Нынче стали доступны готовые модули импульсных преобразователей напряжения на микросхеме LM2596.
Заявлены довольно высокие параметры, а стоимость готового модуля меньше стоимости входящих в него деталей. Прельщают малые размеры платы. Я решил приобрести несколько штук и испытать их. Надеюсь, мой опыт будет полезен не слишком опытным радиолюбителям.
↑ Это трудно назвать стабилизатором…
Можно подумать, что достаточно взять трансформатор, диодный мост, подключить к ним модуль, и перед нами стабилизатор с выходным напряжением 3…30 В и током до 2 А (кратковременно до 3 А).
Я так и сделал. Без нагрузки всё было хорошо. Трансформатор с двумя обмотками по 18 В и обещанным током до 1,5 А (провод на глаз был явно тонковат, так оно и оказалось). Мне нужен был стабилизатор +-18 В и я выставил нужное напряжение.
При нагрузке 12 Ом ток 1,5 А, вот осциллограмма, 5 В /клетка по вертикали.
Это трудно назвать стабилизатором.
Причина проста и понятна: конденсатор на плате 200 мкФ, он служит только для нормальной работы DC-DC преобразователя. При подаче на вход напряжения от лабораторного блока питания, всё было нормально. Выход очевиден: надо питать стабилизатор от источника с малыми пульсациями, т. е. добавить после моста ёмкость.
Стабилизированный блок питания для УМЗЧ
Стабилизированный двухполярный блок питания ±36 В для УМЗЧ класса AB. Отчёт с опозданием 20 лет. Рассчитано на подготовленного читателя. 1.
Исходная схема была опубликована в журнале “Радио” (1987, № 8, с. 31) “Стабилизатор напряжения питания УМЗЧ”:
В 2000 году при сборке очередного усилителя эта схема была рекомендована мне сотрудником со словами «должно работать». Бонусом мне были презентованы транзисторы КТ825 и КТ827 (по несколько штук тех и тех).
Изюминки схемы:
— мощные транзисторы «сидят» на радиаторах без изолирующих прокладок — балластные резисторы R4 и R5 подключены перекрёстно к выходам стабилизаторов, т.о. получается бОлее высокий коэффициент стабилизации — при включении стабилизатор «не подхватывает», если в каком-то плече есть к.з. или сопротивление нагрузки менее определённого значения
2.
Известные реализации этой схемы. Их немного (в интернете; реально конечно же больше). Вот одна из них:
Со слов автора, схема «неустойчиво запускается при большом токе нагрузки, а ток при замыкании выхода не нормирован и зависит от коэффициентов передачи применённых транзисторов, что иногда приводит к их выходу из строя. За прошедшее время появились новые электронные компоненты, стали доступны мощные полевые транзисторы, что и подвигло автора поэкспериментировать с компьютерной моделью предложенного В. Орешкиным устройства, которая была создана в симуляторе LTspice IV, и усовершенствовать его. Родившаяся в результате таких экспериментов схема блока питания изображена на рис. 2.» ©
Была ли эта схема проверена в живую или только в симуляторе — достоверно неизвестно.
3.
ТЗ для БП. Нагрузкой УМЗЧ тогда были доработанные S-90 (4 Ом).
О доработке S-90.
Анализ чужих схем привёл к неутешительным выводам: всё ф… народ научился держать паяльник, но совсем не понимает, что делает. Всего было доработано три пары АС S-90. Схема — своя, просчитана в симуляторе EWB512; никогда и нигде не выкладывалась в открытый доступ. Последняя пара АС тестировалась в прослушке на соответствующем оборудовании, что подтвердило правильность расчётов.
Хотелось иметь 2*100Вт на 4 Ом по каждому каналу. Напряжение на нагрузке (RMS) U = sqrt(100*4) = 20 (В) Ток нагрузки (RMS) I = 20 /4 = 5 (А) Ток нагрузки (пиковый) = 5*1,41 = 7,1 (А)
Поскольку упор был на мощность и надёжность, были задуманы следующие характеристики (ака ТЗ): — напряжение питания ±36 В — ток нагрузки 2,5А (долговременный по каждой полярности) — ток нагрузки 25А (кратковременный по каждой полярности)
4.
Блок питания собирался (или строился, фз как правильно сказать) из подручных материалов и б/у радиодеталей. Трансформаторы — польские UNITRA B-4247-147-4
По отрывочным сведениям из интернета, мощность трансформатора 80Вт. Основная вторичная обмотка — 2*17В с отводом от середины плюс пара дополнительных обмоток «на хвостах» по 1В. Т.е. можно использовать или 2*17В 2,5А или 2*18В 2,5А.
Слаботочная вторичка не проверялась.
Диодные мосты — по четыре диода Д232 на радиаторах.
Конденсаторы: KEA -II 66000мкФ*63В после каждого моста (2*33000мкФ).
Оригинальная схема не захотела нормально запускаться на транзисторах КТ825-КТ827: при первом же включении пробивался КТ827 (который npn). Из-за чего именно 827-й не суть важно, но запас дарёных КТ827 быстро иссяк, и на столе стояла нерабочая схема, с которой надо было что-то делать.
Выбор мощных транзисторов был скудный: 2N3055 в неограниченном количестве и КТ837В, которые применялись в выпускаемых приборах (на работе). Пришлось отказаться от составных КТ825-827 и собрать схему «из того, что было» ©.
Чтобы обеспечить пиковый ток 30А, пришлось запараллелить транзисторы: — 4*КТ837В (т.е. 4*7,5=30А) — 3*2N3055 (т.е. 3*10=30А) Естественно, с соответствующими эмиттерными резисторами.
Окончательная схема (симулятор использован только как рисовалка):
Кстати, в симуляторе схема НЕ работает. )))
Перечень элементов: — трансформатор UNITRA B-4247-147-4 — 2 шт. — диоды выпрямительные Д232 — 8 шт. — конденсаторы KEA-II 33000 мкФ * 63В — 4 шт. — конденсаторы C5, C6 — 2000 мкФ * 63В — 2 шт. — стабилитроны VD1, VD3 — Д815Г — 2 шт. VD2, VD4 — Д816Б — 2 шт. — транзисторы VT1 — 3 шт. в параллель 2N3055 с эмиттерными резисторами 0,1 Ом (можно увеличить до 0,2 Ом) VT2 — 4 шт в параллель КТ837В с эмиттерными резисторами 0,13 Ом (можно увеличить до 0,27 Ом) VT3 — 2SA1837 (изначально был установлен КТ816; замена VT3, VT4 — в 2005 году, остальное — без изменений) VT4 — 2SC4793 (изначально был установлен КТ817) R1, R2 — ПЭВ-7,5 270 Ом — 2 шт. R5, R6 — МЛТ-2 2,2 кОм — 2 шт.
Защита схемы (не показано на схеме): — пара предохранителей по 5 А (по одному на каждую полярность) — 3 А (перед первичной обмоткой)
БП в сборе:
Размеры: 440*362*80 мм. Масса 8,5 кг.
Верхняя крышка удерживается на 18 винтиках М3. Открутил, снял крышку. БП внутри:
Друг-электронщик, посмотрев на всё это, выдал: «Или трансформаторы маленькие, или конденсаторы большие.» ))
2N3055 на правом радиаторе:
КТ837В на левом радиаторе:
5.
Замеры. Работа на резистивную нагрузку 14 Ом (по 2,5А от каждой полярности) интереса не представляет: всё работает. Меня интересовала реакция БП на значительное увеличение тока потребления.
Условия эксперимента: — нагрузка БП — УМЗЧ 2*100Вт с подключенными резисторами 4 Ом к выходу каждого канала — испытательный сигнал — тональная посылка 200 мс 40 Гц от программного генератора (SpectraLab) на вход каждого канала УМЗЧ
Осциллограмма по выходу одного из каналов (делитель 1:10 )
±24 В амплитудное, более накрутить не получилось, т.к. все движки микшера уже на максимуме.
Далее задействовал двухканальный режим замера. «Закрытый» вход 2-го канала для линии питания +36 В (делитель 2-го канала 1:1 ):
«Закрытый» вход 2-го канала для линии питания минус 36 В (делитель 2-го канала 1:1 ):
Просадка по линиям питания около 0,5 В (помехи, которые наловил осциллограф не в счёт; есть у него такой недостаток).
Считаем: delta I = (24В/4Ом) * 2 = 12 (А)
Выходное сопротивление БП: Rвых. = delta Uвых. / delta I = 0,5В / 12А = 0,042 (Ом)
Имхо, очень неплохо.
6. Выводы:
— ТЗ выполнено — надёжность проверена временем (20 лет, полёт нормальный) — затраты на сборку — только личное время и минимум деталей
Взамен котика
Всем удачных запусков усилителей!
PS
Пожалуйста, не надо постить баян в виде картинки «Ничего не понял, но очень интересно».
Дополнительная информация
Видеоблогер Сергей Демехов, который на фото, уже не с нами.
↑ Борьба с пульсациями
Вот напряжение при нагрузке 1,5 А на входе модуля без дополнительного конденсатора.
↑ Увеличенная ёмкость на входе
С дополнительным конденсатором 4700 мкФ на входе, пульсации на выходе резко уменьшились, но при 1,5 А были ещё заметны. При уменьшении выходного напряжения до 16 В, идеальная прямая линия (2 В /клетка).
Падение напряжения на модуле DC-DC должно быть минимум 2…2,5 В.
Теперь можно смотреть пульсации на выходе импульсного преобразователя.
Видны небольшие пульсации с частотой 100 Гц промодулированные частотой несколько десятков кГц.
↑ LC-фильтр на выходе
Datasheet на LM2596 рекомендует дополнительный LC фильтр на выходе. Так мы и сделаем. В качестве сердечника я использовал цилиндрический сердечник от неисправного БП компьютера и намотал обмотку в два слоя проводом 0,8 мм.
На плате красным цветом показано место для установки перемычки – общего провода двух каналов, стрелкой – место для припаивания общего провода, если не использовать клеммы.
Посмотрим, что стало с ВЧ-пульсациями.
Их больше нет. Остались небольшие пульсации с частотой 100 Гц. Неидеально, но неплохо.
Замечу, что при увеличении выходного напряжения, дроссель в модуле начинает дребезжать и на выходе резко растёт ВЧ-помеха, стоит напряжение чуть уменьшить (всё это при нагрузке 12 Ом), помехи и шум полностью пропадают.
Обратный ток акустической системы
Как известно, акустическая система является реактивной нагрузкой. А значит, она может возвращать ток усилителю. Этот ток, протекая по проводникам, создаёт разность потенциалов, что может привести к появлению положительной обратной связи и как следствие нестабильности усилителя.
Для избежания этого, земляную клемму громкоговорителя следует подключать к общему выводу конденсаторов фильтра питания. Часто вывод громкоговорителя подключают к общему выводу микросхемы, как показано на рисунке:
Такое подключение замыкает отрицательную полуволну сигнала в локальном контуре, исключая фильтрующий конденсатор, который мог бы снизить излучаемые помехи и повысить стабильность системы.
На рисунке показано, как ток утечки на землю одной полуволны сигнала может навести неприятные помехи и искажения, если общий провод громкоговорителя подключен к выводу выходного каскада микросхемы:
Аналогично, если на плате усилителя в цепях питания есть байпасные конденсаторы (а они обычно есть) довольно большой ёмкости в несколько сотен микрофарад, то импульсы зарядного тока также создадут на общем проводнике разность потенциалов. Поэтому, повторимся ещё раз, наилучшая точка подключения общего провода акустической системы — это общий вывод конденсаторов фильтра питания.
↑ Итоговая схема включения модулей LM2596
Схема проста и очевидна.
При длительной нагрузке током 1 А детали заметно нагреваются: диодный мост, микросхема, дроссель модуля, больше всего дроссель (дополнительные дроссели холодные). Нагрев на ощупь 50 градусов.
При работе от лабораторного блока питания, нагрев при токах 1,5 и 2 А терпимый в течение нескольких минут. Для длительной работы с большими токами желателен теплоотвод на микросхему и дроссель большего размера.
Пример монтажа моно-усилителя
Обычно «звезда» в усилителе с однополярным питанием бывает трёхлучевой: сигнальная земля, земля конденсаторов фильтра питания и «грязная» земля. Пример представлен на рисунке:
увеличение по клику
Здесь под усилителем следует понимать как интегральное исполнение, так и усилители на дискретных элементах.
Как видно, к одному лучу подключена сигнальная земля — здесь токи очень малы, поэтому подключать все элементы отдельными проводниками нет необходимости. Ко второму лучу отдельными проводниками подключены выводы сильноточных цепей: выходного каскада, цепи Цобеля, общий вывод акустической системы и байпасных конденсаторов. К третьему лучу подключен общий вывод фильтрующего конденсатора блока питания.
Правильное подключение общего провода к выводам микросхем показан на рисунке:
Вариант «с» — это неправильный вариант. Из-за сопротивления дорожки большой ток поднимет потенциал слаботочного общего провода относительно вывода микросхемы, что приведет к росту искажений.
Продолжение следует…
Статья подготовлена по материалам журнала «Практическая электроника каждый день»
Автор: Джек Розман
Вольный перевод: Главный редактор «РадиоГазеты»
↑ Монтаж
Для монтажа модуля я применил самодельные «стойки» из луженого провода диаметром 1 мм.
Это обеспечило удобный монтаж и охлаждение модулей. Стойки можно сильно нагревать при пайке, они не сместятся в отличие от простых штырей. Эта же конструкция удобна, если надо припаять к плате внешние провода – хорошая жесткость и контакт. Плата позволяет легко заменить при необходимости модуль DC-DC.
Общий вид платы с дросселями от половинок какого-то ферритового сердечника (индуктивность не критична).
Несмотря на крошечные размеры модуля DC-DC, общие размеры платы получились соизмеримыми с платой аналогового стабилизатора.
Схемотехника
Корпус использовал от нерабочего блока питания компьютера. На штатном месте остался выключатель и разъём для сетевого шнура. Трансформатор у меня такой. Информацию про него в интернете не нашёл, и поэтому сам искал первичную, вторичную обмотку.
Напомню: при прозвонке неизвестного трансформатора нужно подключать его к сети через лампочку!
В моём случае выяснилось что он имеет 4 обмотки по 10 вольт. Соединил обмотки последовательно — получилось 2 по 20 вольт или 1 на 40 вольт. Диодных мостов у меня два: один на +/-28 вольт и второй +/-14, сделал для проверки схем на операцинниках (фнч, темброблоки и прочие).
Для проверки стабилитронов была выбрана самая простая хорошо рабочая схемка, которая есть на другом сайте. Изменил только номиналы резисторов R1 и R2: R1 — 15k, R2 — 10k. И соответственно питается она у меня от 56 вольт. Разместил на небольшой кусочек текстолита. Платку изготовил путем прорезания дорожек. Кнопку взял советскую, так как её проще прикрепить к передней панели. Контакты для подсоединения стабилитронов вывел на переднюю панель. Вольтметр не стал размещать на панели, вывел 2 клеммы для подсоединения мультиметра. Диодные мосты с конденсаторами разместил также на кусочках текстолита: можно было конечно разместить на одну плату, просто было несколько «обрезков», вот на них и разместил. Выходы питания, для подсоединения тестируемых устройств, реализовал на зажимах для проводки. В общем получилась такая схематика.
↑ Выводы
1. Необходим трансформатор с сильноточной вторичной обмоткой или с запасом по напряжению, в этом случае ток нагрузки может превышать ток обмотки трансформатора.
2. При токах порядка 2 А и более желателен небольшой теплоотвод на диодный мост и микросхему 2596.
3. Конденсатор питания желателен большой ёмкости, это благоприятно сказывается на работе стабилизатора. Даже крупная и качественная ёмкость немного нагревается, следовательно желательно малое ESR.
4. Для подавления пульсаций с частотой преобразования, LC фильтр на выходе необходим.
5. Данный стабилизатор имеет явное преимущество перед обычным компенсационным в том, что может работать в широком диапазоне выходных напряжений, при малых напряжениях можно получить на выходе ток больше, чем может обеспечить трансформатор.
6. Модули позволяют сделать блок питания с неплохими параметрами просто и быстро, обойдя подводные камни изготовления плат для импульсных устройств, то есть хороши для начинающих радиолюбителей.
Развязка
При использовании двух фильтрующих конденсаторов при двухполярном питании надо следить, чтобы две полуволны сигнала суммировались в одной точке, как показано на рисунке:
Часто применение одного конденсатора, включенного между плюсом и минусом питания, позволяет решить эту проблему. Этот метод хорошо работает с операционными усилителями типа 5532, и для усилителей мощности типа LM3886.
Когда питание драйверного каскада и выходного каскада подключено раздельными проводами, это может вызвать некоторую нестабильность усилителя на высоких частотах. Проблема решается подключением керамического конденсатора небольшой ёмкости между выводами питания микросхемы:
увеличение по клику
Если ёмкость байпасных (блокировочных) конденсаторов больше 100мкФ, их общий провод должен подключаться к «грязной» земле, так как большие зарядные токи могут создавать ощутимые помехи, если конденсаторы будут подключены к сигнальной земле.
