Выбор блока питания для усилителя
Многие радиолюбители при сборке УМЗЧ обходятся без лишних забот — просто покупают готовые комплекты для сборки усилителей. При этом сам набор обычно не представляет проблем (все детали и плата в комплекте, есть и инструкция), но вот блок питания…
Если это маломощный усилитель и к тому же питающийся от несимметричного (одинарного) напряжения, то можно подобрать уже имеющийся блок питания – будь то адаптер, или БП от ноутбука, или большой и мощный трансформатор. Многие инструкции к схемам усилителей уже содержат информацию о блоке питания, но чаще всего ограничиваются только рекомендуемыми диапазонами напряжения.
Так что перед запуском УНЧ нужно решить два вопроса:
- Напряжение питания которое нужно получить от БП.
- Подбор мощности БП в зависимости от мощности усилителя.
По многим причинам не импульсный БП, а именно сетевой трансформатор более выгоден и удобен в аудиоконструкциях, особенно в конструкциях начинающих радиолюбителей. Ведь инверторы чаще всего генерируют много ВЧ составляющих, которые накладываясь на усилитель D класса (имеющий и свои преобразователи) создают такую кашу гармоник, что её не просто расхлебать даже опытному специалисту. Ну и надёжность ИБП хромает в сравнении со старым добрым железом.
Расчет вторичных напряжений трансформатора
Допустим усилителю требуется симметричный источник питания со значением от +/- 15 до +/- 25 В. Что такое “симметричный блок питания” и где его взять? Ответ заключается в применении трансформатора с двумя вторичными обмотками одинакового напряжения и допустимой нагрузки (или обмотки с вдвое большим напряжением и током выше, но с отводом от середины вторичной обмотки).
Схема такого блока питания выглядит так:
Слева — трансформатор с двумя вторичными обмотками, справа — трансформатор с отводом. Как видно, конечный результат одинаков в обоих случаях; получение двух напряжений с одинаковым значением напряжения, но с разной полярностью. Для двух вторичных обмоток нужно соединить конец одной обмотки с началом другой. Подключение другого – например, начала с началом, приведет к отсутствию напряжения. Это сообщает о необходимости замены концов одной обмотки наоборот.
Какое напряжение трансформатор должен выдавать? Напряжение после выпрямления увеличивается на произведение квадратного корня из 2. Таким образом, если источник питания УНЧ должен давать нам 2 по 20 В постоянного напряжения, то переменное напряжение трансформатора должно быть: 20: v 2 = 14 В. Проще говоря, можем заменить v 2 приблизительным значением = 1,4. Разумеется, это напряжение одной половины блока питания.
Едем дальше. Поскольку трансформатор имеет указанное вторичное напряжение для обмотки, нагруженной номинальным током (есть в спецификации), то чем меньше ток (нагрузка обмотки), тем выше напряжение. Приходится проверять это значение самим, так как эта разница зависит от мощности и типа трансформатора, от сопротивления провода из которого сделана обмотка, и собственных потерь трансформатора.
Расчет мощности трансформатора
С напряжением более-менее разобрались, далее как рассчитать мощность. Здесь надо полагаться на заданную мощность усилителя (информацию можно найти в документации от его микросхемы) и наши требования к использованию УМЗЧ.
Как известно, усилитель потребляет больше мощности, чем сама выходная мощность на динамиках. Но постоянно ли эта мощность присутствует на выходе усилителя? Конечно нет. Величина выходного напряжения сильно меняется за какой-то короткий промежуток времени. Например, если в один момент оно достигает 10 В, то может быть только 0,1 В в другой момент, а в следующий 25 В. Так что значение средней мощности (помним из физики P = U2/R) ниже максимальной.
Переходим к подбору мощности трансформатора. В 1960-х годах и позже, когда большинство транзисторных усилителей работали в классе АВ применялся принцип, что мощность трансформатора должна быть не менее половины мощности усилителя. Проблема в том, что такой подход сейчас не учитывает работу в новых классах и цены на трансформаторы, которые в последнее время резко выросли. Поэтому стоит рассчитать мощность трансформатора таким образом, чтобы могли достичь предполагаемой максимальной мощности при разумной цене трансформатора.
Конечно усилитель, а точнее его конструкция, также является важным фактором определяющим мощность блока питания. Усилители класса АВ имеют средний аппетит по мощности (КПД усилителя) – он примерно на 50% больше мощности на выходе усилителя – иными словами, чтобы получить 100 Вт на динамике, нужно предоставить усилителю 150 Вт – за счет КПД усилителя.
Ещё раз напоминаем, что средняя потребляемая мощность УМЗЧ не равна максимальной среднеквадратичной мощности, указанной в руководстве или полученной в результате расчетов.
Таким образом можем примерно установить, что для 100 Вт мощности, подаваемой на громкоговорители, не обязательно сразу ставить трансформатор на 150 ВА. А что достаточно? Зависит от наиболее часто устанавливаемого уровня громкости и от типа музыки. С другой стороны, если усилитель будет располагаться в спальне как источник звука перед сном или околомониторные колоночки – нет смысла закладывать такой запас. Чаще всего достаточно, когда мощность трансформатора либо равна выходной мощности усилителя (сумме выходных мощностей всех каналов), либо несколько выше – процентов на 10-20.
Расчет элементов выпрямителя
С трансформатором определились. Но блок питания состоит из ещё нескольких дополнительных элементов: диодов/выпрямительного моста и фильтрующих конденсаторов. Что насчет них?
Как и выше – не переборщить. В то время как большой ток моста может быть оправдан, подбор параметров может вызвать проблемы, а использование слишком большого тока моста является, кроме расточительности и лишних потерь в напряжении разъемов, опасностью пожара (в крайне неблагоприятных случаях при долгом нагреве его без перегорания). Так что если расчеты показывают, что будет течь максимум 2 А, то диодный мост на 5 А еще будет нормален, а уже на 25 А ставить не обязательно.
Сходным образом конденсаторы. Предполагается, что для 1 А тока, протекающего от блока питания, должен быть поставлен конденсатор емкостью не менее 1000 мкФ. На практике ничего не мешает впаять 2200 мкФ или даже 3300 мкФ – но не более! Ведь эти конденсаторы будут использоваться не полностью, к тому же будут увеличивать зарядные токи – то есть излишне нагружать диоды моста.
Тепловые проблемы УНЧ
Контролируя температуру радиатора, воспроизводите музыку на полной громкости (без ограничения пиков и любого жанра). На втором этапе воспроизведение сигнала 1 кГц без обрезки пиков (здесь нужно быть очень осторожным с температурой).
Тот же принцип применим и к трансформатору. В базовой конструкции (не для тороидов) трансформатор передает тепло от обмотки к сердечнику. В результате на стабилизацию теплового режима в трансформаторе мощностью около 250 Вт, нагруженном до номинального значения, уходит около 1 часа.
Конечно, двукратная перегрузка приведет к тому, что он достигнет максимальной температуры через 15 минут, но с другой стороны, это до 15 минут работы с перегрузкой.
Разница между современным и старым трансформатором в основном заключается в сердечнике. Современные трансформаторные листы позволяют работать с более высокой магнитной индукцией, чем это было в старых версиях. Это проявляется в уменьшении количества витков, чтобы обмотки можно было наматывать более толстым проводом.
Более толстый провод означает меньшие потери в сопротивлении, а меньшее число витков означает лучшее распределение обмотки и меньшую индуктивность рассеяния, а значит эффективность передачи энергии во вторичную сторону и уменьшение собственных потерь, что проявляется в меньшем падении выходного напряжения, чем на нагрузке. В более старых это соотношение было большим и конденсаторы в фильтре выпрямителя были большими.
Есть еще одна проблема в случае с конденсаторами и блоком питания. В ситуации когда имеем значительный запас напряжения по отношению к выходному напряжению, позволяющем получить максимальную выходную мощность усилителя, можем допустить более высокие пульсации в источнике питания, что может соответственно уменьшить эту мощность.
Но наиболее важным является образование перекрестных помех в источнике питания. К сожалению, здесь помогают только жесткий трансформатор и достаточно низкое сопротивление фильтра выпрямителя. Соединять параллельно несколько меньших емкостей будет ошибкой, так как несмотря на выигрыш в емкости и снижение сопротивления такой батареи, еще и понижаем резонанс. В некоторых случаях это может быть даже несколько кГц, то есть в середине акустического диапазона. Увеличение сопротивления в результате резонанса не будет достаточно подавлять межканальные перекрестные помехи на линии питания, что нарушит стереофоническое пространство.
Аудиоусилитель также может иметь пиковую мощность (при которой он будет работать в течение нескольких секунд, может быть, несколько минут) и непрерывную мощность (при которой он может работать в течение любого промежутка времени).
Должно ли ориентироваться на пиковую мощность или постоянную мощность здесь? Возьмем в качестве примера аудиоусилитель с непрерывной мощностью 100 Вт и пиковой мощностью 200 Вт. Другими словами, он имеет среднеквадратичную мощность 100 Вт и мощность музыки 200 Вт. Кажется достаточным использовать трансформатор на 150-180 Вт, потому что сам трансформатор кратковременно без проблем выдержит 200 Вт, а усилитель не рассчитан на то чтобы постоянно выдавать 200 Вт.
В случае воспроизведения музыки техно/транс/хаус в момент бита она тоже может быть 200 Вт, но RMS для 3-секундного фрагмента однозначно ниже, может даже ниже 100 Вт, так что можно сказать, что это усилитель на 200 Вт.
Воспроизведение музыки с мощностью 200 Вт через усилитель с музыкальной мощностью 200 Вт не должно вызвать больших проблем, но он будет греться и есть риск, что рано или поздно сработает термовыключатель (если он есть) или сгорят транзисторы. Другими словами: Игра с музыкальной мощностью на 95% записей не вызовет никаких проблем, но в особых случаях есть риск.
И о теплоотводе. Радиатор только облегчает отвод тепла в окружающую среду, не более того. Установка радиатора совершенно не меняет количество тепловой энергии, вырабатываемой во время работы.
Это правда, что менее эффективный компонент (или весь усилитель) с радиатором может быть дешевле, чем более эффективный компонент без радиатора. Тут более разумным ходом является подбор элементов с запасом мощности, которые нагреваются меньше, чем присоединение все больших и больших теплоотводов, хотя последний способ значительно дешевле.
Вот ещё пример, усилитель на автомобильной микросхеме, например TDA1555. Их часто используют новички радиолюбители, и такая схема имеет ограниченное применение напряжения – до 18 В, которое ни в коем случае нельзя превышать, то есть также следует учитывать падение напряжения на выпрямительных диодах и мощность 25 – 40 ВА. Тогда УНЧ на холостом ходу будет выше 17 В постоянного тока, вероятно, около 18 В.
С другой стороны, новичок захочет подстраховаться и снизить питание, и тогда при большой нагрузке и при номинальном напряжении 220 В переменного тока в сети, вторичное напряжение трансформатора будет падать примерно до 12-13 В после выпрямителя.
Всё это следствие того, что автомобильный усилитель предназначен для питания от бортовой сети автомобиля 12 В (14,4 В). Дома или использовать стабилизированный блок питания 15-16 В (типа от ноутбука) – но для аудио это нежелательно. Или поискать трансформатор такой мощности (25-40 ВА) но жесткий, с малым внутренним сопротивлением (малые перепады напряжения). Хорошим направлением будет использование габаритного трансформатора мощностью 60 Вт и более – положительно по эффекту, но не имеет смысла с точки зрения экономии, так как противоречит основному тезису статьи.
Итого имеем несколько важных моментов:
- Трансформатор должен быть нагружен дважды. Средняя мощность, полученная в результате времени тепловой стабилизации трансформатора, должна быть ниже максимальной мощности.
- Максимальная мощность усилителя – это только мгновенная мощность которую он должен выдерживать. Поскольку усилитель не является синусоидальным источником питания, потребляемая мощность намного ниже. Средняя мощность для музыки обычно составляет 1/4 от максимальной.
- Радиаторы выбираем на среднюю, а не на максимальную мощность.
- Конденсатор в блоке питания следует выбирать таким образом, чтобы напряжение не падало ниже минимально необходимого значения между последовательными циклами перезарядки.
- «Мягкий» трансформатор плохой, потому что у него большие потери и плохо согласованные сопротивления обмоток. Для аудио используются «жесткие» трансформаторы в диапазоне заявленной мощности.
- Усилитель не является источником питания и не поддерживает непрерывную амплитуду синусоидальной волны в течение длительного времени. Выбираем трансформатор и радиатор исходя из теплоемкости.
Придерживаясь вышесказанного получается, что для стерео-усилителя мощностью 100 Вт требуется трансформатор мощностью 150 Вт, конденсаторы емкостью 6800 мкФ и радиатор, способный непрерывно рассеивать около 60 Вт тепла. Данные значения являются ориентировочными, но отражают порядок значений и суть расчётов.
Как подобрать блок питания для автомобильного усилителя
Доброе время суток браться и сёстры по паяльнику и припою.
Сегодня я открываю тему по питанию автомобильных усилителей мощности, от сети переменного тока 220 В, то есть от розетки.
В этой теме будут выкладываться и описываться наработки и способы подключения таких усилителей. Надеюсь, что тема станет полезной и найдёт своих читателей и активных участников.
Итак рассмотрим несколько вариантов питания таких усилителей, вне автомобиля.
1-й — достаточно простой и в то же время эффективный, но довольно громоздкий и требующий обслуживания, -это просто принести аккумулятор 12в*50-70А/ч с гаража и подключить к нему усилитель дома, используя при этом довольно толстый провод.При этом мы ограничены в ёмкости аккумулятора, тем самым ограничивая время работы. Следовательно нам придётся периодически отсоединять аккумулятор и заряжать его в гараже от автомобиля, либо зарядного устройства.
2-й — способ, он вытекает из первого, отличие лишь в том, чтобы параллельно с аккумулятором , подключить сразу зарядное устройство, либо другой блок питания, который будет компенсировать потери в процессе работы. Таким образом мы получаем «буферную ёмкость» , в роли которой выступает наш аккумулятор, при этом ёмкость аккумулятора может быть совсем не большой, достаточно взять аккумулятор на 12в*7-12А/ч , что в ряде случаев значительно удобнее.
Тем более аккумулятор у нас будет практически всегда в заряженном состоянии, по крайней мере «глубокий разряд» ему не грозит.
К тому же такой аккумулятор зачастую герметичный, а следовательно никаких вредных выделений и запахов мы не получим. Безусловно можно применить и обычный автомобильный аккумулятор, но здесь придётся выбирать между комфортом (да и здоровьем в том числе) и простотой.
3-й — способ. Подключить достаточно мощный компьютерный блок питания. Для этого потребуется его включить — замкнув «зелёный» провод с любым из чёрных. Питание подаём с «жёлтого» и «чёрного» , при этом берём во внимание, что ток, который будет проходить по этим проводам, будет несколько десятков ампер, следовательно таких проводов нужно взять несколько штук, хотя бы 5-6 — не меньше.
Но здесь мы можем столкнутся с проблемой «просадки» напряжения под нагрузкой. В первую очередь это касается дешёвых блоков питания, у которых стабилизация выходного напряжения реализована сразу по всем линиям. Таким образом у нас без нагрузки будет 12в, а под нагрузкой может снизится даже до 10 В. Для исправления ситуации, в какой то степени. Нам понадобится намерено нагрузить другие линии, а именно линию +5 В , для этого достаточно подключить к ней нагрузку потребляющую 1-2А, в простейшем случае лампу накаливания. Но этот способ годится как самый примитивный и большой мощности мы всё равно не получим. Гораздо эффективнее дело обстоит с блоками питания, у которых реализована стабилизация напряжения независимо по всем шинам. В таком случае , нам не понадобится ничего «вешать» на линию +5 В и блок питания будет исправно работать , отдавая нам практически всю мощность по этой линии. Вот только такие блоки питания довольно дорогостоящие и подавляющее большинство владельцев автомобильных усилителей, дважды подумает, перед тем как приобрести такой блок питания.
4-й — вариант, он простой до безобразия и в тот же момент достаточно эффективный, нам понадобится блок питания для светодиодов или низковольтных ламп накаливания на 12 В, такие блоки питания продаются достаточно большой мощности и в ряде случаев их можно соединять параллельно, для повышения отдаваемой мощности в нагрузку. В них зачастую предусмотрена стабилизация выходного напряжения и даже есть возможность его подстройки в небольших пределах, что очень нам на руку. Из недостатков , разве что — цена, снова таки цена, продавцы порой необоснованно завышают цены на модели с током от 12 А и более, а для запитки усилителя, нам как раз и нужен блок питания с током минимум 12 А, а желательно 30 А. Но здесь есть выход, хотя и порой сомнительный, — покупка через интернет у китайского производителя. Бывает так, что получите посылку с тем за что заплатили, а бывает и получите сюрприз, причём весьма не радостный. Так что в каком то смысле — это лотерея.
5-й — вариант. На мой взгляд, он самый эффективный из всех выше перечисленных, но требует понимая основ электроники и хоть каких то навыков работы с паяльником и измерительными проборами. А именно:
нам потребуется открыть крышку усилителя и припаять 3 провода к тому месту на плате, где у нас установлены конденсаторы вторичного питания с преобразователя напряжения, далее аккуратно выводим их за пределы корпуса и подключаем , либо обычный трансформатор с двумя вторичными обмотками, диодным мостом и парой ёмких конденсаторов, либо двухполярный импульсный блок питания. В обоих вариантах, следует учитывать номинальное напряжение питания усилителя и требуемую мощность. Таким образом у нас усилитель будет работать не хуже чем в автомобиле, причём лишний раз не напрягая преобразователь напряжения, к тому же нам не потребуется использовать «провода в палец» толщиной.
6-й — вариант. Его я могу назвать разновидностью 2-го, так как здесь используется достаточно мощный трансформаторный блок питания, дополнить который можно узлом стабилизации. Вот только габариты и масса, такого блока питания, будут достаточно внушительными (мягко говоря).
7-й — вариант. Он чем то напоминает предыдущий, а так же 4-й . Просто взять и изготовить самим импульсный блок питания, который бы нам обеспечил выходное напряжение в районе 12-16 В, при токе от 30 А и более. Реализовать его можно как стабилизированным, так и не стабилизированным. Второй вариант значительно проще в реализации, не требует много компонентов и довольно легко повторяем, при этом имея минимум настроек. Как раз его мы сегодня и рассмотрим подробнее.
Представленный в этом видео-уроке блок питания, способен обеспечить питанием достаточно мощный автомобильный усилитель, при этом сам усилитель нам вскрывать не потребуется, а значит задача так же упрощается. Но так как везде есть свои плюсы и минусы, наш блок не лишён и их, а именно основным из них является то, что он не стабилизированный, хотя по сути это не так нам и важно, ведь наш потребитель не особо капризный в этом плане. Следует учесть так же и неоспоримое преимущество перед аналоговым блоком питания в том, что он имеет меньший вес, габариты, а так же значительно меньшие просадки по напряжению, так как амплитудное значение напряжения практически равно действующему значению, а следовательно как под большой нагрузкой так и при не большой (всё в нашем мире относительно) — наш блок питания будет достаточно стабильно удерживать напряжение в достаточно небольшом диапазоне, чего нам будет вполне достаточно.
Итак — желаю приятного просмотра.
Так же я прикреплю архив с схемой и печатной платой для данного блока питания.