходное напряжение при включении. Я не знаю, как ваша аппаратура относится к скорости появления напряжения и насколько это критично. Для усилителя плавное появление напряжения питания может уменьшить величину или заметность щелчка при включении, а может привести к его кратковременному самовозбуждению на начальной стадии подачи напряжения. Так что, четких рекомендаций дать нельзя.
Но обычно скорость нарастания напряжения питания вообще никак не сказывается на работе усилителя. Если ограничений по низкой скорости нет, то номинал конденсатора С1 должен быть такой, чтобы постоянная времени R*C была больше периода пульсаций. Для данной схемы в качестве «R» выступают резисторы R1 и R2. Обратите внимание, для конденсатора С1 их включение параллельное. Частота пульсаций трансформаторного блока питания равна удвоенной частоте сети или 100 Гц (10 мс).
Итак, R1|R2 * С1 должно быть больше 10 мс, или (470/2) * С1 > 10 мс.
C1 > 10 мс/(470/2)=42 мкФ. В схеме использован конденсатор 47 мкФ (рекомендация – используйте ряд E6), но можно было поставить и 68-100-220 мкФ, уровень пульсаций оказался бы еще меньше.
Данное схемное решение стабилизатора не требует обязательного наличия выходного конденсатора, в нём нет элементов с большим коэффициентом усиления, но он необходим для нормальной работы усилителя. Поэтому не забудьте установить конденсатор нужной величины на плату усилителя. Его величина и требования определяются рекомендациями на микросхему усилителя.
Вместо заключения.
В качестве завершении темы трансформаторного блока питания и стабилизатора хочу привести еще одно применение данного трансформатора и приложенной идеологии – зарядное устройство для кислотного аккумулятора.
Начальная часть не нарисована, используется тот же трансформатор и диодный мост с конденсатором. Особенность этой схемы в том, что выходное напряжение можно подстраивать резистором R4 для установки 14.2 вольт, необходимой цепи заряда. Верхняя часть схемы представляет собой обычный стабилизатор с током ограничения 2 А, нижняя – схема ограничения тока заряда (элементы F5, F6) и индикация уровня на двухцветном светодиоде. Устройство спроектировано для работы с аккумулятором в «буферном» режиме в блоке бесперебойного питания.
Продолжение следует...
