Продолжение, начало здесь.
Если нужен блок питания для нестандартных условий, можно воспользоваться построением с низкочастотным трансформатором. Такое решение просто в реализации и не требует особо глубоких специальных знаний, но есть у него и ряд недостатков – большие габариты, низкий КПД и качество стабилизации выходных напряжений. Можно изготовить импульсный БП, но это довольно сложная процедура с массой подводных камней – при малейшей ошибке будет «хлопок» и куча ненужных деталей.
Попробуем снизить планку и ограничимся модернизацией обычного компьютерного блока питания ATX под необходимые требования. Гм, а что именно станет предметом рассмотрения? Вообще-то, 300-400 ваттный БП может обеспечить довольно значительную мощность, область применения у него большая. В одной статье трудно объять необъятное, поэтому ограничимся самым распространенным – усилителем низкой частоты, под него и попробуем осуществить переделку.
Блок питания довольно большой мощности, хотелось бы его использовать по максимуму. Из 12 вольт мощный усилитель не сделать, здесь требуется совсем другой подход – двуполярное питание с выходным напряжением явно побольше 12 В. Если БП будет запитывать самодельный усилитель, собранный из дискретных элементов, то его напряжение питания может быть любым (в разумных пределах), а вот интегральные микросхемы довольно придирчивы. Для определенности возьмем усилитель на TDA7294 – напряжение питания до 100 В (+/-50 В) с выходной мощностью 100 Вт. Микросхема обеспечивает ток в динамике до 10 ампер, что определяет максимальный ток нагрузки блока питания.
Вроде всё ясно, остается уточнить уровень выходного напряжения. Допускается работа от источника питания 100 вольт (+/-50 В), но попытка выбора такого значения выходного напряжения оказалась бы большой ошибкой. Микросхемы крайне отрицательно относятся к предельным режимам работы, особенно при одновременном максимальном значении нескольких параметров - напряжения питания и мощности. К тому же, вряд ли в обычной квартире есть смысл обеспечивать столь высокий уровень мощности, даже для низкочастотных динамиков с их низкой эффективностью.
Можно установить напряжение в 90 вольт (+/- 45 В), но это потребовало бы очень точного удержания выходного напряжения – в многоканальных блоках питания весьма затруднительно обеспечить одинаковость напряжений на разных выходах. Поэтому стоит немного снизить планку и установить номинальное напряжение для этой микросхемы 80 вольт (+/-40 В) - мощность усилителя немного упадет, но устройство будет работать с должным запасом прочности, что обеспечит достаточную надежность устройства.
Кроме того, если звуковая колонка будет работать не только в низкочастотной области, но еще содержит средне-высокочастотные каналы усилителей, то стоит получить от БП еще одно напряжение, меньше «+/-40 В». Эффективность работы низкочастотных динамиков большого диаметра существенно ниже более высокочастотных, поэтому запитывание усилителя СЧ-ВЧ канала от тех же «+/-40 В» довольно глупо, основная масса энергии уйдет в тепло. Для второго усилителя хорошо бы обеспечить выход +/-20 вольт.
Итак, спецификация блока питания, который хочется получить:
Характеристики определены, осталось выбрать подходящую модель. Совсем уж старый использовать нет никакого желания, конденсаторы давно уж высохли, да и схемные решения тех времен не внушают оптимизма. Стоит отметить, что часть «современных» блоков питания тоже не блещет качеством работы и надежностью, но с этим можно бороться – достаточно выбирать продукцию известных фирм, к которой есть доверие.
Кроме философского осмысления сущности БП и отбора по внешнему виду, есть вполне осмысленный критерий – их тип. Блок может быть выполнен по технологии «двухтактный полумост» или «однотактный прямоход», содержать в себе какую-то разновидность PFC (активную или пассивную на дросселе). Всё данные факторы оказывают влияние на качество работы и уровень помех. Причем, это не «просто слова», при переходе от трансформаторного БП на «импульсный» довольно часто замечается ухудшение качества звучания.
С одной стороны, «странно», ведь такой БП обеспечивает лучшую стабильность напряжения питания усилителя. С другой, ничего странного нет – «импульсник» производит помеху при переключении силовых транзисторов основного преобразователя (и блока APFC), что выражается в высокочастотных «всплесках» на цепях питания и земли. Чаще всего преобразователь БП работает на частоте 40-80 кГц, что выше звукового диапазона, а потому вроде бы не должно мешать устройству, но помехи распространяются по всему усилителю и сбивают рабочую точку усилительных каскадов, что приводит к интермодуляционным искажениям, звук становится «жестче». В компьютерном блоке питания шины 12 В и 5 В выглядят следующим образом:
Так что, проблема не надуманная и на борьбу с ее негативным проявлением следует потратить некоторые усилия.
Ничего необычного, классическая компоновка, разве что дроссель PFC вносит в картинку некоторый элемент дисгармонии. К слову, измерение характеристик и величины пульсаций на выходе показало, что наличие этого дросселя приводит лишь к тому, что блок питания становится тяжелее и немного «гудит» при мощности нагрузки 250-300 Вт.
Компьютерный блок питания должен формировать массу напряжений большой мощности – 12 В, 5 В, 3.3 В, -5 В, смысл в которых сразу теряется, как только речь заходит об усилителе. Кроме того, БП содержит дежурный источник 5 В, но его лучше не трогать и сохранить в неизменном виде – во-первых, он используется для работы основного преобразователя, во-вторых, можно будет реализовать включение-выключение усилителя от внешнего управления или просто по появлению звукового сигнала на входе усилителя. Это функция потребует изготовления высокочувствительного детектора с питанием от 5 вольт и вряд ли кто-нибудь станет делать этот элемент на начальной стадии сборки усилителя, ну хоть возможность такая останется. Пусть будет, это «бесплатно».
После удаления всех цепей формирования выходных напряжений получилось следующее:
Оказалось не так много места, поэтому доработка не должна содержать слишком много деталей – банально не влезет. Фу ты, еще заложили в требования наличие двух выходных каналов.
Компьютерный блок питания формирует два основных выхода: 12 В и 5 В, этим объясняется наличие всего двух пар вторичных обмоток. Каким способом можно получить напряжение больше, чем заложено при проектировании БП?
1. Перемотать трансформатор.
2. Поставить умножитель.
3. Добавить второй трансформатор.
Первый вариант понятен и прост в техническом плане. Одно «но», конструкция импульсного трансформатора не так проста, как может показаться на первый взгляд. Существует масса требований и ограничений, не выполнив которых можно получить либо «крайне посредственный вариант», либо, что гораздо хуже, некачественную изоляцию вплоть до поражения электрическим током. В трансформаторе первичная обмотка выполнена из двух частей. Первая расположена в самом начале, а потому не мешает перемотке, а вот вторая наматывается самой последней.
Трудности умножаются тем, что между первичной и вторичной обмотками присутствует электростатический экран из медной ленты. Чтобы осуществить перемотку придется аккуратно смотать верхнюю часть первичной обмотки, убрать экран и вторичные обмотки. После чего намотать новые вторичные обмотки, восстановить экран и первичную обмотку. Естественно, между обмотками и экраном должна быть надежная изоляция. Дело усугубляется тем, что трансформатор пропитан лаком, а потому его разборка-сборка занятие «увлекательное» и качество выполнения доработки окажется не слишком хорошим. Впрочем, если у вас руки «прямые» и есть желание попробовать – некоторые рекомендации:
И всё же я бы не рекомендовал этот вариант переделки для тех, у кого нет опыта намотки импульсных трансформаторов. Не стоит, может выйти боком. К слову, если человек разбирается в вопросе, то ему проще намотать трансформатор полностью «с нуля», по крайней мере, не будет путаться под ногами этот «лак», да и число витков во всех обмотках можно будет выбрать оптимальным.
Второй вариант довольно сложен в реализации и обладает рядом серьезных недостатков. Пример такого построения изображен на рисунке:
Для анализа важен тот факт, что форма импульсов напряжения на выходе трансформатора с гладким верхом, а не «синус», «пила» или другие вариации. Устройство работает следующим образом - на первичной обмотке следуют импульсы напряжения прямоугольной формы с некоторой скважностью. Напряжение импульсов на первичной обмотке составляет половину напряжения питания или около 140 В при номинальном напряжении сети. На вторичной стороне форма импульсов сохраняется, а амплитуда зависит от числа витков и распределяется примерно как 9 В на обмотках «канала 5 В» (TV1.3 и TV1.4) и 21 В на «канале 12 В» (TV1.2+TV1.3 и TV1.4+ TV1.5).
Предположим, что в данный момент поступает импульс положительной полярности и на верхних выводах обмоток следует «+». Расставим напряжения в контрольных точках:
Отсюда можно сразу вычислить напряжение в токе «F», оно будет чуть меньше цепи «B» на величину падения напряжения на диоде D1.
При данной полярности диод D2 закрыт, поэтому напряжение в точке «E» будет определено при противоположной полярности импульса.
Сменим полярность импульса, напряжения в контрольных точках поменяют знак:
Полярность сменилась и открывается диод D2. Напряжение в точке «F» станет чуть меньше цепи «B» или около +8.4 В.
Схема симметричная, поэтому напряжения конденсаторов обязаны быть одинаковыми. Из анализа предыдущей полярности импульса следует, что
Нет смысла анализировать аналогичное состояние точки «E» при смене полярности импульса, схема симметричная и там будет столько же, сколько сейчас на точке «F», +50.4 В.
В итоге, может интересовать только «E» и «F», ведь из них получается выходное напряжение. Соберем значения в этих точках в таблицу. Впрочем, забыл еще одно состояние, «пауза» импульса от ШИМ-регулировки. Этот случай очень прост, на всех обмотках нулевое напряжение и в точках «E» и «F» получается одно и то же напряжение +29.4 В, хранимое в конденсаторах. (При анализе не учитывалась конечная емкость конденсаторов и непрямоугольность формы импульсов).
| Импульс: | «E» | «F» |
| Положительный | +50.4 В | +8.4 В |
| Отрицательный | +8.4 В | +50.4 В |
| Пауза | +29.4 В | +29.4 В |
Выпрямительная сборка D3 «выбирает» наибольшее напряжение из двух входов («E» и «F»). Это означает, что на входе дросселя L6 будут идти импульсы амплитудой 50 В с паузой 8 В. При скважности ШИМ 70% на выходе сформируется напряжение примерно 37 вольт.
Всё сказанное относилось к получению повышенного напряжения положительной полярности. Если необходимо сформировать и отрицательный выход, то схему следует «удвоить» – добавить конденсаторы C1, С2 и C3, диоды D1 и D2, пару диодов в сборку D3 и намотать вторую обмотку на выходном дросселе. Не забудьте сменить полярность конденсаторов и диодов.
У подобного решения только одно достоинство – не придется что-то делать с трансформатором. Впрочем, есть еще одно - незначительное, девиация напряжения на выходном дросселе небольшой амплитуды, поэтому размеры дросселя и его индуктивность могут быть сниженной величины. Фактически, можно использовать старую обмотку канала 12 В.
Недостатков больше и они серьезные:
Основной недостаток схемного решения - весь ток протекает через конденсаторы С1 и С2. Довольно просто найти конденсаторы с подходящей емкостью или ESR, но вот величина импульсного тока у них окажется низка. Чтобы не быть голословным, подберем подходящий конденсатор для рассматриваемого блока питания усилителя (выходное напряжение соответствует заданным условиям, величина тока до 10 А).
Ранее я ссылался на конденсаторы общего применения фирмы Jamicon серии LP, посмотрим, что есть в данном исполнении – 2200 мкФ 50 В. Максимальный ток 2 ампера. Совершенно не подходит, конденсатор выйдет из строя через неделю работы усилителя. Переходим к серьезным сериям, «Low ESR». Например, серия WL:
| Номинал | Диаметр, мм | Высота, мм | ESR, мОм | Макс. ток, А |
| 2200 мкФ 35 В | 16 (18) | 32 (25) | 40 | 3.8 (3.5) |
| 1500 мкФ 50 В | 16 (18) | 36 (32) | 51 | 4 (3.9) |
| 1000 мкФ 35 В | 13 (18) | 25 (15) | 70 | 2.5 (2.1) |
| 1000 мкФ 50 В | 13 (18) | 40 (20) | 70 | 3.4 (2.8) |
| 680 мкФ 35 В | 10 (16) | 28 (15) | 103 (86) | 2 (1.7) |
| 680 мкФ 50 В | 13 (16) | 30 (20) | 86 | 2.6 (2.3) |
В круглых скобках указывается характеристики альтернативного варианта исполнения корпуса конденсатора.
Хочется отметить интересный момент, для конденсатора «680 мкФ 35 В» первое исполнение, в сравнении со вторым, несет меньшее внутреннее сопротивление и максимальный ток, обычно происходит обратное – снижение ESR повышает величину тока. Видимо, причина в разной площади поверхности корпуса.
Если смотреть на ESR, то все конденсаторы вполне устраивают. Ну, сколько может «упасть» на сопротивлении 40-90 мОм при токе 3-8 ампер? Пустяк. Блок питания работать будет. Вот так и появляются «китайские» поделки. К слову, в Китае производится масса качественной продукции, это местные фарцовщики закупают хлам, отсюда и происходит недоверие к китайской продукции … причем зря.
Ну ладно, собираем для себя, поэтому делать плохо не будем. Конденсатор должен выдерживать ток не менее 10/2=5 А в долговременном режиме и на одном конденсаторе получить такую характеристику не удастся. Остается вариант с установкой пары или тройки конденсаторов параллельно. Два конденсатора «1000 мкФ 35 В» обеспечат ток до 5 (4.2) ампера, что маловато. Можно взять конденсаторы того же номинала, но чуть большего напряжения «1000 мкФ 50 В», предельный ток составит величину 6.4 (5.6) ампера.
С учетом конечной индуктивности выходного дросселя этот вариант может устроить, но не особо хорошо. Перейдем к утроению конденсаторов, «680 мкФ 35 В» обеспечит ток до 6 (5.1) А, или «680 мкФ 50 В» 7.8 (6.9) А. Последний вариант смотрится уже веселее, блок питания сможет работать достаточно долго.
В результате получается, что в блок питания придется установить 3*2*2=12 конденсаторов «680 мкФ 50 В», выйдет не самое компактное устройство, а место в БП ограничено.
Схема моделировалась, но практически не испытывалась, поскольку не лежит у меня душа к таким решениям. Этот вариант доработки дается на ваш страх и риск.
На выходе трансформатора получается переменное напряжение высокой частоты, а значит, к нему можно подключить еще один (самодельный) трансформатор и с него получить любое нужное напряжение. При этом в конструкцию блока питания добавляется еще один крупный элемент, но работа всего устройства не меняет идеологии, как это было с умножителем, а потому предпочтительнее.
На схеме элементы, необходимые для получения повышенного выходного напряжения, заключены в зеленый прямоугольник.
Трансформатор TV1 обладает обмотками канала 5 В (w2, w3) и канала 12 В (w4, w5, совместно с обмотками w2, w3).
Если посмотреть на нижнюю часть схемы, то ничего необычного не наблюдается – диоды D3, D4 формируют отрицательное напряжение «-12 В», диодная сборка D3 «+12 В», сглаживание напряжения осуществляется двумя обмотками выходного дросселя и конденсаторами C5, C6. Резисторы R3 и R4 создают небольшую нагрузку по «+/-12 В», иначе напряжение на этих выходах будет чрезмерно возрастать по мере увеличения тока нагрузки по другим выходам. Многоканальные блоки питания очень «не любят» неравномерную нагрузку по всем выходам, приходится идти на компромисс и создавать небольшую нагрузку.
Для получения повышенного напряжения в конструкцию добавляется второй трансформатор с тремя обмотками – одной первичной и двумя вторичными. Его входная обмотка подключается к существующему трансформатору и на вторичной стороне получаются напряжения, которые складываются с напряжением обмоток канала 12 В, в результате получается выходное напряжение большего уровня. Такой прием позволяет перекачивать через второй трансформатор только часть мощности, что снижает требования и повышает КПД всего блока питания. Ну что же, со схемой определились, теперь надо решить частные вопросы.
Блок питания рассчитан на мощность нагрузки 300-400 Вт, основная часть из которой будет получаться по каналу «+/-40 В». Не очень хочется перекачивать всю мощность на самодельном трансформаторе, лучше задействовать существующие выходы основного трансформатора и добавить напряжение к тому, что уже есть на плате – в результате чего мощность дополнительного трансформатора снизится. Такое включение и изображено на схеме.
Итак, надо получить 40 В, 12 В уже есть, значит трансформатор должен добавлять 40-12=28 В. При таком подходе через дополнительный будет перекачиваться (28/40)*100=70% от выходной мощности. Это хорошо, можно снизить габаритную мощность трансформатора (выбрать его размером поменьше). Осмотр мусора выявил древний блок питания 200 Вт, из которого был извлечен силовой трансформатор. После прогрева и разборки его удалось разделить на сердечник и каркас.
Для вычисления диаметра и количества витков обмоток необходимо знать сечение сердечника (диаметр 10 мм) и площадь окна намотки (4*20 мм).
Формула расчета числа витков от приложенного напряжения выглядит так: w = V / (0.4 * F * B * S).
Где:
В формуле использованы некоторые характеристики не в стандартных единицах, так проще считать, нет возни с порядками.
Так, какую обмотку будем считать? Наверно, стоит начать с той, которая подключается к основному трансформатору, в ней витков меньше. В выходной обмотке больше витков и ее проще адаптировать под нужный коэффициент трансформации.
Вариантов подключения два – или к «крайним» выходам основного трансформатора, что дает максимальный размах напряжения и снижает ток, или к выводам обмоток канала 5 В. Модернизации подвергается блок питания с довольно низкой отдачей по выходу 12 В, всего 13 А (156 Вт). Наверняка обмотка 12 В основного трансформатора довольно слабая и использование ее для запитки дополнительного трансформатора будет ошибкой. К тому же, обмотка 12 В уже используется в цепи формирования повышенного выходного напряжения, а потому она и так будет нагружена.
В трансформаторе есть обмотка канала 5 В, по спецификации БП может отдавать по этому выходу 30 ампер и еще 20 ампер по выходу 3.3 В (берется с той же обмотки). То есть с нее можно снять порядка 200 Вт и это не должно вызвать перегрева. Очень даже возможно, в блоках питания такого типа обмотка канала 5В довольно часто выполняется из медной ленты, что обеспечивает ее хорошую магнитную связь (малое рассеивание) и низкое сопротивление. Подключать будем между крайними выводами этой обмотки, так больше напряжение и не произойдет затекания тока на землю.
Итак, напряжение на первичной обмотке трансформатора 11 вольт, частота преобразователя 45 кГц (измерено). Площадь сечения сердечника считается из диаметра 10 мм как PI*D*D/4=3.14*1*1/4=0.79 см2.
Число витков первичной обмотки: 11/(0.4*45*0.4*0.79) = 11/5.69=1.93 витка.
Это минимальное значение. Если намотать меньше, то магнитопровод войдет в насыщение и настанет «небо в алмазах». С другой стороны, используется неизвестный материал, у него «В» может быть не 0.4, а только 0.2, как в советском Н2000НМ1-17. Трансформатор взят из старого компьютерного блока питания, а для него четко известно, что у обмотки 5 В три витка. Если намотать в той же пропорции, то феррит гарантировано не войдет в насыщение. Кроме того, второй трансформатор подключается к выходной обмотке основного, чем вызывает снижение его индуктивности. Если бы блок питания использовался для получения одного напряжения, то изменение свойств трансформатора или выходного дросселя никого бы не волновало – обратная связь выправит все дефекты.
В данном случае два канала, да еще двойные. Очень не хочется получить проблему на свою голову, не стоит экспериментировать. Иначе придется увеличивать токи нагрузки, чтобы выходные напряжения не «разбрелись» в разные стороны, и это увеличит «фоновое» потребление блока питания. И так уже «идет в воздух» 10 Вт – именно столько потреблял блок питания на холостом ходу до доработки.
Определились, первичная обмотка должна содержать примерно шесть витков.
Вторичные обмотки считаются из нужного коэффициента трансформации, который составит 28 В / 11 В = 2.545. Здесь «28 В» – напряжение, которое надо добавить к 12 В, чтобы получить нужное (40 В); «11 В» – напряжение на противоположных концах обмотки 5 В (11=5.5*2).
Число витков вторичных обмоток равно количеству витков в первичной обмотке, умноженной на коэффициент трансформации, или 6*2.545=15.3
Следующий шаг – необходимо выбрать такое сечение провода, чтобы обмотки уместились на каркасе. Рекомендуют использовать не более 50 процентов окна намотки, но в рассматриваемом случае отсутствует межслойная изоляция, поэтому можно повысить цифру до 60%.
В данной схеме применяется трансформатор без подмагничивания, то есть без магнитного зазора. Для такого исполнения лучше наматывать обмотки в одну линию. К слову, если используется зазор, то эффективность работы обмотки зависит не от ее протяженности, а от площади окна, которую она занимает. Это означает, что тогда лучше так распределить обмотки, чтобы каждая из них занимала один слой полностью. Высокая магнитная связь между выходными обмотками желательна, но больший интерес представляет хорошее сцепление между первичной и каждой вторичной обмоткой – их лучше наматывать как можно ближе. Попробуем вариант, когда используются три обмотки и каждая занимает один слой, то есть три слоя.
Раз «один слой» и длина намотки 20 мм, то можно вычислить диаметр провода. Вторичная обмотка (пятнадцать витков): 20/15=1.3 мм. Можно использовать эмалированный провод 0.8-0.9 мм, небольшое недоиспользование длины каркаса не ухудшает свойства трансформатора.
Первичная обмотка (шесть витков): 20/6= нереально. Таким проводом мотать нельзя, да и займет он всё пространство. Вывод – надо воспользоваться сдвоенным проводом. Но, коль скоро используется двойной провод, то надо учесть «потерю» одного витка из-за «сдвоенности» – получается повышенная потеря места на начале-конце обмотки. Считаем: 20/((6+1)*2)=1.43 мм. Для унификации можно воспользоваться тем же проводом, что пойдет на намотку вторичных обмоток. Проверяем, уложимся ли в высоту намотки – каждый слой толщиной 1 мм, всего слоев три – выходит 3 мм. У каркаса окно намотки 4 мм, всё хорошо влезает.
К сожалению, провод 0.9 мм у меня закончился, поэтому пришлось мотать 1.2 мм. Это не хуже варианта с 0.9, но и не лучше – в трансформаторах начинает сказываться величина скин-слоя для частоты 45 кГц (и ее гармоник, форма сигнала «прямоугольная», что означает крайне широкий спектр). Последовательность намотки обмоток:
1. Первая вторичная – пятнадцать витков провода 1.2 мм.
2. Первичная – шесть витков двойного провода диаметром 1.2 мм.
3. Вторая вторичная – пятнадцать витков провода 1.2 мм.
В результате трансформатор получил следующие характеристики:
Последний пункт характеризует качество связи обмоток. Если в обычном режиме индуктивность вторичной обмотки 369 мкГн, то при закорачивании первичной обмотки индуктивность падает до 0.2-0.4 мкГн, изменение в 2000-1000 раз, что говорит о хорошей магнитной связи между обмотками – трансформатор сделан неплохо.
Напряжение на выходе БП довольно большое, о применении диодов Шоттки, даже высоковольтных, можно не помышлять. Диоды следует подбирать по величине тока и рабочему напряжению. В полумостовом блоке питания на диод приходится напряжение, в три раза превышающее выходное. Например, на канал 40 вольт следует брать диоды с рабочим напряжением не менее 40*3=120 В. Рабочий ток практически равен току нагрузки по этому каналу, то есть 10 ампер.
Хочется особо отметить, что «запас» по напряжению для диодов так же накладен, как и в ранее рассмотренном примере с диодом Шоттки. По мере повышения рабочего напряжения растет время выключения и падение напряжения на открытом диоде. Лично я использовал диоды FEP16DT. Обратите внимание, как меняются его свойства от рабочего напряжения:
Лучше всего использовать диоды с рабочим напряжением 200 вольт – при этом значении еще не происходит деградация характеристик. Слегка утрировав, можно предположить, что выпускаются всего три (разных) типа диодов – с рабочим напряжением 200 В, 400 В и 600 В, а остальные позиции получаются разбраковкой.
Честно говоря, не ждал подвоха от силового трансформатора БП, с чего бы это? Но, «он» последовал. Считается, что обмотки канала 12 вольт добавляются к соответствующим обмоткам канала 5 В. К сожалению, встречается альтернативный вариант, когда обмотка 12 В подключается к выпрямительному диоду канала 5 В и лишена прямого контакта с соответствующими обмотками трансформатора. Этот прием хорош для ATX блока питания, но здесь требуется получить как положительное, так и отрицательное выходное напряжение, и подходит только «классический» вариант соединения обмоток.
На картинке плохо различимы цвета, поэтому я отметил красные и оранжевые проводники. Обмотки 12 вольт выходят одной стороной слева (отмечено текстом «12» в левой части выводов трансформатора), а другой собираются на выводе, расположенном между двумя выводами «5». На картинке изображен трансформатор после доработки, которая заключается в аккуратном отделении четырех проводников от вывода и разделении их на две пары - оранжевые и красные. После чего «красные» подключаются к «оранжевым» проводникам цепи 5 В, а «оранжевые» к «красным». После доработки были измерены характеристики трансформатора:
Под «обмоткой «12 В» понимается не вся составная обмотка, а только часть ее, которая добавляется к обмоткам «5 В».
М-да. Предположение оказалось верным, сопротивление обмотки «12 В» в четыре раза больше обмотки «5 В» и это при том, что число витков примерно одинаковое (четыре и три). А значит, решение подключить дополнительный трансформатор к обмоткам канала 5 В было верным.
Давайте уж закончим с силовой частью. Последним в списке «самодельных» элементов – дроссель. Для его изготовления использовался магнитопровод выходного дросселя, который был снят с блока питания при удалении выходной части. Точное название материала кольца указать затрудняюсь (желтый корпус с белой полоской), а внешние размеры 27х14х11 мм. У обмотки «12 В» было двадцать четыре витка, или два витка на вольт. Усилитель может потреблять весьма значительный ток при повышенном напряжении питания - я побоялся возможного насыщения магнитопровода и этот коэффициент был уменьшен.
Для упрощения расчетов обмотки дроссели получили в два раза больше витков, чем соответствующие обмотки на трансформаторах. На основном трансформаторе 12 В снимается с семи витков (три + четыре), на дросселе наматывается 7*2=14 витков. Напряжение 40 В получается прибавление дополнительной обмотки (пятнадцать витков), поэтому на дросселе наматывается (7+15)*2=44 (45) витков. Один виток добавлен из-за падения напряжения на диоде 0.8 вольта. Поэтому обмотки 12 В и 40 В должны соотноситься не как 12 к 40, а как 12.8 к 40.8 – отсюда и получается дополнительный виток на обмотке «40 В» дросселя.
Диаметр провода выбирается из тока и места на кольце. Здесь есть две рекомендации – плотность тока в проводе лучше выбирать в диапазоне 7-10 ампер на квадрат; обмотка должна занимать один (два) слоя. Я использовал провод диаметром 0.8 мм (можно применить и 0.9 мм), при этом получается как раз два слоя. Проводили исследования (не могу привести ссылку), после которых выяснилось, что наименьшие потери в дросселе получаются при выполнении обмотки в один слой для тонкостенного кольца и в два слоя для толстостенного, то есть обмотка занимает всю поверхность кольца в один слой. В данном случае второй вариант.
Последовательность намотки:
1. Две обмотки «40 В», намотка в два провода. Провод 0.8 мм, сорок пять витков.
2. Обмотка «12 В» проводом 1.2 мм, четырнадцать витков.
3. Обмотка «12 В» проводом 1.2 мм, четырнадцать витков.
Для справки, на обе обмотки «40 В» уходит примерно 3 метра провода.
На обмотки канала «+/-12 В» использован провод, снятый с дросселя, чем определяется повышенный диаметр. Провод очень жесткий, поэтому намотка «в два провода» крайне неудобна, да и в центральном окне кольца осталось не так уж много места, чтоб пропихивать сразу два проводника 1.2 мм. Дроссель получился таким:
Его характеристики:
Экономия индукции дросселя «вышла боком» – 18 мкГн канала «12 В» уже мало, хоть и не критично. Придется увеличить «фоновый» ток нагрузки по выходным напряжениям.
Силовые элементы сделаны, можно переходить к модификации схемы управления.
Компьютерный блок питания обеспечивает множество выходных напряжений и обязан контролировать их нахождение в заданных рамках. При чрезмерно заниженном или завышенном напряжении должна срабатывать защита и отключать блок питания. В рассматриваемом БП нет такого «зверинца» (он другой) и попытка включения приведет к немедленному выключению – в схеме отсутствуют напряжения +5 В и 3.3 В. Вообще-то, их можно было и сохранить, но это бы уменьшило место, которого и так не хватает. Что ж, придется обманывать контроллер и симулировать недостающие напряжения.
В блоке питания FSP ATX-300GTF управляющей микросхемой является FSP3528. Документации на нее не так уж много, скорее – отсутствует полностью. По назначению выводов и управляющим сигналам близким (но не полным!) аналогом можно назвать KA3511. В качестве отличий сразу замечается другой коэффициент деления сигнала OVP12, а именно туда собирались «лезть». Придется искать альтернативные варианты и в этом может помочь форум сайта rom.by, с которого была стянута примерная трассировка контроллера на микросхеме FSP3528:
При доработке силовая часть остается без изменений, а вот обратную связь и защиту от превышения/снижения надо корректировать. Начнем с последнего, обычно узел проверки в микросхеме организован следующим образом (взято из описания на микросхему KA3511):
Если какое-либо выходное напряжение выше порога, то срабатывает компаратор OVP и БП выключается. При чрезмерно низком напряжении на выходе компаратора UVP устанавливается 0, что закрывает транзистор и позволяет заряжаться внешнему конденсатору Tuvp (через вывод 17). Когда конденсатор зарядится до напряжения 1.8 В на выходе установится высокий уровень, что заблокирует сигнал ШИМ и приведет к отключению блока питания.
Доработку можно сделать двумя способами – или сформировать образцовые напряжения 12 В, 5 В и 3.3 В резистивными делителями. Или второй вариант – наплевать на всё это ненужное действо и просто подать 0 вольт на входы V12, V5 и V3.3. При этом сработает защита UVP, но она блокируется замыканием вывода 17 на землю – схема защиты будет ждать сигнала выключения «ну очень долго». Это решение хорошо тем, что выходное напряжение может быть любым, даже регулируемым (подстраиваемым), при этом контроль напряжений не будет «путаться под ногами». Впрочем, если нужен контроль за превышением, одно-два напряжения можно подать на схему OVP.
Ну что, матчасть изучили, можно переходить на FSP3528. И сразу следует подарок – в этом контроллере отсутствует узел UVP и нет никакой нужды что-то предпринимать с контрольными входами, достаточно просто их отсоединить от остальной части схемы (или замкнуть на землю).
Следующий шаг – перестройка цепи стабилизации. Судя по схеме FSP ATX-300GTF, контроллер стабилизирует выходное напряжение по трем напряжениям: 12, 5 и 3.3. Я отчасти понимаю, как в этот список затесались 12 В и 5 В, но при чем здесь 3.3? Смысл ускользает. Впрочем, это «их дело», в измененном блоке питания цепь обратной связи будет переделана и все эти «излишества» уберутся.
В первом варианте обратная связь бралась с выходов «+40 В» и «+12 В» через два одинаковых резистора 10 кОм на переменный резистор. В схему устанавливался дополнительный резистор 430 Ом между этой точкой и землей. Для справки, Vref=1.25 В. Выходное напряжение регулировалось в пределах +11…+16 В (по выходу «+12 В»), остальные выходы изменялось пропорционально.
Доработанный блок питания показал следующие результаты:
| Ток нагрузки каналов, А |
Напряжение выхода +12 В, В |
Напряжение выхода -12 В, В |
Напряжение выхода +40 В, В |
Напряжение выхода -40 В, В |
| Холостой ход | 11.60 | -11.66 | 40.90 | -40.88 |
| «+40 В» 1 А | 12.48 | -12.56 | 40.01 | -44.79 |
| «+40 В» 2 А | 12.58 | -12.75 | 39.82 | -46.17 |
| «-40 В» 1 А | 11.50 | -11.50 | 40.93 | -36.88 |
| «-40 В» 2 А | 11.36 | -11.22 | 41.11 | -35.40 |
| «+12 В» 1 А | 11.11 | -11.57 | 41.45 | -41.50 |
| «+12 В» 2 А | 10.92 | -11.58 | 41.62 | -42.09 |
| «-12 В» 1 А | 11.35 | -10.60 | 41.19 | -41.37 |
| «-12 В» 2 А | 11.25 | -10.16 | 41.23 | -41.30 |
| «+40 В» 4 А | 13.09 | -13.24 | 39.47 | -46.71 |
| «-40 В» 4 А | 11.15 | -10.71 | 41.41 | -32.23 |
Довольно трудно представить численные данные в виде качественных характеристик, попробуем представить результаты графически. Если просто перенести полученные цифры на графики, то положительные и отрицательные напряжения «разойдутся» в разные стороны, и качественное сравнение выполнить не получится. Попробуем иначе, пересчитаем все значения к 100%, а для отрицательных величин возьмем модуль – в итоге все четыре графика будут проходить рядом, что и требуется.
Нагрузочные характеристики снимались только до четырех ампер, дальнейшее повышение тока было бессмысленным – выход «-40 В» вышел за порог «-25%»:
Цвета графиков:
М-да. Довольно наглядно видны недостатки стабилизации только положительных напряжений – система практически «не видит» увеличение потребления по отрицательным выходам, в результате чего их напряжение сильно снижается. Посмотрите на две последние строчки – канал «+40 В» поддерживается около 40 вольт, при этом «-40 В» вытворяет что-то невразумительное. Придется вводить в цепь стабилизации и отрицательные выходы. Впрочем, канал «+/-12 В» мне не нужен, поэтому достаточно добавить только «-40 В».
Кроме пониженной стабильности отрицательных напряжений есть еще одна беда – уровень пульсаций с частотой сети. С пульсациями и помехами преобразования все просто – конденсатор побольше, а потом еще LC фильтр и проблема уходит. А вот низкочастотные пульсации возникают из-за неработоспособности обратной связи. Почему бы? Нестабильность с частотой сети действуют на все выходы, значит они должны присутствовать и на положительных выходах, охваченных обратной связью, которая способна всё устранить. Увы, на выходах установлены конденсаторы ощутимой емкости и ток нагрузки очень низок.
В результате конденсаторы заряжаются на пиках низкочастотных пульсаций и практически не меняют свое напряжение на протяжении периода пульсации. А значит, напряжение на ненагруженных выходах пульсаций не содержит и обратная связь «не видит» никакого изменения, а потому не может их устранить. Например, при нагрузке только выхода «-12 В» током 2 А сильно снижается не только его напряжение (-10.16 В), но и дико растут пульсации с частотой сети, до 1.5 вольт. Если же создать ток нагрузки, достаточной для разряда накопительных конденсаторов каналов с обратной связью («+12 В» или «+40 В»), то выход «-12 В» приходит в норму, величина пульсаций снижается до 50 мВ.
Итак, проблемы две – расширить обратную связь, добавив в нее выход «-40 В», и как-нибудь ввести обратную связь по переменному сигналу для того же выхода «-40 В».
На схеме красными и зелеными крестиками отмечены элементы и трассы, которые следует удалить. В левом верхнем углу добавлена схема обратной связи блока питания. Через резистор 22 кОм и цепочку 2.2 кОм + 0.1 мкФ подключается выход «+40 В», через резистор 10 кОм «+12 В», на остальных элементах реализована схема инвертирования тока из отрицательного выхода «-40 В». Дополнительная цепь из 47 кОм и 0.1 мкФ уменьшает уровень пульсаций по выходу «-40 В», что изображено в верхней правой части рисунка.
После доработки блок питания показал следующие характеристики:
| Ток нагрузки каналов, А |
Напряжение выхода +12 В, В |
Напряжение выхода -12 В, В |
Напряжение выхода +40 В, В |
Напряжение выхода -40 В, В |
| Холостой ход | 11.83 | -11.89 | 40.79 | -40.59 |
| «+40 В» 1 А | 12.09 | -12.20 | 38.78 | -42.26 |
| «+40 В» 2 А | 12.18 | -12.34 | 38.54 | -42.26 |
| «+40 В» 4 А | 12.60 | -12.83 | 37.91 | -41.90 |
| «-40 В» 1 А | 12.04 | -12.05 | 41.98 | -38.54 |
| «-40 В» 2 А | 12.24 | -12.15 | 41.84 | -38.21 |
| «-40 В» 4 А | 12.79 | -12.59 | 41.38 | -37.40 |
| «+12 В» 1 А | 11.47 | -11.87 | 41.08 | -40.89 |
| «+12 В» 2 А | 11.26 | -11.80 | 41.22 | -41.20 |
| «-12 В» 1 А | 11.76 | -11.47 | 40.79 | -40.63 |
| «-12 В» 2 А | 11.79 | -10.78 | 40.92 | -40.34 |
| «+40 В» 5 А | 12.95 | -13.11 | 37.44 | -41.53 |
| «-40 В» 5 А | 13.11 | -12.95 | 41.11 | -36.91 |
| «+40 В» 4 А, «-40 В» 1 А | 13.29 | -13.37 | 38.10 | -40.01 |
| «+40 В» 10 А | 14.90 | -15.02 | 35.15 | -39.65 |
| «-40 В» 10 А | 14.71 | -14.77 | 40.19 | -34.37 |
Уровень низкочастотных пульсаций не превышал 50 мВ. А высокочастотных? О них следует поговорить особо.
Нагрузочные характеристики выглядят следующим образом:
Блок питания соответствует требуемым спецификациям по всем пунктам, кроме одного – второй канал должен быть на +/-20 В, а получилось +/-12 В. Для тех целей, куда пойдет данный блок питания, напряжение дополнительного канала не существенно, поэтому на нарушение этого пункта я просто «закрыл глаза». Если вам нужно получить другое напряжение, больше +/-12 В, то надо поступить так же, как поступили с основным каналом «+/-40 В» - использовать обмотку на втором трансформаторе для повышения уровня выходного напряжения. Например, для получения +/-20 В требуется выполнить следующие шаги:
1. На каждой вторичной обмотке дополнительного трансформатора следует сделать отвод. Фактически, придется мотать две обмотки вместо одной, двумя проводниками, место на каркасе есть.
2. Получение 20 В требует добавления 8 В к бывшим в наличии 12 В. На шесть витков первичной обмотки доп. трансформатора приходится 11 вольт, значит на 8 вольт потребуется 8*6/11=4.3 (четыре витка).
3. Число витков вторичной обмотки составляло пятнадцать, теперь она разбивается на две неравные части – четыре и одиннадцать витков.
4. По меньшей обмотке (четыре витка) течет ток нагрузки каналов «+/-40 В» и «+/-20 В», поэтому стоит обдумать вопрос о толщине используемого провода. Если повышение тока не столь велико, усилители НЧ и СЧ-ВЧ полос усилителя редко работают одновременно, то можно оставить тот же провод, что используется для всей обмотки. Если же уровень тока может оказаться существенно больше в долговременном плане, то лучше удвоить количество проводников этой обмотки.
5 .Последовательность намотки может различаться, ведь вся обмотка может не уместиться на каркасе в один слой, но все однотипные обмотки должны быть со строго одинаковым числом витков. Выполнить это требование не трудно, просто надо быть аккуратным.
Наверно, схему с модифицированным выходом «+/-20 В» рисовать нет нужды – если вы разобрались с принципом получения «+/-40 В», то здесь используется точно такой же прием.
Помехи с частотой преобразователя – бич импульсных блоков питания. Единожды возникнув, они распространяются по всем цепям и ухудшают работу устройств. Более всего от этого страдают различного вида приемники аналогового сигнала, особенно с проводным соединением без электрической изоляции. Увы, «усилитель» обладает всеми этими «достоинствами», потому проблема ВЧ помех стоит очень остро. Рассмотрим упрощенную топологию импульсного преобразователя класса «полумост»:
Напряжение сети 220 вольт выпрямляется диодным мостом UZ1, сглаживается конденсатором С1 и далее подается на преобразователь. Из него нарисованы только ключевые транзисторы, остальные элементы не оказывают влияния на уровень помех. Транзисторы Q1 и Q2 замыкаются попеременно, что создает ШИМ напряжение на выходе. Конденсатор С2 снимает постоянную составляющую, а переменный сигнал пропускает без ослабления. С точки зрения возникновения помех его можно мысленно «закоротить» и вообще-то, я зря его нарисовал, просто не смог подавить привычку не делать неработоспособных решений, даже в условном виде.
Напряжение на первичной обмотке трансформатора (выводы 6-4) - сложной формы с очень «резкими» фронтами амплитудой +/-150 вольт (+/- половина напряжения питания). Чтобы была хоть какая-то конкретика, предположим, что напряжение ШИМ формируется со скважностью 70% и на выходе стабилизируется напряжение 12 вольт. Это означает, что на каждой вторичной обмотке следует импульсное напряжение амплитудой +/-20 вольт.
Основной источник помех – емкостная связь между обмотками. На первичную обмотку подается большое напряжение с резкими фронтами, обмотки намотаны очень плотно, между ними довольно большая емкость. Как следствие, фронты замечательно проходят через паразитную межобмоточную емкость и попадают на вторичные обмотки. Здесь хорошо бы вспомнить, что между первичной и вторичной обмотками прокладывают емкостной экран, который устраняет проблему. Увы, полной изоляции добиться не удается, хоть и небольшая, но часть обмоток «видит» друг друга. Это означает малую величину проходной емкости, но напряжение-то осталось прежним, +/-150 вольт, да еще с резкими фронтами.
Я вовсе не случайно упорно повторяю про фронты – чем резче меняется амплитуда сигнала, тем больше его спектр. «Маленькая» межобмоточная емкость плохо проводит основную частоту преобразователя, но «фронты» - совсем другое, на них получается очень высокая частота, единицы мегагерц, и она хорошо проходит даже через «маленькую» межобмоточную емкость. Поэтому на выходных напряжениях видны помехи не в виде частоты преобразования (40-80 кГц), а именно «палки», всплеск ВЧ колебаний в моменты фронтов переключения транзисторов.
Каким же способом можно уменьшить ВЧ помехи? Экран уже сделан и эффективность его работы довольно высокая … но этого мало. Поставить фильтр на выходе блока питания? Хорошая мысль, так часто делают и это эффективная мера. В данном блоке питания нечто похожее обязательно стоит выполнить, пропустив выходные провода БП через ферритовое кольцо, но это всё средства борьбы с последствиями, а не с самой болезнью.
Остается одно – поставить конденсатор небольшой емкости между общими проводами первичной и вторичной сторон. Помеха наводится между этими цепями, значит конденсатор их «подавит». Прием старый и давно используется, но у него есть недостаток, ограничивающий повсеместное применение – на «общем» проводе сетевой части схемы довольно «грязно», большой уровень помех. Связано это с тем, что транзисторы коммутируют большую мощность с низким временем переключения, что производит высокий уровень ВЧ помех в цепях питания.
Установка конденсатора между «землями» сетевой и выходной частями снижает уровень помех в трансформаторе, но добавляет помехи от цепей питания транзисторов. Обычно, используют конденсатор 470 пФ – 4.7 нФ (в зависимости от величины активной межобмоточной емкости) с рабочим напряжением не ниже 3000 вольт. Я применил обычный «Y» конденсатор емкостью 2.2 нФ. Эффективность подавления помех можно посмотреть по току утечки между «земляными» цепями сетевой и выходной частей устройства, для чего между ними устанавливается резистор 1 кОм и измеряется напряжение. Оригинальный вариант располагается слева, после добавления конденсатора справа:
Наглядно видно, что уровень помех уменьшился в несколько раз. Но кому интересны какие-то токи утечки? Взглянем, что изменится на выходе блока питания.
Слева осциллограмма до установки конденсатора, справа – после:
Картинки сняты для мощности нагрузки 40 Вт. И здесь так же различия видны невооруженным взглядом. Добавление конденсатора устранило «высокочастотный шум», который производил основной вред. Оставшиеся «палки» спокойно убираются LC фильтром на плате усилителя и проблем не вызывают.
Не стоит пытаться получить особо низкий уровень помех в самом блоке питания – там явно недостаточно места для нормальной трассировки цепи «земля», да и компактное размещение силовых элементов создает условия для распространения помех через излучение. Не зря же сетевые блоки питания изготавливают в виде отдельных устройств в металлическом корпусе.
После всех доработок и изменений получился такой блок питания:
Его переделка прошла без особых осложнений и сгоревших транзисторов, что редкость для импульсных БП. Главное – будьте аккуратны и не удалите что-нибудь лишнее, особенно это касается цепей дежурного источника. Специально КПД не измерялся, при нагрузке в 200 Вт он находится в районе 86 процентов. Интересно, что до доработки БП показывал КПД 76 процентов, но при этом основная нагрузка создавалась по выходу 12 В. Что ж, дополнительный трансформатор не сильно ухудшает работу блока питания, и это радует.
Что до самого БП, то при нагрузке 100 Вт в нём отсутствуют элементы горячее 40 градусов. В блоке питания установлен вентилятор с терморегулятором, при низкой нагрузке скорость его вращения крайне низка и производимый уровень шума незначителен. Можно было бы убрать его вовсе, но конструкция радиаторов плохо подходит для охлаждения естественной конвекцией. Кроме того, КПД усилителя отнюдь не 100% и в нем тоже будет присутствовать радиатор. А значит, вентилятор может оказаться весьма полезным – даже при небольшом обдуве эффективность работы радиатора усилителя повышается и его можно сделать меньших размеров.
Блок питания вполне можно сделать самостоятельно, но, как и любое дело, к этому процессу надо подходить ответственно. При кажущейся простоте БП - довольно сложное устройство, не прощающее ошибок или решений «и так сойдет». «Сойдет», но не долго, и с фейерверком. Делайте старательно и вдумчиво, у вас всё получится.
