"Кошерная" схема блока питания – так ли она хороша?

April 22, 2012 by admin Комментировать »

Считается, что трансформатор с двумя отдельными вторичными обмотками предпочтительнее, чем с выводом от средней точки. Потому что в этом случае можно поступить так: из каждой вторичной обмотки сделать свой отдельный выпрямитель. И уже эти выпрямители соединить между собой, чтобы получить двухполярное питание (рис. 28).

Некоторые "слышат явное улучшение звучания" при переходе к данной схеме – это чистой воды самовнушение. Звучание усилителя определяется работой источника питания (хотя в первую очередь, конечно, самим усилителем), а эта схема работает ничуть не лучше других.

Говорят, что в такой схеме отсутствует подмагни- чивание сердечника трансформатора постоянным током, тогда как в схемах на рис. 19 и 20 оно есть. Давайте разберемся с этим подробнее. Существует мне-

ние, что если усилитель воспроизводит синусоидальный сигнал частотой 25 Гц (это половина частоты питающей сети), то сердечник трансформатора подмаг- ничивается постоянным током. Общение на радиолюбительских форумах показало, что все сводится (я немного упрощаю) к двум позициям:

1.            Постоянная составляющая присутствует исключительно в схеме выпрямителя со средней точкой (рисунки 19 и 20) и ее нет в схеме на рис. 28.

2.            Применять тороидальные трансформаторы опасно, так как из-за отсутствия зазора в сердечнике под- магничивание сказывается на них очень сильно. Поэтому мощность трансформатора надо выбирать раза в два больше, чем нужно.

Оба этих положения неверны.

Постоянная составляющая действительно может появиться в токе вторичных обмоток трансформатора. Причем в любых схемах (с этой точки зрения схемы рис. 19 и рис. 28 не эквивалентны, но она есть везде). Что плохого в постоянной составляющей тока трансформатора? Плохо то, что трансформатор работает на переменном токе и не работает на постоянном. Поэтому, если на переменном токе ток вторичной обмотки компенсируется током первичной, то на постоянном такой компенсации не происходит. И постоянный ток дополнительно подмагничивает сердечник трансформатора, который и без того уже близок к насыщению. Ток первичной обмотки при этом значительно повышается и обмотка сильно нагревается. Обычно от такого тока сгорает предохранитель в первичной обмотке.

Если объяснять очень и очень упрощенно (и не всегда в согласии с физикой происходящих процессов), то эта постоянная составляющая тока возникает так: когда ток сети протекает через обмотку трансформатора в одном направлении, усилитель от выпрямителя потребляет большой ток. Поэтому и ток трансформатора оказывается большим. Когда же ток в трансформаторе меняет направление, усилитель перестает потреблять ток, и ток в трансформаторе оказывается маленьким. Получается, что в одном направлении через трансформатор протекает больше тока, чем в противоположном. Ток, текущий только в одном направлении и есть постоянный ток. Поскольку этот ток определяется током нагрузки блока питания, то ни схема выпрямителя, ни сопротивление обмоток на него не влияют – он получается как некоторый процент от тока нагрузки. Такое может произойти только тогда, когда усиливаемый сигнал очень точно синхронизируется с сетевым напряжением.

В силу того, что в реальном звуковом сигнале составляющие "критических" частот имеют малую амплитуду и продолжительность, указанная опасность настолько мала, что об этом можно и забыть. А вот на спецсигналах может быть спровоцирована ситуация, когда всё будет плохо. Это относится главным образом к тестовым сигналам, которыми тестируются сабвуферы. Продолжительный сигнал частотой 25 Гц может привести к подмагничиванию сердечника. Поэтому на правильных тестовых дисках сигналы с такой частотой обычно отсутствуют. Кстати, синусоидальный сигнал переменной частоты (свип-синус), который иногда используется для снятия АЧХ акустики, нестрашен – "критические" частоты в нем проскакивают довольно быстро. Также нестрашен и шумовой сигнал – в нем мала амплитуда этой "вредной" частоты.

Теперь по поводу тороидальных трансформаторов. Мощность трансформатора определяется диаметром проводов обмоток и никак не связана с его сопротивляемостью подмагничиванию, поэтому увеличение мощности практически ничего не даст. Практически – потому что если взять трансформатор с мощностью больше, чем требуется, то в отсутствии подмагничивания он будет работать с недогрузкой и греться немного меньше нормы. Поэтому у него будет немного больше запас по допустимому нагреву при подмагничивании. Однако рост тока первичной обмотки происходит настолько сильно, что этот запас по мощности будет заметен, только если мощность трансформатора раз в 10 превосходит номинальную. Отсутствие зазора в сердечнике ситуацию ухудшает, но не так сильно, как обычно считают – в броневых и стержневых трансформаторах зазор достаточно мал, и в реальности разница между таким маленьким зазором и его полным отсутствием малозаметна.

На самом деле данная проблема практически не заслуживает внимания, и на практике при воспроизведении звука с ней никто и никогда не сталкивается. Я остановился на ней так подробно только потому, что вокруг нее сложилось много мифов, мешающих нормальной работе. А с мифами бороться можно только одним способом – знанием.

Зато у схемы на рис. 28 есть недостаток (по сравнению со схемами на рис. 19 и 20): ток каждого плеча проходит последовательно через два диода и просадки напряжения, вызванные падением напряжения на диодах удваиваются!

На рис. 29 показано протекание тока через "одинарный" и "двойной" выпрямители при питании одного плеча нагрузки (чтобы не было путаницы: для усилителя нагрузкой является колонка, а для блока питания нагрузкой является сам усилитель). Хорошо видно, что в "одинарном" выпрямителе ток каждый раз проходит только через один диод, а в "двойном" – через два. Интересно, что в "одинарном" выпрямителе остались не задействованы два диода. Это потому, что они работают на другое плечо нагрузки, которое на схеме не показано. А в "двойном" выпрямителе на второе плечо нагрузки работает целый выпрямительный мостик, опять-таки, создающий последовательное включение двух диодов и удвоенное падение напряжения на них.

На самом деле у "одинарной" схемы есть еще преимущество – на каждое плечо нагрузки по очереди работают обе вторичные обмотки. Тогда если они немного разные по напряжению (а так бывает), то в нагрузку идет (и усредняется на конденсаторе фильтра) оба их напряжения. То есть в каждое плечо нагрузки поочередно идет напряжение с обеих обмоток, поэтому посто

янное напряжение на обоих плечах блока питания получается более одинаковым! Но это хоть и приятная, но мелочь. А главное, что выходная мощность с таким блоком будет немного больше, чем с "двойным".

Кстати, разговоры о том, что в таком включении через диоды протекает меньший ток – неправда. Посмотрите сами: один и тот же ток протекает в обоих случаях.

Так что тратиться на дополнительный мостик смысла нет. Уж если вы очень хотите задействовать два мостика, то можно сделать два выпрямителя как на рис. 19, каждый со своим фильтром, и чтобы каждый из них питал свой канал стереоусилителя. Так получается немного лучше, но не настолько лучше, чтобы ради этого надо было бы специально городить второй выпрямитель с фильтром.

5.              Бюджет просадок напряжения

Он нужен для того, чтобы оценить, а иногда и оптимизировать просадки напряжения питания. У нас есть три основных фактора, вызывающих просадки, в какой пропорции они входят? На первый взгляд самым простым кажется решение – все поровну. Это не так. Но и из такого неправильного подхода можно извлечь очень полезную мораль: не надо гнаться за значительным улучшением какого-нибудь одного элемента. И вот почему. Допустим, что все три фактора (трансформатор, диоды, конденсатор фильтра) влияют одинаково, и вклад каждого в просадку напряжения составляет 2 вольта. Теперь, мы заменим трансформатор на другой, с мощностью в 10 раз больше, чем был. Вместо 80 ВА поставили 800 ВА (на самом деле это сильно просадку не уменьшит, но давайте вообразим). И что получили?

Просадка, вызванная трансформатором, уменьшилась в 10 раз и стала равна 0,2 вольта. Общая просадка теперь 2 + 2 + 0,2 = 4,2 вольта. То есть увеличение цены, массы и габаритов трансформатора в 10 раз привело к снижению просадки всего лишь на 1/3! Вывод: все должно быть разумно и в меру.

На самом деле вклад элементов блока питания разный. Это потому, что уж очень разная физика лежит в основе работы этих элементов.

Начнем анализ с диодов выпрямителя – тут все очень просто. Дело в том, что напряжение на диоде хоть и зависит от тока, но мало. Поэтому можно считать, что в любых разумных условиях падение напряжения на полупроводниковом диоде будет порядка 0,9… 1,1 вольта (измерение дало 0,94 вольта при токе 5 ампер). А вот на диоде Шоттки напряжение вдвое меньше:

0,   5…0,65 вольт (измерение дало 0,55 вольт при токе 5 ампер). Преимущество налицо! Говорят, что диоды Шоттки лучше работают в выпрямителе потому, что они более быстродействующие. Однако все доводы, которые приводят в пользу того, что быстрый диод лучше работает в аналоговом (низкочастотном) выпрямителе лично меня не убеждают. А вот низкое падение напряжения на диоде Шоттки – это видно невооруженным глазом и легко поддается измерению. Выигрыш при этом хоть и небольшой, но реальный.

Для примера, я взял два первых попавшихся блока питания, подключил к ним мощный резистор и измерил влияние элементов на просадку напряжения. Вот что получилось (рис. 30). Кстати, тут используются обычные диоды.

Судя по этому рисунку, значительный вклад в просадку напряжения вносит трансформатор. Похоже, трансформатор – слабое звено в смысле просадок напряжения, и его мощность хорошо бы увеличить. Это не так. Во-первых, увеличив мощность трансформатора, сильно просадки не снизим. Во-вторых, то, что показано на рис. 30 на самом деле обычно не характерно для звукового усилителя. Такая картинка получилась потому, что я реальный усилительный блок питания нагрузил на "неправильную" нагрузку – резистор. Чуть ниже я расскажу, что происходит при воспроизведении звука, и какие там есть особенности. Тем не менее, хороший трансформатор для правильной работы усилителя просто необходим, но его мощность в основном определяется его нагревом, т.е. соответствует мощности усилителя.

Следующий элемент – конденсатор фильтра (их на самом деле как минимум два, но я буду говорить в единственном числе – для одного плеча, ведь второе плечо точно такое же). С одной стороны, просадки конденсатора вызываются его разрядом, поэтому хочется этот самый разряд уменьшить. Нет ничего проще! Снижение напряжения AU на конденсаторе емкос1ъю С при разряде током I за период выпрямленного напряжения будет примерно:

Т.е. при токе 1 ампер и емкости 10 тыс. мкФ просадка (пульсация) будет 1 вольт. А при емкости 100 тыс. мкФ всего 100 милливольт. Круто!

Только есть один нюанс. Зарядка конденсатора емкостью 100…200 тыс. мкФ потребует огромного зарядного тока. Вы еще не забыли, что при увеличении емкости уменьшается время заряда? Поэтому сила тока растет быстрее, чем растет емкость – ток должен быть намного больше, чтобы успевать эту огромную емкость заполнять за уменьшившийся промежуток времени. А этот ток ограничен сопротивлениями трансформатора и выпрямителя. В результате есть вероятность, что ток, нужной для зарядки величины, обеспечить не получится. Это, в свою очередь, приведет к затягиванию переходных процессов в блоке питания. А короткие мощные импульсы зарядного тока наверняка создадут вокруг большие высокочастотные помехи.

Такую ситуацию, когда емкость фильтров слишком высока, показывает левая картинка на рис. 30. Хотя и трансформатор слишком малой мощности может дать то же самое (в том реальном случае действительно был недостаточно мощный трансформатор).

Важный момент. Существуют усилители, в которых применяются конденсаторы фильтров большой емкости. И их часто приводят в пример, когда советуют емкость увеличить. Это примерно как сказать про операцию на сердце: другие делают, значит и я смогу. В обоих случаях такие вещи делают профессионалы. И они знают, что и как они делают. Они предвидят возможные последствия и управляют ими. Поэтому все делается так, чтобы подчеркнуть плюсы и минимизировать минусы этого решения. Когда вы достигните такого же уровня, то сможете такое же повторить. А начинающим лучше не браться.

С другой стороны, зачастую в промышленных усилителях емкость конденсатора делают меньше нормы. Напряжение питания на холостом ходу берут с хорошим запасом, так что просадка хоть и большая, но получается вроде бы и не страшна. Так делают для того, чтобы удешевить аппаратуру. Но при этом забывают об остальных функциях конденсаторов (вы еще не забыли, что они – три в одном?). В результате помимо роста искажений, вызванных тем, что реальное подавление пульсаций питания усилителем всегда хуже заявленного, еще и ухудшается воспроизведение басов. От этого они часто теряют "глубину и наполненность".

И еще один важный момент. Реальные электролитические конденсаторы, используемые в фильтрах, имеют очень много особенностей (потому как весьма далеки от идеальных). И эти особенности тоже надо учитывать. Сейчас скажу только об одной: конденсаторы имеют предел по зарядному-разрядному току и по допустимому уровню пульсаций. Если мы сильно завысим емкость, то конденсаторы будут заряжаться, короткими импульсами тока большой амплитуды и ток заряда конденсаторов может превысить максимально допустимый для них (особенно если при этом повысим мощность трансформатора, уменьшив его сопротивление). Они будут греться, и потихоньку умирать. То же самое – деградация – может произойти при неблагоприятном стечении обстоятельств, если использовать конденсаторы слишком малой емкости. Такое, в принципе возможно при применении аудиоконденсаторов, которые заметно дороже обычных, и зачастую имеют большие габариты, и разработчик руководствуется принципом: "поставлю один конденсатор хоть и недостаточной емкости, но зато for-audio". Недостаточная емкость приведет к повышенным пульсациям напряжения на конденсаторе, а значит и к большему току через конденсатор. А поскольку аудиоконденсаторы имеют меньший допустимый ток, чем "обычные", то этот допустимый ток легче может быть превышен.

Причем привести какую-нибудь формулу, для вычисления "нормальной" емкости я затрудняюсь. Скорее всего, точной формулы для усилителя вообще не существует. В большинстве своем в нормальных блоках питания с этим все в порядке, но только если не пытаться переделать их в нечто гигантское.

И еще на рис. 30 в общую просадку входит "прочее". Это дополнительные потери на разных элементах: разъемах, предохранителях, проводах. И если предохранитель из схемы исключать нельзя, то обеспечить более толстые и короткие провода и исключить разъемы вполне можно. Сравните оба графика на рисунке. Хотя тут тоже надо знать меру – когда прочие просадки составляют всего 2% от общих (как на правом графике), то смысла что-то улучшать уже и нет. Даже супердорогими проводами.

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