8-900-374-94-44
Изготовление хорошего источника питания для усилителя мощности (УНЧ) или другого электронного устройства — это очень ответственная задача. От того, каким будет источник питания зависит качество и стабильность работы всего устройства.
В этой публикации расскажу о изготовлении не сложного трансформаторного блока питания для моего самодельного усилителя мощности низкой частоты «Phoenix P-400».
Такой, не сложный блок питания можно использовать для питания различных схем усилителей мощности низкой частоты.
Содержание:
Для будущего блока питания (БП) к усилителю у меня уже был в наличии тороидальный сердечник с намотанной первичной обмоткой на ~220В, поэтому задача выбора «импульсный БП или на основе сетевого трансформатора» не стояла.
У импульсных источников питания небольшие габариты и вес, большая мощность на выходе и высокий КПД. Источник питания на основе сетевого трансформатора — имеет большой вес, прост в изготовлении и наладке, а также не приходится иметь дело с опасными напряжениями при наладке схемы, что особенно важно для таких начинающих как я.
Тороидальные трансформаторы, в сравнении с трансформаторами на броневых сердечниках из Ш-образных пластин, имеют несколько преимуществ:
Мне оставалось только рассчитать напряжении и количества витков для вторичных обмоток с последующей их намоткой.
Первичная обмотка уже содержала примерно 800 витков проводом ПЭЛШО 0,8мм, она была залита парафином и заизолирована слоем тонкой ленты из фторопласта.
Измерив приблизительные размеры железа трансформатора можно выполнить расчет его габаритной мощности, таким образом можно прикинуть подходит ли сердечник для получения нужной мощности или нет.
Рис. 1. Размеры железного сердечника для тороидального трансформатора.
Если вам нужно рассчитать тороидальный трансформатор, то вот небольшая подборка из статей: Скачать (1Мб).
Габаритная мощность используемого мною трансформатора оказалась явно меньшей чем я ожидал — где-то 250 Ватт.
Подбор напряжений для вторичных обмотокЗная необходимое напряжение на выходе выпрямителя после электролитических конденсаторов, можно приблизительно рассчитать необходимое напряжение на выходе вторичной обмотки трансформатора.
Числовое значение постоянного напряжения после диодного моста и сглаживающих конденсаторов возрастет примерно в 1,3..1,4 раза, по сравнению с переменным напряжением, подаваемым на вход такого выпрямителя.
В моем случае, для питания УМЗЧ нужно двуполярное постоянное напряжение — по 35 Вольт на каждом плече. Соответственно, на каждой вторичной обмотке должно присутствовать переменное напряжение: 35 Вольт / 1,4 = ~25 Вольт.
По такому же принципу я выполнил приблизительный расчет значений напряжения для других вторичных обмоток трансформатора.
Расчет количества витков и намоткаДля питания остальных электронных блоков усилителя было решено намотать несколько отдельных вторичных обмоток. Для намотки катушек медным эмалированным проводом был изготовлен деревянный челнок. Также его можно изготовить из стеклотекстолита или пластмассы.
Рис. 2. Челнок для намотки тороидального трансформатора.
Намотка выполнялась медным эмалированным проводом, который был в наличии:
Число витков для вторичных обмоток я подбирал экспериментальным способом, поскольку мне не было известно точное количество витков первичной обмотки.
Суть метода:
Например: нам нужно 25В, а из 20-ти витков получилось 5В, 25В/5В=5 — нужно 5 раз намотать по 20 витков, то есть 100 витков.
Расчет длины необходимого провода был выполнен так: намотал 20 витков провода, сделал на нем метку маркером, отмотал и измерил его длину. Разделил нужное количество витков на 20, полученное значение умножил на длину 20-ти витков провода — получил приблизительно необходимую длину провода для намотки. Добавив 1-2 метра запаса к общей длине можно наматывать провод на челнок и смело отрезать.
Например: нужно 100 витков провода, длина 20-ти намотанных витков получилась 1,3 метра, узнаем сколько раз по 1,3 метра нужно намотать для получения 100 витков — 100/20=5, узнаем общую длину провода (5 кусков по 1,3м) — 1,3*5=6,5м. Добавляем для запаса 1,5м и получаем длину — 8м.
Для каждой последующей обмотки измерение стоит повторить, поскольку с каждой новой обмоткой необходимая на один виток длина провода будет увеличиваться.
Для намотки каждой пары обмоток по 25 Вольт на челнок были параллельно уложены сразу два провода (для 2х обмоток). После намотки, конец первой обмотки соединен с началом второй — получились две вторичные обмотки для двуполярного выпрямителя с соединением посередине.
После намотки каждой из пар вторичных обмоток для питания схем УМЗЧ, они были заизолированы тонкой фторопластовой лентой.
Таким образом были намотаны 6 вторичных обмоток: четыре для питания УМЗЧ и еще две для блоков питания остальной электроники.
Схема выпрямителей и стабилизаторов напряженияНиже приведена принципиальная схема блока питания для моего самодельного усилителя мощности.
Рис. 2. Принципиальная схема источника питания для самодельного усилителя мощности НЧ.
Для питания схем усилителей мощности НЧ используются два двуполярных выпрямителя — А1.1и А1.2. Остальные электронные блоки усилителя будут питаться от стабилизаторов напряжения А2.1 и А2.2.
Резисторы R1 и R2 нужны для разрядки электролитических конденсаторов, в момент когда линии питания отключены от схем усилителей мощности.
В моем УМЗЧ 4 канала усиления, их можно включать и выключать попарно с помощью выключателей, которые коммутируют линии питания платок УМЗЧ с помощью электромагнитных реле.
Резисторы R1 и R2 можно исключить из схемы если блок питания будет постоянно подключен к платам УМЗЧ, в таком случае электролитические емкости будут разряжаться через схему УМЗЧ.
Диоды КД213 рассчитаны на максимальный прямой ток 10А, в моем случае этого достаточно. Диодный мост D5 рассчитан на ток не менее 2-3А,собрал его из 4х диодов. С5 и С6 — емкости, каждая из которых состоит из двух конденсаторов по 10 000 мкФ на 63В.
Рис. 3. Принципиальные схемы стабилизаторов постоянного напряжения на микросхемах L7805, L7812, LM317.
Расшифровка названий на схеме:
При использовании микросхем LM317, 7805 и 7812 выходное напряжение стабилизатора можно рассчитать по упрощенной формуле:
Uвых = Vxx * ( 1 + R2/R1 )
Vxx для микросхем имеет следующие значения:
Пример расчета для LM317: R1=240R, R2=1200R, Uвых = 1,25*(1+1200/240) = 7,5V.
Вот как планировалось использовать напряжения от блока питания:
Микросхемы и транзисторы стабилизаторов напряжения были закреплены на небольших радиаторах, которые я извлек из нерабочих компьютерных блоков питания. Корпуса крепились к радиаторам через изолирующие прокладки.
Печатная плата была изготовлена из двух частей, каждая из которых содержит двуполярный выпрямитель для схемы УМЗЧ и нужный набор стабилизаторов напряжения.
Рис. 4. Одна половинка платы источника питания.
Рис. 5. Другая половинка платы источника питания.
Рис. 6. Готовые компоненты блока питания для самодельного усилителя мощности.
Позже, при отладке я пришел к выводу что гораздо удобнее было бы изготовить стабилизаторы напряжений на отдельных платах. Тем не менее, вариант «все на одной плате» тоже не плох и по своему удобен.
Также выпрямитель для УМЗЧ (схема на рисунке 2) можно собрать навесным монтажом, а схемы стабилизаторов (рисунок 3) в нужном количестве — на отдельных печатных платах.
Соединение электронных компонентов выпрямителя показано на рисунке 7.
Рис. 7. Схема соединений для сборки двуполярного выпрямителя -36В+36В с использованием навесного монтажа.
Соединения нужно выполнять используя толстые изолированные медные проводники.
Диодный мост с конденсаторами на 1000pF можно разместить на радиаторе отдельно. Монтаж мощных диодов КД213 (таблетки) на один общий радиатор нужно выполнять через изоляционные термо-прокладки (терморезина или слюда), поскольку один из выводов диода имеет контакт с его металлической подкладкой!
Для схемы фильтрации (электролитические конденсаторы по 10000мкФ, резисторы и керамические конденсаторы 0,1-0,33мкФ) можно на скорую руку собрать небольшую панель — печатную плату (рисунок 8).
Рис. 8. Пример панели с прорезями из стеклотекстолита для монтажа сглаживающих фильтров выпрямителя.
Для изготовления такой панели понадобится прямоугольный кусочек стеклотекстолита. С помощью самодельного резака (рисунок 9), изготовленного из ножовочного полотна по металлу, прорезаем медную фольгу вдоль по всей длине, потом одну из получившихся частей разрезаем перпендикулярно пополам.
Рис. 9. Самодельный резак из ножовочного полотна, изготовленный на точильном станке.
После этого намечаем и сверлим отверстия для деталей и крепления, зачищаем тоненькой наждачной бумагой медную поверхность и лудим ее с помощью флюса и припоя. Впаиваем детали и подключаем к схеме.
Вот такой, не сложный блок питания был изготовлен для будущего самодельного усилителя мощности звуковой частоты. Останется дополнить его схемой плавного включения (Soft start) и ждущего режима.
UPD: Юрий Глушнев прислал печатную плату для сборки двух стабилизаторов с напряжениями +22В и +12В. На ней собраны две схемы STAB+POW (рис. 3) на микросхемах LM317, 7812 и транзисторах TIP42.
Рис. 10. Печатная плата стабилизаторов напряжения на +22В и +12В.
Скачать — (63 КБ).
Еще одна печатная плата, разработанная под схему регулируемого стабилизатора напряжения STAB+REG на основе LM317:
Рис. 11. Печатная плата для регулируемого стабилизатора напряжения на основе микросхемы LM317.
Скачать — (7 КБ).
Начало цикла статей: Усилитель мощности ЗЧ своими руками ( Phoenix-P400 )
Большая часть низковольтных потребителей (радиоэлектронная аппаратура и т.д.) для питания требует напряжения одной полярности. Наряду с этим существуют схемы, для которых необходимо как положительное (относительно общего провода), так и отрицательное напряжение. Источники питания для таких узлов называются двухполярными, они необходимы для запитки схем на операционных усилителях, двухтактных каскадов аудиоусилителей и т.п.
Проще всего организовать двухполярное питание с помощью резистивного делителя. На вход подается напряжение, равное удвоенному уровню каждого плеча. Общая точка соединения двух резисторов служит общим проводом.
Организация двухполярного питания с помощью резистивного делителя.Напряжение плеч распределяется пропорционально сопротивлениям каждого резистора.
При R1=R2 выход будет симметричным – U1=U2. Недостатком такого делителя является зависимость распределения напряжений от нагрузки – потребитель шунтирует резисторы, и если шунтирование будет различным, то и выходное напряжение также станет несимметричным. Чтобы уменьшить этот эффект, надо, чтобы Rнагрузки было намного больше резистора соответствующего плеча. Соответственно, при росте мощности потребителя придется уменьшать значение каждого сопротивления делителя, что приведет к росту потребляемой мощности по цепи R1R2, и уже скоро она достигнет неприемлемых величин.
Этот недостаток значительно сглаживается, если вместо резисторов применить конденсаторы. Напряжение распределяется пропорционально емкостям, при С 1=С2 на выходе U1=U2.
Емкостный делитель.Емкость зависит от нагрузки, поэтому в этой схеме применяют оксидные (раньше их называли электролитическими) конденсаторы. В теории через цепь С1С2 ток не течет, мощность не потребляется. На практике оксидные конденсаторы имеют заметный ток утечки.
Он не настолько велик, чтобы создать проблемы с потребляемой мощностью, но он для каждого конденсатора индивидуален, и создает изначальную несимметрию плеч. Этот эффект усиливает большой допустимый разброс емкостей электролитов. Поэтому параллельно конденсаторам полезно поставить по резистору одинакового номинала (в несколько сотен ом или несколько килоом). На потребление мощности они почти не повлияют, а распределение уровней выровняют.
На практике можно использовать подобную схему совместно с понижающим трансформатором и мостовым двухполупериодным выпрямителем. Конденсаторы служат одновременно сглаживающим фильтром и делителем. Выравнивающие делители не обязательны, если у трансформатора есть отвод от середины вторичной обмотки.
Источник двухполярного питания с трансформатором со средней точкой.На новый уровень независимость выходного напряжения от нагрузки выводит выполнение источника питания по схеме со стабилизацией.
В простом варианте ее можно выполнить на двух транзисторах, на базы которых подана половина питания от резистивного делителя (оба сопротивления должны быть равны).
Для верхнего (положительного) плеча можно применить транзистор КТ815 (КТ817). Для нижнего (отрицательного) КТ814 (КТ816) или другие соответствующей структуры.
Двухполярный делитель напряжения с операционным усилителем.Еще лучшие параметры имеет схема с применением операционного усилителя. Цепь отрицательной обратной связи на резисторе R3 обеспечивает хороший коэффициент стабилизации. Делитель на R1R2 задает уровень средней точки.
Двухполярный БП с линейными стабилизаторами в каждом плече.Несложная и устойчивая схема получается на линейных стабилизаторах серии 78ХХ (79XX для отрицательного плеча). Применен трансформатор со средней точкой, делителем служит цепь С1С3. Микросхемы-стабилизаторы включаются по стандартной схеме, диоды VD1 и VD3 защищают соответствующий канал от напряжения обратной полярности.
По подобной схеме можно построить и лабораторный блок питания, но для него удобнее использовать схему, регулируемую по выходному уровню. Такой источник можно построить на трансформаторе со средним отводом. Если его нет, можно использовать две идентичные вторичные обмотки (домотать или намотать заново) с отдельным выпрямителем для каждого канала или вообще использовать два раздельных трансформатора. Такой источник можно использовать как два отдельных однополярных канала, а соединив перемычкой плюс одного с минусом другого, получить регулируемый двухполярный БП.
Двухполярный лабораторник с раздельными каналами.Схема такого двухполярного блока питания содержит два раздельных канала, каждый из которых выполнен на микросхеме LM317. Диоды моста и транзистор должны быть рассчитаны на полный ток канала, трансформатор – на суммарную мощность двух трактов. Лабораторник позволяет в каждом из каналов получить напряжение от 1,25 до 35 вольт (зависит от входного напряжения).
При необходимости получить двухполярное напряжение, минусовой вывод одного тракта соединяется с плюсовой клеммой другого, образуя среднюю точку.
Если нужен легкий, но мощный БП, придется прибегнуть к довольно сложной импульсной схемотехнике. Такой блок можно собрать на полевых транзисторах и микросхеме IR2153. Источник обеспечивает мощность около 100 ватт, выходное напряжение задается параметрами трансформатора. При указанном на схеме соотношении витков на выходе будет около 35 вольт в каждом плече.
Читайте также: Переделка компьютерного блока питания в лабораторный
Трансформатор наматывается на каркасе от трансформатора импульсного БП компьютера.
Каркас импульсного трансформатора.
Большую часть элементов блока питания можно установить на печатной плате, даже трансформатор, если это удобнее. Во многих случаях силовые элементы (транзисторы, диоды, линейные интегральные регуляторы напряжения) снабжаются радиаторами для обеспечения нормального температурного режима.
Поэтому надо их монтировать либо на теплоотводе, либо при проектировании платы предусмотрительно устанавливать на краю так, чтобы можно было привинтить внешний радиатор.
Плату можно разработать самостоятельно в специальных программах, вроде бесплатной Sprint Layout, либо просто нарисовать на бумаге. Готовое изделие можно заказать через интернет или сделать самостоятельно по одной из домашних технологий:
Травится плата либо в классическом растворе хлорного железа, либо в смеси, состоящей из:
Читайте также
Схема бестрансформаторного источника питания
Не всегда удается подобрать нужный сетевой трансформатор, поэтому чаще подбирается подходящий по мощности, вторичная обмотка (или несколько) удаляются.
Необходимо намотать вторичку заново – для этого существуют методики расчета. Их можно найти в литературе. В интернете для этого имеются онлайн-калькуляторы.
Если блок питания предполагается использовать для питания конкретного устройства (например, усилителя звуковой частоты), его можно встроить в общий корпус с основным изделием. А можно сделать в отдельном корпусе (лабораторные источники в большинстве случаев делают в виде отдельного блока). Корпус можно подобрать готовый или сделать самостоятельно. Здесь возможности ограничены фантазией и уровнем квалификации мастера.
Новый комплект питания GlassWare PS-SS предназначен для использования в полупроводниковых усилителях мощности.
(Конечно, его можно было бы использовать в ламповом гибридном усилителе мощности.) Его конструкция преследовала две цели: приземистый профиль, чтобы его можно было использовать в корпусе высотой 2U, и включение RC-фильтра. Да, RC-фильтр. Одна (из многих причин), почему ламповые усилители так часто звучат лучше, чем их полупроводниковые собратья, заключается в том, что ламповые усилители содержат RC-фильтры или LC-фильтры. Эти фильтры нижних частот не устраняют пульсации, но сглаживают резкие высшие гармоники.
В состав PS-SS входит кое-что необычное: резистивно-емкостной фильтр, но с выпрямительным шунтом. Если вы посмотрите на приведенную выше схему, то увидите, что резисторы R1 и R2 шунтированы выпрямителями. Это означает, что пока потребляемый ток меньше 600 мА, RC-фильтр все еще работает, отфильтровывая пульсации. Но как только музыка предъявляет более высокие требования к усилителю мощности, потребляемый ток возрастет настолько, чтобы включить шунтирующие выпрямители, поскольку их напряжение прямого смещения будет достигнуто; теперь резистивно-емкостной фильтр выпадает из цепи, и все накопительные конденсаторы рельсов включены параллельно друг другу, в результате чего емкость каждого рельса достигает 9, 900F.
Если бы не было шунтирующих выпрямителей, напряжение на шинах недопустимо упало бы. Например, допустим, ток 4 А протекает через RC-резистор сопротивлением 1 Ом, тогда падение напряжения составит 4 В, лишив усилитель мощности необходимого напряжения на шине. Но при наличии шунтирующих выпрямителей теряется всего 0,6 В. Другими словами, это что-то вроде еды и сохранения своего торта. Идея основана на старой технике использования качающегося дросселя в источнике питания лампового усилителя, где в LC-фильтре использовался легко насыщаемый дроссель, который имел бы высокую индуктивность на холостом ходу; но по мере того, как усилитель мощности потреблял больше тока, дроссель насыщался, становясь просто куском провода, что вызывало рост B+.
Большинство транзисторных усилителей мощности потребляют от 50 мА до 100 мА тока покоя. Например, знаменитый LM3886 потребляет около 50 мА. Усилитель мощности на основе полевого МОП-транзистора, напротив, обычно потребляет от 100 до 200 мА тока покоя на канал.
Таким образом, с двумя усилителями мощности, потребляющими в общей сложности 400 мА, только 0,4 В напряжения на шине будет потеряно из-за RC-фильтра, который состоит из мощного резистора 1 Ом и 3,3 кФ, что дает фильтр нижних частот с — 3дБ частота 48Гц.
Комплект PS-SS можно использовать с силовыми трансформаторами с центральным отводом и вторичными обмотками до 32–0–32 В, которые могут развивать напряжение 44 В постоянного тока. Вторичная обмотка 22 В-0 В-22 В будет развивать напряжение 30 В постоянного тока.
На этой сверхтолстой (0,094) медной дорожке весом 2 унции размером шесть на три дюйма, изготовленной в США печатной плате находится низковольтный биполярный источник питания, включая выпрямители и шесть накопительных конденсаторов источника питания, аудиокласс Nichicon, 50 В. , 105, 3,3кФ электролитические конденсаторы. Резистор R3 и конденсатор C13 шунтируют вторичную обмотку силового трансформатора, поэтому РЧ-помехи могут быть преобразованы резистором в тепло.
Каждый выпрямитель в двухполупериодном мосту шунтирован керамическим конденсатором, что помогает предотвратить генерацию радиопомех. Все выпрямители представляют собой сверхбыстродействующие устройства MUR410G со временем восстановления 25 нс, которые были разработаны для использования в импульсных источниках питания, инверторах и в качестве обратных диодов. Каждая шина оснащена собственным полипропиленовым обходным конденсатором 6,8F/300V.
В комплект входят все детали, необходимые для установки печатной платы, четыре комплекта стоек с винтами и уплотнительными кольцами, а также руководство пользователя.
Рисунок 1
Автор: Льюис Лофлин
На рисунке 1 показан пример биполярного источника питания , использующего две 9-вольтовые батареи. Они имеют общую землю, и на выходе может быть любая комбинация полярности или напряжения. Например, блоки питания ATX, используемые сегодня в большинстве ПК, имеют несколько выходов напряжения, но имеют один общий.
Помимо использования в домашних ПК, биполярные источники питания используются во многих схемах операционных усилителей и мощных аудиоусилителях.
Рисунок 2
На рисунке 2 мы сконструировали двухполярный блок питания с использованием трансформатора на 12,6 В. D2 заряжает C3 в положительный полупериод, а D3 заряжает C4 в отрицательный полупериод. В обоих случаях выходное напряжение будет 17,8 вольт. (12,6 * 1,414.) Полярности будут противоположны по отношению к земле.
Те же правила однополупериодного выпрямления для обеих полярностей остаются в силе. Поскольку конденсаторы C3 и C4 должны быть большими (не менее 3300 мкФ), резистор R1 ограничивает бросок тока при подаче питания. Значения обычно составляют 1-10 Ом при 5 Вт.
Рисунок 3
На рисунке 3 показано двухполярное питание с использованием диодного моста и центрального ответвления трансформатора в качестве общего.
Применяются те же правила, что и раньше, при половинном напряжении и удвоении тока. Это двухполупериодное выпрямление, и для той же нагрузки могут использоваться конденсаторы меньшего размера, чем на рис. 7.
Если мы используем трансформатор на 25,5 В, 3 А, каждое выходное напряжение будет 25,2/2 * 1,414 или 17,8 В.
Рисунок 4
На рисунке 4 показан регулируемый биполярный источник питания для использования с операционными усилителями.
Тиристоры и симисторы используются для управления системами переменного и постоянного тока.