AUDIO STIPRINTUVO IMPULSINIS MAITINIMO BLOKAS SU APSAUGOMIS NUO PERKROVIMO ::: 2020 ::: ⌂⌂⌂

Audiofilų o ir šiaip gero garso mylėtojų tarpe yra paplitusi nuomonė, kad geram audio stiprintuvui yra tinkamas tik tradicinis maitinimo blokas. Kitaip sakant kilograminis transformatorius, geriau toroidas ir prie jo didžiulės talpos elektrolitinių kondensatorių rinkinys. Man kilo noras pačiam įsitikinti, ar tikrai yra didelis blogis impulsinis maitinimas audio aparatūroje. Ir vienas ir kitas maitinimo tipas turi savo privalumų ir trūkumų. Kai kurie yra tikri, kai kurie menami.

Kadangi audio stiprintuvui reikia kiek specifinio maitinimo, dvipoliario su viduriniu tašku, mažai spinduliuojančio aukštadažnių trikdžių, tokio prekyboje nepavyko rasti. Todėl nusprendžiau sukonstruoti pats.

pcb

Populiari nuomonė kad audio stiprintuvams netinka impulsinis maitinimas yra ginčytina. Ta nuomonė didele dalimi yra kilusi dėl to, kad rezervuotai žiūrima į palyginti mažos talpos filtro kondensatorius tokio maitinimo išėjime. Tačiau pamirštamas paprastas faktas, kad išėjimo talpumai yra papildomi maždaug 1000 kartų dažniau nei maitinant klasikiniu būdu, išlyginant 50Hz tinklo įtampą. Jei impulsinis dirba 50 000 Hz dažniu, jo efektyvusis talpumas bus 1000 kartų didesnis. Impulsiniame maitinime gerokai svarbesni yra talpumai stovintys iškart po tiltelio. Esant didelei apkrovai išėjimo įtampa bus pramoduliuota 100Hz dažniu, lygiai taip pat kaip ir klasikinio maitinimo atveju. Laikoma kad tie talpumai turi būti 1mkF/1W eilės. Taigi, panaudoti 470mkF kondensatoriai teoriškai tiktų maitinti maždaug iki 470W galios stiprintuvui.

Impulsiniai maitinimo šaltiniai dažnai yra peikiami dėl jų neteisingo pagaminimo. Tokių yra daugybė. Labai svarbus yra PCB ištrasavimas. Svarbus dėl schemos patikimumo ir dėl skleidžiamų impulsinių trikdžių. Teisingai ištrasuotoje plokštėje tie trikdžiai yra minimalūs, praktiškai nepastebimi. Čia reikia didelės patirties AD srityje. Plokštė yra dvipusė, panaudoti ir DIL ir SMD elementai. To prireikė taupant vietą ir norint viską sukišti į nedidelę 100x100mm plokštę. Toks jos dydis nulemtas Kinijos PCB gamintojų marketingo ypatumų, kadangi bent kiek didesnės plokštės kaina staigiai šauna aukštyn.

Dvipusė plokštė duoda galimybę gerokai susilpninti skin efektą stiprių srovių pusėje dubliuojant takelius vieną virš kito.

Schema ir veikimo principas

circuit

Pati schema beveik klasikinė, daugybė panašių yra internete. Galiniams raktiniams mosfetams valdyti panaudota populiari mikroschema IR2153. Kas įdomu, ji buvo sukonstruota kaip valdiklis dienos šviesos lempų balastui :) Tačiau dėl savo patikimumo, mažos kainos ir kitų savybių ją naudoja netgi rimti gamintojai savo impulsiniuose maitinimo šaltiniuose.

Mikroschema generuoja stačiakampius impulsus, kurių dažnis užduodamas RC grandinėle R2 C3, pagal schemoje parodytus dydžius dažnis bus artimas 50kHz. Kaip mikroschema veikia, galima plačiau paskaityti gamintojo PDF.

Pradėsime nuo pradžios. Elementai R7, C1, L2, CY1 yra tinklo filtras skirtas nepraleisti aukštadažnių maitblokio komutacinių trikdžių į išorę. R8 ir relė K1 yra "minkšto" starto elementai, skirti nugesinti didelį srovės impulsą įjungimo metu kai užkraunami didelės talpos kondensatoriai C7 ir C8. Relė yra valdoma iš specialaus blokelio su mikrokontroleriu, bet jei tokio nenaudojame, relės galima nedėti o R8 pakeisti NTC varistoriumi keleto Omų varžos. Apskritai visus šiuos elementus galime surasti sename kompiuterio maitblokyje ir sėkmingai panaudoti.

Kitas kritiškai svarbus impulsinių maitinimo blokų elementas yra impulsinis transformatorius.Šioje konstrukcijoje yra panaudota šerdis iš seno kompiuterinio maitblokio. Transformatorius pervyniotas, duomenys matomi principinėje schemoje. Pirminė suvyniota dviem 0,4mm diametro laidais iš karto, vienas šalia kito. Viso du sluoksniai po 24 vijas. Sluoksnai atskirti kaptonine izoliacine juosta, kitokios nepatartina naudoti. Labai savarbu - tarp pirminės ir antrinių apvijų įdėtas varinės folgos ekranas. Ekranas daromas taip: paimama transformatoriaus lango pločio popierinė lipni dažytojų juosta ir prie jos priklijuojama varinė folga, kiek siauresnė nei popierius, nuo krašto atitraukianr maždaug po 1mm. Varis turi būti tokio ilgio, kad apsukus šerdį susidarytų 1 vija. JOKIU BŪDU NEUŽTRUMPINTI ŠIOS VIJOS GALŲ! Šis ekranas sujungamas su GND. Toliau vėl kaptoninė izoliacija ir suvyniojamos dvi antrinės po 11 vijų 0,8mm laidu ir atitinkamai sufazuojamos. Antrinės irgi vyniojamos iškart dviem 0,8mm laidais, tik jie nėra sujungti lygiagrečiai kaip pirminėje apvijoje. Antrinės apvijos karkase paprastai būna 6 kontaktai. Atsimatuojame du laido gabalus kad jo ilgio užtektų suvynioti 11 vijų (su atsarga). Vieną laidą prilituojame prie 1 karkaso kontakto, antrą prie 4, ir vesdami laidus lygiagrečiai, niekur nesukryžiuojant, suvyniojam 6 vijas. Tada atsargiai uždedam izoliacinės juostos porą sluoksnių ir vyniojam dabar jau žemyn, link kontaktų dar 5 vijas. Nukerpam galus, atsargiai kad neišsivyniotų ir praskambinam. Tos apvijos, kuri buvo prilituota prie 1 kontakto kitą galą prilituojam prie 3. Kito laido, kuris buvo prilituotas prie 4 kojos galą prilituojam prie 6 kontakto. Jokiu būdu nepažeisti lygiagrečių laidų izoliacijos! Vėl viską izoliuojam juosta ir galima uždėti šerdį. Jei nedarom apsaugos schemutės, plokštėje įlitavus transformatorių užtrumpinam 3 ir 4 kontaktus.

Kiek teko matyti panašių maitblokių, niekur nepastebėjau kad būtų pagalvota apie elementų pakeitimo patogumą kuriam iš jų sudegus (maža tikimybė, bet visgi). Prireikus pakeisti, sakykim, raktinį tranzistorių tenka išlituoti krūvą detalių. Čia apie tai pagalvota, šie elementai išorėje. Foto. Matomas radiatorius paimtas iš Antec maitblokio, tokio gero šiame maitblokyje netgi nereikia. Niekas nekaista, radiatorius prie 100W atiduodamo galingumo vos šiltas.

Išėjimo droseliai L1 ir L2 susukti ant 6mm diametro feritinių strypelių 0,8 mm laidu ir turi po 12 vijų. Jie paimti iš seno kompiuterinio maitblokio.

Schema turi tiristorinę apsaugą nuo perkrovimo ar trumpo jungimo. Apsaugą sudaro šie elementai: D7, T1, R10, C11, R11, R12, C10, R9, D8, D9, R6, IT. Jei tokios nereikia, galima šių elementų į plokštę nelituoti. Srovės transformatoriukas susuktas ant nedidelio žiedelio (nekritiška), pirminę apviją sudaro viena vija 0,8mm laido, antrinė suvyniota iš karto dviem 0,2mm laidais 45 vijas dėl simetrijos ir paskui sukomutuota sujungiant abi apvijas nuosekliai, pirmos galą sujungiant su antros pradžia. Foto. Jei apsaugos nededame, vietoje pirminės vijos įdedam trumpiklį. Schema veikia taip: neleistinai padidėjus srovei per antrines impulsinio transformatoriaus apvijas padidėja ir impulsų srovė per pirminę STR apviją. Nuosekliai su ja įjungtas srovės transformatoriukas IT, jo antrinėje apvijoje padidėja įtampa kuri išlyginama diodais D8 ir D9, per potenciometrą R12, kuris nustato suveikimo slenkstį suveikia tiristoriukas T1 ir užtrumpina mikroschemos maitinimą bei generatoriaus grandinėlę. Impulsai nutrūksta. Norint vėl paleisti maitblokį reikia jį išjungti iš tinklo ir palaukti apie 1 min. kol išsikraus maitinimo kondensatoriai C7 ir C8. Šie kondensatoriai yra užšuntuoti 68k 2W rezistoriais, jie prilituoti iš kitos PCB pusės, schemoje neparodyti.

Testavimas

Pirmas jungimas, kaip taisyklė, daromas pajungus nuosekliai į vieną iš tinklo laidų 100W elektros lemputę. Tai daroma tam, kad esant kokiai klaidai schemoje ar montaže nesudegintume krūvos elementų. Jei viskas tvarkoje, lemputė esant maitblokiui tuščioje eigoje turi trumpam blykstelti (kondensatorių C7 ir C8 pasikrovimo impulsas) ir po to užgesti. Galime pamatuoti išėjimo įtampas. Be apkrovos turi būti arti +/-36V. Palaikome apie 10 min, žiūrime ar nekaista raktiniai tranzistoriai ir STR transformatorius. Jei ne, išbandome su apkrova. Tam galima pajungti porą galingų keraminių rezistorių ir įmerkti aušinimui juos į vandenį. Foto. Pratestuota su 150W apkrova, vanduo užvirė ir parudavo. Tranzistoriai ir diodai bei STR transformatorius po 10 min šilti, bet ne karšti.

Oscilogramos

Pamatuojame oscilografu kas darosi antrinėje STR transformatoriaus grandinėje. Vaizdelis standartinis, komutacija vyksta 47,2 kHz dažniu, oscilogramoje matomas nemažas komutacinis "skambėjimas". Foto. Tas "skambėjimas" yra nepageidautinas ir yra slopinamas pirminei STR apvijai pajungta nuoseklia RC grandinėle, vadinamuoju snubberiu. Bandžiau kaitalioti tuos RC grandinėlės nominalus, bet to "skambėjimo" nepavyko panaikinti. O dabar paradoksas, atsitiktinai pamatavau visai be snubberio ir va, beveik ideali komutacija! Foto. visai nesitikėjau tokio efekto. Dabar įdomu kas darosi išėjime, kokia kintamos įtampos (trikdžių) dedamoji. Čia matome 72mV trikdžių lygį esant 20W apkrovai. Foto. Nemanau, kad 72mV yra dydis į kurį verta kreipti dėmesį kai pilna maitinimo įtampa 72V (+/-36V).

Toliau viskas pratestuota su "gyvu" stiprintuvu. Pažiūrėjus į foto neišsigąskite, tai tik maketinis korpusas prie kurio prisukti stiprintuvo mazgai. Rezultatas - nepastebėjau skambesio skirtumo tarp impulsinio maitinimo ir klasikinio su toroidu bei dideliais kondensatoriais. Foto. Pastebėjau mažesnį maitinimo įtampos prasėdimą grojant dideliu garsu. Paplitusi nuomonė kad stiprintuvas su impulsiniu maitinimu blogiau atkuria bosus ar dar kažką visai neteisinga.

Blokelio principinė schema Autodesk Eagle formatu ir jos montažinė schema.

Apie kokybiško ferito svarbą - nepasisekęs eksperimentas

Buvo atliktas eksperimentas panaudojant ne šerdį nuo kompiuterinio maitinimo bloko, bet pabandyta susukti impulsinį transformatorių ant feritinio žiedo. Toks būdas turi savo privalumų, pavyzdžiui lengviau pasiekiama antrinių apvijų simetrija. Laikantis tos pačios skaičiavimo metodikos buvo susukti 2 toroidai, vienas 50W galiai, kitas 200W galiai. Abu žiedai feritiniai, 2000HM markės, parinkti pagal norimą išgauti galią. Foto. Pajungus viskas kaip ir be problemų veikia, tiek su didesniu, tiek su mažiuku toru. Oscilogramų vaizdas džiugina, ideali komutacija. Pamatuojame įtampas - viskas pagal apskaičiavimą.

Tačiau per anksti buvo džiaugtasi. Po 5 minučių, dar be jokios apkrovos, užkaito ir vieno ir kito transformatorių toroidai. Užkaito būtent šerdys, o ne apvijos taip kad sunku nulaikyti ranką. Pasidarė aišku, kodėl tokios gražios oscilogramos, nesimato jokių pašalinių virpesių, taip vadinamo "skambėjimo". Tas skambėjimas būna gerokai aukštesniuose dažniuose nei maitblokio komutacinis 45kHz, jis paprastai viršija 100khz. Tokie dažniai slopinami prastos kokybės ferite, jie nueina į nuostolius. Kaip matome rusiškas feritas nesusitvarko ir su 45kHz. Jame net tokiuose dažniuose yra dideli energijos nuostoliai. Taigi meskite lauk rusišką šlamštą ir naudokite Ferroxcube (EPCOS) feritinius gaminius. Ten nebūna tokių problemų.

Transformatorius ant toroido

circuit pcb

Toliau aprašytas supaprastintas šio maitblokio variantas. Jame nėra apsaugos nuo perkrovų ir vietoje EI tipo šerdies panaudotas kokybiškas Ferroxcube 38x19x13 mm ferito žiedas (žalias). Ant žiedo šiuo atveju yra lengviau suvynioti, kadangi vijų skaičius visai nedidelis. Pirminė turi 38 vijas dvigubu 0,4 mm laidu skin efekto sumažinimui, antrinė 2x9 vijas 0,8 laidu. Išėjimo įtampa bus artima 32V. Antrinė apvija vyniojama iš karto dviem laidais, kitaip bus praktiškai neįmanoma pasiekti išėjimo įtampų simetrijos. Jokiu būdu nepažeisti laidų izoliacijos ir būtinai naudoti naują, nenuvyniotą nuo ko nors laidą! Su tokio storio laidais ir su šiuo nediduku žiedu galima nuimti 150W galios ir žiedas praktiškai nešyla. Pirminė apvija nuo antrinės atskirta kaptoninės izoliacijos sluoksniu. Visos kitos nelabai tinka, nes dauguma buitinių juostų nepakankamai atsparios temperatūrai ir pramušimui esant aukštiems dažniams.

Išėjimo droselis DR1 susuktas ant amorfinės geležies geltonos spalvos 22 mm diametro žiedo iš seno kompiuterio maitblokio. Susuktas iš karto dviem laidais ir turi po 11 vijų 0,8 mm diametro laidų. Laidai paimti skirtingos spalvos izoliacija, kad nebūtų sumaišytos teigama ir neigama išėjimų įtampos, sumaišius gresia trumpas jungimas pramušus elektrolitinius kondensatorius išėjime!

Maitinimo bloko principinė schema Autodesk Eagle formatu ir jos montažinė schema.

Čia parodyta impulsų antrinėje transformatoriaus apvijoje oscilograma . Prie transformatoriaus pirminės apvijos iš plokštės apatinės pusės prilituotas snubberis iš nuosekliai sujungtų maždaug 2W 100 Om rezistoriaus ir 2200pF 1kV kondensatoriaus. To gali prireikti įtampos "skambėjimui" sumažinti ir priklauso nuo panaudoto ferito markės.

Plokštėje numatyta ne po vieną transformatoriaus laido prilitavimo tašką, jei prireiktų vynioti didesnio galingumo transformatorių ir naudoti daugiau lygiagrečiai jungtų laidų apvijose.