Схема. Импульсный блок питания для УМЗЧ (1)

Быть или не быть импульсным источникам питания (ИИП) в УМЗЧ? Такой сакраментальный вопрос по отношению к данному классу устройств отнюдь не случаен. Об этом же свидетельствует и дискуссия радиолюбителей на форуме сайта журнала, посвященная публикации [1]. Большинство участников дискуссии все же считают оправданным использование ИИП в УМЗЧ. Но в конструкции импульсного трансформатора ИИП [1] есть недостаток, на который участники дискуссии совершенно не обратили внимания. Его первичная обмотка намотана в два провода. Хотя магнитная связь витков в этом случае максимальна, достигнута она рискованным способом. Во всех соседних витках действующая разность потенциалов достигает выпрямленного сетевого напряжения (около 300 В). Лаковая изоляция проводников способна выдерживать такое воздействие, но что может случиться с ней через несколько лет эксплуатации? Даже в отсутствие перехлеста проводников (а это не исключено) их неизбежное механическое смещение при нагревании и остывании после каждого включения может значительно ослабить электрическую прочность изоляции, и тогда… в лучшем случае «сгорит» предохранитель. В этом случае более оправдано применение провода ПЭЛШО взамен рекомендованного автором ПЭВ-2. В целом же предложенный схемотехнический вариант вполне жизнеспособен.

Некоторое преимущество (за исключением предельной мощности преобразования) перед предложенным в [1] импульсным преобразователем имеют обратноходовые ИИП. Всего один коммутирующий транзистор, эффективная стабилизация выходного напряжения при изменениях сетевого напряжения и нагрузки, высокая технологичность исполнения обмоток для Ш-образного магнитопровода по сравнению с кольцевым (тороидальным) — вот далеко не полный ряд достоинств такого преобразователя. Со времени публикации упомянутой статьи прошло около четырех лет, за этот период в журнале предложены и другие схемотехнические варианты ИИП, в частности [2—4]. В этой же статье я предлагаю вариант подобного устройства с многоканальным выходом.

Основные параметры
Интервал входного напряжения, В……………………….125…250
Номинальная частота преобразования, кГц…………….50
Выходное напряжение, В, (при токе нагрузки, А):
каналы 1—2……………………………………………….±35 (1)
каналы 3—4 ………………………………………………±15 (0,2)
Пульсации выходного напряжения, мВ, не более………5
КПД, %…………………………………………………………87

Среднеквадратическое значение пульсаций выходного напряжения измерено милливольтметром ВЗ-48А.
Рабочий интервал входного напряжения характеризует возможность как длительной работы ИИП в указанном интервале, так и способность нейтрализации кратковременных провалов и выбросов сетевого напряжения без ухудшения приводимых параметров. Тем не менее следует помнить о невозможности включения устройства при сетевом напряжении ниже 170 В. Режим работы обратноходового преобразователя — с прерывистым магнитным потоком в импульсном трансформаторе, максимальное значение коэффициента заполнения коммутирующих импульсов составляет 0,45 (при минимальном напряжении сети).

Более мощные выпрямители выходного напряжения (каналы 1, 2) предназначены для питания выходных каскадов мостового УМЗЧ, а маломощные (каналы 3, 4) — для цепей входного усилителя на ОУ.
Схема Импульсный блок питания для УМЗЧ (1) 1
Схема импульсного блока питания, показана на рис. 1. Как сама схема, так и использованные элементы с возможной их заменой подробно характеризовались в [2—4], и дополнительных комментариев тут не требуется. Следует, однако, подробнее описать примененный здесь способ включения вторичного контура регулирования, поскольку его особенности важно учитывать при налаживании ИИП. С небольшими упрощениями процесс стабилизации выходного напряжения по вторичному контуру обратной связи можно представить следующим образом.

В качестве следящего элемента в аналогичных устройствах применяют так называемый стабилизатор параллельного типа — микросхему DA2 КР142ЕН19А (импортный аналог — TL431 с любым буквенным индексом). Нагрузкой микросхемы являются параллельно соединенные балластный резистор R17 и излучающий диод (выводы 1, 2 оптрона U1) с токоограничивающим резистором R18. Балластный резистор создает минимальную нагрузку, необходимую для нормального функционирования микросхемы. Выходное напряжение через подстраиваемый резистивный делитель R14—R16 подано на управляющий вход микросхемы (вывод 1). Для обеспечения запаса регулирования делитель рассчитывают так, чтобы на управляющем входе микросхемы при номинальном выходном напряжении ИИП интервал напряжения, устанавливаемого подстроечным резистором   R15,   составлял   около 2,5±0,25 В.

Предположим, на пике громкости фонограммы резко возрастет потребляемый УМЗЧ ток, и за счет увеличившегося падения напряжения на обмотке IVa и выпрямительном диоде VD6 выходное напряжение источника +35 В снизится. Соответственно понизится напряжение на управляющем входе микросхемы DA2 (вывод 1), и резко уменьшится ток через балластный резистор и излучающий диод. Эквивалентное сопротивление участка коллектор—эмиттер фототранзистора, оптически связанного с излучающим диодом, возрастет. Поскольку это сопротивление включено параллельно резистору R3, являющемуся верхним плечом резистивного делителя напряжения, напряжение на входе усилителя сигнала ошибки (+2,5 В на выводе 2 DA1) уменьшится. Усилитель сигнала ошибки немедленно скомпенсирует такое уменьшение входного напряжения увеличением коэффициента заполнения коммутирующих импульсов и тем самым восстановит прежнее значение напряжения на выходе устройства.

К особенностям устройства также следует отнести многоканальность выходных источников напряжения. Контроль и регулирование выходного напряжения осуществляется только в одном канале, но сильная магнитная связь между всеми вторичными обмотками позволяет эффективно стабилизировать напряжение в каждом канале одним ШИМ-контроллером.
Схема Импульсный блок питания для УМЗЧ (1) 2
Печатная плата устройства представлена на рис. 2.
Среди конструктивных особенностей ИИП нужно отметить следующее.
Узел ШИ-контроллера А1 (чертеж его платы — на рис. 3) соединен с основной платой с помощью четырехконтактного унифицированного разъема Х1, подобного используемым в телевизорах УСЦТ Крепежные винты между основной платой и теплоотводом обеспечивают его электрическое соединение с общим проводом ИИП.
Коммутирующий транзистор VT1 установлен через слюдяную пластину на ребристый радиатор размерами 70x45x24 мм. К этому же теплоотводу двумя винтами на трубчатых стойках высотой 7,5 мм крепят плату контроллера А1. Микросхему DA1, установленную в плату через переходную панель, теплоотводящей поверхностью корпуса плотно прижимают к теплоотводу. Использование теплопроводящей кремнийорганической пасты КПТ8 позволяет контроллеру отслеживать рабочую температуру транзистора и автоматически выключать ИИП в аварийных ситуациях при его перегреве. При монтаже в плату А1 транзистор VT1 запаивают с предварительно отформованными выводами так, чтобы его плоскость была параллельна поверхности платы, а металлический фланец корпуса транзистора был обращен к подсоединяемому прижимной планкой и двумя дополнительными винтами теплоотводу. Сама плата А1 также обращена к теплоотводу стороной расположения элементов. Конденсаторы С9, С10 подпаивают непосредственно к соответствующим контактам панели со стороны печатных проводников.

На основной плате оптрон U1 также установлен через переходную панель. Напряжение +35 В подается во вторичный контур регулирования через электрически соединенный с катодом диода VD6 теплоотвод, что позволило обойтись без дополнительной перемычки на печатной плате. В авторском варианте применен ребристый радиатор размерами 40x20x18 мм, такие раньше изготавливали для транзисторов П213—П217. В качестве теплоотвода можно также использовать П-образный алюминиевый прокат толщиной 1,5…2 мм размерами 100×40 мм. Диод запаивают в плату так, чтобы его металлический фланец, электрически соединенный с катодом, был обращен к теплоотводу, и затем прижимают двумя винтами. Такой же теплоотвод пригоден и для диода VD7. В дополнительном принудительном охлаждении устройство не нуждается.
Подстроечный резистор R15 — типа СПЗ-16В.

При выбранных оксидных конденсаторах фильтра (серии CapXon или аналогичные) требуемый уровень пульсаций выходных напряжений вполне обеспечивают стандартные высокочастотные дроссели, и нет необходимости изготавливать самодельные. В каналах 2×35 В использованы дроссели ДМ-2,4, а в каналах 2×15 В — ДМ-0,6. Все эти дроссели установлены перпендикулярно основной плате. Для дросселя L2 используют 10-миллиметровый отрезок трубчатого феррита, используемого, в частности, в названных дросселях. Через осевое отверстие в трубке продевают провод ПЭВ-2 0,72, а затем отгибают каждый из концов на 180° от первоначального положения , образуя тем самым замкнутый виток. Этот дроссель эффективно подавляет высокочастотные колебания, возникающие в трансформаторе при включении и выключении коммутирующего транзистора, а также устраняет самовозбуждение в контурах регулирования.

Импульсный трансформатор устройства и другие его основные элементы рассчитаны с помощью специализированной программы VIPer Design Software, подробно описанной в [4]. Индуктивность первичной обмотки трансформатора на частоте преобразования 50 кГц должна соответствовать 420…450 мкГн. Печатная плата устройства вначале была спроектирована под трансформатор с магнитопроводом Ш 10×10 из феррита М2500НМС1 со стандартной контактной панелью (номера выводов 1’—6′, 7—12). Но затем плата была дополнена контактными площадками 1—6.

Проблема подбора трансформатора как одного из основных элементов, определяющих надежность всего устройства, возникла у автора из-за того, что в одной из столичных фирм под видом магнитопровода Ш 10×10 из феррита М2500НМС1 ему был продан магнитопровод того же типоразмера без заводской маркировки. В трансформаторе он разогревался настолько, что превышение температуры явно не укладывалось в расчетный допуск. Варьировались рабочая частота преобразования и соответственно ей число витков, порядок расположения обмоток, диаметр проводников, и все безрезультатно. По мере накопления объема отрицательных результатов созрела мысль сравнить электрическое сопротивление имеющегося магнитопровода с ферритом М3000НМС2 (Ш 12×20). Результаты измерения догадку подтвердили: электрическое сопротивление, измеренное прибором Ц4341, слабо зависело от взаимного расположения прикладываемых измерительных электродов, и для материала «поддельного» магнитопровода оно составило 0,9… 1,2 кОм, а для феррита М3000НМС2 — 2…3 кОм. В справочной литературе указано, что удельное электрическое сопротивление М2000НМ1 составляет 0,5 Ом·м, а М2500НМС1 (М3000НМС2) — 1 Ом·м.
Схема Импульсный блок питания для УМЗЧ (1) 3
В результате в одной из фирм, реализующих импортные компоненты, среди множества компонентов был выбран самый дешевый импульсный трансформатор для телевизоров SAMSUNG (децимальный номер P/N 5106-061101-00) с типоразмером магнитопровода ER42/22/15 и немагнитным зазором 1,3 мм (измеренный коэффициент индуктивности около 180 нГн на виток). Удельное электрическое сопротивление материала оказалось почти таким же, как у феррита М3000НМС2 (Ш 12×20). Для использования в ИИП такого и других готовых трансформаторов выполняют следующие технологические операции.

Перед разборкой с трансформатора снимают электростатический экран, а затем полностью погружают в ацетон или другой растворитель и выдерживают в нем трое суток. После такой операции каркас с обмотками должен без прикладывания значительных усилий перемещаться вдоль центрального стержня магнитопровода. Этот магнитопровод зажимают в тиски через картонные прокладки со стороны, противоположной выводам. Двумя мощными паяльниками разогревают до 100…120°С места склейки стыков двух половинок магнитопровода, и через П-образную оправку наносят несильный удар молотком по каркасу с обмотками в сторону выводов трансформатора. В результате удара половинки магнитопровода должны разъединиться. Остается перемотать обмотки в соответствии с приведенными в статье данными. Значительный запас в сечении окна магнитопровода позволяет применить обмоточные провода большего диаметра и при необходимости увеличить выходную мощность ИИП.

Не исключено также применение трансформатора с магнитопроводом Ш12x20x21 из феррита М3000НМС2, используемого в импульсных блоках питания телевизоров УСЦТ. Причем выходную мощность ИИП в этом случае можно значительно повысить без переделки электрической части устройства. Но трансформатор на номинальную мощность 120 Вт (максимальную 180…200 Вт) придется рассчитывать по рекомендациям Ю. Семенова [2]. В такой модификации некоторые элементы на плате придется немного сместить.

На магнитопровод от импульсного трансформатора БП телевизора SAMSUNG, использованный автором, сначала укладывают 17 витков в два провода ПЭВ-2 0,57 (обмотка la), затем после межобмоточной изоляции наматывают обмотки IVб и IVа (второй и третий слои — по 21 витку каждый) проводом ПЭВ-2 1,0, и опять межобмоточную изоляцию. В четвертом слое в два провода ПЭВ-2 0,41 «вразрядку» — 9 витков обмоток III6 и IIIа. После межобмоточной изоляции 5-й слой — 8 витков проводом ПЭВ-2 0,12 (опять «вразрядку») обмотки II. 6-й и 7-й слои — это обмотка I6, состоящая из 17 и 16 витков соответственно в два провода ПЭВ-2 0,57. Секции Ia и I6 первичной обмотки соединяют пайкой соответствующих выводов на контакте 2 (2′), который укорачивают на несколько миллиметров, чтобы он не мешал установке трансформатора на плату. Вывод 2 в плату не запаивают. После склеивания магнитопровода на готовом трансформаторе устанавливают экран — виток медной фольги шириной 15 мм, закрывающий среднюю часть катушки.

Как показали эксперименты с другими магнитопроводами, при использовании магнитопровода Ш10×10 (М2500НМС1) с немагнитным зазором около 1 мм число витков в обмотках будет таким же, как и для «корейского» магнитопровода. Более того, конструктивный немагнитный зазор 1 мм на центральном керне вполне допустимо заменить прокладками из гетинакса толщиной 0,5 мм между боковыми стержнями обычного магнитопровода. При этом индуктивность рассеяния трансформатора увеличивается от 4 до 6 мкГн, но обусловленный ею выброс напряжения на стоке в момент выключения коммутирующего транзистора IRFBC40 еще далек от предельного для него значения 600 В.

Продолжение —    www.radioelectronika.ru/?mod=cxemi&sub_mod=full_cxema&id=696

ЛИТЕРАТУРА
1. Колганоа А. Импульсный блок питания мощного УМЗЧ. — Радио, 2000,   № 2, с. 36—38.
2. Семенов Ю. Разработка однотактных обратноходовых преобразователей напряжения.   —   Радио, 2001. № 10,    с. 34-36; №11,с.43—45.
3. Сазоник В., Ермашкевич В., Козлов К. Универсальный УКВ-ДМВ приемник «SEC-850M». Модуль питания (А4). — Радио, 2002, № 7, с. 15, 16.
4. Косенко С. Эволюция обратноходовых импульсных ИП. — Радио, 2002, № 6, с. 43, 44; № 7, с. 47, 48; № 8, с. 32—35; № 9, с. 24—26.

С. КОСЕНКО, г. Воронеж
«Радио» №3,5 2004г.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *