Навигация по сайту

Устройство плавного включения (софтстарт)

 

Внимание! В силу своих особенностей софтстарт может быть опасен! Если вы собираетесь его применять, то, пожалуйста, прочитайте про возможную опасность софтстарта в конце этой статьи!

Софтстарт – это устройство, осуществляющее плавное включение блока питания. Оно используется с электронным оборудованием, потребляющим из сети большую мощность. Чем потребляемая мощность больше, тем больше пользы от софтстарта. Обычно это усилители мощности, потому что потребляемая ими мощность достаточно велика.

Софтстарт не является обязательным устройством, но его использование можно рекомендовать, так как он улучшает переходные процессы при включении усилителя. Принцип софтстарта заключается в следующем. На рис. 1 показана типовая схема блока питания усилителя мощности (именно по такой схеме собран тот реальный блок питания, с которым я проводил эксперименты). Трансформатор преобразует сетевое напряжение 220 вольт в более низкое, выпрямитель на диодах VD 1… VD 4 выпрямляет полученное напряжение. Конденсаторы С1…С4 – фильтр питания.

Блок питания

Рис. 1. Схема типового блока питания усилителя мощности.

 

Проблема состоит в том, что в момент включения конденсаторы разряжены, поэтому ток, потребляемый ими при заряде, равен (закон Ома)


где:

U2 – напряжение вторичной обмотки трансформатора;

Uс – напряжение на конденсаторах фильтра (в момент включения оно равно нулю);

Rсумм – суммарное сопротивление диодов и обмоток трансформатора (на самом деле там учитывается и индуктивность обмоток, но для упрощения я включил абсолютно все сопротивления в одно общее Rсумм ).

Напряжение U2 – это напряжение питания усилителя, оно равно десяткам вольт, а сопротивление Rсумм стараются сделать максимально низким - так лучше работает блок питания. В результате ток, протекающий через конденсаторы, очень большой. Этот же ток протекает через диоды и вторичную обмотку трансформатора. И этот же ток транслируется в первичную обмотку трансформатора, поэтому протекающий через нее в момент включения усилителя ток также очень большой. По мере заряда конденсаторов фильтра, ток снижается: числитель формулы 1 уменьшается. Ток снижается довольно быстро, так что перегрузка, вызываемая им, кратковременная.

Я экспериментально измерил пусковые токи блока питания собранного по схеме рис.1 при использовании различных трансформатров. Это мой тестовый лабораторный блок питания, которым я пользуюсь примерно десять лет (я его сделал когда-то для усилителя, который так и не собрал). Для тестов я использовал тороидальные трансформаторы различной мощности, некоторые из них показаны на рисунке 2. Для имитации усилителя, каждое плечо блока питания было нагружено на мощный резистор сопротивлением 200 Ом. На осциллограммах, приведенных ниже, я для удобства расставил масштабы по вертикали в значениях тока.

Рис. 2. Некоторые из трансформаторов, участвующих в экспериментах.

 

На рисунке 3 показан пусковой ток первичной обмотки трансформатора мощностью 65 Вт при прямом включении в сеть.

Ток усилителя

Рис. 3. Ток первичной обмотки трансформатора мощностью 65Вт при прямом включении в сеть.

 

Как видно из рисунка 4, пусковой ток достигает максимального значения 4 ампера и спадает до номинального значения примерно за 250 миллисекунд. А за первые 50 миллисекунд ток уменьшается приблизительно в два раза. То есть ток спадает довольно быстро.

Посмотрим, что происходит во вторичной обмотке трансформатора. Ее ток показан на рисунке 4, напоминаю, что этот же ток протекает через диоды и конденсаторы фильтра – это зарядный ток этих конденсаторов.

Ток трансформатора

Рис. 4. Ток вторичной обмотки трансформатора мощностью 65Вт при прямом включении в сеть.

 

Картинка очень похожая, только ток достигает величины 14 ампер.

Мощность трансформатора, равная 65 Вт – это на самом деле маленькая мощность. Я изготовил этот трансформатор для малогабаритного усилителя с выходной мощностью 2х40 Вт. И, если честно, никто никогда не занимается изготовлением софтстарта для блока питания с трансформатором такой маленькой мощности. Этот трансформатор я привел для наглядности – даже в нем возникают довольно большие пусковые токи. Если же усилитель более мощный, то и его трансформатор должен быть более мощным. Поэтому я повторил эксперименты и с другими трансформаторами.

На рисунке 5 показан пусковой ток первичной обмотки трансформатора мощностью 250 Вт. Это два разных измерения, выполненных при разном масштабе времени. Ток первичной обмотки достигает значений 13 и 14 ампер.

Пусковой ток усилителя

Рис. 5. Ток первичной обмотки трансформатора мощностью 250Вт при прямом включении в сеть.

 

Пусковой ток вторичной обмотки трансформатора мощностью 250 Вт показан на рис. 6. Снова два разных измерения, значения токов 48 и 44 ампера. Не маленький такой ток.

Ток усилителя при включении

Рис. 6. Ток вторичной обмотки трансформатора мощностью 250Вт при прямом включении в сеть.

 

Для обоих этих трансформаторов перегрузка по току (относительно номинального тока обмотки) составила 13 раз. То есть пусковой ток более чем в 13 раз превышает номинальный. Подобный эксперимент был проделан с несколькими трансформаторами различной мощности (от 65 до 250 Вт) – результат аналогичный. Так что, имеет смысл говорить о значительной токовой перегрузке, возникающей в блоке питания при включении усилителя.

Чем вредна эта токовая перегрузка? Рассмотрим ее влияние на все узлы блока питания.

1. Перегрузка электрической сети. При включении питания усилителя из сети потребляется довольно большой ток. В нашем случае от 4 до 15 ампер. На самом деле для нормальной электрической сети это не перегрузка. Электрическая сеть легко выдерживает импульсные токи гораздо большей величины. Тем не менее, если сеть не очень качественная, то в сети возможна кратковременная помеха, которая приведет, например, к щелчку в каком-нибудь другом включенном усилителе (именно для устранения подобных помех используют сетевые фильтры). Даже при использовании для электропитания собственного электрогенератора, такая перегрузка не будет опасной (хотя, смотря какой пусковой ток и какой генератор…). Токовая перегрузка для электрической сети неприятная, но не опасная, на самом деле обычно даже не сгорает предохранитель, включенный в первичную обмотку трансформатора.

2. Перегрузка трансформатора. На самом деле силовые трансформаторы (в обычных линейных блоках питания) очень хорошо выдерживают кратковременные перегрузки даже такой большой величины. Да, из-за высокого потребляемого тока мгновенный нагрев будет очень сильным, но кратковременным. Трансформатор (большой и тяжелый) имеет очень большую тепловую инерцию, поэтому он не успевает перегреться. Но, тем не менее, такие перегрузки трансформатору неприятны. При экстратоках на обмотки действуют довольно большие силы (возникающие из-за взаимодействия токов в разных витках обмоток), и витки могут понемногу сдвигаться, разбалтываться. Через какое-то время трансформатор может начать гудеть. Да и его «взревывания» в момент включения неприятны на слух. Тем не менее, токовая перегрузка для трансформатора неприятная, но не опасная.

3. Перегрузка выпрямительных диодов. Если диоды выбраны правильно (имеют запас по величине прямого тока), то для них такая перегрузка не страшна. Все диоды выдерживают кратковременную десятикратную перегрузку. Правда только в течение одного полупериода американской сети – 8,3 миллисекунд. Более того, многие диоды, особенно мосты, выдерживают кратковременную перегрузку током в 15…30 раз больше номинального (кроме « superfast » – быстрые диоды более нежные, их максимальная перегрузка может быть всего лишь в 5…8 раз). В нашем случае длительность перегрузки заметно больше, значит максимальный ток через диод должен быть меньше, чем указано в справочных данных. Но ведь и диоды выбираются с запасом по току! Десятиамперный выпрямительный мост великолепно выдерживает указанную выше перегрузку током 40 и даже 60 ампер. То же относится и диодам Шоттки на ток 16 ампер, которые я люблю применять для питания усилителей. Так что при правильном выборе диодов токовая перегрузка для них неприятная, но не опасная.

4. Токовая перегрузка конденсаторов фильтра. А вот эту ситуацию рассмотрим внимательнее. Все конденсаторы имеют максимально допустимый зарядно-разрядный ток. И величина этого тока не такая большая, как хотелось бы. В таблице 1 приведены значения максимально допустимого тока некоторых конденсаторов, взятые из справочных данных. В таблице 1 цветом выделена ячейка – конденсаторы этого типа использованы в блоке питания, участвовавшем в эксперименте.

 

Таблица 1. Максимальные токи конденсаторов

Производитель и тип конденсатора
Максимальный ток, А
6800 мкФ 63 В
10000 мкФ 50В
15000 мкФ 50В
10000 мкФ 63В
15000 мкФ 63В
Jamicon LP
8,04
8,44
11,58
9,79
Jamicon LS
8,96
9,2
12,2
10,3
13,4
ELNA LA5 ( стандартные)
6,49
7,05
9,02
8,32
11,14
ELNA LAO (for audio)
4,65
EPCOS B41303 (стандартные)
8,46
EPCOS B 41505 (с улучшенными характеристиками)
13,25
13,25

 

Как видно из таблицы 1, никаких десятков ампер конденсаторы не выдерживают! На самом деле, в таблице речь идет о максимальном непрерывном токе, а у нас кратковременный импульсный. В этом случае ситуация сходная с трансформатором – конденсатор не успевает значительно нагреться коротким импульсом тока. Но есть и различия:

- у конденсатора меньше масса и теплоемкость, он нагревается сильнее;

- у конденсатора нагревается электролит – самая нежная часть его конструкции;

- конденсатор выдерживает меньшую температуру нагрева.

То есть для конденсатора большой импульсный ток вреден в наибольшей степени, чем для остальных элементов блока питания.

Есть еще несколько хитростей, связанных с применением конденсаторов, которые влияют как на результаты, показанные в таблице 1, так и на реальную работу конденсатора в блоке питания:

1. Многие производители указывают среднеквадратическое значение максимального тока, я в таблицу записывал максимальное амплитудное значение, полученное умножением значения, указанного производителем на 1,41. В данном случае это не совсем корректно, так что в реальности максимально допустимый импульсный ток конденсатора больше, чем указано в таблице 1.

2. Максимально допустимый ток зависит от температуры конденсатора. Если производитель указывал эту зависимость (указывали Jamicon и EPCOS ), то я брал максимальное значение тока при температуре 40…50 градусов – оно больше, чем при максимальной температуре в 1,5…2,5 раза. Кстати, не позволяйте конденсаторам фильтра нагреваться. Не размещайте их рядом с горячими объектами.

3. Чем меньше размер конденсатора, тем меньше его допустимый ток. Так что малогабаритные конденсаторы по этому параметру проигрывают обычным. Поэтому старайтесь по возможности не использовать малогабаритные конденсаторы, кроме тех случаев, где без них не обойтись.

Итак, зарядный ток конденсаторов при прямом включении блока питания в сеть значительно превышает их максимально допустимый ток. Представим это все наглядно на графике. Допустим, в каждом плече двуполярного блока питания установлено по одному конденсатору. Величины реального зарядного тока при прямом пуске (красный цвет) и максимально допустимые токи конденсатора (синий цвет) показаны на рисунке 7.

Ток конденсатора

Рис. 7. Величины зарядного тока при прямом пуске и максимально допустимые токи конденсатора.

 

Как видно из рисунка 7, реальные токи значительно превышают предельно допустимые. Ситуация не радует. Спасает то, что предельно допустимые кратковременные токи конденсаторов заметно больше длительных (а на рисунке 7 изображены максимальные длительные токи). Но поскольку неизвестно, насколько кратковременные токи больше, то нет уверенности, что конденсатор не перегружается.

Кстати, обратите внимание, что чем больше мощность трансформатора, тем больше пусковой ток. А теперь вспомните, как на интернет-форумах некоторые тамошние «специалисты» советуют использовать трансформаторы мощностью не менее чем на киловатт. И еще. Длительность заряда конденсатора, а значит длительность перегрузки, прямо пропорциональна емкости конденсаторов фильтра. Если ток перегрузки протекает достаточно длительное время, то конденсатор может «успеть» выйти из строя. Это относится к конденсаторам сильно завышенной емкости. Такие «полезные» советы – использовать конденсаторы емкостью многие десятки, а то и сотни тысяч микрофарад – тоже встречаются на интернет-форумах. Все должно быть в меру.

Если конденсатор не разрушается большим пусковым током, то это еще не означает, что все в порядке. Токовые перегрузки могут вызвать ускоренную деградацию конденсатора. При этом емкость конденсатора может заметно снижаться со временем, а его внутреннее сопротивление расти.

Могут сказать, что, например, в моем экспериментальном блоке питания два конденсатора соединены параллельно, поэтому зарядный ток делится между ними. Следовательно, зарядный ток может вдвое превышать максимально допустимый для одного конденсатора. Это не совсем так. На самом деле надо учитывать сопротивление и индуктивность монтажа, даже если это монтаж на плате небольших размеров. Эквивалентная схема, учитывающая сопротивление и индуктивность монтажа, показана на рисунке 8.

Индуктивность монтажа

Рис. 8. Эквивалентная схема, учитывающая сопротивление и индуктивность монтажа.

 

Главным является то, что конденсатор С2 заряжается напряжением конденсатора С1. Пока С1 разряжен, С2 и не начинает заряжаться. Чтобы С2 начал заряжаться, на С1 уже должно появиться напряжение. Следовательно, зарядный ток начинает протекать сначала через С1, а уже затем через С2. Я промоделировал работу этой схемы, и результаты моделирования показаны на рисунке 9. Хорошо видно, что конденсатор С2 начинает заряжаться позже и его зарядный ток меньше. В модели использованы значения, вполне соответствующие моему блоку питания: С=15000 мкФ; R =0,025 Ом; L =2,5 мкГн.

Зарядный ток

Рис. 9. Напряжения и токи конденсаторов, показанных на рисунке 7 при включении питания.

 

Так что в реальном блоке питания импульсный зарядный ток распределяется между конденсаторами неравномерно, больше всех «страдает» тот конденсатор, который подключен ближе к диодному мосту – по моим результатам через него протекает 2/3 всего пускового тока. Поэтому повторим сравнение пускового тока и максимально допустимого тока конденсаторов для случая, если в каждом плече блока питания установлено по два конденсатора, как на рисунке 1.

На рисунке 10 показана ситуация, если пусковые токи обоих конденсаторов делятся поровну. Даже в этом случае максимально допустимые (длительные) токи оказываются меньше пусковых.

Рис. 10. Величины зарядного тока при прямом пуске и максимально допустимые токи конденсатора для двух конденсаторов в плече фильтра. Токи между конденсаторами делятся поровну.

 

Более реальное соотношение между токами конденсаторов, равное 2:1 (см. рис. 9), показано на рисунке 11. В этом случае мы имеем двукратное превышение пускового тока над максимально допустимым.

Ток конденсаторов

Рис. 11. Величины зарядного тока при прямом пуске и максимально допустимые токи конденсатора для двух конденсаторов в плече фильтра. Токи между конденсаторами делятся в реальном соотношении 2:1.

 

Интересный момент. На рисунках 10 и 11 цветом выделен один из конденсаторов – Jamicon LS 15000 мкФ 63В (светло синий цвет), а также один из трансформаторов мощностью 75 Вт (зеленый цвет). Это те реальные компоненты, которые работают в моем тестовом лабораторном блоке питания уже десять лет. Я включаю его прямым пуском. Пользуюсь им я не каждый день, но если пользуюсь, могу включать его несколько десятков раз в день. И пока ничего не сгорело. Но обратите внимание, пусковой ток меньше максимально допустимого долговременного тока конденсатора, поэтому прямой пуск наверняка не причинит конденсаторам вреда. Чтобы не было недопонимания – этот трансформатор на 75 Вт имеет пониженную индукцию, а следовательно повышенное сопротивление обмоток. Поэтому его пусковой ток заметно меньше, чем у других трансформаторов.

Итак, к чему мы пришли? Оказывается, что пусковой ток при включении усилителя имеет большую величину, и может быть опасен для конденсаторов фильтра. Особенно, если их несколько. Наибольшую опасность пусковой ток представляет для модных массивов, состоящих из десятков конденсаторов небольшой емкости. В таких массивах в наибольшей степени сказывается влияние индуктивности и активного сопротивления монтажа. Ведь наибольший ток идет главным образом через первый конденсатор, считая от выпрямителя. А конденсатор маленькой емкости имеет и маленький максимально допустимый ток. Такая токовая перегрузка вызывает ускоренную деградацию конденсатора.

Насколько то, что я сейчас описал, соответствует действительности?

1. Действительно, при включении питания через конденсаторы фильтра протекает кратковременный значительный пусковой ток. В моих экспериментах ток достигал величины 50 ампер – это реально большой ток.

2. Но ввиду его кратковременности, он не производит явно видимых вредных воздействий. Я не встречал данных о максимально допустимых величинах однократных кратковременных токов для конденсаторов. Очевидно, что величина таких токов намного больше, чем величина максимально допустимых длительных токов. Поэтому в реальности разница, показанная на рисунках 10 и 11 не такая и страшная. И огромное количество реальных усилителей включаются прямым пуском без видимых отрицательных последствий. Тот же самый той тестовый блок питания – я исследовал несколько разных трансформаторов, каждый из которых включал множество раз. Пусковой ток доходил до пятидесяти ампер, но конденсаторы целые и невредимые (кроме этих тестов я многократно использовал этот блок питания и с другими трансформаторами для настройки различных усилителей – и все равно блок питания живой).

Вот поэтому устройство софтстарта является опциональным. Потому что в принципе деградация конденсаторов фильтра возможна, но происходит она, или нет, и если происходит, то в какой степени – никто не знает. Но вот если использовать софтстарт, то никакой деградации конденсаторов фильтра не происходит наверняка. И значительно снижаются те небольшие перегрузки электрической сети, трансформатора и выпрямительных диодов, которые есть при прямом пуске усилителя.

Давайте рассмотрим, что же такое этот самый софтстарт, и какие он дает преимущества.

Назначение софтстарта – ограничить ток, возникающий при включении усилителя до приемлемой величины (я дальше буду говорить об усилителях, так как именно для них это устройство актуально: именно их блоки питания имеют большое напряжение и мощность, и именно в них установлены конденсаторы фильтра большой емкости). Существует два основных типа софтстарта: ступенчатый и плавный, рисунок 12.

Рис. 12. Схемы софтстарта: а) ступенчатый; б) плавный; в) условная схема регулируемого элемента.

 

Принцип действия ступенчатого софтстарта. При включении питания, напряжение на силовой трансформатор поступает не непосредственно, а через балластный резистор Rб, который ограничивает пусковой ток. Следовательно, ток заряда конденсаторов фильтра, который равен току вторичной обмотки трансформатора, также ограничен. Через некоторое время (порядка одной секунды) таймер замыкает контакты выключателя S и исключает резистор Rб из цепи. Теперь блок питания включен непосредственно в сеть безо всяких дополнительных элементов. В начальный момент, когда балластный резистор подключен, ток ограничен из-за повышенного сопротивления цепи первичной обмотки трансформатора: довольно большое сопротивление Rб прибавляется к Rсумм. Ток вторичной обмотки при этом уменьшается во столько же раз, во сколько уменьшается ток первичной обмотки. После замыкания резистора сопротивление цепи уменьшается и возвращается к своему изначальному значению. Но конденсаторы фильтра уже заряжены примерно на 80…90% ( Uc~0,9*U2), поэтому в формуле 1 числитель становится примерно в 10 раз меньше, и результирующий ток также оказывается в 10 раз меньше.

Приведу формулу 1 еще раз для большего удобства чтения:

То есть всплеск тока при включении остается, но он намного меньше по величине и не причиняет никаких неудобств. Собственно, всплеска тока получается два: в момент включения питания и при замыкании выключателя S. В качестве выключателя S используются контакты электромагнитного реле.

Принцип действия плавного софтстарта. В нем последовательно с первичной обмоткой трансформатора включается регулируемый элемент, у которого сопротивление плавно изменяется: вначале оно довольно большое, а потом уменьшается почти до нуля. При этом происходит вот что: напряжение на конденсаторах фильтра U с плавно растет, в результате числитель формулы 1 плавно уменьшается. А величина знаменателя (напоминаю, что в него теперь входит и то, сопротивление, которое мы подключили дополнительно) плавно уменьшается точно таким же образом из-за изменения сопротивления регулирующего элемента. В результате пусковой ток остается неизменным на уровне максимального тока трансформатора (того, который потребляет усилитель на максимальной громкости).

Условная схема (реально такая схема работает плохо, но для иллюстрации подойдет) регулируемого элемента показана на рисунке 12 в. Регулирующий элемент – составной высоковольтный транзистор, используемый в качестве управляемого переменного резистора – подключается через диодный мост. Мост служит для того, чтобы переменный ток трансформатора протекал через транзистор только в одном направлении. В цепь базы включается времязадающая RC цепочка. Вначале конденсатор разряжен, транзистор закрыт, ток через него (а значит и трансформатор) не течет. По мере заряда конденсатора, транзистор открывается, его ток увеличивается – это эквивалентно снижению сопротивления транзистора. В конце концов, конденсатор зарядится до напряжения порядка 1 вольт, транзистор максимально откроется, его сопротивление будет маленьким, и практически не будет влиять на работу цепи. Блок питания будет работать практически как при непосредственном включении.

Эти два принципа ограничения пускового тока – ступенчатый и плавный – я сравню позже, а сейчас давайте посмотрим, насколько это все эффективно. Я буду исследовать ступенчатый софтстарт, так как он проще реализуем, и его работа более «прозрачная». Тот факт, что, судя по описанию, плавный софтстарт работает лучше (бросков тока нет вообще), сейчас идет нам на пользу: если это наше «не самое лучшее» устройство ступенчатого запуска работает хорошо, то плавное («то, которое лучше») будет работать вообще замечательно.

В интернете можно найти много всяких разных схем софтстарта, некоторые из них неудачные, некоторые неработоспособные, а некоторые вообще вредные. Я, например, встречал в интернете тиристорный регулятор мощности, включенный для софтстарта. Его использовать нельзя: он регулирует среднее значение напряжения, а нам нужно регулировать мгновенное значение. На одном из форумов мне встретилась сильно «замороченная» схема плавного софтстарта, такая, что если из нее выбросить половину элементов, то она стала бы работать лучше. И при этом много участников форума ее громко хвалили. Я не ставлю себе сейчас задачу рассматривать конкретные схемы, речь идет об идее использования софтстарта.

Фотография экспериментальной схемы показана на рисунке 13. На нем мы видим блок питания, нагруженный на мощные резисторы, устройство софтстарта на макетке, мощный переменный резистор – это я подбираю оптимальное значение Rб.

Схема софтстарта

Рис. 13. Экспериментальная схема софтстарта.

 

Посмотрим, что получилось. Ток, потребляемый от сети трансформатором мощностью 250 Вт при использовании софтстарта, показан на рисунке 14. Хорошо видно, что токовых импульса два: при включении питания и при замыкании балластного сопротивления. Обратите внимание, что длительность переходного процесса возросла. Без софтстарта он заканчивался примерно за 120 миллисекунд (рис. 5), а теперь первая часть заканчивается приблизительно за одну секунду. Причина – заряд конденсаторов фильтра теперь происходит через резистор, а значит возросла постоянная времени цепи заряда. Другими словами: мы заряжаем конденсаторы меньшим током, следовательно, длительность заряда увеличивается пропорционально снижению зарядного тока.

Работа софтстарта

Рис. 14. Ток первичной обмотки трансформатора мощностью 250Вт при использовании софтстарта.

 

Соответственно уменьшился и ток вторичной обмотки, тот, который течет через конденсаторы фильтра, рисунок 15.

Софтстарт в действии

Рис. 15. Ток вторичной обмотки трансформатора мощностью 250Вт при использовании софтстарта.

 

Величина балластного сопротивления Rб выбирается не произвольно. Существует некоторое его оптимальное значение, при котором оба токовых импульса имеют одинаковую величину. Если балластное сопротивление меньше оптимального, ток первого импульса больше (сопротивление меньше, значит ток больше), а второго меньше (конденсаторы фильтра зарядились до большего напряжения). Если балластное сопротивление больше оптимального, то больше величина второго импульса, рисунок 16. При оптимальном значении сопротивления Rб пусковые токи равны и минимальны.

Сопротивление софтстарта

Рис. 16. Влияние величины балластного сопротивления R б на пусковой ток.

 

Чему равно оптимальное сопротивление балластного резистора? Оно подбирается индивидуально и зависит как от параметров трансформатора: сопротивления и индуктивности рассеяния обмоток, коэффициента трансформации (выходное напряжение), так и от емкости конденсаторов фильтра. И еще оно зависит от длительности питания через резистор – от времени задержи таймера. Предлагать формулу для расчета Rб я не буду – все равно точные значения всех параметров неизвестны, и ошибка в расчете будет значительной. Тем более что и емкость конденсаторов фильтра, и длительность задержки непосредственного включения при изменении температуры меняется. Также изменяется и напряжение сети, которое тоже влияет на величину Rб. Поэтому формулы, точно вычисляющей оптимальное значение балластного сопротивления на все случаи жизни, просто не существует. В каждой конкретной схеме можно приблизительно указать такое значение для трансформатора определенной мощности. Да и гнаться за точным равенством сопротивления балластного резистора своему оптимальному значению не стоит, даже заметное отличие сопротивлений не приводит к катастрофе – показанные на рисунке 16 осциллограммы соответствуют полуторакратному изменению сопротивления Rб. И все нормально работает, значение пускового тока все равно заметно ниже, чем при прямом пуске. Единственно, что можно сказать определенно – если равенства сопротивления балластного резистора своему оптимальному значению добиться не получается, то лучше, если Rб< R оптимальн, потому что ток первичной обмотки при работе через Rб всегда контролируется балластным сопротивлением и не может превышать определенного значения (в общем-то небольшого), рассчитанного по закону Ома. А при замыкании контактов реле величина тока зависит только от степени заряда конденсаторов. Она неизвестна, неконтролируема и может оказаться слишком большой. Если же Rб< R оптимальн, то второй импульс тока наверняка меньше первого, нам уже известного. В результате можно быть уверенным, что пусковой ток не будет больше вполне определенного значения.

Давайте сравним, как изменились пусковые токи от применения софтстарта для разных трансформаторов. Смотрим рисунки 17 и 18. Ток без софтстарта красного цвета, с софтстартом - зеленого цвета.

Рис. 17. Сравнение пусковых токов в первичных обмотках трансформаторов при прямом пуске и при использовании софтстарта.

Рис. 18. Сравнение пусковых токов во вторичных обмотках трансформаторов при прямом пуске и при использовании софтстарта.

 

Результат налицо: для мощных трансформаторов пусковой ток уменьшился примерно в 8 раз. Судя по полученным результатам, теперь можно не беспокоиться о токовой перегрузке сети, выпрямительных диодов и конденсаторов фильтров. Поскольку основное беспокойство вызывали именно конденсаторы, давайте сравним новые зарядные токи конденсаторов с их максимально допустимыми значениями. Проверяем самый худший случай, когда в фильтре питания используется всего один конденсатор. Результаты показаны на рисунке 19 (сравните с рисунком 7). Очевидно, что реальные пусковые токи конденсаторов намного меньше предельно допустимых. Можно быть абсолютно уверенным – никакой из конденсаторов НИКОГДА не будет перегружаться! Так что основное назначение софтстарта на самом деле – принести нам душевное спокойствие и уверенность в надежной работе усилителя.

Польза софтстарта

Рис. 19. Величины реального зарядного тока при использовании софтстарта и максимально допустимые токи конденсатора.

 

Теперь пришло время сравнить два варианта конструкции софтстарта: ступенчатый и плавный. Сложилось мнение, что плавный софтстарт лучше ступенчатого – ведь в нем вроде бы полностью отсутствуют броски тока. В интернете приводится много рассуждений на эту тему, не все они правильные. Так что давайте разбираться.

 

Ступенчатый софтстарт. Реальные достоинства.

1. Простота конструкции.

2. Надежность – «под нагрузкой» находится только балластный резистор, который можно выбрать с любым запасом по мощности. Резистор – практически неубиваемый элемент, в работе которого можно быть абсолютно уверенным.

3. Предсказуемость. Поведение пускового тока всегда описывается графиками подобными тем, что показаны на рисунке 16. Максимальный пусковой ток первичной обмотки всегда немного меньше, чем 312/ Rб (примерно на 20%).

4. «Отсутствие устройства» при срабатывании. Когда реле софтстарта срабатывает и замыкает балластный резистор, то резистор исключается из схемы. Устройство представляет собой замкнутые контакты, и абсолютно никакого влияния на схему не оказывает. Его нет. Влияние на схему включенного софтстарта равно нулю.

 

Ступенчатый софтстарт. Декларируемые недостатки.

1. Пиковый пусковой ток все же превышает номинальный. Это верно, но это не только не приносит никакого вреда, но даже не причиняет никаких неудобств: пусковой ток заметно снижен. Пиковый пусковой ток усилителя мощности, оснащенного ступенчатым софтстартом, может быть меньше, чем пиковый пусковой ток CD -плеера (с прямым пуском), который используется совместно с этим усилителем. На мой взгляд, недостаток надуманный.

2. Так как конденсаторы фильтра заряжаются через постоянное сопротивление, то время задержки ступенчатого софтстарта всегда больше, чем плавного. Например, мой ступенчатый софтстарт обеспечивает полное окончание переходного процесса и начало полноценной работы усилителя через 1,2 секунды после включения питания. А плавный софтстарт в принципе способен запустить усилитель уже через 0,8 секунды. Мое мнение: а) недостаток надуманный – разница в 0,4 секунды несущественна; б) это в принципе задержка запуска составляет 0,8 секунд, а в реальности все может быть гораздо хуже, об этом ниже.

3. Ограниченный ресурс реле, используемого для замыкания балластного сопротивления. Недостаток надуманный. Механический ресурс любого современного качественного реле (износ механизма) составляет несколько миллионов циклов включение-выключение. Один миллион циклов – это если вы будете включать-выключать усилитель ежедневно по 30 раз в день в течение 100 лет. Электрический ресурс контактов раз в 10 ниже, но это при максимальной электрической нагрузке, а здесь нагрузка не максимальна. К тому же я подскажу, как избавиться от подгорания контактов реле.

4. Щелчок реле при включении усилителя слышен в тишине. Вас и вправду это беспокоит?

Так что в реальности недостатков нет.

 

Плавный софтстарт. Декларируемые достоинства.

1. Сопротивление регулируемого элемента увеличивается плавно, поэтому бросок тока при включении питания отсутствует, при этом скорость заряда конденсаторов фильтра максимальна. Реальность такова. Заряд конденсаторов фильтра подчиняется определенным математическим соотношениям. Для того чтобы зарядный ток был неизменным (и осуществлялся декларируемый плавный заряд максимальным током постоянной величины), надо чтобы сопротивление регулируемого элемента изменялось точь-в-точь по тому же закону, но в обратном направлении. А вот это получить невозможно (если не делать что-то специальное и очень сложное):

- Для регулирования тока в плавном софтстарте используется биполярный или полевой транзистор, у которого закон регулирования совершенно другой. Так что линейного заряда в принципе не будет.

- Этим транзистором управляет напряжение на времязадающем конденсаторе (см. рис. 12), которое изменяется вроде бы и как надо, но если постоянная времени этого конденсатора не совпадает с постоянной времени заряда конденсаторов фильтра питания, то никакого соответствия между требуемым током заряда и сопротивлением регулирующего элемента не будет. Не будет линейного заряда, даже если бы регулирующий элемент работал идеально.

- Можно добавить в схему какой-нибудь переменный резистор для «настройки на закон регулирования, соответствующий вашему блоку питания». Это фикция. Совместить разные по своему характеру кривые при помощи всего одного регулятора можно только в одной точке. И то не всегда. Я промоделировал одновременную работу обоих схем софтстарта. Зарядные токи показаны на рисунке 20. Красная кривая на этом рисунке соответствует плавному запуску. Никакого неизменного зарядного тока у «плавной» схемы не наблюдается. А по величине пусковой ток получился больше, чем при ступенчатом пуске – совершенно случайно, я этого не подстраивал. Интересно, что включаются они одновременно, но плавному софтстарту требуется время для «разогрева». И действительно, переходный процесс в устройстве плавного софтстарта заканчивается быстрее. Но речь сейчас о другом. Я не утверждаю, что схема плавного софтстарта, которую я использовал в модели, хороша. Наверняка, ее можно улучшить. Я хочу показать приблизительную зависимость тока от времени. Это сложная кривая, и если использовать только один переменный резистор, то с его помощью можно изменять только один параметр этой кривой: высоту, ширину, и т.п. Чтобы ее подогнать к идеальной, нужно три-четыре регулятора. Ну и как вы представляете себе такую настройку? Вам нужно будет измерять реальный пусковой ток усилителя и что-то регулировать в схеме софтстарта. И будет ли результат стоить потраченных усилий?

Плавный пуск

Рис. 20. Зарядные токи систем ступенчатого и плавного софтстарта.

 

- Но даже если вы настроите свой плавный софтстарт этими четырьмя регуляторами, то все изменится при изменении температуры (особенно сильно температура влияет на свойства транзисторов) и/или напряжения сети. А может вы будете все это подстраивать непрерывно?

Вывод такой: максимально быстрый заряд одинаковым током, близким к максимальному, но не вызывающему перегрузку – утопия. Да, ток изменяется плавно, но его максимальная величина неизвестна! Вообще неизвестна. Также как и форма кривой (красная линия на рис. 20). Проблема заключается именно в этом – а не получится ли у нас пусковой ток слишком большим? Как получился (повторяю – совершенно случайно) в модели на рисунке 20. Можно сделать запуск намного более медленным, чтобы ток был наверняка небольшим, но при этом возрастает мощность, выделяемая на регулирующем элементе. Про задержку запуска я не говорю – пара-тройка секунд это несущественно. Так что единственного достоинства плавного софтстарта на самом деле не существует. Если даже кто-то и подобрал схему «как надо», то для другого трансформатора, для другого напряжения на вторичной обмотке, для другой емкости конденсаторов фильтра, при другой температуре или другом напряжении в сети оно будет работать по-другому, не оптимально.

 

Плавный софтстарт. Реальные недостатки.

1. Неизвестный закон регулирования, неизвестная величина максимального тока.

2. Для регулирования используется полупроводниковый прибор – транзистор. Его свойства зависят от температуры и при перегреве (недостаточное охлаждение, частые включения-выключения) они могут меняться, что изменяет работу всего устройства.

3. Транзистор хуже выдерживает нагрев, нежели резистор, поэтому его нужно охлаждать. Радиатор в устройстве софтстарта увеличивает его габариты. При попытке затянуть во времени заряд конденсаторов, чтобы наверняка снизить ток, нагрев транзистора усилится (он дольше будет греться), значит радиатор надо использовать еще большего размера.

4. Полупроводниковые приборы, даже мощные, довольно нежные. Они не очень хорошо выдерживают перегрузки и по напряжению, и по току. Их может пробить неотфильтрованная высоковольтная помеха в сети. С современными транзисторами такое происходит очень редко, но все же надежность транзистора в этом месте схемы заметно ниже, чем у резистора ступенчатого софтстарта. Известен такой «закон предохранителя»: если последовательно с транзистором включен предохранитель (я имею в виду сетевой предохранитель усилителя), то при перегрузке транзистор сгорает первым и защищает этим предохранитель от перегорания. Это шутка, основанная на реальной жизни. А при сильном несовпадении закона регулирования транзистора с законом реального заряда конденсаторов фильтра, через регулирующий транзистор может протекать такой большой ток, что транзистор может выйти из строя.

5. На включенном устройстве (даже при полностью открытом транзисторе) падает некоторое напряжение, порядка 1,5…3 вольт. Это вызывает постоянный нагрев элементов схемы софтстарта.

6. Устройство нелинейно, и даже в полностью включенном состоянии генерирует небольшие помехи в сети. Хоть это и мелочь, но все же.

 

Вывод: ступенчатый софтстарт лучше плавного.

 

Внимание! Софтстарт может быть опасен! Если в том устройстве, которое он защищает, произошла авария, то из-за ограничения тока софтстартом, сетевой предохранитель устройства может не сработать! Элементы схемы могут начать перегреваться и в принципе возможно возгорание!

 

Когда и как это может произойти? Например, в трансформаторе питания усилителя произошло короткое замыкание. При использовании софтстарта мы в первый момент включаем усилитель через балластный резистор. Величина тока, потребляемого от сети, получается небольшой, предохранитель не сгорает, и устройство от сети не отключается. При этом балластный резистор нагревается гораздо сильнее, чем при работе в штатном режиме. Если он от этого выйдет из строя и перестанет пропускать ток, то все в порядке – балластный резистор сам выступит в роли предохранителя. Но при этом он сильно нагреется – мощность на нем может достигать сотен ватт. Если же балластный резистор не выйдет из строя, то его нагрев может быть еще больше (например, длительность задержки софтстарта 0,8 секунды, а он вышел из строя за 0,4 секунды, значит продолжительность его нагрева была в два раза меньше). Какие беды принесет такой нагрев – предсказать сложно. Возможно, что ничего страшного не произойдет. А возможно и возгорание чего-то легко воспламеняемого, расположенного рядом. После замыкания контактов реле, балластный резистор исключается из схемы, и наконец-то срабатывает предохранитель.

А если реле не сработает? Вдруг авария такова, что кроме короткого замыкания в трансформаторе, вышло из строя реле или само устройство софтстарта? Вот тогда точно нагрев балластного резистора будет очень сильным. Он выйдет из строя наверняка, но перед этим нагреется до высокой температуры. И это очень опасно.

В устройстве плавного софтстарта такая ситуация также возможна, но там скорее всего регулирующий транзистор выйдет из строя довольно быстро и отключит ток. Или не отключит – все зависит от конкретной схемы устройства.

Что делать?

Существует как минимум два способа обезопасить себя от неприятных последствий подобной ситуации. Для повышения надежности их хорошо бы применять совместно.

Способ 1. Использовать сетевой предохранитель на минимально возможный ток. Без системы софтстарта это затруднительно – иногда предохранитель перегорает из-за большого пускового тока усилителя, и приходится использовать предохранитель завышенного номинала. С софтстартом такого не происходит, пусковой ток сравнительно небольшой и за короткое время предохранитель не перегорает. Кроме того, сопротивление балластного резистора выбирается не из соображений оптимального заряда конденсаторов фильтра, а такой величины, чтобы при коротком замыкании в силовом трансформаторе ток достигал величины, достаточной для надежного перегорания предохранителя. То есть ток должен быть примерно в 2…3 раза больше.

Недостаток этого способа: ограничение пускового тока конденсаторов получается небольшим, и конденсаторы все же перегружаются при пуске, хотя и не в такой степени, как без софтстарта.

Способ 2. Разместить вблизи балластного резистора термопредохранитель или терморазмыкатель, срабатывающие при перегреве Rб и отключающие сетевое напряжение. Эти устройства будут работать надежно только в том случае, если они будут рассчитаны на сравнительно небольшую температуру срабатывания – 50…80 градусов Цельсия. Этот способ позволит избежать перегрева балластного резистора и исключить все негативные явления, связанные с этим перегревом.

Схема софтстарта будет чуть позже.

 

06.07.2018

Яндекс.Метрика

Счетчик