Статьи

Схемотехника блоков питания


Преобразователь напряжения, как и любой источник питания, имеет некоторое выходное сопротивление. При питании от общего источника между каналами усилителя возникает взаимосвязь, которая тем больше, чем выше выходное сопротивление источника питания. Оно, в первом приближении, обратно пропорционально мощности п реобразователя.

Одной из составляющих выходного сопротивления блока питания становится и сопротивление питающих проводов. В моделях высокого класса для питания выходных каскадов усилителя используют медные шины сечением 3...5 мм . Это наиболее простое решение энергетических проблем усилителя, улучшающее динамику и точность передачи сигнала.

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

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

Как правило, блок питания смонтирован в одном корпусе с усилителем (на рис. 7 показана моноплата усилителя 'UBL ВРЗОО" с преобразователем напряжения), но в некоторых конструкциях он может быть выполнен в виде отдельного модуля. Для включения рабочего режима усилителя используется управляющее напряжение от головного аппарата (вывод Remote). Потребляемый ток по этому выводу минимален и ни как не связан с мощностью усилителя. В автомобильных усилителях обязательно используется защита от короткого замыкания в нагрузке и от перегрева. В ряде случаев имеется также защита нагрузки от постоянного напряжения в случае выхода из строя выходного каскада усилителя. Эта часть схемы для современных автомобильных усилителей стала практически типовой, отличаясь иногда незначительными изменениями.

Рис. 7


Автомобильные усилители имеют еще одну особенность. Обычно компоненты аудиосистемы удалены друг от друга и для их соединения используются относительно длинные сигнальные кабели. Чтобы исключить образование чувствительного к наводкам паразитного контура (длина "земляных" проводников в автомобиле может достигать 10 м и более), приходится принимать специальные меры. Прежде всего нужно стремиться к тому, чтобы в системе была единственная точка соединения с корпусом (кузовом), но это условие не всегда можно выполнить. Для уменьшения уровня помех общий провод входных цепей блока питания и общий провод его выходных цепей имеют полную гальваническую развязку или связаны через резистор R1 сопротивлением порядка 1 кОм, как показано на рис. 9. В зависимости от места и способа монтажа усилителя, линий питания и связи для достижения минимального уровня наводок может понадобиться и непосредственное соединение первичных и вторичных цепей.

Рис. 8


В первых автомобильных усилителях использовались преобразователи напряжения, выполненные полностью на дискретных элементах. Пример такой конструкции — стабилизированный блок питания рассмотренного выше усилителя "Monacor HPB 150" (рис. 8). На схеме сохранена заводская нумерация элементов.

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

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

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

Упрощенная схема нестабилизированного преобразователя напряжения питания четырехканального усилителя "Jensen" приведена на рис. 9 (нумерация элементов условная).

Рис. 9


Задающий генератор собран на микросхеме KIA494P (отечественный аналог — КР1114ЕУ4). Цепи защиты на схеме не показаны. В выходном каскаде, помимо указанных на схеме типов приборов, можно использовать мощные полевые транзисторы КП812В, КП850, IRF150, IRFP044 и IRFP054. Диоды 1 N4118 можно заменить на КД522Б. Диоды выпрямителя КД2994, КД213 необходимо снабдить теплоотводом. В конструкции использованы отдельные диодные сборки с общим анодом и с общим катодом, смонтированные через изолирующие прокладки вместе с выходными транзисторами усилителя на общем теплоотводе.

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

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

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

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

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

Наряду с этим, во всех усилителях используется термозащита блоков. Чаще всего она реализуется на основе термистора и компаратора. Иногда применяют стандартные компараторы в интегральном исполнении, но в этой роли чаще всего используют обычные ОУ. Пример устройства данного узла в уже рассмотренном четырехканальном усилителе "Jensen" приведен на рис. 10. Нумерация деталей условная.

Рис. 10


Термистор Rt1 имеет тепловой контакт с корпусом усилителя вблизи выходных транзисторов. Напряжение с термистора подано на инвертирующий вход ОУ Резисторы R1 — R3 вместе с термис-тором образуют мост, конденсатор С1 предотвращает ложные срабатывания защиты. При длине проводов, которыми термистор подключен к плате, около 20 см уровень наводок от блока питания достаточно велик. Через резистор R4 осуществляется положительная обратная связь с выхода ОУ, превращающая ОУ в пороговый элемент с гистерезисом. При нагреве корпуса до 100 °С сопротивление термистора снижается до 25 кОм, компаратор срабатывает и высоким уровнем напряжения на выходе блокирует работу преобразователя.

Выходные транзисторы усилителя и ключевые транзисторы преобразователя чаще всего применяют в пластиковых корпусах, аналогичных ТО-220. К теплоотводу их крепят либо винтами, либо пружинными клипсами. У транзисторов в металлических корпусах тепло-отвод несколько лучше, но монтаж их намного сложнее, поэтому используют их редко, только в самых дорогих моделях.

Назад

© 2006 Integral