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.
Такое питание рассчитано на два канала по 50 Вт каждый максимум (конечно же этот параметр зависит от используемого усилителя). Диапазон напряжения питания можно увеличить путём несложных изменений.
Используется классическая двухтактная конструкция, необходимая для получения наилучшей симметрии. Следует иметь ввиду, что по схеме будет проходить ток большой силы (около 10 А), поэтому дорожки платы необходимо усилить с помощью большого количества припоя, а сечение проводов, идущих от аккумулятора должно быть большим; в противном случае на входе будет наблюдаться сильное падение напряжения.
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 выходе трансформатора необходимо иметь напряжение несколько выше предполагаемого, что необходимо для компенсации потери на диодах, потерь обусловленных сопротивлением обмотки, а также падения входного напряжения, обусловленного сопротивлением проводов, идущих от аккумулятора к преобразователю.
Конструкция трансформатора
Размеры трансформаторы должны соответствовать предполагаемой мощности. В интернете вы можете без труда найти график, показывающий зависимость мощности от частоты и размера сердечника для конкретной топологии. Размер трансформатора для прототипного устройства составлял Д х В х Ш (мм) 33,5 х 30,0 х 13, площадь поперечного сечения равнялась 1,25 см^2, чего вполне достаточно для мощности 150 Вт при частоте 50 кГц.
Провода обмотки, в особенности первичной должны быть большого диаметра, но вместо того, чтобы использовать один провод, лучше использовать несколько изолированных друг от друга жил (но неизолированных на концах). Это позволит уменьшить сопротивление, возникающее вследствие скин–эффекта. Отвод от первичной и вторичной обмоток делается от центральной точки, что значит, что необходимо намотать пять витков, сделать отвод от средней точки и намотать ещё пять витков. Тоже самое необходимо проделать и со вторичной обмоткой: десять витков, отвод от средней точки и вновь десять витков.
Очень важно, чтобы на трансформаторе НЕ БЫЛО воздушного зазора иначе индуктивность рассеяния будет создавать пики напряжения на ключевых транзисторах, что будет вызывать их перегрев и вы будете получать напряжение большее, чем ожидалось согласно коэффициенту трансформации. Поэтому, если выходное напряжение (при полном периоде включения) выше, чем Vin*N2/N1 – падение напряжения на диоде, то это означает, что на вашем трансформаторе есть воздушный зазор (если не заметили этого раньше, то, вероятно, у вас слабое зрение), и это приводит к значительной потере КПД. Используйте Ш-образный сердечник без зазора или же тороидальный (ферритовый) сердечник.
Выходные диоды, конденсаторы и дроссель фильтра
Для выпрямления были использованы диоды Шотки, поскольку для них характерно малое падение прямого напряжения, и к тому же они очень быстры. Был использовал недорогой диод 1N5822, — вероятно, наилучший выбор для преобразователей низкого напряжения (допустимая нагрузка по току 3 А). Выходные конденсаторы: 4700 мкФ, 25 В. Эти конденсаторы не очень большие, однако это не является проблемой, поскольку при высокой частоте пульсация напряжения в основном обусловлена внутренним эквивалентным последовательным сопротивлением конденсатора К счастью, эквивалентное последовательное сопротивление стандартных электролитических у них достаточно мала при несильных пульсациях (несколько десятков милливольт). Также при высоком значении периода включения на конденсаторы поступает практически чистый постоянный ток, при это пульсация будет незначительной. Дроссель фильтра на средней точке вторичной обмотки ещё сильнее увеличивает пульсацию и способствует получению напряжения с необходимыми параметрами при несимметричных переходных процессах.
Ключевые транзисторы и драйверы
В устройстве были использованы транзисторы d2pak Ultrafet 70 В 80 А 0,004 Ом производства компании Fairchind semiconductor. Эти транзисторы очень дорогие и их достаточно сложно найти. В принципе, для работы устройства подойдёт любой полевой транзистор. Однако, чем ниже сопротивление в открытом состоянии, тем ниже диэлектрические потери на теплопроводность, и тем меньше греются транзисторы, что приводит к более высокому КПД, и меньшему размеру требуемых радиаторов. Используя дорогие полевые транзисторы, можно устанавливать небольшие теплоотводы и не применять вентилятор при работе на полной мощности (100 Вт), при этом КПД составляет 82% и выделяется значительное количество тепла. А при мощности 120 Вт количество выделяемого тепла незначительно (всего несколько градусов), сердечник переходит в насыщение и КПД несколько ниже, примерно 75%.
Постарайтесь найти МОП-транзисторы с как можно более низким сопротивлением в открытом состоянии, иначе КПД вашего устройства упадёт и для его работы может даже потребоваться небольшой вентилятор. Используемый драйвер полевого транзистора — TPS2811P производства компании Texas instruments, с номинальными параметрами 2 А и 200 нс. Важно, чтобы перезаряд ёмкости затвора был оптимизирован под минимальную индуктивность, иначе потери при импульсном преобразовании будут выше и вы рискуете получить шум из других истоков. Возможно, использование витой пары (затвор и земля/исток) одно из лучших решений для ограничения индуктивности. Установите резистор управляющей цепи истока ближе к МОП-транзистору, а не ближе к микросхеме.
Контроллер
В устройстве использовался проверенный ШИМ–контроллер TL494 с частотой, установленной на примерно 40–60 кГц и с возможностью настройки потенциометром. Также была реализована система плавного пуска (для уменьшения влияния переходных процессов при включении питания). Потенциометр регулировки (обратная связь) устанавливается таким образом, чтобы получить желаемое напряжение. Выходные сигналы проходят через два нагрузочных повышающий резистора на коллекторе выходного транзистора чипа ШИМ-модуляции. Затем сигнал поступает на двунаправленный инвертирующий драйвер МОП-транзистора (TPS2811P), где ему придаётся необходимая форма кривой.
Безопасность и фильтрация
Как уже было отмечено, дорожки должен усилены, иначе будет страдать качество стабилизации (поскольку она зависит от коэффициента трансформации и величины входного напряжения), а также величина КПД. Не забудьте установить на входе предохранитель 10 А (или 15 А), поскольку в случае короткого замыкания автомобильный аккумулятор может генерировать ток очень большой силы. Так вы обезопасите себя от взрыва МОП–транзистора при коротком замыкании или при возникновении какой–либо иной неполадки. Также в целях безопасности следует установить дополнительный предохранитель co стороны аккумулятора (случайное короткое замыкание → пожар, взрыв аккумулятора, приезд пожарной бригады, полиции и звонки юристов).
Входная фильтрация очень важна: используйте конденсаторы по меньшей мере 20000 мкФ 16 В, дроссель фильтра также будет полезен (большого размера), однако в прототипном устройстве он не использовался.
Важные примечания
При входном напряжении 12 В КПД устройства составлял примерно 85% (с некоторыми вариантами нагрузки даже 90%), поскольку были созданы все необходимые условия для поддержания наилучшей функциональности и эффективности. Вы можете воспользоваться осциллографом для наблюдения за импульсами и пульсацией (что позволит обнаружить выход за установленные пределы), но если вы будете следовать данным в этой статье указаниям вы сможете избежать этих проблем.
Перекрёстная стабилизация хороша, однако следует помнить, что полной стабилизации подвергается только положительный выход, а отрицательный лишь следует за ним. Установите небольшую нагрузку между шиной отрицательного питания и землёй (светодиод 3 мм с резистором 4,7 кОм) для того чтобы избежать падения напряжения на шине отрицательного питания до уровня ниже -20 В. Если нагрузка несимметричная, то есть два возможных варианта:
-
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.
-
К счастью усилители мощности звуковой частоты симметричны, а индуктивности/конденсаторы выходного фильтра помогают сохранить стабилизацию на должном уровне при несимметричных переходных процессах (звуковые сигналы низкочастотной области).
Внимание
СБОРКА ДАННОГО УСТРОЙСТВА ДОЛЖНА ОСУЩЕСТВЛЯТЬСЯ ОПЫТНЫМ СПЕЦИАЛИСТОМ, УСТРОЙСТВО МОЖЕТ БЫТЬ ОЧЕНЬ ОПАСНЫМ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ НЕПОЛАДОК, ВСЕГДА ИСПОЛЬЗУЙТЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ, НИКОГДА НЕ ЗАКОРАЧИВАЙТЕ ИХ И НЕ ОБХОДИТЕ ИХ ПЕРЕМЫЧКАМИ. ПРЕДОХРАНИТЕЛИ ПОМОГАЮТ ИЗБЕЖАТЬ ПОЖАРА.
ПРИ ПЕРВЫХ ИСПЫТАНИЯХ ИСПОЛЬЗУЙТЕ НЕБОЛЬШОЙ блок питания 12 В, а в качестве нагрузке используйте резисторы, отслеживайте количество тепла, выделяемого ключевыми транзисторами и количество потребляемого тока (а также выходное напряжение) и попытайтесь определить КПД. Если КПД выше 70–75%, то всё в порядке, этого вполне достаточно. Настройте частоту для наилучшего соотношения мощности и потерь, обусловленных импульсным преобразованием, скин-эффектом и потерь на гистерезис.
Список компонентов
Резисторы
1) R1,R2 = 10;
2) R3, R4, R6, R7 = 1 кОм;
3) R5 = 22 кОм;
4) R8 = 4,7 кОм;
5) R9 = 100 кОм.
Конденсаторы
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.
Интегральные микросхемы
1) U1 = TL494;
2) U2 = TPS2811P.
Транзисторы
1) Q1,Q2 = FDB045AN.
Диоды
1) D1-D4 = 1N5822;
2) D5 = 1N4148.
Прочие компоненты
1) FU1 = 10 A;
2) L1 = 10 мк;
3) L2 = ферритовая шайба;
4) RV1 = 2,2 кОм;
5) RV2 = 24 кОм;
6) T1 — трансформатор TRAN-3P3S.
radiomaster.ru