Конструкция линейного источника питания

Для данного примера это значение получается достаточно близким к 16%, что вряд ли является хорошим результатом. Для сравнения, фактическая просадка напряжения трансформатора будет составлять порядка 5% для тока нагрузки 2,14 А при 28 В. Обратите внимание, что средний ток (RMS) во вторичной обмотке трансформатора составляет 2,98 А переменного тока (приблизительно значение постоянного тока, умноженное на 1,8) для постоянного тока нагрузки 1,61 А — так и должно быть, поскольку в противном случае мы что-то получали бы даром, что не одобряется ни наукой, ни налоговыми инспекторами.

Выходная мощность составляет 32,2 В × 1,61 А = 51,8 Вт, а входная: 28 В × 2,98 А = 83 В·А. Входную мощность сложнее измерить и она представляет собой сумму выходной мощности и всех потерь в системе. В этом примере мы будем считать потери равными 10 Вт, поэтому входная мощность составит 62 Вт.

Таким образом, если входная мощность составляет 62 Вт, а произведение тока на напряжение — 83 В·А, то коэффициент мощности равен:

Существует много потерь, причем, большинство из них обусловлено сопротивлением обмотки трансформатора. Для диодного моста учитываются дополнительные 2,5 Вт при токе, используемом для этого примера. Небольшую потерю добавляют даже конденсаторы с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ЭПС), так же, как и сетевая проводка. Кроме того, существует еще небольшая потеря — «потери в железе» трансформаторного сердечника — сумма тока, необходимого для поддержания уровня потока в трансформаторе, плюс потери на вихревые токи, нагревающие сердечник. Потери в металле наиболее значительны при отсутствии нагрузки и уменьшаются с увеличением нагрузки.

Несмотря на то, что трансформатор перегружен, при условии, что перегрузка будет кратковременной, никаких повреждений не будет. Трансформаторы обычно рассчитаны на среднюю мощность (В·А) и могут выдерживать большие перегрузки при условии, что не будет превышено среднее долгосрочное значение.

3.1 Последовательное сопротивление трансформатора

Как описано выше, для трансформатора я предположил полное эквивалентное последовательное сопротивление равным 0,75 Ом, что для описанного здесь трансформатора переменного тока на 60 В·А типично. Более крупные трансформаторы будут иметь более низкое последовательное сопротивление (и наоборот) и этот эквивалент может быть рассчитан — это проще, чем фактически измерять его под нагрузкой.

Если сопротивление вторичной обмотки для трансформатора с 240 В на 30 В будет составлять (скажем) 0,5 Ом, то сопротивление первичной обмотки составит (или должно составить) порядка 15 Ом. Фактическая цифра будет варьировать от одного типа трансформатора к другому (например, для «обычных» наборных на Ш-образном сердечнике в сравнении с тороидальными).

Эффективное первичное последовательное сопротивление рассчитывается (приблизительно) по формуле:

где R_e — эквивалентное сопротивление первичной обмотки, R_p — измеренное сопротивление первичной обмотки, а T_r — коэффициент трансформации (в данном случае 240/30 = 8

Следовательно, R_e = 15 / 64 = 0,234 Ом.

Это значение добавляется теперь к сопротивлению вторичной обмотки для расчета общего последовательного сопротивления. Пожалуйста, не беспокойте меня по электронной почте, дабы сообщить, что эти цифры неверны — они подразумеваются только в грубом приближении — вычисление фактических значений для трансформаторов достойно целой большой статьи (которую я не собираюсь писать!). Однако, для большинства трансформаторов указанное выше значение будет неожиданно близким к реальности и, вероятно, неточность измерений превысит любую небольшую ошибку вычислений (которая в основном обусловлена ​​током намагничивания). Хорошо спроектированный трансформатор будет иметь равные (близкие к равным) эквивалентные сопротивления первичных и вторичных обмоток.

Просто примите, как факт, что точность здесь совершенно неважна, т.к. в линии электропитания от электростанции вплоть до первичной обмотки силового трансформатора также есть последовательное сопротивление. Оно будет варьировать от одной розетки к другой и от одного дома к другому. Хотя его можно измерить, но это совершенно бессмысленное занятие, поскольку оно будет иметь значение только для одного конкретного помещения. Другими факторами являются фактическое напряжение питания (номинальное напряжение 120 В, 230 В и т.д.), которое изменяется в широких пределах ото дня ко дню и от часа к часу.

Какова ценность этого показателя и чему он может помочь в случае, если, к примеру, на моем рабочем столе при фактическом напряжении питания 233 В, сопротивление сети оказалось равным примерно 0,8 Ом? Теперь мы просто будем делать то, что делают все остальные — полностью его игнорировать, не потому, что он не важен, а потому, что мы ничего не можем с ним поделать. В качестве части конструкции необходимо учитывать, что должны быть учтены максимальное и минимальное напряжения, которые могут иметь место при обычном использовании.

Однако, снова-таки, какова же его ценность, если мощность вашего 100-ваттного усилителя на 8 Ом снизится до чуть более 90 Вт, если к соседней розетке просто будет подключен нагреватель на 2400 Вт, исходя из импеданса электросети 0,8 Ом и реального напряжения питания 230 В (до подключение нагревателя). Вероятно, ситуация будет несколько хуже в США, потому что гораздо меньшее переменное напряжение питания означает, что для одной и той же мощности все токи удваиваются. Да, проводку тяжелее калибровать, но могут быть задействованы и другие факторы (такие, как концевое сопротивление, в лучшем случае его переменная величина).

4. V·A по сравнению с ваттами

Необходимо провести важное различие между мощностью (Ватт) и V·A. Сила — это мера работы, поэтому вполне возможна ситуация (обычно это действительно так), когда есть напряжение и ток, но выполняемая работа мала или ее вообще нет. Величина V·A является произведением напряжения и тока, поэтому существует значительное различие между V·A и ваттами.

Различные нагрузки (емкостные или индуктивные) будут потреблять ток с выхода трансформатора, усилителя или сети питания. Если нагрузка является чисто индуктивной или емкостной, мощности (работы) нет вообще, хотя ток может быть довольно высоким. В этой связи известны люминесцентные осветительные приборы, где ток может быть в несколько раз больше ожидаемого, исходя из номинальной мощности ламп.

Это явление называется «коэффициентом мощности» (Power Factor — PF), а коэффициент мощности = 1 означает отсутствие потерь мощности из-за наличия в нагрузке индуктивности или емкости. Аналогично, коэффициент мощности равный 0 означает, что напряжение и ток велики, но нет мощности (работы). В случае люминесцентного освещения конденсаторы коррекции коэффициента мощности используются для того, чтобы попытаться поддерживать КМ как можно ближе к единице. Если это не было сделано, проводка к фитингам (особенно в крупных коммерческих зданиях) перегреется и на местную электростанцию, а также на всю электросеть ляжет ​​гораздо бо́льшая нагрузка, чем это необходимо. Те же проблемы есть у компаний по электроснабжению во всем мире и в большинстве стран существует законодательство, определяющее минимально допустимый коэффициент мощности для любой установки.

Импульсные источники питания, используемые в компьютерах, имеют очень низкий КМ, но существует много новых проектов, улучшающих его. Ожидается, что в недалеком будущем они станут обязательными, т.к. низкий КМ удорожает поставляемую потребителям электроэнергию.

Обратите внимание на то, что я не предлагаю глубоко освещать тему коэффициента мощности (фактически это так!), но понимание принципов полезно для лучшего осмысления некоторых из приведенных далее сведений. Для тех, кто действительно хочет узнать больше, см. «Коэффициент мощности», «Активный корректор коэффициента мощности» и «Реактивность — ёмкость и индуктивность». В этих статьях подробно обсуждается коэффициент мощности.

Силовой трансформатор не волнует, выполняется ли работа на его выходе или нет. Он имеет внутреннее сопротивление и индуктивные потери и его заботят только входное напряжение и ток. Силовой трансформатор может быть перегружен и сожжен большой емкостью, подключенной непосредственно к выходным клеммам. Конденсатор при этом даже не нагреется, поскольку не рассеивает энергию и не выполняет работу. Трансформатор «видит» только ток нагрузки и пропорционально нагревается. Если величина В·А превысит допустимое значение, трансформатор в конечном итоге перегреется и сгорит.

Аналогично, трансформатор может работать на 500% своей мощности в течение короткого периода времени и, до тех пор, пока у него будет достаточно времени для охлаждения между перегрузками, это тяжкое испытание на повлияет на его работоспособность. К сожалению, в данном случае это полезное качество не имеет смысла в звуке, т.к. напряжение слишком сильно падает с нагрузкой, а выходная мощность усилителя сильно снижается. На основании сказанного в большинстве «ширпотребовских» усилителей мощности производители будут экономить на трансформаторе, полагаясь на усредненные характеристики типичного воспроизводимого материала, чтобы обеспечить достаточное напряжение питания для нормальных музыкальных сигналов. Непрерывная (ошибочно называемая «RMS») мощность будет ниже, иногда значительно.

Термин «динамический запас» использовался для описания разницы между непрерывной и максимальной выходной мощностью. Большее значение (2 дБ или более) указывает на то, что трансформатор слишком мал для данной работы, т.к. при постоянной нагрузке напряжение питания падает.

Поскольку мы намерены использовать трансформатор недружелюбно, с выпрямителем и большой емкостью в качестве нагрузки, значение V·A намного выше номинальной мощности усилителя. Существуют некоторые основные правила для наиболее распространенных типов выпрямителей, показанные ниже.

5. Дальнейший анализ

Для правильной оценки эффектов потерь и соответствующих токов, далее будет использована более простая схема, состоящая из «идеального» генератора на 25 V RMS и сопротивления, моделирующего потери в меди. Поскольку наиболее распространенной конфигурацией является двухполупериодный мостовой выпрямитель, он и будет использоваться для последующего подробного анализа. В действительности, существуют варианты и исключения, но симуляция и реальное тестирование на этих простых схемах дают очень близкие результаты, почему они и будут использоваться.

Простое сопротивление — это нагрузка, на которой при изменении различных параметров мы увидим огромные различия пикового переменного тока, тока пульсаций конденсатора и выходного напряжения. Четкое понимание поведения трансформатора, выпрямителя и фильтрующего конденсатора имеет важное значение при необходимости разработки надежных источников питания.

5.1 Напряжения и токи

На Рис. 2 показаны напряжения и токи, характерные для типичного источника питания. Осциллограммы будут рассмотрены потом, на данный момент нас интересуют средний ток и напряжение в каждом узле источника питания. Напряжение генератора составляет 25 В RMS, и для этого источника питания использовано сопротивление обмотки 0,75 Ом, примерно эквивалентное трансформатору на 120 V·A. Напряжения и токи — все RMS, хотя на практике очень немногие среднеквадратичные измерители могут дать точное считывание формы импульсного тока.

Рис. 2  Напряжения и токи в мостовом выпрямителе

Обратите внимание на большую разницу между постоянным током, током пульсаций конденсатора и входным переменным током. Важные параметры приведены в таблице 1:

Таблица 1

** Эта цифра несколько вводит в заблуждение, т.к. существует цикл заряда и разряда. Во время разряда существует относительно постоянный ток минус 1,44 А (отрицательное значение означает, что ток вытекает из конденсатора). В течение периода заряда выпрямитель берет на себя подачу тока в нагрузку и перезаряжает конденсатор при указанном пиковом токе.

Для постоянного тока и RMS для переменного тока используется среднее значение. Входная мощность V·A (вольт × ампер) составляет 25 В × 2,7 А или 67,75 В·А; входная мощность составляет 49,5 Вт (имитируется), а выходная мощность составляет 41,8 Вт, так что во всех случаях 7,7 Вт теряется в процессе выпрямления и фильтрации. Общий коэффициент мощности составляет:

Коэффициент мощности для первичной обмотки трансформатора хорошего качества будет очень близок к показателю для вторичной обмотки. Для линейных источников питания, подходящих для аудиоприменений, коэффициент мощности не считается особенно важным, поскольку средняя мощность довольно низкая. Совсем другое дело для промышленных применений, поскольку с многих крупных потребителей электроэнергии, если они не поддерживают коэффициент мощности не менее 0,9 (резистивные нагрузки имеют единичный коэффициент мощности, что идеально), взимается дополнительная плата.

В меди трансформатора теряется около 5,5 Вт (рассеиваются в резисторе 0,75 Ом, имитирующим сопротивление обмотки). Каждый диод рассеивает около 550 мВт (всего 2,2 Вт для всех четырех диодов), что и приводит к показанным выше суммарным потерям 7,7 Вт.

Попытка количественно оценить каждую из потерь отдельно — упражнение относительно бессмысленное, поскольку конечный результат заключается в создании работоспособного источника питания, а с потерями мы ничего сделать не можем. Реальные потери могут отличаться от рассчитанных, поскольку значения RMS основаны на допущении о чисто синусоидальном напряжении питания, что несколько сомнительно (хотя вполне нормально для целей данной статьи), потому что форма сетевого напряжения никогда не является идеально синусоидальной.

На каждом выпрямительном диоде в прямом проводящем направлении теряется от 0,7 до 0,9 В, но на практике это значение непостоянно и зависит от тока, протекающего через диоды. Поскольку это мостовой выпрямитель, то гак положительных и отрицательных полуволнах (+ ve и – ve) проводят два диода, поэтому общая потеря напряжения составляет 1,8 В, вследствие чего выходное постоянное напряжение должно составлять около 32 В. Измеренные значения 23,55 В переменного напряжения и 28,9 В постоянного напряжения являются прямым результатом искажения формы волны сетевой синусоиды. Поскольку ток отбирается только на пике полупериодов переменного напряжения, форма входного напряжения для выпрямителей не является синусоидальной. Ниже представлены эпюры напряжений и токов, из которых можно видеть, что волна напряжения «сплющена» на вершинах. Это связано с высоким пиковым током, отбираемым за это время, из-за чего ни один вольтметр не даст правильного значения — чтобы иметь возможность измерять пиковое значение напряжения, следует использовать осциллограф.

Рис. 3  Эпюры напряжений и токов

Сказанное демонстрирует дополнительную информацию по измерениям напряжения и тока, проведенным ранее. Они оба необходимы для понимания процесса выпрямления. Пиковое входное переменное напряжение составляет всего 32 В, на основании чего можно ожидать 25 × 1.414 = 35 В. Похоже, что недостающее напряжение у нас есть (35 В – 1,8 В падения на диодах = 33,2 В), а не 28,9 В постоянного напряжения, измеренные мультиметром. Применяя осциллограф и измеряя пиковые токи (либо имитируя, либо используя токовый датчик), мы обнаруживаем, что падение напряжения на сопротивлении обмотки трансформатора намного больше, чем ожидалось, из-за пикового тока = 6,4 А. Это вызывает внутреннее падение напряжения, равное 4,8 В, а не 2 В, которое можно было бы предположить на основе сопротивления 0,75 Ом и среднего тока 2,71 А.

Осциллограф показывает, что пиковое постоянное напряжение выше его среднего значения, показанного мультиметром и составляет 29,96 В. Всё действительно встаёт на свои места, но лишь тогда, когда тщательно проверяется весь процесс. Весь он никогда не может быть понят, если не изучить каждый из множества составляющих его факторов.

Обратите внимание, что сигналы на рисунке 3 были взяты из разных мест схемы и находятся в фазе. Положительная составляющая пульсаций выходного напряжения, пики переменного тока, положительные пики пульсаций тока конденсатора и уплощение верхушки входного переменного напряжения происходят в одно и то же время.

5.2 Увеличение емкости конденсатора / размеров трансформатора

Хорошо известно, что более крупные трансформаторы обладают большим КПД, чем малые, поэтому общепринятой практикой является использование для данного применения трансформатора с избыточными параметрами. Это может существенно улучшить стабильность, но, с другой стороны, создает повышенную нагрузку на конденсаторы фильтра из-за более высоких пульсаций тока. Их величина, которую нельзя превышать, указана в даташитах производителя на конденсаторы, предназначенные для использования в источниках питания. Чрезмерный ток пульсаций вызовет перегрев и возможный выход конденсаторов из строя.

На ваш страх и риск ток пульсаций конденсатора можно игнорировать, поскольку в аудиоусилителе, воспроизводящем реальную музыку, средний ток будет значительно меньше, чем в наихудшем случае.

Бо́льшие конденсаторы (как по физическим размерам, так и по емкости) обычно имеют и более высокий номинальный ток пульсаций, чем малые. Полезно знать, что два конденсатора емкостью 4700 мкФ обычно имеют более высокий суммарный ток пульсаций, чем один конденсатор на 10000 мкФ, а кроме того, более низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС). Такая комбинация, как правило, будет и дешевле — один из немногих примеров, когда можно действительно получить что-то ни за что. Использование десяти конденсаторов по 1000 мкФ, как правило, даст еще лучшие общие показатели, но по стоимости (а также по времени и затраченным усилиям) сборка их в соответствующий банк фильтров может оказаться неэффективной.

По мере увеличения емкости выше какого-то определенного значения, пиковый зарядный ток для трансформатора того же размера останется таким же самым, но конденсатор между полупериодами будет сохранять бо́льшую часть своего заряда. Зарядный ток будет намного выше и длительность импульса заряда будет дольше. При емкости конденсатора ниже оптимальной пиковый зарядный ток будет несколько уменьшаться, однако, пульсации напряжения будут гораздо больше.

Не существует четкого и быстрого правила для определения оптимальной емкости конденсаторов фильтра, но в целом я бы предположил, что она должна быть по меньшей мере такой, чтобы обеспечить полное напряжение пульсаций на нагрузке не менее 5 В от пика до пика. Исходя из этого, моя рекомендация заключается в том, чтобы минимальное значение составляло 2 000 мкФ на 1 А постоянного выходного тока, поэтому емкость фильтра блока питания на 5 А (непрерывных) будет не менее 10 000 мкФ.

Увеличением емкости достигается то, что конденсаторы будут способны удерживать больше заряда между полуволнами переменного напряжения. Поскольку потребление тока усилителем класса «AB» изменяется в очень широких пределах, причем большую часть времени при очень низких средних токах, то фактическое рабочее напряжение будет ближе к напряжению холостого хода (без нагрузки).

При больших ёмкостях конденсаторов кратковременные пики тока, создаваемые воспроизводимым музыкальным сигналом, не будут иметь достаточной продолжительности, чтобы успеть разрядить их до уровня номинального напряжения, поэтому более-менее длительное время постоянное напряжение питания будет более высоким. Это приравнивается к большей мощности для преходящих сигналов и более низкому напряжению пульсаций в остальное время.

С конденсатором емкостью 4 700 мкФ при пиковом токе 5 А (что эквивалентно пиковому току 100 В·А / 8 Ом) конденсатор будет терять напряжение между «зарядами» со скоростью 1 В/мс. По мере увеличения емкости эта скорость разряда, естественно, падает пропорционально емкости. Удвоение емкости уменьшает скорость разряда и пульсаций напряжения для данного тока, но увеличивает ток пульсаций конденсатора и пиковый импульсный переменный ток, хотя среднее значение остается практически таким же. Существует несколько незначительно различающихся вариантов, но в конечном итоге они учитываются, если критически анализировать форму сигналов — опять же, это относительно бессмысленное упражнение, которое  не имеет смысла выполнять.

Что же мы будем делать, учитывая, что произойдет в каждом отдельном случае, если:

• Емкость конденсаторов увеличена;
• Трансформатор имеет бо́льшие габариты.

В Табл. 2 показаны токи и напряжения с тем же трансформатором, что и показанный на Рис. 2, но с конденсатором фильтра на 10 000 мкФ. Имеется незначительное увеличение токов и никакого значительного увеличения среднего выходного постоянного напряжения. Амплитуда пульсаций выходного напряжения в два раза меньше, чем в предыдущем примере. Как можно видеть, бо́льшая емкость будет влиять на напряжение пульсаций постоянного напряжения и совсем незначительно на другие параметры, поэтому можно задаться вопросом, стоит ли это затраченных усилий (обычный ответ: «да», но это зависит от применения).

Таблица 2

В Табл. 3 приведены такие же данные с оригинальным конденсатором емкостью 4 700 мкФ, но теперь с трансформатором, имеющим половину общего сопротивления обмоток (0,375 Ом), что эквивалентно трансформатору, примерно в 4 раза превышающему номинал 120 В•А, т.е., 500 В•А).

Таблица 3

Увеличение как среднего, так и пикового тока весьма существенное, а выходное напряжение выше на небольшую (но не особо полезную) величину. Сила постоянного тока выше, но только потому, что больше постоянное выходное напряжение и это единственная причина увеличения напряжения пульсаций. Контрольный тест заключается в том, чтобы посмотреть, что происходит при использовании конденсатора фильтра на 10 000 мкФ с этим очень большим трансформатором.

Таблица 4

Видим небольшое увеличение пикового тока от трансформатора, но недостаточное, чтобы вызвать какую-то озабоченность. Значения RMS не изменяются и наблюдается ожидаемое уменьшение напряжения пульсаций. Ток пульсаций конденсатора немного увеличивается, но беспокоиться не о чем.

Если кто-то задается вопросом, почему я использовал сопротивление нагрузки 20 Ом, то она должна имитировать половину 55-ваттного усилителя класса «АВ», работающего в начале ограничения (клиппирования), на нагрузку 8 Ом с непрерывным синусоидальным входным сигналом. Любой динамический анализ очень сложен и результаты не имеют особого значения, если не известен точный источник сигнала, а также особенности усилителя мощности, который подключен к источнику питания.

В этих расчетах я не учитывал также тот факт, что почти все трансформаторы рассчитаны на выходное напряжение при полном токе потребления — это обязательно напряжение на резистивной нагрузке, а не на комбинации выпрямителя с фильтром. Это означает, что напряжение всегда будет немного выше, чем указано без нагрузки и теперь вы знаете, почему при полной нагрузке постоянное напряжение меньше, чем ожидалось.

5.3. Главный миф, касающийся ёмкости

Я недавно слышал об этом мифе и, хотя могу себе представить, как он возник, но поверьте, это полная чепуха. Некоторые утверждают, что по мере увеличения емкости для трансформатора данного размера возрастает также пиковый ток. Существуют также противоречивые дополнительные утверждения о том, что входной ток RMS для трансформатора либо A) увеличится, либо B) не увеличится. К этому добавляется еще одно утверждение, что трансформатор перегреется, потому что ток выше.

По сути, это полный вздор. Неправильные методы измерения или плохое моделирование могут привести кого-то к убеждению, что это так, но в действительности это совершенно не так. Важен тот факт, что возможно исследовать только ток установившегося состояния — с большей емкостью пусковой ток, очевидно, будет больше, но это событие преходящее. Поскольку переходные события — всего лишь переходные, нет смысла анализировать их и делать абсолютные утверждения, потому что каждый переходной процесс будет другим. Трансформаторы могут выдерживать значительные краткосрочные перегрузки без какого-либо вреда, а схема плавного пуска приведет переходные токи к чему-то менее страшному и опасному.

Стационарное состояние применимо к большинству источников питания через примерно 100 мс после подачи питания. Если бы использовался конденсатор на 2 Фарады с трансформатором на 15 В•А, то это время действительно было бы значительно больше, но представить такое просто глупо и нас не интересуют последствия глупых комбинаций.

Если в качестве примера использовать описанную выше схему трансформатора / выпрямителя, мы можем либо измерить, либо имитировать эффекты использования конденсатора гораздо большей емкости, чем нормальная. Как показано на Рис. 2, емкость выбранного конденсатора составляет 4 700 мкФ, а ток нагрузки 1,44 А — все довольно нормально. Ток вторичной обмотки трансформатора равен 2,7 A RMS, поэтому трансформатор на 120 V•A работает в пределах своих параметров. Даже перегрузки не являются проблемой — если они нечасты, трансформатор будет совершенно счастлив, если у него будет возможность остыть, поэтому его максимальная температура никогда не будет превышена. Для увеличения номинальной мощности (V•A) большинства трансформаторов можно использовать вентилятор, хотя и с некоторой ограничениями.

На данный момент проблем нет. Тем не менее, ожидания многих аудиофилов потребуют, чтобы емкость была не менее 10 000 мкФ, около 50 000 мкФ для приемлемых параметров, но (конечно же!) 100 000 мкФ было бы намного лучше. Это (по моему скромному мнению) довольно бессмысленно. Я не буду спорить с 10 000 мкФ, но больше тратиться впустую не вижу смысла.

Теперь, согласно мифу (извините, «теории»), эта дополнительная емкость вызовет увеличение тока RMS трансформатора, сопровождающегося резким увеличением (или отсутствием) пикового тока — все в условиях устойчивого состояния. Однако, такого просто не происходит.

Добавление большей емкости:

• Уменьшит напряжение пульсаций;
• Очень немного увеличит среднее постоянное напряжение;
• Увеличит пусковой ток (резко для больших значений емкости);
• Едва повлияет на постоянный ток RMS;
• Имеет почти нулевой эффект на пиковый ток установившегося состояния;
• Не вызовет перегрева трансформатора при условии, что на емкость конденсатора наложены разумные ограничения.

Что же является разумным? Как и во всех случаях, зависит от контекста. Для трансформатора на 25 В, обеспечивающего в наихудшем случае выпрямленный и сглаженный ток 1,44 А на нагрузку 20 Ом (как описано выше), разумный верхний предел должен составлять, возможно, 50 000 мкФ, хотя даже 100 000 мкФ вреда не причинит. Разумными значениями являются те, которые учитывают закон убывающей доходности, гласящий, что после достижения определенной точки дальнейшее увеличение дает мало дополнительной выгоды.

Если мы проведем анализ различных емкостей конденсаторов, оставив все остальное одинаковым, эффекты можно увидеть достаточно четко. В приведенной ниже таблице представлены соотношения емкости конденсаторов, ток вторичной обмотки трансформатора RMS, пиковый ток, период проводимости диода, мощности, выделяющейся на нагрузке и напряжения пульсаций. По мере увеличения емкости мощность нагрузки также увеличивается. Поскольку напряжение постоянного тока имеет меньшую пульсацию, среднее напряжение очень немного повышается. В результате нагрузочный резистор рассеивает немного больше мощности, что объясняет небольшое увеличение тока RMS (помните, что вы ничего не можете получить из ничего!).

Таблица 5

Как можно видеть, для условия устойчивого состояния разница во входном токе RMS очень мала. Тем не менее, есть еще один момент — это пусковой ток и нам нужно изучить этот вопрос, чтобы убедиться, что ничто не перенагружается настолько сильно, чтобы вызвать сбой после нескольких лет эксплуатации. Прежде чем мы это сделаем, становится достаточно очевидным, что закон убывающей доходности в полной мере действует для любой емкости более 10 000 мкФ. Для более высоких значений ёмкости увеличение мощности нагрузки незначительно, но напряжение пульсаций уменьшается. При заданном токе нагрузки удвоение емкости вдвое уменьшает напряжение пульсаций.

Цифры, показанные здесь, являются примером, основанным на схеме, показанной на Рис. 2. Любой желающий может повторить выполненное мною моделирование, но для измерения стационарного состояния следует игнорировать первую часть кривой с пусковым током. Если она включена в RMS-анализ, то получите не правильное значение устойчивого состояния, а включающее в себя установившееся состояние + пусковые токи. Это просто способ работы 99% симуляторов. Для показанных рисунков я запустил симулятор в течение 2 секунд и проигнорировал первые 1,9 секунды. Данные показывались (и измерялись) только за последние 100 мс. Если использовались все данные второй симуляции, то ток RMS для конденсатора 100 000 мкФ будет неверно отображен, как 5,64 A, что, совершенно очевидно, неправильно.

Если вы захотите сымитировать миф в действии, то все, что для этого нужно — идеальный (нулевой) импеданс выходного напряжения и идеальные диоды. Ни одно из этих условий в реальном мире на самом деле не доступно, но вы можете притвориться. С этими мнимыми компонентами все по-другому и большие конденсаторы вызывают огромное увеличение пикового тока. Поскольку это не имеет ничего общего с реальностью, его можно проигнорировать. Как отмечено, Табл. 5 была составлена ​​из данных моделирования на основе схемы, показанной на Рис. 2, с использованием ненулевого источника и неидеальных диодов. Поскольку симуляция имеет некоторый след в реальности, с которой работаем, мы получим ответы, которые будут очень хорошо соответствовать измеренным результатам.

Таблица 6

Первое значение представляет собой емкость, за которой следует ток вторичной обмотки трансформатора для первой половины полупериода. В него не включен пусковой ток трансформатора. Пиковый ток вторичной обмотки ограничивается максимальным значением, основанным на:

• сопротивлении электросети (измеренное в стенной розетке);
• эффективном сопротивлении обмоток трансформатора — первичной и вторичной;
• сопротивлении диода и внутренней проводки;
• пиковое напряжение меньше падения напряжения на диоде;
• конденсатор с низким ЭПС при пиковом токе

С такой точностью работать нелегко, но точные цифры и не нужны. При наличии общего понимания процесса и уверенности, что компоненты могут работать при максимальном токе без сбоев, дальше двигаться не нужно. Рассмотрите возможность использования схемы плавного пуска (Проект 39) для минимизации сочетанного влияния пиковых перегрузок трансформатора и конденсатора.

Третье значение — это время до момента, когда пиковый ток падает до половины максимального. Оно было включено, чтобы дать представление о длительности пиковых перегрузок. Четвертый столбец представляет собой оценку времени от момента включения до падения силы импульсного тока до 10% от значения устойчивого состояния.

Излишне говорить, что эти тесты также легко выполняются с использованием реальных трансформатора, диодного моста, конденсатора фильтра и нагрузки. Цифры будут немного отличаться, но общие значения будут показывать точно такую ​​же тенденцию, как показано в таблице. Ток трансформатора лучше всего отслеживать на резисторе с низким сопротивлением, порядка 0,1 Ом. На измеряемый пиковый ток он окажет небольшое влияние, но измерения будут очень хорошо коррелировать с показанными здесь. В качестве альтернативы измерьте входной ток трансформатора, питаемого от сети, используя датчик либо Проекта 139, либо Проекта 139a.

Рис. 4  Пиковые импульсы тока

На Рис. 4 показаны пиковые импульсы тока с конденсаторами емкостью 4 700 мкФ, 22 000 мкФ и 100 000 мкФ. Все они находятся в одинаковом масштабе, и все они были сделаны через 1,9 секунды от момента включения, чтобы обеспечить стабильные условия. Как вы можете видеть, их невозможно отличить друг от друга, потому что они почти полностью перекрываются. Поскольку амплитуды пиков практически не изменяются, это также значение RMS. Входное переменное напряжение и сопротивление нагрузки одинаковы для каждой эпюры.

Хотя может показаться, что бо́льшая емкость должна отбирать бо́льший пиковый ток, следует понимать, что конденсаторы бо́льшей емкости меньше разряжаются в промежутках между зарядными импульсами и, в конечном итоге, требуют точно такой же «пополняющей» энергии, как для конденсатора меньшей емкости. Этот эффект можно увидеть, просто взглянув на цифры напряжения пульсаций — при более низком напряжении пульсаций меньше изменяется напряжение в периоды проводящего состояния диодов, поэтому пиковый ток и форма сигнала остаются относительно постоянными.

Если емкость конденсатора меньше оптимальной, то между различными значениями будут очень большие различия. Конденсаторы с емкостью, меньше оптимальной, не рекомендуются абсолютно, а пиковое напряжение пульсаций для достижения наилучших результатов должно составлять не более 10% от общего напряжения питания. Такое запросто обеспечивает конденсатор емкостью 4 700 мкФ и для нормального прослушивания все будет в порядке.

6. Типы выпрямителей

До сих пор мы рассматривали мостовой двухполупериодный выпрямитель, но это лишь одна из нескольких различных конфигураций выпрямителей. Наиболее распространенные (и/или самые простые) выпрямители:

• Однополупериодный (не рекомендуется для любого тока, превышающего максимум несколько миллиампер);
• Двухполупериодный мостовой;
• Двухполупериодный;
• Двухполупериодный с центральным отводом вторичной обмотки трансформатора;
• Двухполупериодный удвоитель напряжения.

Существуют и другие конфиругации, но они обычно не используются в усилителях с низким напряжением питания. Из всех перечисленных конфигураций наиболее распространен, вероятно, двухполупериодный удвоитель напряжения (с мостовым выпрямителем и выводом средней точки трансформатора) который и будет далее анализироваться. Я решил игнорировать однополупериодные выпрямители (во всех их формах), но добавил удвоители напряжения. Обычно они полезны только для применений с низким энергопотреблением, где их работа не является критичной. Это особенно верно в отношении предусилителей, почти всегда снабженных стабилизатором напряжения.

Однополупериодные выпрямители не должны использоваться никогда. Процесс однополупериодного выпрямления при любом заметном токе (более нескольких миллиампер) означает, что выходной ток трансформатора подвергается выпрямлению только в одном полупериоде, что может привести к насыщению сердечника при удивительных малых токах, особенно в тороидальных трансформаторах. В общем, вообще избегайте применения однополупериодного выпрямления. Не существует приложений, для которых использование однополупериодного выпрямителя было бы полезным.

Тороидальный трансформатор можно легко загнать в глубокое насыщение постоянным током в обмотках силой всего лишь 20 мА. При наличии какой-либо заметной постоянной составляющей входной ток резко возрастает и может легко превысить номинальный для трансформатора. Если такое состояние будет устойчивым, то приведет к перегреву трансформатора и выходу его из строя, если не будет защиты термовыключателем с автоматическим сбросом. Если такого нет, то этот эксперимент обойдется очень дорого.

Двухполупериодный удвоитель напряжения по-прежнему распространен в анодных цепях ламповых усилителей и для некоторых предусилителей и широко распространен в импульсных источниках питания. Например, в источнике питания предусилителя Проект 05 опционально применен двухполупериодный удвоитель напряжения. Подробнее об этом ниже.

Общепринятые соотношения напряжений и токов основных типов выпрямителей представлены ниже. Это не жесткие правила, а только рекомендации и фактические результаты зависят от сопротивления обмотки и емкости конденсаторов фильтра. Имеет значение даже импеданс вашей домашней сети электропитания. (Нет, нет и нет! Дебильно дорогой аудиофильский «шнур питания» не помогает вообще.)

Таблица 7

¹ Не были включены входные дроссельные фильтры, поскольку, хотя они и обеспечивают превосходную фильтрацию и более низкий уровень шума, но очень дороги в производстве из-за значительного номинала индуктивности.

² Эта цифра предназначена для каждой обмотки трансформатора.

Как видно из анализируемых схем, значение для мостовых выпрямителей (сила переменного тока в 1,8 раза превышает силу постоянного тока) достаточно близко к измеренному. Следует помнить, что это не точные расчеты, т.к. существует множество переменных, с которыми приходится иметь дело. Приведенные выше цифры являются ориентировочными, а для непрерывных высокоточных нагрузок необходимо убедиться, что трансформатор не будет перегружен. Это требует тщательного анализа и тестирования, потому что расчеты намного сложнее, чем может показаться.

Значения падения напряжения на диодах важны и во всех случаях должны учитываться. Для большинства транзисторных усилителей выпрямительные мосты с номиналом 400 В дешевы и легко доступны на нескольких номинальных значений тока, но для применений с высоким напряжением необходимо знать максимальное напряжение, которое может быть приложено к каждому диоду.

Мостовой выпрямитель требует диодов с самым низким обратным напряжением. Его значение должен быть больше пикового переменного напряжения (VRMS x 1.414). Для всех остальных выпрямителей (включая однополупериодный) обратное напряжение диодов должно быть по крайней мере вдвое больше пика переменного напряжения. Это очень важно для источников высокого напряжения и в некоторых случаях для предотвращения отказа необходимо использовать два диода последовательно. Например, источник питания на 600 В постоянного напряжения от двухполупериодного выпрямителя (с центральным отводом вторичной обмотки трансформатора) требует диодов с номинальным напряжением не менее 1200 В, поэтому для каждого плеча разумно использовать по два последовательно соединенных диода на 1 кВ (например, 1N4007).

6.1 Двухполупериодный выпрямитель

В отличие от мостового выпрямителя, который все время использует 100% обмотки трансформатора, двухполупериодный выпрямитель в каждом полупериоде переменного напряжения использует только половину обмотки. Это ведет к некоторым дополнительным потерям, поскольку обмотка должна иметь вдвое больше витков, чем для мостового выпрямителя. Это означает, что сопротивление обмотки по сравнению с мостовым выпрямителем обычно удваивается, поскольку обмотки должны быть тоньше, чтобы не занимать больше места в окне сердечника, что ведет к более высоким резистивным потерям.

Рис. 5 Двухполупериодный выпрямитель

В этом подразделе я вернулся к трансформатору, а не к моделируемой версии, используемой ранее. При этом схемы становятся более понятными, а столь же глубокий анализ снова выполняться не будет. Ток пульсаций конденсатора, в принципе, не изменяется, за исключением того, что для данного значения V•A будет несколько ниже, поскольку напрямую зависит от сопротивления обмоток трансформатора.

В примере на Рис. 5 сила переменного тока в каждой обмотке составляет 1,82 А для постоянного тока в нагрузке силой 1,47 А. Это довольно близко к отношению 1,2:1, показанному в Табл. 5 и разница является результатом нормальных отклонений сопротивления обмоток трансформатора.

Величина V•A для трансформатора одинакова для мостового выпрямителя и удвоителя напряжения, но немного выше для двухполупериодного выпрямителя. Несмотря на кажущиеся отклонения, «лишняя» мощность ограничена диодами и резистивными потерями в обмотках трансформатора, что во всех случаях предполагает наличие обмоток надлежащих размеров.

Рис. 6 Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом вторичной обмотки трансформатора

Эта версия теперь использует всю обмотку все время — каждая полуобмотка используется как для положительной, так и для отрицательной полярностей выходного напряжения. Использование полной обмотки означает, что сила переменного тока теперь такая же, как и в мостовом выпрямителе, в 1,8 раза превышая силу постоянного тока, но только для общей нагрузки (т.е. между плечами, а не с одной или другой шины питания на землю — это идентично такому же току от каждой шины питания на землю). Если нагрузка подключена только к одной или другой шине питания, применяется правило 1,2, но усилители мощности будут питаться от обоих источников одинаково (более или менее). Частота музыкального сигнала в основном превышает входную частоту источника питания, поэтому он будет эффективно нагружен в синфазном режиме. Все конструкции с двухполярным питанием должны учитывать эту особенность нагрузки, или же результат будет неудовлетворительным.

6.2 Двухполупериодный удвоитель напряжения

Этот тип выпрямителей зачастую имеет плохую репутацию и считается полезным только для некоторых применений. Многие, как правило, считают КПД и стабильность довольно неважными, поэтому их часто используют только для сравнительно маломощных источников питания. Хотя так быть не должно. Поскольку требуется только половина витков, провод может быть в два раза большего диаметра и обмотка будет иметь ¼ сопротивления по сравнению с нужной для мостового выпрямителя. Если так будет сделано, то КПД почти идентичен мостовому выпрямителю. Обычно удвоитель был общепринятым источником в ламповых усилителях (хотя и не центрирован, как показано ниже), т.к. позволяет использовать конденсаторы на более низкие напряжения. Они должны иметь в два раза бо́льшую емкость, поскольку соединены последовательно и поэтому общая емкость составляет половину емкости каждого отдельного конденсатора (следовательно, нужны конденсаторы по 10 000 мкФ вместо 4 700 мкФ, как указывалось ранее).

Рис. 7 Двухполупериодный удвоитель напряжения

Используя те же самые напряжение и ток нагрузки, как и раньше, мы можем провести быстрый анализ схемы. Первое, что нужно знать — это то, что частота напряжения пульсаций в точке соединения двух конденсаторов совпадает с частотой сети питания (50 или 60 Гц). Пульсации на выходе составляют 100/120 Гц, но только в случае, если вывод отрицательного напряжения заземлен/занулен. При использовании симметричного (двухполярного) источника питания, с заземленной центральной точкой, напряжение пульсаций на каждом выходе (т.е. + Ve и - Ve) соответствует частоте сети, но фаза пульсаций на каждом выходе имеет противоположную полярность. Этим объясняется частота пульсаций 100/120 Гц, когда заземлено одно из плеч источника питания (а не центральная точка).

Напряжению удается достичь значения ± 26,8 В при токе 1,5 А (фактически немного меньше — около 1,49 А). Размах напряжения пульсаций (от пика до пика) составляет 2,3 В, но сила переменного тока теперь немного превышает 4,9 А RMS. При использовании обмотки на 25 В и столь большого тока, трансформатор должен быть рассчитан теперь на 122,5 В•А, при мощности, подаваемой на нагрузку, до 80 Вт. Совершенно очевидно, что это не очень хороший способ изготовить сильнотоковый источник питания и в целом моя рекомендация заключается в том, чтобы использовать его только для относительно маломощных источников питания.

Рис. 8 Двухполупериодный умножитель с однополярным выходом

При использовании в ламповых усилителях, ток обычно управляем, но центральная точка соединения конденсаторов, как правило, не используется. Просто изменяется подключение к земле отрицательного вывода питания вместо центральной точки, как показано на Рис. 8, поэтому от обмотки трансформатора на 25 В получаем напряжение 54 В. При удвоении высокого напряжения отвод половины напряжения (между двумя конденсаторами) полезен для питания экранных сеток выходных ламп и предусилительных каскадов. Обратите внимание, что выход высокого напряжения имеет теперь частоту пульсаций 100 Гц, а выход половинного напряжения — 50 Гц (соответственно, 120 Гц и 60 Гц для сети 60 Гц). Естественно, что для лампового оборудования напряжения будут обычно ближе к 500 В и 250 В, чем те, что показаны выше. Меньшая частота пульсаций в средней точке означает необходимость в лучшей фильтрации, что неприятно.

Интересно, что этот тип источников питания является (или до недавнего времени являлся) довольно распространенным в компьютерных и тому подобных блоках питания. При использовании питающей сети на 120 В, переключатель напряжения на обратной стороне блока питания преобразует его с мостового выпрямителя в удвоитель напряжения, а схема ИИП работает от источника постоянного тока напряжением 300-340 В, как само собой разумеющееся. При таком напряжении потребляемый ток обычно довольно низкий (около 500 мА для мощности 150 Вт). При таком использовании обязательным является какой-то узел ограничении пускового тока, поскольку сеть имеет настолько низкий импеданс, что при возможных пусковых токах силой сотни ампер, почти гарантирован отказ диодов или конденсаторов.

7. Температура

Во всех конструкциях блоков питания значительной мощности необходимо обязательно учитывать повышение температуры трансформатора. Помимо нагрева ближайших компонентов теплом, излучаемым трансформатором, любое повышение его температуры приведет к увеличению потерь в меди, что приведет к снижению КПД и еще большему нагреву. Может существенно помочь использование более крупного, чем нужно, трансформатора, но за счет тока пульсаций конденсатора. Номинальную мощность трансформатора также может значительно повысить правильно выполненное вентиляционное охлаждение.

Естественно, увеличение тока пульсаций приведет к нагреву конденсаторов и, как всегда, повышение температуры вызовет увеличение потерь и сокращение срока службы компонентов.

По этим же причинам нецелесообразно монтировать конденсаторы фильтра где-нибудь вблизи значительных источников тепла, таких, как большие проволочные резисторы, радиаторы или другие теплогенерирующие компоненты. Ламповые усилители являются естественным врагом электролитических конденсаторов из-за часто повышенных температур внутри шасси. Некоторые производители прибегают к установке фильтрующих конденсаторов в отдельном металлическом корпусе вне шасси (и на достаточном удалении от выходных ламп), пытаясь снизить их температуру.

Несколько удивительно, что некоторые усилители бросают вызов всем ожиданиям и даже после 50 лет работы электролитические конденсаторы в них оказываются в пределах заданных параметров. В других случаях конденсаторы выходят из строя намного раньше, чем ожидалось и это может быть связано с «плохой партией», несовершенным производством (одноразовым, случайным) или просто нечестным изготовителем или подделками! Да, на рынке появились фальшивые конденсаторы и некоторые из них, как оказалось, имеют небольшой (дешевый) конденсатор внутри банки для гораздо большего по размеру компонента. Если цена кажется слишком хорошей, чтобы быть честной, то это, вероятно, так и есть.

8. Ёмкость конденсатора

Ёмкость, нужная для данного тока нагрузки и напряжения пульсаций определяется (приблизительно) по формуле:

где I_L — ток нагрузки, ΔV — размах напряжения пульсаций (пик-пик), а k = 6 для частоты пульсаций 120 Гц или 7 для 100 Гц

Это можно легко проверить, поскольку все мои расчеты, приведенные выше, были выполнены для частоты пульсаций 100 Гц (50 Гц), поэтому:

I_L = 1,44 А;

Размах напряжения пульсаций = 2 В (пик-пик).

Откуда C = 5 040 мкФ.

Можно с уверенностью заключить, что для наших нужд эта формула более, чем приемлема, при этом любая ошибка будет меньше, допустимого отклонения емкости конденсатора от номинала. Конечным результатом расчетов является то, что требуемая емкость составляет около 3 500 мкФ на ампер при напряжении пульсаций 2 В (на частоте сети 50 Гц). Для стран с частотой сети 60 Гц требуемая ёмкость будет меньше — 3 000 мкФ на ампер, опять же, при размахе напряжения пульсаций 2 В. Моя рекомендация (выше) для минимум 2 000 мкФ на ампер постоянного тока остается вполне справедливой, но обеспечивает более высокий размах напряжения пульсаций (3 В, а не 2 В пик-пик). Обратите внимание, что и результат вычислений по формуле и моя «быстрая и грязная» оценка — всего лишь приближения и в реальности вы почти наверняка увидите отклонения от них.

Я встречался с утверждениями, что 100 000 мкФ — это минимум, который следует использовать для мощного усилителя (скажем, 200 Вт на канал или около того), но подтвердить это мне сложно. Довольно быстро вступает в силу закон убывающей доходности, который становится значимым в отношении ёмкости и мощности трансформатора, как только вы удвоите каждое из этих значений. В усилителях класса «АВ» размах напряжения пульсаций 2 В пик-пик при полной мощности будет уменьшать выходную мощность не более, чем на несколько ватт вблизи уровня ограничения (клиппирования). Даже дальнейшее уменьшение емкости до 1 500 мкФ на ампер уменьшит непрерывную выходную мощность на небольшую величину. Нормальные музыкальные сигналы, с их динамическим диапазоном, позволят усилителю с относительно небольшой емкостью продолжать обеспечивать максимальную мощность при коротких переходных процессах.

Например, усилитель мощностью 100 Вт / 8 Ом будет иметь максимальный выходной ток на резистивной нагрузке около 3,5 А RMS. Поскольку мы знаем, что громкоговоритель — нагрузка не совсем резистивная, эта цифра может быть удвоена до 7 А. Фактически, индуктивная нагрузка громкоговорителя уменьшит ток, потребляемый ею и обеспечиваемый источником питания, но давайте не будем позволять реальности затуманить проблему.

Итак, мы решили удвоить ток для ... чего-то там. Это не абсолютное правило. Вы можете умножить эту величину даже на три, если это сделает вас счастливее. Таким образом, ток питания для каждого плеча источника питания (положительного и отрицательного) будет иметь пиковое значение около 10 А (7 × 1,414), а среднее значение будет составлять 1/2 от динамического тока, или 3,5 А. Основываясь на приведенной выше цифре 3 500 мкФ на ампер (при условии питания с частотой 50 Гц), достаточно 12 250 мкФ на канал для гарантии, что размах напряжения пульсаций никогда не превысит 2 В пик-пик, но, поскольку эта емкость нестандартная, мы будем использовать 10 000 мкФ.

В действительности, скорее всего, всё будет вполне нормально и с ёмкостью 4 700 мкФ, а потеря мощности в реальных условиях незначительна. Как указано выше, непрерывная мощность уменьшится, но в нормальных музыкальных сигналах не будет переходных процессов достаточной длительности, чтобы существенно разрядить конденсатор фильтра. Обратите внимание, что это не относится к усилителям, используемым для сабвуферов, а также усилителей класса «А». Они налагают бо́льшую нагрузку на источник питания и на более долговременной основе.

Если бы мы увеличили емкость до бесконечной (конденсатор большой емкости!), то напряжение пульсаций стало бы равным 0 В, и мы получили бы от усилителя дополнительный вольт до начала клиппирования при воспроизведении непрерывного сигнала. С другой стороны, конденсатор также будет требовать бесконечное количество времени для зарядки, поэтому вы вообще не сможете использовать усилитель в течение многих лет после его включения. После бесконечного времени, когда конденсатор зарядится, вы дополнительно получите около 4 Вт мощности, что совершенно незначительно.

С более реалистичными значениями емкости конденсаторов ситуация отличается не сильно, но, по крайней мере за срок вашей жизни они хотя бы зарядятся до полного напряжения. Теперь мы должны помнить, что напряжение в сети может падать (или повышаться) на 10%, что равнозначно падению мощности примерно на 20 Вт — при снижении питающего напряжения на 10% усилитель мощностью 100 Вт будет работать только на 80 Вт. Учитывая, что в любом случае усилитель не должен работать на уровне ограничения (клиппирования) или вблизи него, разница несущественна. Если усилитель не переносит обычного размаха пульсаций источника питания (как правило, пара вольт пик-пик), значит, он плохо сконструирован и не должен использоваться вообще.

Обычной практикой является применение небольшого (например, 1 мкФ) полиэфирного, поликарбонатного или полипропиленового конденсатора на выходе источника питания постоянного тока. Электролиты имеют небольшую индуктивность, что ведет к повышению их импеданса на повышенных частотах. Этот эффект зависит от физического размера (в основном, длины) конденсатора — бо́льшие конденсаторы обычно имеют бо́льшую индуктивность. В этом отношении, опять же, будет лучше использование банка из небольших (по 1 000 мкФ) запараллеленных электролитов, чем одного конденсатора большой емкости, кроме того, их будет легче и дешевле монтировать. У меня никогда не было необходимости добавлять шунтирующий конденсатор параллельно электролитам для поддержания стабильности усилителя, но повредить он не может. Некоторые усилители могут самовозбуждаться, если импеданс источника питания превысит определенное (низкое) значение на высоких частотах. По сути, это хорошая идея и в схеме, имеющей много компонентов, сто́ит недорого. Если вы все же решите не ставить шунтирующий пленочный конденсатор —  маловероятно, что произойдет что-нибудь «плохое», т.к. импеданс электролита большой емкости, как правило, будет намного ниже, чем у пленочного конденсатора на любой частоте ниже 1 МГц или около того.

В качестве проверки реальности сказанного обратите внимание на то, что выводы от конденсатора фильтра обычно имеют гораздо бо́льшую индуктивность, чем сам конденсатор и часто именно эти выводы (а также дорожки печатной платы), доминируют в собственной резонансной частоте конденсатора. Если выводы слишком длинные, то некоторые усилители будут самовозбуждаться. Правильное место пленочных шунтирующих конденсаторов — на самой плате усилителя, а не параллельно непосредственно конденсаторам фильтра. Вы можете сделать так и так, но какой-то полезный эффект будут иметь только конденсаторы на плате усилителя мощности. Для сведения: индуктивность прямого отрезка проводника в свободном пространстве составляет примерно 5-6 нГ (наноГенри) на сантиметр, поэтому, если длина провода питания между фильтрами и усилителем составляет 100 мм (10 см), значит, вы добавили к нему около 55 нГ индуктивности. Это не так и много, но может привести к тому, что высокоскоростные полупроводники будут самовозбуждаться в цепи обратной связи.

Вы можете увидеть графики, демонстрирующие собственную резонансную частоту электролитических конденсаторов, на которых показан импеданс, увеличивающийся в пределах звуковой полосы. В этом отношении конденсаторы очень большой емкости будут «хуже», чем более мелкие. Этот факт является частью «обоснования» одновременного использования одного или нескольких конденсаторов меньшей емкости. Такие графики, если правильно не интерпретируются, вводят в заблуждение и обычно могут быть проигнорированы. Причина того, что частота собственного резонанса настолько низкая, имеет мало общего с индуктивностью, потому что емкость настолько велика! Сопротивление конденсатора остается очень низким, по крайней мере, до частоты 100 кГц и, как правило, до 200 кГц или даже более. Не стесняйтесь проверить это для себя.

Рассмотрим конденсатор емкостью 4 700 мкФ с последовательной индуктивностью 100 нГ — два провода, каждый длиной менее 100 мм. Стандартная формула: 

говорит, что резонансная частота составляет всего 7,14 кГц. Удивительно, но это не имеет большого значения, потому что импеданс на частоте 100 кГц составляет всего 62 мОм (62 миллиОма), если игнорировать ЭПС, составляющее, возможно, 50 мОм или около того (фактический импеданс на частоте 100 кГц будет составлять около 80 мОм с ЭПС 50 мОм). Любой конденсатор малой емкости, подключенный параллельно, будет иметь гораздо бо́льший импеданс. Например, импеданс конденсатора емкостью 1 мкФ не доходит до 80 мОм, пока вы не достигнете частоты около 2 МГц — и при этом предполагается нулевая длина проводников и нулевое ЭПС! Несмотря на утверждения об обратном, «звук» постоянного тока не изменился.

Обратите внимание, что проводка к усилителю (или другой нагрузке) должна браться с клемм конденсатора фильтра, но никогда не с выпрямителя! Из-за ЭПС конденсатора уже имеется предел для ВЧ-шунта и любое дополнительное сопротивление только ухудшит ситуацию. Небольшое сопротивление (и индуктивность) между выпрямительными диодами и фильтрующим конденсатором может привести к тому, что на постоянное напряжение будет наложена энергия более высокой частоты. Не исключено, что в некоторых проектах это будет слышно. Если вам интересно, то добавление конденсатора емкостью 100 нФ дает практически нулевую разницу в реальном выражении. Снижение размаха пульсаций на 2,6 мкВ совершенно незначительно по сравнению с размахом пульсаций 65 мВ — это то, что я измерил при моделировании, предполагающем идеальный конденсатор емкостью 100 нФ с нулевой индуктивностью и ЭПС. Реальный компонент обеспечит гораздо меньшую разницу.

Некоторые конструкторы ставят разрядный резистор параллельно с конденсатором(амии) фильтра. При нормальной работе усилителя он является избыточным и не дает ничего полезного, кроме избыточной рассеиваемой мощности. Однако, он может оказаться очень полезным при тестировании, т.к. конденсаторы могут удерживать заряд в течение некоторого времени после отключения усилителя, что приводит к искрению и возможному повреждению (это, хоть и редко, но может произойти). Для выбора его номинала нет никаких правил, но было бы неразумно ставить резистор сопротивлением 1 МОм параллельно конденсатору емкостью 10 000 мкФ и так же неразумен резистор на 1 Ом. В общем случае разумным является резистор, который разряжал бы конденсаторы примерно до 37% от полного напряжения примерно за 10 секунд, поэтому это означает резистор на 1 кОм для конденсатора емкостью 10 000 мкФ. Если напряжение питания составляет ± 56 В, вам понадобятся резисторы на 5 Вт, которые будут рассеивать чуть более 3 Вт каждый. Определите их номинал и мощность, необходимые для вашего применения.

8.1 Ток пульсаций конденсатора

Ток пульсаций по определению производителей — это максимальная непрерывная пульсация, обеспечивающая прогнозируемую длительность жизни конденсатора (обычно 2000 часов, но для некоторых производителей от 12000 до 26000 часов). Частота пульсаций определяется частично ЭПС (эквивалентным последовательным сопротивлением) и максимальной номинальной рабочей температурой (обычно 85° C, но для высокотемпературных типов — выше). Максимальный ток пульсаций может быть увеличен до 2,5 раз по мере снижения рабочей температуры (в 2,5 раза при 30° C), хотя превышение примерно в 1,5 раза является рискованным, поскольку по мере возрастания срока жизни конденсатора ЭПС увеличивается, что вызывает больший нагрев при том  же размахе пульсаций тока [3]. Лично я предпочитаю размах тока пульсаций не превышать.

Конденсаторы в источниках питания, питающие усилители класса «А», должны хорошо работать в пределах их номинального тока пульсаций. В усилителе класса «AB» максимальные пульсации возникают только при максимальном выходном токе, который бывает только иногда (если вообще бывает!). Периодические отклонения до или даже выше максимального тока пульсаций не будут существенно влиять на срок службы конденсатора. Однако, в усилителе класса А пульсации достигают или приближаются к максимуму всякий раз при его включении. Если ток пульсаций для конденсатора максимален, ожидаемая длительность его жизни составит 2000 часов (для обычных типов). Если усилитель используется в течение 3 часов в день, это эквивалентно времени менее двух лет. Срок работы может быть и намного дольше, но это будет результатом скорее удачи, чем бережной эксплуатации.

Формула расчета тока пульсаций была бы очень полезной, но, к сожалению (несмотря на утверждения, сделанные в некоторых статьях, которые я прочитал), она почти полностью зависит от последовательного сопротивления сети питания, силового трансформатора и выпрямительных диодов. Любые существующие формулы справедливы только для «субоптимальных» значений емкости (другими словами, конденсатор слишком мал, чтобы быть достаточно эффективным). В сводке (ниже) есть некоторые рекомендации, которые могут быть полезны, но имейте в виду, что это только рекомендации. В конечном результате есть так много переменных, что невозможно дать точное предсказание тока пульсаций конденсатора.

Помните, что конденсаторы большой емкости будут иметь меньшую площадь поверхности на единицу емкости, чем меньшие, поэтому может быть полезным использование нескольких небольших конденсаторов вместо одного большого. Будут больше площадь поверхности и допустимый ток пульсаций, ниже ЭПС и, кроме того, комплект чаще всего будет дешевле. Такая ситуация «всех победим» в любой форме инженерного дела достигается редко. Примером может служить следующий пример (данные приведены из каталога австралийского производителя электроники):

Таблица 8

Предположим, что нам нужна емкость минимум 8 000 мкФ на напряжение 50 В с номинальным током пульсаций 7 А — этого более, чем достаточно для усилителя мощностью 100 Вт и соответствует всем критериям разработки.

• Можно использовать один конденсатор емкостью 8 000 мкФ × 80 В, ценой USA $18,95 и током пульсаций 3,46 А и площадью поверхности 8 467 мм². В целом, простое решение, но ток пульсаций составляет ½ требуемого, поэтому он исключается.
• Два конденсатора емкостью по 4 000 мкФ × 75 В будут стоить USA $29, но имеют ток пульсаций 9,2 А и площадь поверхности 15 268 мм². Значительно дороже, но с очень хорошими параметрами.
• Четыре конденсатора по 2 200 мкФ × 50 В, сто́ят USA $11,40, с током пульсаций 7,6 A, а площадь поверхности составляет 7 240 мм². Самый экономичный вариант, но параметры немного худшие по сравнению с предыдущими и следующими вариантами (зато получаем дополнительную емкость). Это было бы моим выбором для большинства систем, т.к. соответствует всем требованиям или даже превосходит их.
• Восемь конденсаторов по 1 000 мкФ × 63В будут стоить USA $15,60. Ток пульсаций составляет 11,2 А, а площадь поверхности 13 272 мм². По эффективности и цене действительно нет конкурентов. Однако, требуется больше усилий для их монтажа.
• Естественно, вы также можете использовать конденсатор на 10 000 мкФ, но зачем вы так будете делать?

Окончательное решение я оставляю на ваше усмотрение, чтобы вы смогли провести свои собственные сравнения, но в большинстве случаев вы получите аналогичные результаты. Это очень хороший способ уменьшить требования к размеру — гораздо проще разместить в корпусе несколько маленьких конденсаторов, чем несколько крупных, кроме того, за счет общего улучшения характеристик, а также ценового преимущества такое решение еще и элегантное.

Обратите внимание, что указанные цены были получены на момент написания данной статьи (~ 2003 г.) и больше не будут соответствовать действительности. Однако, описанные тенденции остаются неизменными и репрезентативными, независимо от изменений реальных цен на компоненты.

Стоит отметить, что исторически конденсаторы фильтров являются основной причиной отказов источников питания. Это почти всегда происходит из-за влияния температуры и пульсаций тока и потому очень важно пристальное внимание к этим факторам. Лучшим способом определить, хорош ли конденсатор или находится на последнем издыхании — замерить его ЭПС. Измеритель ЭПС — отличная инвестиция для тех, кто строит или ремонтирует усилители. Когда конденсатор становится «плохим», ЭПС поднимается до неприемлемого значения, даже если емкость может показаться нормальной.

Таблица 9

Приведенная выше таблица является приблизительной, но показывает наихудшие показатели ЭПС для различных конденсаторов разных номинальных напряжений. ЭПС обычно измеряется на частоте 100 кГц, на которой емкостное сопротивление достаточно низкое, чтобы не влиять на показания. На ЭПС влияет также коэффициент диссипации (DF) электролита и внутренняя конструкция конденсатора. В конденсаторах, которые имеют (или утверждают, что имеют) низкое ЭПС, используются различные рецептуры электролита для получения наименьшего реального ЭПС. Обратите внимание, что ЭПИ (эквивалентная последовательная индуктивность) обычно очень мала и часто почти целиком является следствием излишне длинных проводников.

9. Выпрямительные диоды

Для источников питания усилителя мощности я настоятельно рекомендую применять диодные мосты на 35 А с возможностью монтажа на шасси. За счет большого размера диодных переходов они имеют более низкое прямое падение напряжения, чем более мелкие диоды и их намного легче охлаждать, т.к. они устанавливаются на шасси, играющем роль радиатора. Как и в прочих случаях, более низкие температуры означают более длительный срок службы и, как было продемонстрировано выше, их пиковые токи достаточно высоки, поэтому использование выпрямителя с параметрами больше минимально необходимых, не причиняет никакого вреда.

Даже учитывая изложенное выше, мне пришлось несколько раз заменять мостовые выпрямители — они могут выходить из строя (и выходят), как и любой другой компонент. Более мощные трансформаторы увеличивают риск отказа из-за огромного тока, протекающего при их включении, поскольку конденсаторы полностью разряжены и действуют как кратковременное короткое замыкание.

Диоды, используемые в двухполупериодных выпрямителях со средней точкой или однополярных двухполупериодных выпрямителях, должны быть, в худшем случае, как минимум, на удвоенное пиковое переменное напряжение. Так, например, трансформатор со вторичным напряжением 25 В RMS будет иметь пиковое переменное напряжение 35 В при полной нагрузке, а без нагрузки может достигать 40 В, откуда удвоенное напряжение составляет 80 В. Поэтому диоды, минимально приемлемые для этого применения, должны иметь обратное пиковое напряжение (ОПН) 100 В.

Для однополярного мостового выпрямителя ОПН должно быть больше пикового переменного напряжения, т.к. в каждом плече последовательно включено по два диода.

В случае двухполярного питания (с использованием трансформатора 25-0-25 В) наихудшее значение переменного напряжения составляет 80 В, поэтому диоды должны быть рассчитаны на 200 В ОПН. Наиболее распространенные мостовые выпрямители на 35А для установки на шасси, рассчитаны на 400 В и этого достаточно для любых источников питания, обычно используемых для усилителей обычно распространенной мощности (т.е. до 500 Вт / 8 Ом). Однако, если величина напряжения и подходит, то величина тока недостаточна и следует использовать выпрямительный мост на больший ток.

В настоящее время наблюдается тенденция к использованию в источниках питания диодов с быстрым восстановлением, поскольку они якобы «лучше» звучат. В сущности, это плохая идея, поскольку для неё нет абсолютно никакого обоснования. Цель диода с быстрым восстановлением (или любого другого быстродействующего диода) заключается в возможности быстрого переключения, когда напряжение на диоде меняется на противоположное. Все диоды, как правило, на короткое время остаются в проводящем состоянии, когда напряжение на них внезапно реверсируется. Это чрезвычайно важно для импульсных источников питания, поскольку они работают на высокой частоте и имеют прямоугольный выходной сигнал. Стандартные диоды выйдут из строя через несколько секунд из-за обратного тока, т.к. он вызывает в диоде огромную потерю мощности.

На частоте 50 или 60 Гц синусоидального тока самые медленные диоды во Вселенной все еще будут быстрее, чем от них требуется. Действительно, Nelson Pass предполагает, что даже стандартные диоды следует замедлять путем подключения параллельно им конденсаторов [2]. Это может быть хорошей идеей, поскольку она уменьшает излучаемые и пропускаемые гармоники от переключения диодов. Эти коммутационные гармоники могут иметь полосу частот до несколько МГц даже в нормальной сети питания 50/60 Гц.

Как правило, параллельно каждому диоду в мостике подключаются конденсаторы емкостью 100 нФ (опционально с небольшим последовательным сопротивлением), что довольно часто встречается в некоторых high-end устройствах и испытательном оборудовании, где важен минимальный шум.

10. Звучание постоянного тока

По причинам, которые я нахожу совершенно неочевидными, некоторые утверждают, что существуют слышимые различия между различными конденсаторами фильтров источника питания, диодами и сетевыми проводами. Конечным результатом всех этапов, описанных выше — трансформирования, выпрямления и фильтрации, является получение постоянного напряжения. Ладно, это не чистое постоянное напряжение, поскольку на него накладывается некоторое переменное напряжение в виде пульсаций. Очень мало усилителей мощности настолько нетерпимы к пульсациям или другим сигналам на своих шинах питания, чтобы были слышны несколько вольт переменного напряжения. Если это так, то необходимо обеспечить стабилизируемое питание или, по крайней мере, активную фильтрацию (умножитель емкости).

Очень малые уровни шума, которые могут пройти через источник питания, также не должны влиять на усилитель и, если он настолько от этого страдает, значит, требует такого же средства для устранения этого, как и для пульсаций. Помните, что на всех звуковых частотах реактивность конденсатора очень низкая и будет действовать, как короткое замыкание для любых случайных шумов. Конденсатор на 10 000 мкФ имеет теоретическое реактивное сопротивление (импеданс) 1,6 миллиОма на частоте 10 кГц. На практике такое никогда не достижимо — проводник имеет более высокое сопротивление, чем указанное выше. Достаточно сказать, что импеданс довольно низок и любому заметному сигналу очень трудно пройти через конденсаторы фильтра. Добавление одного или нескольких шунтирующих конденсаторов емкостью 1 мкФ гарантирует, что импеданс останется низким даже на радиочастотах, но, как отмечалось ранее, будьте осторожны с длинными проводами!

Изложенное выше предполагает, что проблема заключается в шуме, но такое редко упоминается, как «улучшение» — вероятнее всего, оно проявляется подъемом или расширением баса или, возможно, снимается «вуаль» с верхних воспроизводимых частот. Можно с готовностью продемонстрировать, что если в первую очередь хорошо спроектирован источник питания, на «качество» питающего постоянного напряжения не влияют какие-либо из так называемых «лекарств». Напряжение пульсаций останется неизменным, выходная мощность усилителя (на всех частотах) будет неизменной, и обычно не будет затронуто соотношение сигнал/шум. Напряжения питания очень легко контролировать с помощью осциллографа и мониторного усилителя (с емкостной связью, конечно), нагруженного на динамик, за счет чего можно напрямую оценить любую разницу, если она существует.

Всегда остерегайтесь каких-либо чисто субъективных утверждений о том, что то или это будет «улучшать» схему, усилитель или что-то еще. Без технической резервной копии, результатов испытаний и измерений, эти утверждения почти всегда ложные. Единственной субъективной методологией тестирования, которой можно верить, является двойное слепое тестирование.

Я всё еще желал бы услышать любого, кто мог бы дать правдоподобное объяснение или отправить мне результаты тестов либо звуковой файл, демонстрирующий разницу между любыми двумя сетевыми проводами при прочих равных условиях. Это явно «змеиное масло», которого следует избегать. В (очень) редких случаях уменьшить шум может использование сетевого шнура с внешним экраном, но он может немного повлиять и на что-нибудь еще.

11. Резюме

В заключение есть некоторые эмпирические правила, которые могут быть применены для сохранения расчетов и результатов испытаний. Они не должны рассматриваться как Евангелие — это всего лишь мои предложения относительно приемлемых минимальных требований к источнику питания.

Параметры диодов

• Для большинства усилителей от 50 Вт и выше, используйте выпрямительный мост на 35 А × 400 В. Для усилителей меньшей мощности  может, естественно, применяться что-то с более низкими параметрами. Ток должен приниматься силой 10 А на каждые 100 Вт для нагрузки 8 Ом или 20 А на 100 Вт для 4 Ом.
• Номинальное напряжение должно составлять минимум 200 В для мощности 100 Вт / 8 Ом или 100 В для мощности 100 Вт / 4 Ом. Эта зависимость не линейна, поэтому прямая экстраполяция не рекомендуется. Выпрямители на 400 В подходят для усилителей мощностью до 2000 Вт / 8 Ом.

Емкость конденсатора

• Ёмкость
  • Класс «AB»: Ёмкость конденсатора фильтра должна составлять минимум 4 700 мкФ на 100 Вт / 8 Ом и 10 000 мкФ на 100 Вт / 4 Ом. Здесь фактические значения можно экстраполировать. Часто можно использовать конденсаторы с емкостью меньше предлагаемой, а показанные значения могут быть уменьшены вдвое без существенной потери КПД — это зависит от конкретной схемы.
  • Класс «A»: конденсатор должен быть выбран в соответствии с  требованиями, предъявляемыми усилителем, но рекомендуется минимум 4 700 мкФ на каждые 10 Вт / 8 Ом.
• Рабочее напряжение соответствует максимальному постоянному напряжению и обычно составляет 35, 50, 75 или 100 В.
• Диапазоны токов пульсаций (из приведенных здесь примеров) от 3,3-кратного тока нагрузки до 4,6-кратного тока нагрузки, в зависимости от размера трансформатора.
  • Класс «AB»: поскольку усилитель редко потребляет максимальный ток в течение продолжительных периодов времени, обычно будет достаточно тока пульсаций, равного удвоенному максимальному выходному току. Т.о., для усилителя мощностью 100 Вт / 8 Ом, имеющего максимальный выходной ток 3,5 А, номинальный ток пульсаций 7 А обычно будет нормальным. (Примечание: отсюда исключены гитарные усилители! Для них ток пульсаций должен быть в два раза больше, чем указано выше.)
  • Класс «A»: я полагаю, что для этих усилителей номинальный ток пульсаций в худшем случае должен быть в 5 раз больше тока нагрузки. Усилитель класса «A» мощностью 20 Вт / 8 Ом будет непрерывно потреблять ток силой 2,5 А (типично), поэтому номинальный ток пульсаций для конденсаторов должен составлять 12,5 А.

Трансформатор

Напряжение определяется мощностью, требуемой от усилителя. Мощность вычисляется по формуле:

где P — мощность в ваттах, V•A — напряжение на динамике RMS, а R — номинальный импеданс динамика;

• Напряжение питания (допуская только основные потери) рассчитывается следующим образом: V_RMS = V_a · 1,1, где V_RMS является напряжением вторичной обмотки трансформатора (для каждой полярности питания).
• Значение V•A
  • Класс «AB»: минимальная рекомендуемая номинальная мощность V•A равна мощности усилителя. Поэтому усилителю мощностью 50 Вт требуется трансформатор мощностью 50 В•А переменного тока или 100 В•А для стереофонического усилителя 2 × 50 Вт. Более крупные трансформаторы (до удвоенной мощности усилителя) будут обеспечивать более «сильный» источник питания, что может быть полезно. Для непрерывной работы на полную мощность (никогда не требуется для Hi-Fi, но является обычным для гитарных усилителей) трансформатор должен иметь номинальную мощность до 4 раз больше мощности усилителя.

Некоторые производители трансформаторов (что, без сомнения, с удовольствием соблюдают также многие производители усилителей), полагают, что величина V•A должен составлять всего 0,7 от максимальной мощности усилителя. Хотя в большинстве случаев это будет достаточно хорошо, у вас не будет «сильного» источника питания — более подходящий термин будет «скучный». Постоянное напряжение будет падать по мере роста потребляемого тока.

• Класс «A»: Минимальная рекомендуемая номинальная мощность V•A составляет, как минимум, в 4-5 раз больше мощности усилителя. Поэтому для усилителя класса «A» мощностью 20 Вт требуется трансформатор минимум на 80-100 В•А или 160-200 В•А для стерео-варианта 2 × 20 Вт. В зависимости от топологии усилителя и тока покоя трансформатор может потребоваться и до 10 раз большей мощности [2]. Конструктор должен уметь это определить, иначе трансформатор может выйти из строя.

Более крупные трансформаторы (т.е., с бо́льшим значением V•A) обычно имеют более низкие потери (ватт на В•А), как на холостом ходу, так и при полной мощности. Это связано с тем, что им требуется меньше витков обмоточного провода большего сечения с бо́льшим сердечником. Это означает, что напряжение постоянного тока будет выше, чем для другого аналогичного трансформатора с более низкими параметрами. Например, постоянное выходное напряжение от трансформатора 25-0-25 В × 500 В•А значительно выше, чем у трансформатора 25-0-25 В × 100 В•А при одном и том же постоянном токе нагрузки. Это особенно важно для усилителей класса «А», поскольку в 100% случаев они отбирают значительный ток.

Поскольку КПД для малых трансформаторов хуже, чем для больших, вы можете обнаружить, что постоянное напряжение без нагрузки выше ожидаемого, а при полной нагрузки — ниже. Это нормально и всегда меняется в зависимости от размера трансформатора. Большой трансформатор почти всегда обеспечивает постоянное напряжение, которое поддерживается лучше, чем получаемое от небольшого трансформатора с таким же выходным переменным напряжением.

Вы можете увеличить номинал В•А любого трансформатора с помощью охлаждения его вентилятором. Увеличение зависит от площади поверхности трансформатора, который подвергается воздействию турбулентного воздушного потока. Ламинарный или «гладкий» воздушный поток сравнительно неэффективен, поскольку он позволяет существовать слою неподвижного воздуха рядом с трансформатором. Вентиляторы должны вдувать воздух на трансформатор, а не протягивать мимо него — разница может быть значительной. Если вы хотите запустить трансформатор за пределами его параметров, Вам придется поэкспериментировать, причем, имейте в виду, что вы увеличите только параметр V•A, тогда как КПД будет хуже, чем у более крупного трансформатора.

12. Предохранители и защита

Поскольку источник питания подключен к сети, необходимо защитить проводку здания и оборудование от любого серьезного сбоя, который может произойти. Для этой цели наиболее распространенной формой защиты являются предохранители и, если они выбраны правильно, то обычно предотвращают катастрофический ущерб при выходе какого-либо компонента из строя.

Тороидальные трансформаторы имеют очень высокий «пусковой» ток при включении питания и для предотвращения токового удара необходимы предохранители с медленным срабатыванием. В случае применения любого тора мощностью 500 В•А или более, очень полезна схема медленного запуска для гарантии, что пусковые токи ограничены безопасным значением. Пример такой схемы представлен в Проекте 39, который представляет собой отличную защиту от перегрузок выпрямителей и конденсаторов.

Вычисление правильного значения для сетевого предохранителя непросто, поскольку существует много переменных, однако, могут помочь несколько основных правил. Во-первых, проверьте заводской даташит или веб-сайт производителя. В них зачастую будут показаны рекомендованные номиналы и типы предохранителей в соответствии с используемыми трансформаторами. Если данные производителя недоступны, определите максимальный рабочий ток системы на основе непрерывной максимальной мощности. В этом помогут выполненные ранее расчеты.

Ток, потребляемый от сети, определяется коэффициентом трансформации трансформатора, рассчитанным по формуле:

где T_r — коэффициент трансформации, V_pri — первичное (сетевое) напряжение, а V_sec — вторичное напряжение.

В расчетах должны использоваться значения от 240 В до 25-0-25 В (т.е., вторичная обмотка — суммарно на 50 В). Трансформатор имеет коэффициент трансформации 4,8:​​1, тот же самый трансформатор с первичной обмоткой на 120 В имеет коэффициент трансформации 2,4:1 — это можно рассчитать для любого трансформатора. Ток первичной обмотки рассчитывается:

где I_pri — первичный ток, I_sec — вторичный ток

Источник питания, рассчитанный на наш гипотетический усилитель мощностью 100 Вт / 8 Ом, при полной мощности будет потреблять вторичный ток силой около 6,3 А, поэтому ток потребления первичной обмоткой (для напряжения питания 240 В) составляет около 1,3 А. Для этого достаточен, казалось бы, предохранитель на 2 А, но если использовать трансформатор на 500 В•А (к примеру), то этого значения будет достаточно для работы с максимальным током первичной обмотки, однако, он взорвется (в конечном итоге) из-за пускового тока. Следует использовать плавкий предохранитель на 3 А (или 3,15 А), который должен выдержать пусковой ток (для стран с напряжением 120 В необходим предохранитель с медленным срабатыванием на 6 А). Я рекомендую использовать схему плавного пуска для любого трансформатора мощностью выше 300 В•А.

Трансформаторы часто снабжаются термозащитой  (зачастую с помощью одноразового термопредохранителя). Если трансформатор, снабженный  «одноразовым» термопредохранителем, перегревается, то подлежит выбрасыванию, т.к. плавкий предохранитель находится внутри обмоток и не может быть заменен. Это тем более важная причина, чтобы трансформатор был должным образом защищен с самого начала. Не стесняйтесь добавить свой собственный термопредохранитель, но убедитесь, что он находится в хорошем тепловом контакте с обмотками, расположен далеко от любого воздушного потока (предусмотренного или случайного) и что проводка к нему безопасна при любыхх возможных условиях. Этот прием не тривиален, но действительно добавляет дополнительный уровень защиты, правда, только если все сделано правильно.

Многовыводные первичные обмотки (например, на 120, 220, 240 В) создают дополнительные проблемы с защитным предохранителем, поэтому часто применяется его компромиссное значение. Защита трансформатора в таком случае не столь хороша, как могла бы быть, но в целом по-прежнему обеспечит защиту от пробоя диодов или фильтрующих конденсаторов. В идеале должны быть разные номиналы предохранителей для работы на 120 или 230 В и всегда следует использовать правильный предохранитель.

Кроме того, может оказаться полезной установка между активным и нейтральным проводниками сетевого питания металл-оксидных варисторов (MOВ). Они будут поглощать любые «иголки» из сети и могут помочь предотвратить щелчки и хлопки, поступающие на усилитель. Однако, обозначения варисторов могут быть сложными и зачастую может понадобиться помощь поставщика в выборе правильного варианта для вашего применения.

Обратите внимание, что наличие входного предохранителя или автоматического выключателя не защищает усилитель от перегрузок или коротких замыканий динамиков. Если такое произойдет или если усилитель выйдет из строя, предохранитель на входе не обеспечит защиту от катастрофического отказа, повреждения динамика и, возможно, пожара. По этой причине всегда должны использоваться вторичные предохранители постоянного тока без никаких исключений. Многие также любят включать защиту по постоянному току, такую, как в Проекте 33. Во многих коммерческих версиях и любительских наборах нет правильного подключения к контактам реле, из-за чего они могут быть практически бесполезными.

13. Пусковой ток

Пусковой ток определяется, как начальный ток, протекающий в момент первого включения питания. Для источников питания, построенных на трансформаторе, он состоит из двух различных компонентов — пускового тока трансформатора и тока заряда конденсатора(ов). Они очень взаимозависимы, но максимальный ток при включении питания не может превышать значения, определяющегося сопротивлением первичной обмотки трансформатора. Оптимальная часть волны сетевого напряжения, прикладываемого к трансформатору, соответствует пику переменного напряжения — 325 В для сети 230 В. См. статью «Трансформаторы», часть 2 для получения дополнительной информации.

Чтобы свести к минимуму ток заряда конденсатора, следует подавать питание в момент пересечения нулевой точки сетевого напряжения, когда максимальная скорость изменения напряжения является самой низкой. При замыкании контактов выключателя при значительном напряжении, скорость его изменения в этот момент чрезвычайно высока.

Эти две ситуации полностью противоречат друг другу, но точный момент действительного включения питания фактически является случайным. Кроме того, присутствует влияние (разряженного) конденсатора, требующего от трансформатора мгновенной тяжелой перегрузки при включении питания. Это имеет тенденцию к уменьшению плотности потока рассеяния трансформатора, но конденсатор(ы) будет вести себя, как мгновенное короткое замыкание (через диодный мост), поэтому единственный способ узнать, что же происходит на самом деле — провести испытания. Такой уровень тестирования не является тривиальным и требует специализированного тестового оборудования, но, к счастью, реально не нужен.

С трансформаторами от 300 В•А и менее ничего делать обычно не нужно. Если используется правильный номинал и тип предохранителя, то пусковой ток будет высоким, но в пределах «нормального» диапазона. Наихудший пусковой ток может составлять не более 50 А (при напряжении 230 В для трансформатора на 300 В•А), поскольку он ограничен сопротивлением первичной обмотки и полным сопротивлением сети. Продолжительность обычно меньше, чем один полупериод переменного тока. Большие трансформаторы создают более высокий пусковой ток, поскольку сопротивление их первичной обмотки ниже. Конденсаторы при этом должны заряжаться, но, как отмечено выше (см. Табл, 6), длительность импульса тока заряда конденсатора намного меньше 500 мс, даже с чрезвычайно большими конденсаторами.

Самый простой способ ограничения броска — использовать схему плавного пуска, такую ​​как а Проекте 39. Использование только термисторов (NTC) — выбор плохой, потому что большинство усилителей не потребляют достаточного тока на холостом ходу для обеспечения их низкого последовательного сопротивления. При работе усилителя с музыкальным сигналом сопротивление термистора будет постоянно циклически изменяться, а защита совершенно недостаточна, если усилитель (случайно или как-то иначе) выключится и тут же снова включится.

Схема плавного пуска защищает предохранитель от очень высоких токов перенапряжения, ограничивает ток зарядки конденсатора и делает цикл включения питания более дружественным к оборудованию и питающей сети. Резисторы (или термисторы) должны быть выбраны так, чтобы максимальный пиковый ток находился в пределах от 2-х до 5-кратного от нормального рабочего тока при полной мощности. Например, если ожидается, что усилитель при максимальной мощности будет отбирать ток силой 2 A, плавный пуск должен ограничивать пиковый ток в наихудшем случае где-то между 4 и 10 А. Для сети 230 В сопротивление будет составлять от 23 до 58 Ом. Стандартные значения, которые я предлагаю в Проекте 39, составляют около 50 Ом для 230 В (или 22 Ом для 120 В), поскольку они доказали свою эффективность и надежность для многих сотен устройств.

Обеспечение плавного пуска также необходимо для большинства импульсных источников питания. В отличие от линейных источников питания, в них нет сопротивления первичной обмотки трансформатора для ограничения пускового тока, а низкий ЭПС конденсаторов может вызвать его исключительно высокий бросок. Я измерял пусковой бросок тока довольно скромного ИИП (150 Вт), составивший 80 А и даже небольшой ИИП на 20 Вт может вызвать пиковый пусковой ток силой 10 А или более. Многие из последних поколений ИИП используют активную схему плавного пуска, потому что пусковой ток часто приводит к срабатыванию автоматического выключателя, если одновременно включено несколько источников питания. У скромного электролитического конденсатора на 150 мкФ × 400 В типичный ЭПС составит не более 2 Ом, поэтому, если пусковой ток не ограничен, он может составить 150 А и более, по крайней мере, теоретически.

На практике существует несколько дополнительных сопротивлений, которые помогают смягчить импульс пускового тока. Сетевая проводка (включая разъемы и розетки), диоды, плавкие предохранители и дорожки печатной платы — всё это вносит определенный вклад, что в большинстве случаев позволяет сохранить пусковой ток на уровне ниже 100 А. Для гарантии, что пусковой бросок тока никогда не вызовет проблем, следует использовать схему плавного пуска.

14. Электромагнитные помехи (ЭМП)

В линейных источниках питания ЭМП обычно не представляют собой проблем и большинство из них будет соответствовать правилам, применяемым во всех странах, без какой-либо дополнительной фильтрации. Однако, довольно часто используется какой-то фильтр, который во многих случаях будет, по крайней мере, не более чем конденсатором. Существует три возможных подхода, но ни один из них не является существенно лучше или хуже другого. Однако, может быть большая разница в затратах и разработчик должен решить, какой подход ему использовать.

Первый способ — использовать конденсатор (класс X2) параллельно сетевым проводам и первичной обмотке трансформатора. Важно понимать, что нельзя использовать стандартный конденсатор — должен быть именно сетевой конденсатор X2. Это вдвойне важно для напряжений сети 220-240 В, потому что все конденсаторы, предназначенные для цепей постоянного тока, в конечном итоге в данном узле не работают, независимо от номинального напряжения. Конденсаторы X2 специально разработаны для использования в цепях сетевого питания и обычно (но не обязательно) выполнены из полипропилена. Обычно они рассчитаны на переменное напряжение 275 В, что идеально. Как правило, достаточна емкость около 470 нФ.

Второй — использовать конденсатор для каждой из вторичных обмоток трансформатора. Опять же, я предлагаю использовать конденсаторы класса X2, особенно для вторичных напряжений более 50 В переменного тока. Задача усложняется для ламповых усилителей, т.к. вторичное напряжение обычно находится в диапазоне от 300 до 600 В переменного напряжения, поэтому наверняка понадобится их последовательное включение. При таком включении параллельно с каждым конденсатором рекомендуется включать резисторы для обеспечения одинакового напряжения на каждом из них. Будьте осторожны с резисторами — часто бывает нужно использовать их несколько последовательно, поскольку напряжение на каждом из них ограничено безопасным значением. Применение резисторов при высоком напряжении на них почти всегда приведет к возможному сбою!

Третий метод распространен, если люди решают, что «лучше» звучат быстрые диоды и параллельно каждому из них добавляется конденсатор, чтобы, опять же, замедлить диод (это действие является совершенно бессмысленным!). То же самое можно сделать и со стандартными диодами. Этот метод я не применял, но ожидаю, что он будет похож на использование одиночного конденсатора параллельно вторичной обмотке трансформатора (или двух для обмотки со средней точкой).

Ни одно из перечисленных выше действий значительно не повлияет (если вообще повлияет) на гармоники, генерируемые в звуковом диапазоне, но они могут помочь уменьшить на несколько дБ радиочастотный шум. Тест для определения того, есть ли польза от применения фильтров для «проведенных выбросов» или нет — это шум и/или помехи, передающиеся обратно в сетевую проводку через сам шнур питания. В большинстве случаев маловероятно, что вы услышите какую-либо разницу, если только добавленный конденсатор не справится с уменьшением слышимого шума (в хорошо спроектированной системе — невероятно).

15. Импульсные источники питания (ИИП, SMPS)

Для многих применений выбор ИИП среди многих типов источников питания стал сейчас предпочтительным. Чтобы минимизировать потребляемый от сети ток при большой нагрузке, некоторые более крупные ИИП имеют активный корректор коэффициента мощности (ККМ). В данной статье я рассмотрю только основные принципы, потому что конструирование ИИП — это отдельный раздел конструирования. Любая попытка попытаться объяснить абсолютно все тонкости, бесполезна, т.к. это всего лишь одна страница моего сайта. Конструированию ИИП посвящены целые сайты и их конструкция во всех отношениях является нетривиальной. На сайте ESP есть статья, охватывающая основы — для деталей см. SMPS Primer.

Производители используют ИИП, поскольку он намного меньше по размеру эквивалентного по мощности линейного источника и, как отмечено выше, может содержать корректор коэффициента активной мощности, предназначенный для того, чтобы поддерживать форму сетевой синусоиды как можно ближе к форме сетевого напряжения. Он минимизирует ток для той же мощности и уменьшает искажение сетевой синусоиды (что становится серьезной проблемой). Что еще более важно, ИИП часто дешевле и, конечно, намного легче, чем традиционный источник питания.

Рис. 9 Блок-схема ИИП

Схема ККМ использует необработанное (нефильтрованное) выпрямленное переменное напряжение, поэтому оно имеет очень высокий уровень пульсаций (325 В пик-пик для входного напряжения 230 В). Для работы с этой формой сигнала существуют специально разработанные микросхемы, а на выходе схемы ККМ присутствует постоянное напряжение, обычно около 350-420 В. Наиболее эффективные контроллеры ККМ обеспечивают хорошо стабилизированное выходное напряжение. Если активный ККМ не используется, то блок ККМ на Рис. 9 заменяется обычным выпрямителем с фильтрующим(и) конденсатором(ами) на высокое напряжение. Тогда за всю стабилизацию (если таковая имеет место, т.к. многие ИИП, используемые для усилителей, стабилизацию не обеспечивают) отвечает ключевая цепь ШИМ. (Как отмечалось выше, многие из последних поколений ИИП для ограничения пускового тока используют активную схему плавного пуска).

Затем выпрямленное входное постоянное напряжение с высокой скоростью (обычно 50 кГц или более) прерывается сигналом широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM) для стабилизируемых источников питания или просто прямоугольным сигналом. Это позволяет сделать трансформатор очень малым из-за высокой рабочей частоты, даже для систем высокой мощности. Выходное напряжение трансформатора выпрямляется и фильтруется, а конденсаторы фильтров могут быть довольно маленькими, поскольку на входе присутствует выпрямленный высокочастотный сигнал прямоугольной формы. Затем постоянное напряжение поступает (иногда опционально) на схему управления. Она может быть спроектирована для обеспечения жестко стабилизированных напряжений питания и/или контроля выходного тока для ситуаций сбоев и т.д. Для ИИП нередко используется внутренний маломощный ИИП, обеспечивающий нормальные рабочие напряжения для микросхем контроллеров и «дежурного» питания.

Обобщенная схема может показаться простой, но если вы посмотрите на печатную плату такого источника питания, то поймете, что это почти всегда устройства, выполненные полностью на крошечных компонентах для поверхностного монтажа (SMD) с обеих сторон печатной платы. Общая сложность зачастую удивительна и возможность обслуживания этих расходных материалов колеблется от сомнительной до нереальной. Такое возможно, только если у вас есть полная схема и предоставленная производителем процедура тестирования (наряду с полным комплектом оборудования для работы с SMD), но во многих случаях единственным вариантом является замена печатной платы.

Нет ничего необычного в том, что при сбое ИИП печатная плата будет сгорать, поскольку схемы защиты могут функционировать только в том случае, если схема работает. Существуют многочисленные режимы сбоев, которые побеждают все попытки защиты. Ахиллесовой пятой любого ИИП часто являются электролитические конденсаторы и для них уже через несколько лет очень часто развивается высокое ЭПС. В некоторых конструкциях один-единственный конденсатор с высоким ЭПС может привести к выходу из строя схемы переключения и часто с пиротехническими эффектами.

ИИП применяются потому, что люди хотят, чтобы аппарат был легким, мощным и крутым. Производителям они нравятся за достаточную дешевизну в изготовлении, а стоимость доставки и эксплуатации снижается из-за низкого веса. Нет больше громоздких трансформаторов и больших конденсаторных батарей. Однако, их недостатки понимают немногие покупатели.

Ожидаемый срок службы обычного линейного источника близок к бесконечности. Он состоит из всего несколько компонентов, все они легко покупаются (даже заказные трансформаторы не слишком дороги), а обслуживание — проще простого. В свою очередь, ожидается, что любой ИИП будет храниться до первого использования, после чего при удаче он может «прожить» несколько лет. Сможете ли вы восстановить его через 10, 20 или 30 лет? Одним словом — «нет». После прекращения выпуска специализированных интегральных схем источник питания (и часто усилитель тоже) становятся электронными отходами. Некоторые из этих компонентов изготавливаются только единожды  в течение недолгого времени и их выпуск никогда не возобновляется.

Нравится мне эта идея, или нет — не имеет значения, сегодня так делается и клиенты должны с этим смириться. Любители будут делать линейные источники питания в течение еще довольно долгого времени, хотя и они, скорее всего, будут по-прежнему ремонтироваться даже через 50 лет!

Для тех, кто хочет больше узнать об ИИП в целом, есть дополнительная информация на сайте ESP, а ссылка OnSemi [3] имеет отличную вводную информацию (хотя самые последние разработки в неё не включены, т.к. она была опубликована в 2002 году). Существует еще один документ OnSemi [4], в котором описываются корректоры коэффициента мощности, а также множество информации от других производителей.

16. Отказ от ответственности

Информация, представленная в этой статье, предназначена исключительно для руководства и автор не несет никакой ответственности за любой ущерб, травмирование или причинение иного вреда людям (включая, но не ограничиваясь этим, смерть) или имуществу, являющееся результатом использования или неправильного использования представленных здесь данных или формул. Оценка пригодности конструкции или любой её части по назначению и принятие всех необходимых мер предосторожности для обеспечения безопасности самого себя и других, является исключительно обязанностью читателей.

Читатель предупреждается, что первичное и вторичное напряжения, присутствующие почти во всех источниках питания усилителей, потенциально смертельны, а конструкторы должны соблюдать все соответствующие законы, узаконенные требования и другие ограничения или требования, которые могут существовать в стране вашего проживания.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Вся электропроводка должна выполняться лицами, имеющими соответствующую квалификацию, поскольку, если она выполнена неквалифицированно, может быть нарушение работы такой проводки. Могут применяться серьезные санкции.

Все блоки питания должны быть защищены предохранителями или апробированным автоматическим выключателем и вся электропроводка должна быть заизолирована и защищена от случайного контакта в соответствие с техническими инструкциями и требованиями, которые применяются в вашей стране.

Рекомендации

Здесь приведены ссылки, которые я использовал при компиляции статьи, но есть и много других. На эту тему написано много книг и есть бесчисленные сайты, на которых также имеется информация. Является ли она надежной, полезной или даже фактической, не всегда ясно, поэтому важно проверить, что то, что вы читаете, релевантно и/или научно обосновано, в отличие от «магии» или «змеиного масла». Существует множество заявлений, которые не выдерживают пристального внимания, поэтому вам нужно быть осторожными, когда читаете статьи в Интернете. В общем, избегайте «намеков» и других материалов, найденных на сайтах форумов — они редко согласуются с реальностью.

1. Voltage Regulator Handbook — National Semiconductor Corp. — 1980 г. 
2. Manufacturers Report — "The Importance of the Power Supply" май, 1997 г. (Nelson Pass)
3. SWITCHMODE™ Power Supplies — Reference Manual and design Guide (OnSemi)
4. Power Factor Correction Handbook (OnSemi)
5. Информацию также предоставил Джефф Мосс, мой неофициальный редактор из Великобритании. Как всегда, спасибо Джеффу!