Jonathan Filippi
Напряжения бортовой сети легкового автомобиля (12 В) недостаточно, чтобы получить большую выходную мощность от аудио усилителя, поэтому для питания усилителя необходим повышающий преобразователь.
Какую же неискаженную мощность можно получить при однополярном напряжении питания 12 В?
(Uп × 0.709 / 2)2 / Rд,
где
Uп – напряжение питания,
0.709 – коэффициент пересчета на действующее значение звукового сигнала,
Rд – сопротивление динамика.
Итак, (12 × 0.709 / 2)2 / 4 = 4.5 Вт. Не впечатляет…
Для питания мощного усилителя звуковой частоты лучше всего применять двуполярное симметричное питание, например, ±20 В.
Тогда (20 × 0.709)2 / 4 = 50 Вт. Разница существенная, не так ли?
Предлагаемый блок питания предназначен для питания двухканального усилителя с максимальной мощностью 50 Вт на канал. Если требуется иное значение мощности, выходное напряжение может быть легко изменено.
|
Надписи на схеме |
|
|
70A 4 mOhmsMOSFET |
MOSFET транзистор с сопротивлением открытого канала 4 мОм |
|
Ferrite bead |
Ферритовая бусина |
|
Powder iron toroid |
Кольцо из порошкового железа |
|
5*5;10*10, turns, AWG22*3 primary, |
Первичная обмотка – 5+5 витков тройного провода 0.32 мм2, |
|
Shottky, 3 Arectifier |
Диод Шоттки на 3 А |
Как работает схема?
Это классическая схема двухтактного преобразователя, выдающего симметричное двуполярное напряжение. Имейте в виду, что устройство будет потреблять довольно значительный ток (около 10 A), так что необходимо найти провода подходящего сечения и надежно их припаять, иначе потери напряжения на входе могут оказаться недопустимо большими.
Конструкция трансформатора должна быть направлена на снижение скин-эффекта. Это можно сделать, использовав несколько соединенных параллельно обмоточных проводов. Выходное напряжение зависит от коэффициента трансформации и скважности рабочего цикла. У меня коэффициент трансформации 2, так как количество витков трансформатора 5+5 и 10+10. За счет динамического управления контроллером ШИМ TL494, выходное напряжение поддерживается на уровне 20 В.
Повышающий коэффициент трансформатора должен быть немного выше требуемого, чтобы компенсировать потери на выпрямительных диодах, на сопротивлении обмоток, а также снижении входного напряжения из-за падения на входных проводах.
Конструкция трансформатора
Для заявленной мощности трансформатор должен быть достаточно большим. Сердечник моего трансформатора имеет длину 33.5 мм, высоту 30.0 мм и ширину 13 мм, при этом площадь поперечного сечения равна 1.25 см2. Этого достаточно для того, чтобы на частоте 50 кГц получить мощность 150 Вт.
Провода обмоток, особенно первичной должны быть довольно большого сечения, но вместо одного провода лучше использовать несколько проводов параллельно. Это снизит внутреннее сопротивление, которое увеличивается из-за скин-эффекта. Первичная и вторичная обмотки имеют отвод от середины, это означает, что вы должны намотать 5 витков первичной обмотки, сделать отвод, и намотать еще 5 витков. То же самое необходимо сделать и при намотке вторичной обмотки: 10 витков, отвод, и еще 10 витков.
Очень важно, чтобы сердечник трансформатора не имел воздушных зазоров, иначе возникнут большие индуктивные выбросы напряжения, превосходящие уровень рассчитанного выходного напряжения. Поэтому, если выходное напряжение (при полном коэффициенте заполнения импульсов ШИМ) превышает величину
Vin × N2 / N1 – Vdrop
где
Vin – входное напряжение,
N1, N2 – количество витков первичной и вторичной обмоток,
Vdrop – прямое падение напряжения на выпрямительных диодах,
это означает, что трансформатор имеет воздушный зазор (но нужно быть слепым, чтобы не заметить его), и КПД преобразования резко снизится. Чтобы избежать этого, используйте Ш-образный сердечник без зазора или ферритовое кольцо.
Выходные диоды, конденсаторы и дроссель
На выходе трансформатора я использовал диоды Шоттки, так как они имеют низкое прямое падение напряжения малое время восстановления. Недорогие 1N5822 (прямой ток 3 A) – лучший выбор для данной схемы.
Используйте выходные конденсаторы 4700 мкФ 25 В, больше не надо, так как на высоких частотах пульсации определяются, в основном, эквивалентным последовательным сопротивлением конденсатора (ESR). К тому же, при большом коэффициенте заполнения импульсов ШИМ на конденсаторы подается, практически, постоянное напряжение. Дроссель, подключенный к отводу вторичной обмотки, фильтрует пульсации выходного напряжения и способствует его стабилизации при асимметрии выходных напряжений.
Силовые ключи и драйвер
Я использовал ключевые транзисторы в корпусах D2PAK максимальным напряжением 70 В, максимальным ток 80 A и сопротивлением открытого канала 0.004 Ом. Это – очень дорогие и труднодоступные приборы фирмы Fairchind semiconductor. В принципе, в схеме смогут работать любые мощные полевые транзисторы, но чем ниже будет их сопротивление канала, тем меньше будет потерь в открытом состоянии, меньший их нагрев и, соответственно, меньше размеры радиатора, и, как следствие, более высокий КПД устройства. На полной мощности (100 Вт) преобразователь на указанных транзисторах работает с КПД 82% с терпимым нагревом довольно небольшого радиатора, без вентилятора. При увеличении мощности до 120 Вт перегрев радиатора увеличивается на несколько градусов и КПД снижается до 75% (сердечник трансформатора входит в насыщение).
Используйте MOSFET транзисторы с низким сопротивлением открытого канала, и проблем с перегревом радиатора не будет возникать, иначе вам даже может потребоваться вентилятор. В качестве драйвера полевых транзисторов используется микросхема TPS2811P фирмы Texas instruments, рассчитанная на пиковый ток 2 А и время переключения 200 нс. Индуктивность линий управления затворами должна быть минимальной, чтобы снизить потери при переключении силовых ключей и влияние на них импульсных шумовых помех. Лично я считаю, что снижение индуктивности достигается с помощью витой пары (свитые проводники, идущие от драйвера к затворам и от стоков к «земле»). При этом резисторы необходимо располагать возле затворов транзисторов, а не возле микросхемы драйвера.
 |
 |
Контроллер
Я применил испытанный ШИМ контроллер TL494 с рабочей частотой, регулируемой потенциометром в пределах 40–60 кГц. Для уменьшения бросков тока добавлена схема мягкого старта. Необходимое выходное напряжение устанавливается подстроечным резистором в цепи обратной связи. К выходнам контроллера ШИМ подключены подтягивающие резисторы R3 и R4, которые в каждом цикле, поочередно, подключаются к «земле». Импульсные выходные сигналы поступают на сдвоенный драйвер MOSFET транзисторов (TPS2811P).
Питание устройства и снижение помех
Как уже было отмечено выше, входные провода и соединительные контакты должны быть достаточно мощными для снижения потерь от падения напряжения и обеспечения высокого КПД. Не забудьте поставить на входе предохранитель на 10–15 А, поскольку ток короткого замыкания автомобильных аккумуляторов очень велик. При подключении к аккумулятору не лишним будет установить предохранитель и непосредственно возле него. Это обезопасит Вас от любой непредвиденной ситуации (а значит и от взрыва, пожара, пожарных и полиции). Немаловажна и фильтрация входного напряжения. Используйте на входе конденсаторы емкостью не менее 20,000 мкФ на напряжение 16 В. Полезно применить и дроссель (с необходимым максимальным током), но пока я решил его не ставить.
Заключительные соображения
Описанный блок питания имеет КПД 85% (иногда даже 90% с определенным видом нагрузки). Для проверки пульсаций выходного напряжения воспользуйтесь осциллографом, но если вы будете следовать моим указаниям, проблем с помехами не будет.
Обратная связь для стабилизации напряжения – это хорошо, но имейте в виду, что обратной связью охвачено только положительное плечо, отрицательное плечо лишь повторяет напряжение положительного. Если нагрузка несимметрична, возможны два варианта:
- Сопротивление нагрузки в положительном плече ниже, чем в отрицательном. Проблем не должно возникнуть, так как отрицательное напряжение повторяет напряжение в положительном, регулируемом плече, что для аудио усилителя не страшно.
- Сопротивление нагрузки в отрицательном плече больше, чем в положительном. Тут будет снижение напряжения на отрицательной шине относительно земли (т.е. перекос), особенно если нагрузка подключена только к этому контакту.
К счастью, аудио усилители являются вполне симметричной нагрузкой, а выходной фильтр из дросселя и конденсаторов позволяет стабилизировать выходные напряжения во время несимметричных переходных процессов (на басах).
| ВНИМАНИЕ! Имейте в виду, что ЭТОТ ПРОЕКТ НЕ ДЛЯ НОВИЧКА. НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ НЕ ИСКЛЮЧАЙТЕ ИЗ СХЕМЫ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ, НЕ ЗАМЕНЯЙТЕ ЕГО ТОЛСТОЙ ПЕРЕМЫЧКОЙ (ЖУЧКОМ)! ЭТО ПОМОЖЕТ ИЗБЕЖАТЬ БОЛЬШИХ ПРОБЛЕМ. |
ДЛЯ ПЕРВОГО ПРОБНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ используйте небольшой блок питания на 12 В и резисторы для имитации нагрузки и измерения выходного тока и тока потребления. Попытайтесь определить КПД. Если он выше, чем 70–75% – вы можете быть довольны своим детищем. Регулировкой частоты добейтесь компромисса между выходной мощностью и потерями при переключении, от скин-эффекта и гистерезиса.
Перечень элементов
|
Кол-во |
Обозначение |
Значение |
|
Резисторы |
||
|
2 |
R1, R2 |
10 Ом |
|
4 |
R3, R4, R6, R7 |
1 кОм |
|
1 |
R5 |
22 кОм |
|
1 |
R8 |
4.7 кОм |
|
1 |
R9 |
100 кОм |
|
|
Конденсаторы |
|
|
2 |
C1, C2 |
10,000 мкФ |
|
2 |
C3, C6 |
47 мкФ |
|
1 |
C4 |
10 мкФ |
|
3 |
C5, C7, C14 |
100 нФ |
|
2 |
C8, C9 |
4700 мкФ |
|
1 |
C12 |
1 нФ |
|
1 |
C13 |
2.2 мкФ |
|
Микросхемы |
||
|
1 |
U1 |
TL494 |
|
1 |
U2 |
TPS2811P |
|
Транзисторы |
||
|
2 |
Q1, Q2 |
|
|
Диоды |
||
|
4 |
D1-D4 |
1N5822 |
|
1 |
D5 |
1N4148 |
|
Разное |
||
|
1 |
FU1 |
10 A |
|
1 |
L1 |
10 мкГн |
|
1 |
L2 |
Ферритовая бусина |
|
|
Триммеры |
|
|
1 |
RV1 |
2.2 кОм |
|
1 |
RV2 |
24 кОм |
|
1 |
T1 |
Трансформатор TRAN-3P3S |
