Сейчас многие любители высококачественного звуковоспроизведения самостоятельно изготавливают усилители ЗЧ с весьма высокими характеристиками и выходной мощностью до десятков ватт. Постоянному совершенствованию подвергают все звенья усилительного тракта, а часто и вспомогательные устройства, органы коммутации, индикации и т. п.
Стремление добиться максимальных качественных показателей УКУ все чаще заставляет конструкторов пересматривать свои позиции в отношении источников питания. Это и понятно - ведь при большом потребляемом токе простейшие сглаживающие фильтры уже не в состоянии обеспечить удовлетворительную стабильность питающего напряжения, а это ощутимо сказывается на качестве звучания. При воспроизведении пиков сигнала колебания напряжения на выходе фильтра достигают 5 В и более, и это заставляет предусматривать запас напряжения питания усилителя мощности. Но запас приводит к утяжелению режима работы выходных транзисторов усилителя и, как следствие, к снижению его КПД и надежности.
Поэтому все большее число радиолюбителей отдает предпочтение стабилизированным источникам питания. К тому же в стабилизатор несложно ввести устройство защиты от перегрузки, что весьма желательно, учитывая стоимость мощных транзисторов и трудоемкость их замены.
Какими же характеристиками должен обладать источник питания высококачественного усилителя мощности? К наиболее важным требованиям, предъявляемым к блоку питания УКУ, следует отнести обеспечение необходимой отдаваемой мощности при заданных коэффициентах стабилизации и подавления пульсаций, высокую надежность и эффективность системы защиты, максимально возможную простоту схемы и конструкции, температурную стабильность системы защиты и стабилизатора в целом.
Замечено, что от стабилизатора, предназначенного для работы с усилителем мощности, не требуется слишком большого значения коэффициента стабилизации Кст обычно приводящего к значительному усложнению схемы. Как показала практика, высококачественный усилитель мощности отлично работает со стабилизатором, имеющим Кст=30. Колебания напряжения питания при воспроизведении пиков сигнала (при выходной мощности Рвых=60 Вт) не превышали 0,2 В и дополнительные искажения, которые в этих условиях обычны при питании усилителя ЗЧ от нестабилизированного источника, не возникали.
Рассмотрим вопросы выбора напряжения питания и порога срабатывания устройства защиты. Выходное напряжение Uпит (рис. 1) одного плеча блока питания должно быть равно:
где Imax - значение тока, А при максимальном размахе выходного напряжения; Uкэ нас - напряжение насыщения выходного транзистора, В; Rн - сопротивление нагрузки, Ом, Rос - сопротивление резистора обратной связи в цепи эмиттера выходного транзистора Ом.
Примем Rн = 4 Ом, так как для мощного усилителя это наиболее типичный случай. Если в указанное неравенство подставить численные значения, нетрудно убедиться, что напряжение одного плеча блока питания для усилителя мощностью 60...80 Вт лежит в пределах 27...33 В.
Остановимся на вопросе определения порога срабатывания системы защиты по току. Совершенно ясно, что этот порог должен быть таким, чтобы было обеспечено неискаженное воспроизведение сигнала при максимальной выходной мощности. С другой стороны, порог не должен превышать значения Imax выходных транзисторов.
Как известно, полезная мощность в нагрузке
откуда
Исходя из этого соотношения составлена таблица значений порога срабатывания Iз, системы защиты по току для различных значений выходной мощности.
Таблица соответствует случаю, когда каждый канал усилителя питается от отдельного стабилизатора (если же оба усилителя мощности питаются от общего источника, порог срабатывания должен быть удвоен). Ориентировочно можно принять Iз = (1,03...1,07)Imax.
На основании сказанного - и это подтверждает практика - можно сделать вывод о нецелесообразности питания обоих усилителей мощности от одного стабилизированного источника.
Немаловажным является и вопрос выбора типа системы защиты. Защитные устройства со стабилизацией тока в аварийном режиме здесь использовать нельзя. Дело в том, что, как правило, при замыкании цепи нагрузки через регулирующий транзистор стабилизатора будет протекать очень большой ток. Если немедленно не принять меры по его ограничению, возможен тепловой пробой регулирующего транзистора стабилизатора, а вслед за этим часто и выходных транзисторов усилителя мощности.
Устройства защиты с закрыванием регулирующего транзистора обладают сравнительно низким, но вполне достаточным быстродействием. Различают две разновидности таких устройств - с самовозвратом и с "триггерным эффектом". Первые автоматически возвращают стабилизатор в рабочий режим после устранения причины перегрузки. Вторые оставляют закрытым регулирующий транзистор стабилизатора, и вернуть его в режим стабилизации после устранения аварии можно только внешним воздействием.
На наш взгляд, устройства с самовозвратом нежелательно использовать для защиты усилителя мощности. Если перегрузка носит циклический характер (например, при воспроизведении фонограммы с максимальным уровнем), питание на усилитель будет поступать прерывисто из-за периодических срабатываний системы защиты. Это приведет к многократному повторению переходного процесса в усилителе, что может вызвать выход его из строя.
Более предпочтительны устройства с "триггерным эффектом". Они весьма эффективны в процессе налаживания, испытания и ремонта усилителей, когда вероятность возникновения аварийной ситуации довольно высока.
С учетом всех приведенных выше рассуждений был разработан стабилизатор, схема которого показана на рис. 2.
Стабилизатор выполнен по компенсационной схеме с использованием в регулирующем элементе составного транзистора. Оба плеча стабилизатора схемно одинаковы.
Применение в управляющем элементе стабилитрона Д818Б, имеющего отрицательный ТКН стабилизации, позволило резко снизить температурный дрейф выходного напряжения. Использование транзисторов различной структуры в устройстве сравнения (VT4) и регулирующем элементе (VT1) приводит, с одной стороны, к необходимости введения цепей запуска стабилизатора. С другой стороны, такое построение дает и некоторые преимущества. В частности, для срабатывания системы защиты нужен лишь короткий переключающий импульс для надежного закрывания регулирующего элемента стабилизатора. Это состояние весьма устойчиво и нет необходимости в том, чтобы транзистор системы защиты VT3 после ее срабатывания был постоянно открыт.
Цепь запуска представляет собой резистор R3, шунтирующий регулирующий элемент и подключаемый контактами К1.1 реле времени (рис. 3). В исходном состоянии (блок питания обесточен) контакты К1.1 и К1.2 реле К1 замкнуты. После подачи питания в течение примерно 1 с происходит запуск стабилизатора. Затем реле срабатывает, контакты размыкаются и цепь запуска отключается.
В случае перегрузки или замыкания цепи нагрузки падение напряжения на резисторе R7 приоткрывает транзистор VT3. Из-за этого начинает закрываться транзистор VT4 и вслед за ним транзисторы VT1 и VT2. Уменьшение напряжения на эмиттере транзистора VT3 приводит к еще большему его открыванию, и регулирующий элемент лавинообразно закрывается (реле К1 при этом остается включенным). После срабатывания системы защиты выходное напряжение и ток через цепь нагрузки весьма малы. Даже при разогретом до 80°С корпусе транзистора VT2 они не превышают соответственно 2 мВ и 100 мкА.
Для перевода стабилизатора в рабочий режим после устранения причины перегрузки нужно на короткое время отключить питание усилителя. На рис. 4 и 5 показаны экспериментально снятые графические зависимости выходного напряжения и тока нагрузки от сопротивления нагрузки при различных значениях порога срабатывания системы защиты.
С целью полной развязки по питанию для каждого канала усилителя предусмотрен отдельный стабилизатор. Выпрямители выполнены по двуполупериодной мостовой схеме со сглаживающими емкостными фильтрами.
Общий коэффициент передачи тока составного транзистора VT1 и VT2 должен быть не менее 70000, а транзистора VT4 -более 100 В целях повышения четкости срабатывания защиты статический коэффициент передачи тока транзистора VT3 должен быть не менее 150.
Транзисторы VT2 и VT6 установлены каждый на теплоотвод с полезной площадью 1000 см2 через изолирующие прокладки. На прокладки с обеих сторон нанесена теплопроводящая смазка. КПТ-8 (ГОСТ 19 783-74), что позволило значительно снизить тепловое сопротивление корпус транзистора - теплоотвод. Транзисторы VT1 и VT5 установлены на теплоотводах, изготовленных из дюралюминиевого уголкового профиля 15x15 мм и имеющих площадь поверхности около 10 см2.
В стабилизаторе применены подстроечные резисторы СП4-1. Конденсаторы С1, С2- КМ-5, остальные - К50-6. РезисторыR7, R20 - проволочные.
Вместо транзистора КТ814В можно использовать КТ816В, КТ816Г, КТ626В, КТ626Д; вместо КТ827В - КТ827Б; вместо КТ315Г - КТ503Г, вместо КТ503Е - КТ602Б, КТ603Б, КТ503Б, КТ503Г, КТ3102А - КТ3102В, КТ3102Д, КТ3102Е; вместо КТ815В - КТ817В, КТ817Г, КТ961А, КТ807А, КТ807Б, КТ801А, КТ801Б; вместо КТ825В - КТ825А, КТ825Б, КТ825Г; вместо КТ361Г - КТ501Е, КТ501К, КТ502Б, КТ502Г, КТ3107Б, КТ3107И; вместо КТ502Е - КТ502Г, КТ502Д, КТ501М.
Для налаживания стабилизатора необходимы вольтметр, амперметр, нагрузочный резистор мощностью 250...300 Вт (например, реостат. РСП-2); желательно иметь также осциллограф с закрытым входом и граничной частотой не ниже 1 МГц. Налаживают поочередно все плечи стабилизаторов. Сначала запускают стабилизатор без нагрузки кратковременным подключением резистора R3, устанавливают подстроечным резистором R12 нужное выходное напряжение. Реостат переводят на максимум сопротивления и через амперметр подключают к выходу стабилизатора. Если показания вольтметра не изменились, самовозбуждения нет. В противном случае придется подобрать конденсатор С1.
Систему защиты налаживают, предварительно установив движок подстроечного резистора R8 в нижнее по схеме положение. Уменьшая сопротивление нагрузки, добиваются показания амперметра, равного пороговому, затем перемещают движок резистора R8 до срабатывания защиты. Реостат возвращают в положение максимального сопротивления, отключают и снова включают питание стабилизатора и снова уменьшают сопротивление нагрузки до срабатывания зашиты. Если необходимо, положение движка резистора R8 корректируют. Налаживать систему защиты нужно быстро, чтобы не перегреть мощный транзистор регулирующего элемента.
Многократно проведенные испытания показали высокую надежность работы стабилизатора и эффективность системы защиты, что подтверждает правильность подхода к проектированию источника питания для усилителя мощности.
Авторы: Е.Мицкевич, И.Карпинович