Блок питания усилителя – схема и работа

Это уже вторая моя статья про блок питания. И не последняя. Она перекликается с предыдущей, но более полная и подробная.

Блок питания – один из важнейших узлов усилителя, однако зачастую ему уделяется недостаточно внимания. В результате при плохом блоке питания и весь усилитель работает плохо. При этом пользователи грешат на схему усилителя, объявляя её «плохо звучащей». И им совершенно невдомёк, что не схема тут виновата.

Блок питания усилителя

Задача блока питания из сетевого переменного напряжения получить постоянное напряжение заданной величины, и иметь способность выдать в нагрузку достаточный ток. Нагрузка – это то, что подключается к блоку питания, то устройство, для питания которого он создан. Для нашего блока питания нагрузкой является усилитель. К усилителю подключается его собственная нагрузка – громкоговорители. Чтобы не путаться, я нагрузку усилителя так и буду называть – громкоговоритель.

От того, как работает блок питания, зависит качество электрической энергии, поступающей в усилитель. А значит, и работа усилителя. Принцип работы усилителя такой: усилитель передаёт в нагрузку энергию, поступающую из блока питания. Причём делает это так, чтобы напряжение на выходе усилителя максимально точно соответствовало напряжению на входе. Точно такой же формы, только больше по величине. Если этого удаётся достичь, то усилитель работает правильно. Как он звучит при этом – это уже зависит от усилителя. Главное, что блок питания позволяет усилителю достичь максимума своих возможностей. Если блок питания не  обеспечивает усилитель качественной энергией, то даже самый лучший усилитель не сможет получить на выходе то, что требуется. И в колонках мы услышим не тот звук, который должен быть, а то, что смог обеспечить блок питания.

Что такое параметры качества блока питания? Здесь нет ничего волшебного. Это те значения напряжения и тока, которые блок питания должен обеспечить. Обычно к средним значениям напряжения и тока предъявляются довольно мягкие требования. Например, напряжение на выходе блока питания может быть равным 32…38 вольт. И усилитель хорошо работает при любом среднем напряжении питания из указанного диапазона. От напряжения питания зависит максимальная выходная мощность усилителя. Чем меньше напряжение питания, тем меньше максимальная выходная мощность. Поэтому уменьшание напряжения питания ниже нормы нежелательно. Если напряжение питания не меньше, чем необходимо, то всё в порядке. При чрезмерном увеличении напряжения питания растёт нагрев выходных транзисторов усилителя.

С другой стороны, есть ряд параметров, требования к которым очень жёсткие. Их три: два основных и одно дополнительное.

1. Максимальное напряжение на выходе блока питания. Все источники электрической энергии обладают тем свойством, что при увеличении отдаваемого тока, выходное напряжение уменьшается. Это свойство является проявлением внутреннего сопротивления источника питания. Следовательно, уменьшение потребляемого тока вызывает увеличение выходного напряжения. На холостом ходу усилителя, когда он не  воспроизводит музыку, напряжение питания возрастает и может стать слишком большим. Чем ограничена величина максимального напряжение питания? В первую очередь рабочими напряжениями конденсаторов, применяемых как в блоке питания, так и в усилителе. Если рабочее напряжение конденсаторов составляет 50 вольт, то напряжение питания не должно быть больше 48 вольт, иначе конденсаторы могут выйти из строя. Вторая причина ограничивать максимально напряжение питания это транзисторы усилителя. Возможно, что они сравнительно низковольтны, и повышенное напряжение для них будет губительно. А ещё они могут просто перегреться.

2. Минимальное напряжение на выходе блока питания. Оно не должно быть меньше определённой величины, так как это напряжение передаётся усилителем в громкоговоритель. При увеличении тока, потребляемого от источника питания (на пиках громкости), его выходное напряжение уменьшается. Усилитель направляет поступающее на него напряжение питания в нагрузку. Частично или почти полностью. Так что напряжение на громкоговорителе может быть меньше напряжения питания, но не больше. И если громкоговорителю требуется напряжение 25 вольт, а блок питания выдаёт только 20 вольт, то возникает клиппинг. И никакой усилитель тут не поможет — звук будет плохой. Надо помнить, что усилитель не может передать в громкоговоритель всё поступающее на него напряжение. Часть напряжения теряется в усилителе, это напряжение называется «минимальное падение напряжения на выходных транзисторах» и в зависимости от конструкции усилителя составляет 4…6 вольт. То есть, максимально возможное напряжение на громкоговорителе меньше, чем напряжение питания на 4…6 вольт. Так что задача блока питания подавать на усилитель напряжение с некоторым запасом. Уменьшение выходного напряжения блока питания, при увеличении потребляемого от него тока я буду называть просадкой напряжения. Самое обидное, что максимальная просадка напряжения происходит именно на пике громкости, тогда, когда усилителю нужно самое большое напряжение питания. Нет в мире справедливости!

3. Максимальный ток, выдаваемый блоком питания. Точно также, как и напряжение, ток блока питания в конце концов протекает через громкоговоритель. И этого тока всегда должно быть достаточно. С максимальным током связана одна проблема. Дело в том, что существует несколько методов измерения максимального тока блока питания. Самый простой и наглядный – на непродолжительное время сделать короткое замыкание и измерить получившийся ток. При этом получается очень большое значение тока, которое обладает хорошими рекламными свойствами. Только это неправильно. При таком способе измерения тока, напряжение на выходе блока питания очень сильно падает. И перестаёт удовлетворять требованию на величину напряжения питания. То есть ток получается большим, но усилителю при таком токе не хватает напряжения, и усилитель работает плохо. Правильное измерение тока должно быть таким, чтобы напряжение на выходе усилителя не становилось меньше минимально допустимого значения. И ещё одна проблема с током: ток зависит от сопротивления. Поэтому на величину тока влияет не только схема блока питания и свойства применяемых компонентов. На величину максимального тока влияет и конструкция блока питания, и сопротивление кабеля, идущего к усилителю, и тип соединительного разъёма, и многое другое.

Первое требование как раз является дополнительным, так как его довольно легко обеспечить. Максимальное напряжение блока питания зависит от силового трансформатора. Точнее, от напряжения на обмотках трансформатора и рассчитывается по формуле:

Формула

Здесь U2 – напряжение на вторичной обмотке трансформатора на холостом ходу (когда к трансформатору ничего не подключено). Число 1,41 – это коэффициент амплитуды синусоидального сетевого напряжения, а множитель 1…1,2 учитывает индуктивность трансформатора и падение напряжение на нём под нагрузкой. В формуле используется напряжение на одной обмотке трансформатора. Например, для трансформатора с выходным напряжением 2х36 вольт Umax=1*1.41*36=50.76 вольт.

На самом деле напряжение в сети несколько искажено, поэтому в реальности коэффициент амплитуды равен не 1,41, а примерно 1,36. Но и напряжение трансформатора может быть указано для нагруженного режима, а на холостом ходу оно выше. В общем, если число, полученное по формуле, на десять и более процентов меньше, чем рабочее напряжение конденсаторов и допустимое напряжение питания усилителя, то всё в порядке.

Обычно так и происходит. Гораздо чаще встречается ситуация, когда напряжение, поступающее с трансформатора, меньше, чем хотелось бы.

Остальные два требования удовлетворить гораздо сложнее. Но тут нам помогает тот факт, что отдавать большую энергию блоку питания требуется не всё время, а короткими импульсами. Это связано с характером реального звукового сигнала.

Согласитесь, что для того, чтобы правильно разработать блок питания, мы должны знать, что же мы от него питаем!

Свойства звукового сигнала

Осциллограмма типичного звукового сигнала длительностью полторы секунды показана на рис. 1.

Фрагмент звукового сигнала 1,5 секунды.
Рис. 1. Фрагмент звукового сигнала длительностью 1,5 секунды.

Значительную часть времени сигнал имеет небольшую амплитуду, лишь иногда кратковременно возрастая до максимума. Примерно из середины осциллограммы выбран фрагмент длительностью 15 миллисекунд, он показан на рис. 2.

Растянутый Фрагмент звукового сигнала
Рис. 2. Фрагмент того же звукового сигнала 15 миллисекунд.

Как видно из рисунка 2, в большей своей части амплитуда сигнала  невелика, и только изредка происходят всплески. Такой же сравнительно небольшой ток потребляет от усилителя громкоговоритель, а усилитель, в свою очередь, от блока питания.  

На осциллограмме на рис. 1 примерно на 44-й секунде наблюдается всплеск амплитуды сигнала. В это время напряжение и мощность на выходе усилителя, а значит и потребляемые от источника питания, наибольшие. Эта область в растянутом виде показана на рис. 3. Но даже здесь средняя амплитуда сигнала небольшая, она равна -9,5 дБ, то есть составляет примерно 1/3 от максимума. Пики сигнала имеют длительность примерно 1 мс.

Фрагмент звукового сигнала в области его максимальной амплитуды.
Рис. 3. Фрагмент того же звукового сигнала в области его максимальной амплитуды.

Таким образом, задача блока питания становится проще – он должен отдавать большой ток только в течение достаточно короткого интервала времени, и на это же короткое время (при максимальном токе) удерживать напряжение от заметных просадок. После чего у него есть время «подзарядиться».

Важно! Описанная выше работа блока питания происходит только совместно с усилителем, выходной каскад которого работает в классе B или AB. Я дальше буду говорить именно о такой ситуации. Выходной каскад усилителя, работающий в классе A, потребляет неизменный большой ток, превышающий максимальный ток нагрузки. В этом случае ничего принципиально не изменяется, но к блоку питания предъявляются гораздо более жёсткие требования по энерговооружённости.

Наглядная демонстрация работы усилителя и его блока питания при воспроизведении реального звукового сигнала показана в статье Реальный блок питания на реальном звуке.

Схема блока питания

Схема простейшего блока питания показана на рис. 4.

Обращаю ваше внимание, что это двуполярный блок питания. Он выдаёт относительно общего провода (земли) два одинаковых напряжения – положительное и отрицательное. Такое питание удобнее для усилителя, который передаёт в громкоговоритель переменное напряжение, соответственно и положительное, и отрицательное — каждое из которых поступает от соответствующего плеча блока питания.

Схема простейшего блока питания.
Рис. 4. Схема простейшего блока питания.

Блок питания состоит из трёх основных частей:

  1. Трансформатор
  2. Выпрямитель
  3. Фильтр питания.

Предохранитель F1 не участвует в работе устройства. Но я его нарисовал для того, чтобы с самого начала напомнить о правилах безопасности. Без предохранителя нельзя!

Трансформатор

Трансформатор преобразует напряжение 220 вольт, поступающее из сети (в других странах это может быть 230 или 110 вольт) в напряжение той величины, которая нам нужна. Трансформатор имеет две обмотки, из которых получается два напряжения – положительное и отрицательное. Обмотки должны быть одинаковыми. Точками на схеме возле обмоток трансформатора обозначены условные начала обмоток. Такое включение, как показано на рисунке 4, даёт правильное (согласованное, синфазное) последовательное соединение. Если начала обмоток неизвестны, то правильное соединение вторичных обмоток можно найти при помощи вольтметра переменного тока, рис. 5 (первичная обмотка трансформатора в момент измерения включается в сеть). При неправильном соединении вольтметр покажет примерно ноль, при правильном – примерно удвоенное напряжение обмотки. Например, если ваш трансформатор маркирован как 2×25 вольт, то при правильном соединении вольтметр покажет примерно 50 вольт. При определении полярности обмоток трансформатор подключается только к сети, никакой нагрузки к нему не подключается.

Проверка правильности соединения обмоток трансформатора
Рис. 5. Проверка правильности соединения обмоток трансформатора при помощи вольтметра переменного тока.

Мощность трансформатора и напряжение на вторичных обмотках зависят главным образом от требуемой мощности в громкоговорителях. Если усилитель работает в классе A, то мощность трансформатора равна сумме мощностей всех блоков усилителя с учётом их КПД и КПД самого блока питания. Если усилитель работает в классе B или AB, то мощность трансформатора может быть снижена. Она может быть даже меньше, чем суммарная максимальная мощность в громкоговорителях! Это является следствием импульсного характера звукового сигнала. Выбор мощности и напряжения трансформатора в таком случае описан в статьях Расчёт источника питания усилителя и Трансформатор для питания усилителя.

Другой вариант трансформатора – с выводом от середины вторичной обмотки – показан на рис. 6. Это то же самое, но обмотки трансформатора уже соединены между собой внутри. Каждая половина вторичной обмотки эквивалентна одной из вторичных обмоток на рисунке 4. Такой трансформатор ничем не отличается от трансформатора с раздельными обмотками, но проще в применении.

Схема блока питания с трансформатором другой конструкции.
Рис. 6. Схема простейшего блока питания с трансформатором другой конструкции.

Фильтр помех

В электрической сети содержится большое количество помех. Как высокочастотных, так и очень низкочастотных, которые ошибочно принимают за постоянный ток. На сегодняшний день отсутствуют как доказательства существования постоянного (не сверхнизкочастотного!) напряжения в сети, так и доказательства эффективности устройств, предназначенных с ним бороться. Насколько вредны низкочастотные помехи, и как бороться с ними – это тема отдельного исследования.  А вот высокочастотные помехи – эта наша печальная действительность. Все современные импульсные блоки питания поставляют в сеть помехи с частотой 30…100 кГц. К ним относятся и системы управления двигателями переменного тока (как в лифтах, например) мощностью в десятки киловатт, создающие столь же мощные помехи (их конечно фильтруют, но не полностью). Кроме того,  при коммутации (включении и выключении устройств) в сеть попадают импульсы напряжения величиной несколько киловольт. И все они являются вредными.

Для подавления этих высокочастотных и импульсных помех служат сетевые фильтры. Конструирование и использование таких фильтров – это тема отдельной статьи. А минимальным, но достаточно эффективным устройством для борьбы с помехами является помехоподавляющий конденсатор Cf на рис. 7.

Использование помехоподавляющего конденсатора.
Рис. 7. Использование помехоподавляющего конденсатора.

Конденсатор подключается параллельно первичной (сетевой) обмотке трансформатора и «пропускает через себя» ток помех. Обратите внимание, что если смотреть со стороны сети, конденсатор подключён после предохранителя F1 и сетевого выключателя питания S1. Включение конденсатора после предохранителя – это обязательное правило. В этом случае предохранитель защищает вас и в случае выходе из строя конденсатора. Включение конденсатора после сетевого выключателя полезно по двум причинам:

  1. Безопасность. Когда устройство выключено, конденсатор отключён от сети.
  2. При отключении питания сетевым выключателем, из-за индуктивности трансформатора в нём возникает импульс напряжения самоиндукции. При таком включении, как показано на рис. 7, конденсатор фильтра Cf успешно подавляет этот импульс.

Индуктивность трансформатора — это не индуктивность его обмоток, а нечто другое. Она зависит от конструкции трансформатора, качества его изготовления, напряжения в сети. Я об этом напишу статью.

В качестве Cf используются специальные полипропиленовые помехоподавляющие конденсаторы класса X2, рис. 8. Сейчас они доступны и дёшевы. Ёмкость Cf, можно увеличить до 0,33 мкФ, но заметного  улучшения обычно не происходит. Рабочее напряжение не менее 270 вольт переменного напряжения. О том, что указывается значение именно переменного  напряжения, говорит знак «~» после обозначения вольтажа. На рис. 8 это «275V~».

Помехоподавляющий конденсатор
Рис. 8. Помехоподавляющий конденсатор класса X2.

Такой конденсатор можно разместить прямо на клеммах трансформатора. Если хотите более надёжно защитить блок питания от кратковременных импульсов большой амплитуды, появляющихся в сети, можно дополнительно использовать варистор.

Выпрямитель

Часто говорят, что выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный. Это неверно. Специалисты говорят так только для краткости речи, прекрасно понимая, что происходит на самом деле. А на самом деле выпрямитель преобразует переменный ток в однонаправленный. Который изменяется по величине точно также, как изменяется переменный ток, но при этом не меняет знака. Математически выпрямление означает применение к переменному току операции «взятие по модулю», рис. 9.

Двухполупериодное выпрямление переменного тока
Рис. 9. Двухполупериодное выпрямление переменного тока: a – напряжение на входе выпрямителя; b – напряжение на выходе выпрямителя.

На первый взгляд кажется, что выпрямительные диоды VD1…VD4 на рис. 4 включены по схеме моста. На самом деле это не так. Схема очень похожа, но на самом деле это два независимых двухполупериодных выпрямителя со средней точкой, рис. 10. Один из них формирует положительное плечо блока питания, второй – отрицательное. Совместно они действительно образуют схему моста, но работает этот выпрямитель совсем не так.

схема двухполупериодного двуполярного выпрямителя
Рис. 10. Подробная схема двухполупериодного двуполярного выпрямителя.

Главное отличие этой схемы от мостовой состоит в том, что в мостовой схеме выпрямленный ток каждый раз протекает по двум диодам, соединённым последовательно. Здесь ток протекает каждый раз только через один диод. Таким образом, потери напряжения в этой схеме меньше. О свойствах, преимуществах и недостатках различных схем выпрямления можно прочитать в статье Правильный выпрямитель.

Поскольку само включение выпрямительных диодов всё-таки образует мост, то для работы в блоке питания можно использовать не только отдельные диоды но и готовые диодные мосты.

Максимально допустимое напряжение  на диодах должно превышать напряжение одной вторичной обмотки (полуобмотки) трансформатора по крайней мере в 3,5 раза. Максимально допустимый ток через диоды должен быть в несколько раз (от 3 до 30) больше, чем максимальный ток, который предполагается получать от блока питания. Требования к параметрам диодов можно рассчитать при помощи программы расчёта блока питания усилителя.

Использовать в выпрямителе специальные быстродействующие диоды нет смысла. Они более дорогие и при этом более нежные. А вот диоды Шоттки приветствуются. У них меньше прямое падение напряжения, из-за этого:

  • диоды Шоттки меньше нагреваются в процессе работы;
  • потери напряжения в выпрямителе на диодах Шоттки немного меньше.

Об условиях, в которых работают диоды, смотри ниже.

Накопительные конденсаторы – фильтр пульсаций

Если внимательно смотреть на графики напряжения выпрямителя, показанные на рисунке 9b в течение некоторого времени, то можно заметить, что это напряжение всё время изменяется. Блок питания усилителя – схема и работа Такое непрерывно изменяющееся, но однонаправленное напряжение, называется пульсирующим, а факт изменения напряжения называются пульсациями.  

Пульсирующее напряжение на самом деле является суммой постоянного и переменного напряжений.

А нам надо получить на выходе блока питания постоянное, то есть неизменное напряжение. Для этого к выходу выпрямителя подключаются накопительные конденсаторы C1 и C2. Они работают подобно аккумулятору: заряжаются когда напряжение, поступающее с выпрямителя, велико, и отдают энергию когда напряжение, поступающее с выпрямителя, уменьшается, рис. 11.

На Западе такие конденсаторы называются накопительными. Это верно, они накапливают энергию тогда, когда энергия поступает из сети, и отдают накопленную энергию во время пауз сетевого напряжения. В нашей стране эти конденсаторы называют конденсаторами фильтра пульсаций. Или сглаживающий фильтр. По сути это то же самое, но наше название такое потому, что кроме ёмкостного фильтра, состоящего только из конденсаторов, существует ещё индуктивный, состоящий из катушек индуктивности, индуктивно-ёмкостный (катушки и конденсаторы) и активно-ёмкостный (резисторы и конденсаторы). То есть, применение конденсаторов равносильно применению одной из разновидностей электрического фильтра. В учебниках так и изображают структуру блока питания: трансформатор — выпрямитель — фильтр. Поэтому у нас принято оценивать эффективность такого узла как фильтра, пропускающего на выход  блока питания  постоянное напряжение, и подавляющего переменное напряжение – пульсации.

Работа накопительных конденсаторов в фильтре пульсаций.
Рис. 11. Работа накопительных конденсаторов в фильтре пульсаций.

Работу накопительных конденсаторов фильтра пульсаций задают диоды выпрямителя. Схема управления зарядом конденсатора показана на рис. 12. Это однополупериодный выпрямитель, процессы в нём несколько проще и наглядней. Здесь i – это ток, протекающий через диод. Этот ток и заряжает конденсатор, и поступает в нагрузку: в то время, когда конденсаторы заряжаются, нагрузка блока питания питается током, поступающим из сети через трансформатор. Ток через диод может протекать только в указанном стрелкой направлении. Для этого полярность напряжения на диоде должна быть такой, как показано на рисунке знаками голубого цвета. Такая полярность возможна, если одновременно выполняются два условия:

1. Полярность напряжения на вторичной обмотке трансформатора такая, как показано знаками красного цвета. Выпрямитель, используемый в блоках питания, является двухполупериодным, так как в нём используются оба полупериода сетевого напряжения (рис. 9). Для него данное условие выполняется всегда.

2. Напряжение в точке A должно быть больше, чем в точке B.

Процесс заряда накопительного конденсатора через диод.
Рис. 12. Процесс заряда накопительного конденсатора через диод.

Заряд и разряд накопительного конденсатора, показанный на рисунке 11, иллюстрирует выполнение этих условий. Пока напряжение, поступающее с выпрямителя (это точка А на рис. 12) больше, чем напряжение на конденсаторе (точка В на рис. 12), ток через диод протекает, и конденсатор заряжается. В это время красная линия на рис. 11 расположена выше синей. Как только напряжение в точке А станет меньше, чем в точке В – красная линия ниже синей, диод закрывается и перестаёт пропускать ток. Теперь нагрузка питается от накопительного конденсатора, вызывая его разряд. Когда входное напряжение снова достаточно повысится, диод откроется, и ток потечёт и в нагрузку, и в накопительный конденсатор.

В нашем выпрямителе таких диодов два, и работают они поочерёдно, каждый от своей обмотки трансформатора, рис. 10. Поэтому мы используем оба полупериода сетевого напряжения, и выпрямитель называется двухполупериодным. Два диода формируют положительное плечо блока питания, два других диода формируют отрицательное плечо блока питания.

Напоминаю, что блок питания содержит два плеча — положительного напряжения и отрицательного напряжения. Эти два плеча должны быть максимально одинаковыми. Поэтому должны быть одинаковыми как выпрямительные диоды, так и конденсаторы фильтра.

Пульсации напряжения

В результате всех этих процессов, входное напряжение блока питания является пульсирующим. Оно изменяется от минимума до максимума и обратно, рис. 13. Пульсации – это вредное переменное напряжение в блоке питания, являющееся помехой. Но избавиться от них полностью невозможно, они всегда существуют, так как появляются вследствие работы выпрямителя. Когда диод открывается, напряжение на выходе растёт. Когда диод закрывается, напряжение на выходе уменьшается. Если диод не будет открываться, ток из трансформатора не будет поступать в нагрузку. Закрываясь, диод отключает источник, в котором недостаточно энергии, от нагрузки. И питает нагрузку сам, не разряжаясь через обесточенный источник. То есть, диод работает как автоматический выключатель, подключая сеть когда в ней есть напряжение, и отключая, когда напряжения в сети недостаточно.

Пульсации.
Рис. 13. Максимальное, минимальное и среднее напряжение в блоке питания. Пульсации.

Единственный способ избавиться от пульсаций – использовать стабилизированный источник питания. Да и то, пульсации останутся, просто они станут микроскопическими. Но такой источник является сложным, дорогим и выделяет огромное количество тепла, так как его КПД весьма мал.

Для современных высококачественных усилителей стабилизированный источник  питания является избыточным, и применять его нет необходимости.

Поскольку избежать появления пульсаций невозможно, есть смысл свести их величину к минимуму. Но минимум должен быть разумным. Первое, что приходит в голову, при желании снизить пульсации, это увеличить ёмкость накопительного конденсатора. Чем ёмкость больше, тем меньше снижается напряжение на конденсаторе при его разряде. А следовательно, уменьшаются пульсации (конденсатор разряжается не настолько сильно). Но это только так кажется, что такой путь приведёт к успеху. С увеличением ёмкости конденсатора ухудшаются условия для его заряда. И конденсатор может недостаточно заряжаться. Поэтому принимают компромиссное решение: пульсации ослабляют, но без фанатизма. А с другой стороны, усилитель разрабатывают так, чтобы он был нечувствительным к этим небольшим пульсациям напряжения питания.

Тот факт, что накопительный конденсатор снижает пульсации, и позволяет считать такой конденсатор фильтром пульсаций, или фильтром питания.

На рисунке 13 показаны три типа напряжений, описывающих работу выпрямителя: максимальное, среднее и минимальное. В зависимости от назначения блока питания, существуют разные стратегии его проектирования. Например, стандартная методика, приведённая во многих учебниках, ориентирована на то, чтобы получить требуемое среднее напряжение при величине пульсаций не превышающей заданной. Она подойдёт (с некоторыми дополнениями) для усилителя, у которого выходной каскад работает в классе А. Для усилителей с выходным каскадом, работающим в классе В или АВ, более важно знать минимальное выходное напряжение. Именно оно определяет максимальную мощность в громкоговорителе и возможность клиппинга.

Как зависят параметры блока питания от величины тока, потребляемого нагрузкой? То есть от выходного тока? Ответ на этот вопрос – самый охраняемый секрет разработчиков блоков питания! Шутка. Блок питания усилителя – схема и работа Действительно, ответ на этот вопрос обычно отсутствует в учебниках. Но это лишь потому, что ответить на него легко и самому.

Давайте проанализируем схему блока питания на рис. 4, первоначально предполагая, что индуктивность в схеме отсутствует. Для этого надо определить как повлияет увеличение выходного тока блока питания на  максимальное и минимальное выходные напряжения.

1. Максимальное выходное напряжение. Увеличение тока вызовет увеличение падения напряжения на сопротивлениях обмотки трансформатора и диодов выпрямителя. Потери возрастут, значит максимальное выходное напряжение уменьшится. Поскольку эти сопротивления маленькие, то и снижение максимального выходного напряжения будет маленьким.

2. Минимальное выходное напряжение. Оно обусловлено разрядом накопительного конденсатора, который разряжается, создавая выходной ток. Чем больше ток, тем больше скорость разряда конденсатора. А длительность разряда примерно такая же. Следовательно, минимальное напряжение уменьшится примерно во столько же раз, во сколько увеличится выходной ток.

3. Среднее напряжение уменьшится, так как уменьшилось минимальное напряжение, а максимальное практически не изменилось.

Влияние величины выходного тока на пульсации напряжения показано на рис. 14. Для большей достоверности я промоделировал работу схемы в симуляторе — всё как и предполагалось.

Влияние величины выходного тока на пульсации. Индуктивность не учитывается.
Рис. 14. Влияние величины выходного тока на пульсации. Индуктивность не учитывается.

Но эти результаты не совсем корректны. Я не учёл индуктивность трансформатора. В идеальном трансформаторе индуктивность отсутствует: все его обмотки связаны через общий магнитный поток, и индуктивность всех обмоток взаимно компенсируется. Но в реальном трансформаторе это не так. В нём не происходит полной взаимной компенсации индуктивностей обмоток. Это вызвано полями рассеяния – «потерями» магнитного потока. Это та часть магнитного поля трансформатора, которая проходит через одну обмотку, и не проходит через другую. Поля рассеяния существуют всегда, но обычно они небольшие. Их величина сильно зависит от конструкции сердечника и обмоток трансформатора, сетевого напряжения. Так что величину потоков рассеяния и вызванную ими индуктивность обмоток предсказать невозможно. А вот учитывать – необходимо. Тем более, что к индуктивности трансформатора прибавляется индуктивность проводов электрической сети.

Что изменит индуктивность обмоток? Главным образом внесёт изрядную неопределённость в работу устройства. Потому что эта работа будет зависеть не только от сопротивлений составляющих его элементов, но и от величины индуктивности. Вспомните, как работает колебательный контур. При одном соотношении R, L и С колебательный контур имеет апериодический отклик, а при другом соотношении – колебательный. Это зависит от сопротивления контура, от того больше или меньше оно, чем критическое. Нечто подобное происходит и в блоке питания. Попробуем оценить влияние индуктивности трансформатора, если эта индуктивность невелика, но её сопротивление соизмеримо с активным сопротивлением цепи.

Влияние индуктивности состоит в том, чтоб она пытается поддерживать ток неизменным. Наиболее сильно это влияние проявляется, когда конденсатор зарядился до максимума, диод закрывается, и ток через него прекращается. Но индуктивность будет пытаться продолжить протекание тока, создавая собственное напряжение самоиндукции. Таким образом, ток через диод будет протекать чуть дольше, а напряжение, до которого зарядится конденсатор, будет чуть больше – к тому напряжению, которое поступало с выпрямителя, добавится напряжение самоиндукции. Это дополнительное напряжение будет держать диод открытым ещё некоторое время, пока энергия, запасённая в магнитном поле не иссякнет. Причём, чем быстрее будут закрываться диоды, тем больше будет напряжение самоиндукции, и тем более сильной будет попытка индуктивности держать их открытыми. Интересно, что сторонники применения в блоках питания быстрых диодов, которые очень быстро закрываются, никогда не рассматривали влияние индуктивности на закрывание диодов. По крайней мере, я такого не встречал. Чем больше ток нагрузки, а значит и через индуктивность, тем больше запасается энергии в магнитном поле индуктивности. И тем сильнее её влияние.

Итак, влияние индуктивности проявится в  том, что максимальное напряжение на выходе блока питания немного увеличится. Кстати, примерно по такому принципу работают импульсные стабилизаторы, повышающие входное напряжение. Результат показан на рис. 15.

Влияние величины выходного тока на пульсации с учётом индуктивности.
Рис. 15. Влияние величины выходного тока на пульсации с учётом индуктивности.

Рисунок 15 оправдывает мои предположения. Однако, в зависимости от конкретных значений сопротивления, индуктивности и потребляемого тока, картина может очень сильно различаться.

Ток через диоды

Теперь давайте рассмотрим, какой ток потребляется от трансформатора. Этот же ток протекает через выпрямительные диоды. Снова для простоты используем схему на рис. 12. Итак, ток через диод протекает когда напряжение в точке А больше, чем в точке В. Как это происходит показано на рис. 16. Очевидно, что продолжительность протекания тока составляет небольшую часть полупериода. На рис. 16 часть полупериода, когда ток отсутствует, залита серым. Ток протекает в течение меньше половины полупериода. На самом деле импульс тока ещё короче, так как в реальности величина пульсаций меньше. При уменьшении пульсаций точка А сдвигается вправо, а значит, диод открывается позже и длительность импульса уменьшается.

И за это короткое время надо передать такое количество энергии, которая будет создавать выходной ток в течение всего остального времени, когда диоды закрыты. Следовательно, зарядный ток конденсатора намного больше, чем ток нагрузки блока питания. И чем короче импульс зарядного тока, тем больше должна быть величина тока в импульсе. Форма импульса тока зависит от соотношения активного сопротивления и индуктивности в электрической цепи.

Формирование тока через выпрямительные диоды.
Рис. 16. Процесс формирования тока через выпрямительные диоды.

На рис. 17 показан ток через выпрямительные диоды в модели выпрямителя для разных значений тока нагрузки. Это ток в той цепи, напряжение в которой показано на  рис. 15. Обратите внимание, что при токе нагрузки 2 ампера, ток через диоды превышает ток нагрузки примерно в 2,2 раза. А при токе нагрузки 0,7 ампер, ток через диоды превышает ток нагрузки примерно в 2,6 раз. То есть, даже при сравнительно небольшом токе, потребляемом от блока питания, импульсы дока через диоды могут быть весьма велики. И зависимость «токовой перегрузки» от тока нагрузки не является очевидной.

Реальный ток через диоды.
Рис. 17. Реальный ток через диоды.

Ещё больший ток протекает через диоды в момент включения питания. Накопительные конденсаторы фильтра пульсаций при этом разряжены, и быстро заряжаются до своего рабочего напряжения. Для такого быстрого заряда требуется очень большой ток. Пример осциллограммы реального пускового зарядного тока показан на рис. 18. Для его ограничения до приемлемых значений используют специальное устройство плавного пуска – софтстарт.

Ток через выпрямительные диоды в момент включения питания.
Рис. 18. Ток через выпрямительные диоды в момент включения питания.

Предварительные выводы

1. Выходное напряжение блока питания содержит пульсации. Избавиться от них невозможно, можно лишь сделать их величину достаточно маленькой, чтобы они не влияли на работу усилителя.

2. Максимальное напряжение на выходе выпрямителя может быть больше, чем действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора (того, которое указано в его технических данных).

3. При работе блока питания величина пульсаций, максимальное, минимальное и среднее значение выходного напряжения могут изменяться в зависимости от тока, потребляемого от блока питания.

4. Эти изменения непредсказуемы и сильно зависят от таких свойств трансформатора, как сопротивление обмоток, индуктивность, вызванная потоками рассеяния, степень насыщения сердечника, сопротивление и индуктивность сети. Все эти свойства нам неизвестны. Больше того, разброс свойств даже однотипных трансформаторов очень велик, а дешёвые трансформаторы могу обладать отвратительными параметрами.

5. Поэтому точный расчёт блока питания не имеет смысла – погрешности расчёта при неизвестных значениях основных параметров будут катастрофическими. Такому расчёту доверять нельзя. Именно по этой причине в данной статье отсутствуют какие-либо формулы.

6. Применим лишь приблизительный оценочный расчёт блока питания. И надо быть готовым к тому, что в реальности характеристики блока питания могут заметно отличаться от рассчитанных.

7. Но это не должно приводить нас в уныние, мы всё равно победим! Существуют две стратегии конструирования блока питания. Первая – минималистическая, ориентированная на минимальную стоимость. Её обычно придерживаются массовые производители. Вторая стратегия применяется в военной технике, DIY конструировании и иногда в Hi-End. Она заключается в том, что блок питания создаётся с некоторым запасом по своим параметрам. Так, чтобы даже в самой неблагоприятной ситуации он работал не хуже, чем требуется. Но продукция, произведённая по этой стратегии, немного дороже. Этой стратегии придерживаюсь и я в конструировании для себя и в материалах моего сайта.

8. Напряжение на выпрямительных диодах  в несколько раз превышает выходное напряжение блока питания. Применяемые выпрямительные диоды должны быть на это рассчитаны.

9. Ток через выпрямительные диоды во много раз превышает ток нагрузки. И это надо учитывать при выборе диодов.

10. Все элементы блока питания должны работать в штатных условиях, предусмотренных производителем. Не допускается никакой перегрузки. Любые отклонения от нормы в работе блока питания скажутся на работе усилителя, который получает напряжение от этого блока питания. Усилитель не сможет работать правильно. А то, что плохо работает, хорошо звучать не может!

Ёмкость накопительных конденсаторов

На первый взгляд, чем эта ёмкость больше, тем лучше. Действительно, пульсации выходного напряжения обратно пропорциональны величине ёмкости конденсатора фильтра. И рисунок 19 является тому подтверждением. Но всё не так просто. Да, конденсатор большой ёмкости медленнее разряжается. Напряжение на нём при его разряде уменьшается не так сильно, как на конденсаторе меньшей ёмкости при разряде таким же током. Но ведь и ток заряда для конденсатора большей ёмкости должен быть больше. А смогут ли остальные элементы схемы такой ток обеспечить? Сравните величину среднего напряжения с разными ёмкостями на рис. 19.

В искусственно смоделированной ситуации, показанной на рисунке 19, конденсатор ёмкостью 5000 мкФ имеет несомненное преимущество: минимальное напряжение блока питания существенно больше, значит, меньше вероятность клиппинга.

Но эта ситуация искусственная, в реальности применяются конденсаторы гораздо большей ёмкости, да и остальные параметры блока питания могут сильно отличаться от использованных при моделировании. Так что неограниченное увеличение ёмкости не всегда будет хорошим решением.

Влияние ёмкости накопительного конденсатора фильтра пульсаций на выходное напряжение блока питания.
Рис. 19. Влияние ёмкости накопительного конденсатора фильтра пульсаций на выходное напряжение блока питания.

Величину зарядного тока конденсаторов ограничивают сопротивление и индуктивность трансформатора. Поэтому в неудачных ситуациях чрезмерное повышение ёмкости накопительных конденсаторов приведёт к снижению выходного напряжения. Кроме того, импульсы тока заряда конденсаторов станут очень короткими и будут иметь большую величину. Чем меньше длительность импульсов, и чем больше их амплитуда, тем больше помех излучается блоком питания. Эти помехи попадают в усилитель, усиливаются им и поступают в громкоговорители. Причём помехи вызваны током громкоговорителей, то есть синхронизированы с сигналом. И на слух воспринимаются не как помехи, а как окраска звука. В этом одна из причин заявлений о том, что при увеличении ёмкости конденсаторов фильтра пульсаций, звучание усилителя изменилось. Обычно при этом говорят, что звучание стало лучше, но в реальности новое звучание не всегда правильно оценивается. В том числе и по психологическим причинам.

Выбор оптимальной ёмкости накопительных конденсаторов является не такой простой задачей. Хотя, слишком большая ёмкость — это обычно не так плохо, как слишком маленькая.

Такие пульсации, как показаны на левом графике рисунка 19, недопустимы. Такие, как на правом — тоже нежелательны.

Конденсаторы фильтра питания выполняют одновременно три функции.

  1. Питают усилитель в моменты, когда напряжение в сети переходит через ноль.
  2. Снижают пульсации выпрямленного напряжения.
  3. Пропускают через себя ток громкоговорителей.

Первые две функции мы уже рассмотрели. Давайте рассмотрим третью. Дело происходит так. Во время паузы сетевого напряжения ток из конденсатора поступает в усилитель. Далее этот ток при помощи выходных транзисторов направляется в громкоговоритель. Пройдя через громкоговоритель, ток по земляному проводнику возвращается обратно в усилитель и далее в накопительный конденсатор блока питания. Так что накопительные конденсаторы участвуют в формировании тока громкоговорителя, а значит и звука. В результате в усилителях без общей обратной связи свойства накопительных конденсаторов в принципе могут повлиять на окраску звука. В усилителях с общей отрицательной обратной связью влияние накопительных конденсаторов полностью устраняется. Но это происходит только в том случае, если абсолютно все узлы не только блока питания, но и усилителя работают правильно и не перегружаются. И если конденсаторы способны отдавать требуемый ток. И если сопротивление и индуктивность проводов, идущих от блока питания к усилителю, не ухудшают процесс передачи энергии. Ну и конечно, имеют значение схема и конструкция усилителя.

На самом деле все эти три функции конденсаторов фильтра питания – это одно и то же (три в одном). Их разделяют искусственно, чтобы людям было проще анализировать их работу.

Кстати, на работу накопительных конденсаторов, можно посмотреть ещё вот с какой точки зрения (это просто другой взгляд на то же самое):

Практически всё время усилитель питается от накопительных конденсаторов блока питания. А конденсаторы в свою очередь лишь иногда подзаряжаются от сети короткими импульсами тока. Но подавляющую часть времени работают самостоятельно. Не напоминает ли это ситуацию с мобильными телефонами и их аккумуляторами? Так от чего же «на самом деле» питается усилитель? Блок питания усилителя – схема и работа

Блок питания в условиях реальной работы

А как всё это работает при воспроизведении звука? Нам всё время показывают графики, когда от блока питания потребляется неизменный ток. Но ведь при работе усилителя потребляемый ток изменяется!

Ответ: всё работает примерно так же. Только скорость разряда конденсаторов не является постоянной. Она то больше, то меньше в соответствии с амплитудой звукового сигнала в громкоговорителях. Поэтому заряд и разряд конденсаторов происходит не такими красивыми пилообразными графиками, как показано на рисунках 15 и 19, а совершенно произвольным образом. Реально измеренный график выходного напряжения блока питания при работе усилителя показан на рис. 20. И снова — чем больше ёмкость накопительных конденсаторов, тем меньше пульсации. В обоих случаях усилитель воспроизводил одну и ту же композицию с одинаковой выходной мощностью.

Зависимость пульсаций от ёмкости конденсаторов при воспроизведении музыки.
Рис. 20. Зависимость величины пульсаций напряжения блока питания от ёмкости накопительных конденсаторов при воспроизведении музыки.

Пульсации напряжения питания больше похожи на усиливаемый сигнал. И действительно, так и должно быть: конденсаторы разряжаются этим сигналом.

Из этого же графика видно, что блок питания с накопительными конденсаторами ёмкостью 15000 мкФ работает лучше, чем с конденсаторами 4700 мкФ:

  • Пульсации меньше. Следовательно пульсации в меньшей степени проникают в усилитель, и он «звучит чище».
  • Минимальное напряжение больше, значит меньше шансов возникновения клиппинга.

Посмотрите на величину пульсаций напряжения при ёмкости накопительных конденсаторов, равной 15000 мкФ. Такие пульсации вполне допустимы, так что эта величина ёмкости вполне достаточна для хорошей работы усилителя.

Продолжение уже есть!

Имейте в виду, что это был описан самый простой и минималистический блок питания. Тем не менее, его достаточно для успешного воспроизведения звука. Более сложный, следовательно, более хороший блок питания описан здесь.

10.08.2021

Total Page Visits: 1425 - Today Page Visits: 3