Многие радиолюбители при сборке УМЗЧ обходятся без лишних забот — просто покупают готовые комплекты для сборки усилителей. При этом сам набор обычно не представляет проблем (все детали и плата в комплекте, есть и инструкция), но вот блок питания…
Если это маломощный усилитель и к тому же питающийся от несимметричного (одинарного) напряжения, то можно подобрать уже имеющийся блок питания – будь то адаптер, или БП от ноутбука, или большой и мощный трансформатор. Многие инструкции к схемам усилителей уже содержат информацию о блоке питания, но чаще всего ограничиваются только рекомендуемыми диапазонами напряжения.
Так что перед запуском УНЧ нужно решить два вопроса:
- Напряжение питания которое нужно получить от БП.
- Подбор мощности БП в зависимости от мощности усилителя.
По многим причинам не импульсный БП, а именно сетевой трансформатор более выгоден и удобен в аудиоконструкциях, особенно в конструкциях начинающих радиолюбителей. Ведь инверторы чаще всего генерируют много ВЧ составляющих, которые накладываясь на усилитель D класса (имеющий и свои преобразователи) создают такую кашу гармоник, что её не просто расхлебать даже опытному специалисту. Ну и надёжность ИБП хромает в сравнении со старым добрым железом.
Расчет вторичных напряжений трансформатора
Допустим усилителю требуется симметричный источник питания со значением от +/- 15 до +/- 25 В. Что такое “симметричный блок питания” и где его взять? Ответ заключается в применении трансформатора с двумя вторичными обмотками одинакового напряжения и допустимой нагрузки (или обмотки с вдвое большим напряжением и током выше, но с отводом от середины вторичной обмотки).
Схема такого блока питания выглядит так:
Слева — трансформатор с двумя вторичными обмотками, справа — трансформатор с отводом. Как видно, конечный результат одинаков в обоих случаях; получение двух напряжений с одинаковым значением напряжения, но с разной полярностью. Для двух вторичных обмоток нужно соединить конец одной обмотки с началом другой. Подключение другого – например, начала с началом, приведет к отсутствию напряжения. Это сообщает о необходимости замены концов одной обмотки наоборот.
Какое напряжение трансформатор должен выдавать? Напряжение после выпрямления увеличивается на произведение квадратного корня из 2. Таким образом, если источник питания УНЧ должен давать нам 2 по 20 В постоянного напряжения, то переменное напряжение трансформатора должно быть: 20: v 2 = 14 В. Проще говоря, можем заменить v 2 приблизительным значением = 1,4. Разумеется, это напряжение одной половины блока питания.
Едем дальше. Поскольку трансформатор имеет указанное вторичное напряжение для обмотки, нагруженной номинальным током (есть в спецификации), то чем меньше ток (нагрузка обмотки), тем выше напряжение. Приходится проверять это значение самим, так как эта разница зависит от мощности и типа трансформатора, от сопротивления провода из которого сделана обмотка, и собственных потерь трансформатора.
Расчет мощности трансформатора
С напряжением более-менее разобрались, далее как рассчитать мощность. Здесь надо полагаться на заданную мощность усилителя (информацию можно найти в документации от его микросхемы) и наши требования к использованию УМЗЧ.
Как известно, усилитель потребляет больше мощности, чем сама выходная мощность на динамиках. Но постоянно ли эта мощность присутствует на выходе усилителя? Конечно нет. Величина выходного напряжения сильно меняется за какой-то короткий промежуток времени. Например, если в один момент оно достигает 10 В, то может быть только 0,1 В в другой момент, а в следующий 25 В. Так что значение средней мощности (помним из физики P = U2/R) ниже максимальной.
Переходим к подбору мощности трансформатора. В 1960-х годах и позже, когда большинство транзисторных усилителей работали в классе АВ применялся принцип, что мощность трансформатора должна быть не менее половины мощности усилителя. Проблема в том, что такой подход сейчас не учитывает работу в новых классах и цены на трансформаторы, которые в последнее время резко выросли. Поэтому стоит рассчитать мощность трансформатора таким образом, чтобы могли достичь предполагаемой максимальной мощности при разумной цене трансформатора.
Конечно усилитель, а точнее его конструкция, также является важным фактором определяющим мощность блока питания. Усилители класса АВ имеют средний аппетит по мощности (КПД усилителя) – он примерно на 50% больше мощности на выходе усилителя – иными словами, чтобы получить 100 Вт на динамике, нужно предоставить усилителю 150 Вт – за счет КПД усилителя.
Ещё раз напоминаем, что средняя потребляемая мощность УМЗЧ не равна максимальной среднеквадратичной мощности, указанной в руководстве или полученной в результате расчетов.
Таким образом можем примерно установить, что для 100 Вт мощности, подаваемой на громкоговорители, не обязательно сразу ставить трансформатор на 150 ВА. А что достаточно? Зависит от наиболее часто устанавливаемого уровня громкости и от типа музыки. С другой стороны, если усилитель будет располагаться в спальне как источник звука перед сном или околомониторные колоночки – нет смысла закладывать такой запас. Чаще всего достаточно, когда мощность трансформатора либо равна выходной мощности усилителя (сумме выходных мощностей всех каналов), либо несколько выше – процентов на 10-20.
Расчет элементов выпрямителя
С трансформатором определились. Но блок питания состоит из ещё нескольких дополнительных элементов: диодов/выпрямительного моста и фильтрующих конденсаторов. Что насчет них?
Как и выше – не переборщить. В то время как большой ток моста может быть оправдан, подбор параметров может вызвать проблемы, а использование слишком большого тока моста является, кроме расточительности и лишних потерь в напряжении разъемов, опасностью пожара (в крайне неблагоприятных случаях при долгом нагреве его без перегорания). Так что если расчеты показывают, что будет течь максимум 2 А, то диодный мост на 5 А еще будет нормален, а уже на 25 А ставить не обязательно.
Сходным образом конденсаторы. Предполагается, что для 1 А тока, протекающего от блока питания, должен быть поставлен конденсатор емкостью не менее 1000 мкФ. На практике ничего не мешает впаять 2200 мкФ или даже 3300 мкФ – но не более! Ведь эти конденсаторы будут использоваться не полностью, к тому же будут увеличивать зарядные токи – то есть излишне нагружать диоды моста.
Тепловые проблемы УНЧ
Контролируя температуру радиатора, воспроизводите музыку на полной громкости (без ограничения пиков и любого жанра). На втором этапе воспроизведение сигнала 1 кГц без обрезки пиков (здесь нужно быть очень осторожным с температурой).
Тот же принцип применим и к трансформатору. В базовой конструкции (не для тороидов) трансформатор передает тепло от обмотки к сердечнику. В результате на стабилизацию теплового режима в трансформаторе мощностью около 250 Вт, нагруженном до номинального значения, уходит около 1 часа.
Конечно, двукратная перегрузка приведет к тому, что он достигнет максимальной температуры через 15 минут, но с другой стороны, это до 15 минут работы с перегрузкой.
Разница между современным и старым трансформатором в основном заключается в сердечнике. Современные трансформаторные листы позволяют работать с более высокой магнитной индукцией, чем это было в старых версиях. Это проявляется в уменьшении количества витков, чтобы обмотки можно было наматывать более толстым проводом.
Более толстый провод означает меньшие потери в сопротивлении, а меньшее число витков означает лучшее распределение обмотки и меньшую индуктивность рассеяния, а значит эффективность передачи энергии во вторичную сторону и уменьшение собственных потерь, что проявляется в меньшем падении выходного напряжения, чем на нагрузке. В более старых это соотношение было большим и конденсаторы в фильтре выпрямителя были большими.
Есть еще одна проблема в случае с конденсаторами и блоком питания. В ситуации когда имеем значительный запас напряжения по отношению к выходному напряжению, позволяющем получить максимальную выходную мощность усилителя, можем допустить более высокие пульсации в источнике питания, что может соответственно уменьшить эту мощность.
Но наиболее важным является образование перекрестных помех в источнике питания. К сожалению, здесь помогают только жесткий трансформатор и достаточно низкое сопротивление фильтра выпрямителя. Соединять параллельно несколько меньших емкостей будет ошибкой, так как несмотря на выигрыш в емкости и снижение сопротивления такой батареи, еще и понижаем резонанс. В некоторых случаях это может быть даже несколько кГц, то есть в середине акустического диапазона. Увеличение сопротивления в результате резонанса не будет достаточно подавлять межканальные перекрестные помехи на линии питания, что нарушит стереофоническое пространство.
Аудиоусилитель также может иметь пиковую мощность (при которой он будет работать в течение нескольких секунд, может быть, несколько минут) и непрерывную мощность (при которой он может работать в течение любого промежутка времени).
Должно ли ориентироваться на пиковую мощность или постоянную мощность здесь? Возьмем в качестве примера аудиоусилитель с непрерывной мощностью 100 Вт и пиковой мощностью 200 Вт. Другими словами, он имеет среднеквадратичную мощность 100 Вт и мощность музыки 200 Вт. Кажется достаточным использовать трансформатор на 150-180 Вт, потому что сам трансформатор кратковременно без проблем выдержит 200 Вт, а усилитель не рассчитан на то чтобы постоянно выдавать 200 Вт.
В случае воспроизведения музыки техно/транс/хаус в момент бита она тоже может быть 200 Вт, но RMS для 3-секундного фрагмента однозначно ниже, может даже ниже 100 Вт, так что можно сказать, что это усилитель на 200 Вт.
Воспроизведение музыки с мощностью 200 Вт через усилитель с музыкальной мощностью 200 Вт не должно вызвать больших проблем, но он будет греться и есть риск, что рано или поздно сработает термовыключатель (если он есть) или сгорят транзисторы. Другими словами: Игра с музыкальной мощностью на 95% записей не вызовет никаких проблем, но в особых случаях есть риск.
И о теплоотводе. Радиатор только облегчает отвод тепла в окружающую среду, не более того. Установка радиатора совершенно не меняет количество тепловой энергии, вырабатываемой во время работы.
Это правда, что менее эффективный компонент (или весь усилитель) с радиатором может быть дешевле, чем более эффективный компонент без радиатора. Тут более разумным ходом является подбор элементов с запасом мощности, которые нагреваются меньше, чем присоединение все больших и больших теплоотводов, хотя последний способ значительно дешевле.
Вот ещё пример, усилитель на автомобильной микросхеме, например TDA1555. Их часто используют новички радиолюбители, и такая схема имеет ограниченное применение напряжения – до 18 В, которое ни в коем случае нельзя превышать, то есть также следует учитывать падение напряжения на выпрямительных диодах и мощность 25 – 40 ВА. Тогда УНЧ на холостом ходу будет выше 17 В постоянного тока, вероятно, около 18 В.
С другой стороны, новичок захочет подстраховаться и снизить питание, и тогда при большой нагрузке и при номинальном напряжении 220 В переменного тока в сети, вторичное напряжение трансформатора будет падать примерно до 12-13 В после выпрямителя.
Всё это следствие того, что автомобильный усилитель предназначен для питания от бортовой сети автомобиля 12 В (14,4 В). Дома или использовать стабилизированный блок питания 15-16 В (типа от ноутбука) – но для аудио это нежелательно. Или поискать трансформатор такой мощности (25-40 ВА) но жесткий, с малым внутренним сопротивлением (малые перепады напряжения). Хорошим направлением будет использование габаритного трансформатора мощностью 60 Вт и более – положительно по эффекту, но не имеет смысла с точки зрения экономии, так как противоречит основному тезису статьи.
Итого имеем несколько важных моментов:
- Трансформатор должен быть нагружен дважды. Средняя мощность, полученная в результате времени тепловой стабилизации трансформатора, должна быть ниже максимальной мощности.
- Максимальная мощность усилителя – это только мгновенная мощность которую он должен выдерживать. Поскольку усилитель не является синусоидальным источником питания, потребляемая мощность намного ниже. Средняя мощность для музыки обычно составляет 1/4 от максимальной.
- Радиаторы выбираем на среднюю, а не на максимальную мощность.
- Конденсатор в блоке питания следует выбирать таким образом, чтобы напряжение не падало ниже минимально необходимого значения между последовательными циклами перезарядки.
- «Мягкий» трансформатор плохой, потому что у него большие потери и плохо согласованные сопротивления обмоток. Для аудио используются «жесткие» трансформаторы в диапазоне заявленной мощности.
- Усилитель не является источником питания и не поддерживает непрерывную амплитуду синусоидальной волны в течение длительного времени. Выбираем трансформатор и радиатор исходя из теплоемкости.
Придерживаясь вышесказанного получается, что для стерео-усилителя мощностью 100 Вт требуется трансформатор мощностью 150 Вт, конденсаторы емкостью 6800 мкФ и радиатор, способный непрерывно рассеивать около 60 Вт тепла. Данные значения являются ориентировочными, но отражают порядок значений и суть расчётов.
