Импульсный источник питания для УМЗЧ на IR2153 (300-500Вт)

Всем доброго времени. Позвольте представить силовой инвертор для питания мощного аудиоусилителя. К сожалению, в интернете мало таких проектов, особенно хорошо повторяемых. Поэтому решено было сделать такой источник питания с нуля. Потребовалось немало времени, чтобы проектировать, построить и протестировать этот ИБП. И вот, проведя последние испытания (все тесты прошли успешно) можно сказать что проект закончен и его можно выставить на суд уважаемой радиолюбительской аудитории сайта 2 Схемы.ру
Проект этого инвертора отлично подходит для УМЗЧ на 2x TDA7294, собственно для него он и разрабатывался. Преобразователь не сложен и должен быть успешно собран не слишком продвинутыми электронщиками. Для запуска не требуется даже осциллограф, но конечно это было бы полезно. Основа схемы источника питания – м/с TL494.

Он имеет защиту от короткого замыкания и должен обеспечить непрерывную мощность 250 Вт. Преобразователь также имеет дополнительное выходное напряжение +/- 9..12 В, которое будет использоваться для питания предусилителя, вентиляторов и т.д.

↑ Схема импульсного блока питания

Схема достаточно проста:

Она представляет из себя полумостовой инвертор с переключающим насыщаюшимся трансформатором. Конденсаторы С1 и С2 образуют делитель напряжения для одной половины полумоста, а так же сглаживают пульсации сетевого напряжения. Второй половиной полумоста являются транзисторы VT1 и VT2, управляемые переключающим трансформатором Т2. В диагональ моста включена первичная обмотка силового трансформатора Т1, который рассчитан так что он не насыщается во время работы.

Для надёжного запуска преобразователя, применён релаксационный генератор на транзисторе VT3, работающем в лавинном режиме. Кратко принцип его работы. Конденсатор С7 заряжается через резистор R3, при этом напряжение на коллекторе транзистора VT3 пилообразно растёт. При достижении этого напряжения примерно 50 – 70В, транзистор лавинообразно открывается, и конденсатор разряжается через транзистор VT3 на базу транзистора VT2 и обмотку III трансформатора Т2, тем самым запуская преобразователь.

↑ Печатная плата

Детали устройства, кроме силового трансформатора Т1 и мощных транзисторов VT1, VT2, смонтированы на печатной плате размерами 150×70 мм (см. рис. 2), изготовленной из фольгированного стеклотекстолита.

Рис. 2. Размещение деталей на печатной плате. Дорожки показаны «на просвет», smd элементы C9, C10, C23, C24, R9, R10 установлены со стороны печатных дорожек

«Силовые» дорожки на печатной плате целесообразно дополнительно пропаять сверху луженым монтажным проводом диаметром 0,5 — 0,7 мм.

↑ Конструкция и детали ИБП

Блок питания собран на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита. Чертёж платы не привожу, так как у каждого в заначке свои детали. Ограничусь лишь фото своей платы:

По моему, утюжить такую плату не имеет смысла, она слишком простая.

В качестве транзисторов VT1 и VT2 можно применить отечественные КТ812, КТ704, КТ838, КТ839, КТ840, то есть с граничным напряжением коллектор-эмиттер не менее 300В, из импортных знаю только J13007 и J13009, они применяются в компьютерных БП. Диоды можно заменить любыми другими мощными импульсными или с барьером шоттки, я, например, использовал импортные FR302.

Трансформатор Т1

намотан на двух сложенных кольцах К32×19Х7 из феррита марки М2000НМ, первичная обмотка намотана равномерно по всему кольцу и составляет 82 витка провода ПЭВ-1 0,56. Перед намоткой необходимо скруглить острые кромки колец алмазным надфилем или мелкой наждачной бумагой и обмотать слоем фторопластовой ленты, толщиной 0,2 мм, так же нужно обмотать и первичную обмотку. Обмотка III намотана сложенным вдвое проводом ПЭВ-1 0,56 и составляет 16+16 витков с отводом от середины. Обмотка II намотана двумя витками провода МГТФ 0,05, и расположена на свободном от обмотки III месте.

Трансформатор Т2

намотан на кольце К10×6Х5 из феррита той же марки. Все обмотки намотаны проводом МГТФ 0,05. Обмотка I состоит из десяти витков, а обмотки II и III намотаны одновременно в два провода и составляют шесть витков.

Стабилизатор или фильтр?

Удивительно, но чаще всего для питания усилителей мощности используются простые схемы с трансформатором, выпрямителем и сглаживающим конденсатором. Хотя в большинстве электронных устройств сегодня используются стабилизированные блоки питания. Причина этого заключается в том, что дешевле и проще спроектировать усилитель, который бы имел высокий коэффициент подавления пульсаций по цепям питания, чем сделать относительно мощный стабилизатор. Сегодня уровень подавления пульсаций типового усилителя составляет порядка 60дБ для частоты 100Hz , что практически соответствует параметрам стабилизатора напряжения. Использование в усилительных каскадах источников постоянного тока, дифференциальных каскадов, раздельных фильтров в цепях питания каскадов и других схемотехнических приёмов позволяет достичь и ещё больших значений.

Питание выходных каскадов чаще всего делается нестабилизированным. Благодаря наличию в них 100% отрицательной обратной связи, единичному коэффициенту усиления, наличию ОООС, предотвращается проникновение на выход фона и пульсаций питающего напряжения.

Выходной каскад усилителя по сути является регулятором напряжения (питания), пока не войдет в режим клиппирования (ограничения). Тогда пульсации питающего напряжения (частотой 100 Гц) модулируют выходной сигнал, что звучит просто ужасно:

Если для усилителей с однополярным питанием происходит модуляция только верхней полуволны сигнала, то у усилителей с двухполярным питанием модулируются обе полуволны сигнала. Большинству усилителей свойственен этот эффект при больших сигналах (мощностях), но он никак не отражается в технических характеристиках. В хорошо спроектированном усилителе эффекта клиппирования не должно происходить.

Чтобы проверить свой усилитель (точнее блок питания своего усилителя), вы можете провести эксперимент. Подайте на вход усилителя сигнал частотой чуть выше слышимой вами. В моём случае достаточно 15 кГц :(. Повышайте амплитуду входного сигнала, пока усилитель не войдёт в клиппинг. В этом случае вы услышите в динамиках гул (100Гц). По его уровню можно оценить качество блока питания усилителя.

Предупреждение! Обязательно перед этим экспериментом отключите твиттер вышей акустической системы иначе он может выйти из строя.

Стабилизированный источник питания позволяет избежать этого эффекта и приводит к снижению искажений при длительных перегрузках. Однако, с учётом нестабильности напряжения сети, потери мощности на самом стабилизаторе составляют примерно 20%.

Другой способ ослабить эффект клиппирования это питание каскадов через отдельные RC-фильтры, что тоже несколько снижает мощность.

В серийной технике такое редко применяется, так как помимо снижения мощности, увеличивается ещё и стоимость изделия. Кроме того, применение стабилизатора в усилителях класса АВ может приводить к возбуждению усилителя из-за резонанса петель обратной связи усилителя и стабилизатора.

Потери мощности можно существенно сократить, если использовать современные импульсные блоки питания. Тем не менее, здесь всплывают другие проблемы: низкая надёжность (количество элементов в таком блоке питания существенно больше), высокая стоимость (при единичном и мелко-серийном производстве), высокий уровень ВЧ-помех.

Типовая схема блока питания для усилителя с выходной мощностью 50Вт представлена на рисунке:

Выходное напряжение за счёт сглаживающих конденсаторов больше выходного напряжения трансформатора примерно в 1,4 раза.

↑ Наладка ИБП

ВНИМАНИЕ!!! ПЕРВИЧНЫЕ ЦЕПИ БП НАХОДЯТСЯ ПОД СЕТЕВЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ, ПОЭТОМУ НУЖНО СОБЛЮДАТЬ МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ ПРИ НАЛАДКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ.
Первый запуск блока желательно производить подключив его через токоограничивающий резистор, представляющий из себя лампу накаливания мощностью 200 Вт и напряжением 220 В. Как правило, правильно собранный БП в наладке не нуждается, исключение составляет лишь транзистор VT3. Проверить релаксатор можно подключив эмиттер транзистора к минусовому полюсу. После включения блока, на коллекторе транзистора должны наблюдаться пилообразные импульсы частотой около 5 Гц.

Резисторы

Резисторы все либо советские МЛТ либо зарубежные, достаточно низковаттные. Исключением идут резисторы R16 и R17, номиналом 10 кОм при мощности в 10 Вт, их делают из высокоомной проволоки, которую навивают на каркас.

На схеме

Диоды

Полевые транзисторы

Транзисторы могут работать в режиме усиления и ключевом режиме. Предпочтительнее в ключевом режиме применять полевые транзисторы. Полевой транзистор управляется напряжением. Если на исток (место, откуда потечет ток) и сток (куда потечет ток) подать постоянное напряжение, а на управляющий электрод (затвор) — высокочастотное напряжение, то с частотой подачи напряжения на затвор между истоком и стоком потечет ток. Это принцип ключевой схемы. Если использовать два ключа, открываемые затвором каждый в свое непересекающееся время, и подать снятое со стоков напряжение на импульсный трансформатор, то с выхода этого трансформатора можно снять переменное высокочастотное напряжение.

Полевые транзисторы можно брать любые, но устанавливать на радиаторы их нужно обязательно. Если мощность блока 800 Вт, то совсем не обязательно транзистор должен рассеивать 800 Вт. В ключевом режиме транзистор почти не греется, но лучше, чтобы рассеиваемая мощность каждого транзистора была около 100 Вт. Параметры, по которым следует выбирать полевые транзисторы: во-первых, напряжение затвор-исток (>14 В), а во-вторых, напряжение сток-исток (>750 В). При использовании двух транзисторов и трансформатора со средней точкой напряжение на сток — истоке каждого полевика будет равно 2,4*U, т.е. 2,4*310=744 В. Если ставить полевики на Uси=600 В, то разрывает их очень красиво с громким хлопком и взлетом всего кристалла в воздух. По схеме нужно использовать транзисторы КП707В2.

Выпрямитель

После трансформатора напряжение выпрямляется на высокочастотном мосту. Диоды достаточно мощные, поэтому нуждаются в радиаторах. Радиаторы можно сделать из дюралевого профиля так, чтобы прижимная пластина сверху полностью покрывала корпус диода. Один из выводов диода, обычно анод, выведен на луженый медный корпус, поэтому радиаторов нужно минимум 3, а лучше 4. При этом если делать 2 диодных моста, то количество радиаторов увеличивается вдвое, увеличивая объем блока.

Транзисторы

Микросхемы

Плата спроектирована так, что все детали находятся с одной стороны, а микросхемы – с другой, т.е. со стороны дорожек. Между ножками 7 и 14 каждой микросхемы, т.е. между ножками питания можно запаять бумажные конденсаторы на 0,01 мкФ – это улучшит ситуацию с пульсациями.