Сверхлинейный УМЗЧ с глубокой ООС

Журнал "Радио", номер 12, 1999г.
Автор: С. Агеев, г. Москва

Продолжение. Начало см. в "Радио",1999,#11 "Радио",1999,#10

    Блок питания. Устройство защиты и индикации искажений

    При высокой энергоемкости конденсаторов блока питания важен правильный выбор его трансформатора. Связано это с тем, что выпрямитель, работающий на батарею конденсаторов большой емкости, создает в обмотках трансформатора отнюдь не синусоидальный ток, который подразумевается в большинстве методик расчета трансформаторов. Пиковая величина (до 50 А) и скорость нарастания тока в этом случае оказываются существенно больше, чем при резистивной нагрузке. Это резко увеличивает излучение помех цепями питания. Кроме того, падение напряжения на обмотках оказывается большим, чем при работе трансформатора на равную по мощности активную нагрузку. Потери в обмотках определяются пиковым током, а выходная мощность выпрямителя - средним. Поэтому трансформатор для УМЗЧ должен быть очень мощным, с малым сопротивлением обмоток. Для уменьшения помех индукция магнитного поля в этом трансформаторе должна быть снижена по сравнению с обычными значениями [8]. Надо также учитывать, что потребляемая усилителем мощность при работе на комплексную нагрузку оказывается заметно выше, чем на активную (см. рис. 3 в первой части статьи - "Радио",1999,#10).

    Максимальная величина пульсаций на оксидных конденсаторах изготовителями нормируется и для конденсаторов большой емкости при комнатной температуре и частоте пульсаций 100 Гц редко допускается более 8...10 % от рабочего напряжения. Срок службы даже лучших конденсаторов при таких пульсациях и указанной на корпусе температуре (85 или 105 °С) обычно не превышает 2000 ч, увеличиваясь примерно в два с половиной раза при снижении температуры на каждые 10 °С [9]. Тем не менее концертные и бытовые усилители по экономическим соображениям проектируют с сильно заниженной емкостью конденсаторов (и завышенными пульсациями), поскольку считается, что концертный усилитель дольше гарантийного срока не проживет (его раньше сожгут или разобьют), а бытовой у большинства владельцев, как правило, используется не более чем на 10 % его мощности.(Немаловажная подробность: обычно полагают, что более высокотемпературные конденсаторы имеют и лучшие электрические характеристики. На самом деле это не так. Наоборот, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR - англоязычная аббревиатура) конденсаторов, рассчитанных на температуру до 105 °С, при прочих равных условиях почти вдвое выше, а допустимые токи - ниже, чем у менее теплостойких (до 85 °С).

    В описываемом усилителе относительная величина пульсаций на конденсаторах фильтра при полной нагрузке выбрана равной примерно 5 %, что и привело к суммарной емкости в плече в пределах 50...60 000 мкФ.

    Предположим, что уменьшение выходного напряжения выпрямителя под полной нагрузкой не превышает 5...7 % (напряжение холостого хода - 42...43 В, при токе 9...10 А оно снижается до 39...40 В, что соответствует потере 10...15 % мощности). В этом случае нетрудно определить, что выходное сопротивление выпрямителя не должно превышать 0,2...0,25 Ом. При выбранной величине пульсаций это требует приведенного к выходу суммарного сопротивления первичной и вторичной обмоток не более 0,05...0,06 Ом на плечо. С этой точки зрения лучше применить два отдельных для каждого канала трансформатора, поскольку легче будет разместить обмотки.

    Общеизвестно, что для обеспечения надежной работы АС в конструкции УМЗЧ должны быть предусмотрены меры их защиты от подачи на них постоянного напряжения и сигналов инфразвуковой частоты. Кроме того, из-за большой суммарной емкости конденсаторов питания и низкого сопротивления обмоток трансформатора включение подобного БП в сеть без ограничения тока недопустимо - ток зарядки конденсаторов может вызвать срабатывание предохранителей, выход из строя диодов выпрямителей. Поэтому предлагаемый УМЗЧ снабжен автоматикой, обеспечивающей "мягкую" зарядку конденсаторов блока питания, перезапуск при кратковременном пропадании сетевого напряжения, а также отключение АС на время пуска усилителя и при появлении постоянного напряжения на выходе УМЗЧ.

    Особенность схемотехники БП и автоматики состоит в том, что во времязадающих цепях оксидные конденсаторы не применяются. По мнению автора, они снижают надежность работы подобных устройств и стабильность их характеристик. Эксплуатационная надежность всего усилителя за счет соблюдения всех ограничений на режимы работы транзисторов, по оценке автора, существенно повышена, поэтому защита АС от постоянного напряжения при наличии разделительного конденсатора C1 на входе УМЗЧ (см. схему на рис. 4 во второй части статьи - "Радио",1999,#11) в любительской версии усилителя необязательна. Тем не менее при подготовке данной публикации эта функция была введена.

    Как видно из принципиальной схемы (рис. 7), для питания УМЗЧ используются два трансформатора. Первый - мощный T1 - имеет независимые обмотки для питания выходных каскадов двухканального усилителя, второй - маломощный T2, от него питаются предварительные каскады с ОУ и блок автоматики. Это улучшило помехозащищенность и снизило стоимость блока, поскольку облегчается подбор стандартных трансформаторов.

    Требования к трансформатору T1 для стереоусилителя таковы: ток холостого хода - не более 40 мА (это при сетевом напряжении 242 В), сопротивление первичной обмотки не должно быть более 1,2 Ом, суммарное сопротивление между концами обеих половин обмотки 2x30 В - не более 0,07...0,08 Ом. Напряжение холостого хода между средней точкой и каждым из концов обмотки при этом должно быть в пределах 29...31 В (при напряжении сети 220 В). Дополнительные обмотки для получения выпрямленных напряжений +52...54 В должны иметь напряжение холостого хода по 8...9 В и сопротивление не более 1 Ом каждая. Суммарная асимметрия напряжения обмоток не должна превышать 0,3 В.

    При самостоятельном расчете трансформатора Т1 под имеющийся в наличии магнитопровод сечением не менее 10 см2 (не менее 6 см2 для раздельных трансформаторов) целесообразно воспользоваться рекомендациями в [8]. Заметим, что стержневые магнитопроводы (ПЛ) с тщательно пришлифованными стыками не уступают кольцевым (ОЛ) по ряду показателей при более технологичной намотке катушек.

    Ток холостого хода трансформатора T2 не должен превышать 10 мА (при напряжении сети 242 В), а сопротивление его первичной обмотки - 150 Ом. Две вторичные обмотки, соединенные с VD20, VD26, должны иметь напряжение холостого хода между крайними выводами 34...38 В и сопротивление до 3...4 Ом, а третья обмотка - 25...29 В и сопротивление не более 2 Ом. Все три обмотки имеют отвод от средней точки, асимметрия напряжений на их половинах допускается не более 0,2 В.

    Весьма желательно, чтобы трансформаторы имели экранирующие обмотки.

    Например, мощный трансформатор Т1 можно выполнить на стержневом магнитопроводе ПЛМ 32x50x90 из высококачественной стали Э330А (при пиковой величине индукции 1,1 Тл).

    Все мощные обмотки разделены так, что их секции, размещенные на двух одинаковых катушках, соединены последовательно, при этом ток любой из обмоток проходит через обе катушки - в этом случае наводки минимальны.

    В каждой секции сетевая обмотка (крайние выводы 1-2) содержит по 285 витков провода Ø1,4 мм. Вторичные обмотки 4-5, 5-6 и 9-10, 10-11 также разделены пополам, при этом в каждой из восьми секций содержится по 40 витков провода Ø2...2,1 мм; обмотки 3-4, 6-7, 8-9, 11-12 не секционированы, имеют по 24 витка и намотаны в два провода Ø0,5 мм.

    Для обмоток следует использовать провод ПЭВ-2 или аналогичный. Экранная обмотка - незамкнутый виток из алюминиевой фольги, ламинированной лавсаном. Контакт с ней достигается с помощью закладываемой под нее полоски луженой сетки. Экранная обмотка размещается между первичной и вторичной обмотками. Намотку катушек производят на гильзе с предельной плотностью укладки.

    Рассмотрим работу автоматики. Пусковой ток трансформатора T1 при включении усилителя кнопкой SB1 ограничивается резисторами R11 и R12 (рис. 7). Далее, по истечении примерно 20 с, эти резисторы шунтируются встречно-параллельной парой оптотиристоров VS1 и VS2, затем через 8 с подключается АС. Временная последовательность задается с помощью простейшего конечного автомата на микросхемах DD3 и DD4, а триггер DD5.2 используется для привязки момента включения оптотиристоров к моменту малого мгновенного напряжения в сети. Триггер DD5.1 фактически использован как инвертор.

    После включения SB1 на выходе элемента DD1.4 за счет действия цепи R10C9 в течение примерно 2 с сохраняется напряжение низкого уровня, через инвертор DD3.2 оно обнуляет счетчики DD4. В этом состоянии оптотиристоры (а также реле К1) выключены, трансформатор T1 подключен к сети через балластные резисторы, а нагрузка от усилителя отключена. По окончании режима сброса включаются генератор импульсов и делитель частоты в составе DD4. При этом на выходе первой секции делителя (выв. 1 DD4) появляются импульсы с частотой примерно 2 Гц. Через элемент DD3.1 они проходят на вход второй секции делителя частоты. По прохождении 32 импульсов высокий уровень на выводе 5 DD4, следуя через DD5.2, открывает VT1, управляющий оптотиристорами VS1 и VS2. Еще через 16 последующих импульсов низкий уровень на выходе DD3.3 блокирует дальнейший счет и после инверсии в D-триггере DD5.1 открывает VT2, включающий обмотку реле К1.

    Устройство контроля сетевого напряжения выполнено на резисторах R20- R22, конденсаторе C8, диодах VD12- VD14 и элементах DD1.3, DD1.4. Если в сетевом напряжении появляются пропуски периодов или резкие "провалы" напряжения, то напряжение в точке соединения R22 и С8 становится меньше порогового для DD1.3 (4...5 В), что приводит к сбросу DD4 через элементы DD1.4 и DD3.2. Импульсы с частотой сети для тактирования D-триггеров DD5 снимаются с выхода DD3.4. Появление в процессе пуска на выходе УМЗЧ постоянной составляющей величиной более 0,6...0,7 В вызывает срабатывание какого-либо из компараторов DA4, и через DD3.2 также сбрасывает DD4, что блокирует процесс включения.

    Применение двух оптотиристоров вместо одного оптосимистора вызвано тем, что, во-первых, оптотиристоры менее дефицитны, а во-вторых, симисторам присуща асимметрия падения напряжения, вызывающая подмагничивание магнитопровода трансформатора постоянным током. Это резко увеличивает наводки.

    Подключение АС к усилителю осуществляется двумя группами нормально разомкнутых контактов реле K1. Оптимальное (с точки зрения минимизации искажений) место включения контактной пары реле - в разрыв между собственно усилителем и выходным RLC-фильтром (конденсатор С52 остается подключенным к L1, R118 - см. схему на рис. 4). На печатной плате усилителя для этого предусмотрены точки подпайки ленточного кабеля,"" идущего к контактам реле. Практически же, в случае четырехпроводного подключения нагрузки, контакты реле можно подключать и к выходу RLCфильтра, в разрыв провода между точкой соединения L2, R120, R121 и выходной цепью УМЗЧ (+АС) с конденсатором С79 (он размещен на клеммах для подключения АС). Надо сказать, что реле - не очень надежный элемент, поскольку его контакты могут "пригореть".(Ленточный кабель с чередующимися "прямым" и "обратным" проводниками использован для снижения паразитной индуктивности).

    Более надежное решение - построение защиты АС на основе шунтирования выхода усилителя мощным симистором, способным выдержать силу тока через пробитые транзисторы выходного каскада. Однако емкость столь мощного симистора весьма велика и, что самое главное, нелинейна (зависит от напряжения). Поэтому применение такого элемента увеличивает интермодуляционные искажения на высших звуковых частотах до сотых долей процента.

    Отличительной особенностью устройства обнаружения постоянного напряжения на выходе усилителя является применение двухзвенного ФНЧ. Благодаря этому снижены постоянные времени фильтров и исключены оксидные конденсаторы, повышены надежность, чувствительность и быстродействие устройства защиты. Время его срабатывания с момента появления постоянного напряжения 2 В не превышает 0,25 с, при напряжении 20 В - не более 0,08 с. При срабатывании защиты АС отключаются также и оптотиристоры.

    Устройство индикации искажений в каждом канале представляет собой комбинацию из порогового узла с зоной нечувствительности (его еще называют "оконным" компаратором), построенного на двух элементах DA3.1, DA3.2, и цифрового ждущего мультивибратора с перезапуском (на соответствующей "половинке" DD2). Принцип его действия основан на том, что в исходном состоянии счет блокирован высоким уровнем на выходе четвертого триггера счетчика. При сбросе счетчика, вызываемом срабатыванием любого из двух объединенных по выходу компараторов, низкий уровень на выходе четвертого триггера одновременно разрешает счет и зажигает светодиод индикации искажений (HL1 или HL2 соответственно). По приходу восьмого тактового импульса счетчик возвращается в исходное состояние, блокируя дальнейший счет. Одновременно гаснет соответствующий светодиод. Таким образом, индикация перегрузки действует в течение всего времени, когда напряжение на входах компараторов выходит за пределы зоны нечувствительности и сохраняется еще 7-8 периодов тактовых импульсов (3...3,5 с) после возвращения компараторов в исходное состояние.

    Аналогичные "оконные" компараторы на элементах DA4 использованы и для определения наличия постоянной составляющей на выходе УМЗЧ. Опорные напряжения (0,5...0,6 В) компараторам заданы параметрическими стабилизаторами R18VD18 и R28VD19. Преобразование выходных уровней компараторов, питающихся от напряжений +12 В, к уровням логических микросхем, питающихся от источника +12 В, выполнено на резисторах R3 и R4, R7 и R8, R19 и R29. Цепь R25С12 обеспечивает форсированное включение и выключение реле К1. Использованное автором реле фирмы Omron имеет номинальное напряжение срабатывания 12...15 В и ток 40 мА. Однако можно подобрать отечественное реле, при необходимости изменив номиналы элементов R25, R45, C12. Единственное принципиальное требование к нему - его контакты должны быть рассчитаны на ток не менее 15 А при напряжении не менее 50 В.

    Стабилизаторы источников питания для ОУ обоих каналов усилителя выполнены на микросхемах DA5-DA8. Использование микросхем регулируемых стабилизаторов КР142ЕН12 (LM317) и КР142ЕН18 (LM337) вызвано двумя причинами. Во-первых, для повышения частотных характеристик и динамического диапазона ОУ их напряжение питания выбрано близким к максимально разрешенному (+18 В) и нестандартно - +16,5...17 В. В данном усилителе это вполне допустимо, поскольку ОУ по выходу нагружены слабо. Требуемое выходное напряжение стабилизаторов задано внешними резисторами. Во-вторых, за счет применения конденсаторов C25, C28, C35 и C38 на порядок улучшено подавление пульсаций и шумов стабилизаторов (по сравнению с микросхемами на фиксированное выходное напряжение) - они не превышают 0,2 мВ. С целью предотвращения образования "земляных" контуров для каждого канала использованы отдельные изолированные источники питания.

    Ввод напряжения сети производится через фильтр, образованный элементами С17-С20 и T3 - так называемым синфазным трансформатором (или синфазным дросселем). Последний представляет собой обмотку из сложенных вместе жгутом трех проводов на ферритовом кольце большого типоразмера. Число витков обмотки некритично; для кольцевого магнитопровода сечением примерно 1 см2 из феррита, например марки 1500НМ, достаточно около 20 витков. Этот фильтр существенно улучшает защиту усилителя от помех, проникающих из сети. Все соединения в цепях ввода сети нужно выполнять проводом сечением не менее 2 мм2 . Фильтр R35R36C21 предотвращает проникание помех от работы тиристоров VS1, VS2 в малосигнальные цепи через трансформатор T2. Выключатель SB2, в зарубежной аппаратуре обозначаемый как "Ground Lift" (отсоединение "заземления"), позволяет при необходимости отключить корпус усилителя от защитного заземления сети, если оно имеется.

    Кстати, с той же целью повышения помехозащищенности данного усилителя предусмотрено включение синфазных трансформаторов и во входных сигнальных цепях. Об этой весьма полезной детали при конструировании аппаратуры зачастую забывают или экономят на ней. Поэтому некоторые мелкие фирмы (например, Transparent Audio Technology) организовали весьма прибыльный бизнес по торговле межблочными кабелями со встроенными синфазными трансформаторами (иногда с помехоподавляющими фильтрами) для улучшения помехозащищенности аппаратуры. Польза от этого действительно есть, но на $500 (цена не самого дорогого межблочника вышеупомянутой фирмы) никак не тянет.

    О возможных заменах элементов.

    Микросхема К1401СА1 - точный аналог LM339 (BA10339, KA339, KIA339, HA17339, PC339). При их отсутствии можно использовать К554СА3. Аналогом КР1157ЕН1202 (в корпусе КТ-26) является микросхема 78L12 (другие аналоги могут иметь различие в цоколевке выводов), а КР1168ЕН12 - 79L12. Вместо КР142ЕН12 вполне подойдут LM317, KA317, а вместо КР142ЕН18 - LM337, KA337 (все - в корпусах ТО-220). При монтаже их надо установить на радиаторы площадью 15...25 см2. Транзисторы КТ972 (VT1, VT2) могут быть заменены на любые составные транзисторы структуры n-p-n (например КТ829), рассчитанные на ток не менее 150 мА, или транзисторы, сохраняющие большой коэффициент передачи тока (более 60) при токе 100 мА, например, на КТ815. Диоды КД243 - это аналог 1N4002-1N4007, КД521 - 1N4148.

    Резисторы R11, R12 - типа С5-16 или группы ПЭ. Основное требование к ним - способность выдерживать кратковременные перегрузки во время зарядки конденсаторов блока питания. С этой точки зрения отечественные резисторы оказываются более надежными. Конденсаторы С1, C2, C6, C7, C24, C27, C34, C37 - керамические, на напряжение 25 В, например, КМ-6, К10-17, К10-23 или аналогичные импортные, группа ТКЕ - Н30, хотя допустима и Н70. Конденсатор C16 - пленочный (К73-9) или керамический (К10-17) группы ТКЕ не хуже М1500. Конденсаторы C4, C5, C8-С11, C13, C14 - К73-17 или аналогичные импортные. Помехоподавляющие конденсаторы C17- C21 - типа К78-2 или аналогичные импортные, специально предназначенные для работы в цепях фильтрации (их корпус обычно усеян значками сертификации безопасности).

    Оксидные конденсаторы - К50-35 или импортные аналоги. Резисторы R37-R44 должны быть либо точными (серий С2-13, С2-26, С2-29 и т. п.), либо подобранными из близких по номиналу МЛТ, ОМЛТ, С2-23. Резисторы повышенной мощности - 2 Вт - МЛТ, ОМЛТ, С223 или их импортные аналоги. Остальные маломощные резисторы могут быть углеродистыми - С1-4, ВС и проч. Выпрямительные мосты КЦ405 заменимы на КЦ402, КЦ404 или на набор диодов КД243 (1N4002-1N4007). В качестве оптотиристоров VS1, VS2 применимы любые из серии ТО125 с классом по напряжению 6 и более (ТО125-10-6, ТО125-108, ТО125-10-10, ТО125-12,5-6, ТО12512,5-10 и т. п). Можно также использовать и серию ТО132.

    Выпрямительные мосты серии КЦ407 также могут быть заменены на набор диодов КД243 (1N4002-1N4007).

    Если усилитель планируется часто использовать на полной мощности, выпрямительные мосты в усилителе (VD38- VD41 на рис. 4) полезно умощнить, включая параллельно в каждое плечо моста по паре диодов КД213, а при возможности - заменить на более мощные КД2997. Использовать низкочастотные выпрямительные диоды не следует из-за явно выраженного эффекта "скачкообразного восстановления": выключение диода происходит с задержкой на рассасывание накопленных носителей заряда. Окончание этого процесса порождает большие помехи. Шунтирование диодов конденсаторами при этом помогает слабо. С высокочастотными диодами (КД213, КД2997, КД2995 и т. п.) этой проблемы не возникает.

    Можно также использовать диоды Шоттки, рассчитанные на напряжение не менее 100 В. Что касается применения импортных высокочастотных диодов, то их нужно брать на ток не менее 30 А, поскольку эта величина, как правило, для зарубежных высокочастотных диодов представляет собой либо допустимый пиковый ток, либо средневыпрямленный ток на активную нагрузку, а не средневыпрямленный ток при работе на емкостный фильтр, как для большинства отечественных диодов. В частности, можно порекомендовать диоды 40CPQ100 и 50CPQ100 (IR), однако розничная цена их составляет около $6...7.

Литература

8. Поляков В. Уменьшение поля рассеяния трансформаторов. - Радио, 1983, # 7, с. 28, 29.

9. ECAP Theory. - Издание фирмы EvoxRifa Co., 1997.







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2018 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.