среда, 13 декабря 2017 г.

Схема блока питания усилителя для наушников

Электроника усилителя для наушников. В основе усилитель для наушников "Гамма"


Добрый день!

Эта статья об очень нужном, но часто недооцененном блоке усилителя: о фильтре напряжения питания. В "Гамме", на основе которой собирается новый ушник, есть очень неплохой свой собственный фильтр. Но изредка встречаются столь чувствительные уши и наушники на них надетые, что способностей одного фильтра уже недостаточно и ему в помощь требуется еще один, дополнительный. Вот о нем и пойдет речь дальше.


Схема БП:

Схема блока питания усилителя для наушников


Несколько слов о выключателях и странном положении в схеме одного из них

Выключателей в усилителе два. Один из них установлен на задней панели в разъеме 220 В:

Сетевой разъем усилителя для наушников (на основе "Гаммы")

На схеме он не показан (как и все, что находится на первичной стороне силового трансформатора). Стоит между трансформатором и сетевым разъемом и в выключенном состоянии полностью обесточивает схему....

Не встречал еще людей (кроме самого себя), которые использовали бы "задний" выключатель. Поэтому для удобного оперативного включения/выключения есть кнопка на передней панели: 

Передняя панель усилителя для наушников на основе "Гаммы"

На схеме БП обозначена как SA2. Питающее напряжение она не "рвет", но управляет транзистором, который в свою очередь управляет реле, отключающим питание от схемы... Но не от всей. Выпрямительный диодный мост VD1 и сглаживающий конденсатор С1 остаются подключенными к трансформатору. А это значит, что они всегда под напряжением (даже тогда, когда усилитель выключен).

Жизнь конденсатора-трудоголика работающего 24 часа в сутки 7 дней в неделю будет незавидной и скоротечной, если он не стоек словно спартанец. Поэтому при проектировании выбор пал на элемент от Epcos, который, согласно информации производителя, сможет, в условиях нашего усилителя, проработать 200 000 часов ... при круглосуточной работе это чуть меньше 23 лет. Впечатляет? Меня - очень :) 

Почему я не поставил SA2 между выпрямительным мостом и трансформатором, или хотя бы до конденсатора C1?

Не хотел мучить контакты выключателя стартовыми зарядными токами емкости, ограниченными лишь сопротивлениями обмоток трансформатора, ESR "пустого" конденсатора С1 и сопротивлением диодов моста. Эти токи - почти КЗ. И даже малюсенький, всего 15-ти ваттный, трансформатор способен кратковременно выдавать десятки ампер, которые рано или поздно разрушат контакты кнопки. Но если после кнопки нет конденсатора, то нет и проблемы.

Почему я не использовал SA2 вместо группы контактов реле, а нагородил схему с релюшкой и управляющим транзистором?

В начале проекта было желание поставить в усилитель умную схему управления на микроконтроллере, следящую за температурой и при перегреве выключающую питание... Поэтому выбор схемы коммутации был очевиден: контроллер сможет управлять релюшкой, а механической кнопкой - нет.

Работает все просто: замыкание кнопки SA2 открывает транзистор VT1, а он включает реле. При появлении сигнала блокировки, транзистор оптрона шунтирует базу VT1 на "общий" и тем самым его закрывает. Вместе с ним выключается и реле, обесточивая схему.

Но в итоге система охлаждения усилителя оказалась более эффективной чем я ожидал, перегрев усилителю грозить перестал и необходимость в контроле температуры отпала. Не нужным стал и контроллер. Но реле и сигнал блокировки остались... Не переделывать же в самом деле плату :).


О фильтре:

В БП вместо стабилизатора - активный фильтр. Всегда когда есть возможность такой подмены - я делаю это. Почему? Потому что в деле подавления пульсаций фильтр также хорош как стабилизатор (а часто даже лучше), но при этом его нагрев и эффективность подавления пульсаций не зависят от величины входного напряжения. Фильтр лучше стабилизатора, если нет необходимости в постоянном уровне напряжения на выходе... А ее нет.

Не меньше фильтр радует тем, что от природы наделен способностью плавно подавать напряжение на нагрузку. Мягкий старт у него "в крови" (ну или в схеме). Вот так выглядят графики старта фильтра на конденсатор емкостью 22000 мкФ:

Графики токов и напряжений фильтра блока питания усилителя для наушников

Никаких экстремальных выбросов тока, все плавно...

Примечание: картинки получены в симуляторе. Осциллограммы этих же сигналов в "реальной" схеме отличаются совсем не сильно.

Хотя, наверное, нужно пояснить что же это за графики.

Синий, верхний график - входное напряжение стабилизатора. А ступенька которую мы видим - появление напряжения на входе в момент включения усилителя.

Красный сигнал, на том же верхнем графике, - выходное напряжение фильтра. Оно плавно и спокойно нарастает, гарантируя безопасный старт всего что подключено к выходу.

Фиолетовый сигнал на нижнем графике - ток зарядки выходного конденсатора (суммарно 22000 мкФ). Он не превышает 200 мА и не перегружает, даже кратковременно, ни один элемент схемы. Такой "спокойный" зарядный ток - заслуга плавного нарастания выходного напряжения.

Необозначенным остался только зеленый сигнал среднего графика. Это напряжение на датчике тока R9. Очевидно, оно пропорционально выходному току (что и видно из графиков). Так как это напряжение даже близко не подобралось к порогу открывания транзистора VT3, то система защиты от токовой перегрузки при плавном старте бездействует.

Графики изменятся, если возникнет токовая перегрузка выхода, и начнет срабатывать система ограничения тока. Произойти это может, например, если из-за слишком быстрого нарастания выходного напряжения или чрезмерно большой емкости выходных конденсаторов, ток их заряда окажется выше допустимого.  Графики при этом станут такими:

Графики токов и напряжений фильтра блока питания усилителя для наушников. Кратковременная перегрузка.

Хорошо видно как ограничился ток ("полочка" на нижнем графике). Одновременно с этим изменение напряжения на выходе стало линейным (первые две трети нарастания красного  сигнала на верхнем графике). Такой режим возникает кратковременно при старте усилителя и почти для него не опасен, во всяком случае если у силового транзистора VT2 имеется достаточный радиатор.

Ограничение тока произойдет и в том случае, если на выходе схемы (в ее нагрузке) произошло КЗ. Графики для такой ситуации ниже.

Графики токов и напряжений фильтра блока питания усилителя для наушников. Короткое замыкание..

Ступенька на верхнем красном графике - момент падения до нуля напряжения на выходе фильтра из-за возникновении КЗ. Выходной ток ограничивается на максимальном разрешенном уровне (нижний график).

Примечание: кстати, этот уровень определить несложно: ограничение начнет действовать сразу, как только напряжение на датчике тока (R9) приблизится к пороговому значению напряжения БЭ транзистора VT3... Для приближенных расчетов это значение можно принять равным 0,65 В.


Что можно улучшить?

Слабость описанной схемы ограничения тока в том, что при КЗ она фиксирует ток на максимальном уровне, но не выключается, и без вмешательства из вне будет неограниченно долго находиться в таком состоянии. Это рано или поздно доведет транзистор, спасенный от повреждения током, до смерти от перегрева.

Гораздо лучше система будет работать, если ее дополнить схемой, формирующей сигнал перегрузки:

Схема блока питания усилителя для наушников. Добавлен датчик перегрузки.

Выходной сигнал с оптрона можно завести на внешний модуль управления, реагирующий на срабатывания токового ограничения подачей сигнала блокировки на БП. "Убить" такую систему будет очень сложно....

Вот, наверное, и все, что я хотел рассказать о схеме. На вопросы с удовольствием отвечу в комментариях.


Спасибо за Ваш интерес к электронике и за уделенное статье время!

С уважением, Константин М.

Приглашаю в гости, посмотреть все самое новое и интересное:) Буду рад общению ) :

Мой профиль в G+
Моя страничка на Facebook'е