Under construction! Translated into English

Как разработать печатную плату для блока питания?

Меня давно спрашивали, а нет ли изготовленной промышленно печатной платы для блока питания усилителя мощности? К сожалению, такой платы не было. Дело в том, что параметры блока питания очень сильно зависят от усилителя. Кроме того, в блок питания можно устанавливать самые разные по размерам и по количеству конденсаторы, поэтому сделать одну печатную плату, пригодную для всех, просто невозможно.

Если рассмотреть все блоки питания, когда-либо изготовленные мною, то все их платы разные. Нет ни одной повторяющейся. И главные различия – в электролитических конденсаторах. Иногда приходилось специально подбирать конденсаторы и компоновать блок питания, чтобы он поместился на отведённое для него место. Например, в четырёхканальном усилителе блок питания установлен поверх трансформатора. Поэтому в нём, как и в доработанном мультимедийном усилителе, использовались низкопрофильные конденсаторы.

В конце концов, мне надоело каждый раз разрабатывать новую печатную плату и изготавливать её вручную. Поэтому когда очередной раз понадобилось разработать новую плату для блока питания усилителя, я решил придумать такую плату, чтобы она подходила для большинства случаев, чтобы её мог использовать не только я, но и многие другие. Причём сделать этот блок питания максимально хорошим.

Итак, я решил придумать универсальную печатную плату для блока питания усилителя и… ничего у меня не получилось! Уж очень разные конденсаторы каждый раз требуются: и по их количеству, и по величине ёмкости, и по значению рабочего напряжения…

Так что в результате у меня получилось четыре платы, в принципе одинаковые. Они различаются возможностью установки электролитических конденсаторов разных размеров и с различным количеством этих конденсаторов на борту.

Конструкция и работа блока питания усилителя в большой степени описана в статье Блок питания усилителя – схема и работа. А сами печатные платы реализуют схему, описанную в статье Безупречный блок питания. Так что ваш блок питания на любой из этих плат наверняка будет безупречен!

Здесь описана схема и плата блока питания, а также даны рекомендации по выбору компонентов, монтажу и подключению блока питания. Поэтому даже если вы не  собираетесь использовать именно эту мою плату, информация, приведённая в статье, будет вам полезна.

Кроме того, на сайте есть и другие материалы по теме. И ещё ряд статей запланирован.

Печатная плата для блока питания усилителя

Как я уже говорил, у меня получилось четыре платы. Они различаются количеством пар накопительных конденсаторов фильтра и диаметром корпусов этих конденсаторов. Дальше я слово «пара» для конденсаторов использовать не буду, так как понятно, что раз в блоке питания два плеча, то конденсаторы устанавливаются парами: по одинаковому конденсатору в каждое плечо. Либо по два, либо по три.

Вариант 1 Количество пар конденсаторов – 2 Диаметр конденсатора – 30 мм	Вариант 2 Количество пар конденсаторов – 3 Диаметр конденсатора – 30 мм
Вариант 3 Количество пар конденсаторов – 2 Диаметр конденсатора – 35 мм	Вариант 4 Количество пар конденсаторов – 3 Диаметр конденсатора – 35 мм

Понятно, что количество конденсаторов в блоке питания и их размер зависит от общей ёмкости фильтра, которая нужна, а также от ёмкости и допустимого максимального напряжения применяемых конденсаторов.

Обычно конденсаторы 10 000 мкФ на 50 вольт имеют диаметр 30 мм. Если же ёмкость равна 15 000 мкФ, либо максимальное напряжение равно 63 вольта, либо и то, и другое одновременно, то диаметр такого конденсатора обычно равен 35 мм. Так что при помощи этих плат можно получить суммарную ёмкость накопительных конденсаторов блока питания в пределах 20 000 … 45 000 мкФ. А для более низковольтных конденсаторов (если возникнет такая потребность) и больше.

Платы очень хорошо разведены! Всё, что должно быть большим сделано большим. Всё, что должно быть маленьким сделано маленьким. Всё, что должно хорошо звучать, на плате вообще отсутствует – звук издают громкоговорители, а не плата!

Схемы всех вариантов блока питания показаны на рисунках 1…4.

К левым контактам (~, Gnd, Gnd, ~) подключается трансформатор. Два входных контакта для подключения земли соединены параллельно, так что можно подключать трансформатор любой конструкции, как с раздельными вторичными обмотками, так и с обмоткой, имеющей отвод от середины. С правых контактов (+, Gnd, -) постоянное напряжение питания подаётся на усилитель. Выходных контактов несколько, чтобы к блоку питания было проще подключить несколько усилителей одновременно.

В вариантах плат с накопительными конденсаторами диаметром 30 мм предусмотрена установка только одного светодиода, подключённого к обоим полюсам питания. Так что он показывает наличие напряжения одновременно в положительном и отрицательном плечах блока питания. Это сделано для минимизации размеров плат. Ток на светодиод подаётся через четыре резистора одновременно. Это сделано потому, что используются маломощные балластные резисторы и необходимо уменьшить их нагрев в случае, если напряжение питания будет достаточно высоким. По этой же причине в вариантах плат с накопительными конденсаторами диаметром 35 мм ток на светодиоды подаётся одновременно через два резистора.

Конструкция платы блока питания

Топология платы аналогична топологии схемы. Слева размещаются снабберы, затем диоды выпрямителя, затем шунтирующие конденсаторы, накопительные конденсаторы и светодиоды. Верхний ряд накопительных конденсаторов на плате соответствует их верхнему ряду на схеме, нижний – нижнему ряду на схеме.

Внешний вид плат с конденсаторами диаметром 30 мм показан на рис. 5 и 6. К плате, показанной на рис. 6, уже припаяны провода, эта плата уже работает. Это как раз та плата, послужившая толчком для разработки всей серии плат. На этих рисунках светодиод не виден – он установлен возле выходных контактов.

То, как выглядит светодиод на самом деле не очень важно, но я всё же его сфотографировал, рис. 7. Это фото без вспышки при неярком свете. Яркость светодиода вполне достаточна, и его хорошо видно.

Установочные и присоединительные размеры плат показаны на рис. 8…11. Высота готовых блоков питания на этих платах зависит от высоты применяемых конденсаторов.

Накопительные конденсаторы блока питания

Это самые главные элементы платы, которые к тому же могут быть очень разными. Платы разработаны под электролитические алюминиевые (то есть «обычные») конденсаторы.

Тип конденсаторов – с защёлкиваемыми выводами (snap-in), диаметром 30 мм или 35 мм, рис. 12.

Это самые доступные и недорогие конденсаторы. Их выпускают все производители в самых разных вариантах: обычные, высокотемпературные (105 °С), малогабаритные, Low ESR. Практически всегда конденсаторы большой ёмкости и с высоким максимальным рабочим напряжением выпускаются такой конструкции. Их особенность – у всех конденсаторов расстояние между выводами равно 10 мм. Поэтому на плату можно устанавливать любые snap-in конденсаторы. Лишь бы их диаметр не превышал максимально допустимый (30 мм или 35 мм), иначе не влезут.

Суммарная ёмкость всех конденсаторов в плече (всех верхних по схеме и всех нижних по схеме) должна быть не меньше, чем рассчитанная. В пару (верхний и нижний) следует устанавливать однотипные конденсаторы. На самом деле при установке в пару разнотипных конденсаторов ничего страшного не произойдёт. Но работать они будут по разному, и такая их работа является нежелательной. А вот сами пары конденсаторов могут быть разнотипными. Так, например, сделано в моём усилителе для сабвуфера. На самом деле нет необходимости использовать разнотипные конденсаторы, но если по другому не получается, то используйте.

Если некоторые из применяемых конденсаторов типа LowESR или высокотемпературные, то будет немного лучше, если их установить ближе к выпрямителю – максимально слева по схеме.

Какие конденсаторы выбрать? Допустим, суммарная ёмкость и максимальное рабочее напряжение нам уже известны. Эти данные берутся либо из готовой схемы блока питания, либо из результатов его расчёта (про расчёт блока питания  ниже). Выбор типа конденсаторов я предоставляю вам. Дам лишь несколько рекомендаций.

1. Известный и надёжный производитель. Вот далеко не полный список: CapXon, ELNA, TDK-EPCOS, Jamicon, Nichicon, Panasonic, Samwha, Rubycon. В США есть свои производители, но я их не знаю и не могу ничего посоветовать. Однотипные конденсаторы разных производителей немного различаются между собой. Это происходит потому, что конденсатор – сложный продукт и является результатом множества компромиссов при оптимизации его свойств. Каждый производитель может считать какой-то параметр конденсатора более важным, и улучшать его, при этом немного ухудшая остальные. Но в целом в каждом классе все конденсаторы получаются примерно одинаковыми. Поэтому производитель неважен. Главное, чтобы он был надёжным и реально обеспечивал заявленное качество конденсаторов на современном уровне. Использование конденсаторов «кошерных» производителей больше повлияет на вашу самооценку, чем на звук.

Кстати, жизнь меняется, и тех производителей, чья продукция считалась эталоном качества, могли обогнать молодые конкуренты.

2. Специальные конденсаторы «For Audio» выпускаются рядом производителей. Я не могу сказать про них практически ничего, кроме того, что они очень дорогие. Дело в том, что производители не публикуют никакой объективной информации об этих конденсаторах. Даже той, которая приводится для «обычных».

Про конденсаторы «For Audio» в реальности неизвестно ничего! Никакая серьёзная техническая информация производителями не публикуется! Кроме субъективных рассказов незнакомых мне людей, про которых неизвестно, действительно ли они являются специалистами, или занимаются рекламой.

Возможно, что действительно производитель что-то делает для того, чтобы в аудиоприложениях такие конденсаторы работали лучше. Но не факт. Дело в том, что в современном мире аудиоприложения – это самое простое, что может быть. Там самые простые сигналы и самые простые условия работы компонентов. Бывает так, что производители некоторые свои неудачные электронные компоненты, которые не годятся для серьёзной работы, маркируют «For Audio» и успешно продают в этом сегменте рынка. Эту ситуацию не следует путать с другой, когда выпускается действительно хороший компонент, применение которого в аудиотехнике приводит к получению великолепных результатов. Тому пример микросхема операционного усилителя OPA134/2134/4134. Она великолепна в аудиоприложениях, о чём написано в Datasheet, но она не маркирована «For Audio».

Кстати, здесь много подделок. Несколько лет назад я купил на радиорынке конденсаторы ELNA «For Audio», рис. 13. Они оказались подделками. На вид они ничем не отличаются от настоящих. Судя по параметрам, это обычный конденсатор неизвестного производителя, который можно использовать в качестве «обыкновенного». Так что хоть я и заплатил дороже, но конденсатор можно использовать по назначению.

3. Конденсаторы специальных типов:

• с повышенной рабочей температурой (105° С);
• малогабаритные;
• с низким внутренним сопротивлением (Low ESR);
• с увеличенным ресурсом (Long life).

Все эти конденсаторы применять можно. Но они несколько дороже «обычных». Если честно, то единственно полезные конденсаторы – Long life. Они более долговечны. Если вы их используете, то логично, чтобы все конденсаторы блока питания были одинаково большой долговечности (Long life).

Малогабаритные и высокотемпературные конденсаторы по своим свойствам обычно немного хуже «обычных». Выигрывая в одних свойствах, проигрываем в других. Либо получается дороже. Высокотемпературные конденсаторы на первый взгляд кажутся более выгодными, так как лучше выдерживают нагрев. Это неверная стратегия!

Внутри усилителя и в окрестностях блока питания температура не должна быть высокой!

Ещё конденсатор нагревается током проходящих через него пульсаций. Но практически всегда не настолько сильно, чтобы этот нагрев был хорошо заметен. Разве что у вас трансформатор мощностью 1000 Вт, способный выдать огромный зарядный ток. Конденсаторы Low ESR имеют минимальный нагрев и в этом случае разумно использовать именно их. Они устанавливаются сразу после выпрямителя, тогда остальные конденсаторы питаются от них уже сглаженным напряжением и уровень пульсаций в них немного ниже. Других причин использовать конденсаторы Low ESR в отдельном блоке питания нет. Их маленькое сопротивление усилитель «не видит». Оно «съедается» проводами, идущими от блока питания к усилителю.

Но, тем не менее, всё вышесказанное не означает, что такие конденсаторы использовать нельзя. Всё можно. Я говорил о наиболее оптимальном варианте. А там решайте сами. Например, в моём четырёхканальном усилителе блок питания установлен сверху трансформатора, и там было возможно использовать только малогабаритные конденсаторы малой высоты. Я применил те, которые у меня были – Low ESR.

Другие конденсаторы в блоке питания

Конденсаторы С1…С6. Это могут быть любо керамические, либо плёночные (MKT) конденсаторы. «Хорошее звучание» от них совершенно не требуется. Для них важно достаточно высокое значение максимального рабочего напряжения. Оно должно как минимум в 2,5 раза превышать максимальное постоянное напряжение одного плеча блока питания. Хорошие результаты даёт применение плёночные MKT конденсаторов с максимальным рабочим напряжением 160…250 вольт, так как они малогабаритны, дёшевы и доступны. А в случае керамических конденсаторов надо быть уверенным в их максимально допустимом напряжении в случае «обычных» конденсаторов, либо в их габаритах для высоковольтных конденсаторов.

Для С1 и С2 расстояние между выводами равно 10 мм. Для С3…С6 расстояние между выводами равно 5 мм.

Дополнительные плёночные конденсаторы в фильтре питания. Поскольку они необязательны, то я не резервировал для них места на плате. Я развёл плату максимально компактно, чтобы минимизировать сопротивление и индуктивность монтажа. А эти конденсаторы установил там, где для них нашлось место.  Место нашлюсь между большими электролитическими накопительными конденсаторами, рис. 14. Я ориентировался на конденсаторы производства Epcos-TDK типа B32529 1 µF 63 V. Можно использовать любые ёмкостью от 0,1 мкФ и выше. Для вариантов печатных плат с накопительными конденсаторами диаметром 30 мм максимальные габариты плёночных конденсаторов 8×5 мм, для вариантов печатных плат с конденсаторами диаметром 35 мм – 9×5,5 мм. Расстояние меду выводами 5 мм.

Резисторы и диоды

Резисторы R1, R2 выводные, мощностью 0,125…0,25 Вт. Остальные резисторы можно исключить (если исключить резисторы R5…R8, то и светодиоды не будут работать). Поэтому они типа SMD 1206. При желании на их место можно припаять обычные выводные резисторы мощностью 0,125…0,25 Вт.

Диоды. В блоке питания применяются сдвоенные диоды Шоттки в корпусах TO-220 с общим катодом. Оба диода в схеме соединяются параллельно. При приобретении диодов учитывайте, что производитель указывает именно суммарный максимальный ток. Например, диоды типа 20CTQ150 производства компании IRF, имеют максимальный прямой ток 10 ампер для одиночного диода и 20 ампер для обоих диодов, соединённых параллельно. Именно этот ток указан в названии диодов. Число 150 в названии обозначает максимально допустимое обратное напряжение  на диоде.

Светодиоды обычные (не RGB) круглые, диаметром 3…5 мм. Цвет свечения – на ваш вкус. Я предпочитаю светодиоды с бесцветной колбой, когда они светятся, их колбы принимает определённый цвет. Поэтому хорошо видно, светится светодиод, или нет.

Как рассчитать блок питания

Самостоятельно рассчитать блок питания вполне возможно. Если усилитель работает в классе А и потребляет от источника питания неизменный ток, то можно воспользоваться стандартной методикой расчёта, опубликованной в литературе. Если же усилитель работает в классе В (или АВ), то метода точного расчёта блока питания просто не существует. Потому, что потребляемый усилителем ток зависит от параметров воспроизводящейся в данный момент фонограммы, от громкости, от сопротивления громкоговорителя и некоторых других факторов. Поэтому обычный традиционный расчёт будет неудобен:

• Если при расчёте ориентироваться на максимальную возможную мощность усилителя, то блок питания получится излишне мощный, а значит дорогой и крупногабаритный. Хотя работать он будет отлично.
• Если при расчёте ориентироваться на то, что максимальная выходная мощность усилителя это редкое явление, и ориентироваться на заметно меньшую среднюю мощность, то это будет правильно – блок питания получится компактнее и дешевле, а работать будет не хуже. Но здесь можно промахнуться и изготовленный блок питания окажется слишком слабым.

Чтобы такого не произошло, и блок питания оказался не избыточным, но при этом вполне подходящим, можно воспользоваться специальной программой расчёта блока питания усилителя.

Имейте в виду, что эта программа выдаёт приблизительные результаты. Для точного расчёта необходимо заранее знать все параметры трансформатора и фонограмм, которые вы будете слушать, а это невозможно. Так что небольшое отступление от выданных программой чисел вполне допустимо. Обычно это касается мощности силового трансформатора и напряжения его обмоток.

Использовать трансформатор с мощностью заметно меньшей, чем выдаёт программа, не рекомендуется. Допустимо уменьшение мощности не более чем на 10…15%. Также нет смысла использовать намного более мощный (более чем в два раза) трансформатор. С другой стороны, увеличение мощности трансформатора на звуке не отразится, а заметное уменьшение его мощности ухудшит звук при прослушивании на большой громкости.

Параметры накопительных конденсаторов фильтра и выпрямительных диодов программа вычисляет с некоторым запасом для повышения надёжности.

Особенности монтажа

Все второстепенные резисторы расположены на нижней стороне платы и имеют форм-фактор SMD 1206. Вместо них можно использовать обычные выводные резисторы, припаяв их выводы к контактным площадкам – плотность монтажа это позволяет.

Последовательность монтажа.

1. Запаиваются SMD резисторы на нижней стороне платы.
2. Устанавливаются все элементы кроме накопительных конденсаторов.
3. Устанавливаются накопительные конденсаторы.

Накопительные конденсаторы рекомендуется паять хорошо прогретым паяльником мощностью не менее 40 Вт с толстым жалом (не таким, которое используется для пайки микросхем). Длительность нагрева 3…5 секунд.

Это нужно для того, чтобы припой перетёк на другую сторону платы и надёжно соединил вывод с верхним печатным проводником. Отверстия платы имеют металлизацию, но при работе с большими токами будет лучше, если эти токи будут протекать не по тонкому слою металлизации, а по всему сечению вывода конденсатора и столбику припоя внутри отверстия в плате.

Подключение блока питания

Подключение трансформатора к плате показано на рис. 15. Предусмотрено подключение как трансформатора с отдельными обмотками, так и со средней точкой. Предохранители в цепи вторичной обмотки опциональны. Ток вторичной обмотки трансформатора достаточно велик, так что подключение предохранителя (а это дополнительные провода и контакт в держателе предохранителя) увеличивает сопротивление цепи. А вот в первичной (сетевой) обмотке предохранитель необходим. Там ток меньше и повышение сопротивления цепи на пару ом не сказывается на работе блока питания.

На рис. 16 показано подключение усилителя к плате блока питания. Каждый из каналов усилителя подключается своим набором проводов. Эти провода должны быть оформлены в достаточно плотный жгут или сплетены «косичкой». Если провода питания проложены раздельно, то пространство между проводами образует рамочную антенну, которая излучает помехи. Эти помехи обязательно попадут в электронные блоки усилителя и ухудшат их работу!

Помните, электрическая мощность в антенне, образованной проводниками питания, превышает электрическую мощность в антенне радиолюбительской радиостанции, осуществляющей радиосвязь между Великобританией и Австралией!

Тем не менее, к проводам, идущим от блока питания к усилителю, следует относиться без фанатизма. Если провода скрутить либо сплести «косичкой», то сравнительно небольшой плотности. Порядка 1 виток на сантиметр. Иначе заметно возрастёт сопротивление проводов, а подавление излучения не улучшится.

Провода, идущие к плате блока питания от трансформатора, также должны быть объединены (например, скручены либо сплетены «косичкой»). Для раздельных обмоток провода от каждой из обмоток скручиваются попарно. В случае использования трансформатора с выводом от середины обмотки объединяются все три провода.

Неплохие результаты даёт использование трёхпроводного кабеля, предназначенного для электрической сети, рис. 17. Особенно плоского – у него тонкая внешняя изоляция, поэтому он занимает немного места и его удобно прокладывать.

Но это только если вы не верите в Великого Аудиофильского Духа и в волшебство, протекающее по кабелю!

Сечение кабеля

На интернет форумах можно прочитать, что кабель, идущий от блока питания к усилителю должен быть толщиной с руку. Это не так. Чем меньше сечение проводов, тем больше их сопротивление.

Чем больше сечение проводов, тем больше их индуктивность (из-за худшей взаимной компенсации магнитных полей каждого из проводов).

А большая индуктивность кабеля не только мешает ему пропускать короткие мощные импульсы тока, но и создаёт помехи в окружающей среде (внутри корпуса усилителя).

Так что оптимальный кабель должен быть не слишком тонким и не слишком толстым. И не забывайте, что его надо проложить внутри корпуса и припаять к контактным площадкам плат.

Провод сечением 0,75мм² имеет сопротивление примерно 30 миллиом на метр. Так что при длине кабеля равной 0,5 метра и токе 5 ампер (выходная мощность 50 Вт на нагрузке 4 ома) на кабеле будет теряться напряжение равное 0,3 вольта. С такими потерями вполне можно согласиться. А можно увеличить сечение кабеля до 1мм². Такой кабель достаточно тонкий и удобный в использовании. И Великий Аудиофильский Дух на него не обижается и не портит звук. Провод сечения 0,5 мм² можно использовать при выходной мощности усилителя до 20…30 Вт на канал. Провод меньшего сечения использовать нежелательно. Если выходная мощность усилителя планируется 100 Вт на канал и больше, причём работать он будет на громкости, близкой к максимальной, то целесообразно увеличить сечение провода до 1,5 мм². Провод большего сечения электрически мало что улучшит, но механически с ним работать сложнее.

Также рекомендуется несколько увеличить сечение провода, если на плате усилителя в цепи питания установлены конденсаторы ёмкостью менее 470 мкФ. Поскольку в моих усилителях ёмкость этого конденсатора составляет 1000 мкФ, то увеличивать сечение проводов питания для моих усилителлей не требуется.

Помехи

Хочу напомнить, что трансформатор, соединительные провода (сетевой, идущий от трансформатора к блоку питания и идущий от блока питания к усилителю) и плата блока питания являются источниками помех. Помехи имеют довольно  широкий частотный диапазон: от 50 Гц до примерно 1,5 кГц. Поэтому цепи питания следует отдалять от усилительных схем, особенно от слабосигнальных. Но без фанатизма! Помните, жизнь устроена так, что выигрывая в чём-то одном, обычно проигрываешь в чём-то другом.

Экранирование проводов питания малоэффективно!

Если уж экранировать провода питания, то весь кабель целиком – все провода должны находиться под одним общим экраном. И экранирован должны быть изолирован снаружи, чтобы ни чем не замкнуться. Даже с корпусом (контакт экрана с корпусом должен быть сделан в каком-то одном месте). А это делает такие провода толстыми и жёсткими. То есть максимально неудобными. Гораздо эффективнее скрутка проводов, либо прокладка их одним жгутом (или в одной общей изоляции).

Крепление трансформатора в блоке питания

Тороидальные трансформаторы очень просто крепить при помощи металлического винта, пропущенного через середину трансформатора. Либо при помощи хомутов. При этом надо помнить, что любой проводник, пропущенный через середину трансформатора, практически является витком его вторичной обмотки. В нём может наводится напряжение. Если концы винта крепления электрически замкнуты между собой снаружи трансформатора, то возникнет короткое замыкание в новой вторичной обмотке трансформатора, образованной элементами крепления. По таким элементам крепления потечёт большой ток, они будут греться. Будет греться и трансформатор. Работать он при этом будет намного хуже, так как вся энергия будет уходить в этот короткозамкнутый виток. И будет потреблять из сети большой ток, который может вызвать перегорание предохранителя в сетевой обмотке.

Пример такого крепления показан на рисунке 18.

Не стоит надеяться на то, что окрашенный корпус изолирован, и ни с чем не замкнётся!

При креплении платы на металлическом корпусе, короткое замыкание возможно в обоих вариантах крепления (при использовании металлических хомутов). При использовании пластиковых хомутов короткого замыкания не будет. Также, как и при креплении трансформатора при помощи центрального болта и специальной металлической шайбы большого диаметра. В этом случае важно не соединять электрически верхний конец болта с металлическим корпусом.

Купить печатную плату для блока питания можно здесь.

Успехов!

06.12.2021