Для чего нужен двухполярный блок питания
Обновлено: 07.07.2024
Операционный усилитель, ОУ, является очень удобным и довольно универсальным элементом. Что и стало причиной его высокой популярности. Изначально разработанные для выполнения различных математических операций в Аналоговых Вычислительных Машинах (АВМ), отсюда и термин "операционный", они нашли применение в самых разных областях электроники.
Про ОУ написано множество статей и книг. Ни один учебник электроники не обходится без их изучения. Что о них можно еще рассказать, если они и так со всех сторон рассмотрены? Статья не о том, как ОУ устроены и работают. Не о том, как рассчитывают схемы с использованием ОУ. Поговорим о некоторых особенностях практического применения ОУ с точки зрения питания - однополярное/двухполярное . Этому вопросу обычно уделяется не очень большое внимание. Но у новичков здесь вопросов возникает немало.
Типовой усилительный каскад на ОУ и питание
В учебниках и книгах часто рассматривают идеальный ОУ без учета цепей питания. Это вполне допустимо во очень многих случаях, так как современные ОУ весьма близки по многим параметрам к идеальным. К тому же это позволяет сосредоточиться на рассмотрении работы схемы с ОУ не загромождая ее второстепенными деталями. Например, вот так обычно изображают инвертирующий усилитель.
Классический вид инвертирующего усилителя на ОУ и "осциллограммы" его работы. Иллюстрация моя Классический вид инвертирующего усилителя на ОУ и "осциллограммы" его работы. Иллюстрация мояВ статье я буду использовать сигналы треугольной формы, так как на них более наглядно видны искажения выходного сигнала. Поскольку ОУ идеальный, входной и выходной сигнал ничем не ограничены. Ни частотой, ни формой, ни амплитудой. Увы, суровая реальность вносит в эту идеальную картину свои коррективы.
Частотные свойства, погрешности самого ОУ в виде конечного коэффициента усиления, напряжения смещения, входного тока, и т.п. нас сегодня не интересуют. Нас интересует влияние питания. И прежде всего это приводит к ограничению амплитуды выходного напряжения. Поскольку питание ОУ, в классическом случае, двухполярное, выглядит это примерно так
Классический инвертирующий усилитель на ОУ с учетом цепей питания и влияние напряжения питания на выходной сигнал. Иллюстрация моя Классический инвертирующий усилитель на ОУ с учетом цепей питания и влияние напряжения питания на выходной сигнал. Иллюстрация мояВ общем случае, напряжение источников питания не обязательно должно быть одинаковым. Но об этом немного позже. Выходной сигнал не может превышать напряжения питания, это очевидно. Более того, в реальных ОУ он всегда меньше напряжения питания (по модулю). Что и показано на иллюстрации. Но выходной сигнал начинает искажаться даже раньше, чем наступает ограничение.
Для примера посмотрим параметры ОУ OP07 (производства Texas Instruments, для еще большей определенности). При напряжении питания +-15 В (типовое напряжение питания), комнатной температуре, сопротивлении нагрузки 10 кОм пиковое значение выходного напряжения будет не менее 12 В (типовое 13 В). То есть, выходное напряжение на 3 В меньше напряжения питания. В документации есть и график зависимости выходного напряжения от входного
Зависимость выходного напряжения от входного для прецизионного ОУ OP07. Из документации Зависимость выходного напряжения от входного для прецизионного ОУ OP07. Из документацииЗдесь хорошо видно и ограничение, и нелинейность при приближении к ограничению.
От двухполярного питания к однополярному
Если внимательно посмотреть на схему инвертирующего усилителя на ОУ, то можно заметить, что на самом деле двухполярное питание и не требуется. Ведь единственный вывод ОУ, который подключен к общей точке источников питания, это не инвертирующий вход ОУ.
Существовали ОУ с отдельным выводом питания, который подключался к общей точке источников питания. Например, К140УД1. Но даже этот ОУ мог работать без подключения этого вывода к общему проводу.
Сам ОУ фактически питается от однополярного источника питания с напряжение Uп1+Uп2. А значит, мы можем сделать так
Казалось бы, здесь нет никаких отличий от классического двухполярного питания. Но на самом деле, мы заменили второй источник питания источником напряжения смещения. Обозначим напряжение смещения Uо. И у нас входное напряжение относительно общего провода будет равно
Другими словами, мы можем рассматривать работу усилителя отдельно для переменной составляющей, собственно полезного сигнала, и для постоянной составляющей, напряжения смещения.
Для усилителя переменного напряжения разделить постоянную и переменную составляющую проблем не составляет. И мы получаем еще одну классическую схему
Классическая схема усилителя переменного напряжения на ОУ с однополярным питанием. Классическая схема усилителя переменного напряжения на ОУ с однополярным питанием.Напряжение смещения, равное половине напряжения питания, на не инвертирующем входе ОУ создается резистивным делителем напряжения. В реальности резисторы делителя шунтируют конденсаторами, а не инвертирующий вход подключают к делителю через резистор. Я не стал это показывать на иллюстрации, так как вы и так это знаете, а схема стала бы менее наглядной.
А вот с усилителем постоянного напряжения все немного сложнее. Здесь мы не можем отделить напряжение смещения от полезного сигнала, мы вынуждены его учитывать. А влияние постоянной составляющей может быть очень большим и вредным. Например, в случае построения на ОУ интегратора.
И тут возникает вопрос. Хорошо, для переменного напряжения мы вынуждены использовать двухполярное питание или добавлять постоянное напряжение смещения. Иначе возникают проблемы с отрицательными входным и выходным напряжениями. Но если у нас и входной сигнал, и выходной сигнал, никогда не принимают отрицательных значений, то мы ведь можем обойтись без напряжения смещения? Например, для не инвертирующего усилителя.
Использование ОУ с однополярным питанием в схеме усилителя постоянного напряжения. Такая схема работоспособна, но имеет ряд ограничений. Иллюстрация моя Использование ОУ с однополярным питанием в схеме усилителя постоянного напряжения. Такая схема работоспособна, но имеет ряд ограничений. Иллюстрация мояДа, конечно, такое возможно. Во всяком случае, теоретически. Практическая реализация требует решения ряда проблем, что мы сейчас и будем рассматривать. Но если проблемы решаемы, значит и такое включение можно использовать на практике. Только нужно учитывать некоторые нюансы.
В большинстве случаев, входной каскад ОУ является дифференциальным. Исключения есть, например,
Но такие усилители мы сегодня затрагивать не будем.
От совсем уж классического дифференциального каскада показанный на иллюстрации каскад отличается только источником тока вместо резистора в цепи эмиттеров. И этот источник тока является источником не только тока, но первого ограничения.
Дело в том, что для источника тока, реального источника, требуется некое минимальное напряжение для работы. Некоторые варианты построения источников тока мы рассматривали в статье
Минимальное напряжение может быть разным, в зависимости от тонкостей реализации. Давайте примем, что минимальное напряжение равно 1.5 В. Это вполне соответствует последнему варианту источника тока из статьи по ссылке. Таким образом, напряжение на эмиттерах транзисторов нашего дифференциального каскада, относительно отрицательного полюса источника питания, не должно быть менее 1.5 В.
А это дает нам ориентир напряжения на базах транзисторов, которые являются входами каскада (и ОУ). С некоторым запасом примем, что напряжение на базах, относительно отрицательного полюса источника питания, не должно быть менее 2.5 В. И теперь у нас есть первое значение ограничения, причем никак не связанное с предельными параметрами работы транзисторов.
Второе ограничение связано с минимальным напряжением коллектор-эмиттер, при котором транзистор работает в активном режиме. Причем желательно, в линейной области. Это напряжение зависит от тока коллектора. Для современных маломощных транзисторов при малых токах, типичных для входных каскадов, это напряжение может быть 0.5 В, и даже меньше.
Но нужно учесть и падение напряжения на коллекторных резисторах создаваемое током источника тока. Предположим, что в сумме напряжение на эмиттерах транзисторов, относительно положительного полюса источника питания, не должно быть менее 1 В. И это дает нам второе значение ограничения, тоже никак не связанное с предельными режимами работы транзисторов.
Таким образом, что бы наш дифференциальный каскад работал в линейном режиме, напряжение на входах не должно быть менее 2.5 В, относительно отрицательного полюса источника питания. И не должно быть более Uп-0.4 В.
Интересный результат, не правда ли? Ведь мы только что приняли, что напряжение между эмиттерами и плюсом питания не должно быть менее 1 В. Но ведь это на эмиттерах, а входами являются базы.
Если рассматривать не отдельно взятый входной каскад, а усилитель в целом, причем охваченный ООС, то нелинейность можно снизить, что позволить ослабить ограничения. Точные цифры нам не обязательны. Но максимальное напряжение на входах, при сохранении линейности, практически достигнет напряжения питания. А минимальное составит при мерно 2 В.
Хотелось бы наоборот, правда? Это позволит нам работать с близкими к нулю входными напряжениями, что гораздо важнее максимальных уровней входных напряжений. Собственно говоря, именно таки поступили в весьма популярных, и дешевых, ОУ LM358 (LM258, LM158, LM2904, LM324, LM224, LM2902). Вот так выглядит входной каскад таких ОУ
Что бы поменять местами пороги ограничений линейной работы нужно "перевернуть" каскад "вверх ногами". Именно это и сделали! И как мы только что видели, вернее, сами пришли к такому выводу, теперь напряжение на входах может быть практически равно напряжению источника питания, в данном случае, нулю.
В LM358 нагрузкой дифференциального каскада является простое токовое зеркало. Это позволяет работать с входными напряжениями еще более близкими к нулю.
В результате фирма ST Microelectronics заявляет
Input common-mode voltage range includes negative rails
То есть, синфазное входное напряжение включает уровень отрицательной шины питания. Того самого общего провода. Правда фирма Texas Instruments более осторожна, и более точна.
Common-Mode Input Voltage Range Includes Ground, Allowing Direct Sensing Near Ground
Уточнение заключается в словах "позволяя непосредственно работать с уровнями вблизи земли". Важное уточнение, так как при совсем малых напряжениях линейность может оказаться не совсем линейной. Да и коэффициент усиления (с разомкнутой петлей обратной связи) при этом снижается, что сказывается на точности.
Кстати, для LM358 входное синфазное напряжение должно быть ниже Uп-1.5 В, для обеспечения линейности (из документации). Это близко к нашему прикидочному значению.
Максимальное значение синфазного напряжения это не пороги линейности!
В списке параметров ОУ, в разделе "предельные значения", можно найти параметр "максимальное синфазное напряжение". Иногда это называется "максимальное напряжение на входах". Это параметр "живучести" ОУ. У современных ОУ максимальное напряжение на входах может достигать любой из шин питания, и даже немного превышать его (защитные диоды).
При этом ОУ не выйдет из строя, но вот линейность и точность при этом не гарантируется. Хотя может и обеспечиваться.
А что насчет полевых транзисторов?
В дифференциальных каскадах используются полевые транзисторы с p-n переходом или с изолированным затвором и встроенным каналом. Использование полевых транзисторов не влияет на ограничения источника тока, теперь уже, в истоковых цепях транзисторов. Сохраняются и ограничения минимального напряжения сток-исток, но уже в меньшей степени. Поэтому, в целом, нам сегодня и не важно, какие транзисторы использованы в ОУ.
Выходной каскад и его ограничения
В подавляющем большинстве случаев в ОУ используется двухтактный выходной каскад. При этом могут использоваться и биполярные, и полевые транзисторы.
Двухтактный выходной каскад и два варианта подключения сопротивления нагрузки Двухтактный выходной каскад и два варианта подключения сопротивления нагрузкиБудем считать, что нагрузка является чисто активной. Два варианта подключения нагрузки возникают из-за однополярного питания. Если питание двухполярное, то нагрузка подключается к средней точке источника питания.
Если нагрузка подключена к положительному полюсу питания, то протекающий через нее ток создает падение напряжение между коллектором и эмиттером нижнего транзистора, когда он открыт. Если нагрузка подключена к общему проводу, то будет влиять падение напряжения на верхнем транзисторе. А для двухполярного питания будут влиять оба транзистора.
То есть, и здесь есть ограничения, но уже не для входных сигналов, а для выходного сигнала. Насколько велики эти ограничения мы уже видели в начале статьи. В LM358, который тоже служил нам примером, верхний предел выходного напряжения может быть на 4 В (худший случай) меньше напряжения питания (сопротивление нагрузки 2 кОм, питание +30 В). Зато минимальное выходное напряжение всего 20 мВ.
Rail-to-Rail ОУ
Можно встретить и другое название, ОУ с полным диапазоном входных и выходных сигналов. У таких усилителей входные и выходные напряжения могут быть очень близки к напряжениям шин питания. И при этом ОУ не просто сохраняет работоспособность (что не удивительно), но и обеспечивает все нормативные параметры. Это достигается схемотехнически и технологически.
Как говорит Analog Devices
Такие ОУ позволяют вам работать с меньшими напряжениями питания и размахом сигналов, близким к напряжениям питания, обеспечивая больший динамический диапазон.
Обратите на еще раз встретившуюся оговорку, БЛИЗКИМ к напряжениям питания. О равенстве речь не идет.
Уж эти то ОУ точно не требуют двухполярного питания? Да, тут все гораздо лучше, но все таки не идеально. Давайте посмотрим на пару примеров.
Первым примером будет ОУ MCP6001 от Microchip. Он специально разработан для низковольтных приложений, диапазон напряжений питания (однополярного) от 1.8 В до 6В. И выходное напряжение не достигает шин питания всего на 25 мВ! При сопротивлении нагрузки 10 кОм. Правда чуть дальше выясняется, что это напряжение насыщения выходного каскада, когда об особой линейности говорить уже сложновато.
Вторым примером будет LMC7101, который более универсален и работает при напряжении питания от 2.7 В до 15 В (однополярное). При напряжении питания 5 В и сопротивлении нагрузки 2 кОм выходное напряжение может не дотягивать до положительной шины питания 0.4 В, а до отрицательной 0.24 В. Заметно хуже, чем у MCP6001, но зато тут все честно, 0.01% искажений (гармонических). Да и сопротивление нагрузки тут заметно меньше. При напряжении питания 15 В выходное напряжение может не дотягивать уже на 0.8 В до положительной шины питания. И на 0.45 В до отрицательной.
Пожалуй, скажу еще про AD8027, у которого выходное напряжение не дотягивает до шин питания 60 мВ (100 мВ в худшем случае).
Итак, с некоторым запасом можно считать, что даже Rail-toRail ОУ не могут обеспечить выходное напряжение менее 100 мВ относительно отрицательной шины питания (общего провода). Конечно, многое зависит от сопротивления и вида нагрузки, варианта ее подключения. Выходные напряжения на уровне 30 мВ вполне достижимы для некоторых ОУ, хотя и не гарантируются при требовании высокой линейности.
Все определяется требуемой точностью
30 мВ минимальное выходное напряжение, насколько это критично? Если ОУ используется в усилителе переменного напряжения и мы можем задать достаточное напряжение смещения, то не критично. И мы можем спокойно использовать однополярное питание.
Для работы с постоянным напряжением уже сложнее. Если выходной сигнал лежит выше 1 В, то 30 мВ дадут погрешность 3 % при минимальном выходном напряжении. Это соответствует, например, коэффициенту усиления 10 и входному сигналу от 100 мВ.
А если требуется работать с входными сигналами менее 1 мВ и коэффициент усиления нельзя задать большим? Решением могло бы служить задание напряжения смещения для второго входа ОУ или источника сигнала. Но это не всегда возможно. Кроме того, это создает неудобства в работе с сигналом, ведь потом напряжение смещения нужно будет или компенсировать, или как то учитывать в расчете.
И это еще без учета возрастающей нелинейности входного каскада, которая возникает при практически равному нулю входному сигналу. Ведь не случайно серьезные производители (та же AD) говорят лишь о близком к шинам питания сигнале.
Вот в таких случаях использование двухполярного питания и является гораздо менее сложным и затратным способом обеспечения точности. Ведь при этом ноль на входе будет соответствовать именно нулю на выходе. Разумеется, в случае правильной балансировки ОУ.
Заключение
ОУ были разработаны для выполнения математических операций. Это требовало высокой точности, в том числе, в начале координат. И обеспечить это было гораздо проще, если начало координат располагается как можно дальше от всех граничных значений. То есть, ровно посередине между напряжениями питания.
При этом любой (почти любой) ОУ прекрасно работает и от однополярного источника питания. Нужно просто соблюдать требования к диапазонам входных и выходных напряжений. А для более высокой точности нужно вывести ОУ в работу ближе к половине напряжения питания задав, тем или иным способом, дополнительно смещение для входов ОУ.
Если использовать смещение невозможно, или слишком сложно, и нужна высокая точность, то необходимо использовать двухполярное питание.
Ну а практика, как и истина, располагается где то рядом, между этими двумя крайностями. Различных вариантов много. Просто не надо забывать, что даже Rail-to-Rail ОУ не дают нулевой погрешности при работе вблизи нуля при однополярном питании.
Тут одного-единственного ответа нет и не может быть, потому что в каждом случае нужда своя.
В измерительной технике - потому что многие сигналы, которые надо измерять и обрабатывать, - двуполярные. То есть у них есть как плюс, так и минус. Значит, и схема обработки таких сигналов должна нормально работать при любом знаке напряжения на входе - а для этого нужно двуполярное питание.
Для УНЧ (речь, вероятнее всего, о них) оптимальным по демпфированию колонок является режим непосредственной связи колонки с усилителем (то есть связь по постоянному току) . Ясное дело, что полной тишине (нулевому сигналу) в такой схеме соединения, если только не используется мостовой усилитель, соответствует нулевое напряжение на выходе - вторым концом нагрузка заземлена. Но звук - это, как ни крути, переменный сигнал. Значит, относительно состояния покоя (0 вольт) полезный сигнал опять же может изменять как в плюс, так и в минус. То есть опять приходим к необходимости двуполярного питания.
Можно обойтись и однополярным, но тогда при нулевом сигнале напряжение на выходе усилителя должно быть равно примерно половине напряжения питания, и чтоб через колонку не тёк немереный постоянный ток, последовательно с ней приходится включать конденсаторы большой ёмкости. Это отнюдь не здорово и для колонки (в моменты включения и выключения идёт бросок тока зарядки/разрядки конденсатора) , и для качества звука (сопротивление колонки - единицы ом, значит, для приличной передачи низких частот приходится брать агромадный кондёр - или мириться с завалом басов) , и для самого конденсатора - электролиты тоже не любят большой реактивной мощности, а неэлектролитические конденсаторы в тысячи микрофарад - это не слабых размеров банка.
это типа атводы на тлансформаторе для регулировки напруги
это для нормальной работы транзисторов в выходном (обычно) каскаде усилителя, что бы не ставить филтры. чтобы сигнал усиливался баз искажений, которые неизбежно появляются при отфильровывании.
в усилительных каскадах в основном применяется, чтобы обеспечить оптимальный режим класса B. Если в таких каскадах если нет двуполярного питания, то приходится делать или мостовую схему, или пускать выход через конденсатор, а конденсатор - это утечка, искажение АЧХ, низкая надёжность. А операционные усилители (микросхемы УД. ) почти всегда двухполярное используют.
Двухполярное питание необходимо для полноценной обработки переменного напряжения + постоянная составляющая.
В идеале, при однополярном питании, на выходе можно получить напряжение от 0 до Uпитания. При двухполярном питании на выходе уже можно получить напряжение от -Uпитания до +Uпитания.
Смысл заключается в том, что в схеме выделается шинка, относительно которой сформированны два источника питания "+" и "-". В результате, схема обработки сигнала получается симметричной относительно нулевой шинки и нормально обрабатывает сигналы как с отлицательной полярностью так и с положительной.
Применяется для питания схем на операционных усилителях и высококачественных усилителей мощности звуковой частоты.
В современной электронной технике широкое распространение получили операционные усилители. Данные электронные компоненты могут работать от однополярного напряжения, но более стабильная работа достигается применением двухполярного напряжения питания.
Двухполярное напряжение необходимо так же для питания большинства схем УМЗЧ и некоторых других. Двухполярный источник питания – это источник питания, который имеет, как правило, два выходных канала, напряжения которых равны по абсолютному значению, но имеют противоположную полярность относительно общей точки. Двухполярное питание имеет большое количество вариантов схемотехнического решения, рассмотрим некоторые из них.
На рис. 1. показан двухполярный нестабилизированный источник питания. Отличительной особенностью данного источника питания является наличие двух выходных напряжений 12 и 15 вольт. Источник питания состоит из понижающего трансформатора, вторичная обмотка которого имеет средний вывод; двухполупериодных выпрямителей с выводом нулевой точки. Хотя внешне выпрямитель напоминает мостовой, но здесь два двухполупериодных выпрямителя с выводом нулевой точки. Один из них обеспечивает положительное напряжение на выходе, соответственно, второй – отрицательное. Напряжение 12 вольт получается снижением основного напряжения 15 вольт при помощи резисторов R1 и R2.
На рис.2. изображен простой двухполярный нестабилизированный источник питания. Отличие от схемы на рис. 1. в том, что в качестве трансформаторов применены ТВК110 – выходные трансформаторы кадровой развертки телевизоров. Применение двух ТВК110 позволяет быстро решить проблему вывода средней точки. Вторичные обмотки соединены последовательно. Точка соединения является общим выводом. Выходное напряжение одной величины – 15 вольт.
Схема на рис. 3. – это уже стабилизированный двухполярный источник питания. Главным отличием данной схемы от рассмотренных выше является наличие стабилизатора напряжения, точнее двух, так как схема двухполярная. Режимы работы регулирующего транзистора VT1 и стабилитрона VD2 задаются резистором R1. Транзисторы включены по схеме эммитерного повторителя. Напряжением пробоя стабилитрона VD2 задается потенциал базы транзистора VT1 относительно земли, что и определяет выходное напряжение. Аналогичным образом работает стабилизатор отрицательного напряжения. Единственное отличие данных стабилизаторов в проводимости транзисторов.
Случаются ситуации, когда требуется возможность изменения выходного напряжения источника питания. Для этого применяют регулируемые двухполярные источники питания. Один из вариантов таких источников питания представлен схемой на рис.4. Особенностью данной схемы является не только возможность регулировки напряжений, но и то, что стабилизатор напряжения собран на интегральных микросхемах КР142ЕН12А и КР142ЕН18А. Микросхема КР142ЕН12А – это трехвыводной стабилизатор положительного напряжения с возможностью питания электронных устройств током до 1,5 ампера в диапазоне напряжений от 1.5 до 37 вольт. Микросхема КР142ЕН18А аналогична КР142ЕН12, только применяется для стабилизации отрицательных напряжений. Резисторы R1, R2 и R3, R4 являются регулируемыми делителями напряжения, применение которых позволяет регулировать выходное напряжение. Конденсаторы С3 и С6 необходимы для снижения уровня фона при минимальных выходных напряжениях.
Иногда возникает необходимость в питании устройств от автономных двухполярных источников питания. Возможные схемы, для применения в таких случаях, показаны на рисунках 5 и 6. Два соединенных последовательно стабилитрона образуют делитель напряжения. Средняя точка этого делителя заземляется. Отличия схем в том, что в первой можно применить две батарейки типа «Крона», во второй применяется аккумулятор.
Блок выпрямителя и фильтра для УНЧ (УМЗЧ) с двухполярным (биполярным) питанием — устройство нехитрое. Диодный мост и пара конденсаторов — только и делов-то!
Содержание
Деталей в нём — немного (хотя и крупных), и собрать его даже методом навесного монтажа вполне возможно своими собственными руками.
Но можно применить и готовое решение; особенно, если оно окажется вполне благопристойным с технической точки зрения. Такой вариант и будет рассмотрен далее.
(изображение со страницы производителя (AIYIMA)
Габариты блока — 131*79*55 мм, масса — 270 г.
Приобрести этот блок (и аналогичные ему с другими параметрами) можно на Алиэкспресс здесь или здесь, цена — около $19.
По ходу обзора будут сделаны и некоторые дополнительные изыскания.
Внешний вид и конструкция блока выпрямителя и фильтра для УНЧ с двухполярным питанием
Рассматриваемый блок предназначен для применения совместно с мощным сетевым трансформатором, вторичная обмотка которого имеет отвод от середины. Как вариант, возможно применение трансформатора с двумя одинаковыми вторичными обмотками, соединёнными последовательно.
Так выглядит блок выпрямителя и фильтра со стороны контактов для подачи входного переменного напряжения от трансформатора:
На переднем плане — клеммник с крупными винтами (4 мм) для подсоединения выводов вторичной обмотки трансформатора.
Справа и слева — по светодиоду на каждую полярность выходного напряжения.
Между клеммником и большими электролитическими конденсаторами расположены радиаторы со сборками диодов Шоттки типа STPS30150CW (прямой ток — до 30 А, обратное напряжение — до 150 В).
Две сборки видны на фото, а ещё две прикручены к обратной стороне радиаторов.
Эти сборки содержат по два диода в корпусе.
В схеме этого блока выпрямителя в каждой сборке диоды запараллелены, а всего используется 4 таких сборки, в результате чего и образуется классический диодный мост.
Параллельное включение диодов в сборках даёт тройной положительный эффект: увеличивает допустимый прямой ток, уменьшает нагрев и увеличивает КПД.
Теперь — вид с обратной стороны:
Здесь расположен клеммник для выходного выпрямленного напряжения. Клеммы для земли и каждой полярности запараллелены по 2 шт., что будет удобно для подключения нескольких потребителей.
Слева и справа от клеммника — плёночные конденсаторы 0.1 мкФ * 250 В, которые служат для подавления коротких импульсов и высокочастотных помех (с которыми электролиты справляются плохо).
Вид блока с боков:
На больших электролитах обозначен их номинал: 10000 мкФ * 63 В.
Учитывая обычные технические рекомендации не использовать радиоэлементы на предельно-допустимых значениях параметров, целесообразно не повышать напряжение на конденсаторах свыше примерно 50 В.
Текст на конденсаторах гласит также «For Audio» и «Japan».
Слова «For Audio» понятны без перевода; а насчёт того, что Япония имеет какое-то отношение к производству этих конденсаторов, я не совсем уверен. Но и полностью исключить такую возможность тоже не могу. :)
Между электролитами расположено по мощному резистору 10 кОм. Они предназначены для медленного разряда конденсаторов после отключения питания, чтобы остаточное напряжение не наделало каких-нибудь бед.
Далее — вид на блок сверху:
Здесь надо отметить, что, кроме крепёжных отверстий по углам, есть ещё одно отверстие в середине платы. Оно будет совсем не лишним, учитывая тяжеловесность конструкции.
И, наконец, вид снизу, т.е. со стороны печатных проводников:
Об этой печатной плате есть смысл поговорить поподробнее.
Начать надо с того, что печатные проводники сделаны грамотно — с максимальной шириной, какая возможна в пределах платы.
Но некоторые проводники покрыты непрозрачным чёрным лаком (так, что их почти не видно), а некоторые — оставлены «голыми» и облужены припоем (возможно, для уменьшения сопротивления).
Ещё надо заметить, что отверстий на плате под установку больших электролитов — много, и они разной формы, что делает возможной установку конденсаторов разного типа. Это может пригодиться тем потребителям, которые захотят купить плату без конденсаторов и установить какие-то другие конденсаторы (на другую ёмкость и/или напряжение). Ссылка на такой вариант будет в конце обзора.
И, наконец, надо поговорить о вреде чрезмерного усердия в контексте этой платы.
Дело в том, что на заводе-изготовителе зачем-то кусачками отрезали лишнюю, на их взгляд, длину выводов больших электролитов.
В результате выводы конденсаторов возвышаются над уровнем платы только примерно на 0.7 — 0.9 мм.
Я понимаю, что производитель хотел, «как лучше», т.е. чтобы выводы конденсоров не торчали с нижней стороны платы и не портили вид.
Но в результате оказалось, что гламура — прибавилось, а площадь контакта выводов с припоем — уменьшилась.
Каких-то критичных проблем из-за этого обнаружено не было, но и хвалить производителя за этот «гламур» тоже не буду.
Под конец этой главы посмотрим на фото нехитрого комплекта платы — четыре полиэтиленовых стойки и крепёж:
Испытания блока выпрямителя и фильтра для УНЧ (УМЗЧ) с двухполярным питанием с резистивной нагрузкой
Сразу скажу, что испытания проводились по сокращённой программе: выпаивать конденсаторы из платы и проверять их по отдельности не хотелось, уже очень красиво там всё смонтировано.
В связи с этим конденсаторы проверялись «как есть», то есть в параллельном соединении.
Для проверки использовался тестер радиодеталей LCR-TC1 (многофункциональный тестер).
Проверка «положительной» пары конденсаторов:
Ёмкость пары параллельных конденсаторов оказалась близкой к номиналу: прибор показал 20.66 миллифарад (20660 мкФ).
ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) прибор показал равным 0.08 Ом. Возможно, часть из этого сопротивления — «заслуга» соединительных проводов прибора (когда они просто замкнуты друг на друга, прибор показывает 0.05 Ом).
Параметр Vloss (потеря напряжения после отключения его источника от конденсатора) — не совсем официальный, но тестерами конденсаторов проверяется. В данном случае Vloss = 1.6%, это — неплохо для электролитических конденсаторов.
Теперь — проверка «отрицательной» пары конденсаторов:
Параметры получились похожими на предыдущую пару, разве что подросло значение Vloss до 2.3% (тоже приемлемо).
«Боевые» испытания проводились при использовании у меня в хозяйстве трансформатора со вторичной обмоткой с отводом от середины.
Основные параметры трансформатора — такие:
— напряжение холостого хода на вторичных обмотках 2*26.1 В (действующее значение);
— сопротивление первичной обмотки 15.1 Ом,
— сопротивление вторичных обмоток 0.51 Ом и 0.53 Ом (они оказались немного несимметричными по сопротивлению).
Номинальная выходная мощность трансформатора неизвестна; но, судя по его весу (1.1 кг), она должна быть весьма высокой (не менее 200 Вт).
Естественно, в реальных условиях у пользователя будет свой трансформатор, в связи с чем приведённые далее расчёты и осциллограммы можно рассматривать только лишь как пример.
Каждое плечо выхода фильтра (положительное и отрицательное) было соединено со средней точкой (землёй) через мощный резистор 10 Ом 100 Вт (2 шт., соответственно).
В итоге постоянное напряжение на каждом выходе ("+" и "-") составило 27.1 В; а выделяемая мощность на каждом резисторе — 73.4 Вт (итого — 147 Вт).
С учётом КПД усилителя класса AB, составляющего на синусоидальном сигнале до 70% в типовом случае (но может быть и больше), такой мощности хватило бы для питания 100-ваттного усилителя (2*50 Вт).
При использовании усилителя класса D его мощность могла бы составлять до 130-140 Вт (2* 65. 70 Вт).
Во всех этих расчётах я пренебрёг пульсациями напряжения на выходе, а можно ли так делать — разберёмся по осциллограммам.
Вот на осциллограммы с резисторами в качестве нагрузок теперь и посмотрим. Для снятия осциллограмм использовался цифровой осциллограф Fnirsi-1013D (он же ADS1013D, обзор).
Далее на картинке — осциллограмма выходного напряжения положительного плеча (под нагрузкой), вход осциллографа — открытый (DC), уровень нуля находится в самом низу экрана (помечен желтой стрелочкой с цифрой 1):
Теперь — посмотрим на пульсации отдельно, для чего вход переключим на закрытый (AC), а масштаб — увеличим:
Полный размах (пик-пик) пульсаций составил чуть менее 1 В, а амплитуда пульсаций — около 0.5 В.
И вот здесь приходим к тому, что максимальная выходная мощность усилителя, работающего от такого фильтра-выпрямителя, будет определяться не средним уровнем выпрямленного напряжения, а его величиной на точках минимума.
В данном случае потеря относительно среднего уровня составляет 0.5 В, т.е. менее 2% от его величины (27.1 В). В расчётах я этой величиной пренебрёг. Может, это и не совсем правильно, но и ошибка получается не очень большой.
По причине наличия пульсаций в выпрямленном напряжении повышение емкости конденсаторов в фильтре даёт сразу два полезных эффекта: и уменьшаются пульсации питания, и повышается выходная мощность, которую питаемый усилитель может отдать без искажений.
Теперь, просто для полноты технической картины — ещё несколько осциллограмм с резистивной нагрузкой.
Осциллограмма напряжения на входе фильтра-выпрямителя (одно из плеч):
На этой картинке всё соответствует классике: синус со срезанными вершинами, в течение которых и происходит дозарядка конденсаторов фильтра.
Но самое интересное началось дальше, когда я захотел посмотреть напряжение в этой же точке, но без подключения нагрузки:
Согласно теории, я должен был увидеть почти чистый синус, но здесь тоже оказались слегка срезанные вершины.
После этого я решил проверить, а как выглядит само напряжение в сети 220 Вольт? Может, и там не совсем синус?
Увы, так оно и оказалось:
Здесь тоже оказались срезанные вершины.
Наиболее вероятная причина — наличие в сети множества потребителей (устройств), не имеющих в блоках питания корректоров коэффициента мощности, которые приближают кривую потребления тока тоже к синусоиде.
Иными словами: множество устройств потребляет ток в режиме «срезания вершин», что приводит и к срезанным вершинам в электросети в целом. Такой вот побочный эффект исследования фильтра-выпрямителя. :)
Небольшие замечание к последней осциллограмме.
Первое: для её снятия был спаян дополнительный делитель напряжения на 10 (чтобы суммарно получилось деление на 100).
Второе: если кто захочет повторить этот эксперимент, то имейте в виду, что осциллограф должен быть гальванически развязан от фаз сетевого питания и от земли; а также помните о необходимости соблюдения электробезопасности!
Испытания блока выпрямителя и фильтра для УНЧ (УМЗЧ) с усилителем
Для проведения испытаний с реальным усилителем блок был соединён с одноканальным мостовым усилителем на основе микросхем TDA3886 (номинальная мощность 68 Вт каждой микросхемы), фото без внешней обвязки:
Сначала — традиционные испытания на синусе 1 кГц, нагрузка усилителя — 8 Ом.
На осциллограмме желтая линия — выход одного из плеч моста, синяя линия — напряжение питания (положительное).
На осциллограмме запечатлён момент, когда синусоида достигла максимума амплитуды без наступления искажений «отсечка» (клиппинг).
Выходная мощность составила 101.5 Вт.
Теперь посмотрим на поведение системы под реальным музыкальным сигналом:
На осциллограмме отчётливо видно проседание напряжения питания (синяя линия), когда в сигнале пошли мощные басы.
Тем не менее, надо отметить, что, благодаря очень высокой ёмкости конденсаторов проседание питания оказалось не мгновенным, а растянутым. То есть, запаса энергии в конденсаторах достаточно для того, чтобы выдержать даже очень мощный всплеск уровня сигнала. И чем больше будет ёмкость конденсаторов, тем более длительный «удар» сигнала они смогут выдержать.
Для наглядности — аналогичный фрагмент реального музыкального сигнала, но с увеличенным масштабом в канале напряжения питания до 5 В/дел. (синяя линия). В канале сигнала масштаб оставлен старый 10 В/дел. (желтая линия):
Положение нуля канала питания (синяя линия) отмечено стрелочкой с цифрой 2 в левом нижнем углу.
Вывод из испытаний с реальным музыкальным сигналом: увеличение ёмкости конденсаторов фильтра полезно не только для уменьшения пульсаций, но и для более качественного воспроизведения сигнала при пиковых нагрузках по мощности.
В общем, лишних конденсаторов в фильтрах питания не бывает!
Итоги и выводы
Протестированный фильтр-выпрямитель показал соответствие заявленным параметрам и хороший уровень комплектующих.
Кроме хороших ёмких конденсаторов, порадовали и мощные запараллелеленные диоды Шоттки в выпрямителе, к тому же установленные на радиатор. Это — очень культурное и технически грамотное решение!
Основная (а может, и единственная) область применения протестированного фильтра-выпрямителя — блоки питания для усилителей с двухполярным питанием.
Особенность таких усилителей — возможность прямого подключения усилителей к трансформаторному блоку питания с двухполярным выходом без стабилизаторов напряжения.
Схемы усилителей с двухполярным питанием — очень популярны в классе усилителей AB. Такие усилители могут быть как с выходными каскадами на транзисторах, так и на основе мощных однокристалльных микросхем. К последним можно отнести как добрые старые TDA2030 и TDA2050, так и более прогрессивные и мощные LM3886, TDA7293, TDA7294.
Усилители с двухполярным питанием могут быть и D-класса, что значительно повышает КПД (до 90% и выше). А это, в свою очередь, позволяет добиться большей мощности на выходе усилителя при той же мощности источника питания.
Правда, я пока знаю только одну микросхему усилителя мощности D-класса с двухполярным питанием, это — TDA8954 (TDA8954TH); в то время, как микросхем усилителей D-класса с однополярным питанием существует великое множество.
Купить этот фильтр-выпрямитель можно здесь или здесь, цена — около $19.
Теперь — немного о другом варианте построения фильтра-выпрямителя: на основе покупки платы без конденсаторов (с установкой конденсаторов по своему усмотрению).
Плату без конденсаторов можно купить, например, здесь (около $9) или здесь (под 6 более крупных конденсаторов, цена — около $10.5).
А выглядит эта плата (под 4 конденсатора) — так:
Что касается выбора конденсаторов для неё, то хорошо, если у пользователя они уже имеются.
Если же их ещё нет, то к их выбору надо подходить с осторожностью. Вот, например, отзыв одного из покупателей, вскрывшего один из приобретённых конденсаторов:
Часто употребляемый термин 2-полярный источник питания подразумевает по сути два источника напряжения U1 и U2, включенных последовательно, как показано на рисунке. Необходимость применения такого источника для питания различных устройств, как правило, объясняется тем, что данное устройство должно работать в 2-полярном диапазоне напряжений питания (от V- до V+) относительно общего провода V0, при этом токи потребления по цепям питания в общем случае не равны (I + ≠ I - ), и ток по общему проводу (V0) будет равен I + - I - .
По своей электрической эквивалентной схеме 2-полярный источник питания аналогичен дифференциальному выходу напряжения.
В практическом случае при образовании 2-полярного источника питания из 1-полярных следует учитывать, что не каждые блоки питания поддерживают последовательные соединения выходов, и не для каждых блоков питания будет корректно использовать любую его выходную цепь в качестве, возможно, заземлённой цепи общего провода. Эти особенности связаны не только с требованиями к изолированности выходов блоков питания, соединяемых последовательно, но и с требованиями изоляции выхода относительно его собственной цепи "корпус", а также к симметричному устройству цепей помехоподавляющих фильтров по отношению к обоим полюсам его выхода (ниже мы рассмотрели один из показательных примеров на эту тему). Естественно, применяя готовые 1-полярные блоки питания нужно, прежде всего, руководствоваться сведениями из их документации о возможности образования последовательного соединения их выходов при параллельном соединении их входов.
Применяя множественные схемы соединения выходов импульсных источников питания, следует также учитывать, вероятно, разные пороги и время включения - выключения этих устройств. Данная проблема, естественно, не существует при применении одного блока питания с многополярным выходом.
В технической литературе встречаются случаи 2-полярных источников напряжения, на которые накладываются эксплуатационные требования симметричности токов потребления I + и I - . Независимо от технических причин подобных требований это означает, что данные 2-полярные источники имеют некую иную эквивалентную электрическую схему по отношению к вышеприведённой, поскольку в схеме должен учитываться фактор взаимовлияния цепей тока I + и I - или взаимовлияния самих источников напряжения U1 и U2. И, безусловно, данное взаимовлияние делает подобные 2-полярные источники напряжения неполноценными. В то же время для истинных двуполярных источников напряжения симметричность тока потребления никогда не оговаривается, и каждый полюс этого источника может быть использован как независимый однополярный источник напряжения соответствующего знака относительно общего провода этих источников.
Качество технического решения блока питания измерительной системы.
Типично двуполярные схемы питания используются для питания аналоговых трактов, предусилителей, располагающихся как внутри корпуса измерительного устройства, так и вне его. В последнем случае это может быть, например, выносной датчик, получающий двуполярное питание от измерительного устройства, и задача выбора качественного технического решения двуполярного блока питания (БП) для подобной задачи нередко возлагается на инженера-интегратора измерительной системы. Ниже мы попытаемся изложить основные аспекты этой непростой задачи, поскольку при ближайшем рассмотрении её электрофизического смысла, мы непременно сталкиваемся с вопросами электросовместимости устройств.
Рассмотрим типичный пример проблемного включения пары блоков питания Mean Well серии DR-45 в двуполярную схему включения выходов.
Блок-схемы этих БП скопированы из документации производителя [1].
Двуполярную схему включения выходов этих БП нельзя назвать корректной (использована блок-схема Mean Well DR-45, дважды скопированная из документации производителя [1], синим цветом показаны соединения в двуполярную схему). В блок-схеме Mean Well DR-45 цепь –V связана конденсатором фильтра с цепью защитного заземления FG, а +V – управляемый выход БП, что требует использовать цепь –V только в роли цепи общего провода в системе. Но в двуполярной схеме для БП с выходом отрицательного напряжения (нижний по приведённой схеме) это требование не соблюдается. Это может привести к повышенному шуму в канале обратной связи этого БП из-за того, что на DETECTION CIRCUIT этого БП будут влиять не только ток нагрузки, но и ток I1. Токи I1, I2 (показаны красным) – это перераспределённые переменные токи, вызванные практически всегда присутствующим переменным напряжением скоростных помех между FG (цепью защитного заземления) и V0 (общим проводом цепи нагрузки).
Вторая проблема некорректности такой схемы заключается в том, то цепь V0 в измерительных системах, как правило, относится к цепи сигнального заземления, которая должна быть связана с цепью защитного заземления (FG) не более, чем в одной точке ([2]). Но путь тока I2 (через конденсатор фильтра), а затем через выходное сопротивление нижнего по схеме БП, образует второй путь связи FG и V0 по переменному току высокой частоты, что, несомненно, внесёт высокочастотные помехи в измерительную систему.
Третья проблема (использования такого решения для питания аналоговых трактов измерительных устройств) заключается в том, что аналоговые тракты (высокочувствительные усилители) типично требуют электромагнитной независимости от внешних цепей. Иначе говоря, практически любой инородный путь тока, помимо собственных токов питания и токов передачи сигнала аналогового тракта, в той или иной степени, будет оказывать негативное влияние на аналоговый тракт. Примером такого негативного влияния может стать путь импульсных токов через собственную ёмкость гальваноразвязки БП, в данном случае, путь тока относительно клеммы защитного заземления (FG) через ёмкости фильтров БП. Этот ток, не относящийся ни к току питания аналогового тракта, ни к току передачи сигнала, будет носить характер инородного высокочастотного (в данном случае 100 кГц – частота преобразования Mean Well DR-45) сквозного тока по цепи общего провода аналогового тракта, что явно усложнит задачу качественных измерений на фоне столь негативного фактора влияния.
О четвёртой проблеме таких БП говорит сам их производитель [1]:
По сути, это означает, что этот БП в принципе не является законченным устройством с требуемыми для измерительных систем гарантированно хорошими характеристиками электромагнитной совместимости ЭМС. Это означает, что эти БП предназначены для применения в качестве локальных узлов питания внутри конечного оборудования (и уж точно не для питания внешних датчиков!). Это также означает, что инженеру в конечном оборудовании ещё придётся предусмотреть, как минимум, внешние цепи конденсаторов вторичной цепи этого БП, а как максимум, усомниться в качестве внутреннего сетевого фильтра в первичной цепи этого БП (как важнейшем звене обеспечения хорошей ЭМС в конечном оборудовании с сетевым питанием) и отдельно исследовать этот вопрос (хотя бы путём разборки образца и визуальным осмотром его компонентов).
Пятая проблема использования такого технического решения – это некогерентность частот преобразования используемых БП. Это влечёт за собой глубокую нестационарность электромагнитной обстановки внутри оборудования с такими БП из-за влияния температурной нестабильности близких частот преобразования не синхронизированных БП. Эта нестационарность имеет опасность статистически редких совпадений фаз частот преобразования БП, при которых в редких случаях могут проявиться плохо диагностируемые проблемы (как метрологические, так и проблемы сбоев оборудования, особенно в случае большого количества не синхронизированных БП в системе), могут возникнуть проблемы с повторяемостью технических характеристик оборудования из-за индивидуального разброса частот преобразования используемых БП.
Надеемся, что на разобранном выше примере мы смогли показать инженеру-системному интегратору некоторые неочевидные проблемы применения импульсных БП для питания измерительных устройств. Учёт этих проблем на ранней стадии проектирования системы позволит инженеру более адекватно выстроить критерии выбора технического решения блока питания измерительной системы.
Читайте также: