Современные УМЗЧ, обладая внушительной пиковой выходной мощностью, доходящей порой до 200 Вт, предъявляют довольно жёсткие требования к своему источнику питания. Для них, как правило, необходимо двухполярное напряжение 2 X (30...40) В при пиковом токе до 10 А в каждом плече. Обычно в выпрямителе применяют сглаживающие конденсаторы большой ёмкости, доходящей до 20000 мкФ и более. Но даже с ними просадки выпрямленного напряжения при пиковом токе нагрузки достигают 2...3 В, что требует от УМЗЧ высокого коэффициента подавления пульсаций напряжения питания. Автор предлагает оснастить блок питания УМЗЧ стабилизатором, обеспечивающим нужное качество питающего напряжения.
В последнее время в любительских конструкциях УМЗЧ всё чаще располагают выпрямитель и блок конденсаторов большой ёмкости на плате усилителя, уменьшая этим длину соединительных проводов и падение напряжения на них. Иногда от блока питания требуют, чтобы при включении напряжение на его выходах нарастало плавно (так называемый "мягкий старт"). При возникновении различных аварийных ситуаций, например, замыкании в нагрузке УМЗЧ, неисправности его выходных транзисторов и других перегрузках питание УМЗЧ должно быть автоматически выключено. Решить все эти задачи позволяет предлагаемый стабилизатор напряжения питания.
Основные технические характеристики
Выходное стабилизированное напряжение, В...........2x35
Максимальный ток нагрузки каждого плеча, А................ 9
Ток срабатывания триггерной защиты, А.................11
Полное время срабатывания защиты, мкс ...................12
Время нарастания выходного напряжения от нуля до номинального значения, с......0,36
Размах пульсаций частотой 100 Гц на выходе стабилизатора при токе нагрузки 5 А, мкВ................80
За основу конструкции было взято устройство из статьи "Стабилизатор напряжения питания УМЗЧ" В. Орешкина ("Радио", 1987, № 8, с. 31), схема которого показана на рис. 1. Несмотря на простоту и высокие технические данные (коэффициент стабилизации более 1000, автоматическое выключение при замыкании выхода, возможность крепления силовых транзисторов непосредственно на теплоотвод без прокладок), такому стабилизатору присущи и некоторые недостатки. Он неустойчиво запускается при большом токе нагрузки, а ток при замыкании выхода не нормирован и зависит от коэффициентов передачи применённых транзисторов, что иногда приводит к их выходу из строя.
Рис. 1. Схема стабилизатора напряжения питания УМЗЧ
За прошедшее время появились новые электронные компоненты, стали доступны мощные полевые транзисторы, что и подвигло автора поэкспериментировать с компьютерной моделью предложенного В. Орешкиным устройства, которая была создана в симуляторе LTspice IV, и усовершенствовать его. Родившаяся в результате таких экспериментов схема блока питания изображена на рис. 2.
Рис. 2. Схема блока питания
Первым делом была изменена цепь запуска стабилизатора, а биполярные транзисторы были заменены полевыми. Из схемы, представленной на рис. 1, видно, что транзистор VT2 зашунтирован резистором R3 сопротивлением 470 Ом, через который протекает начальный ток зарядки конденсатора C2. Если нагрузка невелика, выходное напряжение начинает возрастать, пока стабилизатор не войдёт в режим стабилизации. При токе нагрузки менее I=Uвых/R3=19/470=40 мА, когда транзистор VT2 практически закрыт, все пульсации выпрямленного напряжения через резистор R3 проходят в минусовое плечо. При малом сопротивлении нагрузки тока через этот резистор может не хватить для нормального запуска стабилизатора, он может вообще не запуститься.
В новом варианте цепь запуска состоит из стабилитрона VD11 и резистора R22 в одном плече и VD12 с R23 во втором (для симметрии). В процессе включения по достижении значения напряжения на сглаживающих конденсаторах C7-C10, равного напряжению стабилизации стабилитронов VD11 и VD12, транзисторы VT 11.1 и VT11.2 начинают открываться. Вслед за ними открываются и силовые транзисторы VT9 и VT10. Напряжение на выходе стабилизатора нарастает, а напряжение между истоком и стоком транзисторов VT9 и VT10 уменьшается. Когда напряжение на стабилитронах VD11 и VD12 опустится ниже их напряжения стабилизации, ток через эти стабилитроны прекратится. Далее они не влияют на работу стабилизатора. Такой способ запуска надёжен даже при токе нагрузки 9 А. Минимальный ток нагрузки практически равен нулю.
Выходное напряжение плюсового плеча стабилизатора равно сумме напряжений стабилизации стабилитронов VD13, VD15 и напряжения отсечки транзистора VT11.1, а минусового плеча - соответственно стабилитронов VD14, VD16 и транзистора VT11.2. Для плавного запуска стабилизатора оказалось достаточно зашунтировать стабилитроны VD13-VD16 конденсаторами C23-C26. Скорость изменения выходного напряжения до начала стабилизации равна скорости нарастания напряжения на этих конденсаторах. При указанных на схеме номиналах элементов время выхода стабилизатора на режим - около 360 мс. Осциллограммы процесса его запуска, полученные на компьютерной модели, показаны на рис. 3.
Рис. 3. Осциллограммы процесса запуска
Для уменьшения рассеиваемой на транзисторах VT9 и VT10 мощности истоки транзисторов VT 11.1 и VT 11.2 соединены не с общим проводом, а с точками соединения стабилитронов и резисторов (соответственно VD15, R29 и VD16, R30). Поэтому потенциалы истоков транзисторов VT11.1 и VT11.2 равны напряжению стабилизации соответствующих стабилитронов (6,2 В по абсолютному значению). Это позволяет изменять управляющее напряжение на затворах транзисторов VT9 и VT10 не до 0 В, как в прототипе, а до плюс или минус 6 В. При этом напряжение между истоком и стоком этих транзисторов на пиках пульсаций может падать до 3 В и ниже без выхода из режима стабилизации.
Сказанное иллюстрируют полученные компьютерным моделированием осциллограммы на рис. 4. Зелёная - напряжение на истоке транзистора VT10, синяя - напряжение на его затворе, красная - напряжение на истоке транзистора VT11.2 (6,2 В), голубая - ток нагрузки минусового плеча. Видно, что напряжение на затворе транзистора VT10 лежит приблизительно посередине между напряжением на его истоке и на истоке транзистора VT11.2, а иногда опускается ниже 3 В.
Рис. 4. Осциллограммы
В стабилизатор добавлена триггерная защита по току, срабатывающая при превышении током нагрузки любой ветви стабилизатора значения 11 А. Она построена на транзисторах VT3, VT5, VT7 в плюсовом плече и VT4, VT6, VT8 - в минусовом. Датчиками тока служат резисторы R11-R14, соединённые попарно параллельно. Защита срабатывает при падении напряжения на любой из пар резисторов более 0,5...0,6 В, что соответствует текущему через них току 11...12 А.
По достижении этого порога лавинообразно открываются транзисторы триггерных ячеек VT3VT5 или VT4VT6 и соответственно транзисторы VT7 и VT8. Последние, открывшись, шунтируют стабилитроны VD13 и VD14, резко понижая этим выходное напряжение. Резисторы R21 и R24 ограничивают ток коллектора транзисторов при разрядке конденсаторов, включённых параллельно стабилитронам. Светодиоды HL1 и HL2 в базовых цепях транзисторов VT7 и VT8 сигнализируют о срабатывании защиты. Ток через них при этом не превышает 6 мА.
Конденсаторы С19 и С20 совместно с резисторами R17 и R18 образуют фильтры нижних частот, повышающие помехоустойчивость системы защиты. Увеличивать номиналы этих конденсаторов свыше 4700 пФ нежелательно, поскольку это увеличит время срабатывания защиты и пиковые токи через транзисторы VT9 и VT10. Чтобы защита срабатывала одновременно в обоих плечах стабилизатора, предусмотрена связь между триггерными ячейками через конденсаторы C21 и C22.
После срабатывания защиты транзисторы VT9 и VT10 остаются закрытыми до отключения устройства от питающей сети. Транзисторы триггерных ячеек закроются, а светодиоды HL1 и HL2 погаснут лишь после разрядки сглаживающих конденсаторов С7-С10. Остаётся одна проблема - обеспечить быструю разрядку сглаживающих конденсаторов после отключения. Её решают узлы на транзисторах VT1 и VT2, одинаковые в обоих каналах. Поэтому рассмотрим только узел, установленный в плюсовом канале.
При включении устройства в сеть конденсатор C17 заряжается через диод VD9 до напряжения, примерно равного амплитуде напряжения, поступающего с обмотки II трансформатора T1. Конденсатор С15 заряжается через резистор R5 и разряжается через диоды VD3, VD4 и диодный мост VD1. Потенциал затвора транзистора VT1 становится равным потенциалу его истока или даже немного ниже, поэтому транзистор закрыт. Закрытое состояние транзистора VT1 сохраняется на протяжении всего времени, пока подано напряжение питания. После его выключения диоды VD3 и VD4 закрываются. Напряжение затвор-исток транзистора благодаря резистору R5 возрастает до напряжения стабилизации стабилитрона VD7. Открывшись, транзистор VT1 подключает резисторы R3 и R7 параллельно конденсаторам C7 и С8, ускоряя их разрядку. Длительность разрядки сокращается до 10...20 с при пиковом значении разрядного тока 780 мА, вполне допустимого для используемых транзисторов.
Продолжение следует...
Автор: М. Муравцев, г. Ташкент, Узбекистан