Проект Mirage. Усилитель на TDA7294 с импульсным источником питания на IR2153

Для получения полноценного усилителя мощности НЧ требуется хороший источник питания, приведена схема простого блока питания для УМЗЧ. От параметров источника питания качество звучания зависит не чуть не меньше, чем от самого усилителя и относится халатно к его изготовлению не следует.

Описаний методик расчетов типовых трансформаторов более чем достаточно. Поэтому здесь предлагается описание импульсного источника питания, который может использоваться как с усилителями на базе TDA7293 (TDA7294), так и с любым другим усилителем мощности ЗЧ как на микросхемах,так и на транзисторах.

Основой данного блока питания (БП) служит полумостовой драйвер с внутренним генератором IR2153 (IR2155), предназначенный для управления транзисторами технологий MOSFET и IGBT в импульсных источниках питания.

↑ Не все корпуса одинаково полезны

Итак, начнем! Сделал я два усилителя на всеми любимой микросхеме TDA7294 по схеме AudioKillera и сделал для них очень неудобный корпус из металла и обклеил самоклейкой под дерево — получилось не очень. Было трудно лазить внутрь, к тому же блок питания был построен на трансформаторе ТС-180 плюс конденсаторы 25000мкф*50В. Но однажды, разбирая хлам у себя в комнате, наткнулся на сие чудо

Это — магазин сопротивлений, черная коробочка из бакелита с 6ю галетными переключателями. Живу я в общежитии, студент Таганрогского Технологического Института (Радик) ЮФУ. Видимо эту коробочку предыдущие хозяева комнаты спёрли нашли в какой-нибудь лаборатории метрологии, да и забыли здесь… Верхнюю крышку с переключателями — долой и у меня в руках почти готовый корпус для усилителя! Вот только как поместить в такую коробочку ТС180, да и с радиаторами был напряг…

А если применить импульсник? ИИП без проблем туда впишется. Я решил поместить его в нижней части коробки, а усилители выставить радиаторами наружу, то есть вверх.

Принципиальная схема

Функциональная схема микросхем приведена на рисунке 1, зависимость выходной частоты от номиналов RC-задающей цепочки на рисунке 2.

Микросхема обеспечивает паузу между импульсами «верхнего» и «нижнего» ключей в течении 10% от длительности импульса, что позволяет не опасаться «сквозных» токов в силовой части преобразователя.

Рис. 1. Функциональная схема микросхем IR2153, IR2155.

Практическая реализация БП приведена на рисунке 3. Используя данную схему можно изготовить БП мощностью от 100 до 500Вт, необходимо лишь пропорционально увеличивать емкость конденсатора фильтра первичного питания С2 и использовать соответствующий силовой трансформатор ТV2.

Рис. 2. Графики зависимости выходной частоты от номиналов RC-задающей цепочки для микросхемы IR2153.

Емкость конденсатора С2 выбирается из расчета 1… 1,5 мкФ на 1 Вт выходной мощности, например при изготовлении БП на 150 Вт следует использовать конденсатор на 150…220 мкФ.

Рис. 3. Принципиальная схема импульсного сетевого блока питания для усилителей НЧ на 100-500Вт.

Диодный мост первичного питания VD можно использовать в соответствии с установленным конденсатором фильтра первичного питания, при емкостях до 330 мкФ можно использовать диодные мосты на 4…6А, например RS407 или RS607.

При емкости конденсаторов 470… 680 мкФ нужны уже более мощные диодные мосты, например RS807, RS1007.

↑ Импульсник

Мои мытарства с ИИП подробно описаны в этой теме форума //forum.datagor.ru/index.php?showtopic=5627&st=42 Вот он родной:
Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.

IR2153 питается от средней точки делителя, управляет полевиками, а они подают на первичку импульсы частотой несколько десятков килогерц. Схема заработала сразу («Ну да, уж так прям и сразу!» — может сказать кто-нибудь читавший ту ветку форума, но оказалось что всё было правильно, виноваты мои кривые руки).

Транс рассчитывал по совету автора схемы в программе Transformer-2. Всё было точно по расчету — на холостом ходу, а когда подключил усилители напруга упала. Потом последовала череда экспериментов, с частотозадающими элементами C9 и P1 и вторичкой трансформатора, в итоге нирвана была достигнута на ± 30в выходного напряжения.

Трансформатор

— 3 склеенных кольца

Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.

Как я понял, задающими элементами нужно правильно подобрать частоту, так, чтобы сердечник не входил в насыщение, и чтобы полевики не уходили в саморазогрев. Кстати осциллографа у меня не было, если он у вас есть это всё немного упрощает. Половину деталей на ИИП пошло от старого БП для компа, оттуда же радиатор.

Настоящей проблемой стало раздобыть полумост с общим анодом, нигде не нашёл, так что не мудрствуя лукаво нагородил порнографию из 2-х диодов Шоттки в корпусах ТО-220. Место на печатной плате под стабилизаторы для сервисных цепей усилителя не использовалось.

Перед включением этого, да и любого ИИП, необходимо всё проверить, и ещё раз проверить, первое включение — через лампу накаливания 100-150вт, если что не так она просигналит, а полевики возможно не «отправятся покорять околоземную орбиту» ©AlexD. На звуке применение ИИП не отразилось, зато весь усилитель стал весить меньше чем один ТС180.

Импульсный источник питания для TDA7294 на IR2153

Приспичило как-то мне собрать усилитель на TDA7294. Причем собрать нужно было как можно скорее. День рождения был на носу, и планировалось отметить его на открытом воздухе, под звуки, испускаемые моими раритетными колонками Радиотехника S30.

Усилитель собран был незамедлительно. Кому интересно, читайте статью «Усилитель НЧ на TDA7294«. Пришло время сборки импульсного источника питания. Крайне важны были малые габариты источника.

Была выбрана наипростейшая схема импульсного источника питания на ir2153.

В интернете полно аналогичных схем чуть-чуть отличающихся друг от друга. Схемы не все рабочие, что в сети. Это я тоже не сразу понял, поэтому, немного намучился. Приведенная мною схема полностью рабочая. Соблюдая все номиналы данной схемы, и используя мою печатную плату, сэкономите время на исправлении своих и чужих ошибок.

Более сложный аналог данной схемы описан в статье «Импульсный блок питания для усилителя НЧ на ir2153 мощностью 300Вт«. Эту схему отличает наличие блока защиты от перегрузок и плавный запуск.

Простота схемы ИИП для TDA7294 на ir2153 позволяет новичкам с легкостью повторить её. Еще один плюс, это габариты. Плата импульсного источника питания имеет размеры 80мм в ширину и 80мм в высоту.

Принцип работы схемы. Как работает блок питания на ir2153 описано в статье “Импульсный блок питания для усилителя НЧ на ir2153 мощностью 300Вт”.

На принципиальной схеме не нарисован варистор, но в печатной плате он есть. В принципе его можно не ставить, так как роли почти не играет, он служит защитой от скачков напряжения в сети (никаких перемычек не нужно впаивать, просто не ставим варистор и все).

Термистор NTC при первом включении ограничивает скачок тока, при зарядке сетевых и выходных электролитов, через некоторое время он нагревается и его сопротивление уменьшается. Простая, но не совсем надежная защита. При повторном включении, когда термистор нагретый, защита уже не эффективна. Но как показала практика, блок питания надежен и не выходит из строя, как пишут некоторые люди в комментариях.

Времязадающие элементы R2 и C3 выбраны таким образом, чтобы драйвер обеспечивал генерацию импульсов с частотой около 70 кГц. Программа для расчета R2 и C3 находится под статьей, можете рассчитать под нужную вам частоту.

Элементы.

Список компонентов в PDF формате

Трансформатор. Самым трудным этапом сборки является расчёт и напитка импульсного трансформатора. Подробно рассказывать про технологию расчёта и намотки транса я не буду, так как уже рассказывал ранее, читайте статью ”Расчет и намотка импульсного трансформатора”. Также рекомендую прочесть статью «Как перемотать трансформатор из блока питания ПК«

На этом этапе поделюсь немного опытом. В статье, ссылка на которую расположена чуть выше, описан метод намотки вторички с отводом от середины, сдвоенным проводом (если по расчетам вторичка имеет одну жилу) а потом соединении их в среднюю точку. Это дает синхронность, то есть, в обоих плечах будет одинаковое напряжение. Вторичная обмотка трансформатора для этого устройства должна иметь две жилы диаметром 0,85 мм, чтобы обеспечить нужную нам мощность (по моим расчетам, у вас может иметь и одну жилу).

Поэтому, если мотать методом из статьи выше, то пришлось бы мотать сразу 4-мя проводами, это крайне неудобно.

Я решил мотать двумя проводами, то есть, сначала мотал одно плечо двумя проводами, потом изоляция и далее второе плечо двумя проводами.

Таким способом советуют не мотать, из-за не синхронной намотки будет разное напряжение. У меня же получилось совсем одинаковое напряжение, и мотать мне было легче, бублик маленький.

Ниже я приведу некоторые намоточные данные.

Диаметр провода и первичной и вторичной обмотки 0,85 мм. Магнитопровод склеен из двух колец размером 28мм*16мм*9мм и магнитной проницаемостью 2000НМ.

Первичная обмотка содержит 39 витков, хотя по расчетам было сорок с копейками, ноне влезли они. Вследствие чего, пришлось уменьшить количество витков вторичной обмотки, относительно расчетов.

Итак, вторичная обмотка содержит 8 + 8 витков. Это значит 8 витков, далее отвод (это будет средняя точка), изоляция, потом еще 8 витков.

Вторичная обмотка мотается двумя жилами диаметром 0,85 мм.

(мотаем 8 витков вторички)

(кладем изоляцию)

(скручиваем концы)

(соединяем конец 8-го витка с проводом, чтобы сделать отвод, и мотаем еще 8 витков в ту же сторону)

Изоляцию берем по вкусу (тряпочную изоленту, киперную или ФУМ ленту, лавсановую пленку или скотч). Я использую лавсановую пленку из обрезков витой пары.

Все обмотки должны мотаться в одном выбранном вами направлении.

Охлаждение.

Радиатором для ключей у меня является передняя панелька усилителя. Исполнена она из дюрали, высота 47мм, ширина 92мм, толщина 7мм. При испытаниях и дальнейшей эксплуатации одного канала TDA7294, ключи теплые, не горячие.

Ключи установлены на радиатор через силиконовые прокладки и диэлектрические втулки.

Шоттки без радиаторов. Греются не сильно, опять же при эксплуатации одного канала, трансформатор не горячий.

Сборка данной схемы на трансформаторе от блока питания персонального компьютера описана в статье «Самый простой двухполярный ИИП«.

Список компонентов для ИИП на IR2153

Печатная плата ИИП на IR2153

Даташит на IR2153

Калькулятор расчета времязадающих элементов IR2153

↑ Дизайн

Когда ИИП был добит, пришла очередь дизайна. Вообще-то компоновку я уже обдумал, так что мне осталось решить ЧТО же я запечатлею на лицевой (верхней) панели усилителя. Я давал послушать свой mp3 плеер соседу, он мне его вернул с одной песней, с которой и началось моё увлечение «trance» и «drum n bass» музыкой и прочим «электро». Песня называлась «Mirage», исполнитель — Armin Van Buuren. Это произведение подвигло меня вот на такой дизайн: верхняя панель из одностороннего стеклотекстолита, шлифованная медь и черный. Рисунок делался по технологии предложенной AlexD, большое ему спасибо.

Человечек — (сам Armin, видимо), держит в вытянутой руке наушники — очень выразительно по-моему. Прорезь для вентиляции, в дальнейшем закрою это отверстие металлической сеткой, вентилятор гонит воздух вниз под корпус, а через него воздух засасывается. Вентилятор запитан от стаба на LM317 напряжением 7В. При работе усилителя радиаторы греются умеренно. Включение усилителя — тумблер МТ-1, разъемы выход — прищепки, вход — тюльпан, микросхемы изолированы от радиаторов, радиаторы заземлены, помех не обнаружено.
Хочу поблагодарить камрадов:

• Игоря (
AudioKiller
) за его исчерпывающие статьи по микросхемам TDA729х; • Алексея (
AlexD
) — как популяризатора ИИП для аудио, автора идеи такой технологии изготовления лицевой панели усилителя, автора многих интересных статей; • всех кто помогал мне при наладке ИИП, собственно автора его схемы — Сергея Кузнецова (
TDA
); • ну и, конечно, администрацию
Datagor.ru
.

О трансформаторе

Об изготовлении трансформатора можно разговаривать долго, однако вникать в глубокую теорию расчетов слишком долго и далеко не каждому нужно.

Поэтому расчеты по книге Эраносяна для самых ходовых типоразмеров ферритовых колец М2000НМ1 просто сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Габаритная мощность трансформатора при разной частоте преобразования, количество витков для первичной обмотки.

Как видно из таблицы габаритная мощность трансформатора зависит не только от габаритов сердечника, но и от частоты преобразования.

Изготавливать трансформатор для частот ниже 40 кГц не очень логично — гармониками можно создать не преодолимые помехи в звуковом диапазоне. Изготовление трансформаторов на частоты выше 100 кГц уже непозволительно по причине саморазогрева феррита М2000НМ1 вихревыми токами.

В таблице приведены данные по первичным обмоткам, из которых легко вычисляются отношения витков/вольт и дальше уже вычислить, сколько витков необходимо для того или иного выходного напряжения труда не составит.

XLS-таблица, для помощи в расчетах (изменять только желтые ячейки) — .

Следует обратить внимание на то, что подводимое к первичной обмотке напряжение составляет 155 В — сетевое напряжение 220 В после выпрямителя и слаживающего фильтра будет составлять 310 В постоянного напряжения, схема полу мостовая, следовательно к первичной обмотке будет прилагаться половина этого значения.

Так же следует помнить, что форма выходного напряжения будет прямоугольной, поэтому после выпрямителя и слаживающего фильтра величина напряжения от расчетной отличаться будет не значительно.

Таблица приведена до мощностей 2400 Вт (на будущее, для более мощных вариантов схем блока питания).

Диаметры необходимых проводов рассчитываются из отношения 5 А на 1 кв мм сечения провода. Причем лучше использовать несколько проводов меньшего диаметра, чем один, более толстый провод.

Это требование относится ко всем преобразователям напряжения, с частотой преобразования выше 10 кГц, так как начинает уже сказываться скин-эффект — потери внутри проводника, поскольку на высоких частотах ток течет уже не по всему сечению, а по поверхности проводника и чем выше частота, тем сильнее сказываются потери в толстых проводниках.

Поэтому не рекомендуется использовать в преобразователях с частотой преобразования выше 30 кГц проводники толще 1 мм. Следует так же обратить внимание на фазировку обмоток — неправильно сфазированные обмотки могут либо вывести силовые ключи из строя, либо снизить КПД преобразователя.