Блок питания для УМЗЧ своими руками

Усилитель мощности звуковых частот (УМЗЧ) – это фактически электрическое устройство, усиливающее электрические колебания в слышимом человеческим ухом диапазоне. Такие усилители могут сильно отличаться по принципу работы, а значит, и по параметрам питания.

С другой стороны, блоку питания не так важно, что к нему подключается – усилитель, приёмник или другой прибор. На первом месте, в любом случае, остаются потребляемая мощность (как показатель, отражающий соотношение выходного напряжения и силы тока) и падение показателей под нагрузкой. Поэтому блоки питания, как и любые другие вторичные источники, могут стабилизировать или выходной ток (источники тока), или напряжение (источники напряжения).

В зависимости от класса УМЗЧ и его пикового потребления по мощности может потребоваться та или иная схема питания.

В первую очередь выбор обусловлен диапазонами мощности:

• Для 30-60-ваттных усилителей будет достаточно классических трансформаторных блоков питания с диодным мостом и простейшим фильтром (из конденсатора). Как его рассчитать и сделать (со схемами) мы рассмотрели в этой статье.
• От 100 Вт и выше классический блок питания получается необоснованно громоздким. Пример автомобильного преобразователя и мощного БП (до 500-1000 Вт) мы рассмотрели на примере импульсных БП для одноканальных систем здесь.

Остался неохваченным только один вопрос – питание двуканальных акустических систем. На нём мы и остановимся подробнее ниже.

Блок питания УМЗЧ с раздельными каналами

Чисто теоретически, двуканальные системы могут легко питаться от одного источника (око которых речь шла выше). По факту так и есть в большинстве случаев. Однако, для высококачественных аудиосистем это неприемлемо.

Сама схема БП может выглядеть следующим образом.

Рис. 1. Сама схема БП

Все номиналы подробно освещены на схеме.

Такой БП разрабатывался специально для усилителей класса Hi-End. Его преимущество заключается в том, что использование отдельных трансформаторов для каждого плеча (канала) усиления, позволяет существенно снизить эффект подмагничивания сердечника, которое характерно для всех двухполупериодных схем выпрямления.

Здесь же питание становится заметно стабильнее.

Для более мощных потребителей можно организовать питание раздельных каналов идентичными усилителями на импульсных трансформаторах. Только в этом случае лучше избежать общего сердечника и собрать просто два одинаковых трансформатора.

БП на готовых трансформаторах

Наверное, самая большая проблема во всех мощных БП, особенно импульсных – намотка трансформаторов. Они требуют правильного расчёта, соблюдения технологии сборки, главное, опыта. А последний у обывателей – редкость.

Логичное решение – собрать схему на готовых трансформаторах. Например, на ТА196 или ТА163 (они не импульсные!).

БП с двухполупериодным полу-мостовым выпрямителем.

Рис. 2. Схема БП с двухполупериодным полу-мостовым выпрямителем

Указанный трансформатор можно легко заменить на аналоги с четырьмя одинаковыми вторичными обмотками (например из серий ТАН, ТН, ТПП или ТА).

Вариант с разными линиями питания (для предусилителя, для вентилятора и т. п.).

Рис. 3. Вариант схемы БП с разными линиями питания

Схема собирается на том же трансформаторе.

Автор: RadioRadar

Простой импульсный БП для УМЗЧ » Журнал практической электроники Датагор

↑ Схема импульсного блока питания

Схема достаточно проста:

Она представляет из себя полумостовой инвертор с переключающим насыщаюшимся трансформатором. Конденсаторы С1 и С2 образуют делитель напряжения для одной половины полумоста, а так же сглаживают пульсации сетевого напряжения. Второй половиной полумоста являются транзисторы VT1 и VT2, управляемые переключающим трансформатором Т2. В диагональ моста включена первичная обмотка силового трансформатора Т1, который рассчитан так что он не насыщается во время работы.

Для надёжного запуска преобразователя, применён релаксационный генератор на транзисторе VT3, работающем в лавинном режиме. Кратко принцип его работы. Конденсатор С7 заряжается через резистор R3, при этом напряжение на коллекторе транзистора VT3 пилообразно растёт. При достижении этого напряжения примерно 50 – 70В, транзистор лавинообразно открывается, и конденсатор разряжается через транзистор VT3 на базу транзистора VT2 и обмотку III трансформатора Т2, тем самым запуская преобразователь.

Резисторы

Резисторы все либо советские МЛТ либо зарубежные, достаточно низковаттные. Исключением идут резисторы R16 и R17, номиналом 10 кОм при мощности в 10 Вт, их делают из высокоомной проволоки, которую навивают на каркас.

На схеме

↑ Конструкция и детали ИБП

Блок питания собран на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита. Чертёж платы не привожу, так как у каждого в заначке свои детали. Ограничусь лишь фото своей платы:

По моему, утюжить такую плату не имеет смысла, она слишком простая.

В качестве транзисторов VT1 и VT2 можно применить отечественные КТ812, КТ704, КТ838, КТ839, КТ840, то есть с граничным напряжением коллектор-эмиттер не менее 300В, из импортных знаю только J13007 и J13009, они применяются в компьютерных БП. Диоды можно заменить любыми другими мощными импульсными или с барьером шоттки, я, например, использовал импортные FR302.

Трансформатор Т1

намотан на двух сложенных кольцах К32×19Х7 из феррита марки М2000НМ, первичная обмотка намотана равномерно по всему кольцу и составляет 82 витка провода ПЭВ-1 0,56. Перед намоткой необходимо скруглить острые кромки колец алмазным надфилем или мелкой наждачной бумагой и обмотать слоем фторопластовой ленты, толщиной 0,2 мм, так же нужно обмотать и первичную обмотку. Обмотка III намотана сложенным вдвое проводом ПЭВ-1 0,56 и составляет 16+16 витков с отводом от середины. Обмотка II намотана двумя витками провода МГТФ 0,05, и расположена на свободном от обмотки III месте.

Трансформатор Т2

намотан на кольце К10×6Х5 из феррита той же марки. Все обмотки намотаны проводом МГТФ 0,05. Обмотка I состоит из десяти витков, а обмотки II и III намотаны одновременно в два провода и составляют шесть витков.

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.

↑ Наладка ИБП

ВНИМАНИЕ!!! ПЕРВИЧНЫЕ ЦЕПИ БП НАХОДЯТСЯ ПОД СЕТЕВЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ, ПОЭТОМУ НУЖНО СОБЛЮДАТЬ МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ ПРИ НАЛАДКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ.
Первый запуск блока желательно производить подключив его через токоограничивающий резистор, представляющий из себя лампу накаливания мощностью 200 Вт и напряжением 220 В. Как правило, правильно собранный БП в наладке не нуждается, исключение составляет лишь транзистор VT3. Проверить релаксатор можно подключив эмиттер транзистора к минусовому полюсу. После включения блока, на коллекторе транзистора должны наблюдаться пилообразные импульсы частотой около 5 Гц.

Микросхемы

Плата спроектирована так, что все детали находятся с одной стороны, а микросхемы – с другой, т.е. со стороны дорожек. Между ножками 7 и 14 каждой микросхемы, т.е. между ножками питания можно запаять бумажные конденсаторы на 0,01 мкФ – это улучшит ситуацию с пульсациями.

Полевые транзисторы

Транзисторы могут работать в режиме усиления и ключевом режиме. Предпочтительнее в ключевом режиме применять полевые транзисторы. Полевой транзистор управляется напряжением. Если на исток (место, откуда потечет ток) и сток (куда потечет ток) подать постоянное напряжение, а на управляющий электрод (затвор) — высокочастотное напряжение, то с частотой подачи напряжения на затвор между истоком и стоком потечет ток. Это принцип ключевой схемы. Если использовать два ключа, открываемые затвором каждый в свое непересекающееся время, и подать снятое со стоков напряжение на импульсный трансформатор, то с выхода этого трансформатора можно снять переменное высокочастотное напряжение.

Полевые транзисторы можно брать любые, но устанавливать на радиаторы их нужно обязательно. Если мощность блока 800 Вт, то совсем не обязательно транзистор должен рассеивать 800 Вт. В ключевом режиме транзистор почти не греется, но лучше, чтобы рассеиваемая мощность каждого транзистора была около 100 Вт. Параметры, по которым следует выбирать полевые транзисторы: во-первых, напряжение затвор-исток (>14 В), а во-вторых, напряжение сток-исток (>750 В). При использовании двух транзисторов и трансформатора со средней точкой напряжение на сток — истоке каждого полевика будет равно 2,4*U, т.е. 2,4*310=744 В. Если ставить полевики на Uси=600 В, то разрывает их очень красиво с громким хлопком и взлетом всего кристалла в воздух. По схеме нужно использовать транзисторы КП707В2.

Диоды

Выпрямитель

После трансформатора напряжение выпрямляется на высокочастотном мосту.