Пусковой ток
Пусковой ток определяется, как начальный ток, протекающий в момент первого включения питания. Для источников питания, построенных на трансформаторе, он состоит из двух различных компонентов — пускового тока трансформатора и тока заряда конденсатора(ов). Они очень взаимозависимы, но максимальный ток при включении питания не может превышать значения, определяющегося сопротивлением первичной обмотки трансформатора. Оптимальная часть волны сетевого напряжения, прикладываемого к трансформатору, соответствует пику переменного напряжения — 325 В для сети 230 В. См. статью «Трансформаторы», часть 2 для получения дополнительной информации.
Чтобы свести к минимуму ток заряда конденсатора, следует подавать питание в момент пересечения нулевой точки сетевого напряжения, когда максимальная скорость изменения напряжения является самой низкой. При замыкании контактов выключателя при значительном напряжении, скорость его изменения в этот момент чрезвычайно высока.
Эти две ситуации полностью противоречат друг другу, но точный момент действительного включения питания фактически является случайным. Кроме того, присутствует влияние (разряженного) конденсатора, требующего от трансформатора мгновенной тяжелой перегрузки при включении питания. Это имеет тенденцию к уменьшению плотности потока рассеяния трансформатора, но конденсатор(ы) будет вести себя, как мгновенное короткое замыкание (через диодный мост), поэтому единственный способ узнать, что же происходит на самом деле — провести испытания. Такой уровень тестирования не является тривиальным и требует специализированного тестового оборудования, но, к счастью, реально не нужен.
С трансформаторами от 300 В•А и менее ничего делать обычно не нужно. Если используется правильный номинал и тип предохранителя, то пусковой ток будет высоким, но в пределах «нормального» диапазона. Наихудший пусковой ток может составлять не более 50 А (при напряжении 230 В для трансформатора на 300 В•А), поскольку он ограничен сопротивлением первичной обмотки и полным сопротивлением сети. Продолжительность обычно меньше, чем один полупериод переменного тока. Большие трансформаторы создают более высокий пусковой ток, поскольку сопротивление их первичной обмотки ниже. Конденсаторы при этом должны заряжаться, но, как отмечено выше (см. Табл, 6), длительность импульса тока заряда конденсатора намного меньше 500 мс, даже с чрезвычайно большими конденсаторами.
Самый простой способ ограничения броска — использовать схему плавного пуска, такую как а Проекте 39. Использование только термисторов (NTC) — выбор плохой, потому что большинство усилителей не потребляют достаточного тока на холостом ходу для обеспечения их низкого последовательного сопротивления. При работе усилителя с музыкальным сигналом сопротивление термистора будет постоянно циклически изменяться, а защита совершенно недостаточна, если усилитель (случайно или как-то иначе) выключится и тут же снова включится.
Схема плавного пуска защищает предохранитель от очень высоких токов перенапряжения, ограничивает ток зарядки конденсатора и делает цикл включения питания более дружественным к оборудованию и питающей сети. Резисторы (или термисторы) должны быть выбраны так, чтобы максимальный пиковый ток находился в пределах от 2-х до 5-кратного от нормального рабочего тока при полной мощности. Например, если ожидается, что усилитель при максимальной мощности будет отбирать ток силой 2 A, плавный пуск должен ограничивать пиковый ток в наихудшем случае где-то между 4 и 10 А. Для сети 230 В сопротивление будет составлять от 23 до 58 Ом. Стандартные значения, которые я предлагаю в Проекте 39, составляют около 50 Ом для 230 В (или 22 Ом для 120 В), поскольку они доказали свою эффективность и надежность для многих сотен устройств.
Обеспечение плавного пуска также необходимо для большинства импульсных источников питания. В отличие от линейных источников питания, в них нет сопротивления первичной обмотки трансформатора для ограничения пускового тока, а низкий ЭПС конденсаторов может вызвать его исключительно высокий бросок. Я измерял пусковой бросок тока довольно скромного ИИП (150 Вт), составивший 80 А и даже небольшой ИИП на 20 Вт может вызвать пиковый пусковой ток силой 10 А или более. Многие из последних поколений ИИП используют активную схему плавного пуска, потому что пусковой ток часто приводит к срабатыванию автоматического выключателя, если одновременно включено несколько источников питания. У скромного электролитического конденсатора на 150 мкФ × 400 В типичный ЭПС составит не более 2 Ом, поэтому, если пусковой ток не ограничен, он может составить 150 А и более, по крайней мере, теоретически.
На практике существует несколько дополнительных сопротивлений, которые помогают смягчить импульс пускового тока. Сетевая проводка (включая разъемы и розетки), диоды, плавкие предохранители и дорожки печатной платы — всё это вносит определенный вклад, что в большинстве случаев позволяет сохранить пусковой ток на уровне ниже 100 А. Для гарантии, что пусковой бросок тока никогда не вызовет проблем, следует использовать схему плавного пуска.
Типы выпрямителей
До сих пор мы рассматривали мостовой двухполупериодный выпрямитель, но это лишь одна из нескольких различных конфигураций выпрямителей. Наиболее распространенные (и/или самые простые) выпрямители:
Существуют и другие конфиругации, но они обычно не используются в усилителях с низким напряжением питания. Из всех перечисленных конфигураций наиболее распространен, вероятно, двухполупериодный удвоитель напряжения (с мостовым выпрямителем и выводом средней точки трансформатора) который и будет далее анализироваться. Я решил игнорировать однополупериодные выпрямители (во всех их формах), но добавил удвоители напряжения. Обычно они полезны только для применений с низким энергопотреблением, где их работа не является критичной. Это особенно верно в отношении предусилителей, почти всегда снабженных стабилизатором напряжения.
Однополупериодные выпрямители не должны использоваться никогда. Процесс однополупериодного выпрямления при любом заметном токе (более нескольких миллиампер) означает, что выходной ток трансформатора подвергается выпрямлению только в одном полупериоде, что может привести к насыщению сердечника при удивительных малых токах, особенно в тороидальных трансформаторах. В общем, вообще избегайте применения однополупериодного выпрямления. Не существует приложений, для которых использование однополупериодного выпрямителя было бы полезным.
Тороидальный трансформатор можно легко загнать в глубокое насыщение постоянным током в обмотках силой всего лишь 20 мА. При наличии какой-либо заметной постоянной составляющей входной ток резко возрастает и может легко превысить номинальный для трансформатора. Если такое состояние будет устойчивым, то приведет к перегреву трансформатора и выходу его из строя, если не будет защиты термовыключателем с автоматическим сбросом. Если такого нет, то этот эксперимент обойдется очень дорого.
Двухполупериодный удвоитель напряжения по-прежнему распространен в анодных цепях ламповых усилителей и для некоторых предусилителей и широко распространен в импульсных источниках питания. Например, в источнике питания предусилителя Проект 05 опционально применен двухполупериодный удвоитель напряжения. Подробнее об этом ниже.
Общепринятые соотношения напряжений и токов основных типов выпрямителей представлены ниже. Это не жесткие правила, а только рекомендации и фактические результаты зависят от сопротивления обмотки и емкости конденсаторов фильтра. Имеет значение даже импеданс вашей домашней сети электропитания. ( Нет, нет и нет! Дебильно дорогой аудиофильский «шнур питания» не помогает вообще.)
1 Не были включены входные дроссельные фильтры, поскольку, хотя они и обеспечивают превосходную фильтрацию и более низкий уровень шума, но очень дороги в производстве из-за значительного номинала индуктивности.
2 Эта цифра предназначена для каждой обмотки трансформатора.
Как видно из анализируемых схем, значение для мостовых выпрямителей (сила переменного тока в 1,8 раза превышает силу постоянного тока) достаточно близко к измеренному. Следует помнить, что это не точные расчеты, т.к. существует множество переменных, с которыми приходится иметь дело. Приведенные выше цифры являются ориентировочными, а для непрерывных высокоточных нагрузок необходимо убедиться, что трансформатор не будет перегружен. Это требует тщательного анализа и тестирования, потому что расчеты намного сложнее, чем может показаться.
Значения падения напряжения на диодах важны и во всех случаях должны учитываться. Для большинства транзисторных усилителей выпрямительные мосты с номиналом 400 В дешевы и легко доступны на нескольких номинальных значений тока, но для применений с высоким напряжением необходимо знать максимальное напряжение, которое может быть приложено к каждому диоду.
Мостовой выпрямитель требует диодов с самым низким обратным напряжением. Его значение должен быть больше пикового переменного напряжения (VRMS x 1.414). Для всех остальных выпрямителей (включая однополупериодный) обратное напряжение диодов должно быть по крайней мере вдвое больше пика переменного напряжения. Это очень важно для источников высокого напряжения и в некоторых случаях для предотвращения отказа необходимо использовать два диода последовательно. Например, источник питания на 600 В постоянного напряжения от двухполупериодного выпрямителя (с центральным отводом вторичной обмотки трансформатора) требует диодов с номинальным напряжением не менее 1200 В, поэтому для каждого плеча разумно использовать по два последовательно соединенных диода на 1 кВ (например, 1N4007).
1 Двухполупериодный выпрямитель
В отличие от мостового выпрямителя, который все время использует 100% обмотки трансформатора, двухполупериодный выпрямитель в каждом полупериоде переменного напряжения использует только половину обмотки. Это ведет к некоторым дополнительным потерям, поскольку обмотка должна иметь вдвое больше витков, чем для мостового выпрямителя. Это означает, что сопротивление обмотки по сравнению с мостовым выпрямителем обычно удваивается, поскольку обмотки должны быть тоньше, чтобы не занимать больше места в окне сердечника, что ведет к более высоким резистивным потерям.
В этом подразделе я вернулся к трансформатору, а не к моделируемой версии, используемой ранее. При этом схемы становятся более понятными, а столь же глубокий анализ снова выполняться не будет. Ток пульсаций конденсатора, в принципе, не изменяется, за исключением того, что для данного значения V•A будет несколько ниже, поскольку напрямую зависит от сопротивления обмоток трансформатора.
В примере на Рис. 5 сила переменного тока в каждой обмотке составляет 1,82 А для постоянного тока в нагрузке силой 1,47 А. Это довольно близко к отношению 1,2:1, показанному в Табл. 5 и разница является результатом нормальных отклонений сопротивления обмоток трансформатора.
Величина V•A для трансформатора одинакова для мостового выпрямителя и удвоителя напряжения, но немного выше для двухполупериодного выпрямителя. Несмотря на кажущиеся отклонения, «лишняя» мощность ограничена диодами и резистивными потерями в обмотках трансформатора, что во всех случаях предполагает наличие обмоток надлежащих размеров.
Рис. 6 Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом вторичной обмотки трансформатора
Эта версия теперь использует всю обмотку все время — каждая полуобмотка используется как для положительной, так и для отрицательной полярностей выходного напряжения. Использование полной обмотки означает, что сила переменного тока теперь такая же, как и в мостовом выпрямителе, в 1,8 раза превышая силу постоянного тока, но только для общей нагрузки (т.е. между плечами, а не с одной или другой шины питания на землю — это идентично такому же току от каждой шины питания на землю). Если нагрузка подключена только к одной или другой шине питания, применяется правило 1,2, но усилители мощности будут питаться от обоих источников одинаково (более или менее). Частота музыкального сигнала в основном превышает входную частоту источника питания, поэтому он будет эффективно нагружен в синфазном режиме. Все конструкции с двухполярным питанием должны учитывать эту особенность нагрузки, или же результат будет неудовлетворительным.
2 Двухполупериодный удвоитель напряжения
Этот тип выпрямителей зачастую имеет плохую репутацию и считается полезным только для некоторых применений. Многие, как правило, считают КПД и стабильность довольно неважными, поэтому их часто используют только для сравнительно маломощных источников питания. Хотя так быть не должно. Поскольку требуется только половина витков, провод может быть в два раза большего диаметра и обмотка будет иметь ¼ сопротивления по сравнению с нужной для мостового выпрямителя. Если так будет сделано, то КПД почти идентичен мостовому выпрямителю. Обычно удвоитель был общепринятым источником в ламповых усилителях (хотя и не центрирован, как показано ниже), т.к. позволяет использовать конденсаторы на более низкие напряжения. Они должны иметь в два раза бо́льшую емкость, поскольку соединены последовательно и поэтому общая емкость составляет половину емкости каждого отдельного конденсатора (следовательно, нужны конденсаторы по 10 000 мкФ вместо 4 700 мкФ, как указывалось ранее).
Рис. 7 Двухполупериодный удвоитель напряжения
Используя те же самые напряжение и ток нагрузки, как и раньше, мы можем провести быстрый анализ схемы. Первое, что нужно знать — это то, что частота напряжения пульсаций в точке соединения двух конденсаторов совпадает с частотой сети питания (50 или 60 Гц). Пульсации на выходе составляют 100/120 Гц, но только в случае, если вывод отрицательного напряжения заземлен/занулен. При использовании симметричного (двухполярного) источника питания, с заземленной центральной точкой, напряжение пульсаций на каждом выходе (т.е. + Ve и — Ve) соответствует частоте сети, но фаза пульсаций на каждом выходе имеет противоположную полярность. Этим объясняется частота пульсаций 100/120 Гц, когда заземлено одно из плеч источника питания (а не центральная точка).
Напряжению удается достичь значения ± 26,8 В при токе 1,5 А (фактически немного меньше — около 1,49 А). Размах напряжения пульсаций (от пика до пика) составляет 2,3 В, но сила переменного тока теперь немного превышает 4,9 А RMS. При использовании обмотки на 25 В и столь большого тока, трансформатор должен быть рассчитан теперь на 122,5 В•А, при мощности, подаваемой на нагрузку, до 80 Вт. Совершенно очевидно, что это не очень хороший способ изготовить сильнотоковый источник питания и в целом моя рекомендация заключается в том, чтобы использовать его только для относительно маломощных источников питания.
Рис. 8 Двухполупериодный умножитель с однополярным выходом
При использовании в ламповых усилителях, ток обычно управляем, но центральная точка соединения конденсаторов, как правило, не используется. Просто изменяется подключение к земле отрицательного вывода питания вместо центральной точки, как показано на Рис. 8, поэтому от обмотки трансформатора на 25 В получаем напряжение 54 В. При удвоении высокого напряжения отвод половины напряжения (между двумя конденсаторами) полезен для питания экранных сеток выходных ламп и предусилительных каскадов. Обратите внимание, что выход высокого напряжения имеет теперь частоту пульсаций 100 Гц, а выход половинного напряжения — 50 Гц (соответственно, 120 Гц и 60 Гц для сети 60 Гц). Естественно, что для лампового оборудования напряжения будут обычно ближе к 500 В и 250 В, чем те, что показаны выше. Меньшая частота пульсаций в средней точке означает необходимость в лучшей фильтрации, что неприятно.
Интересно, что этот тип источников питания является (или до недавнего времени являлся) довольно распространенным в компьютерных и тому подобных блоках питания. При использовании питающей сети на 120 В, переключатель напряжения на обратной стороне блока питания преобразует его с мостового выпрямителя в удвоитель напряжения, а схема ИИП работает от источника постоянного тока напряжением 300-340 В, как само собой разумеющееся. При таком напряжении потребляемый ток обычно довольно низкий (около 500 мА для мощности 150 Вт). При таком использовании обязательным является какой-то узел ограничении пускового тока, поскольку сеть имеет настолько низкий импеданс, что при возможных пусковых токах силой сотни ампер, почти гарантирован отказ диодов или конденсаторов.
Сердце — это микросхема фирмы Texas Instruments TL594 (аналог TL494 с умощненным выходом). Останавливатся на принципах действия TL594 не буду, так как для этого есть даташиты, например тут:
. Далее по схеме.
Диод VD3 предотвращает выход из строя преобразователя при обратной полярности напряжения питания. В этом случае перегорит лишь предохранитель F1. Далее следует дроссель, намотанный на желтом кольце из порошкообразного металла (такие можно наити в блоках питания ПК). Дроссель имеет 5 витков из вместе сложенных 5 проводов диаметром 1 мм. Конденсатор С5 — для борьбы с ВЧ пульсациями. При надобности его надо подобрать (увеличить емкость).
Вывод 13 подключен к источнику образцового напряжения +5 В и преобразователь работает в двухтактном режиме. Элементы C2 и R1 определяют частоту генератора. При данних номиналах fген = 177 КГц, а частота на выходе 88.5 КГц. У меня все исправно работает на данной частоте, но в некоторых случаях (изпользование феррита с другими своиствами и проницаемостю, другие диоды и. т. д.) возможно придется подстроить частоту подбором C2 или R1.
Сигнал с выводов 9 и 10 поступает на цепочки VD1, R7, VT1 и VD2, R6, VT2 цель которых — быстро сажать затвор полевика, после его открытия.
Форма импульса на выводах 9, 10 IC1. 2uS/DIV, 10v/DIV.
Форма импульса на первичной обмотке.
Полевые транзисторы я изпользовал те которые были, но вместо указанных допустимо устанавливать также IRF540, IRFZ44, IRFZ48 и другие с возможно меньшим Rds. Вместо BD678 — KT626, BC558. Замена TL594: TL494, KA7500, КР1114ЕУ4.
В своем преобразователе я применил ферритовое кольцо с наружным диаметром 36 мм. Это стандартный феррит, покритый зеленым лаком, которые применяют во многих китайских автоусилителях. По секрету: мой транс из такого, со всеми обмотками. Что сказать, повезло!
Для тех, кто решился собирать данную схему, примерные данные трансформатора. Можно брать два склеенных вместе кольца К40*24*11, до этого скруглив острые кромки напильником и покрыть их фторопластовой лентой (ФУМ). И намотать первичные обмотки — каждую по 4 витка жгутом из пяти проводов ПЭВ-2 1,2 мм. Вторичка — по 10 витков жгутом из четырех проводов ПЭВ-2 0,8 мм. Мотать в одном направлении!
А ведь можно улучшить схему! Как я уже говорил в самом начале, в схеме отсутствует стабилизация выходного напряжения. Но это поправимо. Обратим внимание на схему (показаны изменения, все остальное без изменений).
С2 — поменять полярность!
Для стабилизаций изпользуется обратная связь. Она осуществляется через резисторы R3-R8. R7 и R8 подсоединены к выходу выпрямителя. Эти все резисторы образуют два делителя напряжения, через которые часть напряжения с выхода блока питания поступает на усилители ошибки (выводы 1,15). В качестве эталона напряжения, с которым сравниваются выходные напряжения блока питания, используется источник образцового напряжения. На печатной плате имеется место для введения этих элементов.
🎁Печатная плата ИБП в формате .lay
🎁Вариант печатной платы со стабилизацией от Константина (mr_kost)
Пользователь bhim сообщил об ощибке. Неправильно указана цоколевка биполярников. Обращайте на это внимание при сборке!
Пусть все ваши схемы начинают работать с первого раза! Гунтис Кольч
Предохранители и защита
Поскольку источник питания подключен к сети, необходимо защитить проводку здания и оборудование от любого серьезного сбоя, который может произойти. Для этой цели наиболее распространенной формой защиты являются предохранители и, если они выбраны правильно, то обычно предотвращают катастрофический ущерб при выходе какого-либо компонента из строя.
Тороидальные трансформаторы имеют очень высокий «пусковой» ток при включении питания и для предотвращения токового удара необходимы предохранители с медленным срабатыванием. В случае применения любого тора мощностью 500 В•А или более, очень полезна схема медленного запуска для гарантии, что пусковые токи ограничены безопасным значением. Пример такой схемы представлен в Проекте 39, который представляет собой отличную защиту от перегрузок выпрямителей и конденсаторов.
Вычисление правильного значения для сетевого предохранителя непросто, поскольку существует много переменных, однако, могут помочь несколько основных правил. Во-первых, проверьте заводской даташит или веб-сайт производителя. В них зачастую будут показаны рекомендованные номиналы и типы предохранителей в соответствии с используемыми трансформаторами. Если данные производителя недоступны, определите максимальный рабочий ток системы на основе непрерывной максимальной мощности. В этом помогут выполненные ранее расчеты.
Ток, потребляемый от сети, определяется коэффициентом трансформации трансформатора, рассчитанным по формуле:
где Tr — коэффициент трансформации, Vpri — первичное (сетевое) напряжение, а Vsec — вторичное напряжение.
В расчетах должны использоваться значения от 240 В до 25-0-25 В (т.е., вторичная обмотка — суммарно на 50 В). Трансформатор имеет коэффициент трансформации 4,8:1, тот же самый трансформатор с первичной обмоткой на 120 В имеет коэффициент трансформации 2,4:1 — это можно рассчитать для любого трансформатора. Ток первичной обмотки рассчитывается:
где Ipri — первичный ток, Isec — вторичный ток
Источник питания, рассчитанный на наш гипотетический усилитель мощностью 100 Вт / 8 Ом, при полной мощности будет потреблять вторичный ток силой около 6,3 А, поэтому ток потребления первичной обмоткой (для напряжения питания 240 В) составляет около 1,3 А. Для этого достаточен, казалось бы, предохранитель на 2 А, но если использовать трансформатор на 500 В•А (к примеру), то этого значения будет достаточно для работы с максимальным током первичной обмотки, однако, он взорвется (в конечном итоге) из-за пускового тока. Следует использовать плавкий предохранитель на 3 А (или 3,15 А), который должен выдержать пусковой ток (для стран с напряжением 120 В необходим предохранитель с медленным срабатыванием на 6 А). Я рекомендую использовать схему плавного пуска для любого трансформатора мощностью выше 300 В•А.
Трансформаторы часто снабжаются термозащитой (зачастую с помощью одноразового термопредохранителя). Если трансформатор, снабженный «одноразовым» термопредохранителем, перегревается, то подлежит выбрасыванию, т.к. плавкий предохранитель находится внутри обмоток и не может быть заменен. Это тем более важная причина, чтобы трансформатор был должным образом защищен с самого начала. Не стесняйтесь добавить свой собственный термопредохранитель, но убедитесь, что он находится в хорошем тепловом контакте с обмотками, расположен далеко от любого воздушного потока (предусмотренного или случайного) и что проводка к нему безопасна при любыхх возможных условиях. Этот прием не тривиален, но действительно добавляет дополнительный уровень защиты, правда, только если все сделано правильно.
Многовыводные первичные обмотки (например, на 120, 220, 240 В) создают дополнительные проблемы с защитным предохранителем, поэтому часто применяется его компромиссное значение. Защита трансформатора в таком случае не столь хороша, как могла бы быть, но в целом по-прежнему обеспечит защиту от пробоя диодов или фильтрующих конденсаторов. В идеале должны быть разные номиналы предохранителей для работы на 120 или 230 В и всегда следует использовать правильный предохранитель.
Кроме того, может оказаться полезной установка между активным и нейтральным проводниками сетевого питания металл-оксидных варисторов (MOВ). Они будут поглощать любые «иголки» из сети и могут помочь предотвратить щелчки и хлопки, поступающие на усилитель. Однако, обозначения варисторов могут быть сложными и зачастую может понадобиться помощь поставщика в выборе правильного варианта для вашего применения.
Обратите внимание, что наличие входного предохранителя или автоматического выключателя не защищает усилитель от перегрузок или коротких замыканий динамиков. Если такое произойдет или если усилитель выйдет из строя, предохранитель на входе не обеспечит защиту от катастрофического отказа, повреждения динамика и, возможно, пожара. По этой причине всегда должны использоваться вторичные предохранители постоянного тока без никаких исключений. Многие также любят включать защиту по постоянному току, такую, как в Проекте 33. Во многих коммерческих версиях и любительских наборах нет правильного подключения к контактам реле, из-за чего они могут быть практически бесполезными.
V·A по сравнению с ваттами
Необходимо провести важное различие между мощностью (Ватт) и V·A. Сила — это мера работы, поэтому вполне возможна ситуация (обычно это действительно так), когда есть напряжение и ток, но выполняемая работа мала или ее вообще нет. Величина V·A является произведением напряжения и тока, поэтому существует значительное различие между V·A и ваттами.
Различные нагрузки (емкостные или индуктивные) будут потреблять ток с выхода трансформатора, усилителя или сети питания. Если нагрузка является чисто индуктивной или емкостной, мощности (работы) нет вообще, хотя ток может быть довольно высоким. В этой связи известны люминесцентные осветительные приборы, где ток может быть в несколько раз больше ожидаемого, исходя из номинальной мощности ламп.
Это явление называется «коэффициентом мощности» (Power Factor — PF), а коэффициент мощности = 1 означает отсутствие потерь мощности из-за наличия в нагрузке индуктивности или емкости. Аналогично, коэффициент мощности равный 0 означает, что напряжение и ток велики, но нет мощности (работы). В случае люминесцентного освещения конденсаторы коррекции коэффициента мощности используются для того, чтобы попытаться поддерживать КМ как можно ближе к единице. Если это не было сделано, проводка к фитингам (особенно в крупных коммерческих зданиях) перегреется и на местную электростанцию, а также на всю электросеть ляжет гораздо бо́льшая нагрузка, чем это необходимо. Те же проблемы есть у компаний по электроснабжению во всем мире и в большинстве стран существует законодательство, определяющее минимально допустимый коэффициент мощности для любой установки.
Импульсные источники питания, используемые в компьютерах, имеют очень низкий КМ, но существует много новых проектов, улучшающих его. Ожидается, что в недалеком будущем они станут обязательными, т.к. низкий КМ удорожает поставляемую потребителям электроэнергию.
Силовой трансформатор не волнует, выполняется ли работа на его выходе или нет. Он имеет внутреннее сопротивление и индуктивные потери и его заботят только входное напряжение и ток. Силовой трансформатор может быть перегружен и сожжен большой емкостью, подключенной непосредственно к выходным клеммам. Конденсатор при этом даже не нагреется, поскольку не рассеивает энергию и не выполняет работу. Трансформатор «видит» только ток нагрузки и пропорционально нагревается. Если величина В·А превысит допустимое значение, трансформатор в конечном итоге перегреется и сгорит.
Аналогично, трансформатор может работать на 500% своей мощности в течение короткого периода времени и, до тех пор, пока у него будет достаточно времени для охлаждения между перегрузками, это тяжкое испытание на повлияет на его работоспособность. К сожалению, в данном случае это полезное качество не имеет смысла в звуке, т.к. напряжение слишком сильно падает с нагрузкой, а выходная мощность усилителя сильно снижается. На основании сказанного в большинстве «ширпотребовских» усилителей мощности производители будут экономить на трансформаторе, полагаясь на усредненные характеристики типичного воспроизводимого материала, чтобы обеспечить достаточное напряжение питания для нормальных музыкальных сигналов. Непрерывная (ошибочно называемая «RMS») мощность будет ниже, иногда значительно.
Термин «динамический запас» использовался для описания разницы между непрерывной и максимальной выходной мощностью. Большее значение (2 дБ или более) указывает на то, что трансформатор слишком мал для данной работы, т.к. при постоянной нагрузке напряжение питания падает.
Поскольку мы намерены использовать трансформатор недружелюбно, с выпрямителем и большой емкостью в качестве нагрузки, значение V·A намного выше номинальной мощности усилителя. Существуют некоторые основные правила для наиболее распространенных типов выпрямителей, показанные ниже.
Детали
Трансформатор Т1 — готовый низкочастотный силовой трансформатор номинальной мощностью 100W, с одной первичной обмоткой на 220V и вторичной обмоткой на 18V с отводом от середины. Можно попробовать и трансформатор с вторичной обмоткой на 12V с отводом от середины или на 24V с отводом от середины. Но, во втором случае, боюсь что выходное напряжение окажется несколько меньше 220V.
Трансформатор включен «задом на перед», то есть, его вторичная низковольтная обмотка теперь служит первичной, а высоковольтная первичная, -вторичной. Подключив нагрузку и мультиметр (или другой вольтметр переменного тока) резистором R4 выставить напряжение на нагрузке 220V.
Тепляков В. И. Р К-07-17.
Отказ от ответственности
Информация, представленная в этой статье, предназначена исключительно для руководства и автор не несет никакой ответственности за любой ущерб, травмирование или причинение иного вреда людям (включая, но не ограничиваясь этим, смерть) или имуществу, являющееся результатом использования или неправильного использования представленных здесь данных или формул. Оценка пригодности конструкции или любой её части по назначению и принятие всех необходимых мер предосторожности для обеспечения безопасности самого себя и других, является исключительно обязанностью читателей.
Читатель предупреждается, что первичное и вторичное напряжения, присутствующие почти во всех источниках питания усилителей, потенциально смертельны, а конструкторы должны соблюдать все соответствующие законы, узаконенные требования и другие ограничения или требования, которые могут существовать в стране вашего проживания.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Вся электропроводка должна выполняться лицами, имеющими соответствующую квалификацию, поскольку, если она выполнена неквалифицированно, может быть нарушение работы такой проводки. Могут применяться серьезные санкции.
Все блоки питания должны быть защищены предохранителями или апробированным автоматическим выключателем и вся электропроводка должна быть заизолирована и защищена от случайного контакта в соответствие с техническими инструкциями и требованиями, которые применяются в вашей стране.
Выпрямительные диоды
Для источников питания усилителя мощности я настоятельно рекомендую применять диодные мосты на 35 А с возможностью монтажа на шасси. За счет большого размера диодных переходов они имеют более низкое прямое падение напряжения, чем более мелкие диоды и их намного легче охлаждать, т.к. они устанавливаются на шасси, играющем роль радиатора. Как и в прочих случаях, более низкие температуры означают более длительный срок службы и, как было продемонстрировано выше, их пиковые токи достаточно высоки, поэтому использование выпрямителя с параметрами больше минимально необходимых, не причиняет никакого вреда.
Даже учитывая изложенное выше, мне пришлось несколько раз заменять мостовые выпрямители — они могут выходить из строя (и выходят), как и любой другой компонент. Более мощные трансформаторы увеличивают риск отказа из-за огромного тока, протекающего при их включении, поскольку конденсаторы полностью разряжены и действуют как кратковременное короткое замыкание.
Диоды, используемые в двухполупериодных выпрямителях со средней точкой или однополярных двухполупериодных выпрямителях, должны быть, в худшем случае, как минимум, на удвоенное пиковое переменное напряжение. Так, например, трансформатор со вторичным напряжением 25 В RMS будет иметь пиковое переменное напряжение 35 В при полной нагрузке, а без нагрузки может достигать 40 В, откуда удвоенное напряжение составляет 80 В. Поэтому диоды, минимально приемлемые для этого применения, должны иметь обратное пиковое напряжение (ОПН) 100 В.
Для однополярного мостового выпрямителя ОПН должно быть больше пикового переменного напряжения, т.к. в каждом плече последовательно включено по два диода.
В случае двухполярного питания (с использованием трансформатора 25-0-25 В) наихудшее значение переменного напряжения составляет 80 В, поэтому диоды должны быть рассчитаны на 200 В ОПН. Наиболее распространенные мостовые выпрямители на 35А для установки на шасси, рассчитаны на 400 В и этого достаточно для любых источников питания, обычно используемых для усилителей обычно распространенной мощности (т.е. до 500 Вт / 8 Ом). Однако, если величина напряжения и подходит, то величина тока недостаточна и следует использовать выпрямительный мост на больший ток.
В настоящее время наблюдается тенденция к использованию в источниках питания диодов с быстрым восстановлением, поскольку они якобы «лучше» звучат. В сущности, это плохая идея, поскольку для неё нет абсолютно никакого обоснования. Цель диода с быстрым восстановлением (или любого другого быстродействующего диода) заключается в возможности быстрого переключения, когда напряжение на диоде меняется на противоположное. Все диоды, как правило, на короткое время остаются в проводящем состоянии, когда напряжение на них внезапно реверсируется. Это чрезвычайно важно для импульсных источников питания, поскольку они работают на высокой частоте и имеют прямоугольный выходной сигнал. Стандартные диоды выйдут из строя через несколько секунд из-за обратного тока, т.к. он вызывает в диоде огромную потерю мощности.
Как правило, параллельно каждому диоду в мостике подключаются конденсаторы емкостью 100 нФ (опционально с небольшим последовательным сопротивлением), что довольно часто встречается в некоторых high-end устройствах и испытательном оборудовании, где важен минимальный шум.
