Где находится блок питания на усилителе

Обновлено: 04.07.2024

Всем здравствуйте. Собирая усилители мощности, мы часто не обращаем внимания, что хороший источник питания является важным элементом каждого усилителя. Мы вкладываем много труда в сборку всего усилителя и относимся к блоку питания как к неизбежному злу. Все знают, блок питания — очень важный модуль всего усилителя. Так что, если мы сделаем отличный усилитель мощности, еще лучший предварительный усилитель, а источник питания будет плохо спроектирован или изготовлен.

Одним из неотъемлемых качеств хорошего источника питания является печатная плата и, в основном, правильное проведение массы. Наверное, каждый сталкивался с проблемой фона (при отсутствии музыки в динамиках слышен характерный гул) в собираемом усилителе. Фон может быть вызван двумя основными причинами. Первая — это плохое заземление на платах усилителя или блока питания, а второе плохая фильтрация напряжения, подаваемого на усилитель.

Источник питания выполнен на одном выпрямительном мосту М1 и шести электролитических конденсаторах емкостью 4700 мкФ и двух керамических конденсаторах по 100нФ. Выпрямительный мост преобразует переменный ток в постоянный. После установки конденсаторов на осциллографе мы увидим постоянный ток (без пульсаций), т.е. прямую линию. Чем больше номинал конденсаторов, тем меньше пульсация. Конечно, при превышении определенного значения емкости конденсаторов нет смысла добавлять дополнительные конденсаторы. Предполагается, что для 50 Гц значение емкости должно быть не менее 2200 / мкФ на 1А.

Приведенный блок питания имеет выход по току 5А. Отсюда следует, что общая минимальная емкость конденсаторов должна быть 5x2200 = 11000мкФ. Емкость одинакова для положительного и отрицательного напряжения. Вторая часть блока питания используется для питания предварительного усилителя. Это практически типичный блок питания со стабилизатором положительного и отрицательного напряжения 78xx и 79xx в зависимости от требуемого напряжения.

В начале статьи было сказано — почти типичный блок питания. Посмотрим на схему. Трансформатор имеет две обмотки в основной части источника питания. А для питания предварительного усилителя всего одна обмотка. Как получить положительное и отрицательное напряжение с одной обмотки? Для этого необходимы два выпрямительных диода, как показано на принципиальной схеме. К сожалению, это решение имеет один недостаток. Конденсатор для фильтрации напряжения должен иметь удвоенную емкость.

Зачем? Потому что 2200 мкФ / 1А относится только к 50 Гц. Если мы посмотрим на осциллограмму, мы видим, что частота составит всего 25 Гц, потому что использование одного диода вместо выпрямительного моста образует полуволновой выпрямитель. И в этом случае мы не могли использовать мостовой выпрямитель, потому что от трансформатора Tr есть только одна обмотка, и мы могли бы получить либо положительное, либо отрицательное напряжение на выбор. Печатная плата, а также расположение компонентов приведена на рисунке.

Расположение компонентов на печатной плате блока питания Расположение компонентов на печатной плате блока питания

В настройке источник питания практически не нуждается. Если сборка выполнена аккуратно, то блок питания непременно запустится с первого включения. Как обычно, сборка начинается с проверки печатной платы. Мы ищем нет ли коротких замыканий, особенно они не желательны из-за большой емкости конденсаторов и большой мощности всего блока питания. Надо помнить, что при подключении блока питания к сети может произойти скачок тока.

Это явление не опасно, поскольку возникает только в первые несколько периодов после включения источника питания, когда конденсаторы емкостью 4700 мкФ быстро заряжаются. После этого все вернется в нормальный режим работы. В этом блоке питания нет ни чего выдающегося, обычный источник, но возможно будет полезен.

Казалось бы что может быть проще, подключить усилитель к блоку питания, и можно наслаждаться любимой музыкой?

Однако, если вспомнить, что усилитель по сути модулирует по закону входного сигнала напряжение источника питания, то станет ясно, что к вопросам проектирования и монтажа блока питания стоит подходить очень ответственно.

Иначе ошибки и просчёты допущенные при этом могут испортить (в плане звука) любой, даже самый качественный и дорогой усилитель.

Стабилизатор или фильтр?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Пиковая мощность

Несмотря на указанные недостатки, при питании усилителя от нестабилизированного источника можно получить некоторый бонус — кратковременную (пиковую) мощность выше, чем мощность блока питания, за счёт большой ёмкости фильтрующих конденсаторов. Опыт показывает, что требуется минимум 2000мкФ на каждые 10Вт выходной мощности. За счёт этого эффекта можно сэкономить на трансформаторе питания — можно использовать менее мощный и, соответственно, дешёвый трансформатор. Имейте ввиду, что измерения на стационарном сигнале этого эффекта не выявят, он проявляется только при кратковременных пиках, то есть при прослушивании музыки.

Стабилизированный блок питания такого эффекта не даёт.

Параллельный или последовательный стабилизатор ?

Бытует мнение, что параллельные стабилизаторы лучше в аудиоустройствах, так как контур тока замыкается в локальной петле нагрузка-стабилизатор (исключается источник питания), как показано на рисунке:

Тот же эффект дает установка разделительного конденсатора на выходе. Но в этом случае ограничивает нижняя частота усиливаемого сигнала.

Автор использует стабилитроны для питания операционных усилителей. При этом можно организовать индикацию напряжения питания практически без дополнительных затрат (светодиодам не нужны гасящие резисторы):

Защитные резисторы

Каждому радиолюбителю наверняка знаком запах горелого резистора. Это запах горящего лака, эпоксидной смолы и. денег. Между тем, дешёвый резистор может спасти ваш усилитель!

Автор при первом включении усилителя в цепях питания вместо предохранителей устанавливает низкоомные (47-100 Ом) резисторы, которые в несколько раз дешевле предохранителей. Это не раз спасало дорогие элементы усилителя от ошибок в монтаже, неправильно выставленного тока покоя (регулятор поставили на максимум вместо минимума), перепутанной полярности питания и так далее.

На фото показан усилитель, где монтажник перепутал транзисторы TIP3055 с TIP2955.

Транзисторы в итоге не пострадали. Все закончилось хорошо, но не для резисторов, и комнату проветривать пришлось.

Главное — падение напряжения

При проектировании печатных плат блоков питания и не только не надо забывать, что медь не является сверхпроводником. Особенно это важно для «земляных» (общих) проводников. Если они тонкие и образуют замкнутые контуры или длинные цепи, то в из-за протекающего тока на них получается падение напряжения и потенциал в разных точках оказывается разным.

Для минимизации разности потенциалов принято общий провод (землю) разводить в виде звезды — когда к каждому потребителю идёт свой проводник. Не стоит термин «звезда» понимать буквально. На фото показан пример такой правильной разводки общего провода :

В ламповых усилителях сопротивление анодной нагрузки каскадов довольно высокое, порядка 4кОм и выше, а токи не очень велики, поэтому сопротивление проводников не играет существенной роли. В транзисторных усилителях сопротивления каскадов существенно ниже (нагрузка вообще имеет сопротивление 4Ом), а токи гораздо выше, чем в ламповых усилителях. Поэтому влияние проводников тут может быть весьма существенным.

Сопротивление дорожки на печатной плате в шесть раз выше, чем сопротивление отрезка медного провода такой же длинны. Диаметр взят 0,71мм, это типичный провод, который используется при монтаже ламповых усилителей.

0.036 Ом в отличие от 0.0064 Ом! Учитывая, что токи в выходных каскадах транзисторных усилителей могут в тысячу раз превышать ток в ламповом усилителе, получаем, что падение напряжения на проводниках может быть в 6000! раз больше. Возможно, это одна из причин, почему транзисторные усилители звучат хуже ламповых. Это также объясняет, почему собранные на печатных платах ламповые усилители часто звучат хуже прототипа, собранного навесным монтажом.

Не стоит забывать закон Ома! Для снижения сопротивления печатных проводников можно использовать разные приёмы. Например, покрыть дорожку толстым слоем олова или припаять вдоль дорожки лужёную толстую проволоку. Варианты показаны на фото:

Импульсы заряда

Для предотвращения проникновения фона сети в усилитель нужно принять меры от проникновения импульсов заряда фильтрующих конденсаторов в усилитель. Для этого дорожки от выпрямителя должны идти непосредственно на конденсаторы фильтра. По ним циркулируют мощные импульсы зарядного тока, поэтому ничего другого к ним подключать нельзя. цепи питания усилителя должны подключаться к выводам конденсаторов фильтра.

Правильное подключение (монтаж) блока питания для усилителя с однополярным питанием показан на рисунке:

Увеличение по клику

На рисунке показан вариант печатной платы:

Увеличение по клику

Автору до сих пор попадаются усилители, у которых высокий уровень фона вызван неправильной разводкой земли и подключением дорожек от разных «потребителей» к выходам выпрямителя.

Пульсации

Большинство нестабилизированных источников питания имеют после выпрямителя только один сглаживающий конденсатор (или несколько включенных параллельно). Для улучшения качества питания можно использовать простой трюк: разбить одну ёмкость на две, а между ними включить резистор небольшого номинала 0,2-1 Ом. При этом даже две ёмкости меньшего номинала могут оказаться дешевле одной большой.

Это дает более плавные пульсации выходного напряжения с меньшим уровнем гармоник:

При больших токах падение напряжения на резисторе может стать существенным. Для его ограничения до 0,7В параллельно резистору можно включить мощный диод. В этом случае, правда, на пиках сигнала, когда диод будет открываться, пульсации выходного напряжения опять станут «жесткими».

Статья подготовлена по материалам журнала «Практическая электроника каждый день»

Для начала стоит понять важность этого вопроса поскольку он напрямую связан с надежностью и долговечностью работы звука в вашей машине. Очень многие, купив усилитель, тут же принимаются его ставить и подключать не задумываясь о том, что собственно говоря усилитель это достаточно серьезный потребитель энергии, потребление которого даже в дешевых моделях сопоставимо с потреблением энергии всей борт сетью авто и система питания авто в общем-то не рассчитывалась на такие нагрузки.

Кроме того мало кто вникает в суть работы автоусилителя. В частности в работу блока питания большинства усилителей. Если говорить обобщенными простыми словами то блок питания усилителя повышает напряжение для получения высокой мощности на выходе. при этом грубо говоря он преобразует потребляемый ток в выходное напряжение.

Для примера возьмем упрощенный теоретический идеальный блок питания кпд у которого 100%. Для большинства усилителей считается комфортным напряжение порядка 13-14в. Допустим наш блок питания потребив 14в и 16 ампер отдаст 30в и 7.3 ампер при расчете на 4х омную нагрузку. При этом выходная мощность блока составит 225 ватт.

Теперь если входное напряжение упадет на 1 вольт и составит 13в то на выходе блока питания будет 27.86в, а выходная мощность составит уже 194вт. То есть с 1 вольта мы потеряли 30 ватт на выходе. То есть просто заглушив машину мы потеряем 60 ватт.

А с просадкой до 10в на ударах баса мы уже потеряем 120 ватт то есть больше чем ВДВОЕ упадет мощность! А теперь давайте учтем все потери и кпд компонентов усилителя и то, что усилки питаются двуполярным питанием да еще и прикинем не такой дохлый пример как взяли мы а мощности более серьезной то станет понятно что потери мощности будут просто катастрофическими!

А с потерей мощности полезут клип, перегруз и остальные неприятные явления. Теперь нам точно понятно что питание это наше все!

Рассмотрим 2 варианта.

1) У вас еще не установлена аппаратура и вы только собираетесь ставить систему. В первую очередь стоит узнать какой генератор стоит в авто, какой ток он способен дать и на каких оборотах он выходит на свою норму. После этого стоит пересчитать холостые и близкие к ним обороты движка с учетом передаточного числа шкивов (это можно посчитать померяв диаметры шкивов).

Для работы с повседневной музыкой нужен тот генератор который даст достаточный ток для музыки, зарядки аккума и работы бортсети на оборотах близких к холостым. Тут тоже стоит понять что на заведенной машине музыка основную мощность потребляет с генератора. Если нет просадок генератора то потребление с аккума минимум.

Если вы не собираетесь делать дискотеку, то будет достаточно хорошего обычного аккума. Если дискотека нужна, то выносливый аккум большей емкости просто необходим. После этого подлежат замене силовые провода от генератора до аккумулятора, от массы движка до массы кузова (желательно прям от болтов крепления генератора) и от минуса аккума до массы кузова сечением таким же как и пойдет сила на музыку.

После этого необходимо согласно таблицам подбора сечения проводов выбрать параметры силового провода и приобрести его.

Силовой провод нужно тащить прямо от плюсовой клеммы аккумулятора (в случае отдельного минуса собственно от минусовой).

При этом обойдя стороной силовики дешевых фирм. Тут стоит опять обратиться к обобщенному грубому примеру. Сопротивление провода и просадки в проводе возникающие на резко возрастающем потреблении тока зависят от 3х величин. от длины провода, от сечения провода и от проводимости металлов которые используются в проводе. То есть если допустим взять какой-нибудь провод мистери с обмедненным аллюминием и толковый медный провод такого же сечения проводимость которого будет к примеру вдвое выше, то чтоб добиться такой же проводимости как у толкового медного вам придется либо вдвое укоротить ваш мистери или увеличить его сечение вдвое.

Что сами понимаете как минимум не практично. В тоже время если удастся укоротить вдвое силовой провод, то вполне хватит и провода вдвое меньшего сечения. При этом его проводимость не изменится относительно длинного. Из-за этого часто ставят фронтовый усь под панелью. По этому если и применяете дешевые провода то их сечение должно значительно превышать оптимал для этой нагрузки и их длина должна быть минимальным.

Большое сечение нам нужно не из-за физически допустимых пределов а из-за минимизации падения напряжения в проводе при раскачке усилителя! С этим определились. Теперь подумаем нужен ли вам отдельный минус от аккумулятора или достаточно будет минуса с кузова. Тут строгих рекомендаций нет. Единственное что можно сказать: отдельный минус это всегда хорошо. Он уменьшает влияние аппаратуры на борт сеть и питание усилителей с ним более стабильно. Хотя при небольших мощностях отдельный минус не обязателен. Кузов вполне справится.Достаточно лишь обеспечить надежный контакт зачистив до блеска место присоединения массы на кузов.

Также еще стоит упомянуть что минусовой провод должен быть таким же сечением что и +. От дистрибьютора можно разводить до усилителей питание более тонкими короткими проводами, но сохранение сечения после дистрибьютора для сабового усилителя считается хорошим тоном и лишним точно не будет. После этого необходимо уделить внимание всякого рода клеммам, дистрибьюторам питания и контактам.

Все клеммы и соединения от выхода генератора до портов усилителя должны быть максимально надежны и чисты. НИКАКИХ скруток, стыков, сопливых спаек и накидок на болты. Все контактные поверхности должны быть зачищены до блеска, а все клеммы для болтовых соединений должны быть надежно обжаты. На плохих контактах можно потерять до усилка больше вольта! который пойдет на нагрев и окисление этих самых соединений. При организации силового провода стоит тщательнейшим образом убедиться что нет оголенных поверхностей, что провод нигде не зажат и нет опасности что его перетрет.

В идеале стоит плюсовую силу уложить в автомобильную гофру. Лишняя безопасность не помешает. Отдельно стоит уделить внимание защиты силового провода: предохранителю или автомату.

Эти устройства должны стоять как можно ближе к аккумулятору, провод от них до клеммы должен быть максимально защищен.Номинал предохранителя рекомендуется выбирать согласно сумме всех предохранителей нагрузки.

При этом рекомендуется выбирать силовой чуть меньше получившейся суммы. Само собой разумеется, что держатель предохранителя должен стоять так, чтобы вы его не задевали при обслуживании двигла и чтоб на него не попадала влага. Только после организации всего вышеизложенного можно приступать к установке усилка. И именно по этому толковая установка усилителя невозможна за 1 вечер как это делают многие.

2) Второй случай если у вас уже стоит музыка которую вы поставили за 1 вечер. Тут очень желательно проверить все что вы установили. Проверить все достаточно просто. Но проверять стоит после того как пробежитесь по пункту выше. Нужны только вольтметр на 20 вольт и песня злых негров. Заводим машину, включаем трек на повтор и делаем громкость на максимум как обычно слушаем. Ну и начинаем мереть напряжение и просадки его на ударах баса. Меряем поочередно. На клемме генератора относительно корпуса двигателя, на клемме генератора относительно кузова машины, на клемме генератора относительно минусовой клемм аккума. Напряжение на клеммах аккума, напряжение после каждого соединения относительно клеммы минуса аккума и в последнюю очередь на клеммах усилителя. Нормальным считается питание на клеммах генератора 13.5-14.2в. при этом падение на ударах баса должно быть не ниже 13в. напряжение не должно отличаться на клемме гены независимо относительно чего вы его меряете (кузов, двиг, минус аккума).

При окончательной промерке на клемме усилка на малой громкости напряжение должно быть практически равно напряжению на клемме генератора а на максимальной раскачке просадка на усилителе должна быть не больше 1 вольта относительно просадок на клемме генератора.

При этом в идеале напряжение на клеммах усилка не должно падать ниже 13-13.5в. Если просадки большие, то постепенным промериванием вы определите какой участник цепи дает эту просадку и затем уже станет понятно как этого избежать. Также станет ясно нужен ли отдельный минусовой провод.

Следует четко понимать что система с неграмотным питанием в лучшем случае будет работать не качественно, размазанно и крайне не эффективно в плане мощности, в худшем будет мешать бортсети и возникнет опасность спалить тот или иной компонент системы.

Остановимся пока на блоке питания

Дабы максимально использовать микросхему и не перегревать, её следует устанавливать на радиатор без слюдяной или любой подобной прокладки, а сам радиатор изолировать от корпуса, так как на фланце микросхемы находится минус питания.

Теперь о выпрямительных диодах

Конденсаторы

Конденсаторы в блоке питания играют важную роль, и поэтому нужно ставить туда только конденсаторы, которые прошли проверку на утечку и пробой, также на собственную электрическую ёмкость. Эти конденсаторы следует шунтировать (включать параллельно) керамическими или плёночными конденсаторами с ёмкостью от 0,1 до 2 мкФ на 10000 мкФ электролитического конденсатора. Служат они для фильтрации питания от ВЧ помех и прочих наводок из питающей сети, так и норовящих попасть на вход усилителя и, усилившись, стать серьёзными искажениями в звуке. Ёмкость конденсаторов выбирают, исходя из расчёта 100 мкФ на 1 Ватт мощности .

Провода питания

Сигнальные провода

Соединительные разъёмы (входные и выходные)

На фотографиях мы видим сам блок питания, выполненный из основания из текстолита, на котором закреплён трансформатор (ТС-180 с перемотанной вторичная обмоткой), диодный мост (из 4х диодов д202в) на алюминиевом радиаторе, батарея конденсаторов.

На фото показано:

Автор работы: dts

1 комментарий: Звёзды на земле. Руководство по сборке усилителя мощности

Читайте также: