Схема импульсного однотактного блока питания: Обзор импульсных блоков питания и электронных трансформаторов. Часть 1

Импульсные источники питания, теория и простые схемы

Импульсный источник питания — это инверторная система, в которой входное переменное напряжение выпрямляется, а потом полученное постоянное напряжение преобразуется в импульсы высокой частоты и установленой скважности, которые как правило, подаются на импульсный трансформатор.

Импульсные трансформаторы изготавливаются по такому же принципу, как и низкочастотные трансформаторы, только в качестве сердечника используется не сталь (стальные пластины), а феромагнитные материалы — ферритовые сердечники.

Рис. Как работает импульсный источник питания.

Выходное напряжение импульсного источника питания стабилизировано, это осуществляется посредством отрицательной обратной связи, что позволяет удерживать выходное напряжение на одном уровне даже при изменении входного напряжения и нагрузочной мощности на выходе блока.

Обратная отрицательная связь может быть реализована при помощи одной из дополнительных обмоток в импульсном трансформаторе, или же при помощи оптрона, который подключается к выходным цепям источника питания. Использование оптрона или же одной из обмоток трансформатора позволяет реализовать гальваническую развязку от сети переменного напряжения.

Основные плюсы импульсных источников питания (ИИП):

• малый вес конструкции;
• небольшие размеры;
• большая мощность;
• высокий КПД;
• низкая себестоимость;
• высокая стабильность работы;
• широкий диапазон питающих напряжений;
• множество готовых компонентных решений.

К недостаткам ИИП можно отнести то что такие блоки питания являются источниками помех, это связано с принципом работы схемы преобразователя. Для частичного устранения этого недостатка используют экранировку схемы. Также из-за этого недостатка в некоторых устройствах применение данного типа источников питания является невозможным.

Импульсные источники питания стали фактически непре­менным атрибутом любой современной бытовой техники, потреб­ляющей от сети мощность свыше 100 Вт. В эту категорию попадают компьютеры, телевизоры, мониторы.

Для создания импульсных источников питания, примеры конкретного воплощения которых будут приведены ниже, приме­няются специальные схемные решения.

Так, для исключения сквозных токов через выходные тран­зисторы некоторых импульсных источников питания используют специальную форму импульсов, а именно, биполярные импульсы прямоугольной формы, имеющие между собой промежуток во времени.

Продолжительность этого промежутка должна быть больше времени рассасывания неосновных носителей в базе вы­ходных транзисторов, иначе эти транзисторы будут повреждены. Ширина управляющих импульсов с целью стабилизации выходно­го напряжения может изменяться с помощью обратной связи.

Обычно для обеспечения надежности в импульсных ис­точниках питания используют вьюоковольтные транзисторы, ко­торые в силу технологических особенностей не отличаются в лучшую сторону (имеют низкие частоты переключения, малые коэффициенты передачи по току, значительные токи утечки, большие падения напряжения на коллекторном переходе в от­крытом состоянии).

Особенно это касается устаревших ныне мо­делей отечественных транзисторов типа КТ809, КТ812, КТ826, КТ828 и многих других. Стоит сказать, что в последние годы поя­вилась достойная замена биполярным транзисторам, традицион­но используемых в выходных каскадах импульсных источников питания.

Это специальные высоковольтные полевые транзисто­ры отечественного, и, главным образом, зарубежного производ­ства. Кроме того, существуют многочисленные микросхемы для импульсных источников питания.

Схема генератора импульсов регулируемой ширины

Биполярные симметричные импульсы регулируемой ши­рины позволяет получить генератор импульсов по схеме на рис.1. Устройство может быть использовано в схемах авторегулирования выходной мощности импульсных источников питания. На микросхеме DD1 (К561ЛЕ5/К561 ЛАТ) собран гене­ратор прямоугольных импульсов со скважностью, равной 2.

Симметрии генерируемых импульсов добиваются регулировкой резистора R1. Рабочую частоту генератора (44 кГц) при необхо­димости можно изменить подбором емкости конденсатора С1.

Рис. 1. Схема формирователя биполярных симметричных импульсов регулируемой длительности.

На элементах DA1.1, DA1.3 (К561КТЗ) собраны компарато­ры напряжения; на DA1.2, DA1.4 — выходные ключи. На входы компараторов-ключей DA1.1, DA1.3 в противофазе через форми­рующие RC-диодные цепочки (R3, С2, VD2 и R6, СЗ, VD5) пода­ются прямоугольные импульсы.

Заряд конденсаторов С2, СЗ происходит по экспоненциальному закону через R3 и R5, соответ­ственно; разряд — практически мгновенно через диоды VD2 и VD5. Когда напряжение на конденсаторе С2 или СЗ достигнет по­рога срабатывания компараторов-ключей DA1.1 или DA1.3, соот­ветственно, происходит их включение, и резисторы R9 и R10, а также управляющие входы ключей DA1.2 и DA1.4 подключаются к положительному полюсу источника питания.

Поскольку включение ключей производится в противофазе, такое переключение происходит строго поочередно, с паузой меж­ду импульсами, что исключает возможность протекания сквозного тока через ключи DA1.2 и DA1.4 и управляемые ими транзисторы преобразователя, если генератор двухполярных импульсов ис­пользуется в схеме импульсного источника питания.

Плавное ре­гулирование ширины импульсов осуществляется одновременной подачей стартового (начального) напряжения на входы компарато­ров (конденсаторы С2, СЗ) с потенциометра R5 через диодно-ре-зистивные цепочки VD3, R7 и VD4, R8. Предельный уровень управляющего напряжения (максимальную ширину выходных им­пульсов) устанавливают подбором резистора R4.

Сопротивление нагрузки можно подключить по мостовой схеме — между точкой соединения элементов DA1.2, DA1.4 и кон­денсаторами Са, Сb. Импульсы с генератора можно подать и на транзисторный усилитель мощности.

При использовании генератора двухполярных импульсов в схеме импульсного источника питания в состав резистивного де­лителя R4, R5 следует включить регулирующий элемент — поле­вой транзистор, фотодиод оптрона и т.д., позволяющий при уменьшении/увеличении тока нагрузки автоматически регулиро­вать ширину генерируемого импульса, управляя тем самым вы­ходной мощностью преобразователя.

В качестве примера практической реализации импульсных источников питания приведем описания и схемы некоторых из них.

Схема испульсного источника питания

Импульсный источник питания (рис. 2) состоит из выпря­мителей сетевого напряжения, задающего генератора, формиро­вателя прямоугольных импульсов регулируемой длительности, двухкаскадного усилителя мощности, выходных выпрямителей и схемы стабилизации выходного напряжения.

Задающий генератор выполнен на микросхеме типа К555ЛАЗ (элементы DDI .1, DDI .2) и вырабатывает прямоугольные импульсы частотой 150 кГц. На элементах DD1.3, DD1.4 собран RS-триггер, на выходе которого частота вдвое меньше — 75 кГц. Узел управления длительностью коммутирующих импульсов реализован на микро­схеме типа К555ЛИ1 (элементы DD2.1, DD2.2), а регулировка дли­тельности осуществляется с помощью оптрона U1.

Выходной каскад формирователя коммутирующих импуль­сов собран на элементах DD2.3, DD2.4. Максимальная мощность на выходе формирователя импульсов достигает 40 мВт. Предва­рительный усилитель мощности выполнен на транзисторах VT1, VT2 типа КТ645А, а оконечный — на транзисторах VT3, VT4 типа КТ828 или более современных. Выходная мощность каскадов — 2 и 60…65 Вт, соответственно.

На транзисторах VT5, VT6 и оптроне U1 собрана схема стабилизации выходного напряжения. Если напряжение на выхо­де источника питания ниже нормы (12 В), стабилитроны VD19, VD20 {КС182+КС139) закрыты, транзистор VT5 закрыт, транзи­стор VT6 открыт, через светодиод (U1.2) оптрона протекает ток, ограниченный сопротивлением R14; сопротивление фотодиода (U1.1) оптрона минимально.

Сигнал, снимаемый с выхода элемен­та DD2.1 и поступающий на входы схемы совпадения DD2.2 на­прямую и через регулируемый элемент задержки (R3 — R5, С4, VD2, U1.1), в силу его малой постоянной времени поступает практически одновременно на входы схемы совпадения (элемент DD2.2).

На выходе этого элемента формируются широкие управ­ляющие импульсы. На первичной обмотке трансформатора Т1 (выходах элементов DD2.3, DD2.4) формируются двухполярные импульсы регулируемой длительности.

Рис. 2. Схема импульсного источника питания.

Если по какой-либо причине напряжение на выходе источни­ка питания будет увеличиваться сверх нормы, через стабилитроны VD19, VD20 начнет протекать ток, транзистор VT5 приоткроется, VT6 — закроется, уменьшая ток через светодиод оптрона U1.2.

При этом возрастает сопротивление фотодиода оптрона U1.1. Длительность управляющих импульсов уменьшается, и происхо­дит уменьшение выходного напряжения (мощности). При коротком замыкании нагрузки светодиод оптрона гаснет, сопротивление фотодиода оптрона максимально, а длительность управляющих импульсов — минимальна. Кнопка SB1 предназначена для запус­ка схемы.

При максимальной длительности положительные и отрица­тельные управляющие импульсы не перекрываются во времени, поскольку между ними существует временная просечка, обу­словленная наличием резистора R3 в формирующей цепи.

Тем самым снижается вероятность протекания сквозных токов через выходные относительно низкочастотные транзисторы оконечного каскада усиления мощности, которые имеют большое время рас­сасывания избыточных носителей на базовом переходе. Выход­ные транзисторы установлены на ребристые теплоотводящие радиаторы с площадью не менее 200 см^2. В базовые цепи этих транзисторов желательно установить сопротивления величиной 10…51 Ом.

Каскады усиления мощности и схема формирования двух­полярных импульсов получают питание от выпрямителей, выпол­ненных на диодах VD5 — VD12 и элементах R9 — R11, С6 — С9, С12, VD3, VD4.

Трансформаторы Т1, Т2 выполнены на ферритовых коль­цах К10x6x4,5 ЗОООНМ; ТЗ — К28х16х9 ЗОООНМ. Первичная об­мотка трансформатора Т1 содержит 165 витков провода ПЭЛШО 0,12, вторичные — 2×65 витков ПЭЛ-2 0,45 (намотка в два прово­да).

Первичная обмотка трансформатора Т2 содержит 165 вит­ков провода ПЭВ-2 0,15 мм, вторичные — 2×40 витков того же провода. Первичная обмотка трансформатора ТЗ содержит 31 виток провода МГШВ, продетого в кембрик и имеющего сечение 0,35 мм^2, вторичная обмотка имеет 3×6 витков провода ПЭВ-2 1,28 мм (параллельное включение). При подключении обмоток трансформаторов необходимо правильно их фазировать. Начала обмоток показаны на рисунке звездочками.

Источник питания работоспособен в диапазоне измене­ния сетевого напряжения 130…250 В. Максимальная выходная мощность при симметричной нагрузке достигает 60…65 Вт (ста­билизированное напряжение положительной и отрицательной по­лярности 12 S и стабилизированное напряжение переменного тока частотой 75 кГц, снимаемые,со вторичной обмотки транс­форматора Т3). Напряжение пульсаций на выходе источника пи­тания не превышает 0,6 В.

При налаживании источника питания сетевое напряжение на него подают через разделительный трансформатор или фер-рорезонансный стабилизатор с изолированным от сети выходом. Все перепайки в источнике допустимо производить только при полном отключении устройства от сети.

Последовательно с вы­ходным каскадом на время налаживания устройства рекоменду­ется включить лампу накаливания 60 Вт на 220 В. Эта лампа защитит выходные транзисторы в случае ошибок в монтаже. Оптрон U1 должен иметь напряжение пробоя изоляции не менее 400 В. Работа устройства без нагрузки не допускается.

Сетевой импульсный источник питания

Сетевой импульсный источник питания (рис. 3) разрабо­тан для телефонных аппаратов с автоматическим определителем номера или для других устройств с потребляемой мощностью 3…5Вт, питаемых напряжением 5…24В.

Источник питания защищен от короткого замыкания на вы­ходе. Нестабильность выходного напряжения не превышает 5% при изменении напряжения питания от 150 до 240 В и тока нагруз­ки в пределах 20… 100% от номинального значения.

Управляемый генератор импульсов обеспечивает на базе транзистора VT3 сигнал частотой 25…30 кГц.

Дроссели L1, L2 и L3 намотаны на магнитопроводах типа К10x6x3 из пресспермаллоя МП140. Обмотки дросселя L1, L2 со­держат по 20 витков провода ПЭТВ 0,35 мм и расположены каж­дая на своей половине кольца с зазором между обмотками не менее 1 мм.

Дроссель L3 наматывают проводом ПЭТВ 0,63 мм виток к витку в один слой по внутреннему периметру кольца. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе Б22 из феррита М2000НМ1.

Рис. 3. Схема сетевого импульсного источника питания.

Его обмотки наматывают на разборном каркасе ви­ток к витку проводом ПЭТВ и пропитывают клеем. Первой нама­тывают в несколько слоев обмотку I, содержащую 260 витков провода 0,12 мм. Таким же проводом наматывают экранирующую обмотку с одним выводом (на рис. 3 показана пунктирной лини­ей), затем наносят клей БФ-2 и обматывают одним слоем лакот-кани.

Обмотку III наматывают проводом 0,56 мм. Для выходного напряжения 5В она содержит 13 витков. Последней наматывают обмотку II. Она содержит 22 витка провода 0,15…0,18 мм. Между чашками обеспечивают немагнитный зазор.

Высоковольтный источник постоянного напряжения

Для создания высокого напряжения (30…35 кВ при токе на­грузки до 1 мА) для питания электроэффлювиальной люстры (люстры А. Л. Чижевского) предназначен источник питания посто­янного тока на основе специализированной микросхемы типа К1182ГГЗ.

Источник питания состоит из выпрямителя сетевого напря­жения на диодном мосте VD1, конденсатора фильтра С1 и высоковольтного полумостового автогенератора на микросхеме DA1 типа К1182ГГЗ. Микросхема DA1 совместно с трансформатором Т1 преобразует постоянное выпрямленное сетевое напряжение в высокочастотное (30…50 кГц) импульсное.

Выпрямленное сетевое напряжение поступает на микросхе­му DA1, а стартовая цепочка R2, С2 запускает автогенератор микросхемы. Цепочки R3, СЗ и R4, С4 задают частоту генерато­ра. Резисторы R3 и R4 стабилизируют длительность полуперио­дов генерируемых импульсов. Выходное напряжение повышается обмоткой L4 трансформатора и подается на умножитель напря­жения на диодах VD2 — VD7 и конденсаторах С7 — С12. Выпрям­ленное напряжение подается на нагрузку через ограничительный резистор R5.

Конденсатор сетевого фильтра С1 рассчитан на рабочее на­пряжение 450 В (К50-29), С2 — любого типа на напряжение 30 В. Конденсаторы С5, С6 выбирают в пределах 0,022…0,22 мкФ на напряжение не менее 250 В (К71-7, К73-17). Конденсаторы умно­жителя С7 — С12 типа КВИ-3 на напряжение 10 кВ. Возможна за­мена на конденсаторы типов К15-4, К73-4, ПОВ и другие на рабочее напряжение 10кB или выше.

Рис. 4. Схема высоковольтного источника питания постоянного тока.

Высоковольтные диоды VD2 — VD7 типа КЦ106Г (КЦ105Д). Ограничительный резистор R5 типа КЭВ-1. Его можно заменить тремя резисторами типа МЛТ-2 по 10 МОм.

В качестве трансфор­матора используется телевизионный строчный трансформатор, например, ТВС-110ЛА. ВЬюоковольтную обмотку оставляют, ос­тальные удаляют и на их месте размещают новые обмотки. Об­мотки L1, L3 содержат по 7 витков провода ПЭЛ 0,2 мм, а обмотка L2 — 90 витков такого же провода.

Цепочку резисторов R5, ограничивающих ток короткого замыкания, рекомендуется включить в «минусовой» провод, кото­рый подводится к люстре. Этот провод должен иметь вьюоко-вольтную изоляцию.

Корректор коэффициента мощ­ности

Устройство, именуемое корректором коэффициента мощ­ности (рис. 5), собрано на основе специализированной микро­схемы TOP202YA3 (фирма Power Integration) и обеспечивает коэффициент мощности не менее 0,95 при мощности нагрузки 65 Вт. Корректор приближает форму тока, потребляемую нагруз­кой, к синусоидальной.

Рис. 5. Схема корректора коэффициента мощности на микро­схеме TOP202YA3.

Максимальное напряжение на входе — 265 В. Средняя час­тота преобразователя — 100 кГц. КПД корректора — 0,95.

Импульсный источник питания с микросхемой

Схема источника питания с микросхемой той же фирмы Po­wer Integration показана на рис. 6. В устройстве применен полупроводниковый ограничитель напряжения — 1,5КЕ250А.

Пре­образователь обеспечивает гальваническую развязку выходного напряжения от напряжения сети. При указанных на схеме номина­лах и элементах устройство позволяет подключать нагрузку, по­требляющую 20 Вт при напряжении 24 В. КПД преобразователя приближается к 90%. Частота преобразования — 100 Гц. Устрой­ство защищено от коротких замыканий в нагрузке.

Рис. 6. Схема импульсного источника питания 24В на микросхеме фирмы Power Integration.

Выходная мощность преобразователя определяется типом используемой микросхемы, основные характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики микросхем серии TOP221Y — TOP227Y.

Тип микросхемы	Рmax, Вт	Ток срабатывания защиты, А	Сопротивление открытого тран­зистора, Ом
TOP221Y	7	0,25	31,2
T0P222Y	15	0,5	15,6
T0P223Y	30	1	7,8
T0P224Y	45	1,5	5,2
T0P225Y	60	2	3,9
T0P226Y	75	2,5	3,1
T0P227Y	90	3	2,6

Простой и высокоэффек­тивный преобразователь напряжения

На основе одной из микросхем ТОР200/204/214 фирмы Power Integration может быть собран простой и высокоэффек­тивный преобразователь напряжения (рис. 7) с выходной мощ­ностью до 100 Вт.

Рис. 7. Схема импульсного Buck-Boost преобразователя на микросхеме ТОР200/204/214.

Преобразователь содержит сетевой фильтр (С1, L1, L2), мостовой выпрямитель (VD1 — VD4), собственно сам преобразо­ватель U1, схему стабилизации выходного напряжения, выпрями­тели и выходной LC-фильтр.

Входной фильтр L1, L2 намотан в два провода на феррито-вом кольце М2000 (2×8 витков). Индуктивность полученной катуш­ки — 18…40 мГн. Трансформатор Т1 выполнен на ферритовом сердечнике со стандартным каркасом ETD34 фирмы Siemens или Matsushita, хотя можно использовать и иные импортные сердечни­ки типа ЕР, ЕС, EF или отечественные Ш-образные ферритовые сердечники М2000.

Обмотка I имеет 4×90 витков ПЭВ-2 0,15 мм; II — 3×6 того же провода; III — 2×21 витков ПЭВ-2 0,35 мм. Все об­мотки наматывают виток к витку. Между слоями должна быть обеспечена надежная изоляция.

Источник: Шустов М.А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения (2002).

Исправления: в схеме на рисунке 3 для катушки L2 изменена точка, указывающая начало намотки.

Как устроен блок питания, часть 5

В качестве самой просто схемы я покажу вариант с одним диодом и конденсатором. Такая схема используется в обратноходовых блоках питания, которые составляют сейчас подавляющее большинство.

В готовом блоке питания она выглядит так, как показано на этом фото.
Такие блоки питания чаще всего идут в комплекте с недорогой техникой.

Следующим шагом идет двухполупериодный выпрямитель. Эта схема использовал раньше весьма часто, но в последнее время вытеснена другой, которую я покажу позже.
Такая схемотехника чаще всего встречается в мощных блоках питания, особенно она удобна в нерегулируемых блоках на базе драйвера IR2151-2153, о которых я рассказывал в прошлой части.

Как я тогда сказал, она хорошо подходит для построения первичных источников питания, которые не являются стабилизированными, но которые имеют хороший КПД и могут использовать для питания других устройств, например как этот блок питания лабораторного источника питания.

Особое преимущество данной схемы в том, что ее очень легко переделать в двухполярную и использовать для питания усилителей мощности. В таком варианте добавляется всего пара диодов и конденсатор.

Когда мощности обратноходовой схемотехники не хватает, то используют ее прямоходовый вариант. Здесь энергия при одном такте сначала накапливается в дросселе, а потом через нижний диод поступает в нагрузку. Данная схемотехника очень похожа на схему классического StepDown преобразователя.

Заметить что блок питания собран по такой схемотехнике очень просто, на плате будет большой дроссель. В качестве фильтрующих дроссели с таким габаритом используют крайне редко, потому ошибиться сложно.

Но есть альтернативный вариант этой схемы. Он применяется чаще всего в компьютерных блоках питания и ведет свои истоки от первых БП формата АТ.

Здесь присутствует накопительный дроссель, а первичная обмотка силового трансформатора связана с одной из обмоток трансформатора управления. Если изъять дроссель из этой схемы, то блок питания при нагрузке выше определенной выйдет из строя.
То же самое касается и предыдущей схемы.

Отличить блоки питания последних двух типов очень легко, слева БП построенный по аналогии блока питания АТ формата, у него сразу заметен трансформатор около транзисторов, справа однотактный прямоходовый, трансформатора здесь нет.
Дроссели имеют разные размеры, но это следствие разной рабочей частоты и иногда экономии производителя. Меньший дроссель в работе скорее всего будет перегреваться, да и схема можно работать не очень надежно при максимальной мощности.

Чаще всего в качестве выходных диодов импульсных блоков питания используются диоды Шоттки. Они имеют два важных преимущества перед обычными:
1. Падение напряжения на них в 1.5-2 раза меньше
2. Они быстрее, чем обычные диоды, потому имеют меньше потер при переключении.

В блоках питания рассчитанных на высокое выходное напряжение применяют чаще всего обычные диоды, так как прямое падение у высоковольтных обычных и Шоттки примерно одинаково. Но из-за того что Шоттки быстрее, можно получить уменьшенные потери на снаббере, потому я советую применять их и здесь.

Так как после выпрямления на конденсаторе будут присутствовать заметные пульсации, то после него ставят LC фильтр или говоря простым языком — дроссель и конденсатор

Для примера "народный" блок питания где явно виден как дроссель, так и два конденсатора.

Дроссель необязательно будет большим, а вполне может быть совсем миниатюрным. Работать правда он будет хуже, но это лучше чем ничего.

Иногда дроссель вообще не ставят, хотя место под него есть. Это банальная экономия "на спичках", я всегда рекомендую установить на это место дроссель.

Для примера уровень пульсаций без дросселя и с дросселем. Но стоит учитывать, что после установки дросселя пульсации на первом конденсаторе вырастут, так как на него будет приходится "ударный" ток. Обычно именно он выходит из строя первым.

Улучшить ситуацию можно установив параллельно электролитическим конденсаторам керамические. Данная мера можно существенно облегчить режим работы электролитов. Но стоит иметь в виду, что эффективно они работают только при относительно небольших мощностях БП, а точнее при относительно небольших токах. Можно конечно поставить много таких конденсаторов, но это дорого и габаритно.

При доработке конденсаторы можно напаивать прямо на выводы электролитических конденсаторов.
Я применяю конденсаторы с емкостью 0.1-0.47мкФ.

Чтобы еще немного улучшить качество работы, следует внимательнее отнестись к разводке печатной платы. Если страссировать плату по типу того как я показал на схеме, то пульсации могут еще немного уменьшиться, тем более что это бесплатно.

Ну и последний шаг, установка синфазного дросселя на выходе блока питания. Такое применяется чаще всего в фирменных блоках питания, которым требуется проходить сертификацию на уровень помех излучаемых в эфир. В дешевых практически никогда не встречается.

Теперь об выходных конденсаторах.
Если вы пользуетесь дешевыми блоками питания, то скорее всего на выходе увидите либо вообще безымянные модели.

Либо подделку под фирменные. Например в народном блоке питания применяют подделки под Sanyo или Nichicon, проверить очень просто, по маркировке. Скорее всего вы либо вообще не найдете конденсаторов такой серии, либо в этой серии не будет такого номинала с таким габаритом как у вас, либо внешне они будут отличаться цветом, как в данном случае.
Такие подделки на самом деле не самый худший вариант, но лучше применять фирменные.
Кстати в двухтактных БП конденсаторы обычно живут дольше и требования к их качеству меньше чем у обратноходовых однотактных.

Но все равно, лучше применять именно фирменные конденсаторы, а не суррогаты с их именем. На фото блок питания фирмы Менвелл.

Для облегчения работы конденсаторов есть способ, когда вместо одного двух емких устанавливают много менее емких конденсаторов. В таком варианте нагрузка лучше распределяется и конденсаторы живут дольше.

Схема стабилизации.
Самый простой вариант — стабилизировать напряжение по обратной связи со вспомогательной обмотки трансформатора, правда такое решение и самое плохое в плане стабильности, так как влияет магнитная связь между обмотками и их активное сопротивление, зато дешево.

Следующий вариант сложнее, здесь в качестве порогового элемента применен стабилитрон. В таком варианте выходное напряжение Бп будет равно падению на стабилитроне + напряжению на светодиоде оптрона. Характеристики схемы так себе, но вполне приемлемы для некритичных нагрузок.

Например блок питания с такой стабилизацией. Сверху около оптрона ничего нет.

Снизу расположен стабилитрон и несколько резисторов

Но куда лучшие характеристики показывает схема с регулируемым стабилитроном TL431. Она имеет куда выше качество работы и точность поддержания в том числе лучше держит параметры при изменении температуры.

На плате она обычно выглядит так, как показано на фото.

Выглядит он примерно как обычный транзистор в корпусе ТО-92, отличие только в маркировке. Данный вариант встречается чаще всего. Альтернативный вариант, который вы можете встретить, SMD корпус SOT-23.

Расположение выводов в разных вариантах корпуса.

Например в "народном" блоке питания применен SMD вариант корпуса. На фото видны резисторы делителя обратной связи и вспомогательные, например "подтяжки" к питанию чтобы сформировать минимальный рабочий ток для стабилитрона.

Еще пара фото, сверху платы ничего нет, а стабилитрон TL431 находится снизу.

Иногда в цепи обратной связи ставят подстроечный резистор. Но сначала я скажу пару слов о том, как рассчитывается делитель.
Если применяется стандартный делитель из двух резисторов, то его номиналы подбираются таким образом чтобы при требуемом выходном напряжении в точке соединения было 2.5 Вольта, именно на это напряжение и рассчитана TL431, но стоит учитывать, что есть и более низковольтный вариант этой микросхемы, на 1.25 Вольта, хотя встречается он гораздо реже.
Теперь к подстроечному резистору. Для большего удобства на плате может располагаться подстроечный резистор, позволяющий менять выходное напряжение в небольших пределах, чаще всего +/- 10-20%, больший диапазон не рекомендуется, так как Бп может вести себя нестабильно.
Подстроечный резистор всегда должен стоять последовательно с нижним резистором делителя, тогда в случае выхода его из строя вы получите на выходе Бп минимальное напряжение, а не максимальное, как если бы подстроечный резистор стоял сверху.
Кроме того подстроечные резисторы часто имеют низкую надежность, и если вам не нужна эта функция, то лучше заменить его на постоянный, предварительно подобрав его номинал.

Полностью на плате весь этот узел выглядит следующим образом.

Пару слов о выходном нагрузочном резисторе.
Импульсный блок питания плохо работает без нагрузки, потому параллельно выходу обычно ставят нагрузочный резистор, обеспечивающий минимально необходимую нагрузку при которой БП работает стабильно.
Есть и минус у данного решения, резистор обычно греется, причем иногда заметно. Кроме того этот резистор может греть конденсаторы если они стоят рядом, как на этом фото.

Иногда они греются так, что на плате становятся видны следы перегрева. Но кроме того этот нагрев может плохо сказываться на стабильности БП если он подогревает резисторы делителя обратной связи и они при этом применены обычного типа, а не точные/термостабильные.
Резисторы греются, параметры начинают меняться и меняется выходное напряжение БП, потому рекомендуется располагать резисторы делителя так, чтобы они не были подвержены нагреву, а кроме того лучше применять точные резисторы, на которые нагрев влияет существенно меньше.

Иногда производители неправильно выбирают номинал нагрузочного резистора и он начинает греться сильнее чем допустимо. Например в 24 Вольте версии "народного" блока питания как раз была такая ситуация, пришлось поменять его потом на резистор в два раза большего номинала.

Чтобы ваши блоки питания работали надежно, следует внимательно отнесись к подбору компонентов.
Диоды выбираются из расчета двухкратного запаса для двухтактной схемы и трехкратного для однотактной, например БП 5-7 Ампер, значит диод ставим на 15-20.
Напряжение должно быть не менее чем в четыре раза больше чем выходное у блока питания, если БП на 12 Вольт, то диод на 60, если на 24, то на 100.
Все эти параметры есть в даташите на диоды

Также они указаны на самих диодах.

Конденсаторы следует выбирать низкоимпедансные или LowESR, это также обычно отражено в даташите на компонент.
Емкость выбираем из расчета 0.5-1 тысяч мкФ на 1 Ампер выходного тока. Напряжение — для двухтактной схемы 1.5-2 раза выше чем выходное, для обратноходовой однотактной — не менее чем 2х от выходного.

По фирмам смотрим чтобы были известные бренды, но это я писал и в статье про входной фильтр, здесь рекомендации аналогичны.

С выходным дросселем все гораздо проще, номинальный ток дросселя не менее чем максимальный выходной ток блока питания. Лучше применить дроссель на больший ток, тогда его нагрев будет существенно меньше. Индуктивность 4.7-22мкГн, зависит от выходного тока, так как дроссель на большой ток и индуктивность будет весьма большим.

Обычно дроссели выполняются либо в виде "гантельки", либо в "броневом" исполнении, вторые чаще предназначены для поверхностного монтажа.

В общих чертах на этом все, и конечно видеоверсия данной статьи. Как всегда буду рад вопросам и пожеланиям.

РадиоКот :: Импульсный блок питания (60Вт).

РадиоКот >Схемы >Питание >Блоки питания >

Импульсный блок питания (60Вт).

Схема представляет собой классический обратноходовый БП на базе ШИМ UC3842. Поскольку схема базовая, выходные параметры БП могут быть легко пересчитаны на необходимые. В качестве примера для рассмотрения выбран БП для ноутбука с питанием 20В 3А. При необходимости можно получить несколько напряжений, независимых или связанных.

Выходная мощность на открытом воздухе 60Вт (длительно). Зависит главным образом от параметров силового трансформатора. При их изменении можно получить выходную мощность до 100Вт в данном типоразмере сердечника. Рабочая частота блока выбрана 29кГц и может быть перестроена конденсатором С1. Блок питания рассчитан на неизменяющуюся или мало меняющуюся нагрузку, отсюда отсутствие стабилизации выходного напряжения, хотя оно стабильно при колебаниях сети 190…240вольт. БП работает без нагрузки, есть настраиваемая защита от к/з. КПД блока — 87%. Внешнего управления нет, но можно ввести с помощью оптопары или реле.

Силовой трансформатор (каркас с сердечником), выходной дроссель и дроссель по сети заимствованы с компьютерного БП. Первичная обмотка силового трансформатора содержит 60витков, обмотка на питание микросхемы — 10витков. Обе обмотки наматываются виток к витку проводом 0,5мм с одинарной межслойной изоляцией из фторопластовой ленты. Первичная и вторичная обмотки разделяются несколькими слоями изоляции. Вторичная обмотка пересчитывается из расчета 1,5вольта на виток. К примеру, 15вольтовая обмотка будет 10витков, 30вольтовая — 20 и т.д. Поскольку напряжение одного витка достаточно велико, при малых выходных напряжениях потребуется точная подстройка резистором R3 в пределах 15…30кОм.

Настройка
При необходимости получить несколько напряжений можно воспользоваться схемами (1), (2) или (3). Числа витков считаются отдельно для каждой обмотки в (1), (3), а (2) — иначе. Поскольку вторая обмотка является продолжением первой, то число витков второй обмотки определяется как W2=(U2-U1)/1.5, где 1.5 — напряжение одного витка. Резистор R7 определяет порог ограничения выходного тока БП, а также максимальный ток стока силового транзистора. Рекомендуется выбирать максимальный ток стока не более 1/3 паспортного на данный транзистор. Ток можно высчитать по формуле I(Ампер)=1/R7(Ом).

Сборка
Силовой транзистор и выпрямительный диод во вторичной цепи устанавливаются на радиаторы. Их площадь не приводится, т.к. для каждого варианта исполнения (в корпусе, без корпуса, высокое выходное напряжение, низкое, и.т.д.) площадь будет отличаться. Необходимую площадь радиатора можно установить экспериментально, по температуре радиатора во время работы. Фланцы деталей не должны нагреваться выше 70градусов. Силовой транзистор устанавливается через изолирующую прокладку, диод — без неё.

ВНИМАНИЕ!!!
!!! Соблюдайте указанные значения напряжений конденсаторов и мощностей резисторов, а также фазировку обмоток трансформатора. При неверной фазировке блок питания заведется, но мощности не отдаст.
!!! Не касайтесь стока (фланца) силового транзистора при работающем БП!!! На стоке присутствует выброс напряжения до 500вольт.

Замена элементов.
Вместо 3N80 можно применить BUZ90, IRFBC40 и другие. Диод D3 — КД636, КД213, BYV28 на напряжение не менее 3Uвых и на соответствующий ток.

Запуск
Блок заводится через 2-3 секунды после подачи сетевого напряжения. Для защиты от выгорания элементов при неверном монтаже первый запуск БП производится через мощный резистор 100 Ом 50Вт, включенный перед сетевым выпрямителем. Также желательно перед первым запуском заменить сглаживающий конденсатор после моста на меньшую емкость (около 10…22мкФ 400В). Блок включают на несколько секунд, потом выключают и оценивают нагрев силовых элементов. Далее время работы постепенно увеличивают, и в случае удачных запусков блок включается напрямую без резистора со штатным конденсатором.

Ну и последнее.
Описываемый БП собран в корпусе МастерКит BOX G-010. В нем держит нагрузку 40Вт, на большей мощности необходимо позаботиться о дополнительном охлаждении. В случае выхода БП из строя вылетает Q1, R7, 3842, R6, могут погореть C3 и R5.

Вопросы как обычно складываем тут.

---

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?

---

Эти статьи вам тоже могут пригодиться:

Твердотельный одноканальный усилитель мощности

A

В этом простом проекте усилителя Эд Саймон описывает конструкцию усилителя класса A, которая в основном предназначена для воспроизведения музыки с усиленным эмоциональным выражением. Это то, что вы обычно получаете с качественным дизайном, но для его достижения автор разделяет полную концепцию, требования к питанию, топологию схемы, конструкцию и тестирование этого несимметричного усилителя … в твердотельном исполнении. Эта статья была первоначально опубликована в audioXpress, апрель 2006 г.

Уильям из Оккама (родился в Оккаме, Суррей, Англия, ок. 1285, умер в Мюнхене, Германия, 1349), часто считают философом инженера. То, что часто называют бритвой Оккама, — это средневековый принцип экономики, который можно перевести как «множественность не следует воспринимать без необходимости» 1. Это часто сводится к «простейшему объяснению, которое лучше» или «оставайся простым, глупым».

Цель дизайна
Когда я проектирую, используя эту философию, я должен сначала решить, какова цель, а затем использовать самый простой из возможных методов для ее достижения.Моей самой простой целью было бы воспроизвести музыку.

Затем я рассматриваю музыку как эмоциональное выражение, передаваемое в трех измерениях посредством модуляции давления в воздухе. Он приходит ко мне закодированным как изменяющееся во времени напряжение одного или нескольких каналов. Я хочу вернуть это к эмоциональному выражению, но у меня нет всей оригинальной информации; по самой природе процесса записи информация теряется. Поэтому я не чувствую вины из-за того, что драматизирую то, с чем мне приходится работать, чтобы увеличить эмоциональное наполнение в соответствии с моей интерпретацией оригинального представления.

Техническая интерпретация этой цели при создании усилителя включает, во-первых, простые вещи; то есть полоса пропускания, начиная с высокочастотного отклика. В прошлом, используя цифровой синтезированный сигнал для получения сигналов с одинаковой пиковой амплитудой, но разными временными задержками между тонами, я установил цель проектирования для моего порога прослушивания, составляющего менее 5 ° сдвига фазы при 20 кГц.

Мне нравится хороший низкочастотный отклик. Несмотря на то, что очень немногие комнаты могут позволить хорошему динамику полностью выразить себя, просто и недорого убедиться, что усилитель не ограничивает остальную часть системы.Я не определил практическое правило относительно точных проектных значений нижнего уровня, и мои текущие правила могут быть изменены по мере появления лучших ораторов.

Мощность усилителя немного сложнее. Из предыдущих разработок я заметил, что у каждого усилителя есть приятное место для уровня, на котором он работает лучше всего, и нагрузок, которые он любит видеть. Некоторые усилители очень шумные, а другие нет. У меня широкий ассортимент динамиков. Некоторые из них очень неэффективны, другие могут сделать немного с 1W.Эта конкретная конструкция усилителя предназначена для масштабирования. Лучший звучащий усилитель, который я когда-либо создавал, имел мощность всего лишь одну четверть ватта. К сожалению, похоже, что нет громкоговорителя, который бы использовал это для создания практического уровня прослушивания.

Рисунок 1: Схема усилителя.
Еще один интересный момент, который следует учитывать, заключается в том, что усилители подавляют напряжение, но большинство громкоговорителей используют ток. Самая маленькая версия этого усилителя может выдавать среднеквадратичное значение около 15 В и может безопасно управлять очень низким сопротивлением.Однако токовый выход не является симметричным. Он может протолкнуть несколько усилителей в громкоговоритель, но может отодвинуть лишь часть этого. Это не то, что многие сочли бы хорошим дизайном, если, конечно, они действительно не слушают его.

Предположение о том, что для громкоговорителя требуются симметричные источники тока, является «множеством», которое «не следует предполагать без необходимости». Когда вы подаете положительный ток на громкоговоритель, его конус должен двигаться внутрь, увеличивая давление в корпусе. Когда вы отпустите ток, конус выйдет сам по себе.Это, конечно, грубое упрощение происходящего — просто вините в проблемах дизайнера колонок.

Искажение — другая проблема дизайна усилителя. Как вы можете заметить из предыдущего параграфа, меня не особо беспокоит гармоническое искажение на высоких уровнях. Усилитель должен обеспечивать низкое искажение компонентов музыки, которые важны для передачи эмоций. Для меня это означает, что искажения, присущие всем усилителям, не мешают, а не преследовать одно измерение искажения только потому, что это возможно.

Выбор топологии схемы — вот где проявляются мои предубеждения. Мне нравятся усилители класса А В мире аудио также существует суеверие, что усилители, использующие одно устройство вывода, звучат лучше, чем те, которые используют много. Лучший усилитель, который я когда-либо создавал, следовал этому принципу, но не был практичным. Таким образом, основной первый конструктивный вариант — увеличить этот усилитель.

Таблица 1: Список деталей для небольших усилителей.
Требования к питанию
Сначала посмотрите на выходной транзистор.Какую мощность может дать одно устройство? Мощность транзисторов рассчитана на 200 Вт и более. Однако мелкий шрифт говорит о 200 Вт при 25 ° C.

Когда вы фактически подаете питание через транзистор, он нагревается. Согласно паспорту, вы снижаете его до 1,14 Вт на каждый градус повышения температуры. Без радиатора этот транзистор мощностью 200 Вт на самом деле хорош примерно для 5 Вт. На этом экспериментальном этапе я не буду использовать самый большой транзистор, но начну с дешевых, чтобы ошибки не причиняли больше вреда.

Комплект TO-220 — самый популярный корпус для транзисторов средней мощности, с широким выбором устройств за доллар. Типичный транзистор в этом корпусе рассчитан на 65 Вт, снижает мощность до 0,52 Вт на градус и имеет тепловое сопротивление 1,67 ° на ватт. Очень оптимистичным допущением было бы дополнительное тепловое сопротивление 0,5 Вт на градус для каждого радиатора и метода монтажа.

Использование немного алгебры показывает, что транзистор может безопасно работать при 27 Вт без какого-либо запаса прочности.Интересно, что силовые трансформаторы рассчитаны на вход 115 В, а линия переменного тока может работать до 132 В. Таким образом, вы должны учесть немного большее напряжение, увеличивающее рассеиваемую мощность.

Было бы неплохо предположить, что усилитель будет работать при 25 ° C. Если поместить его в шкаф, ожидать температуру 60 ° C. Поэтому 27 Вт слишком высока. Я буду использовать 15 Вт в качестве первой попытки дизайна.
Усилитель мощностью 15 Вт будет иметь среднеквадратичное значение 11 В при нагрузке 8 Ом. Для этого потребуется напряжение питания 15,5 В и ток питания 1.94А. Если по какой-либо причине на усилитель будет наложено наихудшее напряжение, транзистор должен рассеивать около 30 Вт. Фактическая нагрузка, помещенная на выходной транзистор, не может быть рассчитана, поскольку точная нагрузка представляет собой неизвестную комбинацию сопротивления, индуктивности, емкости и обратной ЭДС. Нагрузка также имеет привычку меняться.

В небольших силовых трансформаторах три наиболее распространенных напряжения: 12, 18 и 24 В. Я буду использовать 18 В трансформатор, который должен дать пиковое напряжение:

18 х 1.414 х 130/115 х 1,2 = 34,5 В.

Это минимальное напряжение, на которое должны быть рассчитаны конденсаторы фильтра. Действительно ожидаемое напряжение зависит от трансформатора. Я использую один на 18V 2A.

Я узнал, что когда вы используете громкоговоритель на высокой мощности, его звуковая катушка нагревается и потребляет меньше тока. Чтобы получить больше напряжения от теплового ограничения 15 Вт, я позволю больше напряжения и меньше тока. Текущая ничья для моей первой цели будет в среднем только около ½A.

Ток будет потребляться только тогда, когда пиковое напряжение переменного тока больше, чем напряжение постоянного тока, сохраненное на конденсаторах фильтра.Если учесть пульсацию 5% при 18 В переменного тока (пик 25,45), ток будет потребляться только тогда, когда пиковое напряжение переменного тока превышает 24,18 В. Обратный косинус 24,18 / 25,45 составляет 18,19 °. Таким образом, есть только 18 ° из 180 в течение положительного полупериода для зарядки конденсатора фильтра. Мой ½A через выходные транзисторы теперь является нагрузкой 5A на трансформаторе.

В паспорте на трансформатор указывается, что без нагрузки он вырабатывает 20,6 В и 18 В при нагрузке 2 А. (Вот почему в уравнении максимального напряжения 1,2). Это будет смоделировано 1.3Ω внутреннее сопротивление. На 5А он должен потерять 6,5 В. Так что ожидайте:

20,6 x 1,414 — 6,5 — .8 = 21,8 В.

.8 происходит от падения диода. Это больше, чем .7 большинство людей предполагают из-за более высокого тока. Так что для моего ½A мощность от трансформатора должна быть 11 Вт. Это не.

Есть и другие плохие новости для трансформатора. Усилитель не имеет симметричных выходов, поэтому нагрузка на трансформатор не будет симметричной. Это означает, что, когда я играю громкую музыку, смещение постоянного тока намагничивает сердечник трансформатора и снижает его мощность.Я мог бы использовать больший трансформатор, но сейчас я буду придерживаться своего блока 18 В 2 А, используя гораздо больший для увеличенной версии усилителя.

Этот источник питания оставляет около 22 В для выходного транзистора. В усилителе класса A ток всегда протекает через транзистор. Если ток установлен на 600 мА, транзистор будет рассеивать около 13 Вт, что достаточно близко, чтобы учесть изменения компонентов и температуры.

Я уже упоминал об основных фильтрах-конденсаторах, но на первый взгляд определить их размер просто, используя теорию электрического поля, а не теорию цепи, как это было до сих пор.Теория поля редко используется для проектирования систем, потому что она слишком громоздкая, хотя и более точная.

Определение емкости: C = Q / V. (Q — заряд, или число электронов.) С помощью алгебры вы переставляете это так, чтобы оно было CV = Q. Затем вы используете исчисление для получения первой производной:

C dV / dT + V dC / dT = dQ / dT.

Ток (I) определяется как dQ / dT. Большинство людей предполагают, что dC / dT равно нулю. Отбросьте термин и в итоге получите:

C dV / dT = I.

Это плохое предположение для использования конденсаторов в аудио.Постоянный ток (или изменение значения емкости) может происходить из-за изменения напряжения на конденсаторе, изменения давления, окружающего конденсатор, или даже из-за движения конденсатора. Это значение не указывается в паспортах производителей. Имейте это в виду, когда конденсатор видит большой скачок напряжения.

Перестановка простой формы дает мне:
C = I x dT / dV.
Для первой попытки выбора значения конденсатора фильтра я позволю пульсации 10%, потому что теперь есть большее потребление тока:
С =.6 х (1/60) /2,2 = 5000 мкФ.

4700 мкФ является ближайшим стандартным значением, и я могу использовать 35 или 50 В. Быстрая проверка данных показывает, что конденсатор такого размера может выдерживать пульсацию тока до 1,9А. Конденсатор на 50 В позволит мне попробовать трансформатор с более высоким напряжением, и в запасах конденсаторов некоторых поставщиков я могу получить его только до 3300 мкФ.

Топология схемы
Пришло время выяснить фактический усилитель (рис. 1). Начиная с вывода, я могу использовать биполярный или MOSFET для недорогих устройств вывода.(Если вы ожидали вакуумную трубку, таких конструкций много.)

Существует три возможных способа подключения транзисторов. Общая база (или затвор) дает усиление напряжения, но не дает усиления тока. Общий коллектор (сток) дает усиление по току без усиления по напряжению. Существует усиление тока и напряжения от общего эмиттера (источника), что является хорошей отправной точкой. Усилитель с общим эмиттером с фиксированным источником тока является наиболее популярной ступенью усиления в твердотельных усилителях. Он достаточно хорошо понят и имеет ряд забавных особенностей, таких как колебания, внутренние изменения параметров в зависимости от приложенной мощности и так далее.Всегда старый друг.

Для использования полевого МОП-транзистора в качестве устройства вывода необходимо подключить его к источнику напряжения, который может подавать ток, достаточный для поддержания проектной полосы пропускания. Типичный полевой МОП-транзистор (IRF610) имеет входную емкость в диапазоне 200 пФ, а также имеет место эффект эффекта Миллера, о котором следует беспокоиться. Для разгона до 100 кГц требуется ток менее нескольких сотен микроампер. Выход будет иметь потерю менее 0,5 В и соответствовать целям питания. Это довольно хорошие цифры.

Недостатком является то, что мой выбор МОП-транзисторов весьма ограничен.Они предназначены для промышленной обработки электроэнергии, а устройства, предназначенные для аудио, встречаются редко и их сложнее достать (да, они существуют).

Биполярному транзистору потребуется ток возбуждения 30 мА или около того. Он будет иметь выходную потерю менее 0,4 В, и у меня есть широкий выбор. Если я хочу увеличить усилитель по размеру, есть четкий путь к легко доступным биполярным транзисторам большего размера, некоторые из которых имеют приятные линейные характеристики усиления. Я могу добавить резистор эмиттера, чтобы получить местную обратную связь.Проблема в получении достаточного тока привода.

Использование биполярного транзистора для управления выходным каскадом биполярного транзистора потребует входной ток почти миллиампер. Это дало бы мне низкий входной импеданс и потерю низких частот, если нет более двух ступеней. МОП-транзистор имеет более высокий входной импеданс и представляет собой устройство с напряжением по току, поэтому обеспечение привода не является проблемой.

Если я использую дифференциальный входной каскад с согласованными МОП-транзисторами, мое устройство с более высоким искажением будет в цепи с ограниченным усилением, что минимизирует проблему.Совпадение между двумя устройствами также позволит мне уменьшить искажения. Это также позволяет легко применять глобальную обратную связь.

В двух этапах одно устройство должно иметь конструкцию N, а другое — P. Плохая новость — устройства, построенные P, не работают, а N — для аудиоприложений. Разница хуже с МОП-транзисторами, чем с биполярными. Чтобы минимизировать ущерб, имеет смысл использовать N-канальный MOSFET в качестве входа и PNP-биполярный в качестве выхода.

Несимметричный усилитель класса A нуждается в некоторых источниках тока.Легко сделать простой источник тока, такой как источник высокого напряжения и просто резистор, или немного усложнить его и использовать трансформатор и источник высокого напряжения (сделано это — другая история), или использовать твердотельный регулятор тока , Хотя регулятор имеет больше частей, он стоит меньше всего. Поэтому иногда «во множественности есть необходимость».

Обычная конструкция — это транзистор, питающийся от источника постоянного напряжения, сбрасываемый в резистор. Я выбрал для этого биполярные транзисторы, потому что их базовое напряжение более равномерное, чем у полевых МОП-транзисторов.Я провел небольшой эксперимент по тестированию светодиода, силового диода и сигнального диода, чтобы увидеть, насколько равномерным было их прямое падение напряжения с изменениями тока. Сигнальный диод имел самый ровный наклон, и его сладкое пятно составляло от 15 до 30 мА. Точное напряжение на диоде зависит от температуры.

При использовании диодного источника напряжения для источника выходного тока помните, что при нагреве выходного транзистора его падение базового напряжения (Vbe) снижается и пропускает больший ток. Поэтому я приму 0.9 В на резисторе эмиттера, а не 0,6 или 0,7 В в источнике выходного тока.

Соображения
Регуляторы напряжения, образованные последовательно соединенными диодами, также обойдены конденсатором, чтобы уменьшить любой шум и пульсации источника питания. Любой шум в источнике напряжения усиливается источником выходного тока.

Теперь у меня большая часть базовой топологии схемы. Это довольно стандартная вещь — использовать скромное количество глобальных отзывов в AC и полную обратную связь в DC.Я решил не использовать дополнительные части, пока не послушаю усилитель и не увижу, что добавят каждое изменение или новая часть.

Другая действительно важная цель — уметь реально построить усилитель. В своем простейшем виде этот усилитель может стать проектом для начинающих. Я построил этот усилитель, используя только дрель (с битами), паяльник, несколько отверток, плоскогубцы, небольшой диагональный резак, кусачки, пистолет с горячим воздухом и вольтметр. Я не выложил кусок с квадратом и писцом; вместо этого я использовал свой пуансон с ЧПУ, который немного дороже, так что вы можете придерживаться квадрата.

Если вы допустили ошибку при создании этого базового усилителя, возможно, это потому, что я забыл рассказать вам некоторые важные детали или вы прочитали слова, которые я написал, а не те, которые я имел в виду. Давным-давно я однажды спросил наставника о константе Больцмана. Он сказал мне, что это было «основным». Примерно через две недели я извинился за то, что не получил его, и попросил у него дополнительную информацию. Он начал со слов: «Я сказал, что это просто, а не просто».

Это «базовый» усилитель. Если вы собрали несколько комплектов и решили попробовать сборку с нуля, это может быть для вас.Это, безусловно, помогает, если у вас есть друг, который может помочь вам с трудностями.

Я перечислил все детали вместе с номером детали Mouser Electronics. Обратите внимание, что они не продают некоторые части, такие как резисторы по отдельности. Вы также можете купить несколько дополнительных полевых МОП-транзисторов, чтобы вы могли подбирать пары для этапа ввода. Я ожидаю, что кто-нибудь может выискивать некоторые части, даже если это только шнур питания от еженедельного мусора. Если вы можете отыскать алюминий, шнур питания и немного лома провода, вы сможете собрать два усилителя по цене около 100 долларов.

Вы можете собрать весь основной усилитель на одном алюминиевом элементе размером 12 x 12 дюймов. Я использовал сплав 5052 толщиной 1/8 дюйма с температурой h42. Толщина важна для того, чтобы тепло могло распространяться; если нужно, вы можете использовать две более тонкие детали.

Если вы покупаете алюминий, другой выбор — 6062 практически с любым характером, кроме T0. Вы должны быть в состоянии найти кусок лома в любом месте от свалки до металлического магазина, и, конечно, вы всегда можете купить кусок в Интернете. Есть также много других сплавов алюминий, который все будет работать, только не покупайте уже анодированный алюминий.

Я использовал клеммные колодки, привинченные к пластине для крепления всех компонентов. Таким образом, вы можете легко вносить изменения. Например, я использовал TIP42C, который не является хорошим звуковым транзистором, но он дешев.

Вы можете играть с другими. Попробуйте MJL4302A. Вы можете отрегулировать привлекательное место усилителя, увеличив значение R9. Вы также можете попробовать более высокий трансформатор напряжения. (Не забудьте также увеличить R9.) Вы можете добавить этапы усиления, попробовать все MOSFET или биполярные. Я не использовал транзисторные розетки, но я перечислю их в таблице 1 для тех, кто заинтересован.Они не предназначены для розеток, но будут работать нормально.

Рисунок 2: Направляющая сверла малого усилителя.
Строительство
Для начала выложите кусок металла. Вы должны использовать регулируемый квадрат 12 «. Установите линейку на одно из размеров, показанных на чертеже (рис. 2), плотно прижмите край квадрата к металлу чуть выше того места, где вы хотите получить законченную маркировку. Затем поместите скрайбер (который во многих моделях хранится в рукоятке) в выемке в конце линейки и потяните инструмент к себе, удерживая писец в выемке.Это позволит вам разместить линию в пределах 0,005 «с небольшой практикой. Когда вы расширяете линейку более чем на 6», начинайте с противоположного края, за исключением случаев, когда вы делаете соответствующее отверстие (например, вы должны измерить два отверстия которые монтируют трансформатор с одного края).

Писайте все свои линии, прежде чем использовать удар, чтобы оставить начальную ямку для вашей тренировки. Если вы осторожны и имеете резкий удар, вы можете почувствовать пересечение размеченных линий и точно пробить отступ именно там, где вы хотите.Машинисты на самом деле имеют три острых инструмента. Писец, который используется только для царапин, имеет очень тонкий наконечник, который может быть поврежден при ударе. Удар уколом почти такой же, как у центрального удара, за исключением того, что наконечник находится под более острым углом. Это используется с легким ударом, чтобы сделать небольшой отступ. Затем используется центральный штамп, чтобы сделать углубление достаточно большим, чтобы буровое долото не выскользнуло.

Когда это будет сделано, ваша дыра будет именно там, где вы хотите. Конечно, для нормальных людей ногти работают хорошо, но вам придется часто менять их, поскольку они становятся тупыми.Для простоты я считаю, что сторона с нарисованными линиями — это лицо, а другая сторона — это спина. Трансформатор крепится снизу.

Наденьте пару перчаток и защитные очки, затем просверлите все отверстия сверлом B \ cx «. Если у вас возникли проблемы с обработкой центральных ударов, используйте меньший бит. Если вы используете слишком маленький бит, алюминий будет склеивать и разбивать его. Хорошей идеей будет окунуть сверло в масло или даже мыльную воду перед тем, как просверлить каждое отверстие.

После сверления всех отверстий можно просто вернуться с большим долотом чтобы увеличить отверстия.Когда вы сделаете это, постепенно увеличивайте размер до конечного размера, проверяя его на предмет соответствия. Вы можете перейти от B \ cx «к ¼» к C \, «к ½». Проверьте отверстия для выключателя, держателя предохранителя, клемм и входного гнезда во время сверления. Чем больше, тем меньше, тем меньше. Возможно, вам придется покачивать сверло в отверстии, чтобы точно подогнать некоторые детали.

После того, как все отверстия имеют окончательный размер, отшлифуйте алюминий, прежде чем его покрасить. Я использую наждачную бумагу с зернистостью 120 штук в маленьком электрическом шлифовальном устройстве. Вы можете сделать это вручную; это не займет много времени.Идея состоит в том, чтобы удалить большую часть слоя оксида, который образовался на алюминии, чтобы краска прилипла к нему. После того, как вы удалили матово-серый алюминий, чтобы выявить в основном яркий алюминий, вы можете протереть его сухим бумажным полотенцем или слегка смоченным растворителем. Не используйте воду.

Быстро замаскируйте все монтажные отверстия с обеих сторон пластин. Я использую клейкую ленту, нарезанную на квадраты 3/8 «. На лицевой стороне (как это выглядит на рис. 2) используйте ¾», чтобы замаскировать пять монтажных отверстий транзистора.С обеих сторон замаскируйте ¼ «отверстие для входного разъема. Нет необходимости маскировать отверстия для клемм, держателя предохранителя или переключателя.

Процесс отшлифования металла до покраски должен занимать менее 15 минут. Я предпочитаю самую дешевую черную аэрозольную краску, которая обычно тонкая и быстро сохнет. Я распыляю одно очень легкое покрытие со всех четырех краев на задней стороне, подожду две минуты, переворачиваю его на три небольших блока и рисую другой ( лицевая сторона) Мне требуется три раза вокруг всех четырех сторон с действительно очень легким пальто, чтобы получить алюминий равномерно черный.Я не хочу толстую шерсть на лице.

На этом этапе на лицевой стороне есть отделочный слой, а на задней — защитный. После того, как лицо почти высохнет (краска, которую я использую, занимает 10 минут), удалите клейкую ленту. Когда лицо высохнет (около 1 часа), переверните его на блоки и нанесите достаточно краски на спину, чтобы убедиться, что оно равномерно черное. Через несколько минут удалите остатки маскирующей ленты. Сняв ленту, пока краска не высохла полностью, край краски перемещается в замаскированную область очень слабо и оставляет плавный переход.Затем дайте панели высохнуть в течение ночи. Для моего «кейса» я использовал только 12-дюймовый кусок 2 x 4 с вырезом 1/8 »в центре. Тарелка просто лежит в основании и стоит вертикально (фото 6).

Фото 1: источник переменного тока. Фото 2: полный усилитель.
Сборка
После того, как панель полностью, полностью и действительно высохнет, вы можете начать сборку. Начните с монтажа трансформатора на лицевой стороне с помощью куска тонкого картона под ним, используя крепежные винты из нейлона 6-32.Установите двухконтактную полосу на правый винт. Убедитесь, что предохранитель не находится в держателе предохранителя, и установите его так, чтобы клеммы находились на лицевой стороне. Только гайка должна быть на лицевой стороне; резиновая шайба должна быть снизу.

Плотно затяните гайку. Если вы перетянете его, вы сломаете держатель предохранителя. Если он слишком ослаблен, держатель предохранителя будет вращаться при попытке замены предохранителя. Если вы хотите обмануть, используйте каплю супер клея. Затем установите переключатель, снова с клеммами на лицевой стороне.Если вы используете две гайки на переключателе, затяните его с лицевой стороны, чтобы получить аккуратный вид сзади. Шнур питания должен быть надежно закреплен на месте.

Я оставляю около 4 «из трех проводников открытыми от внешней оболочки шнура питания. Зеленый провод подключен к заземленной клемме, прикрепленной к силовому трансформатору. Здесь не требуется термоусадочная трубка. Это делает безопасное заземление без внесения дополнительного шума в плоскость заземления радиатора аудио. Вы можете использовать другой изолированный терминал для хранения белого центрального отводного провода от трансформатора.

Поместите кусок термоусадочной трубки на черный (или коричневый) и белый (или синий) провода шнура питания. Затем держите трубку подальше от концов, припаяя провода к клеммам переключателя, ближайшим к краю переключателя, по одному проводу с каждой стороны. Черный или коричневый — в зависимости от имеющегося у вас сетевого шнура — подходит ближе всего к трансформатору. От центральной клеммы выключателя на стороне, к которой подключен черный провод, подсоедините провод, который также идет к задней клемме держателя предохранителя.Не забудьте термоусадочную трубку!

Теперь два черных трансформаторных провода готовы к соединению, опять же с трубкой на проводах — один идет к разомкнутой клемме на переключателе, а другой — к клемме держателя предохранителя, ближайшей к панели. Убедитесь, что ваши паяные соединения блестящие и прочно расплавлены как на проволоке, так и на ее клемме, прежде чем надевать термоусадочную трубку на обнаженный металл. Вы можете использовать пистолет с горячим воздухом, фен, спичку или зажигалку, чтобы нагреть трубку, пока она не усадится на месте.Теперь обмотайте все изолентой, чтобы убедиться, что металла не видно. Это единственное место, где у вас достаточно напряжения, чтобы причинить вам боль (фото 1).

Теперь вы можете вставить предохранитель. Это хорошее время, чтобы проверить свою работу.

Фото 3: Раздел ввода. Фото 4: Выходной раздел.
Тестирование
Если у вас есть детали, вы можете создать испытательный стенд переменного тока, который представляет собой просто сетевой шнур переменного тока, розетку и лампочку на 60 Вт.Подключите заземление и нейтраль (зеленый и белый) от шнура к розетке. Горячий (черный) шнур идет на лампочку, а другой провод лампочки — на розетку. Обязательно соберите это устройство, используя стандартные электрические коробки и устройства для снятия натяжения. Чтобы проверить это устройство, подключите к нему лампу, а устройство — к стене. Когда вы включаете лампу, она должна загореться так же, как и лампочка 60 Вт для вашего испытательного прибора.

Если вы смелы, вы можете просто подключить свой усилитель прямо; В любом случае вы должны измерить около 21 В переменного тока на двух красных проводах.Если вы этого не сделаете, попробуйте включить выключатель питания. Теперь обязательно отключите его, прежде чем продолжить.

Следующим шагом является установка клеммной колодки над трансформатором, который содержит конденсаторы источника питания. Теперь вы узнаете, правильно ли вы разместили отверстия. Вставьте стальные крепежные винты снизу. Они плотно прилегают через монтажные ножки клеммной колодки. Используйте стопорную шайбу и гайку на лицевой стороне. Эти винты должны быть достаточно туго.

Я устанавливаю конденсаторы в отверстие в полосе, где он приклепан к изолятору.Это не обычный метод, но он хорошо мне подходит и держит конденсатор близко к плоскости заземления. Подсоедините левый конденсатор так, чтобы его полоса с отрицательным проводом была подключена к заземленной клемме. Конденсатор справа имеет заземленный положительный провод.

Подключите диоды, используя одну из центральных клемм для обоих, а другой конец каждого идет к конденсаторам. Обе диодные полосы должны быть на левой стороне. Подсоедините провода трансформатора и перемычку между двумя заземленными клеммами.Я не хочу доверять механическому соединению с заземлением. После того, как вы это подключите, вы должны проверить свою работу.

Подключите усилитель обратно. Если вы используете тестовую коробку, вы можете заметить небольшой свет, когда конденсаторы заряжаются. Я не сделал. Теперь быстро отключите усилитель. Поскольку конденсаторы не имеют нагрузки, они будут некоторое время удерживать заряд.

Теперь у вас есть хороший шанс быть уверенным, что вы ничего не сделали назад, не рискуя взорваться. (Конденсаторы с обратной связью могут взорваться!) На каждом конденсаторе должно быть около 28 В.Будьте уверены, что положительное на самом деле положительно на обоих. Если вы достигли этой точки, вы должны были сделать хотя бы одну ошибку к настоящему времени и найти способ скрыть или исправить это!

Следующим шагом является возможность создать временную схему для сортировки MOSFET. Я подключил один из резисторов 1K0 1W к клеммной колодке источника питания и подключил его к тройному разъему с разнесением в 0,1 дюйма. Контакты 1 и 2 были подключены к резистору, который я затем подключил к положительному источнику питания. Контакт 3 заземлился. Затем я измерил напряжение между 1 и 3.

Без полевого МОП-транзистора в розетке было около 28В. Вставка MOSFET снизила его до 2,78 В для четырех из них и до 2,79 В для пяти из них. Один из десяти, которые я купил, измерял 2.77V. Это дало мне четыре подходящих набора и заверило меня, что MOSFET были хорошо сделаны.

Фото 5: Блок питания с тестовой розеткой.
Далее соберите выходной каскад. Установите две клеммные колодки с зазором между ними, используя два винта, как и раньше. Обе полосы монтируются в одинаковые отверстия.Я довольно сильно согнул выводы транзисторов TIP41C и TIP42C, чтобы они соединились с заклепками в их клеммной колодке. Если вы попытаетесь согнуть провода слишком быстро или слишком сильно, вы можете их разорвать. Я использую старомодный метод монтажа транзисторов (Фото 5).

Я нанёс небольшое количество смазки для радиатора с обеих сторон слюдяной шайбы, а затем поместил ее между транзистором и радиатором. Я вставил крепежный винт из нейлона 6-32 через узел и затянул гайку сзади.Некоторые люди предпочитают стальной винт и изолированную втулку; другие используют термопрокладку, которая не требует смазки. Винт должен быть затянут сейчас и затянут позже, когда усилитель нагрелся. Сначала установите все детали на клеммные колодки, а затем, если вы уверены, что все правильно, припаяйте их. Используйте кусочки провода для соединения всех клемм заземления.

Вставьте выходные клеммы на этом этапе и присоедините выходной фильтр (C11 и R12) сейчас. Я использовал старые зеленые посты, которые у меня были, и просто покрасил их в красный и черный цвета.Когда вы монтируете свои посты, убедитесь, что отверстие для провода направлено в сторону, в противном случае вам будет сложно подключить ваши колонки позже.

После установки R7, R8, R9, R12, C4, C8, C10, C11, D3, D4, D9 и D10 вы можете снова запустить усилитель. Выходное напряжение должно быть около -26В. Затем выключите усилитель и временно подключите резистор (1K 1W) между базой Q4 и землей. Включите усилитель снова.

Выходное напряжение теперь должно быть более положительным. Это может быть где-то от -10 до + 15В.Если вы используете лампочку, лампочка должна светиться. Выходные транзисторы начнут прогреваться. Измерение от основания Q5 до отрицательного источника должно быть между 1,3 и 1,4 В. Там должно быть около 0,7 В по R9.

Если все работает, выключите его и выньте дополнительный резистор. Если это не сработало, начните с проверки, чтобы убедиться, что ваши транзисторы подключены правильно, а полосы на диодах правильные. Если у вас есть С4 в обратном направлении, это не будет иметь большого значения, потому что напряжение на нем очень низкое.Тем не менее, это в конечном итоге потерпит неудачу. Если резистор курит, Q4 или Q5 могут быть замкнуты.

Как только выходной каскад заработает, запустите источник тока для входа. Установите обе клеммные колодки и установите Q3. Установите R5, R6, C2, C6, C7, D1 и D2. Как только эти части подключены, временно подключите резистор 100 Ом ΩW от положительного источника к коллектору Q3. Ожидайте измерения от 5 до 10 В на этом резисторе. Будь счастлив! Текущий источник работает. Кроме того, полезно проверить от отрицательного предложения до основания Q3; чтение должно быть между 1.3 и 1,9 В.

Затем установите входной разъем и все пассивные компоненты, которые вы можете, не затрудняя монтаж Q1 и Q2 (MOSFET). Я сам никогда не взрывал ничего из этого, но мне сказали, что если вы попытаетесь собрать этот усилитель зимой на шерстяном ковре, сидя в мягком кресле, покрытом шерстью, надевая шелковые трусы, вы, безусловно, это сделаете. Держите МОП-транзисторы как можно меньше, а затем держите их за большой металлический выступ (слив), а не за ворота. Входные МОП-транзисторы не требуют радиатора, но делают это, чтобы убедиться, что они имеют одинаковую температуру.Это важно для минимизации смещения постоянного тока на выходе.

При сборке входа важно установить R2, R3, R10 и R11 рядом с их транзисторами. Если вы этого не сделаете, могут возникнуть колебания. Как только вы все собрали, сделайте перерыв.

Когда вы вернетесь, перепроверьте свою проводку, убедившись, что вы спаяли все клеммы (я никогда не делаю эту попытку). Подключите усилитель без нагрузки. Измерьте выходное напряжение. Если оно меньше 0,080 В, это здорово.Измерьте положительное и отрицательное напряжение, которое должно быть 21 В, дайте или возьмите вольт или два.

Если все проверено и у вас есть доступ к испытательному оборудованию, посмотрите на выход с помощью осциллографа или компьютерного эквивалента. Вывод должен быть плавной линией без всплесков звонка. Разверните усилитель синусоидальной волной; Вы можете увидеть некоторые искажения в синусоиде выше 50 кГц. Если вы видите разрыв звонка, убедитесь, что C11 и R12 подключены (Фото 3).

Если это не так, вы можете ткнуть пальцем, пока не увидите, что и что изменится.В любой точке питания дополнительный конденсатор заземлен. Я ожидаю, что, если вы видите звон, наиболее вероятной проблемой является неправильное соединение или короткое замыкание.

Если у вас нет испытательного оборудования и ваш счетчик показывает малое значение постоянного тока и напряжение менее 50 мВ, установите плавкий предохранитель на 1 А последовательно со старым громкоговорителем и подключите его на секунду или около того. Если все тихо, дайте усилителю вход и снова подключите динамик. Вы должны услышать музыку. Если это звучит хорошо, это будет звучать очень хорошо на данный момент.Если он не воспроизводит музыку, отсоедините динамик, проверьте все напряжения и сравните их с теми, что указаны на схеме, чтобы увидеть, можете ли вы найти ошибку.

Усилитель станет горячим на ощупь, но это нормально. Если вы положите палец прямо на выходные транзисторы и не будете сильно кричать, все в порядке. Силовой трансформатор также станет теплым. Разогрев конденсатора — плохой знак.

Когда вы слушаете свой усилитель, вы можете не заметить, почему люди сначала предпочитают звучание несимметричных усилителей класса A.После прослушивания в течение нескольких часов снова попробуйте старый усилитель. Вдруг вы найдете это звучит смешно! В одном из этих прекрасных психологических эффектов вы можете не замечать, когда что-то лучше, но вы гораздо быстрее замечаете, когда что-то хуже.

Теперь у вас есть усилитель, который вы можете слушать и играть. Если вам пришло в голову, что этот усилитель может быть построен с помощью карты ПК или увеличен в размере и с лучшими деталями, вы правы. Но тогда это другой усилитель.AX

Фото 6: Покрашенное шасси.
Ссылка
1. Дейв Беккет, Кентский университет в Кентербери, Великобритания.

Об авторе
Эд Саймон получил степень бакалавра. в университете Карнеги-Меллона. Он установил более 500 звуковых систем в таких местах, как Jacob’s Field, Cleveland, Ohio; MCI Center, Вашингтон, округ Колумбия; Музей современного искусства ресторанов, Нью-Йорк; Колизей, Нэшвилл, Тенн .; Форум, Лос-Анджелес; Стадион Fisher Cats, Манчестер, Нью-Гемпшир.

Эта статья была первоначально опубликована в audioXpress, апрель 2006 г.

.