В данном разделе представлены блоки питания (сетевые адаптеры) и зарядные устройства, распределенные по следующим подгруппам:
При подборе блока питания для Вашей бытовой аппаратуры (взамен поломанного или утраченного) соблюдайте несколько простых правил:
Информационные знаки, обозначающие полярность питания на круглых разъемах:
Примечание! Во многих случаях незначительная разница (в несколько десятых долей вольта) питающего напряжения не сказывается отрицательно на работе бытовых приборов. В большей степени это касается нестабилизированных блоков питания и блоков с переменным выходным напряжением. Если Вы не можете найти блок питания с «экзотическими» параметрами, то попробуйте применить блок с несколько меньшим напряжением.
Если Вы затрудняетесь самостоятельно подобрать блок питания для Вашего бытового прибора то принесите его и(или) старый неисправный блок питания в наш магазин — продавцы-консультанты будут рады Вам помочь, а также провести проверку на месте.
©Sergey Kitsya (KSV®) 2008г. |
Схема стабилизированного блока питания на ЛМ
Представляем маломощный стабилизированный блок питания с возможностью регулировки напряжения и тока, изготовленный на знаменитой LM317. Себестоимость конструкции копеечная, поскольку все детали, как и стрелочный вольтметр распространенные, покупать ничего не понадобиться скорее всего. Блок питания имеет регулировку напряжения в диапазоне 1,25–30 В. Для охлаждения просверлены вентиляционные отверстия сверху и снизу корпуса, достаточно и этого.
Схема электрическая БП на LM350 (LM317)
Вариант включения микросхемы в качестве стабилизатора тока для зарядного устройства:
Это принципиальная схема, согласно которой сделан блок питания. При желании его можно использовать в качестве зарядного устройства для гелевых аккумуляторов — в этом варианте оно также работает отлично.
Регулировка тока от 300 мА, но этого чаще всего достаточно. Можно преобразовать этот источник питания так, чтобы диапазон регулирования тока составлял от десятка или около того миллиампер. Для этого потребуется увеличить сопротивление резистора R4 до такого значения, чтобы при этом минимальном токе падение напряжения на нем открывало транзистор Т1, или ~ 0,55-0,6 В. Значение этого сопротивления было бы довольно большим и значительно ограничивало бы значение тока и максимальное напряжение.
Например, при резисторе R4 = 33R минимальный ток будет 0,6 В / 33R = 0,018 А, но при 300 мА падение напряжения на этом резисторе составит 0,3 А х 33R = 9,9 В, а потеря мощности 0,3 А х 9,9 В = 3 Вт.
Фактически значение низкоомного резистора будет в пределах между 0,1 и 1 Ом, необходимо помнить, что чем выше ток, тем выше мощность выделяемая на резисторе P = I2хR, и чем выше сопротивление, тем больше падение напряжения и тем выше мощность, выделяемая на резисторе, оптимальное значение 0,5 Ом / 10 Вт. Например 2 подключенных параллельно 1 Ом / 5 Вт, дело в том, что резистор должен нагреваться как можно меньше, чтобы его значение было более стабильным и, следовательно, более стабильный ток на выходе БП.
как он есть (часть 1) (страница 3)
Достоинства закончились, пошли недостатки.Увеличение количества деталей
Стабилизатор напряжения – это отдельное устройство, хоть и весьма простое. На его установку надо затратить (небольшое) количество средств и время на сборку и наладку. Увы, контраргументов нет, придется потратить время и деньги. Поэтому так мало усилителей «низшего ценового диапазона» содержит стабилизатор в блоке питания.
«Изоляция» цепи питания усилителя от сглаживающих конденсаторов
Конденсатор в БП служит для сглаживания выпрямленного напряжения с вторичной обмотки трансформатора. Но, и самому усилителю крайне желательны такие конденсаторы по выводам питания – они усреднят броски тока потребления на пиках громкости. Если в блок питания устанавливается стабилизатор, то он «разъединяет» блок питания с его конденсаторами и сам усилитель. Теперь броски тока потребления усилителя ничем не сглаживаются и протекают через стабилизатор в неизменном виде. Это ужесточает требования к стабилизатору по величине максимального тока. При расчете трансформаторного блока питания, выполненном в предыдущем разделе, были получены следующие цифры:
- Пиковый ток нагрузки блока питания 3.5 А.
- Средний ток нагрузки блока питания 0.83 А.
Является ли это серьезным недостатком? Не думаю, достаточно установить регулирующий транзистор помощнее и всё, дополнительные затраты мизерные. На уровень тепловыделения величина емкости сглаживающих конденсаторов не оказывает влияния – при низкой емкости потребляемый ток будет большой, короткое время, увеличение конденсаторов снизит величину тока, но «растянет» его во времени – итоговый результат будет одним и тем же.
Возможно снижение качества работы усилителя
Усилитель и блок питания — устройства не настолько простые, как кажется на первый взгляд. Добавление стабилизатора не всегда приводит к улучшению работы всего комплекса. На мой взгляд, этому способствуют две проблемы – при разработке схемы забыли учесть повышенное потребление усилителя в переходных процессах, динамические головки обладают некоторой инерционностью и их импеданс может быть существенно меньше сопротивления по постоянному току. Вторая проблема – завышенные требования к качеству стабилизации напряжения питания. Зачастую, в схемотехнике стабилизатора используют интегральные микросхемы, которые обеспечивают высокое качество работы, но могут обладать проблемами с устойчивостью. Кроме того, такие схемные решения очень резко реагируют на превышение тока выше порогового.
Как следствие, желание обеспечить высокие эксплуатационные характеристики стабилизатора оборачивается ухудшением качества работы всего устройства – при эксцессах (резком росте тока нагрузки) выходное напряжение меняется очень резко, что вызывает «удар» по усилителю и каким-либо путем попадает на динамик. Я описал один из возможных вариантов ухудшения качества работы, а их может быть множество, в том числе и банальное «возбуждение» стабилизатора.
На практике мое предположение проверить довольно затруднительно, ведь симуляция или практическая сборка устройства не дадут корректного результата – при его разработке уже будут учтены эти нюансы и дефект не проявится в полной мере. Обращаться же к тем, у кого возникли проблемы после добавления стабилизатора напряжения – это процесс долгий и тернистый. Как мне кажется, для усилителя лучше подходит самый простой стабилизатор, на транзисторах – у него не самое стабильное выходное напряжение, но нет проблем с устойчивостью, да и при перегрузке ограничение/отключение наступает более «мягко».При добавлении стабилизатора напряжение усилителя снижается
Установка стабилизатора снижает напряжение питания усилителя, это особенность работы линейного стабилизатора. Насколько это плохо и «плохо» ли вообще? Принцип работы усилителя класса АВ состоит в подаче на нагрузку тока с положительной или отрицательной цепи питания. То есть, он выполняет функцию того же стабилизатора, только выходное напряжение не фиксированное, а определяется звуковым сигналом.
Возьмем рассматриваемый злосчастный трансформаторный блок питания и оценим уровень громкости, который можно получить с и без стабилизатора. Без оного напряжение питания усилителя меняется от 18 до 12 вольт, в зависимости от уровня выходного напряжения (и сопротивления динамика). Ну, хорошо, если блок питания выдает 18 вольт, то можно ли получить бо́льшую громкость? Увы, чем больше напряжение на выходе усилителя, тем больше ток (сопротивление динамика не сильно меняется от подаваемой мощности).
Возрастание тока уменьшает напряжение на блоке питания и… с чего начали, тем и закончили – повышение напряжения питания усилителя при снижении громкости ничего не дает, редкие «импульсные» сигналы с большим пик-фактором погоды не сделают, первый же удар барабана загонит усилитель в насыщение. Короче говоря, добавление стабилизатора не снижает максимальную громкость (выходное напряжение) усилителя.
Тепло рассеивается не только на выходном каскаде усилителя, но и на стабилизаторе
На максимальной громкости стабилизатор работает с низким падением напряжения вход-выход, практически «закорочен» — этот режим понятен и обсуждать тут особо нечего. А вот при среднем уровне, положим, выходное напряжение усилителя составляет 50% от напряжения питания, уже можно проследить ряд полезных наблюдений.
Возьмем что-то конкретное, а именно два варианта – с питанием усилителя от 16 В (без стабилизатора) и от 12 В (с ним). Выходное напряжение усилителя, скажем, 6 вольт, сопротивление нагрузки (динамика) 4 Ом. В обоих случаях будет течь ток 6/4=1.5 А, из цепи питания в нагрузку. При этом на регулирующих транзисторах будет рассеиваться тепловая мощность, пропорциональная падению напряжения на них.
| Тип блока питания | Падение напряжения на усилителе, В | Падение напряжения на стабилизаторе, В | Рассеиваемая мощность на усилителе, Вт | Рассеиваемая мощность на стабилизаторе, Вт | Полная мощность, Вт |
| Без стабилизатора | 16-6=10 | 0 | 10*1.5=15 | 0 | 15 |
| С стабилизатором | 12-6=6 | 16-12=4 | 6*1.5=9 | 4*1.5=6 | 15 |
Как можно видеть, добавление стабилизатора мало влияет на уровень выделения тепла во всем устройстве. Иначе говоря, его использование не ухудшает технические характеристики всего усилителя. Если говорить о мощности тепловыделения, то установка стабилизатора приводит к некоторому улучшению работы системы отвода тепла. Дело в том, что микросхема усилителя весьма компактна, а пассивный радиатор довольно крупный и протяженный, что увеличивает концентрацию тепла около микросхемы и снижает эффективность отвода через радиатор.
А у стабилизатора есть свой регулирующий транзистор, который можно разместить подальше от микросхемы усилителя, что позволит разнести точки нагрева и сделать работу радиатора более эффективной. Посмотрите таблицу, при среднем уровне громкости, который является «типичным» для музыки, рассеиваемая мощность распределяется как 9 Вт (усилитель) и 6 Вт (стабилизатор), цифры довольно близкие. Короче говоря, введение в блок питания схемы стабилизации приносит пользу и по этому пункту.
Просуммировав всё вышесказанное, можно сделать вывод, что добавление стабилизатора улучшает работу всего комплекса. Негативные моменты в незначительном усложнении схемотехники и удвоении количества сглаживающих конденсаторов – всё это критично только для крайне «бюджетных» случаев.
Однако вернемся к баранам. Повторю схему стабилизатора, приведенную ранее.
Стабилизатор работает следующим образом — цепь R1, R2 и стабилитрон D3 формируют опорное напряжение для схемы стабилизации. Транзистор Q2, совместно с диодом D2, образуют неявный дифференциальный каскад, сравнивающий уровень выходного напряжения и опорного уровня (на стабилитроне D3). Возникающий ток рассогласования усиливается транзистором Q1, который создает ток такой величины, чтобы выходное напряжение сохранялось неизменным. Диод D1 выполняет вспомогательную функцию, о ней чуть позже.
Не знаю, разобрались ли вы со схемой защиты от перегрузки, проверяйте. В схеме нет явно выделенных элементов, ограничивающих предельный ток стабилизатора, для этой функции используется особенность работы полупроводникового транзистора – его ток коллектора зависит от тока базы почти линейно. Значит, ограничив максимальное значение тока базы, можно также ограничить максимальный ток коллектора.
Это ключевой элемент схемы защиты, но у него есть недостаток – предельный ток коллектора немного зависит от величины падения напряжения коллектор-эмиттер и по мере возрастания напряжения так же возрастает ток. Свойство вредное, при коротком замыкании в нагрузке (типичная аварийная ситуация для блока питания) на регулирующем транзисторе будет рассеиваться чрезмерно большая мощность. Для данного примера, с уровнем громкости усилителя 50%, на стабилизаторе рассеивается 6 Вт, что определяет необходимую эффективность (геометрические размеры) радиатора. При коротком замыкании стабилизатор будет пытаться обеспечивать максимальный ток (3.5-4 А) от блока питания и его рассеиваемая мощность превысит 20 Вт. Причем, на максимальном токе продолжительное время окажутся все элементы блока питания – и трансформатор и выпрямительные диоды. Ни тот, ни другие на подобное не рассчитаны и последствия… могут быть разными. Отсюда вывод – «банальное» ограничение тока не спасает блок питания от деструктивных последствий перегрузки, надо что-то еще, поумнее.
Наверно, полезно было бы обеспечить снижение предельного уровня тока при уменьшении выходного напряжения, тогда рассеиваемая мощность на регулирующем транзисторе не окажется слишком большой, а уровень тока потребления от блока питания не вызовет проблем с нагревом трансформатора и диодов. Как это реализовать? Величина тока базы регулирующего транзистора (Q1) определяется током коллектора транзистора сравнения (Q2) дифкаскада, который не может быть больше тока, протекающего через резистор R3.
Вот это и есть ключевой элемент схемы ограничения – величина тока через него, умноженная на коэффициент усиления транзистора Q1, задает величину ограничения выходного тока. Но, ток через резистор R3 напрямую зависит от величины опорного напряжения. Если при перегрузке снижать опорное напряжение, то выходной ток также будет снижаться. Вот тут становится понятен смысл установки диода D1 – он уменьшает величину опорного напряжения при перегрузке, шунтируя стабилитрон D3. Эффективность такого решения можно посмотреть на нагрузочной характеристике:
Синий график – схема без диода D1, красный – полный вариант.Без диода схема ограничивает уровень тока, но весьма неактивно – по мере снижения величины нагрузочного сопротивления ток нагрузки немного возрастает и становится примерно 4.2 ампера на коротком замыкании. Полная схема обладает совсем другими характеристиками, по мере уменьшения нагрузочного сопротивления снижается величина выходного тока. При коротком замыкании ток стабилизатора минимален, около 0.5 ампера, и не вызывает каких-либо серьезных последствий.
Возможно, у вас может возникнуть мысль – а зачем оставлять так много, лучше же снижать ток еще ниже, к чему пустое рассеивание мощности? Дело в том, что дальнейшее снижение уровня тока при коротком замыкании вызовет трудности и с устойчивостью, и с качеством выхода стабилизатора на нормальный режим после устранения перегрузки. Обычно, аппаратура, которая запитывается от БП, хоть немного, но потребляет при сниженном напряжении питания, поэтому необходимо обеспечить небольшой ток на начальной стадии выхода из режима перегрузки, когда напряжение на выходе еще не вышло на номинальный режим. Альтернативой этому приему будет введение триггера и кнопки сброса защиты после перегрузки – не самое изящное решение, особенно для усилителя.
Рассмотрим нагрузочную характеристику стабилизатора более подробно. Из-за больших перепадов напряжения предыдущая картинка для этого не подходит, интересует диапазон тока нагрузки «до» момента срабатывания защиты, а потому стоит выделить диапазон напряжений 11.5-12.5 В.
Графики приводятся для трех случаев напряжения питания стабилизатора:- Красный = 12.5 В.
- Зеленый = 13.5 В.
- Синий = 14.5 В.
Второй и третий график ведут себя примерно одинаково, а вот первый (12.5 В) кроме небольшого снижения напряжения также снизил и максимальный уровень тока. Но вспомним о величинах напряжений – стабилизатор запитывается от 12.5 В и формирует на выходе 12 В, падение вход-выход всего лишь 0.5 вольта! Это хороший результат, а с учетом простоты схемного решения — очень хороший. Качество стабилизации вполне соответствует работе с усилителем низкой частоты – напряжение питания довольно стабильное, минимальное падение напряжения на стабилизаторе довольно низкое.
В схеме присутствует конденсатор C1 и «зачем-то» резистор задания тока стабилитрона разделен на два (R1 и R2). Такое схемное решение стабилизирует ток стабилитрона D3 при изменении входного напряжения, что обеспечивает крайне низкий уровень пульсаций выходного напряжения стабилизатора вплоть до полного насыщения регулирующего транзистора. Моделирование показало уровень пульсаций 13 мВ для тока нагрузки 1 ампер и изменение входного напряжения в интервале 12.3-16.3 В с частотой 100 Гц. При этом минимальное напряжение вход-выход стабилизатора составляло 0.3 вольта.
Положим, необходим стабилизатор с выходным напряжением 12 вольт. Данная схема считается «с конца», от величины тока ограничения. Из описания микросхемы TDA2005 следует, что максимальный ток потребления может быть 3.5 ампера. С одной стороны, стабилизатор должен обладать некоторым запасом по порогу защиты и его следует отодвинуть на 15-30 процентов в большую сторону. С другой – после стабилизатора все равно придется установить сглаживающий конденсатор, иначе усилитель может возбудиться. Дополнительный конденсатор снизит девиацию тока, поэтому предельный ток окажется меньше 3.5 ампер. Первое и второе ограничение взаимно компенсируются, остановимся на цифре «3.5А».
Предельный ток оговорен, но здесь сразу потребуется другой параметр – величина коэффициента усиления регулирующего транзистора. В качестве последнего может применяться любой pnp транзистор с достаточным предельным напряжением и рабочим током. Для данного случая это 22 вольта (максимальное напряжение на сглаживающем конденсаторе) и 3.5 ампера (ток нагрузки). Если посмотреть продукцию фирмы Fairchild по обычным pnp транзисторам в корпусе TO-220, то подходящими будут следующие кандидаты:Возьмем первый вариант, у него рабочий ток побольше, а цена та же, что и у второго транзистора. Третий вариант вызывает сомнения, предельный ток 3.5 ампера, а у него нормируется только 4 А – на больших токах могут быть проблемы. Итак, берем MJE2955T.
Для начала смотрим на коэффициент усиления транзистора в схеме ОЭ:
Порядок анализа такой – на левой картинке идем вверх от тока 3.5 А до графика, а затем влево до оси hFe. В моем случае получается 37, транзистор с таким коэффициентом усиления при токе коллектора 3.5 ампера. По правой картинке можно определить напряжение насыщения транзистора, методика та же – от тока вверх и влево, получается 0.28 В. Много или мало, подходящий ли это транзистор?
Соберем данные по всем трем моделям транзисторов, для тока коллектора 3.5 ампера:| Наименование | Коэффициент усиления | Напряжение насыщения, В |
| MJE2955T | 37 | 0.28 |
| BD244 | 45 | 0.22 |
| KSB596 | 35 | 1.5 |
По коэффициенту усиления все три транзистора обладают близкими характеристиками, а вот напряжение насыщения расставляет всё по своим местам – транзисторы с запасом по предельному току показывают схожие результаты, последний же кандидат «с треском» провалил тест, 1.5 вольта ни в какие ворота не лезет. Если установить его в схему, то минимальное напряжение вход-выход составит 1.5 вольта, что неприемлемо для моделируемого блока питания. Терять 1.5 вольта «просто так» – непозволительная роскошь.
Вывод – всегда используйте транзистор с запасом по току в 1.5-2 раза, иначе ухудшения характеристик не избежать.
Итак, коэффициент усиления транзистора известен (37), отсюда можно сразу вычислить предельный ток базы регулирующего транзистора Q1, он будет равен 3.5/37=0.1 А. Этот ток определяется величиной резистора R3 и напряжением на нем, которое составляет величину выходного напряжения минус падение на диоде D2 (0.6 В).
Формула расчета резистора простая, R=V/I, что для случая R3 составит (12-0.6)/0.1=114 Ом. При продумывании схемы надо пользоваться стандартными рядами номиналов, и лучше выбирать из набора с меньшим номером, скажем E6 – это снизит количество типономиналов в схеме и упростит приобретение компонентов.Ряды выглядят следующим образом:
| E24 | 1 | 1.1 | 1.2 | 1.3 | 1.5 | 1.6 | 1.8 | 2 | 2.2 | 2.4 | 2.7 | 3 |
| 3.3 | 3.6 | 3.9 | 4.3 | 4.7 | 5.1 | 5.6 | 6.2 | 6.8 | 7.5 | 8.2 | 9.1 | |
| E12 | 1 | — | 1.2 | — | 1.5 | — | 1.8 | — | 2.2 | — | 2.7 | - |
| 3.3 | — | 3.9 | — | 4.7 | — | 5.6 | — | 6.8 | — | 8.2 | - | |
| E6 | 1 | — | — | — | 1.5 | — | — | — | 2.2 | — | — | - |
| 3.3 | — | — | — | 4.7 | — | — | — | 6.8 | — | — | — |
К слову, лично я стараюсь пользоваться рядом E3 (1, 2.2, 4.7), это позволяет обходиться небольшой кассетой резисторов, что особо ценно при SMD решениях.
Величину сопротивления 114 Ом можно выбрать как 110 Ом (ряд Е24) или 100 Ом (ряды Е6-E24). Если остановиться на 110, это потребует поиска резистора с точностью не хуже 5%, ведь номер ряда соответствует точности компонента, элементы с пониженной точностью не выпускаются с мелким шагом номиналов. Чтобы избежать глупых проблем с приобретением, можно уже на стадии разработки устройства использовать ряды с низким номером.
Итак, R3=100 Ом. Несколько меньший номинал означает чуть больший порог токовой защиты, что не существенно. В схеме моделирования использован несколько другой транзистор и номинал резистора R3 (75 Ом) не соответствует вычисленному, однако весьма близок – это нормально. Кроме того, никто не мешает после сборки схемы подобрать номинал резистора для получения нужной величины тока ограничения.Номинальная мощность резистора вычисляется из рабочего напряжения на нем и его сопротивления. Это будет V*V/R или 11.4*11.4/100=1.3 Вт. На данном резисторе всегда рассеивается эта мощность, поэтому необходимо использовать резистор с габаритной мощностью в полтора-два раза больше, то есть 2 Вт. Увы, данная схема содержит в себе серьезный недостаток – повышенную мощность, рассеиваемую на токозадающем резисторе. Если параметр тепловыделения становится критичным, то транзистор Q1 следует заменить на составной.
Причем, лучше использовать не «готовый» составной транзистор или набор из двух одинаковой проводимости, а применить связку из pnp и npn – при этом получается меньшее падение напряжения (0.7 В против 1.2 В). Как правило, мощность токозадающего резистора становится критичной при повышенном входном напряжении (20-60 вольт и выше), поэтому немного возросшее минимальное падение вход-выход никого не будет беспокоить.
Следующий шаг – подбор транзистора Q2. К нему требования гораздо мягче – напряжение то же (22 В), а ток равен току базы транзистора Q1, 0.1 А (проводимость npn). Под такое описание попадает множество транзисторов, да хоть BC237. «Множество» – это хорошо, но не забывайте рассчитывать рассеиваемую мощность на компонентах. Для данного случая на транзисторе Q2 падает напряжение Vin-Vout.
Из всех характеристик интересует hFe транзистора и для BC237 он составляет 100. Это означает, что максимальный ток базы транзистора Q2 будет в сто раз меньше его тока коллектора или 0.1/100=1 мА.
Следующий шаг – выбор стабилитрона и резисторов, задающий ток через него.
Для 12 вольт задача простая – стабилитроны на это напряжение весьма распространены. Если необходимо получить больше 12 В, то можно использовать несколько стабилитронов (даже с различным номинальным напряжением), включив их последовательно. Для коррекции на небольшую величину, 0.6-1.2 вольта, можно воспользоваться кремниевыми диодами в прямом включении.
От примененного стабилитрона зависит величина минимального и максимального токов через него. Из критерия этих токов и тока базы транзистора Q2 (1 мА) выбирается номинал резистора, формирующего ток через стабилитрон. В данной схеме резистор разделен на два, R1 и R2. Сделано это для того, чтобы устранить изменение тока стабилитрона от пульсаций входного напряжения. Обычно стабилитроны сохраняют рабочие параметры при токе не меньше 0.5 мА и не больше 20 мА – в этот диапазон и надо уложиться. С учетом тока базы Q2 рамки сдвигаются на 1 мА и становятся 1.5-21 мА. Минимальное входное напряжение стабилизатора получается при высоком токе нагрузки, что означает повышенный уровень пульсаций напряжения питания, скажем +/-1 В. Методика расчета конденсатора и пульсаций напряжения от тока нагрузки рассмотрена ранее.
Итак, напряжение насыщения регулирующего транзистора 0.28 вольта, еще 1 вольт уходит на пульсации, значит минимальное среднее входное напряжение составит 12+0.28+1=13.28 В. Наименьший ток через ограничительный резистор определяется минимальным напряжением (минус выходное 12 В), отсюда можно вычислить величину резисторов R1+R2: (13.28-12)/1.5=850 Ом. То есть каждый резистор номиналом 850/2=470 Ом (ряд Е6). После этого надо проверить, что через стабилитрон не пойдет слишком большой ток при повышении входного напряжения до 22 вольт. На стабилитроне напряжение 12 вольт, входное 22 В, резистор 470 Ом *2. Величина тока составит (22-12)/(470*2)=10.6 мА. С учетом того, что в базу транзистора Q2 пойдет какой-то ток, да и «20 мА» были взяты с потолка, полученные 10.6 мА являются приемлемым результатом.
Дополнительная характеристика к резисторам R1 и R2 – мощность. В случае короткого замыкания на них приходится всё входное напряжение, отсюда можно вычислить их мощность: V*V/R = (22 В * 22 В) / (470 Ом *2) = 0.51 Вт. То есть необходимо использовать резисторы R1 и R2 с мощностью исполнения не хуже 0.25 Вт. В обычном режиме на них будет рассеиваться значительно меньшая мощность, поэтому для этих резисторов случай срабатывания защиты от перегрузки можно рассматривать без запаса по мощности.
Остался пустяк, выбор двух диодов. Требования по напряжению для них одинаковые, не меньше максимального входного напряжения (22 В), что достигается для (почти) всех диодов обычного применения. Требования по уровню тока для D1 и D2 различаются. Диод D1 работает с током, идущим через резисторы R1+R2, и с небольшой величиной — максимальное входное напряжение 22 В, номинал резисторов R1+R2 составляет 470 Ом *2, получается ток 22/(470*2)=23 мА. С подобной величиной тока способны работать все диоды обычного применения. Поставить можно что угодно, самое распространенное, скажем 1N4148. По диоду D2 требования аналогичные, но работает он на резистор R3 и его ток постоянен, не зависит от величины входного напряжения. Ток резистора R3 вычислен ранее, 0.1 А, это же требование и для диода D2. На 0.1 ампера допустимо использовать тот же 1N4148. То есть в схеме можно применить два одинаковых диода, что упрощает сборку.
Рассчитаны все компоненты, остался конденсатор С1. Его емкость определяет уровень пульсаций выходного напряжения. Чем он больше, тем лучше, но тем дольше стабилизатор будет устанавливать выходное напряжение при включении. Я не знаю, как ваша аппаратура относится к скорости появления напряжения и насколько это критично. Для усилителя плавное появление напряжения питания может уменьшить величину или заметность щелчка при включении, а может привести к его кратковременному самовозбуждению на начальной стадии подачи напряжения. Так что, четких рекомендаций дать нельзя.
Но обычно скорость нарастания напряжения питания вообще никак не сказывается на работе усилителя. Если ограничений по низкой скорости нет, то номинал конденсатора С1 должен быть такой, чтобы постоянная времени R*C была больше периода пульсаций. Для данной схемы в качестве «R» выступают резисторы R1 и R2. Обратите внимание, для конденсатора С1 их включение параллельное. Частота пульсаций трансформаторного блока питания равна удвоенной частоте сети или 100 Гц (10 мс).
Итак, R1|R2 * С1 должно быть больше 10 мс, или (470/2) * С1 > 10 мс.
C1 > 10 мс/(470/2)=42 мкФ. В схеме использован конденсатор 47 мкФ (рекомендация – используйте ряд E6), но можно было поставить и 68-100-220 мкФ, уровень пульсаций оказался бы еще меньше.
Данное схемное решение стабилизатора не требует обязательного наличия выходного конденсатора, в нём нет элементов с большим коэффициентом усиления, но он необходим для нормальной работы усилителя. Поэтому не забудьте установить конденсатор нужной величины на плату усилителя. Его величина и требования определяются рекомендациями на микросхему усилителя.
*Вместо заключения.
В качестве завершении темы трансформаторного блока питания и стабилизатора хочу привести еще одно применение данного трансформатора и приложенной идеологии – зарядное устройство для кислотного аккумулятора.
Начальная часть не нарисована, используется тот же трансформатор и диодный мост с конденсатором. Особенность этой схемы в том, что выходное напряжение можно подстраивать резистором R4 для установки 14.2 вольт, необходимой цепи заряда. Верхняя часть схемы представляет собой обычный стабилизатор с током ограничения 2 А, нижняя – схема ограничения тока заряда (элементы F5, F6) и индикация уровня на двухцветном светодиоде. Устройство спроектировано для работы с аккумулятором в «буферном» режиме в блоке бесперебойного питания.
Продолжение следует…
Serj
Стабилизированный блок питания радиолюбителя | Все своими руками
В статье будет рассмотрена схема несложного, регулируемого блока питания со стабилизированным выходным напряжением и имеющим защиту от превышения тока нагрузки. Вся информация выводится на светодиодный индикатор.
Схема устройства измерения и индикации показана на рисунке 1.
Схема самого стабилизатора с сетевым трансформатором показана на рисунке 2.
Вообще это половина двухполярного блока питания, внешний вид, которого показан на фото 1. Это экспериментальный вариант одной из разработок блока питания для радиокружка, для юных «радиогубителей».
Поэтому в этом устройстве стабилизаторы одинаковые, а схемы защиты и индикации разные. Можно сказать, что здесь в одном корпусе два блока питания, не имеющие гальванической связи, т.е. они не имеют общей «земли». Если поставить перемычку на клеммы 1 и 2, то на верхних клеммах мы получим сумму выходных напряжений обоих стабилизаторов. А если общим проводом назначить перемычку, то получим двухполярный блок питания – ±14В. Пока рассмотрим правый блок питания со светодиодными индикаторами.
Работа схемы
После подачи напряжения сети на первичную обмотку сетевого трансформатора, на его вторичной обмотке появится напряжение порядка 15 вольт. После выпрямления и фильтрации постоянное напряжение на конденсаторе С1 уже будет равно амплитудному значению выходного напряжения вторичной обмотки трансформатора, это где то 23 вольта. Это напряжение через контакт 3 разъема Х1 подается на схему измерения и индикации, где запитывает микросхему DA1 и DA2. Микросхема DA2 является стабилизатором напряжения питания +5 вольт микроконтроллера PIC16F873A. При появлении этого напряжения запускается программа, записанная в данный контроллер. И при первом включении, первым делом, проверяет положение ручки регулятора R5, с помощью которого устанавливается необходимая величина тока защиты. Если при включении блока питания эта ручка не была на «0»(в нижнем положении по схеме), то на среднем индикаторе вы увидите три тире. Смотрим фото ниже.
В этом случае микроконтроллер не даст сигнал на включение стабилизатора. Этот сигнал снимается с вывода 6 – RA4 микроконтроллера и через контакт 4 разъема Х1, диод VD2 и ограничительный резистор R1 схемы стабилизатора подается на вывод 9 включения микросхемы К157ХП2. Для включения стабилизатора необходимо вывести регулятор тока защиты в «0». После этого включится стабилизатор и индикация. На верхнем индикаторе будет индицироваться ток нагрузки, на среднем – выставленный вами уровень тока отсечки защиты, на нижнем индикаторе отображается выходное напряжение. Выходное напряжение блока питания выставляется с помощью переменного резистора R4 рисунок 2. После включения стабилизатора, в процессе работы с блоком питания, с помощью переменного резистора R5 – «Ток защиты», можно будет оперативно выключать и включать стабилизатор, выводя его в ноль и обратно до нужного тока защиты. При этом в выключенном состоянии напряжение на выходе блока питания будет практически равно нулю, в моем случае оно было на уровне +0,017В. На микросхеме DA1.1 и транзисторе VT1, рисунок 1, реализован преобразователь ток – напряжение. Датчиком тока служит резистор R3 – рисунок 2. Коэффициент передачи данного преобразователя можно приближенного рассчитать следующим образом – R5 (рис.2)умножаем на R2 (рис.1), делим на R1 (рис.1) и умножаем на ток нагрузки. В итоге получаем напряжение на R2 — выходе преобразователя соответствующее определенному току нагрузки. Выбирая соответствующим образом величины этих резисторов. Мы можем выбрать любой нужный нам коэффициент передачи.
На ОУ микросхемы DA1.2 собран компаратор напряжений – схема защиты от превышения тока нагрузки. На инвертирующий вход ОУ – вывод 6 DA1.2 подается опорное напряжение с резистора установки тока защиты R5, это же напряжение подается на один из входов АЦП — вывод 3 RA1 DD1. После оцифровки значение этого напряжения (значение тока защиты) выводится на индикатор. На неинвертирующий вход, вывод 5 DA1.2 подается напряжение с преобразователя ток-напряжение, соответствующее определенному току нагрузки. При работе блока питания в штатном режиме напряжение на выходе преобразователя меньше, чем напряжение опорное. И на выходе DA1.2 напряжение практически равно нолю. Как только напряжение на выходе преобразователя станет больше напряжения опорного, сработает компаратор и на его выходе появится напряжение близкое к напряжению питания микросхемы DA1. Чтобы согласовать уровень выходного сигнала микросхемы DA1.2 с входом микроконтроллера, в схему введен параметрический стабилизатор, реализованный на резисторе R10 и стабилитроне VD3, снижающий величину сигнала перегрузки до пяти вольт. Подпрограмма защиты по току микроконтроллера реализована на прерывании. Т.е. при появлении сигнала на выводе 21 RB0 DD1 контроллер прерывает исполнение основной программы и выполняет подпрограмму прерывания. Сразу же выключает стабилизатор — сбрасывает «1» включения стабилизатора на «0» на выводе 6 DD1. Гасит верхний и нижний индикаторы. А на среднем, выводит три английские буквы Р. В этом случае, на выходе напряжение будет практически равно нолю. Смотрим фото ниже.
В рабочее состояние блок питания возвращается опять же сбросом резистора R5 до нуля и выставлением необходимого уровня тока защиты.
Теперь немного о нюансах работы схемы. Вкратце. У микросхемы К157ХП2 есть собственная защита от превышения максимального тока нагрузки. Так, вот. Если вы устроите КЗ выходу блока питания, то первой, иногда, в определенных режимах, может сработать, как раз внутренняя схема защиты микросхемы, так как ее быстродействие выше, и ограничит напряжение на выходе на уровне, примерно 0,6 вольта и ток КЗ при этом зафиксируется на уровне 1А. Еще один нюанс, величина остаточного выходного напряжения и ток короткого замыкания зависят от длины проводов от БП до КЗ. Можно конечно увеличить быстродействие и нашей защиты, убрав конденсатор фильтра С3 рисунок 1, но тогда могут появиться проблемы с подключением емкостной нагрузки. Ток заряда постоянно будет уводить БП в перегрузку, возможен «дребезг» младшего разряда индикатора тока из-за всевозможных помех и наводок, так как ОУ DA1.1 работает с большим коэффициентом усиления.
Детали
Сетевой трансформатор – перемотанный трансформатор от ТВ – ТС180. Вы можете пересчитать обмотки трансформатора и на другое выходное напряжение блока питания, но не забывайте, что максимальное напряжение питания LM358 – всего 32 вольта. Отсюда напряжение вторичной обмотки должно быть не более 32В/1,41 ≈ 22В. Емкость конденсатора фильтра С1 рис.2 выбирается из соображения 2000 микрофарад на один ампер тока нагрузки. Диодный мост – любой соответствующий вашему току потребления, умноженному на два. Индикаторы любые с общим катодом. Микроконтроллер можно заменить, без каких либо изменений, на PIC16F876A.
Да, выходное сопротивление моего БП при напряжении выхода 14 вольт и токе нагрузки 3 ампера равно 1 миллиОм.
Успехов. К.В.Ю.
Скачать “Стабилизированный-блок-питания-радиолюбителя” Стабилизированный-блок-питания-радиолюбителя.rar – Загружено 195 раз – 358 KB
Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».
Просмотров:984
Стабилизированный блок питания УМЗЧ часть 1
Электропитание
Главная Радиолюбителю Электропитание
Современные УМЗЧ, обладая внушительной пиковой выходной мощностью, доходящей порой до 200 Вт, предъявляют довольно жёсткие требования к своему источнику питания. Для них, как правило, необходимо двухполярное напряжение 2 X (30…40) В при пиковом токе до 10 А в каждом плече. Обычно в выпрямителе применяют сглаживающие конденсаторы большой ёмкости, доходящей до 20000 мкФ и более. Но даже с ними просадки выпрямленного напряжения при пиковом токе нагрузки достигают 2…3 В, что требует от УМЗЧ высокого коэффициента подавления пульсаций напряжения питания. Автор предлагает оснастить блок питания УМЗЧ стабилизатором, обеспечивающим нужное качество питающего напряжения.
В последнее время в любительских конструкциях УМЗЧ всё чаще располагают выпрямитель и блок конденсаторов большой ёмкости на плате усилителя, уменьшая этим длину соединительных проводов и падение напряжения на них. Иногда от блока питания требуют, чтобы при включении напряжение на его выходах нарастало плавно (так называемый «мягкий старт»). При возникновении различных аварийных ситуаций, например, замыкании в нагрузке УМЗЧ, неисправности его выходных транзисторов и других перегрузках питание УМЗЧ должно быть автоматически выключено. Решить все эти задачи позволяет предлагаемый стабилизатор напряжения питания.
Основные технические характеристики
Выходное стабилизированное напряжение, В………..2×35
Максимальный ток нагрузки каждого плеча, А……………. 9
Ток срабатывания триггерной защиты, А……………..11
Полное время срабатывания защиты, мкс ……………….12
Время нарастания выходного напряжения от нуля до номинального значения, с……0,36
Размах пульсаций частотой 100 Гц на выходе стабилизатора при токе нагрузки 5 А, мкВ…………….80
За основу конструкции было взято устройство из статьи «Стабилизатор напряжения питания УМЗЧ» В. Орешкина («Радио», 1987, № 8, с. 31), схема которого показана на рис. 1. Несмотря на простоту и высокие технические данные (коэффициент стабилизации более 1000, автоматическое выключение при замыкании выхода, возможность крепления силовых транзисторов непосредственно на теплоотвод без прокладок), такому стабилизатору присущи и некоторые недостатки. Он неустойчиво запускается при большом токе нагрузки, а ток при замыкании выхода не нормирован и зависит от коэффициентов передачи применённых транзисторов, что иногда приводит к их выходу из строя.
Рис. 1. Схема стабилизатора напряжения питания УМЗЧ
За прошедшее время появились новые электронные компоненты, стали доступны мощные полевые транзисторы, что и подвигло автора поэкспериментировать с компьютерной моделью предложенного В. Орешкиным устройства, которая была создана в симуляторе LTspice IV, и усовершенствовать его. Родившаяся в результате таких экспериментов схема блока питания изображена на рис. 2.
Рис. 2. Схема блока питания
Первым делом была изменена цепь запуска стабилизатора, а биполярные транзисторы были заменены полевыми. Из схемы, представленной на рис. 1, видно, что транзистор VT2 зашунтирован резистором R3 сопротивлением 470 Ом, через который протекает начальный ток зарядки конденсатора C2. Если нагрузка невелика, выходное напряжение начинает возрастать, пока стабилизатор не войдёт в режим стабилизации. При токе нагрузки менее I=Uвых/R3=19/470=40 мА, когда транзистор VT2 практически закрыт, все пульсации выпрямленного напряжения через резистор R3 проходят в минусовое плечо. При малом сопротивлении нагрузки тока через этот резистор может не хватить для нормального запуска стабилизатора, он может вообще не запуститься.
В новом варианте цепь запуска состоит из стабилитрона VD11 и резистора R22 в одном плече и VD12 с R23 во втором (для симметрии). В процессе включения по достижении значения напряжения на сглаживающих конденсаторах C7-C10, равного напряжению стабилизации стабилитронов VD11 и VD12, транзисторы VT 11.1 и VT11.2 начинают открываться. Вслед за ними открываются и силовые транзисторы VT9 и VT10. Напряжение на выходе стабилизатора нарастает, а напряжение между истоком и стоком транзисторов VT9 и VT10 уменьшается. Когда напряжение на стабилитронах VD11 и VD12 опустится ниже их напряжения стабилизации, ток через эти стабилитроны прекратится. Далее они не влияют на работу стабилизатора. Такой способ запуска надёжен даже при токе нагрузки 9 А. Минимальный ток нагрузки практически равен нулю.
Выходное напряжение плюсового плеча стабилизатора равно сумме напряжений стабилизации стабилитронов VD13, VD15 и напряжения отсечки транзистора VT11.1, а минусового плеча — соответственно стабилитронов VD14, VD16 и транзистора VT11.2. Для плавного запуска стабилизатора оказалось достаточно зашунтировать стабилитроны VD13-VD16 конденсаторами C23-C26. Скорость изменения выходного напряжения до начала стабилизации равна скорости нарастания напряжения на этих конденсаторах. При указанных на схеме номиналах элементов время выхода стабилизатора на режим — около 360 мс. Осциллограммы процесса его запуска, полученные на компьютерной модели, показаны на рис. 3.
Рис. 3. Осциллограммы процесса запуска
Для уменьшения рассеиваемой на транзисторах VT9 и VT10 мощности истоки транзисторов VT 11.1 и VT 11.2 соединены не с общим проводом, а с точками соединения стабилитронов и резисторов (соответственно VD15, R29 и VD16, R30). Поэтому потенциалы истоков транзисторов VT11.1 и VT11.2 равны напряжению стабилизации соответствующих стабилитронов (6,2 В по абсолютному значению). Это позволяет изменять управляющее напряжение на затворах транзисторов VT9 и VT10 не до 0 В, как в прототипе, а до плюс или минус 6 В. При этом напряжение между истоком и стоком этих транзисторов на пиках пульсаций может падать до 3 В и ниже без выхода из режима стабилизации.
Сказанное иллюстрируют полученные компьютерным моделированием осциллограммы на рис. 4. Зелёная — напряжение на истоке транзистора VT10, синяя — напряжение на его затворе, красная — напряжение на истоке транзистора VT11.2 (6,2 В), голубая — ток нагрузки минусового плеча. Видно, что напряжение на затворе транзистора VT10 лежит приблизительно посередине между напряжением на его истоке и на истоке транзистора VT11.2, а иногда опускается ниже 3 В.
Рис. 4. Осциллограммы
В стабилизатор добавлена триггерная защита по току, срабатывающая при превышении током нагрузки любой ветви стабилизатора значения 11 А. Она построена на транзисторах VT3, VT5, VT7 в плюсовом плече и VT4, VT6, VT8 — в минусовом. Датчиками тока служат резисторы R11-R14, соединённые попарно параллельно. Защита срабатывает при падении напряжения на любой из пар резисторов более 0,5…0,6 В, что соответствует текущему через них току 11…12 А.
По достижении этого порога лавинообразно открываются транзисторы триггерных ячеек VT3VT5 или VT4VT6 и соответственно транзисторы VT7 и VT8. Последние, открывшись, шунтируют стабилитроны VD13 и VD14, резко понижая этим выходное напряжение. Резисторы R21 и R24 ограничивают ток коллектора транзисторов при разрядке конденсаторов, включённых параллельно стабилитронам. Светодиоды HL1 и HL2 в базовых цепях транзисторов VT7 и VT8 сигнализируют о срабатывании защиты. Ток через них при этом не превышает 6 мА.
Конденсаторы С19 и С20 совместно с резисторами R17 и R18 образуют фильтры нижних частот, повышающие помехоустойчивость системы защиты. Увеличивать номиналы этих конденсаторов свыше 4700 пФ нежелательно, поскольку это увеличит время срабатывания защиты и пиковые токи через транзисторы VT9 и VT10. Чтобы защита срабатывала одновременно в обоих плечах стабилизатора, предусмотрена связь между триггерными ячейками через конденсаторы C21 и C22.
После срабатывания защиты транзисторы VT9 и VT10 остаются закрытыми до отключения устройства от питающей сети. Транзисторы триггерных ячеек закроются, а светодиоды HL1 и HL2 погаснут лишь после разрядки сглаживающих конденсаторов С7-С10. Остаётся одна проблема — обеспечить быструю разрядку сглаживающих конденсаторов после отключения. Её решают узлы на транзисторах VT1 и VT2, одинаковые в обоих каналах. Поэтому рассмотрим только узел, установленный в плюсовом канале.
При включении устройства в сеть конденсатор C17 заряжается через диод VD9 до напряжения, примерно равного амплитуде напряжения, поступающего с обмотки II трансформатора T1. Конденсатор С15 заряжается через резистор R5 и разряжается через диоды VD3, VD4 и диодный мост VD1. Потенциал затвора транзистора VT1 становится равным потенциалу его истока или даже немного ниже, поэтому транзистор закрыт. Закрытое состояние транзистора VT1 сохраняется на протяжении всего времени, пока подано напряжение питания. После его выключения диоды VD3 и VD4 закрываются. Напряжение затвор-исток транзистора благодаря резистору R5 возрастает до напряжения стабилизации стабилитрона VD7. Открывшись, транзистор VT1 подключает резисторы R3 и R7 параллельно конденсаторам C7 и С8, ускоряя их разрядку. Длительность разрядки сокращается до 10…20 с при пиковом значении разрядного тока 780 мА, вполне допустимого для используемых транзисторов.
Продолжение следует…
Автор: М. Муравцев, г. Ташкент, Узбекистан
Дата публикации: 26.02.2017
Рекомендуем к данному материалу …
Мнения читателей
- Олександр / 05.03.2017 — 16:25
Спасибо,очень приятно даже просто прочитать речь делового человека. Хотел бы еще и с другими статьями ознакомиться автора М.Муравцева. Чувствую родственную душу. Малюсенькое окошко кода на изображении, неразборчивый рисунок.
Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:
как он есть (часть 1) (страница 2)
Максимальное напряжение питания
У приведенных микросхем наличествует один и тот же предел по напряжению питания, что удивительно однообразно – а значит, и типично. Их максимальное рабочее напряжение — 18 вольт. Если вспомнить о том, что микросхемы усилителей разрабатывались для работы в автомобиле, то цифра «18 В» становится понятной. В блоке питания самое большое напряжение получается при минимальном токе нагрузки, что для перечисленных микросхем находится в диапазоне 80-190 мА.
При выполнении расчетов можно учитывать этот ток, но он более чем «на порядок» меньше номинального/максимального токов нагрузки, а потому про него можно забыть. В качестве выпрямительного узла будет применен мостовой выпрямитель, ведь требуется получить однополярный выход, поэтому «полумостовой» вариант рассмотрим несколько позже.
Итак, начинаем считать с конца цепочки — выходное напряжение не более 18 вольт, это четко определено в спецификации микросхем и нарушение чревато неприятными последствиями. Выпрямительный узел собран на «мосте», что означает удвоенное падение напряжения, по сравнению с одним диодом, они работают «парами». На обычном кремниевом диоде при небольшом токе падает порядка 0.6 вольта. Значит, до выпрямительного узла напряжение может быть на 0.6*2=1.2 вольта больше, или 18+1.2=19.2 В. Логика рассуждений понятна? В данном случае четко определено максимальное напряжение на выходе, ограниченное по микросхеме усилителя. Выходное напряжение получается после:
- Выпрямительного узла.
- Трансформатора.
Выходное напряжение трансформатора
Технические данные трансформатора нормируются для режима нормальной работы, следовательно, указание «12 вольт» соответствует выходному напряжению с током нагрузки номинальной величины. А что происходит без нагрузки? У обмоток трансформатора вполне конечное сопротивление и при подключении нагрузки на них начинает теряться мощность, что снижает выходное напряжение. Вполне понятно как влияет сопротивление вторичной обмотки – его легко измерить и на ней падает напряжение, пропорциональное току нагрузки. А первичная обмотка, разве ее сопротивление ничего не значит?
Увы, через обмотку течет ток и её внутреннее сопротивление снижает входное напряжение. При вычислениях проще всего перевести сопротивление первичной обмотки к выходной, пересчитав сопротивление обратно пропорционально квадрату коэффициента трансформации. Для данного примера входное напряжение трансформатора 220 вольт, выходное (без нагрузки) 13.8, что задает коэффициент трансформации 220/13.8=16. Сопротивление первичной обмотки 144 Ом, для перевода на вторичную обмотку это число надо поделить на квадрат коэффициента трансформации, или 144/(16*16)=0.56 Ом. Много или мало? Сопротивление вторичной обмотки 0.7 Ома, что немного выше «приведенного» сопротивления первичной обмотки (0.56 Ом), что правильно – чаще всего вторичная обмотка наматывается поверх первичной, увеличивая длину витка и приводя к небольшому возрастанию внутреннего сопротивления.
Итак, выходное напряжение трансформатора без нагрузки определяется из отношения числа витков первичной обмотки к вторичной. При подключении нагрузки напряжение уменьшается из-за эквивалентного сопротивления выходной обмотки (равное сумме сопротивлению вторичной и пересчитанного сопротивления первичной обмоток).
Максимальное выходное напряжение (без нагрузки) получается на пиках переменного напряжения, которое в «корень из двух» раз больше действующего напряжения, получаемого со вторичной обмотки. Поскольку расчеты ведутся «с конца», выполним обратный расчет – из максимального выпрямленного напряжения вычыслим действующее напряжение. Ранее была получена цифра 19.2 вольта, что должно получаться в пике переменного напряжения.«Действующее» будет в «корень из двух» меньше, или: 19.2/1.41=13.6 В. Мой трансформатор на холостом ходу выдает напряжение 13.8 вольта, что на 0.2 вольта больше допустимой величины (13.6 В)! Если бы это была разработка для серийной продукции, то исправление нарушения спецификации потребовало бы либо изменить схемное решение, либо вводить демпфирующие элементы – в серьезных устройствах никакие «авось» не допустимы, даже столь незначительные. Но в домашнем применении 0.2 вольта погоды не сделают.
Впрочем, не стоит «забывать» о небольшом «фоновом» потреблении микросхемы усилителя. Для приведенного списка ток потребления в состоянии покоя находится в интервале 0.08-0.19 ампера. Эквивалентное выходное сопротивление трансформатора 0.7+0.56=1.26 Ом. При токе 0.08-0.19 А это снизит напряжение на 1.26*(0.08…0.19)=0.1…0.24 вольта, что практически нивелирует завышенное на 0.2 вольта напряжение с трансформатора. Итак, последний признан условно годным для работы совместно с перечисленным списком микросхем-усилителей при предельном рабочем напряжении питания 18 вольт. Коль скоро трансформатор не отвергнут, можно выполнить «прямые» расчеты и оценить, какую максимальную мощность с него можно получить.
Рассмотрим два случая работы устройства:
- Блок питания не нагружен. Напряжение на выходе меньше пиковой величины переменного напряжения на величину падения двух диодов выпрямительного моста. А именно, 13.8*1.41 – 0.6*2 = 19.46 – 1.2 = 18.3 В. Микросхема потребляет небольшой ток в состоянии покоя, поэтому превышение на 0.3 вольта игнорируем.
- Нагрузка подключена. Выходное напряжение с трансформатора уменьшается из-за падения на эквивалентном сопротивлении вторичной обмотки от тока нагрузки. Главное здесь пик-фактор – посмотрите вторую картинку статьи, форма тока вторичной обмотки трансформатора очень «острая», по величине в три-четыре раза больше тока нагрузки БП. Если особо точные расчеты не требуются, можно облегчить себе жизнь и считать по упрощенной методике – брать пиковое напряжение на выходе трансформатора и вычитать из него падение на сопротивлении потерь, умноженное на ток нагрузки и пик-фактор.
Сложно? Вовсе нет, на примере станет понятнее.
Выходное напряжение трансформатора 13.8*1.41=19.45 В, эквивалентное сопротивление обмоток 0.7+0.56=1.26 Ом, пик-фактор 3.5, ток нагрузки… А действительно, какой ток нагрузки?
Возьмем самую простую микросхему из ранее приведенного списка, одноканальный мостовой усилитель TDA2005. Для него определен ток потребления 3.5 ампера. Если усилитель ограничен в инфразвуковой части диапазона, то можно вышеприведенную цифру считать пиковым значением, действующее значение в «корень из двух» раз меньше, или 3.5/1.41=2.48 А. Итак, ток нагрузки определен, можно продолжить вычисления.
Потери напряжения на внутренних сопротивлениях обмоток трансформатора составит 1.26 Ом * 3.5 * 2.48 А = 11 вольт. Из 19 вольт потерять 11 – это просто неприемлемо! Подобный трансформатор не способен обеспечить полную мощность даже для самой «слабой» микросхемы усилителя, что уж говорить о прочих вариантах. С другой стороны, музыкальные композиции отнюдь не то же самое, что генератор низкой частоты, в них громкие звуки встречаются относительно редко и непродолжительное время.
Поэтому заведомую негодность приведенного трансформатора можно скомпенсировать увеличенной емкостью сглаживающих конденсаторов. Довольно сложно выбрать типичный пример музыкального фрагмента, очень уж разные направления и течения в музыке, ну пусть будет «роковый бит» (сэмпл взят со страницы wiki):
В одной клетке 5 мс. Из этой картинки следует, что нагрузка на блок питания в среднем небольшая и только в течение небольшого интервала времени следует «всплеск» мощности. На фрагменте повышенное потребление продолжается семь клеток или 7*5=35 мс. Если установить сглаживающие конденсаторы такой емкости, чтобы они смогли удержать напряжение питания в допустимых рамках, то и из этого трансформатора может что-то получиться. Если «забыть» о локальном всплеске, то средняя величина потребления тока снижается в три и более раз.
Этот вывод совпадает с обычными рекомендациями – пик-фактор для музыки лежит в интервале 10-20 дб (3-10 раз). Коль скоро цифры совпадают, можно их и придерживаться. Значит, средний ток потребления усилителя будет в три раза меньше приведенной в документации на усилитель (3.5 ампера). Почему три, а не десять? Устройство собирается для себя, «кукурузный» усилитель делать не стоит, даже в качестве примера.
Возвращаемся к расчетам, использованный ранее «средний ток 2.48 А» зачеркиваем и подставляем вместо него 2.48/3=0.83 А. Падение на обмотках трансформатора составит 1.26 Ом * 3.5 * 0.83 А = 3.7 вольт, приемлемо.
Выпрямительный мост
Следующий этап – вычислить падение напряжения на выпрямительных диодах, при этом важно не забывать, что диоды работают «парами» и потери удваиваются. Но я несколько забежал вперед, вначале надо выбрать сами диоды или «диодный мост» как готовый элемент. И здесь краеугольный вопрос – можно ли использовать диоды Шоттки? Трудность в том, что этот класс обладает лучшими техническими характеристиками, но их не собирают в сборки типа «диодный мост».
Построение выпрямительного узла в виде «моста» означает, что максимальное напряжение на диодах немногим больше выходного напряжения, и в рассматриваемом случае диоды Шоттки использовать можно. Возьмем что-нибудь дешевое и доступное, например 1N5818 (1 А, 30 В). Его вольт-амперная характеристика выглядит следующим образом:
Кстати, обратите внимание – по мере повышения предельного рабочего напряжения (1N5817 = 20 В, 1N5818 = 30 В, 1N5819 = 40 В) возрастает падение на диоде, поэтому запас карман «тянет», установка диодов Шоттки с излишним запасом рабочего напряжения ухудшает характеристики БП.
Для данного случая, 1N5818, при токе 1-3 ампера падение напряжения составит 0.5-0.6 вольта, вполне приемлемо, особенно с учетом того, что диоды в мосте работают попеременно и средняя величина рассеиваемой мощности на диоде в два раза ниже. А максимальный долговременный ток трансформатора (а значит и диодного моста) — 0.83 А, что определяет рассеиваемую мощность на каждом диоде 0.83*0.5/2=0.2 Вт. Мощность не большая, установки на радиатор не требуется.
Полученные цифры можно подставить в расчет, для чего соберем все найденные цифры вместе:
- Напряжение холостого хода, пиковое значение 13.8*1.41=19.6 В.
- Падение на внутреннем сопротивлении обмоток (0.7+0.56)*3.5*0.83=3.7 В.
- Потери в диодном мосте 0.6 В * 2 шт.=1.2 В.
Сглаживающий конденсатор
Требования к конденсатору достаточно просты – он должен разрядиться не более «V» за время «T» при токе нагрузке «I». Время можно вычислить по картинке, приведенной в начале статьи – конденсатор сохраняет напряжение на выходе всё время, пока диоды не проводят, а это примерно 70 процентов полупериода (для частоты сети 50 Гц это 10 мс * 0.7 = 7 мс). Ток нагрузки зависит… от тока нагрузки :). Напряжение «V» — на сколько можно позволить уменьшиться напряжению питания.
Можно было бы подставить эти цифры и получить довольно низкую емкость конденсатора, но вот беда – рассматриваемый трансформатор слишком «хлипкий» и не может обеспечить достаточный ток на пиках нагрузки, придется его проблемы решать за счет увеличения емкости конденсаторов. Ранее оговаривалось время пиковой нагрузки в 35 мс при токе нагрузке 2.48 А. Сравните это с 7 мс и 0.83 А для «обычного» режима.
Емкость конденсатора считается по обычной формуле: C=I*T/V.
Ой, опять поторопился. Вначале надо решить, на сколько можно позволить уменьшиться напряжению при разряде конденсатора. Номинальное напряжение питания 12 вольт, «пиковое» выпрямленное уже 14.7 В. Не хотелось бы опускаться ниже 11 В, ну пусть будет 3 вольта.Подставляем полученные значения, С=2.48*0.035/3= 29000 мкФ. Такой конденсатор потребовался бы в том случае, если бы блок питания вообще отключился на всё время, но трансформатор продолжает работать и частично подзаряжать конденсатор, поэтому полученную цифру стоит поделить на два.
С емкостью конденсатора определились, 12000-15000 мкФ, рабочее напряжение не меньше 25 вольт, можно перейти к выбору конкретной модели. Возьмем доступные модели фирмы Jamicon серии LP на напряжение 25 В. Например, устроили бы два варианта:
- 12000 мкФ — диаметр 22 (35) мм, высота 50 (30) мм.
- 15000 мкФ — диаметр 25 (35) мм, высота 45 (30) мм.
Оба варианта проходят по току, «Max ripple current» 3.74-3.89 ампер, в зависимости от исполнения. Габариты конденсатора приемлемы, остается уточнить расчеты на симуляторе – удастся ли вписаться с таким решением в требуемые характеристики блока питания. Моделирование в PSPICE представляет следующий переходной процесс для импульсной нагрузки (конденсатор 12000 мкФ):
Сносно, но сойдет, усилитель работать будет.Блок питания рассчитан, но есть еще один момент, который я опустил в виду «домашнего» исполнения. Дело в том, что напряжение сети только считается 220 вольт, а на деле может быть в диапазоне +10/-15% от номинального значения. Это означает, что вполне вероятна ситуация, когда блок питания подключат к сети 242 вольта, что вызовет увеличение выходного напряжения в режиме простоя с относительно безопасных 18 В до 20 В, что повлечет за собой… думаю, объяснений не нужно.
Обратный случай, снижение на 15 процентов не вызовет деструктивных последствий, микросхема усилителя не разрушится, просто уменьшится максимальная мощность. Обычно цифра «-15%» рассматривается как «-10%» на общий уход среднего напряжения и «-5%» на непродолжительные изменения, поэтому снижение напряжения сети не так заметно для усилителя. Если же брать другую аппаратуру, то там эффект противоположный – даже непродолжительное снижение напряжения может нарушить нормальное функционирование устройства.
Выпрямительный мост или полумост?
Остался еще один вопрос, который стоит обсудить один раз и больше никогда не возвращаться – что лучше для трансформаторного блока питания, мост или полумост?
С точки зрения потерь на диодах «полумост» лучше – в выпрямительной цепи используется только один диод, в «мосте» их пара, а значит меньше падение напряжения. Но, экономия на диодах приводит к удвоению количества обмоток. Попробуем оценить эффективность этих вариантов для рассматриваемого блока питания, скажем, при токе нагрузки 1 ампер. В данном случае интересуют только потери на сопротивлении обмоток трансформатора и диодах выпрямительного узла. Емкость и другие параметры конденсатора от исполнения схемы выпрямления не зависят, а потому про него пока можно «забыть».Вначале «мост» – потери на трансформаторе считаются как сопротивление выходной обмотки плюс приведенное сопротивление первичной обмотки, умноженные на 3.5 и ток 1 А. Это составит величину (0.7 + 0.56) * 3.5 * 1 = 4.41 В.
Потери на диодах 0.6 * 2 = 1.2 В.
Теперь «полумост» – первичная обмотка пересчитывается так же, а вот с вторичной небольшая заминка. Коль скоро их количество удвоилось, то во столько же раз уменьшилось место на трансформаторе под каждую из них. Как следствие, сопротивление одной обмотки возрастет в два раза. Итак, цифры: (1.4 + 0.56) * 3.5 * 1 = 6.86 В.
Падение на диоде… стоп-стоп! В данном схемном решении напряжение на диодах возрастает в два раза, а потому диод Шоттки 1N5818 (30 В) принципиально нельзя применять, только 1N5819 (40 В). Хотя, и 40 вольт мало – из-за дребезга и звона, свойственного построению с двумя обмотками, напряжение на диодах несколько больше, чем просто «выходное напряжение», умноженное на два. Здесь хорошо бы подумать о диодах на 45-60 вольт. Впрочем, ограничимся 1N5819. Переход на другой диод, с большим рабочим напряжением, повысил падение в прямом направлении с 0.5-0.6 до 0.6-0.8 вольта.
Результаты расчета соберем в таблицу, так нагляднее:| Тип выпрямительного узла | Падение на трансформаторе, В | Падение на диодах, В | Сумма потерь, В |
| Мост | 4.41 | 1.2 | 5.61 |
| Полумост | 6.86 | 0.8 | 7.66 |
Цифры вы видите, вопрос о выборе типа выпрямительного узла можно закрыть окончательно.
Предыдущий материал показал, что в трансформаторном блоке питания выходное напряжение не особо стабильно, да еще присутствуют пульсации частотой 100 Гц (удвоенная частота сети). Можно с этим мириться, но чаще всего аппаратура представляет довольно жесткие рамки по диапазону изменения напряжения и «банальным» увеличением емкости конденсатора не обойтись, придется устанавливать стабилизатор напряжения.
Существует множество реализаций такого элемента – полностью на транзисторах, с участием операционных усилителей или интегральные микросхемы, с или без каких-либо «внешних» силовых элементов. Довольно скучно изучать работу устройства, если оно выглядит как «черный ящик» с входом, выходом, лучше взять какой-нибудь пример. Ограничимся несложной схемой на двух транзисторах, например, такой:Входное напряжение подается на цепь «Vin», стабилизированное напряжение получается на выводе «Vout». Данная схема хоть и выглядит просто, но обладает неплохими техническими характеристиками и даже получила цепь защиты от перегрузки по току. Можно небольшую загадку? Попробуйте самостоятельно определить в данной схеме цепь и принцип работы схемы защиты. Пока вы размышляете, я попробую обсудить вопрос рациональности применения стабилизаторов напряжения в усилителях низкой частоты, оставив вам время подумать.
В рассматриваемом примере слабенький трансформатор формирует напряжение для работы усилителя. Его мощности явно недостаточно, но проблему удалось «обойти», переместив акцент на увеличение емкости сглаживающего конденсатора. Однако не стоит забывать о самой сети 220 вольт – вовсе не обязательно, что в вашей квартире напряжение именно 220 вольт и оно сохраняет свою величину в неизменном виде всё время.
Официально, советская электросеть может работать в диапазоне от 187 до 242 вольта (220 В +10/-15%). Что будет с блоком питания, если напряжение сети повысится? Вполне очевидно, что выходное напряжение БП так же возрастет.
Расчеты приводить не стоит, их уже производили… хотя, тут всё просто – повышение напряжения сети с 220 до 242 повысит выходное напряжение трансформатора с 13.8 В до 13.8 В +10% = 15.18 В. Если вычислить пиковое значение (15.18 * 1.41), получится 21.4 вольта. Вычитаем 1.2 В падение на выпрямительном мосте и получается 20 вольт. Гм, на микросхему усилителя TDA2005 (как и для прочих «автомобильных» усилителей) нормируется максимальное рабочее напряжение 18 В, а здесь — 20. К чему это приведет? Можно погадать на ромашке, а вдруг не сгорит? Это плохая идея и, увы, от повышения напряжения нельзя избавиться никакими простыми средствами типа «поставить резистор».
В данном случае есть только одно разумное решение – стабилизатор напряжения. Для работы усилителя надо 12 вольт, вот стабилизатор его и будет поддерживать, а всё, что выше 12 В погасится на регулирующем транзисторе.
Рассмотрим целесообразность применения стабилизатора, знаком «[+]» будут отмечаться достоинства, «[-]» — недостатки:
- [+] Стабильное выходное напряжение.
- [+] Ограничение по току нагрузки – защита усилителя от «дожигания» всей силовой части при выходе из строя отдельных элементов, снижается риск возгорания.
- [+] Снижение уровня пульсаций.
- [+] Перенос уровня земли.
- [-] Увеличение количества деталей – повышение стоимости изготовления устройства.
- [-] «Изоляция» цепи питания усилителя от сглаживающих конденсаторов повышенной емкости.
- [-] Возможно снижение качества работы усилителя.
- [?] Напряжение питания усилителя меньше, чем могло бы быть без стабилизатора.
- [?] Тепло рассеивается не только на выходном каскаде усилителя, но и на стабилизаторе.
Разберем по пунктам.
Стабильное выходное напряжение
Если усилитель спроектирован правильно, то он довольно спокойно относится к небольшому изменению питающих напряжений. Единственная цепь, которая обладает повышенной чувствительностью к изменению напряжения питания – это схема стабилизации тока покоя выходного каскада. Поэтому для «интегральных» усилителей особой стабильности напряжения питания не требуется, а вот «самодельные» варианты лучше снабжать стабилизаторами, но это не «критичное» требование и его можно обойти некоторым усложнением схемотехники самого усилителя.
Ограничение по току нагрузки
В любом устройстве бывают или возможны нештатные ситуации. Сгорел транзистор или уронили провод – если в блоке питания нет защиты, то может выйти из строя очень много деталей. Понятное дело, что БП с защитой не гарантирует распространение поломки на разные узлы усилителя, но хоть снизит ущерб. Второй момент – трансформаторный блок питания содержит в себе такой громоздкий элемент, как трансформатор. Если БП перегрузить, то на нём будет выделяться большая тепловая мощность из-за значительного сопротивления обмоток, и вероятны неприятные последствия, догадываетесь, какие?
Для борьбы с этим злом в цепь первичной обмотки устанавливают предохранитель, но и такое решение далеко от идеала. Дело в том, что экстраток включения трансформатора не позволяет установить предохранитель правильной величины, приходится выбирать его с номинальным током в два-три раза больше. Что до самого предохранителя, то его время срабатывания зависит от степени превышения тока над номинальным значением предохранителя. Декларируются три цифры:
- Ток нагрузки 100%, время срабатывания не менее четырех часов.
- Ток нагрузки 135%, время срабатывания не более одного часа.
- Ток нагрузки 200%, время срабатывания не больше 5-120 секунд (в зависимости от модели).
Как видите, это не самый хороший способ защиты, он спасает только в «тяжелых» ситуациях – короткое замыкание или пробой изоляции с большим током фаза-заземление. В остальных случаях он помогает очень слабо. Для низковольтового питания закорачивание выхода БП, как правило, не приводит к сгоранию сетевого предохранителя. Увы. Поэтому электронная защита в блоке питания такого типа — вещь необходимая.
Снижение уровня пульсаций
Трансформаторный блок питания создает на выходе небольшой уровень пульсаций частотой 100 Гц, что усложняет достижение низкого уровня «фона» на выходе усилителя. Стабилизатор помогает решить эту проблему. Выше приведена схема стабилизатора, она обеспечивает на выходе уровень пульсаций 20 мВ при изменении входного напряжения в диапазоне 12.5-16 В, для тока нагрузки 1 ампер. То есть стабилизатор уменьшает уровень пульсаций в 170 раз. Впрочем, это «мелочи», переход на интегральные микросхемы позволяет получить гораздо большую степень подавления.
Перенос уровня земли
Усилитель довольно сложное устройство, даже у такой простой вещи как «земля» есть несколько прочтений — «чистая» земля, «силовая», «грязная» — всё зависит от места ее расположения. Нельзя совмещать точку земли входного сигнала и питания, особенно при их «обратном» расположении – возрастут искажения, шумы и прочее, вплоть до самовозбуждения усилителя.
Прокладка цепи «земля» от входных каскадов до выходных и блока питания представляется сложной задачей и стабилизатор напряжения способен оказать реальную помощь – он может взять в качестве опорного уровня потенциал «чистой» земли и стабилизировать напряжения относительно него. Фактически, стабилизатор регулирует ток по цепям питания и уровень «земли» для него не является «силовым», поэтому затекания тока в эту цепь не происходит. При неудачной трассировке усилителя данное свойство может оказаться востребованным.
