Максимальное напряжение, обеспечиваемое автомобильным аккумулятором составляет 12 В, чего часто бывает недостаточно для работы усилителей мощности звуковых частот. Действительно: максимальная мощность звуковой частоты х громкоговоритель (при полном сопротивлении 4 Ом) при напряжении 12 В равняется (положительное напряжение – отрицательное напряжение )^2/(8*сопротивление) 12^2/32 = 4,5 Вт на канал, что просто смехотворно…
Для корректной работы усилителя лучше всего использовать симметричное питание с большим размахом напряжения. Например +20 – (-20) = 40 вольт, при этом имеем 40^2/32 = 50 Вт на канал, что уже является вполне приемлемым значением.
Таке харчування розраховано на два канали по 50 Вт кожен максимум (звичайно ж цей параметр залежить від використовуваного підсилювача). Діапазон напруги живлення можна збільшити шляхом нескладних змін.
Принцип роботи пристрою
Використовується класична двотактна конструкція, необхідна для одержання найкращої симетрії. Слід мати на увазі, що за схемою буде проходити струм великої сили (близько 10 А), тому доріжки плати необхідно посилити з допомогою великої кількості припою, а переріз проводів, що йдуть від акумулятора повинно бути більшим; у іншому випадку на вході буде спостерігатися сильне падіння напруги.
Преобразователь необходимо сконструировать таким образом, чтобы уменьшить поверхностный эффект, чего можно достичь используя вместо одного несколько изолированных проводящих по отдельности обмоточных проводов, – так называемый литцендрат. Необходимые параметры выходного напряжения достигаются посредством того или иного коэффициента трансформации и изменения продолжительности включения. В рассматриваемом случае соотношение витков составляло 5+5 , 10+10, что даёт коэффициента повышения 2 (12 В→ 24 В), а затем проводилось понижение напряжения до 20 вольт с помощью динамической настройки, осуществляемой ШИМ-контроллером TL494.
На виході трансформатора необхідно мати напруга трохи вище передбачуваного, що необхідно для компенсації втрати на діодах, втрат обумовлених опором обмотки, а також падіння вхідної напруги, зумовленої опором проводів, що йдуть від акумулятора до перетворювача.
Конструкція трансформатора
Розміри трансформатори повинні відповідати передбачуваної потужності. В інтернеті ви можете без праці знайти графік, що показує залежність потужності від частоти і розміру сердечника для конкретної топології. Розмір трансформатора для прототипного пристрою становив Д х В х Ш (мм) 33,5 х 30,0 х 13, площа поперечного перерізу-1,25 см^2, чого цілком достатньо для потужності 150 Вт при частоті 50 кГц.
Дроти обмотки, в особливості первинної повинні бути великого діаметру, але замість того, щоб використовувати один провід, краще використовувати декілька ізольованих один від одного жив (але неізольованих на кінцях). Це дозволить зменшити опір, що виникає внаслідок скін–ефекту. Відвід від первинної і вторинної обмоток робиться від центральної точки, що означає, що необхідно намотати п'ять витків, зробити відвід від середньої точки і намотати ще п'ять витків. Теж саме необхідно зробити і з вторинною обмоткою: десять витків, відведення від середньої точки і знову десять витків.
Дуже важливо, щоб на трансформаторі НЕ БУЛО повітряного зазору інакше індуктивність розсіювання буде створювати піки напруги на ключових транзисторах, що буде викликати їх перегрів і ви будете отримувати напруга більша, ніж очікувалося згідно з коефіцієнтом трансформації. Тому, якщо вихідна напруга (при повному періоді включення) вище, ніж Vin*N2/N1 – падіння напруги на діоді, то це означає, що на вашому трансформаторі є повітряний зазор (якщо не помітили цього раніше, то, ймовірно, у вас слабкий зір), і це призводить до значної втрати ККД. Використовуйте Ш-подібний сердечник без зазору або ж тороїдальний (феритовий) сердечник.
Вихідні діоди, конденсатори і дросель фільтра
Для випрямлення були використані діоди Шоткі, оскільки для них характерна мала прямого падіння напруги, і до того ж вони дуже швидкі. Був використовував недорогий діод 1N5822, — ймовірно, найкращий вибір для перетворювачів низької напруги (допустиме навантаження по струму 3 А). Вихідні конденсатори: 4700 мкФ, 25 Ст. Ці конденсатори не дуже великі, проте це не є проблемою, оскільки при високій частоті пульсація напруги в основному обумовлена внутрішнім еквівалентним послідовним опором конденсатора На щастя, еквівалентний послідовний опір стандартних електролітичних у них досить мала при несильних пульсаціях (кілька десятків мілівольт). Також при високому значенні періоду включення на конденсатори надходить практично чистий постійний струм, при це пульсація буде незначною. Дросель фільтра на середній точці вторинної обмотки ще сильніше збільшує пульсацію і сприяє отриманню напруги з необхідними параметрами при несиметричних перехідних процесах.
Ключові транзистори і драйвери
У пристрої були використані транзистори d2pak Ultrafet 70 До 80 А 0,004 Ом виробництва компанії Fairchind semiconductor. Ці транзистори дуже дорогі і їх досить складно знайти. В принципі, для роботи пристрої підійде будь-польовий транзистор. Однак, чим нижчий опір у відкритому стані, тим нижче діелектричні втрати на теплопровідність, і тим менше гріються транзистори, що призводить до більш високого ККД, і меншого розміру необхідних радіаторів. Використовуючи дорогі польові транзистори, можна встановлювати невеликі тепловідводи і не застосовувати вентилятор при роботі на повній потужності (100 Вт), при цьому ККД складає 82% і виділяється значна кількість тепла. А при потужності 120 Вт кількість тепла, що виділяється незначно (всього декілька градусів), сердечник переходить в насичення і ККД трохи нижче, приблизно 75%.
Постарайтеся знайти МДН-транзистори з низьким опором у відкритому стані, інакше ККД вашого пристрою впаде і для його роботи може навіть знадобитися невеликий вентилятор. Використовується драйвер польового транзистора — TPS2811P виробництва компанії Texas instruments, з номінальними параметрами 2 А і 200 нс. Важливо, щоб перезаряд ємності затвора був оптимізований під мінімальну індуктивність, інакше втрати при імпульсному перетворення будуть вище і ви ризикуєте отримати шум з інших джерел. Можливо, використання витої пари (затвор і земля/істок) одне з кращих рішень для обмеження індуктивності. Встановіть резистор керуючої ланцюга витоку ближче до МДН-транзистору, а не ближче до мікросхемі.
Контролер
У пристрої використовувався перевірений ШІМ–контролер TL494 з частотою, установленою на приблизно 40-60 кГц і з можливістю налаштування потенціометром. Також була реалізована система плавного пуску (для зменшення впливу перехідних процесів при включенні живлення). Потенціометр регулювання (зворотній зв'язок) встановлюється таким чином, щоб отримати бажане напруга. Вихідні сигнали проходять через два навантажувальних підвищує резистора на колекторі вихідного транзистора чіпа ШІМ-модуляції. Потім сигнал надходить на двонаправлений інвертується драйвер МДН-транзистора (TPS2811P), де йому надається необхідна форма кривої.
Безпека і фільтрація
Як вже було зазначено, доріжки повинен посилені, інакше буде страждати якість стабілізації (оскільки вона залежить від коефіцієнта трансформації і величини вхідної напруги), а також величина ККД. Не забудьте встановити на вході запобіжник 10 А (або 15 А), оскільки в разі короткого замикання автомобільний акумулятор може генерувати струм дуже великої сили. Так ви убезпечите себе від вибуху МДН–транзистора при короткому замиканні або при виникненні якої–небудь іншої проблеми. Також в цілях безпеки слід встановити додатковий запобіжник co боку акумулятора (випадкове коротке замикання → пожежа, вибух акумулятора, приїзд пожежної бригади, поліції і дзвінки юристів).
Вхідна фільтрація дуже важлива: використовуйте конденсатори щонайменше 20000 мкФ 16, дросель фільтра також буде корисний (великого розміру), проте в прототипном пристрої він не використовувався.
Важливі примітки
При вхідній напрузі 12 В ККД пристрою становив приблизно 85% (з деякими варіантами навантаження навіть 90%), оскільки були створені всі необхідні умови для підтримки найкращої функціональності та ефективності. Ви можете скористатися осцилографом для спостереження за імпульсами і пульсацією (що дозволить виявити вихід за встановлені межі), але якщо ви будете слідувати цим у цій статті вказівками ви зможете уникнути цих проблем.
Перехресна стабілізація гарна, проте слід пам'ятати, що повної стабілізації піддається тільки позитивний вихід, а негативний лише слідує за ним. Встановіть невелику навантаження між шиною негативного харчування і землею (світлодіод 3 мм з резистором 4,7 кОм) для того щоб уникнути падіння напруги на шині негативного живлення до рівня нижче -20 В. Якщо навантаження несиметрична, то є два можливих варіанти:
-
Б’ольшая нагрузка на положительную шину → не проблема, и напряжение на отрицательной шине может опускаться ниже -20 В,
-
Б’ольшая нагрузка на шину отрицательного питания → падение напряжения на шине отрицательного питания, особенно если вся нагрузка приходится на шину отрицательного питания.
-
На щастя підсилювачі потужності звукової частоти симетричні, а індуктивності/конденсатори вихідного фільтра допомагають зберегти стабілізацію на належному рівні при несиметричних перехідних процесах (звукові сигнали низькочастотної області).
Увага
ЗБІРКА ДАНОГО ПРИСТРОЮ ПОВИННА ЗДІЙСНЮВАТИСЯ ДОСВІДЧЕНИМ ФАХІВЦЕМ, ПРИСТРІЙ МОЖЕ БУТИ ДУЖЕ НЕБЕЗПЕЧНИМ ПРИ ВИНИКНЕННІ НЕПОЛАДОК, ЗАВЖДИ ВИКОРИСТОВУЙТЕ ЗАПОБІЖНИКИ, НІКОЛИ НЕ ЗАКОРОЧУЙТЕ ЇХ І НЕ ОБХОДЬТЕ ЇХ ПЕРЕМИЧКАМИ. ЗАПОБІЖНИКИ ДОПОМАГАЮТЬ УНИКНУТИ ПОЖЕЖІ.
ПРИ ПЕРШИХ ВИПРОБУВАННЯХ ВИКОРИСТОВУЙТЕ НЕВЕЛИКИЙ блок живлення 12 В, а в якості навантаженні використовуйте резистори, відстежуйте кількість тепла, що виділяється ключовими транзисторами і кількість споживаного струму (а також вихідна напруга) і спробуйте визначити ККД. Якщо ККД вище 70-75%, то все в порядку, цього цілком достатньо. Налаштуйте частоту для найкращого співвідношення потужності і втрат, обумовлених імпульсним перетворенням, скін-ефектом і втрат на гістерезис.
Список компонентів
Резистори
1) R1,R2 = 10;
2) R3, R4, R6, R7 = 1 кОм;
3) R5 = 22 кОм;
4) R8 = 4,7 кОм;
5) R9 = 100 кОм.
Конденсатори
1) C1, C2 = 10000 мкФ;
2) C3, C6 = 47 мкФ;
3) C4 = 10 мкФ;
4) C5, C7, C14 = 100 нФ;
5) C8, C9 = 4700 мкФ;
6) C12 = 1 нФ;
7) C13 = 2,2 мкФ.
Інтегральні мікросхеми
1) U1 = TL494;
2) U2 = TPS2811P.
Транзистори
1) Q1,Q2 = FDB045AN.
Діоди
1) D1-D4 = 1N5822;
2) D5 = 1N4148.
Інші компоненти
1) FU1 = 10 A;
2) L1 = 10 мк;
3) L2 = ферритова шайба;
4) RV1 = 2,2 кОм;
5) RV2 = 24 кОм;
6) T1 — трансформатор TRAN-3P3S.
radiomaster.ru
