О блоках питания

Про блок питания для усилителя было написано уже как минимум две статьи: Блок питания для TDA7293 и TDA7294 и Блок питания усилителя – схема и работа. Во второй из них подробно рассматривается структура блока питания и работа его узлов. Схемы блока питания, которые описаны в статьях, на самом деле отличные, хорошо работают и именно по ним построено подавляющее большинство блоков питания как в самодельной, так и в промышленной аппаратуре. Что будет здесь? Здесь я хочу дать практическую схему «безупречного» блока питания для усилителя.

«Безупречный» — это не означает «самый совершенный», или «самый лучший». И не только потому, что для кого-то «самый лучший» — это со встроенной кофемашиной. В этом блоке питания оптимальным образом (а вовсе не максимально!) устранены все погрешности, помехи и нестабильности. Так, чтобы получить качество питания, не идеальное, но достаточное для отличной работы практически любого усилителя.

Типовая схема блока питания приведена в статье Блок питания усилителя и показана на рис. 1. Это отличный блок питания, реализованный в подобном виде в огромном количестве устройств. Трансформатор разделяет его на две части: слева от трансформатора находится высоковольтная часть, подключаемая в сеть переменного тока, а справа – низковольтная часть, подключаемая к усилителю.

Высоковольтная часть блока питания должна обязательно содержать предохранитель и выключатель питания. Крайне желательно также использовать сетевой фильтр. Обычно применение помехоподавляющего конденсатора даёт достаточно хорошие результаты. Более того, я очень рекомендую его применять.

Применять более сложный фильтр можно, но с осторожностью – в зависимости от схемы фильтра и наличии или отсутствии заземления корпуса, сложный «правильный» фильтр может создать проблемы: корпус может оказаться под напряжением сети при связи через Y-конденсаторы. Кроме того, необходимо правильно оценивать ток, потребляемый усилителем от сети, иначе фильтр будет перегружаться током и эффективность его значительно снизится. Кроме того, готовые фильтры в сборе достаточно дороги, а при сборке фильтра из отдельных комплектующих есть шанс ошибиться в их правильном применении.

О хороших сетевых фильтрах поговорим в другой раз. А сейчас обойдёмся одним помехоподавляющим конденсатором, которого обычно вполне достаточно.

Поэтому займёмся той частью, которая находится справа от трансформатора – низковольтной. Работа этой части является более важной.

«Безупречный» блок питания для усилителя

Схема «безупречного» блока питания показана на рисунке 2. Она ничем принципиально не отличается от исходной, показанного на рисунке 1. В схему добавлено несколько дополнительных элементов, которые немного улучшают её работу. Улучшают немного, потому что сильно улучшить исходную схему невозможно.

К левым контактам (~, Gnd, ~) подключается трансформатор, с правых контактов (+, Gnd, -) постоянное напряжение питания подаётся на усилитель.

Резисторы R1, R2 совместно с конденсаторами С1, С2 образуют два снаббера, каждый из которых подключён к своей полуобмотке трансформатора. Снаббер служит для подавления возможных высокочастотных осцилляций (колебаний). Откуда эти колебания могут возникнуть? Ток от трансформатора потребляется короткими импульсами, в этом состоит работа выпрямителя на ёмкостную нагрузку. В момент закрывания диодов выпрямителя, ток в цепи уменьшается до нуля за довольно короткое время. Из-за индуктивности трансформатора могут возникнуть всплески напряжения (а могут и не возникнуть), энергия которых обычно «мягко» рассеивается на сопротивлении и ёмкости обмоток трансформатора. Но иногда при очень неудачном стечении обстоятельств энергия, накопленная в индуктивности трансформатора (и вызывающая всплески напряжения), может рассеиваться в виде высокочастотных колебаний. При этом каждый полупериод напряжения сети сопровождается «вспышкой» высокочастотных осцилляций. Конденсаторы снаббера пропускают такие осцилляции на резисторы, где энергия рассеивается, превращаясь в тепло. Если быть честным, я никогда не сталкивался на практике с подобными осцилляциями. Во всех случаях не было условий для их возникновения. Поэтому снабберы – достаточно ненужный элемент этой схемы. Скорее всего, работы для них не будет. Для чего тогда я их использую? Но мы же делаем самый лучший блок питания для усилителя, не так ли?

Диоды VD1-VD4 образуют выпрямитель. Почему именно такой – это самый лучший, я уже об этом писал. В выпрямителе используются диоды Шоттки. Не потому, что они более волшебные. И даже не потому, что они более быстрые. А потому что:

1. На них падает меньшее напряжение, а значит, больше напряжения получит усилитель.
2. На них падает меньшее напряжение, а значит, при том же токе они будут нагреваться меньше, чем «обычные» диоды.

Кстати, чем более быстрые диоды используются в выпрямителе, тем больше шансов возникновения ударной осцилляции, которую приходится подавлять снабберами.

Каждый из диодов зашунтирован конденсатором (С3…С6). Эти конденсаторы также как и снабберы снижают помехи коммутации, но уже каждого диода по отдельности. Интересно, что шунтирующие конденсаторы образуют мост, рис. 3. Трансформатор включается в одну диагональ этого моста, а нагрузка – в другую. Поэтому при идеальном балансе моста высокочастотные помехи, поступающие из сети через трансформатор, в нагрузку не попадают. Для этого конденсаторы должны иметь одинаковую ёмкость. Но подбирать их по ёмкости нет необходимости. Достаточно использовать конденсаторы одинакового номинала. Дело в том, что эта их функция вторична: помехи в сети должны подавляться ещё до трансформатора, поэтому небольшой разбаланс моста, вызванный разбросом ёмкостей конденсаторов, совершенно не страшен. Да и разбаланс моста будет небольшим, так что помехи будут подавляться достаточно хорошо.

Кстати, ёмкость шунтирующих конденсаторов во много раз больше, чем ёмкость диодов выпрямителя. Так что конденсаторы намного замедляют процесс переключения тока (диод выключается быстро, а ток через конденсатор продолжает протекать). Поэтому система «быстрый диод плюс конденсатор» оказывается намного более медленной, чем система «обычный небыстрый диод без конденсатора». Тем не менее, несмотря на «излишнюю медлительность», система с конденсатором лучше, что давно известно. Это ещё раз подтверждает тот факт, что мифы о хорошем «звучании» быстрых диодов в выпрямителе – всего лишь мифы.

Электролитические конденсаторы большой ёмкости С7…С12 запасают энергию и являются фильтром питания. Они заряжаются короткими импульсами тока, поступающими от выпрямителя, и отдают эту энергию усилителю в паузах, когда напряжение в сети переходит через ноль. Если рассмотреть их работу с другой стороны, то эти конденсаторы сглаживают пульсации напряжения питания. Главное то, что от этих конденсаторов усилитель получает энергию в течение 90% времени своей работы. Так что конденсаторы должны быть качественными. Но никаких волшебных свойств от этих конденсаторов не требуется. Гораздо важнее правильно их выбрать и подключить. Об этом смотрим ниже.

Плёночные конденсаторы С13, С14 помогают электролитическим конденсаторам работать на высоких частотах. Дело в том, что все конденсаторы имеют определённую максимальную рабочую частоту, выше которой их свойства заметно ухудшаются. А у электролитических конденсаторов эта максимальная рабочая частота находится в звуковом диапазоне. То есть, на высших звуковых частотах электролитические конденсаторы большой ёмкости работают недостаточно хорошо.

Конденсаторы

Типичная зависимость импеданса (модуля полного сопротивления) электролитического конденсатора ёмкостью 10000 мкФ от частоты показана на рисунке 4 (по данным компании Nichicon, красные точки на графике поставил я). Пунктирными прямыми линиями на графике показано поведение идеального конденсатора (линия Xc) и идеальной катушки индуктивности (линия X_L).

На низких частотах конденсатор ведёт себя «правильно», и имеет свойства конденсатора: при увеличении частоты его импеданс пропорционально уменьшается. Это происходит левее точки A на рисунке 4, когда график, отображающий свойства конденсатора, совпадает с идеальной линией Xc. На более высоких частотах (между точками A и B) ёмкостные свойства конденсатора ухудшаются и начинают сказываться его активное сопротивление и индуктивность. В точке B конденсатор представляет собой уже просто резистор, а на более высоких частотах (между точками B и C) он обладает индуктивным характером. На ещё более высоких частотах (правее точки C) конденсатор представляет собой индуктивность, там его свойства совпадают с линией индуктивности X_L.

Так что конденсатор, характеристика которого показана на рисунке 4, хорошо работает на частотах примерно до 1 кГц, а на частоте 20 кГц он является практически резистором. На более высоких частотах он является индуктивностью. Конденсаторы с большей ёмкостью имеют ещё более низкую максимальную рабочую частоту.

На самом деле не всё так плохо, как кажется. Даже на этих высоких частотах конденсатор способен запасать и отдавать энергию. То есть, он работает и делает своё дело. Но вот то, что конденсатор проявляет свойства индуктивности, может вызвать неустойчивую работу усилителя. Иногда в усилителях возникают высокочастотные колебания (усилители самовозбуждаются) из-за индуктивного характера цепи питания. Поэтому параллельно электролитическим конденсаторам подключаются плёночные конденсаторы достаточно большой ёмкости. У них максимальная рабочая частота намного выше, и они сохраняют ёмкостный режим работы в звуковом и ультразвуковом диапазоне, компенсируя индуктивный характер электролитических конденсаторов.

Если говорить честно, то в этом месте плёночные конденсаторы не нужны. Внутри блока питания усилителя, выполненного в виде отдельного узла, дополнительные плёночные конденсаторы пользы практически не приносят. Потому что усилитель подключается к блоку питания при помощи кабеля. Сопротивление и индуктивность кабеля «съедают» всю ёмкостную составляющую, создаваемую плёночными конденсаторами. Так что польза от конденсаторов C13 и C14 очень мала. Но они не приносят никакого вреда. Такие конденсаторы просто необходимо устанавливать на плате усилителя вблизи выходных транзисторов. В том месте они работают хорошо, и без таких конденсаторов, установленных на плате усилителя, получить высокое качество звучания практически невозможно. При отсутствии либо недостаточной ёмкости этих плёночных конденсаторов на плате усилителя, в усилителях возникают высокочастотные колебания (осцилляции). Но поскольку от плёночных конденсаторов нет и вреда, то пусть будут, хотя бы маленькую пользу они принесут. В конце концов, они помогут подавить высокочастотные помехи, прошедшие сквозь все наши фильтры. С плёночными конденсаторами такие помехи не имеют ни одного шанса. Важно, чтобы установка на печатную плату таких конденсаторов не ухудшило работу блока питания – чтобы не повысились сопротивление и индуктивность проводников.

Этот блок питания для усилителя содержит три пары электролитических конденсаторов. А сколько пар конденсаторов должно быть? При параллельном соединении ёмкости конденсаторов суммируются. Три конденсатора по 10000 мкФ, соединённые параллельно, имеют эквивалентную ёмкость, равную 30000 мкФ. Можно ли вместо трёх этих конденсаторов применить один конденсатор ёмкостью 30000 мкф? Можно! Почему же я так не сделал? Тут несколько причин:

• конденсаторы большой ёмкости дефицитные и дорогие;
• конденсаторы большой ёмкости имеют большие габариты, поэтому их не всегда удобно размещать в корпусе;
• для наиболее эффективной работы конденсатора, его реальное физическое подключение (подключение, показанное на принципиальной схеме, является условным) должно быть правильным. Крупногабаритные конденсаторы обычно располагаются вне печатной платы, и подключаются проводами. В этом случае правильное подключение обеспечить сложнее, рис. 5. Да и сопротивление соединительных проводов будет больше.

Сколько пар конденсаторов можно использовать? Обычно от одной до четырёх-пяти. Но чаще всего две-три. В этом случае конструкция блока питания получается наиболее удобной. Кстати, использование нескольких конденсаторов меньшей ёмкости вместо одного большого может оказаться удачным решением ещё и потому, что чем ёмкость конденсатора меньше, тем лучше у него высокочастотные свойства (см. рис. 4).

Массив конденсаторов

Встречается мнение, что если использовать массив конденсаторов – несколько десятков конденсаторов небольшой ёмкости, включённых параллельно, то в результате получится эквивалентный конденсатор с хорошими высокочастотными свойствами. Это не так. Индуктивность и активное сопротивление монтажа будут слишком велики, и уничтожат всю выгоду от такого решения. Это я показал в статье Массив конденсаторов – мифы и реальность. Есть ещё один вариант включения массива конденсаторов, я его обязательно рассмотрю чуть позже, и опубликую результаты.

Также можно встретить рекомендации включать параллельно «большим» конденсаторам электролитический конденсатор небольшой ёмкости, порядка 100…220 мкФ. Такой конденсатор не теряет своих свойств до частот 10…20 кГц. Но это лишнее. Один конденсатор небольшой ёмкости, не способный отдать сколько-нибудь значительный ток, пользы не принесёт. Он лишь усложнит конструкцию платы, в результате чего индуктивность и активное сопротивление монтажа скорее всего увеличатся. Работа такого конденсатора аналогична работе плёночного конденсатора, но плёночный конденсатор намного более высокочастотный.

Иногда в выходную цепь постоянного тока (параллельно конденсаторам фильтра) также подключают снабберы. Например, подобное решение есть в руководстве Application Note 1849 компании National Semiconductor. На самом деле в них тоже нет необходимости.

1. Чтобы в этом месте схемы возникли высокочастотные колебания, должно произойти нечто фантастическое.
2. Снабберы служат для отвода высокочастотной энергии. Когда к блоку питания подключён усилитель, он отбирает столько энергии, что никакие колебания и не возникнут.
3. Электролитические конденсаторы имеют довольно большое внутреннее сопротивление (ESR), на котором эффективно рассеивается энергия этих возможных колебаний.

Итак, как необходимые, так и просто полезные конденсаторы в нашей схеме есть, от бесполезных мы отказались.

Другие узлы и соединение с корпусом

Резисторы R3 и R4 служат для полного разряда конденсаторов фильтра при выключении питания. Без них вполне можно обойтись. Необходимость разряда конденсаторов фильтра не является насущной, но есть некоторые причины, чтобы так поступать. Их описывать довольно долго, поэтому я воздержусь. Использование разрядных резисторов я рекомендую, хоть и не очень настойчиво, а вы, если не хотите, не используйте. Имейте в виду, что на холостом ходу, когда к блоку питания ничего не подключено, длительность полной разрядки конденсаторов фильтра (при номиналах элементов, указанных на схеме) составляет около одного часа.

Светодиоды используются в качестве индикаторов. Ток через светодиоды заранее выбран очень маленьким, и яркость их свечения невелика. Эти светодиоды устанавливаются не на переднюю панель усилителя для индикации питания, а на печатную плату блока питания. Их назначение – показать вам, что всё в порядке, всё работает. Но если хотите, эти светодиоды можно установить и на переднюю панель. Тогда ток через них следует увеличить, уменьшив сопротивления резисторов R5 и R6 примерно вдвое.

Резистор R7 соединяет землю схемы с корпусом усилителя.

Важно! Земля схемы должна соединяться с корпусом усилителя только в одной точке! Все другие элементы, соединённые с землёй схемы, должны быть изолированы от корпуса.

И вполне разумно, если эта точка находится в блоке питания. Но соединение производится не напрямую, а через резистор небольшого сопротивления. Гальваническая связь при этом сохраняется, а сам резистор выполняет функцию предохранителя. При коротком замыкании на корпус он:

• ограничивает ток;
• сгорает и прерывает короткое замыкание.

Если в вашей электрической сети есть настоящее качественное заземление, и розетки оборудованы третьим контактом, реально соединённым с землёй, то рекомендуется заземлить корпус усилителя, как показано на рис. 6. Оба резистора мощностью 0,125 Вт.

Но такое подключение можно делать, только если вы уверены в качестве заземления. Иначе оставляйте средний контакт сетевого разъёма никуда не подключённым.

Соединять корпус усилителя с другими сетевыми проводами кроме заземления нельзя!

Раздельное питание?

Иногда можно услышать, что у высококачественного усилителя должно быть раздельное питание – каждый из стереоканалов должен питаться от отдельного блока питания. Существует принцип конструирования усилителей «двойное моно», когда в одном корпусе установлены два независимых монофонических усилителя. Иногда усилители даже делают в виде моноблоков – полностью одноканальный усилитель со своим блоком питания, помещённый в отдельный собственный корпус. На самом деле моноблок – это маркетинговый трюк. Конструкция «двойное моно» позволяет снизить затраты на производство: вместо разработки двухканальных печатных плат, инженеру платят за одноканальную плату вдвое меньших размеров. Сборка и наладка маленьких одноканальных плат также обходятся дешевле. И брак одной маленькой платы вызывает меньшие потери, чем большой двухканальной платы.

Так есть ли необходимость в раздельном питании стереоканалов усилителя? В принципе да. Ведь просадки напряжения питания, вызванные работой одного канала усилителя, попадают в другой канал. Но давайте разберёмся, что происходит на самом деле. Экспериментальное исследование данного вопроса описано в статье Раздельное питание каналов стерео усилителя.

Взаимное влияние усилителей через общий источник питания происходит двумя путями:

1. Просадки напряжения питания, вызванные работой одного канала усилителя, приводят к снижению напряжения питания во втором канале. И следовательно, к возможности возникновения в нём клиппинга.
2. Нестабильность питания, вызванная другим каналом усилителя, проникает в «чистый» канал усилителя и вызывает в нём появление помех.

Начнём со второго пункта. Чем лучше усилитель (это закладывается в его конструкцию), тем меньше на него влияют помехи, приходящие по питанию. Существует даже такой параметр усилителя: коэффициент подавления пульсаций (нестабильности) напряжения питания (PSRR, или kSVR) .

У хороших усилителей этот коэффициент довольно большой. То есть, у хороших усилителей помехи, приходящие по питанию, практически не воздействуют на усиливаемый сигнал. Поэтому их можно не бояться (если всё делать правильно). А вот у плохих усилителей с маленьким значением PSRR помехи из цепи питания вполне могут заметно повлиять на сигнал.

Но тогда получается, что раздельное питание в большей степени необходимо именно плохим усилителям!

Действительно, в высококачественных усилителях помехи в цепи питания подавляются настолько хорошо, что то их количество, которое попадает в сигнал, никак не влияет на качество звука. Взаимные помехи стереоканалов по цепи питания настолько малы, что теряются на фоне других видов помех и искажений. Естественно, это происходит только при грамотной конструкции всего устройства в целом. Так что с этой стороны проблем мы не получим.

Гораздо важнее первый пункт – влияние просадок напряжения, вызванных одним каналом на другой канал усилителя. Ведь если напряжение питания уменьшается, уменьшается и максимальная выходная мощность усилителя. Появляется возможность для возникновения клиппинга. Но на самом деле, один общий блок питания для нескольких каналов ничуть не хуже, а иногда даже лучше двух отдельных блоков.

Проведём мысленный эксперимент. Допустим, у нас есть одноканальный усилитель (или моноблок), предназначенный для воспроизведения монофонического сигнала. Усилитель снабжён блоком питания, в котором трансформатор имеет мощность 50 Вт, а ёмкость накопительных конденсаторов в фильтре питания 10000 мкФ. Для стереосигнала надо использовать два таких усилителя. Объединим их в общий корпус и снабдим общим блоком питания. В получившемся стерео варианте усилителя используется трансформатор мощностью 100 Вт (=2∙50) и накопительные конденсаторы ёмкостью 20000 мкФ (=2∙10000). Теперь давайте сравним эти два усилителя: один со структурой двойное моно, а второй — стерео с «удвоенным» блоком питания.

Рассмотрим один из двух крайних случаев. Подадим в оба стереоканала этого усилителя один и тот же монофонический сигнал. Не будет никакой разницы, работает ли два канала усилителя от двух раздельных блоков питания или от одного блока питания удвоенной мощности. Все напряжения – максимальное, минимальное, среднее, а также величина пульсаций будут одинаковыми. Потому что мы с одной стороны удвоили число каналов, а значит и потребляемый ток, а с другой стороны, точно также удвоили мощность блока питания. Так что в этом случае разницы никакой нет, используется один общий блок питания, либо два отдельных.

Другой крайний случай. Теперь подадим на входы нашего усилителя стереосигнал. Он отличается от монофонического тем, что в каждом из каналов свой звук. Так вот, крайний случай состоит в том, что в одном из каналов звук есть, а в другом нет. Такое иногда бывает в начале или конце музыкальной композиции. Как ведут себя наши стерео усилители, один из которых оснащён раздельными блоками питания, а второй общим блоком питания для двух каналов?

Усилитель с раздельными блоками питания работает так: один их каналов простаивает, а второй работает в стандартном режиме. Его питание обеспечивают накопительные конденсаторы ёмкостью 10000 мкФ в его отдельном блоке питания. Соответственно напряжения и пульсации имеют заданную величину.

Усилитель с общим блоком питания работает в улучшенных условиях: в его распоряжении находятся ресурсы обоих каналов питания! То есть для получения того же сигнала мы пользуемся трансформатором мощностью 100 Вт и накопительными конденсаторами ёмкостью 20000 мкФ. В результате пульсации будут вдвое меньше, а минимальное напряжение питания несколько больше, чем у усилителя с отдельными блоками питания.

Действительно, пока один из отдельных блоков питания простаивает, общий блок питания работает в полную силу на другой канал усилителя.

Свойства реального стереосигнала находятся примерно посередине. Громкость музыки больше то в одном канале, то в другом. Когда громкость в одном из стереоканалов меньше, соответствующий усилитель потребляет от блока питания меньшую мощность. И каждый раз общий блок питания высвободившиеся ресурсы отдаёт тому стереоканалу, который в них нуждается больше. Это эквивалентно увеличению мощности блока питания примерно на 5…15%. Раздельные блоки питания на такое неспособны.

Я это вижу особенно хорошо, когда пользуюсь своим AV ресивером. Он имеет пять каналов с общим блоком питания. Когда я слушаю стереозвук, вся мощность этого блока питания поступает на два усилителя фронтальных каналов. И эти два усилителя никогда не испытывают недостатка в энергии, поступающей от блока питания, расчитанного на пять каналов.

Таким образом, делать отдельные блоки питания для каждого из каналов усилителя нет смысла.

Но иногда всё же используют раздельные блоки питания. В этих случаях всегда существуют достаточно веские причины другого характера. Например, один трансформатор большой мощности не помещается в корпус. Либо два трансформатора устанавливают так, чтобы создаваемые ими магнитные поля взаимно компенсировались. Либо конструктивно удобнее разместить в корпусе два небольших блока питания вместо одного большого. Либо каждый из каналов усиления должен быть отдельным независимым модулем с возможностью оперативного наращивания количества каналов. Либо что-то ещё.

Как самому рассчитать блок питания для усилителя

Блок питания для усилителя можно рассчитать по специальной программе. Но только в том случае, если речь идёт о воспроизведении записанной музыки. Для исполнения музыки, например в составе рок-группы, программа не годится. К блокам питания таких усилителей предъявляются совсем другие требования.

Я разработал платы для описанного здесь блока питания, и скоро они будут доступны. Ожидайте соответствующую публикацию.

19.08.2021