Как подключить импульсный блок питания к усилителю
Пролог. В настоящей статье речь пойдет об импульсном источнике питания (ИИП) для усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ) на базе популярной микросхемы - IR2156 от International Rectifier (в настоящее время приобретена Infineon Technologies).
По не совсем непонятным для меня причинам, несмотря на высокую популярность данной микросхемы в радиолюбительских кругах и даже профессионалов, серийно изготавливающих и выпускающих ИИП для УМЗЧ на ее базе, в открытом доступе мне так и не удалось найти ни одной полноценной статьи об IR2156, ни одного законченного, доведенного до ума устройства собранного на ее базе. Все что удалось найти лишь сомнительного качества наработки неизвестных умельцев и фотографии готовых заводских устройств. В принципе, ситуация такая же, что и была в свое время с микросхемой IR2161. Поэтому в очередной раз пришлось брать все в свои руки, чтобы заполнить и этот пробел в рядах импульсных источников питания.
Данная статья будет полезна как новичкам, так и уже имеющим опыт в построение ИИП, и даже тем, кто уже ранее имел опыт общения с IR2156. Из этой статьи каждый сможет почерпнуть для себя что-то полезное. Описываемый блок питания прост в повторении, поэтому его можно рекомендовать даже новичкам, возможно для кого-то он станет первым импульсным источником питания собранным самостоятельно.
Краткая справка о IR2156. Данная микросхема - контроллер полумостового преобразователя со встроенным высоковольтным драйвером и программируемым генератором (осциллятором). Позиционируется производителем как контроллер управления балластом люминесцентных ламп. Тем не менее, данный факт никаким образом не останавливает целые фирмы и отдельных самодельщиков, которые серийно производят и реализуют усилители с импульсными источниками питания, а также отдельные импульсные источники питания на базе той самой IR2156. Что не удивительно, ведь IR2156 благодаря своему набору возможностей, идеально подходит для создания на ее базе импульсного источника питания для УМЗЧ (и не только).
Список возможностей микросхемы:
• Микротоковый старт. Для запуска микросхемы необходимо всего около 200 мкА, а значит, нет необходимости в дополнительном источнике питания для ее работы (контроллер запускается через высокоомные резисторы, а далее блок питания питает себя сам через цепь самопитания);
• Встроенный высоковольтный драйвер. Микросхема (в отличие от например - TL494 и SG3525), имеет встроенный высоковольтный драйвер, поэтому нет необходимости использовать еще одну дополнительную микросхему-драйвер или развязывающий затворный трансформатор;
• Программируемый генератор. Контроллер, с помощью внешних элементов, позволяет установить необходимую рабочую частоту, частоту и время работы в режиме предварительного прогрева (в режиме софт-старта), а также величину мертвого времени;
• Preheat (предварительный прогрев). В ламповых балластах данная функция необходима для предварительного прогрева электродов лампы низким напряжением перед ее поджигом (необходимо для снижения напряжения поджига и продления ресурса лампы). В нашем случае, предварительный прогрев будет выполнять функцию ограничения пускового тока, проще говоря - функцию софт-старта. Поэтому применительно к обсуждаемому здесь устройству, именовать данную функцию будем - софт-старт;
• Защита от перегрузки и короткого замыкания. В случае перегрузки или короткого замыкания на выходе источника питания, работа генератора микросхемы (а за ним и всего источника питания), мгновенно прекращается. Генератор и драйвер микросхемы переходят в неактивное состояние и находятся в нем до тех пор, пока не будет произведен сброс напряжения питания микросхемы;
• Защита от пониженного входного сетевого напряжения. Данная функция микросхемы защищает устройство от пониженного входного сетевого напряжения. Защита активируется, когда входное сетевое напряжение, следовательно, и зависящее от него напряжение на питающей высоковольтной шине постоянного тока, снизиться ниже заданного порогового значения;
• Дополнительный вывод, останавливающий микросхему. IR2156 имеет дополнительный защитный вывод - SD, который останавливает генератор микросхемы и переводит ее в режим UVLO всякий раз, когда напряжение на выводе SD превышает пороговое значение. Благодаря этому, разработчик имеет возможность встроить в источник питания дополнительные защитные функции, например - защиту от перегрева или отключение источника питания УМЗЧ при появлении постоянной составляющей на его выходе.
Сравнительная таблица популярных микросхем для ИИП. В следующую таблицу, для сравнительного анализа, были сведены основные возможности IR2156 и других популярных микросхем применяемых для построения на их базе импульсных источников питания:
Как хорошо видно из таблицы, микросхема IR2156 по всем параметрам превосходит всех своих соперников. Единственное чего не умеет IR2156 - стабилизировать выходное напряжение источника питания. Но применительно к блокам питания УМЗЧ, данный факт нельзя назвать большим минусом так как, абсолютное большинство УМЗЧ не нуждаются в стабилизированном напряжении питания, а некоторым наоборот - стабилизированное напряжение питания только мешает: приводит к росту интермодуляционных искажений и/или "эффекту накачки" в усилителях класса D.
Назначение выводов микросхемы:
1 (N.C.): вывод не используется. Электрически не соединен с внутренними цепями микросхемы.
2 (VCC): вывод питания микросхемы (логических схем и низковольтного драйвера).
3 (VDC): вывод контроля за напряжением высоковольтной шины постоянного тока.
4 (RT): вывод для подключения резистора задающего рабочую частоту.
5 (RPH): вывод для подключения резистора задающего частоту предварительного прогрева (софт-старта).
6 (CT): вывод для подключения конденсатора задающего мертвое время.
7 (CPH): вывод для подключения конденсатора задающего время работы в режиме предварительного прогрева (софт-старта).
8 (COM): вывод сигнальной и силовой земли микросхемы.
9 (SD): вывод останавливающий микросхему по заданным внешним условиям.
10 (CS): вывод контроля тока перегрузки и короткого замыкания.
11 (LO): выход драйвера нижнего уровня.
12 (VS): плавающая земля драйвера верхнего уровня.
13 (HO): выход драйвер верхнего уровня.
14 (VB): вывод плавающего питания высоковольтного драйвера.
Некоторые важные параметры IR2156:
- Положительное пороговое значение напряжения питания микросхемы (напряжение при котором она переходит из выключенного состояния во включенное) = 10,5. 12,5 В;
- Отрицательное пороговое значение напряжения питания микросхемы (напряжение при котором она переходит из включенного состояния в выключенное) = 8,5. 10,5 В;
- Напряжение встроенного стабилитрона = 14,5. 16,5 В;
- Потребляемый микросхемой ток в режиме UVLO = не более 500 мкА;
- Потребляемый микросхемой ток в рабочем режиме = не более 10 мА;
- Максимально допустимый вытекающий/втекающий ток драйвера = +500/-500 мА;
- Минимально допустимая емкость внешнего конденсатора Ct = 220 пФ;
- Пороговое напряжение вывода SD = 5,1 В;
- Пороговое напряжение вывода CS = 1,10. 1,44 В;
- Задержка срабатывания токовой защиты = 160 нсек.
Подделки. В силу высокой популярности микросхемы IR2156, в продаже находится множество ее подделок, поэтому рекомендую покупать микросхемы только в проверенных магазина и воздержаться от покупки микросхем на Aliexpress. Обращайте внимание на маркировку микросхем, но и правильная маркировка не гарантия оригинальности, но помогает отсеять как минимум 2/3 подделок. Работоспособность описываемого далее устройство с поддельной микросхемой не гарантируется (скорее гарантируется обратное).
Режимы работы микросхемы. Далее будут рассмотрены существующие режимы работы IR2156.
UVLO Mode (Under-voltage Lock-Out Mode) - режим блокировки при пониженном напряжении питания. Состояние в котором находится микросхема, когда ее напряжение питания ниже положительного или отрицательного порогового значения, либо когда напряжение на выводе SD превышает пороговое значение. Находясь в этом режиме микросхема потребляет сверхмалый ток (не более 500 мкА). Режим UVLO необходим для гарантии того, что логические схемы полностью функционируют до того, как генератор и драйвера высокого и низкого уровней активируются.
PREHEAT Mode (режим предварительного прогрева или в нашем случае - софт-старт) - режим, в котором генератор микросхемы работает на повышенной частоте, частоте предварительного прогрева (частоте софт-старта). Эта частота зависит от сопротивлений внешних резистора Rt и Rph, а также конденсатора Ct. В режим предварительного прогрева микросхема переходит сразу же после того, как ее напряжение питания превысит положительное пороговое значение (при условии что напряжение на выводе SD будет менее 4,5 В). Продолжительность работы в данном режиме определяется емкостью конденсатора CPH (или Css в описываемой далее схеме ИИП). Когда CPH будет заряжен до 10 В, микросхема перейдет в следующий режим работы.
Ignition Ramp Mode (режим поджига) - режим работы при котором частота генератора микросхемы, быстро, но плавно снижается с частоты предварительного прогрева до рабочей частоты, минуя частоту поджига (частоту на которой происходит поджиг лампы). Режим поджига активен до тех пор, пока конденсатор CPH не будет заряжен до 13 В. По достижении 13 В на конденсаторе Cph микросхема переходит в рабочий режим.
Run Mode (рабочий режим) - основной режим работы микросхемы. Частота работы генератора микросхемы в этом режиме определяется номиналами внешнего резистора Rt и внешнего конденсатора Ct.
FAULT Mode (режим неисправности) - режим в который переходит микросхема, когда напряжение на выводе CS превышает пороговое значение (при перегрузке или коротком замыкании в нагрузке).
Алгоритм работы. Теперь, после того как мы познакомились со всеми режимами работы по отдельности, пришло время более подробно узнать о том, как все эти режимы между собой взаимодействуют. На иллюстрации показана типичная схема включения IR2156, на ее примере мы разберем алгоритм работы микросхемы.
В начальный момент времени, когда напряжение на схему не подается, конденсаторы Cvcc1, Cvcc2, Cvd, Ct, Cph, Cbs - полностью разряжены. Ct и Cph внутренними ключами микросхемы подключены к земле для деактивации генератора и сброса времени предварительного прогрева соответственно. После подачи питания на схему, конденсаторы Cvcc1 и Cvcc2 начинают заряжаться током протекающим через резистор Rsupply. Величина зарядного тока равна току через Rsupply минус ток режима UVLO микросхемы. Номинал резистора Rsupply выбирается из расчета обеспечения двукратного максимального пускового тока при пониженном входном сетевом напряжении. В режиме UVLO микросхема потребляет около 200 мкА. При этом на выходах HO и LO микросхемы импульсы отсутствуют, драйвер не активен, ключевые транзисторы полностью заперты (их затворы притянуты к землям).
Конденсаторы Cvcc1 и Cvcc2 продолжают заряжаться и как только напряжение на них превысит положительное пороговое значение напряжения питания микросхемы (при условии что на выводе SD напряжение менее 4,5 В), микросхема переходит в режим PREHEAT Mode (предварительный прогрев). При этом внутренний ключ микросхемы отсоединяет конденсатор Ct от земли, что приводит к активации генератора и драйвера микросхемы. Конденсатор Cph так же отсоединяется от земли и начинает линейно заряжаться от внутреннего источника тока 5 мкА.
Внутренний генератор IR2156 работает следующим образом. Конденсатор Ct заряжается и разряжается в диапазоне напряжений от 1/3 до 3/5 напряжения питания микросхемы (Vcc). Конденсатор заряжается экспоненциально через параллельно соединенные частотозадающие резистора Rt и Rph (в рабочем режиме только через Rt), внутренне подключенные к шине питания микросхемы с помощью внутреннего ключа S1. Время зарядки Ct от 1/3 до 3/5 соответствует времени импульсов на выходах драйверов HO или LO, что показано на временной диаграмме ниже.
Когда напряжение на Ct превышает 3/5 от напряжения питания, ключ S1 размыкается, тем самым отключая Rt и Rph от шины питания микросхемы (Vcc), замыкает связанный с ним ключ S3, из-за чего Ct начинает разряжаться через внутренний резистор и ключ S3 на землю (вывод COM). Время разряда Ct от 3/5 до 1/3 напряжения питания микросхемы соответствует мертвому времени. Как только Ct разрядится до напряжения ниже чем 1/3 от напряжения питания микросхемы, внутренний ключ S3 размыкается, а связанный с ним ключ S1 - замыкается, снова подключая резисторы Rt и Rph к шине питания микросхемы (Vcc). Как только активируется генератор и драйвер, на выходах драйверов HO и LO, поочередно начинают появляться импульсы с частотой, заданной параллельным соединением резисторов Rt и Rph, а также конденсатором Ct. Первый импульс всегда появляется на выходе драйвера низкого уровня - LO, открывая ключ нижнего уровня. Сделано это для того, чтобы к моменту, когда должен появится импульс на выходе драйвера высокого уровня - HO, зарядить конденсатор питания драйвера верхнего уровня - Cboot (Cbs), который в свою очередь заряжается от источника питания микросхемы через диод Dboot, всякий раз, когда открывается ключ нижнего уровня - M2.
В режиме предварительного прогрева (софт-старта), защита от перегрузки и короткого замыкания не работает. Сделано это для того, чтобы избежать ложных срабатываний защиты из-за повышенного пускового тока. Так же, в режиме предварительного прогрева не активна защита от пониженного входного сетевого напряжения. Обе эти защиты активируются когда конденсатор Cph зарядится до 7,5 В. В момент включения драйвера, потребляемый микросхемой ток резко возрастает и напряжение конденсаторов Cvcc1 и CVvcc2 на мгновение проседает как это показано на следующем изображении.
Но так как драйвер уже активен и на выходах HO и LO поочередно появляются импульсы, активируется насос (цепь самопитания микросхемы), которая далее берет на себя роль источника питания микросхемы. Насос собран на элементах Csnub, Dcp1, Dcp2, Rlimit. Генератор микросхемы работает на повышенной частоте предварительного прогрева до тех пор, пока конденсатор Cph не будет заряжен до 10 В, после чего микросхема переходит в следующий режим - режим поджига.
В режиме поджига, с помощью внутреннего ключа микросхемы S4 происходит плавное отключение от схемы резистора Rph, в следствии чего частота импульсов на выходах HO и LO быстро снижается с частоты предварительного прогрева до рабочей частоты, проходя через частоту поджига, на которой происходит поджиг лампы. В нашем случае, режим поджига является лишь переходным режимом между режимом предварительного прогрева (софт-старта) и рабочим режимом. Длиться режим поджига до тех пор, пока конденсатор Cph не будет заряжен до 13 В, после чего микросхема переходит в рабочий режим.
В рабочем режиме резистор Rph полностью отключен от схему внутренним ключом S4, конденсатор Cph полностью заряжен. Генератор работает с постоянной рабочей частотой заданной резистором Rt и конденсатором Ct. Микросхема находится в этом режиме до тех пор, пока ее напряжения питания не упадет ниже отрицательного порогового значения (при отключении питания или при неисправности), либо пока не произойдет перегрузка или короткое замыкание в нагрузке (когда напряжение на выводе CS превысит пороговое значение). В случае возникновения одного из двух описанных условий, микросхема переходит в режим неисправности. А в случае, если напряжение на выводе SD превысит 5,1 В - переходит в режим UVLO.
При возникновении неисправности, конденсаторы Cph и Ct мгновенно, с помощью внутреннего ключа подключаются к земле и полностью разряжаются для сброса времени предварительного прогрева и выключения генератора соответственно. Генератор и драйвер отключаются, выходы HO и LO фиксируются в состоянии логического нуля (затворы ключевых транзисторов притягиваются к землям). Чтобы выйти из режима неисправности, необходимо чтобы напряжение питания микросхемы снизилось ниже отрицательного порогового значения, либо чтобы напряжение на выводе SD стало выше порогового значения, в этом случае микросхема перейдет в режим UVLO. Но чтобы микросхема возобновила работу, необходимо чтобы ее напряжение питания снова превысило положительное пороговое значение и напряжение на выводе SD при этом было менее 4,5 В.
Отдельно стоит остановится на защите от пониженного сетевого входного напряжения. Защита активируется тогда, когда на выводе VDC напряжение снижается ниже порогового значения. Это пороговое значение задается делителем напряжения, одним элементом которого является внешний резистора Rbus, а другим - внутренний резистор микросхемы Rvdc. Пороговое напряжения кроме того, зависит от напряжения питания микросхемы и разброса параметров самой микросхемы, так как внутренний резистор делителя напряжения Rvdc может иметь огромный разброс сопротивления - от 7,5 до 14 кОм (в зависимости от конкретного экземпляра микросхемы). У испытуемого мною экземпляра IR2156, пороговое напряжения оказалось равно 2 В (при напряжении питания микросхемы 14,2 В). Сразу хочется обратить внимание на то, что данная защита актуальная лишь для резонансных схем на базе IR2156: для ламповых балластов и LC-резонансных преобразователей. Поскольку устройство, речь о котором пойдет далее, не является не тем, не другим, то данная защита для него не актуальна. Тем не менее, было решено не объединять выводе VCC и VDC для полного отключения данной защиты (как это делают в других ИИП на базе IR2156), а все же использовать отдельный делитель напряжения для вывода VDC.
Теперь о том, как работает эта защита. Слишком сильное снижение входного сетевого напряжения в резонансном преобразователе может привести к сдвигу рабочей точки ниже частоты резонанса, что приведет к жесткому переключению и возможно к повреждению ключевых транзисторов. Для предотвращения этого неприятного явления, вывод VDC постоянно контролирует напряжение на высоковольтной шине постоянного тока. Когда напряжение на выводе VDC падает ниже установленного порогового значения, внутренний ключ микросхемы S4 начинает плавно открываться и плавно подключать к схеме резистор Rph, что ведет к увеличению рабочей частоты и сдвигу рабочей точки выше частоты резонанса. Чем ниже постоянное напряжение на выводе VDC относительно порогового значения напряжения - тем сильнее открывается внутренний ключ S4, и тем выше частота генератора. При напряжении на выводе VDC = 0 В, внутренний ключ S4 будет полностью открыт и частота генератора будет равна частоте предварительного прогрева (софт-старта). Когда напряжении на VDC ниже напряжения питания микросхемы, но выше порогового напряжения VDC, данная защита не оказывает никакого влияния на работу микросхемы.
Теперь, когда мы разобрались с самой IR2156, пришло время поговорить о само интересном - об импульсном источнике питания для УМЗЧ на ее базе.
Импульсный блок питания, обеспечивающий двухполярное напряжение +/-50В мощностью до 300 Вт, предназначен для применения в усилителях звука, сабвуферах аудиокомплекса, либо лабораторных БП повышенной мощности (например на базе такого модуля с Алиэкспресс). Эта относительно простая схема импульсного БП собрана в основном из радиоэлементов взятых из старых блоков питания AT/ATX.
Результаты испытания БП
Готовый блок питания – плата с деталями
На практике, удалось получить около 100-150 выходной мощности на 4 омных АС. Напряжение +/-50В выставляется резистором P1 10к. Конечно оно может принимать любые значения, в зависимости от применяемой схемы УНЧ. В настоящее время система работает в составе самодельного двухканального транзисторного УМЗЧ.
Эта статья содержит описание схемы простейшего импульсного повышающего преобразователя для авто усилителей (например на TDA7294 или любой другой микросхеме с двухполярным питанием), без лишних расчетов или теорий только необходимый минимум. Это действительно самый простой способ на сегодня запустить усилитель достаточно высокой мощности в автомобиле, с бортовым питанием 12 В. Представленный инвертор может выдавать постоянную мощность около 100 Вт, а при небольшой доработке схемы ещё больше.
Намотка трансформатора
Трансформатор – самый важный элемент и самый сложный. Во-первых, нужно достать ферритовый сердечник. Можно добыть его из блока питания ATX или другого импульсного преобразователя. Крайне важно, чтобы это был сердечник без зазора, иначе инерционный ток преобразователя будет выше, а КПД будет значительно ниже. В худшем случае может вообще не работать. Чтобы разобрать такой трансформатор, нагрейте его в кипящей воде, потому что тогда смола размягчится. Затем, используя тряпку, разломите горячий трансформатор. Важно не повредить сердечник. Затем снимаем заводские обмотки и наматываем новые в соответствии с инструкциями далее.
Начнем с первичной обмотки. В ней две обмотки должны быть намотаны по 3 витка одновременно, где начало второй является концом первой. Обе обмотки намотаны в одном и том же направлении. Из-за того что инвертор работает на высокой частоте, возникает скин-эффект. Поэтому не стоит намотать трансформатор одним толстым проводом, как в случае классических трансформаторов. Для данного инвертора намотаем 4 провода по 0,3 мм. Обмотка должна выглядеть примерно так:
Теперь изолируйте первичку от вторички. Например слоями скотча. Пришло время намотать вторичную обмотку. Намотайте две обмотки по 7 витков. Трансформатор готов.
Вместо основного предохранителя вставляем лампу значительной мощности (предпочтительно 50 Вт, чтобы при малом токе она не вызывала значительного падения напряжения). Измеряем ток, потребляемый преобразователем, должно составлять 100-250 мА. Форма сигнала на осциллографе должна быть прямоугольной с требуемой амплитудой.
Инвертор практически закончен. Осталось смонтировать схему выпрямителя со сверхбыстрыми диодами или диодами Шоттки. Далее устанавливаем дроссель и фильтрующие конденсаторы.
Выходной дроссель в этом инверторе будет необходим. С натяжкой он может работать и без него, но его эффективность станет меньше и может быть слышен писк под нагрузкой. Дроссель наматывается на порошковое кольцо. Вы можете также выпаять его от источника питания ATX. Обмотка двойная по 17 витков (значение выбрано методом проб и ошибок).
Выходное напряжение инвертора должно быть примерно +/- 36 В. Это оптимальное значение для микросхем TDA7294.
Инвертор должен быть нагружен для испытаний электронной нагрузкой или мощным резистором с сопротивлением 50 Ом. Резистор будет выдавать около 100 Вт мощности в виде тепла. Выходное напряжение преобразователя под этой нагрузкой не должно падать ниже 32 В. Наиболее теплым элементом должны быть выпрямительные диоды. Трансформатор должен слегка нагреваться, как и мосфеты. Тест 100 Вт должен занять 10 минут.
Сборка преобразователя питания
Можно вытравить полноценную печатную плату, а можно использовать универсальную макетку. Важно, чтобы пути тока были максимально короткими и толстыми.
Сначала собираем зеленую, желтую и оранжевую части. При этом схема питается через маленькую лампочку (например, 10 Вт) или установите ограничение тока 200 мА на блоке питания. Подключите один щуп осциллографа к источнику питания плюс, а другой – к усилителям УТ. Должны увидеть прямоугольную осциллограмму с амплитудой около напряжения питания. Форма волны должна быть очень похожей на фото.
Если сигнал не отображается, проверьте правильность сборки и работоспособность зеленой и желтой секций ИБП.
Затем подключаем осциллограф параллельно мосфетам и наблюдаем форму сигнала там. Это должен быть прямоугольник с амплитудой, аналогичной напряжению питания. Если он не просматривается, это означает, что установили поврежденный mosfet (или неправильно впаяли его).
Если все в порядке, можем начать наматывать трансформатор.
Предохранители инвертора
Схему контроля выходного тока будет лучше заменить на так называемый электронный предохранитель, который в случае короткого замыкания будет отключать преобразователи (потребуется перезапуск). Схема управления током в инверторе с питанием, сделанным для конкретной системы (в данном случае стерео TDA7294 для громкоговорителя 8 Ом), может отключить преобразователь только во время басов, когда усилитель потребляет больше энергии.
Модуль управления имеет предохранитель в виде резистора R11. Используем стандартный 4.7R 0.25W резистор – в случае короткого замыкания в TL494 или усилителях тока, резистор немедленно перегорает. Силовая часть защищена предохранителем на 10 А. В вышеуказанной схеме короткое замыкание на выходе вызывает его немедленное сгорание.
Принципиальная схема преобразователя 220/2х50В
Схема самодельного импульсного БП для УМЗЧ
Трансформатор инвертора был намотан на ферритовом сердечнике ETD39. Моточные данные практически не отличаются, только выходные обмотки немного домотаны под увеличение вольтажа. Транзисторы ключевые – мощные IRFP450. Драйвер – популярная микросхема TL494. Питание осуществляется через специальный стабилизатор. В нём резистор пусковой с выпрямленным напряжением сети заряжает конденсатор питания, на котором, когда напряжение достигнет порога, включится стабилизатор, запустив драйвер. Он будет питаться только в моменты накопления энергии на конденсаторе, а после запуска преобразователя, питание драйвера возьмет на себя дополнительная обмотка трансформатора. Принцип работы такого варианта запуска известен давно и используется в популярной м/с UC384x.
Печатная плата
Нужен ли стабилизатор напряжения
Стабилизация выходного напряжения на БП усилителя звука – плохая идея. Усилитель имеет очень нелинейное энергопотребление, кроме того, когда проходит бас, он может потреблять много энергии (в импульсе). Обратная связь для управления выходным напряжением может мешать реакции на повышенное энергопотребление.
Для тестирования блок питался от адаптера 12 В 60 A. Кроме того, предохранители желательно установить на линиях +36 В и -36 В. Плата имеет размеры, подходящие для установки в корпуса автомобильного радио, и все элементы можно легко охладить одним вентилятором при необходимости.
Решил попробовать "накормить" усилитель стабилизированным питанием.
В сети интернет как оказалось не так уж и много схем таких БП, все завалено нестабилизированными БП на базе IR2153, был печальный опыт с этим контроллером и затею эту забросил
* После тестов данного БП понял, что беда была не в контроллере *
Решил переработать под свои нужды схему предложенную другом Сашей из группы в "Одноклассниках".
Это лабораторный регулируемый по напряжению и току ИИП на самой известной микросхеме TL494.
Сначала решил повторить оригинал и посмотреть как он работает - работает он отлично, - плату всунул в корпус своего старого лабораторного БП - построенного так-же на этом контроллере но в низковольтной части.
Стабилизация напряжения отменная и ток до 8А ограниченный корпусом устройства, увеличив радиатор и 20А не потолок.
Погоняв БП с разными нагрузками и при разном напряжении в сети, было решено собирать на этой схеме двух-полярник.
На данном этапе от контроля тока отказался, - стабилизация напряжения "следит" за плюсовым плечом, отрицательное живет само по себе но "старается" быть зеркальным своему "соседу". Поскольку нагрузка на оба плеча симметрична то и перекоса напряжения в реальных условиях не наблюдается.
Монтаж осуществлен на трех платах:
1. Основной - силовой блок.
2. Субмодуль ШИМ контроллера.
3. Маломощный импульсный источник для питания схемы ШИМ.
Для экономии пространства плата с ШИМкой установлена перпендикулярно основной плате рядом с силовыми ключами (транзисторами, ПП триодами, "Вентилями"), а низковольтный "питальник" прикручен к торцу основной платы слева, рядом с фильтром сетевого выпрямителя.
В качестве низковольтного БП применен ранее описанный блок питания .
В данном применении его родной сетевой выпрямитель не задействован, а схема питается от выпрямителя силовой части схемы.
В дальнейшем планирую задействовать цепь ограничения тока, напряжение управления буду снимать с трансформатора тока включенного в первичную обмотку трансформатора.
Импульсный трансформатор заимствован из АТХ блока питания.
Первичная обмотка импульсного трансформатора содержит 40 витков провода диаметром 0,67мм, обязательно разделена на две части, половина под, половина над вторичной обмоткой. Вторичная намотана тем-же проводом но сложенным вдвое - количество витков зависит от требуемого напряжения, ориентировочно - 3,8В на одном витке.
Дроссели фильтра намотаны на желто-белых кольцах дросселей групповой стабилизации компьютерных БП сложенным вдвое эмаль проводом 0,5мм и содержат по 75 витков.
Кстати - у усилителя с таким БП улучшилась атака, из-за отсутствия просадки питания.
Тех радиаторов, что на фото вполне достаточно для долгой работы на половинной громкости, - на полной долго не гонял ни разу ибо 50+Вт с самодельными АС на основе 50ГДН 3-30 в комнате 3,5Х4м реально громко и более одного трека уши не вывозят.
* При тестах в УМЗЧ при нагрузке более 2А в плече вылетали транзисторы. А все по тому, что додумался трансформатор воткнуть из неудачного проекта на IR2153.
После перемотки трансформатора БП стал работать как положено, - пару раз на средней мощности усилителя коротились провода по пути к АС, искры, паника, вилку из розетки. Все обошлось удачно и для "Хитачиуса" и для блока питания.*
Вот ТУТ архив со схемой и печаткой.
На печатке цепь контроля тока на падении напряжения на шунте задействована, но в реальной конструкции она у меня отключена, а 16я ножка ШИМки заземлена, ибо как будет вести себя эта цепь при "сквозняках" УМЗЧ я не знаю.
Спасибо за внимание и удачи!
Шло третье десятилетие 21 века. По дорогам ездят электромобили, человечество летает в космос и даже запускает туда автомобили. Несмотря на все перечисленные и другие достижения человечества в различных областях науки, где-то на планете земля остается небольшая, разрозненная категория людей, которая всеми силами противится научному прогрессу: транзисторам предпочитают - электронные лампы, кремниевым транзисторам - германиевые, цифровым аудио форматам - виниловые пластинки, импульсным источникам питания - линейные источники питания, на основе огромных железных трансформаторов. О сравнении различных источников питания и пойдет речь в данной статье.
Какие же преимущества предоставляют импульсные источники питания (ИИП)?
1. Значительно меньшие габариты и вес, в сравнении с линейными источниками питания, при равной выходной мощности;
Достигается это за счет того, что с повышением частоты тока, можно использовать трансформаторы меньших размеров, при равной передаваемой мощности. Кроме того, благодаря высокой рабочей частоте, значительно уменьшаются габариты фильтра выходного напряжения, за счет допустимости использования электролитических конденсаторов значительно меньше емкости.
2. Более высокий КПД (вплоть до 98%);
И это при наличии стабилизации выходного напряжения. В то время как, при необходимости ввести стабилизацию выходного напряжения в линейном источнике питания, потребуются огромные радиаторы для рассеивания большого количества тепла. Общий КПД такого линейного источника питания не превысит 70%.
3. Более низкая стоимость, как импульсного трансформатора, так и всего источника питания в целом;
На момент написания статьи, на всеми известно китайской торговой площадке, импульсный источник питания для УМЗЧ с выходной мощностью 500 Вт и стабилизированным выходным напряжением, обойдется всего в $30, а более мощная версия на 1000 Вт - $55. В то же самое время, за один лишь "большой железный трансформатор" мощностью 500 Вт, придется выложить $35. Не забываем, что для построения простейшего блока питания, к трансформатору придется докупить как минимум диодный мост и ёмкие электролитические конденсаторы, при этом ни о какой стабилизации выходного напряжения не будет идти и речи.
4. Широкий диапазон входных напряжений;
Хороший импульсный источник питания, может обеспечивать постоянную выходную мощность и стабильное выходное напряжения, при входных напряжениях от 85 до 265 В. При необходимости этот диапазон может быть еще шире. Существует профессиональный усилитель, который одинаково успешно может работать от одной, двух или трех фаз, с напряжением от 85 до 440 В. В то же самое время, даже стабилизированный линейный источник питания не способен и близко обеспечить постоянства выходного напряжения при столь широком диапазоне входных напряжений. Про не стабилизированный источник питания и говорить нечего, там выходное напряжение напрямую завит от входного и изменяется синхронно с ним.
5. Наличие набора различных защит.
Каждый импульсный источник питания оснащается как минимум защитой от перегрузки и короткого замыкания (которая помимо защиты самого источника питания, защищает и подключенный к нему усилитель, в случае короткого замыкания на его выходе). Кроме того, импульсный источник питания может быть оснащен защитой от пониженного и повышенного выходного напряжения, защитой от перегрева, защитой акустической системы (отключение источника питания, при появлении постоянного напряжения на выходе усилителя), и другими защитами.
К сожалению, импульсные источники питания не лишены некоторых недостатков:
1. Ограничение на минимальную выходную мощность;
Некоторые импульсные источники питания не способны нормально функционировать без нагрузки или при очень малой нагрузке. В этом случае, происходит неконтролируемый рост выходного напряжения источника питания. К этому склонны некоторые типы как не стабилизированных, так и стабилизированных импульсных источников питания.
2. Работа основной части схемы импульсного источника питания без гальванической развязки от сети;
Непосредственная связь основной части схемы с сетью усложняет построение импульсного источника питания, наладку и ремонт таких источников питания.
3. Относительно высокая сложность схемных решений;
Хотя типов импульсных источников питания и их схемных решений существует великое множество, все они, за исключение самых примитивных, имеют в своем составе большое количество разнообразных радиоэлементов, что усложняет их разработку, сборку и ремонт.
4. Все импульсные источники питания являются источниками высокочастотных помех.
Это связано с самим принципом их работы и поэтому данный недостаток присущ всем без исключения импульсным блокам питания: плохим и хорошим, дешевым и дорогим, самодельным и заводского изготовления. Однако величина этих помех может быть различной по величине и степени влияния на питаемое устройство, а также другую технику, расположенную рядом.
Именно последним недостатком мотивируют свою нетерпимость к импульсным источникам питания, применительно к УМЗЧ, обладатели "золотых ушей". Высокочастотные помехи при работе ИИП, имеют место быть, но почему-то все они забывают о степени влияния этих помех на питаемое устройство. Влияние на питаемое устройство может быть огромным (что должно выражаться в ухудшении технических характеристик питаемого устройства), или вообще никаким (никак не влиять на технические параметры питаемого устройства). Именно со степенью влияния на питаемое устройство и следует разобраться.
Чтобы выяснить какое негативное влияние может оказать импульсный источник питания на питаемое устройство, в нашем случае - на усилитель звуковой частоты, был проведен всего один, но очень показательный эксперимент. Суть эксперимента в том, что один и тот же усилитель мощности, поочередно запитывался сначала от линейного источника питания, а после от импульсного источника. В обоих случаях измерялись технические параметры подключенного к источнику питания УМЗЧ: уровень шума, коэффициент нелинейных и интермодуляционных искажений.
В качестве подопытного усилителя мощности, использовался опытный образец высококачественного усилителя Only Music 2.7 (ОМ2.7).
Силовой каскад
Еще одна особенность схемопостроения БП – управление полевыми транзисторами. Тут нижний по схеме IRFP450 управляется прямо с выхода драйвера, а верхний с помощью небольшого трансформатора.
Кроме того, система была оснащена защитой по току, отслеживая ток нижнего полевика, используя его сопротивление Rdson.
Схема и описание преобразователя
Схема была разделена на несколько частей для облегчения описания и понимания сути работы деталей.
Зеленая часть представляет собой генератор, использующий популярную микросхему TL494. Чтобы сделать структуру максимально простой, использовалась только часть м/с, а именно только генератор. Частота его работы определяется элементами R4 и C4. Для текущих значений (10 кОм и 1 нФ) она составляет около 30 кГц. Увеличив частоту также можно повысить эффективность, но для этого необходимо намотать трансформатор более тонкими проводами (из-за скин-эффекта).
Желтая часть – усилители тока. Они используются только для облегчения повторной загрузки затворных мощностей мосфетов, которые разгружают внутренние выходные транзисторы в TL494. Фактически, схема в текущей конфигурации будет работать и без них, потому что внутренние транзисторы TL494 в принципе могут управлять одним затвором без особых проблем, но в случае падения напряжения в источнике питания инвертор может работать нестабильно. Вот почему рекомендуется установить их. В этой роли практически любой транзистор может быть использован для создания комплементарной пары. Схема также хорошо работает например с парой BC547 / BC557 и т.п.
Оранжевая часть – это ключевые выходные элементы. Мосфет включается при получении импульса от предыдущего каскада. Преобразователь включает мосфеты попеременно с так называемым мертвым временем (когда оба выключены). Особое внимание следует уделить C8 (10 нФ) и R12 (4,7 Ом), потому что от них зависит безопасность транзисторов. Они используются для подавления перенапряжений, возникающих в индуктивности во время переходных процессов. Используйте конденсатор 10 нФ на минимальное напряжение 250 В и резистор 3,3 … 4,7 Ома с минимальной мощностью 0,5 Вт.
Для преобразователя могут быть выбраны разные типы мосфетов, в значительной степени от них зависит, какой мощности и эффективности удастся достичь. Важно выбирать с низким сопротивлением и большим рабочим током. Тут использовались IRF3205, но одинаково хорошо заработают IRFZ44n, BUZ11 или IRFP064n для немного большей мощности.
Красная часть – трансформатор с выпрямителем. Про трансформатор и его перемотатку будет чуть ниже. Сейчас остановимся на схеме выпрямления и фильтрации. Это классический симметричный источник питания, в котором используются ультрабыстрые выпрямительные диоды или диоды Шоттки. В данном случае использовался диод MBR10100CT. Ещё нужен выходной дроссель и конденсаторы фильтра. Для одной микросхемы TDA7294 просто используйте 2200 мкФ + 100 нФ на каждое плечо. Ставьте нормальный электролитический конденсатор, нет необходимости использовать конденсаторы с низким ЭПР.
Читайте также: