Сколько же чего брать?

March 26, 2012 by admin Комментировать »

Если ваш усилитель работает в классе А, то он потребляет от источника неизменный ток (поскольку ток покоя выходных транзисторов больше, чем максимальный ток нагрузки). В этом случае все просто: определяете этот самый ток покоя, прибавляете ток, потребляемый остальными каскадами, предусилителем (если он питается от общего питания), другими устройствами и получаете требуемый ток нагрузки блока питания. Точный расчет такого источника питания производится по известным методикам, опубликованным в книгах, их можно поискать по названию "Расчет источников электропитания…”. Приблизительно параметры источника питания можно определить так:

–               Напряжение на вторичной обмотке трансформатора равно требуемому постоянному напряжению.

–               Ток вторичных обмоток примерно в 1,5 раза больше тока, потребляемого усилителем.

–               Мощность трансформатора – удвоенное напряжение питания (у блока питания два плеча) умножить на ток вторичной обмотки. То есть примерно в 1,5 раза больше, чем мощность, потребляемая всем усилителем.

–               Максимальный ток диодов выпрямителя в 2…3 раза больше, чем ток усилителя.

–               Максимальное обратное напряжение диодов должно как минимум в 2,5 раза превышать напряжение питания одного плеча.

Более точно расчет производится для каждого конкретного случая.

Другое дело, если усилитель работает в классе В или АВ. Такой усилитель потребляет от блока питания ток, примерно пропорциональный текущей выходной мощности (которая меняется очень сильно в соответствии с изменением уровня звукового сигнала). Средняя величина тока оказывается не такой большой, как для класса А, и тут есть над чем подумать.

Обычно в этом случае мощность трансформатора рассчитывают так:

При воспроизведении синусоидального сигнала все так и будет. А что будет на реальном музыкальном сигнале? Поскольку среднее значение музыкального сигнала низкое, то и средняя мощность, потребляемая от трансформатора, будет тоже низкой, поэтому реально трансформатор будет загружен на 30…40%. Если учесть, что трансформатор – один из самых габаритных и дорогих элементов, то жалко, что он недогружается.

В результате для подавляющего большинства усилителей применим другой метод: величина напряжения питания выбирается такой, чтобы можно было нормально воспроизвести пики звукового сигнала. То есть достаточно большой. А вот мощность трансформатора определяется средней мощностью звукового сигнала, следовательно, не очень большой. В этом случае обмотки рассчиты-

ваются на сравнительно низкий средний ток, потребляемый усилителем. Небольшую кратковременную перегрузку при воспроизведении пиков сигнала трансформатор прекрасно выдерживает. Во время этих кратковременных пиков усилитель большей частью подпитывается конденсаторами фильтра, которые за такое короткое время не успевают заметно разрядиться. Кроме того, мощность трансформатора выбирается с некоторым запасом, поскольку кроме питания усилителя, он должен еще обеспечивать заряд конденсаторов фильтра, которые потребляют ток короткими, но мощными импульсами.

Получается, что мощность трансформатора вполне может быть меньше, чем суммарная выходная мощность усилителя (но только, если это воспроизведение записанной музыки, при исполнении музыки, например в рок-группе, это правило не действует), он будет

компактнее и заметно дешевле. Такой подход вполне логично вытекает из особенностей звукового сигнала.

В качестве примера на рис. 37 приведены зависимости номинальной мощности трансформатора, напряжения на его вторичной обмотке и емкости конденсаторов фильтра в зависимости от выходной мощности стереоусилителя (мощность указана на один канал). При этом подразумевается, что ток покоя выходного каскада равен 150 мА, а минимальное падение напряжения dllmin = 6 вольт. Эти значения выбраны таким образом, чтобы графики были пригодны для большинства усилителей – обычно ток покоя и минимальное падение напряжения в реальном усилителе имеют значения несколько меньше, и блок питания будет иметь небольшой запас по напряжению и мощности. Гораздо реже у усилителя ток покоя и dllmin больше заданных. В этом случае мощность трансформатора и его напряжение следует немного увеличить.

В принципе, если хотите сэкономить, емкость фильтров можно уменьшить раза в полтора. Но помните о функциях конденсаторов! Уменьшите емкость слишком сильно – ухудшите работу усилителя.

Максимальное обратное напряжение на диодах (то, которое они выдерживают) должно на 20…50% превышать удвоенное напряжение одного плеча питания. В принципе, если будет еще больше – не страшно, но специально за этим гнаться не надо.

Эти результаты получены при помощи программы: "Расчет блока питания УМЗЧ", размещенной на сайте автора (www.electroclub.info). Программа на самом деле приблизительная, поскольку существует очень много разных трансформаторов, усилителей, да и музыкальные сигналы все разные, но ей вполне можно доверять.

Все это выглядит довольно необычно, особенно для человека, привыкшего к работе трансформатора на нагрузку, потребляющую неизменный ток, поэтому зачастую возникают вопросы по этому поводу. Попытаюсь ответить на наиболее часто задаваемые.

Всегда ли применим этот подход?

Только для усиления звуковых сигналов. Если источник должен питать нагрузку, потребляющую неизменную мощность, или усилитель, усиливающий какой-нибудь сигнал незвукового характера (например, синусоидальный или шумовой), то этот расчет неприменим. Данный метод "заточен" под свойства реального звука – человеческой речи и музыки, которые имеют значительный пик-фактор.

Не получится ли так, что рассчитанный по этой методике блок питания "не справится" с питанием реального усилителя?

Справится. И этому способствуют сразу два обстоятельства: 1) расчет выполняется для работы на максимальной громкости. При обычном прослушивании на меньшей громкости, работа блока питания еще сильнее облегчается; 2) в расчете практически не учтен динамический диапазон звукового сигнала, т.е. расчет "думает", что вся музыка состоит практически из громких мест. А в реальности есть места и тихие и средние. Кроме того, "облегченный" трансформатор хорошо выдерживает небольшие перегрузки, если вдруг мы все же подадим "тяжелый" звуковой сигнал.

Выдаст ли усилитель в нагрузку заявленную мощность, если на вход подать синусоидальный сигнал?

Очень непродолжительно (доли-единицы секунды)

–               пока не разрядятся конденсаторы фильтров. Поскольку средняя мощность синусоидального сигнала намного больше, чем звукового, то блок питания не сможет долго поддерживать нужное напряжение питания (оно "просядет"). Поэтому максимальная мощность на синусоидальном сигнале будет меньше (на 20…40%).

За счет чего усилитель будет выдавать в нагрузку большую импульсную мощность?

В основном за счет энергии, запасаемой конденсаторами фильтра. Эти конденсаторы выполняют две функции – сглаживают пульсации напряжения питания, и подпитывают усилитель на пиках сигнала (ток нагрузки, протекающий через них, в данный момент не рассматривается).

Для усилителя предлагается трансформатор довольно маленькой мощности. Не будет ли он перегреваться.

Не было случая, чтобы он перегревался. Этот подход прорабатывался в течение довольно длительного времени, и все это время блоки питания нормально работали. Кроме того, были произведены специальные эксперименты на "выживание" такого вот трансформатора уменьшенной мощности в довольно жестких условиях. Эксперименты показали, что для работы с сигналом, имеющим большой пик-фактор, трансформаторы уменьшенной мощности вполне пригодны. Никакого перегрева не происходит. Важно отметить, что это снижение мощности делается не просто так, поэтому трансформатор, выбранный "от фонаря", может и не обеспечить требуемых параметров.

А почему же некоторые производители заявляют для своих усилителей блоки питания огромной мощности?

Одну цель, хоть и очень важную – рекламную – мы опустим. Другая цель – максимально снизить просадки напряжения питания и получить максимально возможную выходную мощность не только в музыке, но и вообще всегда. Третья цель – максимально снизить пульсации напряжения питания, чтобы выжать максимум качественного звучания ("грязный" источник питания – одна из причин роста интермодуляционных искажений). Однако создание качественного источника питания большой мощности тоже непросто. Там появляется много противоречий, которые трудно разрешить. Вот мнение одного из разработчиков аудиотехники: "…слишком низкое внутреннее сопротивление трансформатора (избыточная мощность) сильно осложняет режим выпрямительных диодов и конденсаторов фильтра и очень сильно увеличивает помехи, генерируемые в сеть питания из-за резко несинусоидального потребления тока…".

Я уже упоминал, что акустические системы не являются чисто активной нагрузкой (такой, как резистор). У них есть индуктивность и емкость. У большинства колонок эти индуктивности-емкости (и создаваемые ими фазовые сдвиги) не так велики, и хоть и ухудшают жизнь усилителю и блоку питания, но не сильно. Однако у некоторых колонок бывают довольно большие фазовые сдвиги. Такие колонки являются трудной нагрузкой для усилителя – он начинает сильнее греться и его стабильность может ухудшиться. И нагрузка на блок питания тоже ощутимо растет. В таком случае надо увеличить мощность трансформатора (по сравнению с тем, что показано на рис. 37) на 20…40%. И емкость фильтров в этом случае уменьшать не следует.

Если от трансформатора питается не только усилитель мощности, но и предусилитель, блок автоматики и другие устройства, то мощность трансформатора должна быть увеличена на величину мощности, потребляемой этими потребителями.

Источник: Рогов И.Е. Конструирование источников питания звуковых усилителей. – Москва: Инфра- Инженерия, 2011. – 160 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты