Блок питания ATX: как он есть (часть 1) (страница 2)
реклама
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:
- Выпрямительного узла.
- Трансформатора.
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
реклама
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:
- Блок питания не нагружен. Напряжение на выходе меньше пиковой величины переменного напряжения на величину падения двух диодов выпрямительного моста. А именно, 13.8*1.41 – 0.6*2 = 19.46 – 1.2 = 18.3 В. Микросхема потребляет небольшой ток в состоянии покоя, поэтому превышение на 0.3 вольта игнорируем.
- Нагрузка подключена. Выходное напряжение с трансформатора уменьшается из-за падения на эквивалентном сопротивлении вторичной обмотки от тока нагрузки. Главное здесь пик-фактор – посмотрите вторую картинку статьи, форма тока вторичной обмотки трансформатора очень «острая», по величине в три-четыре раза больше тока нагрузки БП. Если особо точные расчеты не требуются, можно облегчить себе жизнь и считать по упрощенной методике – брать пиковое напряжение на выходе трансформатора и вычитать из него падение на сопротивлении потерь, умноженное на ток нагрузки и пик-фактор.
Сложно? Вовсе нет, на примере станет понятнее.
реклама
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:
- Напряжение холостого хода, пиковое значение 13.8*1.41=19.6 В.
- Падение на внутреннем сопротивлении обмоток (0.7+0.56)*3.5*0.83=3.7 В.
- Потери в диодном мосте 0.6 В * 2 шт.=1.2 В.
реклама
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:
- 12000 мкФ - диаметр 22 (35) мм, высота 50 (30) мм.
- 15000 мкФ - диаметр 25 (35) мм, высота 45 (30) мм.
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:
|
|
|
|
Мост |
|
|
|
Полумост |
|
|
|
Цифры вы видите, вопрос о выборе типа выпрямительного узла можно закрыть окончательно.
Стабилизатор напряжения
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:
- [+] Стабильное выходное напряжение.
- [+] Ограничение по току нагрузки – защита усилителя от «дожигания» всей силовой части при выходе из строя отдельных элементов, снижается риск возгорания.
- [+] Снижение уровня пульсаций.
- [+] Перенос уровня земли.
- [-] Увеличение количества деталей – повышение стоимости изготовления устройства.
- [-] «Изоляция» цепи питания усилителя от сглаживающих конденсаторов повышенной емкости.
- [-] Возможно снижение качества работы усилителя.
- [?] Напряжение питания усилителя меньше, чем могло бы быть без стабилизатора.
- [?] Тепло рассеивается не только на выходном каскаде усилителя, но и на стабилизаторе.
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:
- Ток нагрузки 100%, время срабатывания не менее четырех часов.
- Ток нагрузки 135%, время срабатывания не более одного часа.
- Ток нагрузки 200%, время срабатывания не больше 5-120 секунд (в зависимости от модели).
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.
реклама
Страницы материала
Теги
Лента материалов раздела
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Комментарии Правила