Двухполярный стабилизатор напряжения с водяным охлаждением

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные технические параметры

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Автор: В. ФЕДОСОВ, г. Краснодар