У глухо-немого есть одно полезное качество —
законы физики он может объяснить на пальцах…
Для большей наглядности происходящих процессов воспользуемся
осциллографом и сделаем небольшое отступление от преобразователей, пояснив принцип
работы осциллографа.
Осциллограф — измерительный прибор, позволяющий наблюдать
за формой электрического сигнала, причем позволяет производить и приблизительные
замеры измеряемых величин (определение величин производится по нанесенной на
экран осциллографа сетке и точности выше 2-5% вряд ли получится добиться), таких
как длительность этих сигналов, амплитудное значение. Современные осциллографы
способны измеряемые величины выводить на экран в виде точных значений, представленных
цифровыми знаками.
Принцип работы осциллографа довольно прост. Горизонтально
луч перемещается при помощи встроенного генератора пилообразного напряжения.
Частота регулируется при помощи соответствующих регуляторов и относительно
положения этих регуляторов можно делать вывод о длительности измеряемых сигналов.
Измеряемый сигнал подается на вход линейного усилителя после которого попадает
на отклоняющую систему и определяет положения луча относительно вертикали. Таким
образом стало возможным наблюдать за изменениями электрических сигналов имеющих
наносекундные длительности. Более наглядно на видео 1.
Подробности о том как пользоваться осциллографом описаны
здесь.
ОДНОТАКТНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
Схемотехника силовой части однотактных преобразователей
очень похожа, поэтому соберем одну схему и на ее основе рассмотрим принципы
действия прямоходовых и обратноходовых источников питания. Для реализации опытов
потребуется источник питания, генератор прямоугольных импульсов, полупроводниковый
транзистор, в нашем случае это будет биполярный транзистор N-P-N проводимости,
трансформатор, ну и выпрямительный диод с нагрузочным резистором. Кроме этого
установим ещё один резистор в цепи эмиттера транзистора и по падению напряжения
на нем будем делать вывод о протекающем через него токе. Поскольку данный резистор
в цепи эмиттера, то ток протекающий через него будет равен току протекающему
через переход база-эмиттер + ток протекающий через переход коллектор-эмиттер.
В качестве измерительного прибора у нас будет выступать 4-х лучевой осциллограф
(видео 2, принципиальная схема на рисунке 1).
Рисунок 1
Однотактные прямоходовые импульсные источники питания
основаны на преобразовании магнитного поля сердечника трансформатора в момент
открытия силового ключа, в качестве которого может использоваться как полевой
транзистор, так и биполярный. Принцип работы прямоходового источника питания
показан на видео 3.
Но на видео опущен один, совсем не маловажный момент
— магнитное поле в сердечнике вроде как уменьшается после закрытия транзистора,
да лишь запасенная в нем энергия расходуется не до конца. Большую часть энергии
конечно же поглотила вторичная обмотка и отдала ее в нагрузочный резистор, но
остаточное магнитное поле может привести к тому, что при следующем открытии
силового ключа сердечник войдет в насыщение, поскольку новое магнитное поле
будет "прибавляться" к остаточному. Насыщение сердечника приведет
к тому, что первичная обмотка станет активным сопротивлением, причем ОЧЕНЬ маленьким
и силовой транзистор попросту выйдет из строя.
Для решения этой проблемы у прямоходовых преобразователей
существует дополнительная, выравнивающая обмотка и диод, позволяющие полностью
размагнитить сердечник и подготовить его к следующему такту преобразования (
рисунок 2, обведено красным).
Рисунок 2
В обратноходовых преобразователях проблем с размагничивание
нет, поскольку энергия запасенная в сердечнике при открытом силовом элементе
расходуется в нагрузке, как лишь силовой элемент закрывается. Принципиальная
схема испытательного модуля приведена на рисунке 3, а принцип работы поясняет
видео 4.
Рисунок 3
Практическая реализация схемы обратноходового преобразователя
приведена на рисунке 4.
Рисунок 4
Схемы однотактных преобразователей довольно просты, но
имеют некоторые недостатки. Главным из них является не очень устойчивая работа
на динамическую нагрузку, т.е. на нагрузку склонную к изменению от максимальной
до нуля. Именно поэтому однотактные преобразователи завоевали популярность в
телевизионной технике, где потребления строчной и кадровой разверток является
постоянной, а изменение яркости изображения и громкости звука значительно меньше
и в данном случае не принципиальны.
В тех случаях, где потребление нагрузки изменяется довольно
сильно предпочтение следует отдать 2-хтактным схемам, обеспечивающим принудительное
перемагничивание сердечника не зависимо от мощности нагрузки.
ДВУХТАКТНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
Для высоковольтных преобразователей самыми популярными
являются две схемы:
— полумостовая;
— мостовая.
С одной стороны схемотехника у них похожа, с другой — довольно
сильно отличается.
Попробуем разобраться что есть что. На рисунке 5 приведена
принципиальная схема испытательного модуля полумостового преобразователя.
Сразу следует оговориться — генератор импульсов футуристический и имеет два выхода
гальванически не связанных между собой. На выходах генератора имеются прямоугольные
импульсы с амплитудой 2 В, частотой 40 кГц, равные по длительности, но противоположные
по фазе.
Рисунок 5
На видео 5 показано как это выглядит.
Номиналы резисторов R1 и R2 одинаковы и выбраны таким
образом, чтобы на них выделялось 0,5-1 Вт, а это зависит от напряжения питания.
В принципе большинство преобразователей обходятся без этих резисторов, тем не
менее их использование выравнивает напряжение в точке их соединения и разряжает
конденсатор фильтра первичного питания при отключении преобразователя.
Номиналы конденсаторов С1 и С2 так же одинаковы. Качество
этих конденсаторов играет не последнюю роль в надежности самого преобразователя
и рекомендуется использовать пленочные или бумажные конденсаторы. Проблема заключается
в том, что конденсаторы постоянно перезаряжаются, следовательно они должны иметь
минимальное сопротивление ВЫВОД-ОБКЛАДКА, поскольку при большом сопротивлении
на этом участке будет выделяться довольно много тепла и в конце концов вывод
просто отгорит. Потому в качестве проходных конденсаторов необходимо использовать
пленочные конденсаторы, причем емкость одного конденсатора может достигать емкости
4,7 мкФ лишь в крайнем случае. Схема с одним конденсатором тоже довольно часто
используется, по принципу выходного каскада УМЗЧ с однополярным питанием. Если
же используются два конденсатора на 4,7 мкФ (точка их соединения подключена
к обмотке трансформатора, а свободные выводы к плюсовой и минусовой шинам питания),
то данная комплектация вполне пригодна для питания усилителей мощности — суммарная
емкость для переменного напряжения преобразования складывает и в итоге получается
равной 4,7 мкФ + 4,7 мкФ = 9,4 мкФ. Но данный вариант не рассчитан для долгосрочного
непрерывного использования с максимальной нагрузкой — необходимо разделять суммарную
емкость на несколько конденсаторов, например использовать по 2 конденсатора
на 2,2 мкФ, включенных параллельно вместо одного на 4,7 мкФ.
При необходимости получения больших емкостей (низкая частота
преобразования) лучше использовать несколько конденсаторов меньшей емкости (например
5 штук по 1 мкФ соединенных параллельно). Но большое количество включенных
параллельно конденсаторов довольно сильно увеличивает габариты устройства, да
и суммарная стоимость всей гирлянды конденсаторов получается не маленькой. Потому,
при необходимости получить большую мощность имеет смысл воспользоваться мостовой
схемой.
Для полумостового варианта мощности выше 3000 Вт не желательны
— уж больно громоздкими будут платы с проходными конденсаторами. Использование
в качестве проходных конденсаторов электролитических имеет смысл, но лишь на
мощностях до 1000 Вт, поскольку на больших частотах простые электролиты не эффективны
и начинают греться. Потому, при использовании электролитов следует поискать
довольно дефицитные конденсаторы маркированные не обычной краской, а серебристой
или золотистой. Так производители показывают, что электролитический конденсатор
способен работать на высоких частотах. Бумажные конденсаторы в качестве проходных
показали себя очень хорошо, но вот их габариты…
Для большей наглядности можно рассмотреть таблицу зависимости
реактивного сопротивления одного конденсатора от частоты и емкости (Ом):
Емкость конденсатора
Частота преобразования
30 кГц
40 кГц
50 кГц
60 кГц
70 кГц
80 кГц
90 кГц
100 кГц
0,1 мкФ
53
39,8
31,8
26,5
22,7
19,9
17,7
15,9
0,22 мкФ
24,1
18
14,5
12
10,3
9
8
7,2
0,33 мкФ
16
12
9,6
8
6,9
6
5,4
4,8
0,47 мкФ
11,9
8,5
6,8
5,6
4,8
4,2
3,8
3,4
1,0 мкФ
5,3
4
3,2
2,7
2,3
2
1,8
1,6
2,2 мкФ
2,4
1,8
1,4
1,2
1
0,9
0,8
0,7
3,3 мкФ
1,6
1,2
1
0,8
0,7
0,6
0,5
0,5
4,7 мкФ
1,1
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,4
0,3
На всякий случай напоминалка — при использовании 2-х
конденсаторов (один на плюс, второй на минус) финальная емкость будет равна
сумме емкостей этих конденсаторов. Итоговое сопротивление из таблицы не выделяет
тепла, поскольку является реактивной величиной, но может повлиять на КПД источника
питания при максимальных нагрузках — напряжение на выходе начнет уменьшаться,
не смотря на то, что габаритная мощность силового трансформатора вполне достаточна.
Ну а что собственно происходит внутри силовой части показано
на видео 6.
На рисунке 6 приведена схема мостовой силовой части,
которая обычно используется для получения мощностей выше 1500-2000 Вт. Отличается
от полумоста наличием 2-х транзисторов, установленных вместо конденсаторов
С1 и С2. Данный вариант требует 4-х гальванически не связанных управляющих
импульса, поскольку эмиттеры соединены вместе лишь у 2-х транзисторов (VT2
и VT4).
Рисунок 6
Управляющие импульсы подаются одновременно на транзисторы
VT1 и VT4, на транзисторы VT2 и VT3 импульсы подаются тоже одновременно, но в
противофазе с предыдущей парой. Таким образом обмотка трансформатора получается
включенной между открытыми транзисторами VT1-VT4 в один момент времени и между
VT2-VT3 в следующий момент времени. Данное решение позволяет отказаться от проходных
конденсаторов, а так же увеличить количество витков первичной обмотки, что для
больших мощностей тоже существенно. Принцип работы показан на видео 7 (на видео
генератор и проводники к базам транзисторов сделаны невидимыми, чтобы не "захламлять
пейзаж") .
Преобразователи со средней точкой используются
обычно для низковольтных первичных напряжений и особой популярностью пользуются
в автомобильной аудиоаппаратуре. Вот собственно и добрались до того момента,
где начинается финал этого повествования…
Не будем углубляться в теорию высококачественного воспроизведения
звука, а просто констатируем несколько фактов.
Бортовое напряжение автомобиля составляет 12-14 В. С типового
усилителя мощности, например на базе TDA2003, при этом напряжении питания можно
получить амплитуду выходного напряжения довольно близкую к напряжению питания.
На рисунке 7 осциллограмма выходного сигнала до разделительного конденсатора
Рисунок 7
Амплитуда не искаженного выходного напряжения составляет
примерно 6 В, однако это АМПЛИТУДНОЕ значение, а поскольку мы говорим о реальной
мощности, то необходимо вычислить действующее значение. Потому 6 / 1,414 =
4,24 В, где 1,414 есть постоянный коэффициент, учитывающий форму синусоиды. Ну а теперь
согласно закону Ома вычисляем мощность в цепи переменного тока P = Uout x Uout
/ R = 4,24 х 4,24 / 4 = 4,49 Вт реальной мощности на активную нагрузку 4 Ома.
При использовании мостового усилителя, использующего два
идентичных усилителя мощности с выходными сигналами в противофазе (рисунок 8)
и подключенной нагрузкой к этим выходам. Получаем амплитудное значение в 12
В.
Рисунок 8
Производим вычисления:
12 / 1,414 = 8,49 В — действующее значение
8,49 х 8,49 / 4 = 18 Вт
Это и есть максимальная музыкальная мощность, выше которой
"прыгнуть" не получится — не дает напряжение питания. Потому нужен
преобразователь напряжения.
Кстати сказать, могут возникнуть возражения, мол на магнитолах
пишут 4 х 50, или 4 х 70. Ну написать то можно все что угодно, впрочем доля
истины в этой мощности есть — ее получают при подаче на вход усилителя мощности
прямоугольного сигнала и загоняя выходной каскад усилителя в насыщение. Но
ТАКУЮ "МУЗЫКУ" вряд ли кто будет слушать. Рекламный ход производителя
и не более того…
Если не страдать максимализмом, то для качественного и
приятного долговременного прослушивания музыки в салоне автомобиля подавляющему
большинству хватает 4 канала по 30-40 Вт. Следовательно мощность преобразователя
должна быть порядка 150-200 Вт. Собственно это и есть средняя ценовая категория
автомобильных усилителей мощности
Но вернемся к преобразователю со средней точкой. Принципиальная
схема испытательного блока показана на рисунке 9. Принцип работы поясняет видео
8, как и в предыдущем видео генератор и проводники к нему сделаны не видимыми.
Рисунок 9
С принципами преобразования вроде бы разобрались, осталось
заострить внимание на нескольких не маловажных фактах.
Прежде всего стоит отметить, что описанные процессы несколько
сглажены — не отмечено одно явление, которое сопровождает все импульсные преобразователи.
Дело в том, что как лишь происходит смена полярности напряжения в первичной
обмотке, либо резкое прекращение роста напряжения в трансформаторе возникает
колебательный процесс — чередование взаимоиндукции и самоиндукции вызывает резкое
изменение приложенного к обмотке напряжения. Более подробно показано на видео
9.
Для подавления этих выбросов используется цепочка из последовательно
соединённых конденсатора и резистора. Номиналы этих элементов выбираются таким
образом, чтобы реактивное сопротивление конденсатора было минимальным именно
на частоте этих колебаний, а резистором ограничивают степень влияния этого реактивного
сопротивления на работу схемы. Данная цепочка называется СНАБЕРОМ и подключается
непосредственно к выводам первичной обмотки трансформатора.
Для автомобильных преобразователей данную цепочку использовать
довольно проблематично — сила тока в первичной обмотке довольно большая и для
корректного подавления выбросов потребуется низкоомный резистор, который будет
довольно сильно греться. Учитывая плохие условия охлаждения от нежелательного
нагрева лучше отказаться. Если есть желание хоть немного "придушить"
выбросы самоиндукции можно подключить конденсатор без резистора на стоки силовых
транзисторов. Емкость не менее 330 пкФ и не более 1200 пкФ. Конденсаторы ниже
330 пкФ могут способствовать резонансу на частоте выбросов, что приведет не
к подавлению, а наоборот к удвоению или утроению амплитуды этих самых выбросов.
Слишком большая емкость приводит к дополнительному потреблению и как следствие
— снижению КПД преобразователя.
Ещё одним фактом, о котором не упоминалось выше является
скин-эффект. Дело в том, что на высоких частотах возникает довольно интересный
эффект, при котором сечение проводника, которым намотан трансформатор может
послужить причиной низкого КПД преобразователя. Более подробно о происходящем
в проводнике можно судить из видео 10.
Для ослабления влияния сник-эффекта используют несколько
проводников меньшего диаметра, которые либо свивают между собой, либо склеивают
в ленту (лучше использовать клеи на полиуретановой основе, такие как МОМЕНТ-КРИСТАЛ,
ТОП-ТОП, СПЕЦИАЛИСТ). Оба способа одинаково эффективны, однако склеивание в
ленту хоть и более трудоемко, но позволяет получить максимальную плотность намотки.
Вот собственно и все основные способы преобразования рассмотрены,
можно переходить к практической реализации
Бесспорно — данные объяснения довольно сильно упрощены,
однако при написании данного материала ставилась задача объяснить процессы с
минимальным использованием формул — на пальцах…