Регенератор сетевого питания с частотой 100Гц

При построении аудиосистемы я обратил внимание на интересный факт, мной и другими слушателями было замечено, что на качество звучания аппаратуры влияет время суток, а точнее поздно вечером и рано утром звучание заметно лучше чем днем. В чем причина?!

Думаю, что не секрет, что наша бытовая электрическая сеть (ЭС) оставляет желать лучшего. Так повелось, что главный параметр ЭС, который отслеживают  работники электростанций и обслуживающего персонала,  это ее частота колебаний  50Гц, а что касается чистоты питающего напряжения и стабильности напряжения в наших домах так тут дела никому нет. Хотя последнее утверждение немного спорное, так как есть ГОСТ 13109-97 и технический регламент на параметры электрической сети. Я на собственном опыте почувствовал отход от параметров установленных в ГОСТ по электропитанию, когда мой ЦАП отказывался стабильно работать и это понятно, так как напряжение в ЭС снижалось до 180В, это хорошо отслеживалось по снижению яркости свечения ламп накаливания в доме. Все дело в том, что я живу в частном доме и для меня не редкость, когда напряжение в сети падает до 20%.  Еще  один недостаток ЭС был в том, что частые сварочные  и другие работы соседей тоже вносили свою лепту в "экологию" питания аппаратуры.

Частично решить эту проблему можно с помощью стабилизатора напряжения, но он не спасет от загрязненного питания, так как автотрансформатор в составе этих устройств не   способен работать в качестве фильтра НЧ.
Мои поиски необходимых устройств не дали желаемого результата, так как тема  посвященная чистоте ЭС освещается крайне редко и на форумах по радиоэлектронике тоже мало информации. В продаже есть регенераторы питания, но они либо сильно дороги или часто сделаны на основе ИБП. Достоинство данных изделий перекрывается их недостатком, а именно большим шумом импульсного преобразователя и сильный отход от формы синусоиды выходного сигнала.

После некоторых размышлений, я решил разработать собственный регенератор сетевого питания (РСП), удовлетворяющий моим требованиям, а именно:

1. Стабильность напряжения питания 230В c точностью не хуже 2% (при нагрузке 40Вт)
2. Выходная мощность РСП 60-100Вт (вполне достаточно для питания источника звука)
3. Коэффициент гармонических составляющих на активной нагрузке 40Вт не более 0,5% (в то время как в бытовой ЭС этот параметр примерно равен 5%)
4. Стабильность частоты питающего напряжения (частота задающего генератора 100Гц) ± 0,5%
5. Гальваническая развязка с ЭС
6. Низкий акустический уровень шума.

Сразу поясню, что 100Гц частота была выбрана неслучайно. Определяющим фактором послужил оптимальный режим работы нагрузки РСП на этой частоте, а именно звуковоспроизводящая аппаратура или ЦАП как в моем варианте.

Дело в том, что при повышения частоты напряжения питания силовых трансформаторов подключаемых устройств к РСП происходит улучшение режима их работы, а именно:

1. Облегчается работа питающего трансформатора
2. Снижается магнитная индукция трансформатора, что приводит к снижению рассеивания магнитного поля, а также отсутствия постоянного напряжения насыщения железа трансформатора в питающем устройстве и как следствие создается более благоприятное условие его работы.

Все это способствует к улучшению звуковых свойств питаемой аппаратуры, но об этом ниже.
Еще одно преимущество частоты питания 100Гц это улучшение работы выпрямителя питающего устройства, так как после диодного моста пульсирующие напряжения получается в 2 раза чаще чем при питании непосредственно от бытовой сети 220В 50Гц и оно равно 200Гц. А из теории известно, что при увеличении частоты пульсации напряжения емкость сглаживающего фильтра после него можно уменьшить так как конденсатору легче сгладить пульсации выпрямленного напряжения большей частоты. Кстати этим обусловлено меньшая емкость сглаживающего конденсатора в импульсных блоках питания.

Ниже приведена схема для измерения пульсаций рис. 1 и осциллограммы, которые показывают процесс работы диодного моста с отключенный конденсатором C1 с частотой питания 50Гц рис. 2а и с частотой питания 100Гц рис. 2б.

Рис. 1 Схема для измерения пульсаций

Рис. 2а Процесс работы диодного моста без сглаживающего конденсатора C1 c частотой питания 50Гц

Рис. 2б Процесс работы диодного моста без сглаживающего конденсатора C1 c частотой питания 100Гц

Ниже приведены осциллограммы работы схемы измерения пульсаций на нагрузке с конденсатором C1при напряжении питания с частотой 50Гц рис 3а,  а также 100Гц рис. 3б.

Рис. 3а Напряжение пульсации на нагрузке при питании схемы напряжением с частотой 50Гц

Рис. 3б Напряжение пульсации на нагрузке при питании схемы напряжением с частотой 100Гц

Из рис. 3а и рис.3б, видно, что при питании фильтра с нагрузкой частотой в два раза выше, пульсации снижаются в 1,65раза
Пульсации при 100Гц получаются 3,34V/2,02V = 1,65 раза меньше чем при питании от ЭС 50Гц.

Вернемся непосредственно к схеме РСП, в качестве генератора синусоидального напряжения я использовал мост Вина, а в качестве УМ применил схема на полевых транзисторах  с выходной мощностью порядка 100Вт этого вполне достаточно для моих нужд. В блоке питания РСП применен трансформатор 250Вт и диодный мост с блоком фильтра общей емкостью 39600мкф, что является более чем достаточно для данного решения. Схема блока питания представлена на рис.4

Рис. 4 Блок питания РСП

Принцип работы РСП следующий:
При включении питания РСП происходит заряд емкостей БП и становление рабочего режима генератора синусоидальных колебаний рис.6, в это время работает soft-start создавая задержку подачи входного сигнала с генератора на УМ с помощью контактов реле замыкающих цепь выхода генератора и входа УМ.

Время работы схемы soft-start  рис. 5, задается с помощью цепи R2, С4 и рассчитывается по формуле r=R2(Mom)xC4(mkF)=t(секунд).

Рис. 5 Схема Soft-start

По истечении времени установленного в схеме soft-start 2секунды в моем варианте, выходные усиленные колебания в УМ  с частотой 100Гц подаются на повышающий трансформатор Тр1.

Намоточные данные повышающего трансформатора Тр1 следующие:
Магнитопровод марки ОЛ55/100-40.
Габаритная мощность магнитопровода Pгаб. = 227Вт
Число витков в первичной обмотке w1=30витков, провод ПЭВ2 1,2мм
Число витков во вторичной обмотке w2=600витков, провод ПЭВ2 0,51мм

Рассмотрим работу генератора синусоидальных колебаний.
Схема генератора представлена на рис. 6. Данная схема представляет собой генератор синусоидального напряжения. Цепь R1, C1 и R2, C2 задает частоту колебаний, с указанными элементами на схеме эта частота равна 50Гц, для лучшей симметрии эти элементы должны быть достаточно точные, не хуже ±1%. Резистор R19 необходим для регулировки амплитуды выходного сигнала.

Рис. 6 Генератор синусоидальных колебаний

После генератора синуса следует УМ для РСП, его схема представлена на рис. 7

Рис.7 Усилитель мощности для РСП

Как видно из схемы, в состав УМ входит микросхема DA1, это ОУ от которого особенно зависит уровень искажений всего усилителя, по этой причине в данном схеме желательно ставить ОУ с низкими шумами, например NE5534 с уровнем шума 5nV√Hz. Транзисторы VT1 и VT2 необходимы для предварительной раскачки сигнала по току необходимого для выходных транзисторов VT3, VT4. Ток холостого хода задается подстроечным резистором R5, в моем варианте он равен 20mA.
Вообще в качестве УМ для этих целей идеально подходит УМ в классе "D". Его неоспоримые преимущества, а именно малое рассеивание энергии на тепло (высокий КПД) и как следствие меньшие масса и габариты делают его предпочтительнее в этой схеме. Но у таких схем есть недостатки, это дополнительная сложность намотки трансформаторов и настройки усилительного каскада. Поэтому мной было решено сделать УМ по классической схеме с минимальным током покоя для данной схемы, порядка 20мА.

Ниже приведена форма сетевого напряжения в ЭС рис.8а и после РСП рис.8б  на активной нагрузке 40Вт, а также спектрограммы гармонических искажений непосредственно в ЭС рис. 9а и после РСП рис.9б.

Рис. 8а Форма напряжения в бытовой ЭС слева и его спектрограмма справа

Рис. 8б Форма сетевого напряжения на выходе трансформатора РСП слева и его спектрограмма справа

Из осциллограмм и спектрограмм видно, что РСП обладает заметно лучшим качеством синусоидального напряжения. Еще один плюс данного устройства как было описано выше,  отсутствие подмагничивания на питающей стороне, так как согласующий трансформатор не способен пропустить постоянную составляющую.
Гальваническая развязка выходным трансформатором также улучшает ситуацию питания аппаратуры. Дело в том, что многие пренебрегают фазировкой питающих трансформаторов  аудиоаппаратуры. По моему мнению, фазировать необходимо каждый силовой трансформатор, особенно в аппаратуре без заземления, так как при неправильной фазировке силовых трансформаторов, например УМ и источника звука (ЦАП, проигрыватель) происходит перетекание токов по оплетке межблочного кабеля с частотой 50Гц. Это легко проверить с помощью цифрового мультиметра хорошей чувствительности, для этого необходимо замерить переменное напряжение на корпусе включенного прибора относительно заземления на каждом аппарате отдельно, предварительно отключив от него все соединительные провода, кроме питающих.

При неправильной фазировке силовых трансформаторов, звучание аппаратуры ухудшается. Многие солидные производители аудиоаппаратуры в своих устройствах используют индикаторы правильного включения фазы.

Рис. 9 Фотографии РСП в сборе

Заключение

Регенераторы сетевого питания действительно улучшают звучание аудиосистемы, так как качественное питания источника звука (ЦАП, проигрывателя) очень сильно сказывается на его работу, ведь именно источник звука имеет наибольшее разрешение во всей системе, а этот параметр сложно реализуем с плохим питанием. Также я хотел отметить, что данное устройство можно использовать и для других целей, например как стабилизатор переменного напряжения. Один мой знакомый использовал схемотехнику РСП для питания двигателя переменного тока в проигрывателе виниловых пластинок, так как в его двигателе частота вращения ротора прямо зависела от частоты питающего напряжения и он подстраивал точные обороты двигателя с помощью перестройки частоты генератора синусоидального напряжения.

Смирнов Алексей Николаевич (Alexhase), e-mail:  iron.alexey@mail.ru

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Sprint-Layout