Казалось бы что может быть проще, подключить усилитель к блоку питания , и можно наслаждаться любимой музыкой?

Однако, если вспомнить, что усилитель по сути модулирует по закону входного сигнала напряжение источника питания, то станет ясно, что к вопросам проектирования и монтажа блока питания стоит подходить очень ответственно.

Иначе ошибки и просчёты допущенные при этом могут испортить (в плане звука) любой, даже самый качественный и дорогой усилитель.

Стабилизатор или фильтр?

Удивительно, но чаще всего для питания усилителей мощности используются простые схемы с трансформатором, выпрямителем и сглаживающим конденсатором. Хотя в большинстве электронных устройств сегодня используются стабилизированные блоки питания. Причина этого заключается в том, что дешевле и проще спроектировать усилитель, который бы имел высокий коэффициент подавления пульсаций по цепям питания, чем сделать относительно мощный стабилизатор. Сегодня уровень подавления пульсаций типового усилителя составляет порядка 60дБ для частоты 100Hz , что практически соответствует параметрам стабилизатора напряжения. Использование в усилительных каскадах источников постоянного тока, дифференциальных каскадов, раздельных фильтров в цепях питания каскадов и других схемотехнических приёмов позволяет достичь и ещё больших значений.

Питание выходных каскадов чаще всего делается нестабилизированным. Благодаря наличию в них 100% отрицательной обратной связи, единичному коэффициенту усиления, наличию ОООС, предотвращается проникновение на выход фона и пульсаций питающего напряжения.

Выходной каскад усилителя по сути является регулятором напряжения (питания), пока не войдет в режим клиппирования (ограничения). Тогда пульсации питающего напряжения (частотой 100 Гц) модулируют выходной сигнал, что звучит просто ужасно:

Если для усилителей с однополярным питанием происходит модуляция только верхней полуволны сигнала, то у усилителей с двухполярным питанием модулируются обе полуволны сигнала. Большинству усилителей свойственен этот эффект при больших сигналах (мощностях), но он никак не отражается в технических характеристиках. В хорошо спроектированном усилителе эффекта клиппирования не должно происходить.

Чтобы проверить свой усилитель (точнее блок питания своего усилителя), вы можете провести эксперимент. Подайте на вход усилителя сигнал частотой чуть выше слышимой вами. В моём случае достаточно 15 кГц:(. Повышайте амплитуду входного сигнала, пока усилитель не войдёт в клиппинг. В этом случае вы услышите в динамиках гул (100Гц). По его уровню можно оценить качество блока питания усилителя.

Предупреждение! Обязательно перед этим экспериментом отключите твиттер вышей акустической системы иначе он может выйти из строя.

Стабилизированный источник питания позволяет избежать этого эффекта и приводит к снижению искажений при длительных перегрузках. Однако, с учётом нестабильности напряжения сети, потери мощности на самом стабилизаторе составляют примерно 20%.

Другой способ ослабить эффект клиппирования это питание каскадов через отдельные RC-фильтры, что тоже несколько снижает мощность.

В серийной технике такое редко применяется, так как помимо снижения мощности, увеличивается ещё и стоимость изделия. Кроме того, применение стабилизатора в усилителях класса АВ может приводить к возбуждению усилителя из-за резонанса петель обратной связи усилителя и стабилизатора.

Потери мощности можно существенно сократить, если использовать современные импульсные блоки питания. Тем не менее, здесь всплывают другие проблемы: низкая надёжность (количество элементов в таком блоке питания существенно больше), высокая стоимость (при единичном и мелко-серийном производстве), высокий уровень ВЧ-помех.

Типовая схема блока питания для усилителя с выходной мощностью 50Вт представлена на рисунке:

Выходное напряжение за счёт сглаживающих конденсаторов больше выходного напряжения трансформатора примерно в 1,4 раза.

Пиковая мощность

Несмотря на указанные недостатки, при питании усилителя от нестабилизированного источника можно получить некоторый бонус — кратковременную (пиковую) мощность выше, чем мощность блока питания, за счёт большой ёмкости фильтрующих конденсаторов. Опыт показывает, что требуется минимум 2000мкФ на каждые 10Вт выходной мощности. За счёт этого эффекта можно сэкономить на трансформаторе питания — можно использовать менее мощный и, соответственно, дешёвый трансформатор. Имейте ввиду, что измерения на стационарном сигнале этого эффекта не выявят, он проявляется только при кратковременных пиках, то есть при прослушивании музыки.

Стабилизированный блок питания такого эффекта не даёт.

Параллельный или последовательный стабилизатор?

Бытует мнение, что параллельные стабилизаторы лучше в аудиоустройствах, так как контур тока замыкается в локальной петле нагрузка-стабилизатор (исключается источник питания), как показано на рисунке:

Тот же эффект дает установка разделительного конденсатора на выходе. Но в этом случае ограничивает нижняя частота усиливаемого сигнала.

Защитные резисторы

Каждому радиолюбителю наверняка знаком запах горелого резистора. Это запах горящего лака, эпоксидной смолы и... денег. Между тем, дешёвый резистор может спасти ваш усилитель!

Автор при первом включении усилителя в цепях питания вместо предохранителей устанавливает низкоомные (47-100 Ом) резисторы, которые в несколько раз дешевле предохранителей. Это не раз спасало дорогие элементы усилителя от ошибок в монтаже, неправильно выставленного тока покоя (регулятор поставили на максимум вместо минимума), перепутанной полярности питания и так далее.

На фото показан усилитель, где монтажник перепутал транзисторы TIP3055 с TIP2955.

Транзисторы в итоге не пострадали. Все закончилось хорошо, но не для резисторов, и комнату проветривать пришлось.

Главное — падение напряжения

При проектировании печатных плат блоков питания и не только не надо забывать, что медь не является сверхпроводником. Особенно это важно для «земляных» (общих) проводников. Если они тонкие и образуют замкнутые контуры или длинные цепи, то в из-за протекающего тока на них получается падение напряжения и потенциал в разных точках оказывается разным.

Для минимизации разности потенциалов принято общий провод (землю) разводить в виде звезды — когда к каждому потребителю идёт свой проводник. Не стоит термин «звезда» понимать буквально. На фото показан пример такой правильной разводки общего провода:

В ламповых усилителях сопротивление анодной нагрузки каскадов довольно высокое, порядка 4кОм и выше, а токи не очень велики, поэтому сопротивление проводников не играет существенной роли. В транзисторных усилителях сопротивления каскадов существенно ниже (нагрузка вообще имеет сопротивление 4Ом), а токи гораздо выше, чем в ламповых усилителях. Поэтому влияние проводников тут может быть весьма существенным.

Сопротивление дорожки на печатной плате в шесть раз выше, чем сопротивление отрезка медного провода такой же длинны. Диаметр взят 0,71мм, это типичный провод, который используется при монтаже ламповых усилителей.

0.036 Ом в отличие от 0.0064 Ом! Учитывая, что токи в выходных каскадах транзисторных усилителей могут в тысячу раз превышать ток в ламповом усилителе, получаем, что падение напряжения на проводниках может быть в 6000! раз больше. Возможно, это одна из причин, почему транзисторные усилители звучат хуже ламповых. Это также объясняет, почему собранные на печатных платах ламповые усилители часто звучат хуже прототипа, собранного навесным монтажом.

Не стоит забывать закон Ома! Для снижения сопротивления печатных проводников можно использовать разные приёмы. Например, покрыть дорожку толстым слоем олова или припаять вдоль дорожки лужёную толстую проволоку. Варианты показаны на фото:

Импульсы заряда

Для предотвращения проникновения фона сети в усилитель нужно принять меры от проникновения импульсов заряда фильтрующих конденсаторов в усилитель. Для этого дорожки от выпрямителя должны идти непосредственно на конденсаторы фильтра. По ним циркулируют мощные импульсы зарядного тока, поэтому ничего другого к ним подключать нельзя. цепи питания усилителя должны подключаться к выводам конденсаторов фильтра.

Правильное подключение (монтаж) блока питания для усилителя с однополярным питанием показан на рисунке:

Увеличение по клику

На рисунке показан вариант печатной платы:

Пульсации

Большинство нестабилизированных источников питания имеют после выпрямителя только один сглаживающий конденсатор (или несколько включенных параллельно). Для улучшения качества питания можно использовать простой трюк: разбить одну ёмкость на две, а между ними включить резистор небольшого номинала 0,2-1 Ом. При этом даже две ёмкости меньшего номинала могут оказаться дешевле одной большой.

Это дает более плавные пульсации выходного напряжения с меньшим уровнем гармоник:

При больших токах падение напряжения на резисторе может стать существенным. Для его ограничения до 0,7В параллельно резистору можно включить мощный диод. В этом случае, правда, на пиках сигнала, когда диод будет открываться, пульсации выходного напряжения опять станут «жесткими».

Продолжение следует...

Статья подготовлена по материалам журнала «Практическая электроника каждый день»

Вольный перевод: Главного редактора «РадиоГазеты»

Рис. 1 моноплата автомобильного усилителя звука с раздельными преобразователями напряжения питания

Преобразователь напряжения в схеме блоков питания автомобильных усилителей , как и любой источник питания, имеет некоторое выходное сопротивление. При питании от общего источника между каналами многоканальных усилителей звука возникает взаимосвязь, которая тем больше, чем выше выходное сопротивление источника питания. Оно, обратно пропорционально мощности преобразователя.

Одной из составляющих выходного сопротивления блока питания становится и сопротивление питающих проводов. В моделях высокого класса для питания выходных каскадов усилителя мощности звука используют медные шины сечением 3...5 мм. Это наиболее простое решение проблем с питанием усилителя звука, улучшающее динамику и качество звучания.

Конечно, повысив мощность источника питания, взаимное влияние каналов можно уменьшить, но полностью исключить его нельзя. Если же использовать для каждого канала отдельный преобразователь, проблема снимается. Требования к отдельным источникам питания при этом можно заметно снизить. Обычно уровень переходного затухания автомобильных усилителей с общим блоком питания составляет для бюджетных моделей 40...55 дБ, для более дорогих - 50...65 дБ. Для автомобильных усилителей звука с раздельными блоками питания этот показатель превышает 70 дБ.

Преобразователи напряжения питания делятся на две группы - стабилизированные и нестабилизированные . Нестабилизированные заметно проще и дешевле, но им свойственны серьезные недостатки. На пиках мощности выходное напряжение преобразователя снижается, что приводит к увеличению искажений. Если увеличить мощность преобразователя, это снизит экономичность при малой выходной мощности. Поэтому нестабилизированные преобразователи применяются, как правило, в недорогих усилителях с суммарной мощностью каналов не более 100... 120 Вт. При более высокой выходной мощности усилителя предпочтение отдается стабилизированным преобразователям.

Как правило, блок питания смонтирован в одном корпусе с усилителем (на рис. 1 показана моноплата автомобильного усилителя звука с раздельными преобразователями напряжения питания), но в некоторых конструкциях он может быть выполнен в виде внешнего блока или отдельного модуля. Для включения автомобильного усилителя в рабочий режима усилителя используется управляющее напряжение от головного аппарата (вывод Remote). Потребляемый по этому выводу ток минимален - несколько миллиампер - и никак не связан с мощностью усилителя. В автомобильных усилителях обязательно используется защита от короткого замыкания нагрузки и от перегрева. В ряде случаев имеется также защита акустичеких систем от постоянного напряжения в случае выхода из строя выходного каскада усилителя. Эта часть схемы для современных автомобильных усилителей стала практически типовой и может отличаться незначительными изменениями.

Рис. 2 Схема стабилизированного блока питания автомобильного усилителя звука "Monacor НРВ 150"

В первых автомобильных усилителях в блоках питания использовались преобразователи напряжения, выполненные полностью на дискретных элементах. Пример такой схемы стабилизированного блока питания автомобильного усилителя звука "Monacor НРВ 150" (рис. 2). На схеме сохранена заводская нумерация элементов.

Задающий генератор выполнен на транзисторах VT106 и VT107 по схеме симметричного мультивибратора. Работой задающего генератора управляет ключ на транзисторе VT101. Транзисторы VT103, VT105 и VT102, VT104 - двухтактные буферные каскады, улучшающие форму импульсов задающего генератора. Выходной каскад выполнен на параллельно включенных биполярных транзисторах VT111, VT113 и VT110, VT112. Согласующие эмиттерные повторители на VT108 и VT109 питаются пониженным напряжением, снимаемым с части первичной обмотки трансформатора. Диоды VD106 - VD111 ограничивают степень насыщения выходных транзисторов. Для дополнительного ускорения закрывания этих транзисторов введены диоды VD104, VD105. Диоды VD102, VD103 обеспечивают плавный запуск преобразователя. С отдельной обмотки трансформатора напряжение, пропорциональное выходному, подается на выпрямитель (диод VD113, конденсатор С106). Это напряжение обеспечивает быстрое закрывание выходных транзисторов и способствует стабилизации выходного напряжения.

Недостаток биполярных транзисторов - высокое напряжение насыщения при большом токе. При токе 10... 15 А это напряжение достигает 1 В, что значительно снижает КПД преобразователя и его надежность. Частоту преобразования не удается сделать выше 25...30 кГц, в результате растут габариты трансформатора преобразователя и потери в нем.

Применение полевых транзисторов в блоке питания повышает надежность и экономичность. Частота преобразования во многих блоках превышает 100 кГц. Появление специализированных микросхем, содержащих на одном кристалле задающий генератор и цепи управления, значительно упростило конструкцию блоков питания для мощных автомобильных усилителей.

Рис. 3 Упрощенная схема нестабилизированного преобразователя напряжения питания автомобильного усилителя "Jensen"

Упрощенная схема нестабилизированного преобразователя напряжения питания четырехканального автомобильного усилителя "Jensen" приведена на рис. 3 (нумерация элементов на схеме условная).

Задающий генератор преобразователя напряжения собран на микросхеме KIA494P или TL494 (отечественный аналог - КР1114ЕУ4). Цепи защиты на схеме не показаны. В выходном каскаде, помимо указанных на схеме типов приборов, можно использовать мощные полевые транзисторы IRF150, IRFP044 и IRFP054 или отечественные КП812В, КП850. В конструкции использованы отдельные диодные сборки с общим анодом и с общим катодом, смонтированные через изолирующие теплопроводящие прокладки на общем теплоотводе вместе с выходными транзисторами усилителя.

Трансформатор можно намотать на ферритовом кольце типоразмера К42х28х10 или К42х25х11 с магнитной проницаемостью μ э =2000. Первичная обмотка намотана жгутом из восьми проводов диаметром 1,2 мм, вторичная - жгутом из четырех проводов диаметром 1 мм. После намотки каждый из жгутов разделен на две равные части, и начало одной половины обмотки соединено с концом другой. Первичная обмотка содержит 2x7 витков, вторичная - 2x15 витков, равномерно распределенных по кольцу.

Дроссель L1 намотан на ферритовом стержне диаметром 16 мм и содержит 10 витков эмалированного провода диаметром 2 мм. Дроссели L2, L3 намотаны на ферритовых стержнях диаметром 10 мм и содержат по 10 витков провода диаметром 1 мм. Длина каждого стержня 20 мм.

Подобная схема блоков питания с незначительными изменениями используется в автомобильных усилителях с суммарной выходной мощностью до 100... 120 Вт. Варьируются число пар выходных транзисторов, параметры трансформатора и устройство цепей защиты. В преобразователях напряжения более мощных усилителей вводят обратную связь по выходному напряжению, увеличивают число выходных транзисторов.

Для равномерного распределения нагрузки и уменьшения влияния разброса параметров транзисторов в трансформаторе токи мощных транзисторов распределяют на несколько первичных обмоток. Например, в преобразователе блока питания автомобильного усилителя "Lanzar 5.200" использовано 20! мощных полевых транзисторов, по 10 в каждом плече. Повышающий трансформатор содержит 5 первичных обмоток. К каждой из них подключено по 4 транзистора (параллельно по два в плече). Для лучшей фильтрации высокочастотных помех возле транзисторов установлены индивидуальные конденсаторы сглаживающего фильтра суммарной емкостью 22000 мкФ. Выводы обмоток трансформатора подключены непосредственно к транзисторам, без использования печатных проводников.

Поскольку автомобильным усилителям звука приходится работать в очень тяжелом температурном режиме, для обеспечения надежной работы в некоторых конструкциях используются встроенные вентиляторы охлаждения, продувающие воздух через каналы теплоотвода. Управление вентиляторами осуществляется с помощью термодатчика. Встречаются устройства как с дискретным управлением ("включен-выключен"), так и с плавной регулировкой скорости вращения вентилятора.

Наряду с этим, во всех усилителях используется термозащита блоков. Чаще всего она реализуется на основе термистора и компаратора. Иногда применяют стандартные компараторы в интегральном исполнении, но в этой роли чаще всего используют обычные микросхемы операционных усилителей ОУ. Пример схемы устройства термозащиты используемой в уже рассмотренном четырехканальном автомобильном усилителе "Jensen" приведен на рис. 4. На схеме, нумерация деталей условная.

Термистор R t 1 имеет тепловой контакт с корпусом усилителя вблизи выходных транзисторов. Напряжение с термистора подано на инвертирующий вход ОУ. Резисторы R1 - R3 вместе с термистором образуют мост, конденсатор С1 предотвращает ложные срабатывания защиты. При длине проводов, которыми термистор подключен к плате, около 20 см уровень наводок от блока питания достаточно велик. Через резистор R4 осуществляется положительная обратная связь с выхода ОУ, превращающая ОУ в пороговый элемент с гистерезисом. При нагреве корпуса до 100 °С сопротивление термистора снижается до 25 кОм, компаратор срабатывает и высоким уровнем напряжения на выходе блокирует работу преобразователя.

Выходные транзисторы усилителя и ключевые транзисторы преобразователя питания чаще всего применяют в пластиковых корпусах, ТО-220. К теплоотводу их крепят либо винтами, либо пружинными клипсами. У транзисторов в металлических корпусах теплоотвод несколько лучше, но поскольку устанавливать их нужно через специальные теплоотводящие прокладки, монтаж их намного сложнее, поэтому используют их в автоусилителях значительно редко, только в самых дорогих моделях.

Ценители качественного и громкого звука в салоне автомобиля непременно столкнутся с необходимостью установки автомобильного усилителя. Каждый автолюбитель знает, что мощность электрической сети автомобиля равняется 12 Вольт, чего критически мало для того, чтобы при сопротивлении в 4 Ом выдавать действительно мощный звук, ведь некоторые массивные динамики рассчитаны на питание в несколько тысяч Ватт. В таких случаях в автомобиль дополнительно устанавливают усилитель мощности для того, чтобы преобразовать напряжение. При желании усилитель мощности может быть изготовлен своими руками, его схема достаточно проста. Единственная сложность может — это изготовить блок питания для автомобильного усилителя.

Строение блока питания

Блок питание — самая сложная деталь в усилителе, которая состоит из:

• генератора импульсов;
• полевых транзисторов IRFZ44N;
• диода VD1,
• ферритового кольца диаметром минимум в 2 сантиметра;
• дросселя L1;

Чаще именно из-за трудоемкости сборки блока многие любители качественного звука отказываются от самостоятельной сборки автомобильного усилителя. На самом деле, все не так сложно как может показаться изначально. Достаточно обладать минимальными знаниями или следовать инструкции.

Сердцем преобразователя условно называют электрогенератор импульсов. Самая простая формула его создания лежит на основе схемы TL494. Частота генерации может быть увеличена или уменьшена при помощи изменения номинальной мощности резистора R3.

Мышцы блока питания для усилителя представляют собой сдельные транзисторы типа IRFZ44N. В схеме можно использовать резисторы любого типа (за исключением R4, R9, R10). В блок питания можно включить резисторы любой номинальной мощности, в том числе и 0,125 Вт, 0,25 Ватт и включая 1 Вт и даже 0,5 Вт. Светодиод VD1 монтируется в схему с целью предотвращения вторичного подключения плюсовых каналов.

Изготовление блока питания для усилителя

Гидродроссель L1 нужно накрутить на ферритовое кольцо диаметром 2 см. Его можно заимствовать с компьютерного блока питания или просто купить. Для ферритового кольца диаметром 2 см необходимо сделать 12 витков удвоенной проволокой срезом равным 0,7 миллиметрам, которые следует равномерно распределить по всему периметру кольца. Данный гидродроссель подходит и для наматывания на ферритовый стержень диаметром 8-10 миллиметров и длиной в 2 3 сантиметра. Однозначно, наиболее сложный момент в изготовлении конвертера напряжения - правильная формовка трансформатора, так как именно от трансформатора зависит работоспособность всего блока питания. Оптимальным решением будет изготовить его при помощи ферритового кольца марки 2000NM объемом в 40* 25 * 11.