2020-06-12
353
Для высоковольтных преобразователей самыми популярными являются две схемы:
- полумостовая;
- мостовая.
С одной стороны схемотехника у них похожа, с другой - довольно сильно отличается.
Попробуем разобраться что есть что. На рисунке 5 приведена принципиальная схема испытательного модуля полумостового преобразователя. Сразу следует оговориться - генератор импульсов футуристический и имеет два выхода гальванически не связанных между собой. На выходах генератора имеются прямоугольные импульсы с амплитудой 2 В, частотой 40 кГц, равные по длительности, но противоположные по фазе.
Рисунок 5
На видео 5 показано как это выглядит.
Номиналы резисторов R1 и R2 одинаковы и выбраны таким образом, чтобы на них выделялось 0,5-1 Вт, а это зависит от напряжения питания. В принципе большинство преобразователей обходятся без этих резисторов, тем не менее их использование выравнивает напряжение в точке их соединения и разряжает конденсатор фильтра первичного питания при отключении преобразователя.
Номиналы конденсаторов С1 и С2 так же одинаковы. Качество этих конденсаторов играет не последнюю роль в надежности самого преобразователя и рекомендуется использовать пленочные или бумажные конденсаторы. Проблема заключается в том, что конденсаторы постоянно перезаряжаются, следовательно они должны иметь минимальное сопротивление ВЫВОД-ОБКЛАДКА, поскольку при большом сопротивлении на этом участке будет выделяться довольно много тепла и в конце концов вывод просто отгорит. Поэтому в качестве проходных конденсаторов необходимо использовать пленочные конденсаторы, причем емкость одного конденсатора может достигать емкости 4,7 мкФ лишь в крайнем случае. Схема с одним конденсатором тоже довольно часто используется, по принципу выходного каскада УМЗЧ с однополярным питанием. Если же используются два конденсатора на 4,7 мкФ (точка их соединения подключена к обмотке трансформатора, а свободные выводы к плюсовой и минусовой шинам питания), то данная комплектация вполне пригодна для питания усилителей мощности - суммарная емкость для переменного напряжения преобразования складывает и в итоге получается равной 4,7 мкФ + 4,7 мкФ = 9,4 мкФ. Однако данный вариант не рассчитан для долгосрочного непрерывного использования с максимальной нагрузкой - необходимо разделять суммарную емкость на несколько конденсаторов, например использовать по 2 конденсатора на 2,2 мкФ, включенных параллельно вместо одного на 4,7 мкФ.
При необходимости получения больших емкостей (низкая частота преобразования) лучше использовать несколько конденсаторов меньшей емкости (например 5 штук по 1 мкФ соединенных параллельно). Однако большое количество включенных параллельно конденсаторов довольно сильно увеличивает габариты устройства, да и суммарная стоимость всей гирлянды конденсаторов получается не маленькой. Поэтому, при необходимости получить большую мощность имеет смысл воспользоваться мостовой схемой.
Для полумостового варианта мощности выше 3000 Вт не желательны - уж больно громоздкими будут платы с проходными конденсаторами. Использование в качестве проходных конденсаторов электролитических имеет смысл, но лишь на мощностях до 1000 Вт, поскольку на больших частотах простые электролиты не эффективны и начинают греться. Поэтому, при использовании электролитов следует поискать довольно дефицитные конденсаторы маркированные не обычной краской, а серебристой или золотистой. Так производители показывают, что электролитический конденсатор способен работать на высоких частотах. Бумажные конденсаторы в качестве проходных показали себя очень хорошо, но вот их габариты...
Для большей наглядности можно рассмотреть таблицу зависимости реактивного сопротивления одного конденсатора от частоты и емкости (Ом):
| Емкость конденсатора | Частота преобразования | |||||||
| 30 кГц | 40 кГц | 50 кГц | 60 кГц | 70 кГц | 80 кГц | 90 кГц | 100 кГц | |
| 0,1 мкФ | 53 | 39,8 | 31,8 | 26,5 | 22,7 | 19,9 | 17,7 | 15,9 |
| 0,22 мкФ | 24,1 | 18 | 14,5 | 12 | 10,3 | 9 | 8 | 7,2 |
| 0,33 мкФ | 16 | 12 | 9,6 | 8 | 6,9 | 6 | 5,4 | 4,8 |
| 0,47 мкФ | 11,9 | 8,5 | 6,8 | 5,6 | 4,8 | 4,2 | 3,8 | 3,4 |
| 1,0 мкФ | 5,3 | 4 | 3,2 | 2,7 | 2,3 | 2 | 1,8 | 1,6 |
| 2,2 мкФ | 2,4 | 1,8 | 1,4 | 1,2 | 1 | 0,9 | 0,8 | 0,7 |
| 3,3 мкФ | 1,6 | 1,2 | 1 | 0,8 | 0,7 | 0,6 | 0,5 | 0,5 |
| 4,7 мкФ | 1,1 | 0,8 | 0,7 | 0,6 | 0,5 | 0,4 | 0,4 | 0,3 |
На всякий случай напоминалка - при использовании двух конденсаторов (один на плюс, второй на минус) финальная емкость будет равна сумме емкостей этих конденсаторов. Итоговое сопротивление из таблицы не выделяет тепла, поскольку является реактивной величиной, но может повлиять на КПД источника питания при максимальных нагрузках - напряжение на выходе начнет уменьшаться, не смотря на то, что габаритная мощность силового трансформатора вполне достаточна.
Ну а что собственно происходит внутри силовой части показано на видео 6.
На рисунке 6 приведена схема мостовой силовой части, которая обычно используется для получения мощностей выше 1500-2000 Вт. Отличается от полумоста наличием двух транзисторов, установленных вместо конденсаторов С1 и С2. Данный вариант требует четырех гальванически не связанных управляющих импульса, поскольку эмиттеры соединены вместе только у двух транзисторов (VT2 и VT4).
Рисунок 6
Управляющие импульсы подаются одновременно на транзисторы VT1 и VT4, на транзисторы VT2 и VT3 импульсы подаются тоже одновременно, но в противофазе с предыдущей парой. Таким образом обмотка трансформатора получается включенной между открытыми транзисторами VT1-VT4 в один момент времени и между VT2-VT3 в следующий момент времени. Данное решение позволяет отказаться от проходных конденсаторов, а так же увеличить количество витков первичной обмотки, что для больших мощностей тоже существенно. Принцип работы показан на видео 7 (на видео генератор и проводники к базам транзисторов сделаны невидимыми, чтобы не "захламлять пейзаж").
Преобразователи со средней точкой используются обычно для низковольтных первичных напряжений и особой популярностью пользуются в автомобильной аудиоаппаратуре. Вот собственно и добрались до того момента, где начинается финал этого повествования...
Не будем углубляться в теорию высококачественного воспроизведения звука, а просто констатируем несколько фактов.
Бортовое напряжение автомобиля составляет 12-14 В. С типового усилителя мощности, например на базе TDA2003, при этом напряжении питания можно получить амплитуду выходного напряжения довольно близкую к напряжению питания. На рисунке 7 осциллограмма выходного сигнала до разделительного конденсатора
Рисунок 7
Амплитуда не искаженного выходного напряжения составляет примерно 6 В, однако это АМПЛИТУДНОЕ значение, а поскольку мы говорим о реальной мощности, то необходимо вычислить действующее значение. Поэтому 6 / 1,414 = 4,24 В, где 1,414 есть постоянный коэффициент, учитывающий форму синусоиды. Ну а теперь согласно закону Ома вычисляем мощность в цепи переменного тока P = Uout x Uout / R = 4,24 х 4,24 / 4 = 4,49 Вт реальной мощности на активную нагрузку 4 Ома.
При использовании мостового усилителя, использующего два идентичных усилителя мощности с выходными сигналами в противофазе (рисунок 8) и подключенной нагрузкой к этим выходам. Получаем амплитудное значение в 12 В.
Рисунок 8
Производим вычисления:
12 / 1,414 = 8,49 В - действующее значение
8,49 х 8,49 / 4 = 18 Вт
Это и есть максимальная музыкальная мощность, выше которой "прыгнуть" не получится - не дает напряжение питания. Поэтому нужен преобразователь напряжения.
Кстати сказать, могут возникнуть возражения, мол на магнитолах пишут 4 х 50, или 4 х 70. Ну написать то можно все что угодно, впрочем доля истины в этой мощности есть - ее получают при подаче на вход усилителя мощности прямоугольного сигнала и загоняя выходной каскад усилителя в насыщение. Если не страдать максимализмом, то для качественного и приятного долговременного прослушивания музыки в салоне автомобиля подавляющему большинству хватает 4 канала по 30-40 Вт. Следовательно мощность преобразователя должна быть порядка 150-200 Вт. Собственно это и есть средняя ценовая категория автомобильных усилителей мощности
Но вернемся к преобразователю со средней точкой. Принципиальная схема испытательного блока показана на рисунке 9. Принцип работы поясняет видео 8, как и в предыдущем видео генератор и проводники к нему сделаны не видимыми.
Рисунок 9
С принципами преобразования вроде бы разобрались, осталось заострить внимание на нескольких не маловажных фактах.
Прежде всего стоит отметить, что описанные процессы несколько сглажены - не отмечено одно явление, которое сопровождает все импульсные преобразователи. Дело в том, что как только происходит смена полярности напряжения в первичной обмотке, либо резкое прекращение роста напряжения в трансформаторе возникает колебательный процесс - чередование взаимоиндукции и самоиндукции вызывает резкое изменение приложенного к обмотке напряжения. Для подавления этих выбросов используется цепочка из последовательно соединённых конденсатора и резистора. Номиналы этих элементов выбираются таким образом, чтобы реактивное сопротивление конденсатора было минимальным именно на частоте этих колебаний, а резистором ограничивают степень влияния этого реактивного сопротивления на работу схемы. Данная цепочка называется СНАБЕРОМ и подключается непосредственно к выводам первичной обмотки трансформатора.
Для автомобильных преобразователей данную цепочку использовать довольно проблематично - сила тока в первичной обмотке довольно большая и для корректного подавления выбросов потребуется низкоомный резистор, который будет довольно сильно греться. Учитывая плохие условия охлаждения от нежелательного нагрева лучше отказаться. Если есть желание хоть немного "придушить" выбросы самоиндукции можно подключить конденсатор без резистора на стоки силовых транзисторов. Емкость не менее 330 пкФ и не более 1200 пкФ. Конденсаторы ниже 330 пкФ могут способствовать резонансу на частоте выбросов, что приведет не к подавлению, а наоборот к удвоению или утроению амплитуды этих самых выбросов. Слишком большая емкость приводит к дополнительному потреблению и как следствие - снижению КПД преобразователя.
Еще одним фактом, о котором не упоминалось выше является скин-эффект. Дело в том, что на высоких частотах возникает довольно интересный эффект, при котором сечение проводника, которым намотан трансформатор может послужить причиной низкого КПД преобразователя. Более подробно о происходящем в проводнике можно судить из видео 10.
Для ослабления влияния сник-эффекта используют несколько проводников меньшего диаметра, которые либо свивают между собой, либо склеивают в ленту (лучше использовать клеи на полиуретановой основе, такие как МОМЕНТ-КРИСТАЛ, ТОП-ТОП, СПЕЦИАЛИСТ). Оба способа одинаково эффективны, однако склеивание в ленту хоть и более трудоемко, но позволяет получить максимальную плотность намотки.
Вот собственно и все основные способы преобразования рассмотрены, можно переходить к практической реализации
Бесспорно - данные объяснения довольно сильно упрощены, однако при написании данного материала ставилась задача объяснить процессы с минимальным использованием формул - на пальцах...
С теорией наконец то разобрались и теперь приступим к практической реализации, а именно сборке автомобильного импульсного преобразователя напряжения.
В качестве силовой части мы используем преобразователь со средней точкой, поскольку данная схемотехника для низковольтных преобразователей наиболее оптимальна. В качестве элементов управления, используем ШИМ контроллер TL494. Контроллер хоть и разработан достаточно давно, тем не менее и на сегодняшний день довольно популярен из-за своей надежности, простоты и доступности.
Функциональная схема контроллера приведена на рисунке 1, принцип работы попробуем разобрать при помощи видео ниже.
Рисунок 1
Принцип формирования действующего значения выходного напряжения при помощи широтно-импульсной модуляции (ШИМ) наглядно приведен на рисунке 2.
Рисунок 2
Благодаря инерционности катушки индуктивности L1, напряжение на выходе преобразователя не успевает достичь амплитудного значения напряжения с генератора, в следствии чего, не смотря на большое значение амплитудного напряжения, действующее значение на выходе фильтра может быть в несколько раз меньше и это не влечет за собой нагрев силовой части, как в случае линейных стабилизаторов.
Далее рассмотрим, что из себя представляет силовая часть, точнее силовой транзистор, а для этого отвлечемся от схемы и немного порассуждаем.
Бортовое напряжение в легковых автомобилях обычно 12 Вольт. Но величина это довольно условная, поскольку реле-регулятор поддерживает бортовое напряжение таким образом, чтобы аккумулятор подзаряжался. Напряжение заряженного кислотного автомобильного аккумулятора составляет 14,2 В, следовательно при заведенном двигателе бортовое напряжение будет находится в пределах между 13 и 14 В.
Биполярные транзисторы имеют такой параметр как напряжение насыщения. Данный параметр колеблется в пределах от 0,4 до 1 В. Это ведет к необоснованным потерям на тепло, причем ни чем необоснованное. Поэтому в автомобильных преобразователях отказались от использование биполярных транзисторов, а применяют транзисторы технологии MOSFET. Данные транзисторы специально разрабатывались таким образом, чтобы в открытом состоянии они имели как можно меньшее активное сопротивление, следовательно как можно меньше выделяли тепла. На рисунке 3 показаны структуры транзисторов MOSFET.
Рисунок 3
Поскольку транзисторы полевые, то для их открытия на затвор необходимо подать какое-то напряжение, однако ток теоритически протекать через затвор не должен. Из этого напрашивается вывод о том, что управлять данными транзисторами будет легко. И действительно - на низких частотах данные транзисторы можно открывать даже пальцем - наводок на теле человека достаточно для открытия транзистора. Однако в этой бочке меда есть и своя ложка дегтя, именуемая как Input Capacitance, т.е. Входная Емкость, точнее емкость затвора.
Другими словами между затвором и истоком образуется конденсатор - емкостная связь, которая при небольших частотах ни как не сказывается, а вот на частотах выше 10 кГц уже дает о себе знать и чем выше частота, тем сильнее она себя проявляет. В первой части этой трилогии приводится табличка изменения реактивного сопротивления конденсатора в зависимости от частоты. Эти же законы действуют и в затворах полевых транзисторов и хотя емкость затвора сравнительно не велика, тем не менее для ее заряда и разряда уже требуется вполне серьезный ток.
Для примера, рассмотрим популярный транзистор IRFZ44, имеющий емкость затвора 1350 пкФ. Для вычислений воспользуемся симулятором МИКРО-КАП и примерным аналогом затвора транзистора IRFZ44 (рисунок 4, вверху - принципиальная схема, внизу - выходное напряжение с генератора V1).
Рисунок 4
Для определения протекающего через цепь тока, достаточно измерить величину падения напряжения на резисторе R1 и затем, используя закон Ома, вычислить значение протекающего тока. При частоте генератора 40 кГц и амплитуде 10 В падение на резистора 10 Ом составило 4,6 В, для частоты 80 кГц уже 6,5 В (рисунок 5).
Рисунок 5
Согласно закону ома I = U / R, ток зарядки-разрядки конденсатора составил 0,46 А, а для частоты 80 кГц уже 0,66 А. Это означает, что элемент, который должен управлять затвором силового транзистора IRFZ44 должен быть рассчитан на ток уж ни как не меньше 1 А.
Можно конечно увеличить номинал резистора R1, однако это повлечет увеличение времени открывания-закрывания транзистора, т.е. транзистор будет слишком долго находится в линейном режиме, т.е. в состоянии когда он в приоткрытом состоянии. Кроме этого есть большая вероятность возникновения сквозного тока - когда один транзистор преобразователя еще не закрылся, а второй уже открывается. Это уже чревато выходом из строя самих транзисторов, не говоря уже о потребляемом токе и выделяемом тепле.
Для решения проблемы управления затворами, обычно используют дополнительные транзисторы, устанавливаемые после микросхемы управления. Данный промежуточный каскад называется драйвером. Он призван разгрузить выход микросхемы и обеспечить достаточный ток заряда-разряда емкостей затворов силовых транзисторов. Самыми популярными схемами драйверов являются схемы, приведенные на рисунке 6.
Рисунок 6
На верхней схеме возникновение сквозного тока сведено до нуля за счет ускоренной разрядки емкости затворов транзисторами VT1 и VT3, которые открываются только при отсутствии управляющих импульсов с микросхемы (на выходе TL494 формируется лог. 0, который и открывает драйверные транзисторы). Данная схема вполне пригодна для преобразователей с одной парой силовых транзисторов, поскольку транзисторы 2N5401 не обладают достаточно высоким током. Да и линейный участок силовой части во время открытия довольно большой.
На нижней схеме используются драйверные транзисторы и для заряда емкости затвора (VT5, VT8) и для разряда (VT7, VT10). Этот вариант вполне пригоден для быстрого открытия-закрытия силовой части, состоящей из двух или трех пар транзисторов.
На рисунке 7 приведена схема автомобильного преобразователя напряжения с выходной мощностью до 200 Вт, при использовании силовых транзисторов IRF3205.
Ну как работает TL494 описано выше, поэтому принцип ее работы затрагиваться не будет. Дистанционное включение преобразователя осуществляется подачей 7...15 В на клемму "ON", что влечет открытие транзистора VT4, который в свою очередь открывает VT1. При снятии напряжения с клеммы "ON" оба транзистора закрываются и питание с контроллера убирается, что влечет отключение преобразователя.
В качестве силовых транзисторов могут использоваться IRFZ44, IRFZ46, IRFZ48, IRF3205. Последние позволяют при соответствующем силовом трансформаторе получить до 200 Вт, а при ОТЛИЧНОМ охлаждении и до 300Вт.
В качестве выпрямителей используются диоды Шоттки, имеющие внутри корпуса ТО-220 по два диода, что уменьшает габариты печатной платы. Однако тут следует обращать внимание на напряжение, которое эти диоды могут выдержать. В данном случае используются диоды с максимальным напряжением 150 В. Это означает, что в идеальном случае выходное напряжение не стабилизированного варианта может быть не более 75 В (выпрямители со средней точкой требуют удвоенного максимального напряжения). А учитывая выбросы самоиндукции и необходимость стабилизации и того меньше, поскольку амплитуда напряжения не должна превышать максимальное напряжение диодов. С учетом этого, будет вполне уместно рассчитывать выходное напряжение трансформатора не более 50 % от максимального напряжения диодов, а оставшиеся 50 % поделим на две части - 25 % на выбросы самоиндукции и 25 % на необходимый запас для стабилизации выходного напряжения (амплитудное значение не должно превышать 55 В при напряжении питания преобразователя 14,5 В). Таким образом получается, что выходное напряжение данного преобразователя не должно быть выше 37 В. Для получения двуполярного напряжения минусовой вывод одного выходного напряжения соединяют с плюсовым выводом второго выходного напряжения.
Однако есть и высоковольтные диоды, например STTH1002CG содержит два 8-ми амперных диода с максимальным напряжением 200 В, что позволит получить на выходе до 50 В.
Осталось рассмотреть силовой трансформатор TV1 и дроссели фильтров питания L1-L3. Однако аналогичные узлы есть и у более мощных вариантов и чтобы не вдаваться в подробности о моточных деталях, которые будут описаны ниже, пока рассмотрим вариант с двумя парами силовых транзисторов.
Поскольку схема силовой части у нас со средней точкой, то обе полуобмотки должны быть АБСОЛЮТНО одинаковыми, а учитывая небольшое количество витков, то даже 1/4 витка будет существенно влиять на перекос магнитного поля и в конечном итоге на КПД. Для получения идентичности следует мотать обе полуобмотки одновременно, а потом начало одной полуобмотки соединить с концом второй. В результате мы получаем что-то похожее на рисунок 14.
Рисунок 14
Как видно из рисунка, обмотка сильно растянута по сердечнику и это скверно, поскольку данное расположение обмотки вызывает довольно большие потери, поскольку изначально магнитное поле витков направленно не внутрь магнитопровода, а в разные стороны (рисунок 15).
Рисунок 15
Именно по этой причине не рекомендуется изготавливать трансформаторы на тороидальном сердечнике с количеством витков первичной обмотки менее 4. Это означает только одно - при напряжении питания 12 В трансформаторы имеют какую-то максимальную мощность, поскольку и увеличение сердечника приводит к снижению количества витков первичной обмотки, и повышение частоты преобразования приводит к снижению количества витков обмотки, т.е. есть "упор" дальше которого нельзя.
Для нашего сердечника, учитывая 4-х витковую первичную обмотку у нас получается, что максимальную мощность можно получить при частоте 56 кГц и составит она примерно 409 Вт.
Однако, при единичном изготовлении преобразователя, можно пойти на хитрость и отказаться от использования кольца К45х28х24 с материалом M2000HM1-17, а вместо него использовать Ш-образный сердечник от импульсного блока питания современных телевизоров (рисунок 16), который можно раздобыть в любой телемастерской и обычно за копейки. Но тут есть одно, довольно большое НО! А может и не такое уж большое...
Рисунок 16
Проблема заключается в том, что феррит для одного и того же трансформатора, стоящего в одной и той же марке телевизора, разный и имеет разную проницаемость. Основные производители ферритов для данных блоков питания являются Китай и Турция (данные с завода, где телевизоры собирают, но так и не смогли ни чего сказать о проницаемости сердечника). Выяснить какая именно проницаемость конечно же можно, проведя ряд экспериментальных замеров, но вот только нужны ли они? Нет - это не шутка.
Минимальное количество витков первичной обмотки на Ш-образном сердечнике можно снизить до трех, следовательно количество витков для первичной обмотки уже есть. Рассчитать количество витков вторичной обмотки можно через пропорцию. Ну а частоту преобразования как раз и выяснить опытным путем. Для этого закорачивается светодиод оптрона, чтобы получить максимальную длительность открытого состояния силовых транзисторов. Частоту преобразования устанавливают в пределах 85-90 кГц (этот феррит едва греется при этих частотах преобразования). Силовую часть лучше пока не задействовать. Для этого первое включение производится подачей 12 В на плюсовой вывод конденсатора С3. После проверки работоспособности контроллера, подключают силовую часть и частоту постепенно снижают до резкого повышения температуры силовых транзисторов (установленных на радиатор), что будет означать вход сердечника в насыщение (можно ориентироваться на резкое повышение потребляемого тока). Речь идет именно о резком повышении температуры - незначительное повышение температуры транзисторов вызвано нагревом установленных внутри транзисторов диодов, которые гасят на себя выбросы самоиндукции.
Во время настройки, конечно же удобней пользоваться частотомером, однако под рукой он далеко не у каждого. Для решения этой проблемы можно использовать выдержку из техдокументации завода производителя. Правда частота может незначительно отличатся у разных производителей, тем не менее приблизительное представление о частоте можно получить из таблицы:
| Параметры получены у TL494 данного производителя | R5 | C5 | Частота преобразования |
| Texas Instruments | 10 кОм | 680 пкФ | 110 кГц |
| 820 пкФ | 91 кГц | ||
| 1000 пкФ | 78 кГц | ||
| 1200 пкФ | 67 кГц | ||
| 1500 пкФ | 54 кГц |
Если же частота снижается ниже 50 кГц, а сердечник в насыщение не входит, то дальнейшее снижение частоты смысла не имеет, поскольку уже можно оставить все как есть - выигрыш по мощности будет не большой, а вот возникновение слышимых помех от преобразователя в звуковом тракте уже возможно.
Для примера рассмотрим несколько сердечников, которые попадались чаще других.
RB29, RB32 имеют одинаковые габаритные размеры и с обоих можно получить 310...330 Вт при частоте преобразования 55...65 кГц. Первичная обмотка содержит две полуобмотки по 3 витка, феррит имеет следующие размеры: высота - 42,5, ширина - 49, толщина - 17, высота окна - 26, используется в телевизорах с размером кинескопа 54 см.
BCK-46D, используется в телевизорах с диагональю кинескопа 72 см, имеет следующие габариты: высота - 50, ширина - 60, толщина - 19, высота окна - 35. Первичная обмотка содержит две полуобмотки по 3 витка, при частоте преобразования 50...55 кГц позволяет развить на нагрузке порядка 410...420 Вт.
К преобразователю напряжения, выполненному на сердечнике RB32 подключались следующие усилители:
- два УМЗЧ СТОНЕКОЛД, питание составляло ±46 В, при заведенном двигателе питание "проваливалось" не более чем на 5 В в отрицательном плече питания;
- один УМЗЧ ЛАНЗАР, питание составляло ±60 В, при заведенном двигателе питание "проваливалось" не более чем на 7 В в отрицательном плече питания при работе в качестве широкополосного и не более чем на 5 В при работе в качестве сабвуферного;
- четыре УМЗЧ на базе TDA7293, питания составляло ±32 В, при заведенном двигателе питание "проваливалось" не более чем на 7 В в отрицательном плече питания;
Не смотря на кажущийся слишком большой "провал" напряжения вторичного питания, следует сделать несколько поправок. Во первых, в качестве нагрузки использовалось АКТИВНОЕ сопротивление - нихромовые спирали диаметром провода 2 мм и сопротивлением 3,4 Ома (для УМЗЧ это довольно тяжелый режим, поскольку отсутствует реактивное сопротивление АС, а активное на 15 % меньше, чем должно быть). Во вторых - просадка напряжения питания происходила в два этапа. Первая просадка составляла 2-3 В при получении 2-3 % от максимальной мощности усилителя, т.е. практически с появлением звукового сигнала. Затем выходное напряжение преобразователя оставалось неизменным, вплоть до появления клиппинга (колебания менее 0,5 В не считались за изменение напряжения питания) и только когда клиппинг становился ярко выраженным, выходное напряжение опускалось еще на 2-4 В. Из этого следует вывод, что преобразователь обеспечивает необходимую выходную мощность даже на активную нагрузку, а регулировку выходного напряжения преобразователя следует производить с поправкой на небольшой излишек, образовывающийся в режиме "молчания" (холостого хода).
Вторичное питание для первых двух вариантов было организованно при помощи диодного моста из диодов HFA15TB60, использовался дроссель групповой стабилизации, выполненный на феррите силового трансформатора от компьютерного блока питания мощностью 300 Вт. На преобразователе, во вторичном питании, стояли конденсаторы по 1000 мкФ х 100 В на плечо, на платах усилителей - 470 мкФ на плечо. Запас по напряжению трансформатора составлял 60%.
Для варианта с TDA7293 использовались выпрямители с диодами Шоттки 30CPQ150 и два отдельно намотанных дросселя, запас по напряжению составлял 40%.
Обмотки можно намотать на оправке и затем собрать трансформатор, а можно и использовать каркас, на котором были намотаны обмотки для телевизионного питания. Соответственно готовый трансформатор приобретет вид на рисунках 17 и 18. При намотке трансформатора ОБЯЗАТЕЛЬНО помните, что для хорошей стабилизации у трансформатора должен быть запас по напряжению и ни как не меньше 30%. Другими словами, если Вам необходим преобразователь с выходным напряжением ±50 В, то расчетное напряжение с трансформатора должно составлять 50 / 100 х 30 + 50 = 65. Если нет уверенности в том, что сможете обеспечить "достойное" питание преобразователя установкой ионистора (см ниже), то запас лучше сделать 50-60 % и увеличить площадь радиатора под силовые транзисторы преобразователя - греются не только кристаллы транзисторов, но и интегрированные в них диоды.
Намотка трансформатора несколько специфичная - сначала мотается вторичная обмотка, поскольку витков у нее больше, а провод тоньше и его легче будет отформовать. Затем мотается первичная обмотка и раскладывается таким образом, чтобы полуобмотки имели максимально одинаковую форму.
Рисунок 17
Рисунок 18
После сборки, трансформатор необходимо чем-то обработать, чтобы исключить сдвигание обмоток и рассоединение сердечника. Как показал опыт, для этих нужд оптимально подходит антигравий, продающийся в автомагазинах (BODY 950, ANTICHIP). Продается в виде аэрозоля и банок под пистолет, последний немного удобней, поскольку наносить можно кисточкой, а при герметичном закрывании остатки могут хранится не один год (перед консервацией на длительное время желательно долить в банку растворителя 647, примерно грамм 100-150). После высыхания вещество приобретает свойства резины с довольно неплохими механическими качествами. Кроме этого, при необходимости, разборка трансформатора не составит труда - трансформатор обматывается тряпкой смоченной 647-м растворителем, упаковывается в целлофановый пакет и оставляется на ночь. Антигравий под действием паров растворителя через 6-8 часов размягчается и разобрать трансформатор будет легко.
С силовой частью разобрались, приступим к остальным моточным деталям. Защита от перегрузки выполнена на базе трансформатора тока. На схеме это трансформатор TV1 и хотя на схеме написано, что первичная обмотка содержит 1 виток это не совсем так. В качестве сердечника трансформатора тока используется Ш-образный феррит от фильтра питания ЛЮБОГО телевизора, например показанный на рисунке 19.
Рисунок 19
Выводы первичной обмотки от силового трансформатора просто продеваются в окна, причем даже одной пары выводов вполне достаточно. Вторичная обмотка содержит 3-5 витков. После установки конструкция приобретает вид, показанный на рисунке 20. Крепится трансформатор тока к силовому при помощи того же антигравия.
Рисунок 20
Дроссель L1 необходим для исключения проникновения помех от работы преобразователя в бортовую сеть. По большому счету, желательно индуктивность побольше, а активное сопротивление поменьше. Однако здесь возникает проблема габаритов и на практике получается формула лишь бы бы дросселек. Поэтому данный узел можно выполнить на кусочке феррита от магнитной антенны радиоприемника (СВ диапазон), можно использовать фрагмент сердечника подходящего размера. Сечение провода такое же как у первичной обмотки, количество витков - ну хотя бы 5-6.
Осталось рассмотреть индуктивности вторичного питания. Сечение такое же как у вторичной обмотки, магнитопровод для варианта по рисунку 8 можно использовать такие же как на рисунке 19, можно использовать кольца диаметром 16...20 мм M2000HM. Количество витков можно конечно же рассчитать, но исходя из логики чем больше индуктивность, тем меньше пульсаций выходного напряжения, количество витков лучше выбрать по максимуму, т.е. до заполнения окна.
Для варианта по схеме рисунка 9 индуктивности вторичного питания можно реализовать двумя способами:
- использовать раздельные дроссели, как в предыдущей версии;
- использовать дроссель групповой стабилизации.
Принцип работы дросселя групповой стабилизации основан на намагничивании магнитопровода (рисунок 21).
Рисунок 21
Напряжение контролируется на "минусовом" выходе двуполярного напряжения и при изменении его величины оптрон заставляет TL494 выровнять выходное напряжение. При изменении напряжения на "плюсовом" выходе, происходит перекос магнитного поля и сердечник намагничивается, что приводит к изменению реактивного сопротивления нижней обмотки L2, в результате происходит изменение и "минусового" выходного напряжения, а оно контролируется оптроном, который снова выравнивает выходное напряжение. Например, нагрузка на плюсовом напряжении увеличилась, намагниченный сердечник препятствует прохождению напряжения через нижнюю обмотку L2 и минусовое напряжение начинает уменьшаться. Скорость уменьшения зависит от того, какая нагрузка присутствует на минусовом напряжении и емкости конденсаторов C22, C23. И если нагрузка по минусовому напряжению не велика, а емкость указанных конденсаторов большая, то хорошей стабилизации по плюсовому напряжению не стоит ожидать - оно будет "проваливаться" и довольно ощутимо. Поэтому правило "Чем больше емкость по питанию - тем лучше" здесь не работает, как в сетевых блоках питания на базе традиционных трансформаторов.
Дроссель групповой стабилизации выполняется на феррите любого типа - кольцо, Ш-образный, броневой. Разумеется, что чем больше витков, тем сильнее получится магнитная связь между напряжениями. Далеко не последнее место играют и габариты сердечника. Для мощностей до 100 Вт сердечника из кольца диаметром 20...28 мм достаточно. При мощностях нагрузки от 100 до 200 Вт потребуется кольцо диаметром 26...32 мм. При мощностях выше 200 Вт кольцо должно быть от 30 до 40 мм в диаметре. Толщина кольца желательно побольше. При использовании только двуполярного выходного напряжения количество витков обоих обмоток должно быть одинаковым и желательно максимальным, т.е. до заполнения. Если же в преобразователе используется несколько выходных напряжений, то соотношение количества витков должно быть обратнопропорционально потребляемым мощностям. Например, от одного выходного напряжения потребляется 100 Вт, количество витков берем равным 20. Если у другого потребителя мощность составляет 200 Вт, то количество витков на дросселе для этого потребителя должно быть в 2 раза меньше, поскольку мощность в 2 раза больше и магнитное поле будет в 2 раза мощнее. Следовательно для этого потребителя должно быть намотано 10 витков. При намотке особое внимание следует уделять началу-концу обмотки, поскольку фазировка обмоток целиком влияет на функциональность дросселя групповой стабилизации.
Использование электролитов больших емкостей на выходе импульсного источника не обосновано - при частотах преобразования в десятки киллоГерц пульсации сглаживаются пленочными конденсаторами и дросселями, на которые скупиться не следует. Удерживать мгновенное изменение мощности нагрузки лучше мощностью трансформатора. Электролиты лишь служат для выравнивания напряжения в небольших пределах. Поэтому показанных на схемах 2000 мкФ на плечо более чем достаточно, причем 1000 мкФ ставят непосредственно на выходе преобразователя, а вторую 1000 мкФ лучше распределить и устанавливать в непосредственной близости оконечного каскада усилителя мощности. Для улучшения стабилизации напряжений не контролируемых оптроном, имеет смысл ввести дополнительную нагрузку, ускоряющую разряд конденсаторов С22, С23. Ну например, от этого напряжения запитать светодиодную подсветку сабвуфера, разумеется через токоограничивающие резисторы. Если же с подсветкой возится не хочется, то можно просто нагрузить минусовое напряжение на резистор 2...3 кОм мощностью 1-2 Вт.
В итоге получается примерно такой преобразователь напряжения:
Рисунок 22
Как видно из фото, антигравием трансформатор приклеен к печатной плате вместе с дросселями вторичного питания. В общем залито практически ВСЕ, что имеет более-менее большой вес и от тряски может попросту оторваться. В качестве клемм подключения используются колодки на 60 А, причем сами зажимы вытаскиваются из пластмассовой оправы и припаиваются к плате. Дорожки по которым протекает большой ток, залиты припоем для увеличения площади проводника.
При использовании в качестве усилителя мощности, усилитель класса D, настоятельно рекомендуется на выходе преобразователя поставить дополнительные индуктивности и добавить пленочных конденсаторов в каждое плечо питания. Дополнительные меры предосторожности от возможной девиации частоты преобразователя и самого УМЗЧ лишними не будут и существенно облегчат наладку всего устройства целиком.
С моточными деталями вроде разобрались и теперь вернемся к преобразователям большой мощности, точнее мощности больше 400 Вт.
Для получения больших мощностей от 12 В используется распределение мощностей, т.е. используется один управляющий модуль на базе TL494, а вот силовых модулей с транзисторами и трансформаторами может быть несколько. Использование одного контроллера обоснованно тем, что эта схемотехника полностью исключает паразитные магнитные связи между трансформаторами работающими от разных контроллеров, т.е. вся силовая часть работает синхронно. Принципиальная схема преобразователя с двумя трансформаторами приведена на рисунке 23. Из принципиальных отличий от предыдущего варианта, кроме двух комплектов силовой части, можно отметить измененную схему защиты. Трансформатор тока точно такой же как и в схеме выше, только установлено их два - на каждый силовой трансформатор свой. Напряжение с трансформаторов выпрямляется диодами VD1-VD4 и подается на регулятор чувствительности R30, а далее на тиристор VS1. При открытии тиристора блокируется не управляющее напряжение, как в предшественнике, а напряжение коллекторов последнего каскада контроллера, что ускоряет процесс остановки преобразования. Поскольку силовые ключи блокируются, напряжение питания начинает уменьшаться - сопротивление резистора R33 слишком велико. В результате, преобразователь останавливается полностью и будет находится в таком состоянии пока не будет снято напряжение с клеммы дистанционного включения "УПР".
В качестве силовых транзисторов можно использовать следующие:
| НАИМЕНОВАНИЕ | НАПРЯЖЕНИЕ, В | ТОК, A | СОПРОТИВЛЕНИЕ, ОМ | МОЩНОСТЬ, ВТ | ЕМКОСТЬ ЗАТВОРА, пкФ |
|
| IRFZ44N | 55 | 49 | 0.022 | 110 | 1800 | |
| IRFZ46N | 50 | 50 | 0.024 | 150 | 1800 | |
| IRFZ48N | 55 | 64 | 0.016 | 140 | 2200 | |
| IRF3205 | 55 | 110 | 0.008 | 200 | 3250 | |
| IRF3710 | 100 | 57 | 0.023 | 200 | 3130 | |
| IRF3808 | 75 | 140 | 0.007 | 330 | 5300 | |
| IRF8010 | 100 | 80 | 0.015 | 260 | 3830 | |
| При выборе транзисторов не стоит забывать о том, что при повышении температуры максимальный ток снижается, например транзистор IRFZ44 имеет максимальный ток 49А при температуре кристалла 25 градусов и 35 А при температуре кристалла 100 градусов. Кроме этого помните, что к стоку прикладывается удвоенное напряжение питания. | ||||||
В качестве выпрямительных диодов вторичного питания, можно использовать следующие диоды:
| Тип диода | Максимальный ток, А | Максимальное напряжение, В |
| ОДИНАРНЫЕ | ||
| HFA15TB60 | 15 | 600 |
| 15ETH06FP | 15 | 600 |
| 15ETX06FP | 15 | 600 |
| HFA16TB120 | 16 | 1200 |
| 30EPF06 | 30 | 600 |
| HFA25TB60 | 25 | 600 |
| 40EPF06 | 40 | 600 |
| СДВОЕННЫЕ | ||
| STTH1002 | 2 х 8 | 200 |
| 16CTQ100 | 2 х 8 | 100 |
| 20CTQ150 | 2 х 10 | 150 |
| STTH2003CFP | 2 х 10 | 300 |
| HFA30TA60C | 2 х 15 | 600 |
| 30CPQ150 | 2 х 15 | 150 |
| 40CPQ100 | 2 х 20 | 100 |
| 60CPQ150 | 2 х 30 | 150 |
Не лишним будет и установка предохранителей. Если приобрести предохранитель на большой ток проблематично, можно изготовить его самостоятельно из медного провода. Диаметры провода и ток, при котором провод будет перегорать сведены в таблицу:
| ПЛАВКИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ | ||
| ТОК | МЕДЬ | |
| СЕЧЕНИЕ мм кв. | ДИАМЕТР мм | |
| 10 | 0,076 | 0,31 |
| 15 | 0,15 | 0,44 |
| 20 | 0,25 | 0,56 |
| 25 | 0,36 | 0,68 |
| 30 | 0,49 | 0,8 |
| 35 | 0,64 | 0,9 |
| 40 | 0,8 | 1 |
| 45 | 0,98 | 1,1 |
| 50 | 1,17 | 1,2 |
| 55 | 1,38 | 1,3 |
| 60 | 1,6 | 1,4 |
| 65 | 1,83 | 1,5 |
| 70 | 2,08 | 1,6 |
| 75 | 2,34 | 1,7 |
| 80 | 2,61 | 1,8 |
| 85 | 2,9 | 1,9 |
| 90 | 3,2 | 2 |
| 95 | 3,5 | 2,1 |
| 100 | 3,8 | 2,2 |
Далеко не на последнем месте стоит качество используемых пассивных элементов. Для создания качественного и надежного источника питания, лучше использовать комплектующие известных фирм. Например TL494 фирмы TI имеет более чувствительные усилители ошибки, что увеличивает коэф. стабилизации. Подробности о выборе конденсаторов изложены здесь.
Если преобразователь готов и полностью отлажен, к нему подключен усилитель и проверена их совместная работоспособность, можно устанавливать конструкцию в автомобиль.
Для этого потребуются специальные силовые кабели большого сечения, поскольку потребление довольно большое. От правильного выбора сечения зависит качество напряжения питания и если кабель слишком тонкий, то на нем будет падать довольно большое напряжение и все усилия по получению большой мощности пойдут на смарку. Минимальные сечения силовых кабелей сведены в таблицу:
| СЕЧЕНИЕ СИЛОВОГО ПРОВОДА ПИТАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ УМЗЧ | |||
| КОНФИГУРАЦИЯ (САБ) | ДЛИНА <1.5м | ДЛИНА >1.5...5м< | ДЛИНА >5м |
| СТЕРЕО 2х30Вт (2х60Вт) | 6 мм 2 | 10 мм 2 | 16 мм 2 |
| СТЕРЕО 2х50Вт (2х100Вт) | 10 мм 2 | 16 мм 2 | 21 мм 2 |
| СТЕРЕО 2х100Вт (2х200Вт) | 16 мм 2 | 21 мм 2 | 33 мм 2 |
| МОНО 1х250Вт (500Вт) | 16 мм 2 | 21 мм 2 | 33 мм 2 |
| МОНО 1х500Вт (1000Вт) | 33 мм 2 | 33 мм 2 | 42 мм 2 |
Кроме этого, будет не лишним установка перед преобразователем конденсатора большой емкости - ионистора. Емкость данного конденсатора выбирается в зависимости от мощности преобразователя. Минимальное значение - примерно 0,25 Ф на каждые 200 Вт мощности.
К сожалению, страница Шихмана о СУПЕРКОНДЕНСАТОРАХ не открывается уже недели три, а на этой странице было довольно подробно изложено, что из себя представляют и для чего служат конденсаторы на несколько Фарад, устанавливаемые перед автомобильными усилителями. Поэтому приведу только цитату из этой статьи:
Буферные конденсаторы вряд ли окажут существенную помощь участникам SPL-состязаний, хотя и стабилизируют напряжение питания головных устройств и сигнальных процессоров. Однако они расширяют возможности батареи и обеспечивают неискаженную передачу импульсных сигналов, снижают коэффициент гармоник на низких частотах и будут весьма полезны поклонникам чистого звучания.
На всякий случай ссылочка на эту статью - может заработает когда...
На последок, осталось добавить немного информации о радиаторах, хотя в общем то добавить не чего - в разных условиях, при разных УМЗЧ силовая часть греется по разному, поэтому с площадью охлаждения радиатора лучше не скупится - защита только от перегрузки, но не от перегрева, а тепловой пробой вполне вероятен. Использовать принудительное охлаждение можно, однако давайте поправку на то, что устройство эксплуатируется в весьма запыленной среде и вентиляторы будут забиваться очень часто.
