Стабилизатор напряжения питания УМЗЧ. Доработанная схема В. Орешкина (подписка на платы завершена)

↑ Принципиальная схема модернизированного блока питания УМЗЧ

Схема двухполярного источника питания приведена на рис. 1.

Рис.1. Двухполярный источник питания УМЗЧ

Он состоит из двух гальванически не связанных выпрямителей VD1, C1, C2, C5, C6, C9, C11, C13 и VD2, C3, C4, C7, C8, C10, C12, C14, двух параметрических стабилизаторов, выполненных на стабилитронах VD3, VD4 и источниках тока на транзисторах VT5, VT6, и эмиттерных повторителей на транзисторах VT1, VT3 и VT2, VT4. Коэффициент стабилизации повышен благодаря питанию источника образцового напряжения одного стабилизатора от выходного напряжения другого и использованию вместо резисторов источников тока.

Выпрямители собраны на диодных мостах VD1, VD2, состоящих из двойных диодов Шотки с общим катодом 16CTQ100. Диоды включены параллельно.

Конденсаторы С1…С8; С9, С10 и RC — цепочки R9, C23 и R10, C24 установлены в соответствии с рекомендациями фирмы Texas Instruments по построению блоков питания для УМЗЧ [3].

Для уменьшения шумов каждый стабилитрон VD3, VD4 зашунтирован парой конденсаторов — оксидным и пленочным (соответственно С15, С17 и С16, С18).

Источники тока на транзисторах VT5, VT6 содержат параметрические стабилизаторы HL1, C19, C21, R8 и HL2, C20, C22 в базах транзисторов.

Ток каждого источника равен: IVD4=(UHL1-UбэVT5)/R4=(1,76-0,56)/0,13=9,2 мА, IVD3=(UHL2-UбэVT6)/R7=9,2 мА.

Резисторы R5, R6 уменьшают мощность, рассеиваемую на коллекторах транзисторов источников тока.

Коллекторы (корпусы) мощных транзисторов VT1, VT2 соединены с общим проводом блока питания, что позволяет обойтись без теплопроводящих прокладок, тем самым улучшить отвод тепла при больших токах нагрузки.

Для снижения динамического сопротивления источника питания его выходы зашунтированы парами конденсаторов оксидный — пленочный (соответственно С25, С27 и С26, С28). Балластные резисторы со светодиодами зеленого цвета служат для индикации (HL3, R11 и HL4, R12).

Резистор R2 предназначен для запуска двухполярного стабилизатора при включении питания.

Стабилизатор имеет защиту от короткого замыкания в нагрузке. При замыкании в любом плече отключаются оба стабилизатора.

Основные технические характеристики:

Выходные напряжения стабилизатора, В …. ±15 Максимальный ток нагрузки, А …. 20 Коэффициент стабилизации, не менее …. 1500 Выходное сопротивление, не более, Ом …. 0,01 Напряжение на понижающих обмотках трансформатора питания, В …. 2×20

Мощный стабилизатор двухполярного напряжения для УМЗЧ

Автор предлагает двухполярныи стабилизатор напряжения питания, пригодный для усилителей мощностью до 50- 100 Вт на канал. Устройство выполнено на мощных полевых транзисторах, способных работать при многократных кратковременных перегрузках по току. Применение таких стабилизаторов в значительной степени оправдано в усилителях с высокой чувствительностью к изменению и пульсациям питающего напряжения, что особенно присуще несложным усилителям без общей обратной связи.

Как известно, для питания мощного выходного каскада УМЗЧ в ряде конструкций используется отдельный источник питания, а остальная часть усилителя питается от стабилизатора напряжения. Большинство таких источников питания — нестабилизированные и представляют собой два двухполупе-риодных выпрямителя (на напряжения положительной и отрицательной полярности) со средней точкой со сглаживающими конденсаторами. Это нестабили-зированное напряжение не используется остальной частью усилителя, если в нём есть дополнительные узлы и коммутатор источников сигнала (полный, «интегральный» усилитель). Кроме того, общая обратная связь, применяемая в большинстве УМЗЧ, существенно снижает чувствительность к пульсациям напряжения питания. А если глубина общей ООС невелика или её совсем нет, пульсации питающего напряжения могут прослушиваться через акустические системы.

Кардинальным способом подавления пульсации и нестабильности является питание выходных каскадов усилителя стабилизированным напряжением, однако применение интегральных стабилизаторов тоже наталкивается на ряд проблем. Дело в том, что такие стабилизаторы имеют относительно большое падение напряжения. Кроме того, в них, как правило, встроены ограничители по току и мощности, которые вообще могут свести на нет достоинства стабилизатора. Можно, конечно, применить интегральный стабилизатор большой мощности (например, с выходным током в 10 А), однако его стоимость, на мой взгляд, неприемлема. Альтернативой при решении этой задачи может быть использование в стабилизаторе напряжения питания мощных полевых транзисторов. Эти транзисторы, кстати, недороги и имеют малое сопротивление открытого канала (сотые доли ома) и максимальный ток до 70… 100 А, что позволяет конструировать стабилизаторы с очень малым падением напряжения (не более 0,25 В) при токе до 20 А. Параметры описываемого стабилизатора следующие. При выходном напряжении в 27 В его максимальный ток достигает 4,5 А. При таком токе нагрузки минимальное рабочее напряжение между входом и выходом не превышает 0,25 В. Разница между выходным напряжением стабилизатора без нагрузки и напряжением при токе нагрузки в 4,5 А составляет не более 0,15 В, при токе в 6 А эта разница не превышает 0,16 В. Такие параметры стабилизатора обеспечивают применённые в нём мощные полевые транзисторы — IRF4905 (р-канальный) с максимальным током стока 74 А и сопротивлением открытого канала в 0,02 Ом и IRL2505 (п-канальный), с соответствующими током 104 А и сопротивлением 0,008 Ом.

Рис. 1

Двухполярный стабилизатор состоит из двух независимых источников напряжения положительной и отрицательной полярности (рис. 1). Верхняя часть схемы относится к стабилизатору положительной полярности, а нижняя — отрицательной полярности. Для удобства сравнения нумерация соответствующих элементов различается лишь префиксами 1 и 2. Вначале о некоторых особенностях стабилизатора. В нём имеются три критических элемента — это конденсаторы С2 и СЗ и стабилитрон VD1. Указанные на схеме значения ёмкости конденсаторов С2 и СЗ являются в некотором смысле компромиссом: при их уменьшении возникает вероятность самовозбуждения стабилизатора. Увеличение их ёмкости до 1 мкФ приводит к тому, что на выход стабилизатора проникают пульсации, которые всегда имеются в выпрямленном напряжении. Теперь несколько слов о том, почему был выбран стабилитрон VD1 (BZX55-C7V5) с напряжением стабилизации 7,5 В. Целесообразно выбрать такой стабилитрон, у которого дифференциальное сопротивление минимально (оно влияет на свойства всего стабилизатора). Из всех стабилитронов серии BZX55 наименьшее дифференциальное сопротивление (7 Ом) имеют стабилитроны BZX55-C7V5 и BZX55-C8V2. Если входное напряжение стабилизатора менее 20…25 В, целесообразно использовать стабилитрон на напряжение не более 3,3 В (например, BZX55-C3V3). Схема стабилизатора отрицательной полярности с небольшими изменениями позаимствована из [1] и уже однажды была применена мной для регулятора скорости вращения дрели (с запасом по току 20…30 А). По сравнению со схемой из [1] в схеме на рис. 1 изменены номиналы некоторых конденсаторов, резисторов, добавлен стабилитрон VD2 для защиты затвора VT2 от пробоя и использован стабилитрон (VD1) на другое напряжение стабилизации (7,5 В). Схема стабилизатора положительной полярности является зеркальным отражением схемы стабилизатора отрицательной полярности Вместо n-ка-нального в нём использован р-ка-нальный полевой транзистор IRF4905 в корпусе ТО-220 (VT2), вместо биполярного транзистора структуры р-п-р — транзистор структуры n-p-n ВС337-40 или КТ503Б (VT1), а нагрузка параллельного стабилизатора DA1 (TL431CZ в корпусе ТО-92) включена в его анодную цепь Хотя такое включение нагрузки менее известно, оно наиболее распространено в импульсных источниках питания компьютеров. Несколько замечаний о том, как описываемый стабилизатор можно доработать для использования при напряжении питания +/-35…45 В. В этом случае сопротивление резистора R4 (620 Ом) нужно увеличить до 0,9.. 1 кОм, чтобы ток через стабилизатор DA1 (TL431CZ) не превышал половину его максимального тока 50 мА. Вместо комплементарной пары транзисторов ВС327/ВС337 (Uкэ max = 45 В, Iктах = 0,8 А, РКmax = 0,6 Вт) следует использовать пару с неСКОЛЬКО бОЛЬШИМ напряжением иКэ max. например, 2SA1284/2SC3244 (UK3max = 100 В, lKmax = 0,5 А, РКmах = 0,9 Вт). Полевые транзисторы желательно установить на теплоотводы с большой площадью охлаждения Необходимо также добавить, что для установки нужного напряжения стабилизации потребуется изменение номиналов резисторов R5, R6 и R7. Стабилитрон желательно использовать на напряжение стабилизации 7,5 В (BZX55-C7V5). Микросхему TL431CZ рекомендую приобретать производства National Semiconductor, Texas Instruments, Vishay, Motorola. Все резисторы, кроме подстроечно-го R6 (СПЗ-19А) имеют мощность 0,25 Вт, керамические конденсаторы — нанапряжение 50 В.

Рис. 2

Поскольку мне понадобилось две платы двухполярного стабилизатора (по одной на каждый канал УМЗЧ), с помощью программы Sprint Layout 5.0 я развёл печатный монтаж платы (рис. 2 распечатал её чертёж на кальке, предназначенной для печати лазерным принтером, и изготовил методом, описанным мной в [2, 3]. Внешний вид смонтированной платы показан на рис. 3

Рис. 3

Для тестирования работы стабилизатора я использовал три цифровых мультиметра, два из которых измеряли входное и выходное напряжения стабилизатора, а третий в режиме амперметра — его выходной ток. Здесь необходимо добавить, что схема на рис. 4 использована для тестирования стабилизатора положительного напряжения Подобным образом проверены свойства и стабилизатора отрицательного напряжения.

Рис. 4

В качестве нагрузки (R1) применён керамический резистор SQP мощностью 20 Вт сопротивлением 1 Ом, а в качестве R2 — резистор ПЭ-75 мощностью 75 Вт сопротивлением 5 Ом. Таким образом общее сопротивление нагрузки (6 Ом) стабилизатора соответствовало общей мощности 95 Вт. а ток — 4,5 А. В качестве источника питания при тестировании стабилизатора мной использован доработанный стабилизированный блок питания Б5-47, в котором выходное напряжение (до 30 В) обеспечивается при токе нагрузки до 4 5 А (до 3 А без доработки). Для повышения предела ограничения тока до 4,59 А необходимо в разъеме дистанционного управления, расположенном на задней стенке блока установить перемычки между контактами 23, 24, 26 и 50, а на лицевой панели выставить максимальное значение тока 2,99 А Результаты тестирования работы стабилизаторов полностью подтвердили их параметры. Стабилизаторы имеют значительный запас по току, а мощность в нагрузке каждого из стабилизаторов соответствует 121,5 Вт, что в сумме составляет 243 Вт.

Если мощность одного канала усилителя Р = 35 Вт, а сопротивление на- грузки R = 4 Ом, то амплитуды напряжения сигнала U » 17 В и тока lm = 4,25 А. Это означает что, если стабилизатор двух-полярный и состоит из стабилизаторов положительной и отрицательной полярности, каждый из них должен обеспечивать максимальный ток 4,25 А. Если выходное напряжение стабилизатора составляет 27 В и ток в нагрузке 4,25 А, то эквивалент нагрузки соответствует сопротивлению RэKB = 6,35 Ом. Вот поэтому и выбрано сопротивление нагрузки стабилизатора, равное 6 Ом. При испытаниях использован также реальный выпрямитель источника питания с большим током и высоким уровнем пульсации (накопительный конденсатор емкостью 10000 мкФ и выпрямительные диоды DSS 60-0045В (Uoбp = 45 В, lmax = 60 А, Uпр = 0,35 В/10 А), включённые по мостовой схеме.

Описываемый стабилизатор устойчив и к кратковременным перегрузкам. Я использовал его для регулировки скорости вращения дрели, у которой пусковой ток двигателя достигает 20 А. Таким образом, стабилизатор имеет значительный запас по току, позволяющий использовать его с большими теп-лоотводами и в более мощных УМЗЧ Теперь несколько слов об установке и регулировке стабилизатора в усилителе Прежде всего, необходимо оценить с помощью осциллографа минимальные значения питающего напряжения выходных каскадов УМЗЧ при максимальной нагрузке. Для этого к выходу УМЗЧ следует подключить резистор номиналом, равным сопротивлению АС (4 или 8 Ом) и мощностью, соответствующей максимальной для УМЗЧ На вход усилителя подать от генератора 34 сигнал частотой 20…30 Гц, а регулятором громкости установить уровень сигнала, соответствующего максимальной мощности усилителя. Далее нужно определить минимальное абсолютное значение (с учётом амплитуды пульсаций) питающих напряжений и установить подстроечным резистором R6 напряжение стабилизации приблизительно на 1 В меньше этого минимального значения в каждом из стабилизаторов. До установки двух плат таких стабилизаторов в каждый из каналов в усилитель («Кумир У-001») я заменил диоды КД208А (Unp = 1 В/1.5 А) в мостовых выпрямителях источников питания диодами Шотки MBR10100 (Unp = 0,45 В/1,5 А) и диоды КД209А в стабилизаторе напряжения 30 В диодами HER503. Кроме того ёмкость сглаживающих конденсаторов увеличил в два раза (как в выпрямителях выходных каскадов, так и в стабилизаторе 30 В).

После установки стабилизаторов в корпус и включения усилителя необходимо проверить и подстроить баланс выходных каскадов по постоянному току, а затем ток покоя мощных транзисторов Отрегулировав режимы работы транзисторов выходных каскадов УМЗЧ с установленными стабилизаторами, я обнаружил заметное снижение фона даже на максимальной чувствительности при отсутствии входного сигнала.

Литература

1 Нечаев И. Модуль мощного стабилизатора напряжения на полевом транзисторе. — Радио, 2005, № 2. с 30. 31 2 Кузьминов А. Метод фоторепродуцирования для изготовления фотошаблона печатных плат в домашних условиях. — Технологии в электронной промышленности, 2010 №5-7 3 Кузьминов А. Изготовление устройств на печатных платах с высоким разрешением в домашних условиях. — Технологии в электронной промышленности, 2010. № 8-10

Автор: А.Кузьминов, г. Москва

↑ Детали и аналоги

Список деталей (BOM) приведен ниже.
Детали:

VD1, VD2 Диод Шоттки 16CTQ100 IR (100V, 16A) — 8 шт., VD3, VD4 Стабилитрон BZX55C16 (16V, 0,4W), стекло — 2 шт., HL1, HL2 Светодиод LED FYL-3014HD красный d= 3 мм — 2 шт., HL3, HL4 Светодиод LED BL-B2141Q G зел.d=3 — 2 шт., VT1 Транзистор КТ827А (20А; 100В), корпус TO-3 — 1 шт., VT2 Транзистор КТ825А (20А; 100В), корпус TO-3 — 1 шт., VT3 Транзистор BD140, корпус TO-126 — 1 шт., VT4 Транзистор BD139, корпус TO-126 — 1 шт., VT5 Транзистор 2SA1013, корпус TO-92mod — 1 шт., VT6 Транзистор 2SC2383, корпус TO-92mod — 1 шт., R1, R3 Резистор -0,25-3,3 кОм — 2 шт., R2 Резистор -2-470 Ом — 1 шт., R4, R7 Резистор -0,25-130 Ом — 2 шт., R5, R6 Резистор -0,25-220 Ом — 2 шт., R8 Резистор -0,25-9,1 кОм — 1 шт., R9, R10 ЧИП резистор F2512-1 Ом, 1Вт 1% — 2 шт., R11, R12 Резистор -0,5-2,7 кОм — 2 шт., С1…С8 Конденсатор 0,1/250V К73-17 — 8 шт., С9, С10, С23, С24 Конденсатор ЧИП 1812 0,1µF/100V X7R 10% — 4 шт., С11…С14 Конденсатор 10000/50V 3035+85°С — 4 шт., С15, С16 Конденсатор 47/63V 0611+105°C — 2 шт., С17…С20 Конденсатор 0,1/63V К73-17 — 4 шт., С21, С22 Конденсатор 47/16V 0511+105°C — 2 шт., С25, С26 Конденсатор 470/35V 0820+105°C — 2 шт., С27, С28 Конденсатор 1/63V К73-17 — 2 шт., Радиатор для VT1, VT2 Печатная плата 150×70×2 мм — 1 шт.

В блоке питания использованы выводные резисторы МЛТ или зарубежные MF мощностью, указанной на принципиальной схеме (рис. 1).

Конденсаторы С1 — С8, С17 — С20, С27, С28 типа К73-17, оксидные конденсаторы импортные. Конденсаторы С17 — С20 могут быть с лучшим результатом заменены на CBB21/MPP из металлизированного полипропилена (например, 0,15 мкФ, 100 В с датагорской ярмарки). В качестве С27, С28 подойдут 1 мкФ, 100 В (Suntan, полиэстер).

Транзисторы КТ825А и КТ827А можно заменить составными (КТ819Г + КТ815Г и КТ818Г + КТ814Г), при этом эмиттерные переходы мощных транзисторов КТ819Г и КТ818Г необходимо зашунтировать резисторами сопротивлением 100 — 150 Ом. Возможна замена мощных составных транзисторов на MJ11032 и MJ11033. При максимальном токе нагрузки 5 — 7 А подойдут транзисторы TIP142 и TIP147, а также BDW42G BDW47G.

Транзисторы VT1, VT2 закреплены на теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности 900 кв. см без теплоизолирующих прокладок с применением теплопроводной пасты АЛСИЛ-3.

Вместо транзисторов BD139 и BD140 подойдут 2SC3502 и 2SA1380 или BF471 и BF472. При замене обязательно уточняйте цоколевку транзисторов.

Транзисторы VT5, VT6 типа 2SA1013, 2SC2383 могут быть заменены на отечественные КТ502Е, КТ503Е; КТ6116, КТ6117 или импортные 2N5401, 2N5551; 2SA1145, 2SC2705 и на другие.

Диоды Шоттки в мостах VD1, VD2 заменимы на MBR20200CTG (200 В, 10 А) с общим катодом, либо на SR10100 (10 А, 100 В, ТО-220-2). В последнем случае потребуется корректировка печатной платы.

При токах потребления более 2 А необходимо снабдить диоды небольшими радиаторами и (или) обеспечить их охлаждение вентилятором.

При сравнительно небольших потребляемых токах (до 2 А) в диодных мостах можно применить высокопроизводительные диоды HER505 (5 А, 1000 В), сверхбыстрые диоды SF56 (5 А, 400 В) или ультрафасты STTH5R06FP (5 А, 600 В, ТО-220-2).

Максимальный ток стабилизатора напряжения определяет трансформатор питания. Например, в приведенной на рис. 1 схеме трансформатор Т1 типа ТПП321 обеспечивает максимальный ток не более 4 А.

Двухполярный стабилизатор напряжения с водяным охлаждением

Компенсационные стабилизаторы напряжения непрерывного действия последовательного типа обладают невысоким КПД, однако большим коэффициентом стабилизации и низким выход­ным сопротивлением. Поэтому они всё ещё имеют широкое рас­пространение. Однако им свойственна низкая надёжность при перегрузке или замыкании в нагрузке. Это особенно опасно для транзисторных устройств, поэтому приходится вводить в стаби­лизаторы сложные узлы защиты с датчиками тока. В рассматри­ваемом в этой статье мощном двухполярном стабилизаторе напряжения выходной ток ограничен. Устройство не боится перегрузок и может работать на фильтрующие конденсаторы большой ёмкости.

Анализ схем УМЗЧ позволяет сделать вывод о том, что для питания их вы­ходных ступеней стабилизаторы напря­жения непрерывного действия приме­няют редко. Причины этого — высокая стоимость таких стабилизаторов, боль­шие энергетические потери при их при­менении, а главное — «и так сойдёт», ведь работает и без стабилизатора.

Когда стабилизатора нет, напряже­ние питания усилителя меняется в за­висимости от нагрузки в широких пре­делах (в AV-ресивере «Pioneer-714» — 30…50 В). Дело в том, что среднее вы­ходное напряжение выпрямителя с ёмкостным фильтром сильно зависит от тока нагрузки. Причём конденсаторы фильтра заряжаются импульсами в каждом полупериоде сетевого напря­жения. Процесс может занять несколь­ко полупериодов, и это частично пере­даётся в нагрузку УМЗЧ.

В радиолюбительской литературе неоднократно высказывалось мнение о необходимости питать УМЗЧ от стаби­лизированного источника для обеспе­чения более естественного звучания. Действительно, при максимальной вы­ходной мощности усилителя размах пульсаций напряжения нестабилизированного источника достигает несколь­ких десятков вольт. Это незаметно на пиковых значениях высокочастотных составляющих звуковых сигналов, но сказывается при усилении их низкоча­стотных составляющих большого уров­ня, пики которых имеют большую дли­тельность. В результате фильтрующие конденсаторы успевают разрядиться, снижается напряжение питания, а зна­чит, и пиковая выходная мощность уси­лителя. Если же снижение напряжения питания таково, что приводит к умень­шению тока покоя выходных транзисто­ров усилителя, это может вызывать дополнительные нелинейные искаже­ния.

Кардинальный способ подавления пульсаций и нестабильности напряже­ния питания — его стабилизация. Ста­билизатор снижает пульсации напряже­ния на линиях питания на один-два порядка, что позволяет без труда полу­чить максимальную амплитуду выходного сигнала усилителя. Кроме сниже­ния уровня фона частотой 50 (100) Гц, уменьшаются также нелинейные иска­жения и вероятность ограничения сиг­нала на пиках громкости. Увеличивает­ся запас по предельно допустимым па­раметрам транзисторов выходной сту­пени усилителя. Снижается вероят­ность проникновения сетевых помех на выход усилителя.

Кроме того, применение стабилиза­тора позволяет упростить усилитель, что благотворно сказывается на звуке. Ещё один плюс — функцию защиты выходной ступени усилителя от пере­грузки тоже можно поручить стабилиза­тору.

Из минусов — реализация мощного и надёжного стабилизатора напряже­ния непрерывного действия становится существенной финансовой проблемой и технически непростой задачей. По­мимо этого, возникает необходимость отводить от силовых транзисторов ста­билизатора большое количество тепла. Суммарные КПД и рассеиваемая мощ­ность усилителя вместе со стабилиза­тором гораздо хуже, чем без него.

Для повышения качества источника питания в нём желательно применить сетевой трансформатор с пониженной индукцией. Как известно, пусковой ток обычных трансформаторов достигает значений, значительно превосходящих рабочий ток. Уменьшение амплитуды индукции в магнитопроводе вдвое зна­чительно повышает надёжность, умень­шает поток рассеивания трансформа­тора и уменьшает его пусковой ток до значения, не превышающего номиналь­ный ток холостого хода. Однако мень­шая индукция приводит к увеличению необходимого числа витков обмоток и, как следствие, к ухудшению массогаба­ритных показателей трансформатора, его стоимости и возрастанию потерь энергии на активном сопротивлении обмоток. Но ведь речь идёт о действи­тельно высококачественном звуковос­произведении, не так ли? А звучание усилителя, питающегося стабилизиро­ванным напряжением, существенно лучше по сравнению со звучанием того же усилителя без стабилизатора.

Двухполярный стабилизатор напря­жения, схема которого изображена на рисунке, предназначен для питания УМЗЧ.

Основные технические параметры

• Число каналов стабилиза­ции ….2
• Выходные напряжения, В ….+41 и -41
• Максимальный ток нагрузки каждого канала, А….4
• Размах пульсаций при токе нагрузки 4 А, мВ ….4,7
• Рассеиваемая мощность при максимальном токе нагрузки, Вт….180

Он состоит из двух независимых ста­билизаторов напряжения положительной и отрицательной относительно об­щего провода полярности. Верхняя часть схемы относится к стабилизатору положительной полярности, а нижняя — отрицательной полярности. Схема ста­билизатора отрицательной полярности представляет собой, по существу, зер­кальное отражение схемы стабилизато­ра положительной полярности. Поэто­му подробно рассмотрим только стаби­лизатор напряжения положительной полярности.

Переменное напряжение, снимае­мое с обмотки II трансформатора Т1, выпрямляет двухполупериодный вы­прямитель на сдвоенных диодах Шотки VD3 и VD4 SR30100P, имеющих изоли­рованный корпус, поэтому их удобно крепить на общем теплоотводе.

Через помехоподавляющий дрос­сель L1 выпрямленное напряжение по­ступает на сглаживающие и помехопо­давляющие конденсаторы С8—С16 и далее на уравнивающие эмиттерные токи параллельно соединённых тран­зисторов VT1 —VT9 резисторы R3—R11. Эти резисторы имеют довольно боль­шое сопротивление, что способствует эффективной «изоляции» коллекторных цепей транзисторов VT1 —VT9 от сете­вых помех.

Вместе с транзистором VT20 тран­зисторы VT1—VT9 образуют мощный составной транзистор с большим коэф­фициентом усиления тока. Базовый ток транзистора VT20 втекает в коллектор транзистора VT22. Транзистором VT22 управляет напряжение с выхода ОУ DA3.1.

К выходу стабилизатора подключены соединённые последовательно стаби­литроны VD13, VD14, суммарное напря­жение стабилизации которых служит образцовым для рассматриваемого стабилизатора. Вместо стабилитронов можно установить резистор такого сопротивления, чтобы вместе с рези­стором R29 он обеспечивал нулевой потенциал в точке их соединения при номинальном выходном напряжении стабилизатора. Но по сравнению со стабилитронами это менее эффектив­ный вариант. Сдвинутый стабилитрона­ми или резистором потенциал в систе­ме стабилизации представляет собой сигнал рассогласования и поступает на инвертирующий вход ОУ DA3.1, неин­вертирующий вход которого соединён с проводом «0».

Имейте в виду, что провода «0» и «Общ.» должны быть соединены между собой и с общим проводом питаемого от стабилизатора устройства (усилите­ля) на плате последнего. Это значитель­но уменьшает уровень наводок и помех в стабилизированном напряжении. Резистор R21 обеспечивает работоспо­собность стабилизатора, когда к нему не подключён усилитель.

В процессе работы ОУ непрерывно сравнивает потенциал на своём инвер­тирующем входе с нулевым потенциа­лом на неинвертирующем входе. Далее он так управляет транзистором VT22, а вместе с ним и составным транзисто­ром VT20, VT1—VT9, чтобы на выходе стабилизатора поддерживалось задан­ное напряжение.

Предположим, напряжение на выхо­де стабилизатора уменьшилось вслед­ствие увеличения тока нагрузки. Потен­циал на инвертирующем входе ОУ DA3.1 станет отрицательным относительно не­инвертирующего, и напряжение на вы­ходе ОУ увеличится. Это приведёт к увеличению коллекторного тока транзис­тора VT22, а с ним базового и эмиттер- ного тока транзистора VT20. В результа­те увеличится суммарный коллекторный ток транзисторов VT1—VT9, компенси­руя приращение тока нагрузки. Выход­ное напряжение вернётся к прежнему значению.

Устройство мягкого старта на тран­зисторе VT19 и реле К1 обеспечивают плавное нарастание напряжения на ба­тарее конденсаторов С28—С30, С34— С63 при подключении стабилизатора (первичной обмотки трансформатора Т1) к сети. В этот момент через резис­тор R2 начинает течь ток, заряжающий конденсатор С27. Когда через 30…35 с напряжение, приложенное к стабилит­рону VD9, достигает 36 В, он открывает­ся. Это приводит к открыванию транзис­тора VT19 и срабатыванию реле К1, кото­рое переключает резисторы, ограничи­вающие выходной ток стабилизатора.

Пока реле не сработало, этот ток огра­ничен резистором R32 до 450…650 мА, что устраняет бросок тока зарядки батареи конденсаторов С28—С30, С34—С63 общей ёмкостью более 100000 мкФ. Сработавшее реле подключает парал­лельно резистору R32 резистор R35. С этого момента стабилизатор может от­давать в нагрузку ток, достигающий 4 А.

При случайном замыкании выхода стабилизатора с общим проводом ток тоже не превысит 4 А, но резко увели­чится мощность, рассеиваемая на тран­зисторах VT1—VT9. Однако она не пре­высит 25 Вт на каждый транзистор. Из этого следует, что стабилизатор напря­жения надёжен и не боится замыканий в нагрузке.

Чтобы точно установить уровни огра­ничения тока, необходимо временно заменить резистор R32 переменным резистором сопротивлением около 500 кОм, а резистор R35 не устанавли­вать. Движок переменного резистора переведите в положение максимально­го сопротивления. Замкнув выход ста­билизатора амперметром, включите стабилизатор и плавно уменьшайте со­противление переменного резистора, наблюдая за показаниями амперметра. При достижении требующегося безо­пасного пускового тока выключите ста­билизатор, измерьте введённое сопро­тивление переменного резистора и за­мените его постоянным резистором такого же сопротивления.

Затем вместо резистора R35 под­ключите переменный резистор сопро­тивлением 100 кОм, а к выходу стабили­затора через амперметр — максималь­ную нагрузку. Включите стабилизатор и дождитесь срабатывания реле. После этого начинайте плавно уменьшать со­противление переменного резистора. При достижении номинального напря­жения стабилизации и заданного мак­симального тока нагрузки выключите стабилизатор, измерьте введённое со­противление переменного резистора и замените его постоянным.

Такую же процедуру нужно выпол­нить и со стабилизатором отрицатель­ного напряжения. Нельзя просто уста­навливать резисторы R33 и R36 такого же сопротивления, как соответственно R32 и R35. Дело в том, что коэффициен­ты передачи тока у транзисторов, при­менённых в обоих стабилизаторах, су­щественно различаются. Например, у транзисторов 2SA1943 он — около 140, а у 2SC5200 — только 85.

Трансформаторы Т1 и Т2 — заказные с пониженной индукцией и вторичными обмотками на 2×54 В (со средними вы­водами) при токе нагрузки 5 А. Транс­форматоры устанавливают каждый со своей стороны в самой нижней части теплообменника (акваблока) системы водяного охлаждения стабилизатора. Акваблок служит своеобразным шасси, на котором размещены все узлы уст­ройства. Перед установкой трансфор­маторов для них формуют с помощью эпоксидной смолы идеально плоские посадочные площадки. Затем резьбо­выми шпильками М12 трансформаторы прижимают к акваблоку.

В режиме холостого хода напряже­ние на выходах выпрямителей (входах собственно стабилизаторов) — 76 В. При подключении к выходу стабилиза­тора нагрузки сопротивлением 10 Ом оно падает до 64 В. Если необходим больший ток нагрузки, например 10 А, то номиналы резисторов R3—R20 сле­дует уменьшить до 10 Ом.

Диоды-супрессоры VD1 и VD2 пред­назначены для гашения перенапряже­ний во время переходных процессов, сопровождающих включение стабили­затора в сеть.

При правильном монтаже и сборке стабилизатор начинает работать без каких-либо проблем. При непрерывной нагрузке током 4 А на транзисторах VT1 — VT9 рассеивается мощность око­ло 60 Вт (по 6 Вт на каждом транзисто­ре). На каждом из резисторов R3—R11 — по 4 Вт. Совместно стабилизаторы на­пряжения положительной и отрица­тельной полярности рассеивают около 180 Вт. Две пары стабилизаторов для питания усилителей левого и правого стереоканалов, установленные на об­щем акваблоке, рассеивают 360 Вт.

Акваблок состоит из двух отрез­ков дюралюминиевой шины сечением 100×10 мм и длиной 1000 мм, стянутых винтами по периметру. Для герметиза­ции стыка между шинами применён автомобильный герметик. На внутрен­ней поверхности каждой шины отфре­зерованы по две параллельные канавки размерами 960x15x4 мм, по которым те­чёт охлаждающая вода. Общее сечение водопроводящего канала — 15×8 мм, его суммарная длина — 1920 мм, рас­ход воды — 0,75 л/мин, температура во­ды на входе акваблока — 24°С, на вы­ходе — 29°С. Вода поступает из водо­провода через одноступенный фильтр.

Четырёхлетний опыт эксплуатации такой открытой системы водяного ох­лаждения показал стабильность её теп­ловых параметров. Но систему можно сделать и закрытой с циркуляцией дис­тиллированной воды через акваблок и внешний автомобильный радиатор.

Транзисторы VT1—VT18 смонтиро­ваны на печатной плате с алюминиевой подложкой, прижатой к акваблоку с при­менением теплопроводной пасты. Тем­пература поверхности платы — около 34°С. Транзисторы 2SA1943 и 2SC5200 нагреваются до температуры около 50°С. Испытания показали, что эта тем­пература в течение трёх часов работы оставалась неизменной.

Описанная система охлаждения компактна, эффективна и абсолютно бесшумна. Она позволяет отводить около киловатта тепловой мощности. В качестве сигнализатора аварийного от­сутствия проточной воды в системе в подводящем её трубопроводе установ­лен датчик давления ДРД-40. Он иде­ально подходит для стандартной водо­проводной сети. При аварийном отклю­чении воды контакты этого датчика раз­мыкаются и отключают стабилизатор от электрической сети.

Кроме того, необходимо установить датчики температуры на одном или не­скольких транзисторах 2SA1943, кото­рые, как показала практика, нагревают­ся сильнее, чем транзисторы 2SC5200. Такие же датчики рекомендуется уста­новить и на трансформаторах.

Автор: В. ФЕДОСОВ, г. Краснодар

↑ Печатная плата

Детали устройства, кроме силового трансформатора Т1 и мощных транзисторов VT1, VT2, смонтированы на печатной плате размерами 150×70 мм (см. рис. 2), изготовленной из фольгированного стеклотекстолита.

Рис. 2. Размещение деталей на печатной плате. Дорожки показаны «на просвет», smd элементы C9, C10, C23, C24, R9, R10 установлены со стороны печатных дорожек

«Силовые» дорожки на печатной плате целесообразно дополнительно пропаять сверху луженым монтажным проводом диаметром 0,5 — 0,7 мм.

↑ Выводы

Применение двух отдельных выпрямительных мостов в устройстве, на мой взгляд, является недостатком, так как по сравнению с одним диодным мостом имеем в два раза выше падение напряжения на диодах выпрямителя, следовательно, меньшую максимальную мощность. Кроме того, конструкция с двумя диодными мостами имеет большие габариты.
Наличие двух независимо работающих вторичных обмоток трансформатора выдвигает дополнительное требование равенства их выходных напряжений.

Единственное преимущество схемы с двумя выпрямительными мостами — в два раза меньшее максимальное напряжение на диоде моста может сыграть свою положительную роль при выборе выпрямительных диодов Шоттки, имеющих невысокое обратное напряжение, не более 45 — 200 В.

Описанное устройство можно использовать не только как источник питания УМЗЧ, но и как мощный источник питания устройств автоматики.

Стабилизатор напряжения на транзисторах

• Стабилизатор на одном стабилитроне
• Стабилизатор на одном транзисторе
• Стабилизатор на транзисторах с защитой от КЗ
• Стабилизатор с регулируемым выходным напряжением

Стабилизатор на одном стабилитроне

Для сглаживания пульсаций напряжения и постоянства тока на выходе блока питания применяют стабилизаторы. Как правило в основе стабилизатора лежит стабилитрон. Стабилитрон – полупроводниковый прибор обладающий свойством стабилизации напряжения. В отличии от обычного диода работает в обратной полярности (на катод подается плюс), в режиме лавинного пробоя. Благодаря этому свойству стабилитрона напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке практический не меняется. На рисунке ниже представлена схема простейшего стабилизатора.
Такой стабилизатор подойдет для питания маломощных устройств.

Принцип работы стабилизатора на стабилитроне

Конденсатор нужен для сглаживания пульсаций по напряжению, называется он фильтрующим. Резистор нужен для сглаживания пульсаций по току и называется он гасящим. Стабилитрон стабилизирует напряжение на нагрузке. Для нормальной работы данной схемы напряжение питания должно быть больше 40…50 %. Стабилитрон следует подобрать под нужное нам напряжение и ток.

Стабилизатор на одном транзисторе

Для питания нагрузки большей мощности в схему добавляют транзистор. Пример схемы показан ниже.

Принцип работы стабилизатора на одном транзисторе

Цепочка из R1 и VT1 нам уже знакома из предыдущей схемы, это простейший стабилизатор, он задает стабилизированное напряжение на базе транзистора VT2. Транзистор в свою очередь выполняет функцию усилителя тока и является управляющим элементом в этой схеме. Например, при повышении входного напряжения, выходное напряжение будет стремится к возрастанию. Это приводит к понижению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2, что приводит к его закрытию. При этом падение напряжения на участке эмиттер – коллектор возрастает на столько, что напряжение на стабилитроне уменьшается до исходного уровня. При понижении напряжения стабилизатор реагирует в обратном порядке.

Стабилизатор на транзисторах с защитой от КЗ

В практике радиолюбителя бывают ошибки и происходит короткое замыкание. Для уменьшения последствий в результате КЗ рассмотрим схему стабилизатора на два фиксированных напряжения и с защитой от короткого замыкания.

Как видим в данную схему добавлен транзистор V4, диоды V6 и V7, и параметрический стабилизатор состоящий из резистора R1, диодов V2, V3 оснащен переключателем S2.

Принцип работы защиты стабилизатора

Данная схема рассчитана на ток срабатывания от КЗ 250…300 мА, пока он не превышен, ток будет проходить через делитель напряжения состоящий из диода V7 и резистора R3. Путем подбора данного резистора можно регулировать порог срабатывания защиты. Диод V6 при этом будет закрыт и никакого влияния на работы оказывать не будет. При срабатывании защиты диод V7 закроется, а диод V6 откроется и зашунтирует подключений стабилитрон, при этом транзисторы V4 и V5 закроются. Ток на нагрузке упадет до 20…30 мА. Транзистор V5 следует устанавливать на теплоотвод.

Стабилизатор с регулируемым выходным напряжением

В ремонте или наладке электронных устройств необходимо иметь блок питания с регулируемым выходным напряжением. Принципиальная схема стабилизаторы с регулировкой по напряжению представлена ниже.

Принцип работы стабилизатора с регулировкой напряжения

Параметрический стабилизатор состоящий из R2 и V2 стабилизируют напряжение на переменном резисторе R3. Напряжение с этого резистора поступает на управляющий транзистор. Этот транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, нагрузкой которого является резистор R4. Напряжение с резистора R4 подается на регулирующий транзистор V4, нагрузкой которого уже выступает наше питаемое устройство. Регулировка напряжения осуществляется переменным резистором R3, если движок резистора находится в минимальном положении по схеме, то напряжения для открытия транзисторов V3 и V4 недостаточно и на выходе будет минимальное напряжение. При вращении движка, транзисторы начинают открываться, что увеличивает напряжение на нагрузке. При увеличении тока нагрузки, падение напряжения на резисторе R1 и лампа Н1 начинает загораться, при токе в 250 мА наблюдается тусклое свечение, а при токе в 500мА и выше яркое. Транзистор V4 следует устанавливать на теплоотвод. При повышенной нагрузке более 500 мА, следует как можно быстрее выключить блок питания, так как при длительной максимальной нагрузке выходят из строя диоды в выпрямительном мостике и транзистор V4.

Данные схемы при правильной сборке не нуждаются в наладке. Также их можно модернизировать на более большой ток и напряжения. Путем подбора радиоэлементов с нужными нам параметрами.

На этом все. Если у Вас есть замечания или предложения по данной статье, прошу написать администратору сайта.

Успехов!

↑ Упомянутые источники

1. Орешкин В. Стабилизатор питания УМЗЧ // Радио, 1987, № 8, с. 31 . 2. Доработанный вариант малошумящего двухполярного источника питания (см. комментарии 32-36 к статье.) 3. Рекомендации фирмы Texas Instruments по построению блоков питания для УМЗЧ.
Спасибо за внимание!