Univerzálny symetrický stabilizovaný zdroj pre NF koncové zosilňovače


Prosíme o hodnotenie článku

Keďže sa veľa ľudí zaujíma o NF zosilňovače a všetko okolo nich, tak som sa rozhodol uverejniť článok o jednoduchom symetrickom stabilizovanom zdroji s ochranou proti skratu pre typy zosilňovačov, ktoré ho potrebujú. Väčšina kvalitných. K tomu opisujem ako treba vypočítať efektívne napätie naprázdno na sekundáre toroidného transformatora. Je to okrem výkonu transformátora ďalší dôležitý parameter, ktorý musí výrobca toroidného transformátora vedieť, aby vedel, koľko závitov musí mať sekundárne vinutie.

Článok je prevzatý od autora: FUBU ,,  vacuumtube@svetelektro.com

Schéma usmerňovacej a filtračnej časti je na tomto obrázku:

Keďže schéma je jednoduchá, plošný spoj nechávam na Vás. Poďme si to dopodrobna rozobrať.

Nejaký zosilňovač čo staviame potrebuje symetrický zdroj napr. +30V 0V -30V. Takže v našej schéme je
-Uf = 30V a rovnako Uf = 30V. Ak by neplatilo Uf = -Uf , tak by to nebol symetrický zdroj, ale voľajaký asymetrický. Napätia sa vzťahujú na nulový potenciál teda taký, ktorý sa bežne v zosilňovačoch označuje 0V.
Preto ma zdroj tri vodiče. Ak budete potrebovať stabilizátor napätia s ochranou proti skratu, dočítate sa o ňom nižšie. Teraz si rozoberieme postup návrhu obyčajného nestabilizovaného symetrického zdroja bez ochrany proti skratu. Ako ochranu proti skratu tu môžete použiť trubičkové poistky na prúd F6,3A. No ak chcete mať sofikstikovanejšiu ochranu proti skratu bez trubičkových poistiek, tak si prečítajte celý článok. Nižšie sa o takomto stabilizovanom zdroji s ochranou proti skratu, dozviete viac!
Uf = 30V ku 0V a -Uf = 30V taktiež ku 0V.

Filtračné elektrolytické kondenzátory
Po usmernení napätia treba toto napätie patrične vyfiltrovať. Všeobecne platí, že čím má filtračný kondenzátor väčšiu kapacitu, tým má zdroj väčší odstup od brumu hlavne pri zaťažení, nielen na prázdno. Ale zase na druhej strane sú veľmi zaťažované diódy mostíka, ktoré dodávajú prúd nielen do zosilňovača, ale aj na nabitie kondenzátorov. Takže nemôžeme zvyšovať kapacitu do nekonečna. Rozumný kompromis cena/kvalita/spoľahlivosť je 10 000uF na jednu vetvu symetrického napájacieho napätia. Lepšie výsledky sa dosiahnu, ak sa použijú dve elektrolytické kondenzátory 4700uF, ktoré tým, že sú zapojené paralelne, sa javia tak, ako jeden elektrolytický kondenzátor 10 000uF ale s nižším ekvivalentným sériovým odporom ESR.
Čo sa týka maximálneho napätia kondenzátora v schéme označené ako Uc , platí to, že Uc musí byť v každom prípade väčšie ako Uf. A to aspoň o 5V. Nie je dobré aby sa Uc =Uf, takto sa totiž skracuje životnosť elektrolytickému kondenzátoru. Napríklad pre náš príklad, kde Uf je 30V vyhovie kondenzátor s Uc = 35V.
Keramické kondenzátory sa tam dajú na to, aby zdroj mal nízky vnútorný odpor aj pre vyššie frekvencie. Pretože vinutie toroidného transformátora predstavuje indukčnosť a ako všetci dobre vieme, indukčnosť kladie vyššej frekvencii odpor. Tak tento keramický kondenzátor zabezpečí jeho zníženie. To sa hodí napríklad pre zosilňovače so šírkou pásma nad 20kHz. Jeho maximálne napätie by malo byť ako pri elektrolytoch Uc. Bežne sa však predávajú miniatúrne na napätia od 63V a viac.

Usmerňovač
Ako usmerňovač striedavého prúdu sa tu použil Gretzov mostík. Diódy alebo mostík by mali mať záverné napätie aspoň 100V. No najdôležitejším parametrom je prúd, ktorý diódy znesú. Vhodné typy sú z radu 1N54xx, a ešte vhodnejšie Teslácke celokovové typy KY7xx. Prečo sú výhodnejšie kovové prevedenia diód ako nekovové? Pretože dovoľujú diódy pripevniť na chladič. Diódy môžete vyberať aj podľa plánovaného využitia zosilňovača. To znamená, ak si robím zosilňovač do bytu, kde viem že jeho výkon budem využívať iba na 30%, tak môžem s čistým svedomím dať do mostíka diódy z radu 1N540x. Pretože prúdový odber neprekročí 3A. A ak aj náhodou, tak tieto diódy sú schopné krátkodobo zvládnuť aj vyššie prúdy.
Ale ak viem, že zosilňovač bude pre hudobnú skupinu a viem, že bude stále zaťažovaný výkonom nad 60% a chcem aby bol ten zosilňovač spoľahlivý. Teda napríklad na koncerty aj za 30°C horúčavy. Tak musím zvoliť taký usmerňovač, ktorý sa dá pripevniť na chladič. Aby bol chladený a aby nedošlom k tepelnému prierazu a následovnému zničeniu zosilňovača striedavým prúdom. Teda preto píšem, že staré dobré Teslácké kovové diódy sa na to výborne hodia a dajú sa kúpiť za pár korún.

Transformátor
Najlepšie sa na to hodí toroidný transformátor pre svoje výhodné vlastnosti. No môžete zohnať aj nejaký typu EI alebo M.
Prečo toroid? Toroidné transformátory sa hodia najlepšie preto, lebo zo všetkých výkonových transformátorov majú najmenší vonkajší magnetický tok. Teda magnetický tok mimo jadra transformátora. Tento magnetický tok pri transformátoroch všeobecne pôsoby v obvode a skrinke zosilňovača nepriaznivo. Indukuje sa do káblov a vzniká potom ťažko odstraniteľné brumenie. Toroidy keďže majú prstencovité jadro a žiadne vzduchové medzery ako pri type EI alebo M, majú vonkajší magnetický tok takmer nulový. Toroidy sa bežne využívajú v špičkových audio zariadeniach. Kde sú prísne požiadavky na odstup brumu od užitočného signálu.

Príklad toroidných transformátoroch:

12986-1-transformator_toroidny_300va_2x12v_2x12_5a

Toto je prierez toroidu:

zpusob2-1

zpusob3-1

Príklad ostatných spomenutých transformátoroch:

610-937.1

t_med

1200px-Trafo_4

Aký toroid potrebujeme a kde ho zoženieme?
Zoženieme ho u firmy, ktorá toroidy navíja. Napríklad táto:
SLOVMET – toroidné transformátory
(pozor tá stranka je ladená na Internet Explorer 🙂 ,,alebo si ho dáme objednať v najbližšom elektre.
Táto firma vám navinie toroid na mieru. Najprv nás zaujíma aký výkon musí preniesť toroidný transformátor. Ak staviame napríklad 2x 100W stereo zosilňovač, tak je vhodný toroid 250VA – 300VA v závislosti od použitia. Zase sa treba zamyslieť nad tým, kde sa bude zosilňovač používať. Ak v byte a pôjde na 30%, tak tam stačí 250VA toroid. Ak staviame zosilňovač pre hudobnú skupinu, tak tam je potrebný 300VA toroid. Aby sa zbytočne 250VA nepreťažoval a aby sa to neprejavilo na potom kvalite zvuku. Zhruba možno povedať, že výkon transformátora pre zosilňovač pre bytové podmienky by mal byť 1,25 násobkom výkonu zosilňovača. Ak staviame robustnejší zosilňovač pre hudobne skupiny, tak sa na toroide neoplatí šetriť a platí zhruba 1,5 až 1,8 násobok výkonu zosilňovača pre výkon toroidu.
Ďalej je dobré vedieť, že výkon transformátora sa udáva vo VA (volt-ampér) je to takzvaný zdanlivý výkon. Nemôžeme písať výkon vo wattoch, pretože transformátor pracuje so striedavým napätím. Pre výpočet zdanlivého výkonu platia vzťahy: P = U.I , kde P je zdanlivý výkon, U je efektívne napätie na svorkách transformátora a I je efektívny prúd prechádzajúci vinutím transformátora. Potom je jednotka zdanlivého výkonu VA. To sme si vysvetlily preto, aby nás výrobca správne pochopil. Pretože toto je prvý dôležitý údaj, ktorý potrebujeme do objednávky napísať po slovách toroidný transformátor. Takže napríklad robíme zosilňovač pre bytové podmienky 2x 100W. Po hore uvedených úvahach nám vyšiel výkon zdroja 250W a teda toroidný transformátor musí preniesť zdanlivý výkon taktiež 250VA. Tieto hodnoty sa približne rovnajú. Takže do objednávky by sme napísali zatial 250VA toroidný transformátor.
A ako vieme transformátor je zložený s primárneho a sekundárneho vynutia.
Primárne vinutie
Keďže zosilňovač budeme napájať zo siete s napätím 230V, tak aj primárne vinutie treba navinúť na 230V. V schéme je to označené značkou Up.
Teda Up = 230V
Sekundárne vinutie
Toto vinutie je už špecifické pre dané použitie. Keďže výrobca potrebuje vedieť striedavé efektívne napätie na svorkách sekundárneho vinutia, tak si to musíme nejako vypočítať.
Tu je na to vzorec:

Ide vlastne o prevod jednosmerného vyfiltrovaného napätia na svorkách zdroja na efektívne striedavé napätie na svorkách transformátora.
Uf je požadované jednosmerné vyfiltrované napätie na svorkách zdroja na prázdno.
Us je striedavé efektívne napätie na svorkách transformátora naprázdno. Hodnota Us je pre výrobcu dôležitá. Podľa nej vie navinúť sekundárne vinutie toroidu. Čiže pre náš zosilňovač potrebujeme zdroj jednosmerného napätia 30V. Po výpočte zistíme, že efektívne striedavé napätie tomu zodpovedajúce je 21,21V. Ale keďže používame mostíkový usmerňovač, úbytok na ňom bude 1,2V, lebo úbytok na jednej dióde je zhruba 0,6V a prúd prechádza dvomi diódami naraz. Takže preto je úbytok 1,2V. O toto napätie teda prídeme, preto je vo vzorci plus 1,2V.
Teda 21,21 + 1,2 = 22,41V. Takto sme teda vypočítali svorkové efektívne striedavé napätie toroidného transformátora pre jedno vinutie. Keďže robíme symetrický zdroj, tak aj druhé vinutie musí byť logicky rovnaké. Us1 = Us2 = 22V
Takže výrobcovy možeme napísať pre sekundárne vinutie 2 krát 22V.

Vzorová objednávka pre toroidný transformátor
štandardný toroidný transformátor
výkon 250VA
Primárne vinutie: 230V
Sekundárne vinutie: 2x 22V

Stabilizovaný zdroj s ochranou proti skratu – obmedzením prúdu – bipolárna verzia
Nájdu sa ľudia, ktorým vyššie uvedený zdroj nestačí a pre svoj zosilňovač chcú to najlepšie. Nie je sa čomu čudovať. Veď ak treba kvalitný zosilňovač pre hudobnú skupinu do každých podmienok, tak treba navrhnúť také riešenie, ktoré v praxi prežije.
Tento stabilizátor napätia využíva ako vykonový člen bipolárny tranzistor, teda to sú T3 a T6 v schéme, čo sú vysoko výkonné tranzistory NPN typu KD503. Ak zoženiete lepšie ako tieto Teslácke, tak len treba dodať, že musia mať stratový výkon 150W. Pri konštrukcii tohto stabilizátora a ochrany proti skratu si treba uvedomiť, že ak staviam zosilňovač pre bytové podmienky, tak chladič na tieto tranzistory T3 a T6 nemusí byť veľký, ale mal by byť veľký aspoň 10 cm štvorcových. Ak robím zosilňovač pre hudobnú skupinu, tak tam sa oplatí dať na tieto tranzistory väčší chladič aj s ventilátorom. Tento stabilizátor zvládne max 200W aj to iba v prípade dobrého chladenia tranzistorov T3 a T6.
Tu je schéma zapojenia bipolárneho stabilizátora s ochranou proti skratu:

V schéme nie je hodnota zenerových diód D1 a D2.
Ich výpočet je jednoduchý. Zenerové napätie volíme také, aké napätie chceme mať na výstupných svorkách stabilizátora napätia. Keďže mi chceme +30V a -30V, tak
zenerové napätie D1 = 30V a D2 = 30V. Stratový výkon zeneriek by mal byť max 1W. Čiže zoženieme nejaký typ na 1,3W.
Pri stavbe stabilizátora si treba uvedomiť jednu vec. Ak staviam zdroj bez stabilizátora, ako je to znázornené hore v prvej schéme, tak nám víde iný sekundár toroidného transformátora, čo sa týka sekundárných efektívnych napätí. Ako keď budeme staviať zdroj so stabilizátorom napätia a ochranou. Vychádza to s princípu stabilizátora napätia, ktorý slúži ako ventil. Čiže musí mať určitú rezervu napätia aby ho dobre stabilizoval.
Pre výpočet efektívneho napätia sekundárneho vinutia toroidného transformátora pre symetrický stabilizovaný zdroj platí tento upravený výpočet:

Pri prvej schéme nám stačilo Us = 22V na sekundáre toroidu. Tu budeme potrebovať vyššie napätie. Stačí ak bude vyššie o 5V. To znamená, že hore si podľa vzorca vypočítam sekundárne vinutie toroidného trafa a pripočítam k nemu 5V. Čiže pri stavbe zdroja so stabilizátorom platí toto:
Us = Us(bez stabilizátora) + 5V. Nám teda vyšlo Us(bez stabilizátora) = 22V a teda so stabilizátorom bude Us = 22 + 5 = 27V. Takže výrobcovy napíšeme na onjednávku, nie 2krát 22V ale 2krát 27V. Samozrejme ak chceme toroid pre stabilizovaný zdroj, ináč nám stačí 2krát 22V. Pozor na filtračné kondenzátory, ich maximálne napätie treba tiež zvýšiť aspoň o 5V!
Ako treba nastaviť správny skratový prúd Správny skratový prúd stabilizátora nastavíme pomocou rezistorov R3 a R4. R3 je pre kladnú vetvu a R4 pre zápornú. Pre výpočet platí takýto vzťah:

Pre zosilovač 2x 100W bude stačiť 4A na vetvu. Najpv si zmerajte zosilňovacie činitele tranzistorov T2,T3,T5 a T6. Potom dosaďte do vzorca. Uz je zenerové napätie, teda napätie, ktoré dostaneme aj na výstupe stabilizátora. A za Imax dosadíte podľa typu zosilňovača. V našom prípade Imax = 4A.
Predchádzajúce riešenie má dve malé nevýhody. Prvá je taká, že tam sú použité teslácke tranzistory, čo by mohlo niekomu vadiť. To by nebol problém veď sa dajú nahradiť. No druhá nevýhoda je podstatnejšia. Ide o účinnosť zapojenia. Toto zapojenie s bipolárnymi tranzistormi sa vyznačuje pomerne slabou účinnosťou k dnešnej súčiastkovej základni. Treba si uvedomiť, že tranzistory T2,T3,T5 a T6 treba budiť prúdom do bázy. O to viac sa nám tie tranzistory budú hriať a musíme im zabezpečiť chladiče s väčšou plochou. Ďalej je tu kôli veľkým bázovým prúdom nemožnosť presného nastavenia skratového prúdu napríklad trimrom. Veď namiesto R4 a R3 by sme mohli mať nejaké trimre. Je to pravda, ale tie trimre by nemali dlhu životnosť. R4 a R3 sú 1W rezistory. Preteká nimi pomerne veľký prúd. Takže by sme museli zohnať drahšie trimre na doladenie skratového prúdu.
Naštastie mám pre Vás ešte jedno moderné riešenie:
Stabilizovaný zdroj s ochranou proti skratu – obmedzením prúdu – verzia MOSFET
Tu je schéma:

Obrovská výhoda tohoto zapojenia oproti predchádzajúcej bipolárnej verzii je tá, že má vyššiu účinnosť. To v praxi znamená že tranzistory MOSFET Q3 a Q4 potrebujú menší chladič. Ďalej to, že nič okrem týchto mosfetov a zenerových diód sa v schéme hriať nebude. Samozrejme pre vyššiu spoľahlivosť odorúčam chladiče s plochou 10cm štvorcových na každý tranzistor.
Ako treba nastaviť správny skratový prúd Tu už neuvádzam vzorec, pretože by to bolo v podstate zbytočné. Tu totiž nastavujeme skratový prúd pomocou trimrov R8, R7 a ampérmetra. Čím sa vyhneme chybám pri výpočte a nemusíme dodatočne nič meniť. Najprv ale ,ešte pred zapojením stabilizátora na zdroj napätia treba nastaviť trimre R8 a R7 na maximálnu hodnotu, teda 100k aby sme neodpálili ampérmeter alebo tranzistory MOSFET nadmerným prúdom. Po zapojení zdroja napätia dáme jednu vetvu do skratu. K nej prisluchajúcim trimrom začneme meniť skratový prúd, ktorý odčítame od výchylky ampérmetra zapojeného na výstupné svorky vetvy stabilizátora napätia. Najčastejšie stačí nastaviť skratový prúd na 4A. Trimrom otáčame veľmi pomaly!!! Takto to zopakujeme aj na druhú vetvu a nastavíme rovnaký skratový prúd!
Iste ste si dali otázku či tieto stabilizované zdroje zvládnu aj vyššie výkony. Odpoveď znie áno. Ak teda prispôsobíte použité výkonové súčiastky, ale aj ostatné, výkonu, ktorý potrebujete. Treba myslieť aj na napätia tranzistorov Uce, ktoré musí byť samozrejme vyššie ako prevádzkové napätie. Všetko sa dá zistiť z katalógových listov výrobcov tranzistorov. Treba hľadať na nete cez google. No niekedy existujú aj elegantnejšie riešenia. Tu je príklad ako zdvojnásobiť výkon stabilizátora napätia. Použité sú tranzistory MOSFET pre svoje výhodné vlastnosti. Netreba ich budiť prúdom a ľahko sa dajú spojiť paralelne. Toto nie je možné pri bipolárnych tranzistoroch. Možné je to iba vtedy ak máte silnejší budič do ich bázy a k emitorom by ste museli dať ešte sériové rezistory, nehovoriac o párovaní bipolárov, čo nie je vôbec zábavné. U mosfetov tieto starosti odpadajú, pretože MOSFETy majú takú vlastnosť, že tým že sa ich kanál začne hriať tak im stúpa mierne vnútorný odpor, tým sa dve paralelné zapojené dvojice kompenzujú. Pretože ak jedným ide väčší prúd ako druhým mosfetom, tak ten prvý sa nahreje viacej a zväčší sa mu viacej aj vnútorný odpor a takto presunie prúd druhému. Vzájomná kompenzácia. U bipolárov tento jav neexistuje, tam je to práve naopak. Teplejším bipolárnym tranzistorom ide spravidla väčší prud, preto sa musia takéto paralelné dvojice bipolárov kompenzovať sériovými odpormi v emitoroch. Ale to je pre nás nevhodné riešenie, pretože pri vysokých výkonoch stabilizátora napr. 400W by tieto rezistory vychádzali veľmi malé a ťažko by sa nastavovala prúdová rovnováha medzi paralelne spojenými bipolármi. Vďakabohu pri mosfetoch tieto problémi nemusíme riešiť. Kompenzujú sa sami.
Tu je schéma 400W stabilizátora napätia s ochranou proti skratu s tranzistormi MOSFET:

K tomu len toľko, že to nastavujeme rovnako ako predchádzajúce zapojenie. Nezabudnite nastaviť trimre R7 a R8 na maximálnu hodnotu odporu pred prvým zapojením na zdroj napätia. Potom sa to nastavuje rovnako ampérmetrom. Ale samozrejme pre vyšší prúd. Napríklad pre stereo zosilňovač 2x 200W pre hudobnú skupinu nastavíme skratový prúd každej vetvy na 8 Ampérov.

Dúfam, že tento článok pomôže najmä začínajúcim konštruktérom NF výkonového zosilňovača. Ak by boli ešte nejaké otázočky, tak forúm alebo email vacuumtube@svetelektro.com

Komentáre:

Komentárov