Автомобильные преобразователи напряжения. Часть 3

Иногда, чтобы стало громче,
достаточно почистить уши...

Часть 1, часть 2

С теорией наконец то разобрались и теперь приступим к практической реализации, а именно сборке автомобильного импульсного преобразователя напряжения.

В качестве силовой части мы используем преобразователь со средней точкой, поскольку данная схемотехника для низковольтных преобразователей наиболее оптимальна. В качестве элементов управления, используем ШИМ контроллер TL494. Контроллер хоть и разработан достаточно давно, тем не менее и на сегодняшний день довольно популярен из-за своей надежности, простоты и доступности.
Функциональная схема контроллера приведена на рисунке 1, принцип работы попробуем разобрать при помощи видео ниже.

Рисунок 1

Принцип формирования действующего значения выходного напряжения при помощи широтно-импульсной модуляции (ШИМ) наглядно приведен на рисунке 2.

Рисунок 2

Благодаря инерционности катушки индуктивности L1, напряжение на выходе преобразователя не успевает достичь амплитудного значения напряжения с генератора, в следствии чего, не смотря на большое значение амплитудного напряжения, действующее значение на выходе фильтра может быть в несколько раз меньше и это не влечет за собой нагрев силовой части, как в случае линейных стабилизаторов.

Далее рассмотрим, что из себя представляет силовая часть, точнее силовой транзистор, а для этого отвлечемся от схемы и немного порассуждаем.
Бортовое напряжение в легковых автомобилях обычно 12 Вольт. Но величина это довольно условная, поскольку реле-регулятор поддерживает бортовое напряжение таким образом, чтобы аккумулятор подзаряжался. Напряжение заряженного кислотного автомобильного аккумулятора составляет 14,2 В, следовательно при заведенном двигателе бортовое напряжение будет находится в пределах между 13 и 14 В.

Биполярные транзисторы имеют такой параметр как напряжение насыщения. Данный параметр колеблется в пределах от 0,4 до 1 В. Это ведет к необоснованным потерям на тепло, причем ни чем необоснованное. Поэтому в автомобильных преобразователях отказались от использование биполярных транзисторов, а применяют транзисторы технологии MOSFET. Данные транзисторы специально разрабатывались таким образом, чтобы в открытом состоянии они имели как можно меньшее активное сопротивление, следовательно как можно меньше выделяли тепла. На рисунке 3 показаны структуры транзисторов MOSFET.

Рисунок 3

Поскольку транзисторы полевые, то для их открытия на затвор необходимо подать какое-то напряжение, однако ток теоритически протекать через затвор не должен. Из этого напрашивается вывод о том, что управлять данными транзисторами будет легко. И действительно - на низких частотах данные транзисторы можно открывать даже пальцем - наводок на теле человека достаточно для открытия транзистора. Однако в этой бочке меда есть и своя ложка дегтя, именуемая как Input Capacitance, т.е. Входная Емкость, точнее емкость затвора.

Другими словами между затвором и истоком образуется конденсатор - емкостная связь, которая при небольших частотах ни как не сказывается, а вот на частотах выше 10 кГц уже дает о себе знать и чем выше частота, тем сильнее она себя проявляет. В первой части этой трилогии приводится табличка изменения реактивного сопротивления конденсатора в зависимости от частоты. Эти же законы действуют и в затворах полевых транзисторов и хотя емкость затвора сравнительно не велика, тем не менее для ее заряда и разряда уже требуется вполне серьезный ток.

Для примера, рассмотрим популярный транзистор IRFZ44, имеющий емкость затвора 1350 пкФ. Для вычислений воспользуемся симулятором МИКРО-КАП и примерным аналогом затвора транзистора IRFZ44 (рисунок 4, вверху - принципиальная схема, внизу - выходное напряжение с генератора V1).

Рисунок 4

Для определения протекающего через цепь тока, достаточно измерить величину падения напряжения на резисторе R1 и затем, используя закон Ома, вычислить значение протекающего тока. При частоте генератора 40 кГц и амплитуде 10 В падение на резистора 10 Ом составило 4,6 В, для частоты 80 кГц уже 6,5 В (рисунок 5).

Рисунок 5

Согласно закону ома I = U / R, ток зарядки-разрядки конденсатора составил 0,46 А, а для частоты 80 кГц уже 0,66 А. Это означает, что элемент, который должен управлять затвором силового транзистора IRFZ44 должен быть рассчитан на ток уж ни как не меньше 1 А.

Можно конечно увеличить номинал резистора R1, однако это повлечет увеличение времени открывания-закрывания транзистора, т.е. транзистор будет слишком долго находится в линейном режиме, т.е. в состоянии когда он в приоткрытом состоянии. Кроме этого есть большая вероятность возникновения сквозного тока - когда один транзистор преобразователя еще не закрылся, а второй уже открывается. Это уже чревато выходом из строя самих транзисторов, не говоря уже о потребляемом токе и выделяемом тепле.

Для решения проблемы управления затворами, обычно используют дополнительные транзисторы, устанавливаемые после микросхемы управления. Данный промежуточный каскад называется драйвером. Он призван разгрузить выход микросхемы и обеспечить достаточный ток заряда-разряда емкостей затворов силовых транзисторов. Самыми популярными схемами драйверов являются схемы, приведенные на рисунке 6.

Рисунок 6

На верхней схеме возникновение сквозного тока сведено до нуля за счет ускоренной разрядки емкости затворов транзисторами VT1 и VT3, которые открываются только при отсутствии управляющих импульсов с микросхемы (на выходе TL494 формируется лог. 0, который и открывает драйверные транзисторы). Данная схема вполне пригодна для преобразователей с одной парой силовых транзисторов, поскольку транзисторы 2N5401 не обладают достаточно высоким током. Да и линейный участок силовой части во время открытия довольно большой.

На нижней схеме используются драйверные транзисторы и для заряда емкости затвора (VT5, VT8) и для разряда (VT7, VT10). Этот вариант вполне пригоден для быстрого открытия-закрытия силовой части, состоящей из двух или трех пар транзисторов.

На рисунке 7 приведена схема автомобильного преобразователя напряжения с выходной мощностью до 200 Вт, при использовании силовых транзисторов IRF3205.

Рисунок 7

Печатная плата в формате LAY в архиве, там же расположение деталей на плате.
Ну как работает TL494 описано выше, поэтому принцип ее работы затрагиваться не будет. Дистанционное включение преобразователя осуществляется подачей 7...15 В на клемму "ON", что влечет открытие транзистора VT4, который в свою очередь открывает VT1. При снятии напряжения с клеммы "ON" оба транзистора закрываются и питание с контроллера убирается, что влечет отключение преобразователя.

В качестве силовых транзисторов могут использоваться IRFZ44, IRFZ46, IRFZ48, IRF3205. Последние позволяют при соответствующем силовом трансформаторе получить до 200 Вт, а при ОТЛИЧНОМ охлаждении и до 300Вт.

В качестве выпрямителей используются диоды Шоттки, имеющие внутри корпуса ТО-220 по два диода, что уменьшает габариты печатной платы. Однако тут следует обращать внимание на напряжение, которое эти диоды могут выдержать. В данном случае используются диоды с максимальным напряжением 150 В. Это означает, что в идеальном случае выходное напряжение не стабилизированного варианта может быть не более 75 В (выпрямители со средней точкой требуют удвоенного максимального напряжения). А учитывая выбросы самоиндукции и необходимость стабилизации и того меньше, поскольку амплитуда напряжения не должна превышать максимальное напряжение диодов. С учетом этого, будет вполне уместно рассчитывать выходное напряжение трансформатора не более 50 % от максимального напряжения диодов, а оставшиеся 50 % поделим на две части - 25 % на выбросы самоиндукции и 25 % на необходимый запас для стабилизации выходного напряжения (амплитудное значение не должно превышать 55 В при напряжении питания преобразователя 14,5 В). Таким образом получается, что выходное напряжение данного преобразователя не должно быть выше 37 В. Для получения двуполярного напряжения минусовой вывод одного выходного напряжения соединяют с плюсовым выводом второго выходного напряжения.

Однако есть и высоковольтные диоды, например STTH1002CG содержит два 8-ми амперных диода с максимальным напряжением 200 В, что позволит получить на выходе до 50 В.

Осталось рассмотреть силовой трансформатор TV1 и дроссели фильтров питания L1-L3. Однако аналогичные узлы есть и у более мощных вариантов и чтобы не вдаваться в подробности о моточных деталях, которые будут описаны ниже, пока рассмотрим вариант с двумя парами силовых транзисторов.

Принципиальная схема более мощного варианта приведена на рисунке 8. По сути это все тоже включение контроллера TL494, но используется драйверный каскад из двух комплементарных транзисторов для каждой силовой пары.

Рисунок 8

Кстати сказать - рисунок 8 является базовой схемой, у которой есть еще два подварианта, а именно с четырьмя сдвоенными диодами Шоттки для построения преобразователя с двумя двуполярными выходными напряжениями, необходимыми для создания системы 2.1 или 5.1. Одно двуполярное питание используется для широкополосных усилителей, а второе, имеющее большее напряжение для питания сабвуферного усилителя. Второй подвариант подразумевает использование обычных "быстрых" диодов. Данный вариант может использоваться для получения более высоковольтного выходного напряжения (рисунок 9).

Рисунок 9

Чертежи печатных плат в формате LAY сведены в один файл, которые можно взять в статье ниже. Чертеж платы использующей диоды Шоттки, рассчитан на создание четырех однополярных напряжений. Если необходимо только два напряжения (двуполярный источник), то посадочные места для других напряжений просто остаются пустыми.

К особенностям данной схемы можно отнести несколько не стандартный набор деталей между драйверным каскадом и затворами силовых транзисторов (R17, R18, C8, C10). Данные цепочки формируют на затворах небольшое отрицательное напряжение, способствующее более быстрому закрытию силовой части.

В данном преобразователе так же имеется защита от перегрузки, измерительный узел которого выполнен на трансформаторе тока TV1. Порог срабатывание защиты регулируется подстроечным резистором R26, а исполнительным элементом является тиристор VS1. При достижении порога срабатывания защиты, на вторичной обмотке TV1 напряжение достигает величины достаточной для открытия VS1 и он открывается, блокирует через VD1 напряжение управления дистанционного включения преобразователя. Для ускорения разряда С7 и блокировки контроллера в схему добавлен резистор R19. Кстати сказать - данный резистор можно заменить диодом типа 1N4007, подключив катод диода к аноду тиристора VS1. Для сброса защиты достаточно на 3-5 сек снять напряжение с клеммы "УПР".

Питание модуля управления осуществляется от своего собственного трансформатора TV2, что повышает стабилизацию питания модуля. Напряжение подаваемое с клеммы "+АКБ" служит лишь для запуска преобразователя, поэтому резистор R27 имеет достаточно большое сопротивление. Кроме этого он ограничивает ток при сработке тиристора и обеспечивает его удержание в открытом состоянии. Диод VD4 предотвращает проникновение напряжения с трансформатора в бортовую сеть автомобиля.
Диод VD9 (рис 8) и VD11 (рис 9) служит для корректной работы цепочки дистанционного включения и предотвращает проникновения помех. Более наглядно о принципах работы данного преобразователя можно узнать посмотрев видео ниже.

Данная схемотехника позволяет получить выходную мощность до 300-380 Вт, но иногда нужно больше и как раз пришла пора поговорить о силовом трансформаторе. Однако перед этим следует напомнить, что речь идет о реальной мощности, рассчитываемой как P = U x I долговременно, а не о какой-то пиковой, мгновенной, критической или какой то еще. Это означает, что к преобразователю на 300 Вт можно смело подключать широкополосный усилитель мощности на 300 Вт и слушать хард или хеви без каких либо потерь качества звучания. Однако перед тем как хлопать в ладоши, предвкушая ГРОМКУЮ музыку у себя в машине стоит задуматься: А НУЖНО ЛИ ЭТО? О вкусах конечно не спорят, тем не менее осмелюсь заметить, что находясь в помещении размером 4х4м и при высоте потолка 2,2м, 2 канала по 70 Вт более чем достаточно для полноценного прослушивания музыки, без каких либо помех в виде замечаний жены "вынеси мусор". Салон автомобиля гораздо меньше, следовательно звуковое давление в салоне будет гораздо больше, чем в описываемой комнате, следовательно ощущение мощности будет гораздо больше, даже при двух каналах по 70 Вт.

Если же вы все таки считаете, что ЭТО вам нужно, то можете готовить кошелек еще к одним затратам. Нет, не на усилитель и не на акустические системы. Вам потребуется обработка салона автомобиля шумоизоляционными материалами, поскольку на мощностях свыше 50 Вт на канал в салоне уже начинает резонировать (позвякивать, подтарахтивать, поддилинькивать) практически все, что не закреплено соответствующим образом. Примерная стоимость шумоизоляции салона и дверей составит около 200$-240$ и это при условии, что этим Вы будете заниматься самостоятельно. Более подробно об этом можно почитать здесь и здесь. Совсем не бесполезно будет почитать и вот здесь.

Но вернемся к силовому трансформатору. Трансформатор можно выполнить на самом популярном сердечнике - ферритовом кольце с проницаемостью 2000. Однако этот магнитопровод начинает греться на частотах свыше 40 кГц, например при частоте преобразования 60 кГц сердечник нагревается до 60-70 градусов находясь вне корпуса устройства. В условиях плохого охлаждения, а автомобильная техника как раз и работает в таких условиях, вероятность перегрева обмоточного провода разогретым сердечником достаточно велика.

Однако перед тем, как выяснить сколько нужно мотать, желательно определится чем именно следует мотать силовой трансформатор. Разумеется, что медным, обмоточным проводом. Осталось выяснить его диаметр.

Для импульсных источников питания допускается напряжённость до 4-5 А/мм кв. Напряжённость - это параметр, при котором допускается нагрев провода при протекании через него определенного тока. Подразумевается, что нагрев проводника при таком токе не позволит проводнику нагреться до температуры старения изоляционного лака, которым покрыт обмоточный провод и который является изоляционным материалом. При долговременном нагреве до температуры старения, лак "пересыхает" и попросту отслаивается от провода, в результате чего возникает межвитковое замыкание и выход устройства из строя.

Для обычных трансформаторов на Ш-образном железе этот параметр составляет 2,5-3 А/мм кв, т.е. при токе 2,5-3 А через проводник с площадью сечения 1 мм кв вызывается нагрев проводника до температуры не сказывающейся на состоянии изоляционного лака. Для тороидальных, ПЛ-образных этот параметр составляет 3-3,5 А/мм кв. Для импульсных устройств - 4-5 А/мм кв. Разница в параметрах получается от степени охлаждения проводника - импульсный трансформатор маленький, внутренняя температура от наружной отличаться будет не сильно, следовательно этот параметр можно и увеличить.

Однако не следует забывать о том, что это АВТОМОБИЛЬНЫЙ преобразователь напряжения, который имеет плохие условия охлаждения, следовательно необходимо снизить этот параметр до уровня 3-4 А/мм кв и отталкиваясь именно от этой величины производить расчеты необходимого сечения обмоток трансформатора. В предыдущей статье было отмечено, что чем больше частота, тем сильнее ток стремится к поверхности проводника, следовательно большие диаметры обмоточных проводов для намотки силового импульсного трансформатора не годятся. Поэтому обмотки импульсных трансформаторов выполняют из нескольких тонких проводов, сложенных вместе. Для того, чтобы было удобней мотать получившийся жгут, свивают или склеивают в ленту. Ну а сколько и какого диаметра нужны провода, можно выяснить из программы для расчета импульсных трансформаторов. Для небольшой справки приведена таблица максимальных диаметров проводов в зависимости от частоты преобразования:

Кроме этого, надо выполнить еще несколько условий, причем напрямую сказывающихся на параметрах трансформатора. Прежде всего это обмотки. Для этого воспользуемся программой Багаева М. С. Программа далеко не идеальная, тем не менее доподлинно известно, что самая короткая дорога та, которую знаешь, поэтому в данной статье будет использоваться именно она, поскольку ею пользуюсь уже не один год.

Итак заполняем исходные данные для ферритового кольца К45х28х24 с материалом M2000HM1-17 и получаем вид, показанный на рисунке 10.

Рисунок 10

В ПРОЧИХ ПАРАМЕТРАХ заполняем окошко частоты преобразования - рисунок 11.

Рисунок 11

Затем заполняем окошко ПЕРВИЧНОЙ ОБМОТКИ - рисунок 12. Напряжение ставим 12 и получаем количество витков для одной полуобмотки. Можно поставить и 24, поскольку реально напряжение и будет составлять 24 вольта. Результат останется тем же - 3 витка на полуобмотку при 12 В или 6 витков с отводом от середины при 24 В.

Рисунок 12

На следующем рисунке заполненное окошко ВТОРИЧНОЙ ОБМОТКИ - рисунок 13

Рисунок 13

Теперь еще раз внимательно просмотрим результаты расчетов и сделаем кое какие выводы. Прежде всего, ВСЕ витки первичной обмотки должны распределяться равномерно по всему магнитопроводу. Поскольку схема силовой части у нас со средней точкой, то обе полуобмотки должны быть АБСОЛЮТНО одинаковыми, а учитывая небольшое количество витков, то даже 1/4 витка будет существенно влиять на перекос магнитного поля и в конечном итоге на КПД. Для получения идентичности следует мотать обе полуобмотки одновременно, а потом начало одной полуобмотки соединить с концом второй. В результате мы получаем что-то похожее на рисунок 14.

Рисунок 14

Как видно из рисунка, обмотка сильно растянута по сердечнику и это скверно, поскольку данное расположение обмотки вызывает довольно большие потери, поскольку изначально магнитное поле витков направленно не внутрь магнитопровода, а в разные стороны (рисунок 15).

Рисунок 15

Именно по этой причине не рекомендуется изготавливать трансформаторы на тороидальном сердечнике с количеством витков первичной обмотки менее 4. Это означает только одно - при напряжении питания 12 В трансформаторы имеют какую-то максимальную мощность, поскольку и увеличение сердечника приводит к снижению количества витков первичной обмотки, и повышение частоты преобразования приводит к снижению количества витков обмотки, т.е. есть "упор" дальше которого нельзя.
Для нашего сердечника, учитывая 4-х витковую первичную обмотку у нас получается, что максимальную мощность можно получить при частоте 56 кГц и составит она примерно 409 Вт.
Однако, при единичном изготовлении преобразователя, можно пойти на хитрость и отказаться от использования кольца К45х28х24 с материалом M2000HM1-17, а вместо него использовать Ш-образный сердечник от импульсного блока питания современных телевизоров (рисунок 16), который можно раздобыть в любой телемастерской и обычно за копейки. Но тут есть одно, довольно большое НО! А может и не такое уж большое...

Рисунок 16

Проблема заключается в том, что феррит для одного и того же трансформатора, стоящего в одной и той же марке телевизора, разный и имеет разную проницаемость. Основные производители ферритов для данных блоков питания являются Китай и Турция (данные с завода, где телевизоры собирают, но так и не смогли ни чего сказать о проницаемости сердечника). Выяснить какая именно проницаемость конечно же можно, проведя ряд экспериментальных замеров, но вот только нужны ли они? Нет - это не шутка.

Минимальное количество витков первичной обмотки на Ш-образном сердечнике можно снизить до трех, следовательно количество витков для первичной обмотки уже есть. Рассчитать количество витков вторичной обмотки можно через пропорцию. Ну а частоту преобразования как раз и выяснить опытным путем. Для этого закорачивается светодиод оптрона, чтобы получить максимальную длительность открытого состояния силовых транзисторов. Частоту преобразования устанавливают в пределах 85-90 кГц (этот феррит едва греется при этих частотах преобразования). Силовую часть лучше пока не задействовать. Для этого первое включение производится подачей 12 В на плюсовой вывод конденсатора С3. После проверки работоспособности контроллера, подключают силовую часть и частоту постепенно снижают до резкого повышения температуры силовых транзисторов (установленных на радиатор), что будет означать вход сердечника в насыщение (можно ориентироваться на резкое повышение потребляемого тока). Речь идет именно о резком повышении температуры - незначительное повышение температуры транзисторов вызвано нагревом установленных внутри транзисторов диодов, которые гасят на себя выбросы самоиндукции.

Во время настройки, конечно же удобней пользоваться частотомером, однако под рукой он далеко не у каждого. Для решения этой проблемы можно использовать выдержку из техдокументации завода производителя. Правда частота может незначительно отличатся у разных производителей, тем не менее приблизительное представление о частоте можно получить из таблицы:

Если же частота снижается ниже 50 кГц, а сердечник в насыщение не входит, то дальнейшее снижение частоты смысла не имеет, поскольку уже можно оставить все как есть - выигрыш по мощности будет не большой, а вот возникновение слышимых помех от преобразователя в звуковом тракте уже возможно.
Для примера рассмотрим несколько сердечников, которые попадались чаще других.

RB29, RB32 имеют одинаковые габаритные размеры и с обоих можно получить 310...330 Вт при частоте преобразования 55...65 кГц. Первичная обмотка содержит две полуобмотки по 3 витка, феррит имеет следующие размеры: высота - 42,5, ширина - 49, толщина - 17, высота окна - 26, используется в телевизорах с размером кинескопа 54 см.
BCK-46D, используется в телевизорах с диагональю кинескопа 72 см, имеет следующие габариты: высота - 50, ширина - 60, толщина - 19, высота окна - 35. Первичная обмотка содержит две полуобмотки по 3 витка, при частоте преобразования 50...55 кГц позволяет развить на нагрузке порядка 410...420 Вт.

К преобразователю напряжения, выполненному на сердечнике RB32 подключались следующие усилители:
- два УМЗЧ СТОНЕКОЛД, питание составляло ±46 В, при заведенном двигателе питание "проваливалось" не более чем на 5 В в отрицательном плече питания;
- один УМЗЧ ЛАНЗАР, питание составляло ±60 В, при заведенном двигателе питание "проваливалось" не более чем на 7 В в отрицательном плече питания при работе в качестве широкополосного и не более чем на 5 В при работе в качестве сабвуферного;
- четыре УМЗЧ на базе TDA7293, питания составляло ±32 В, при заведенном двигателе питание "проваливалось" не более чем на 7 В в отрицательном плече питания;

Не смотря на кажущийся слишком большой "провал" напряжения вторичного питания, следует сделать несколько поправок. Во первых, в качестве нагрузки использовалось АКТИВНОЕ сопротивление - нихромовые спирали диаметром провода 2 мм и сопротивлением 3,4 Ома (для УМЗЧ это довольно тяжелый режим, поскольку отсутствует реактивное сопротивление АС, а активное на 15 % меньше, чем должно быть). Во вторых - просадка напряжения питания происходила в два этапа. Первая просадка составляла 2-3 В при получении 2-3 % от максимальной мощности усилителя, т.е. практически с появлением звукового сигнала. Затем выходное напряжение преобразователя оставалось неизменным, вплоть до появления клиппинга (колебания менее 0,5 В не считались за изменение напряжения питания) и только когда клиппинг становился ярко выраженным, выходное напряжение опускалось еще на 2-4 В. Из этого следует вывод, что преобразователь обеспечивает необходимую выходную мощность даже на активную нагрузку, а регулировку выходного напряжения преобразователя следует производить с поправкой на небольшой излишек, образовывающийся в режиме "молчания" (холостого хода).

Вторичное питание для первых двух вариантов было организованно при помощи диодного моста из диодов HFA15TB60, использовался дроссель групповой стабилизации, выполненный на феррите силового трансформатора от компьютерного блока питания мощностью 300 Вт. На преобразователе, во вторичном питании, стояли конденсаторы по 1000 мкФ х 100 В на плечо, на платах усилителей - 470 мкФ на плечо. Запас по напряжению трансформатора составлял 60%.
Для варианта с TDA7293 использовались выпрямители с диодами Шоттки 30CPQ150 и два отдельно намотанных дросселя, запас по напряжению составлял 40%.

Обмотки можно намотать на оправке и затем собрать трансформатор, а можно и использовать каркас, на котором были намотаны обмотки для телевизионного питания. Соответственно готовый трансформатор приобретет вид на рисунках 17 и 18. При намотке трансформатора ОБЯЗАТЕЛЬНО помните, что для хорошей стабилизации у трансформатора должен быть запас по напряжению и ни как не меньше 30%. Другими словами, если Вам необходим преобразователь с выходным напряжением ±50 В, то расчетное напряжение с трансформатора должно составлять 50 / 100 х 30 + 50 = 65. Если нет уверенности в том, что сможете обеспечить "достойное" питание преобразователя установкой ионистора (см ниже), то запас лучше сделать 50-60 % и увеличить площадь радиатора под силовые транзисторы преобразователя - греются не только кристаллы транзисторов, но и интегрированные в них диоды.

Намотка трансформатора несколько специфичная - сначала мотается вторичная обмотка, поскольку витков у нее больше, а провод тоньше и его легче будет отформовать. Затем мотается первичная обмотка и раскладывается таким образом, чтобы полуобмотки имели максимально одинаковую форму.

Рисунок 17

Рисунок 18

После сборки, трансформатор необходимо чем-то обработать, чтобы исключить сдвигание обмоток и рассоединение сердечника. Как показал опыт, для этих нужд оптимально подходит антигравий, продающийся в автомагазинах (BODY 950, ANTICHIP). Продается в виде аэрозоля и банок под пистолет, последний немного удобней, поскольку наносить можно кисточкой, а при герметичном закрывании остатки могут хранится не один год (перед консервацией на длительное время желательно долить в банку растворителя 647, примерно грамм 100-150). После высыхания вещество приобретает свойства резины с довольно неплохими механическими качествами. Кроме этого, при необходимости, разборка трансформатора не составит труда - трансформатор обматывается тряпкой смоченной 647-м растворителем, упаковывается в целлофановый пакет и оставляется на ночь. Антигравий под действием паров растворителя через 6-8 часов размягчается и разобрать трансформатор будет легко.

С силовой частью разобрались, приступим к остальным моточным деталям. Защита от перегрузки выполнена на базе трансформатора тока. На схеме это трансформатор TV1 и хотя на схеме написано, что первичная обмотка содержит 1 виток это не совсем так. В качестве сердечника трансформатора тока используется Ш-образный феррит от фильтра питания ЛЮБОГО телевизора, например показанный на рисунке 19.

Рисунок 19

Выводы первичной обмотки от силового трансформатора просто продеваются в окна, причем даже одной пары выводов вполне достаточно. Вторичная обмотка содержит 3-5 витков. После установки конструкция приобретает вид, показанный на рисунке 20. Крепится трансформатор тока к силовому при помощи того же антигравия.

Рисунок 20

Дроссель L1 необходим для исключения проникновения помех от работы преобразователя в бортовую сеть. По большому счету, желательно индуктивность побольше, а активное сопротивление поменьше. Однако здесь возникает проблема габаритов и на практике получается формула лишь бы бы дросселек. Поэтому данный узел можно выполнить на кусочке феррита от магнитной антенны радиоприемника (СВ диапазон), можно использовать фрагмент сердечника подходящего размера. Сечение провода такое же как у первичной обмотки, количество витков - ну хотя бы 5-6.
Осталось рассмотреть индуктивности вторичного питания. Сечение такое же как у вторичной обмотки, магнитопровод для варианта по рисунку 8 можно использовать такие же как на рисунке 19, можно использовать кольца диаметром 16...20 мм M2000HM. Количество витков можно конечно же рассчитать, но исходя из логики чем больше индуктивность, тем меньше пульсаций выходного напряжения, количество витков лучше выбрать по максимуму, т.е. до заполнения окна.

Для варианта по схеме рисунка 9 индуктивности вторичного питания можно реализовать двумя способами:
- использовать раздельные дроссели, как в предыдущей версии;
- использовать дроссель групповой стабилизации.
Принцип работы дросселя групповой стабилизации основан на намагничивании магнитопровода (рисунок 21).

Рисунок 21

Напряжение контролируется на "минусовом" выходе двуполярного напряжения и при изменении его величины оптрон заставляет TL494 выровнять выходное напряжение. При изменении напряжения на "плюсовом" выходе, происходит перекос магнитного поля и сердечник намагничивается, что приводит к изменению реактивного сопротивления нижней обмотки L2, в результате происходит изменение и "минусового" выходного напряжения, а оно контролируется оптроном, который снова выравнивает выходное напряжение. Например, нагрузка на плюсовом напряжении увеличилась, намагниченный сердечник препятствует прохождению напряжения через нижнюю обмотку L2 и минусовое напряжение начинает уменьшаться. Скорость уменьшения зависит от того, какая нагрузка присутствует на минусовом напряжении и емкости конденсаторов C22, C23. И если нагрузка по минусовому напряжению не велика, а емкость указанных конденсаторов большая, то хорошей стабилизации по плюсовому напряжению не стоит ожидать - оно будет "проваливаться" и довольно ощутимо. Поэтому правило "Чем больше емкость по питанию - тем лучше" здесь не работает, как в сетевых блоках питания на базе традиционных трансформаторов.

Дроссель групповой стабилизации выполняется на феррите любого типа - кольцо, Ш-образный, броневой. Разумеется, что чем больше витков, тем сильнее получится магнитная связь между напряжениями. Далеко не последнее место играют и габариты сердечника. Для мощностей до 100 Вт сердечника из кольца диаметром 20...28 мм достаточно. При мощностях нагрузки от 100 до 200 Вт потребуется кольцо диаметром 26...32 мм. При мощностях выше 200 Вт кольцо должно быть от 30 до 40 мм в диаметре. Толщина кольца желательно побольше. При использовании только двуполярного выходного напряжения количество витков обоих обмоток должно быть одинаковым и желательно максимальным, т.е. до заполнения. Если же в преобразователе используется несколько выходных напряжений, то соотношение количества витков должно быть обратнопропорционально потребляемым мощностям. Например, от одного выходного напряжения потребляется 100 Вт, количество витков берем равным 20. Если у другого потребителя мощность составляет 200 Вт, то количество витков на дросселе для этого потребителя должно быть в 2 раза меньше, поскольку мощность в 2 раза больше и магнитное поле будет в 2 раза мощнее. Следовательно для этого потребителя должно быть намотано 10 витков. При намотке особое внимание следует уделять началу-концу обмотки, поскольку фазировка обмоток целиком влияет на функциональность дросселя групповой стабилизации.

Использование электролитов больших емкостей на выходе импульсного источника не обосновано - при частотах преобразования в десятки киллоГерц пульсации сглаживаются пленочными конденсаторами и дросселями, на которые скупиться не следует. Удерживать мгновенное изменение мощности нагрузки лучше мощностью трансформатора. Электролиты лишь служат для выравнивания напряжения в небольших пределах. Поэтому показанных на схемах 2000 мкФ на плечо более чем достаточно, причем 1000 мкФ ставят непосредственно на выходе преобразователя, а вторую 1000 мкФ лучше распределить и устанавливать в непосредственной близости оконечного каскада усилителя мощности. Для улучшения стабилизации напряжений не контролируемых оптроном, имеет смысл ввести дополнительную нагрузку, ускоряющую разряд конденсаторов С22, С23. Ну например, от этого напряжения запитать светодиодную подсветку сабвуфера, разумеется через токоограничивающие резисторы. Если же с подсветкой возится не хочется, то можно просто нагрузить минусовое напряжение на резистор 2...3 кОм мощностью 1-2 Вт.
В итоге получается примерно такой преобразователь напряжения:

Рисунок 22

Как видно из фото, антигравием трансформатор приклеен к печатной плате вместе с дросселями вторичного питания. В общем залито практически ВСЕ, что имеет более-менее большой вес и от тряски может попросту оторваться. В качестве клемм подключения используются колодки на 60 А, причем сами зажимы вытаскиваются из пластмассовой оправы и припаиваются к плате. Дорожки по которым протекает большой ток, залиты припоем для увеличения площади проводника.

При использовании в качестве усилителя мощности, усилитель класса D, настоятельно рекомендуется на выходе преобразователя поставить дополнительные индуктивности и добавить пленочных конденсаторов в каждое плечо питания. Дополнительные меры предосторожности от возможной девиации частоты преобразователя и самого УМЗЧ лишними не будут и существенно облегчат наладку всего устройства целиком.

С моточными деталями вроде разобрались и теперь вернемся к преобразователям большой мощности, точнее мощности больше 400 Вт.

Для получения больших мощностей от 12 В используется распределение мощностей, т.е. используется один управляющий модуль на базе TL494, а вот силовых модулей с транзисторами и трансформаторами может быть несколько. Использование одного контроллера обоснованно тем, что эта схемотехника полностью исключает паразитные магнитные связи между трансформаторами работающими от разных контроллеров, т.е. вся силовая часть работает синхронно. Принципиальная схема преобразователя с двумя трансформаторами приведена на рисунке 23. Из принципиальных отличий от предыдущего варианта, кроме двух комплектов силовой части, можно отметить измененную схему защиты. Трансформатор тока точно такой же как и в схеме выше, только установлено их два - на каждый силовой трансформатор свой. Напряжение с трансформаторов выпрямляется диодами VD1-VD4 и подается на регулятор чувствительности R30, а далее на тиристор VS1. При открытии тиристора блокируется не управляющее напряжение, как в предшественнике, а напряжение коллекторов последнего каскада контроллера, что ускоряет процесс остановки преобразования. Поскольку силовые ключи блокируются, напряжение питания начинает уменьшаться - сопротивление резистора R33 слишком велико. В результате, преобразователь останавливается полностью и будет находится в таком состоянии пока не будет снято напряжение с клеммы дистанционного включения "УПР".

Рисунок 23

В данной схеме формируется двуполярное питание, причем один трансформатор формирует положительное напряжение, а второй - отрицательное. Данный вариант далеко не идеальный, тем не менее он гораздо проще при изготовлении - вероятность попутать фазировку сведена до возможного минимума. Однако, наиболее полноценный преобразователь приведен на рисунке 24. Его отличие в том, что выходное напряжение формируется из последовательно соединенных вторичных обмоток. Такой вариант позволяет получить минимальные провалы выходного напряжение на выходе преобразователя, однако требует более требовательного отношения к трансформаторам - они должны быть максимально идентичными. Одинаковыми должны быть провода для обмоток, плотность свивки проводов, марка феррита, длина выводов и т.д. Теоритически, все должно работать и без таких строгих мер, однако не стоит забывать о своенравном характере выбросов самоиндукции, которые возникнут в обоих обмотках и если индуктивность у трансформаторов будет разной, то девиация фаз выбросов может лишить не только диодов вторичного питания, но и силовых транзисторов.

Рисунок 24

Индуктивности L1 и L2 выполняются на ферритовых кольцах диаметром 10...12 мм, содержат 3 витка провода, которым наматывалась вторичная обмотка. Введение в схему этих индуктивностей позволило снизить ударные выбросы самоиндукции и немного согласовать вторичные обмотки трансформаторов. Это немного повышает температуру внутри корпуса преобразователя - феррит греется, поскольку работает в очень жестком насыщении.

При использовании преобразователей мощностью более 500 Вт, уже встает вопрос необходимости установки дополнительного генератора в автомобиль, поскольку штатный уже не справится с таким потреблением. Например, генератор ЛАДА КАЛИНА имеет следующие характеристики:
Технические характеристики генератора 9402.3701-06
Максимальный отдаваемый ток (при 14 В и 6 000 мин-1), А ..................... 85

Это означает, что при включенном дальнем свете и максимальной громкости усилителя на 500 Вт генератор исчерпает свои возможности.

Осталось определиться с элементной базой...
В качестве силовых транзисторов можно использовать следующие:

НАИМЕНОВАНИЕ	НАПРЯЖЕНИЕ, В	ТОК, A	СОПРОТИВЛЕНИЕ, ОМ	МОЩНОСТЬ, ВТ	ЕМКОСТЬ ЗАТВОРА, пкФ
IRFZ44N	55	49	0.022	110	1800
IRFZ46N	50	50	0.024	150	1800
IRFZ48N	55	64	0.016	140	2200
IRF3205	55	110	0.008	200	3250
IRF3710	100	57	0.023	200	3130
IRF3808	75	140	0.007	330	5300
IRF8010	100	80	0.015	260	3830
При выборе транзисторов не стоит забывать о том, что при повышении температуры максимальный ток снижается, например транзистор IRFZ44 имеет максимальный ток 49А при температуре кристалла 25 градусов и 35 А при температуре кристалла 100 градусов. Кроме этого помните, что к стоку прикладывается удвоенное напряжение питания.

В качестве выпрямительных диодов вторичного питания, можно использовать следующие диоды:

Не лишним будет и установка предохранителей. Если приобрести предохранитель на большой ток проблематично, можно изготовить его самостоятельно из медного провода. Диаметры провода и ток, при котором провод будет перегорать сведены в таблицу:

Далеко не на последнем месте стоит качество используемых пассивных элементов. Для создания качественного и надежного источника питания, лучше использовать комплектующие известных фирм. Например TL494 фирмы TI имеет более чувствительные усилители ошибки, что увеличивает коэф. стабилизации. Подробности о выборе конденсаторов изложены здесь.

Если преобразователь готов и полностью отлажен, к нему подключен усилитель и проверена их совместная работоспособность, можно устанавливать конструкцию в автомобиль.
Для этого потребуются специальные силовые кабели большого сечения, поскольку потребление довольно большое. От правильного выбора сечения зависит качество напряжения питания и если кабель слишком тонкий, то на нем будет падать довольно большое напряжение и все усилия по получению большой мощности пойдут на смарку. Минимальные сечения силовых кабелей сведены в таблицу:

Кроме этого, будет не лишним установка перед преобразователем конденсатора большой емкости - ионистора. Емкость данного конденсатора выбирается в зависимости от мощности преобразователя. Минимальное значение - примерно 0,25 Ф на каждые 200 Вт мощности.

К сожалению, страница Шихмана о СУПЕРКОНДЕНСАТОРАХ не открывается уже недели три, а на этой странице было довольно подробно изложено, что из себя представляют и для чего служат конденсаторы на несколько Фарад, устанавливаемые перед автомобильными усилителями. Поэтому приведу только цитату из этой статьи:
Буферные конденсаторы вряд ли окажут существенную помощь участникам SPL-состязаний, хотя и стабилизируют напряжение питания головных устройств и сигнальных процессоров. Однако они расширяют возможности батареи и обеспечивают неискаженную передачу импульсных сигналов, снижают коэффициент гармоник на низких частотах и будут весьма полезны поклонникам чистого звучания.
На всякий случай ссылочка на эту статью - может заработает когда...

На последок, осталось добавить немного информации о радиаторах, хотя в общем то добавить не чего - в разных условиях, при разных УМЗЧ силовая часть греется по разному, поэтому с площадью охлаждения радиатора лучше не скупится - защита только от перегрузки, но не от перегрева, а тепловой пробой вполне вероятен. Использовать принудительное охлаждение можно, однако давайте поправку на то, что устройство эксплуатируется в весьма запыленной среде и вентиляторы будут забиваться очень часто.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Преобразователь напряжения
• Sprint-Layout