Импульсный блок питания на FA5317 (KA7552) для домашнего аудио усилителя

Предлагаемый блок питания выдает двуполярное стабилизированное регулируемое напряжение, обеспечивает все обычно применяемые в УНЧ защиты, позволяет обойтись без защитного реле на выходе усилителя и не требует вентилятора. При этом имеет простой в изготовлении и расчете трансформатор.

Примечание: клик по рисункам из статьи откроет их в новом окне, в увеличенном виде.

Для реализации вышеуказанных характеристик взят обратноходовый преобразователь, как наиболее простой, обеспечивающий равенство выходных напряжений "+" и "–" без дросселя групповой стабилизации.

Длительный старт (софтстарт) БП при включении обеспечивает мягкий заряд больших емкостей (без скачка тока и щелчка из колонок).

Защиты УНЧ и колонок обеспечиваются прекращением подачи выходного напряжения БП, реле на выходе нет.

Работа УНЧ без защитного реле на выходе каналов очень важна для снижения искажений звука по причине непостоянного сопротивления контактов реле. По ТУ и даташитам на реле, это сопротивление может доходить до 0,5 Ома.

Сами по себе эти 0,5 Ома может быть и не так страшны, но то, что это сопротивление не постоянно в зависимости от частоты и амплитуды проводимого сигнала, да и просто по времени – это уже очень плохо. Возможны слышимые искажения сигнала.

А, если, реле не качественное, контакты загрязнились, залипли, пружинка ослабла – то это уже просто катастрофа для звука. Вот и надо сделать так, чтобы реле не было вообще, но сохранились бы все, обычно применяемые, защиты звуковых колонок и отсутствие щелчков при включении – выключении УНЧ (во время переходных процессов).

Практика показала, что слышимость щелчков при включении УНЧ без реле можно снизить в десятки раз, если обеспечить медленное и равноплечное (равной величины в каналах "+" и "-") возрастание напряжения питания – когда будут медленно заряжаться переходные конденсаторы усилителя, не давая сильных выбросов напряжения на выход усилителя.

Во вторых эти переходные конденсаторы могут полностью зарядиться еще при небольшом растущем напряжении питающем УНЧ, когда большая громкость щелчков просто невозможна.

Так же при этом установятся и режимы работы транзисторов. Конечно, на 100% невозможно избежать этих щелчков, но они будут очень слабые и растянутые по времени – низкочастотные, малозаметные.

Плюсом к этому является и то, что можно применять относительно большие емкости конденсаторов питания, ведь некоторые БП просто не включатся, приняв большие емкости за короткое замыкание. Таким образом реализуется первая задача предлагаемого БП – обеспечение работы УНЧ без защитного реле.

Защиты колонок и самого УНЧ обеспечиваются за счет прекращения подачи напряжения на УНЧ при подаче на БП сигнала о том, что превышен ток на колонки, появились постоянное напряжение на выходе или возникла паразитная генерация (самовозбуждение).

Это несколько хуже, чем выключение с помощью защитного реле, но работает.

Трудность любого ИБП – изготовление импульсного трансформатора-дросселя, его расчет. Но именно практика показала, что описанный здесь способ изготовления трансформатора вероятно самый простой.

В целом схема предлагаемого БП соответствует даташиту на микросхему ШИМ-контроллера – FA5317 (то же KA7552), а так же соответствует схемам и описаниям обратноходовых БП, которых много в интернете.

Здесь изменены только номиналы некоторых элементов в целях увеличения времени роста выходного напряжения БП. См. схему рис. 1.

Принципиальная схема

Рис. 1. Принципиальная схема импульсного блока питания на FA5317 (KA7552) для УНЧ с защитой. (Сетевой фильтр показан на рис. 13).

Емкость конденсатора C5 значительно увеличена относительно даташита – это первая ступень к обеспечению медленного роста выходного напряжения.

Этот конденсатор долго заряжается, но зато долго питает преобразователь (со снижением напряжения) до момента, когда с обмотки подпитки n4 начнет поступать напряжение, питающее микросхему.

В этот момент с микросхемы ШИМ А3 (стартовый режим) идут очень короткие импульсы благодаря медленной зарядке емкости С2 (второй ступени замедления роста всех выходных вторичных напряжений).

Но так как выходное напряжение растет медленно, то основное питание с обмотки n4 трансформатора Т1 пока «недотягивает» до начала питания микросхемы DA1 ШИМ и она может выключиться.

Поэтому и увеличена емкость конденсатора C5, от которого, собственно, и происходит весь стартовый режим. И все бы хорошо, но емкость С5 получается настолько большая, что для ее заряда на включение в работу DA1 проходит 5 секунд.

Это неудобно – слишком долго ждать, а процесса появления вторичного напряжения с Т1 так и нет. Поэтому пришлось поставить цепочку R5, C4, которая быстро заряжает С5, соответственно сокращая время до включения DA1 до 1 секунды.

Ну и третья ступень – это постановка конденсатора С16, который "обманывает" цепь обратной связи регулировки выходного напряжения – первоначально (когда С16 еще не зарядился) посылает сигнал, что выходное напряжение якобы уже достигло своего значения.

Микросхема затормозит увеличение напряжения. Потом С16 постепенно заряжается и все меньше влияет на торможение роста выходного напряжения. Напряжение поднимается до своего отрегулированного значения.

Таким образом стартовый режим растянут почти до 3 секунд.

Детали и конструкция

Импульсный трансформатор ТД1 мотается на ферритовых кольцах с зазором (для снижения индуктивности обмоток). Ниже описан пример трансформаторов на российских кольцах производства предприятия «Нева-феррит» и купленных в «Промэлектронике».

Заказал я кольца магнитной проницаемостью 2000 НН, но пришли без обозначения. Хотя работают. А, вообще применял кольца магнитной проницаемостью 1000НН…3000 НН.

Вероятно можно использовать и импортные кольца, но сам не проверял. Зазор прорезается обычной «болгаркой» с кругом шириной 0,8 мм. Тоньше кругов не бывает, а которые толще уже ломают кольцо.

Резка должна выполняться в водяной ванне, иначе феррит трескается. Пример резки на рис. 2.

Рис. 2. Пример безопасной резки зазора для ферритового кольца.

Нажим очень легкий, резать подольше. Рука устает, поэтому не надо торопиться и резать лучше за несколько подходов. От брызг воды «болгарку» необходимо защитить экраном – наклейкой скотча.

Само кольцо необходимо примотать скотчем к ровной деревянной поверхности, таким образом, чтобы место разреза опиралось на поверхность. Иначе в конце резки феррит раскрошится.

Размер ферритового кольца под трансформатор выбирается исходя из мощности УНЧ. Чем больше мощность – тем больше и размер кольца.

Но здесь есть один нюанс. Все трансформаторы греются, точнее – феррит трансформаторов. Кольцо же имеет "шубу" из обмоток и изоляционной ленты. Отвод тепла не очень хороший.

Соответственно, для естественного беспроблемного охлаждения феррита лучше брать кольцо побольше. Следующий момент довольно спорный, но в моем понимании, если блок питания без перегрева свободно держит длительную постоянную мощность например 50 Ватт, то он свободно будет питать УНЧ номинальной мощностью 2 канала по 50 Ватт.

При этом максимальная мощность УНЧ будет около 2 х100 Вт. В таблице рис. 3 указана длительная мощность некоторых БП на лампы накаливания и температура при этом самых горячих элементов БП, полученная практически при естественном отводе тепла в комнате с температурой 25° С.

Таблица:

Размер кольца, проницаемость	Мощность, Вт; / Нагрев, t °С	n1, витков под 230 В	L фактич, первичной обмотки, mН	Намотка n1 под сетевое напряжение 230 В	Длина проводов обмотки n1	Вторичная обмотка под +30 В и так же под -30 В
40х25х11, 1500 НМ	60 Вт / 50 °С	49	0,36 (зазор без сколов)	2 провода d=0,4	220 см.	4 х 0,40, 14 витков
40х25х11, 1500 НМ	60 Вт / 50 °С	52	0,32 (зазор со сколами)	2 провода d=0,35	220 см.	4 х 0,40, 14 витков
45х28х12, 2000 НН	90 Вт / 60 °С	49	0,33	2 провода d=0,45	240 см.	3 х 0,56, 14 витков

Рис. 3. Примеры намоточных данных трансформаторов.

Соответственно для УНЧ обычных домашних мощностей лучше брать относительно большие кольца 40х25х11 или даже 45х28х12. Проблем с перегревом не будет.

При намотке обмоток трансформатора необходимо соблюдать следующие правила, см. рис.4:

1. Начало всех обмоток в одной точке кольца у зазора. Это будет начальный или холодный или нулевой конец кольца. Только здесь – начало всех обмоток.

Соответственно здесь нулевой потенциал (своя земля) для всех обмоток. На рис.1 и рис.4 начало обмоток обозначено круглешком. Конец обмоток на другом конце (точке) кольца у зазора (конечно кроме обмотки n4, которая короткая).

2. Намотку по окружности кольца всех обмоток выполнять только в одну сторону.

Рис. 4. Схема обмоток трансформатора (для правильной его намотки) самодельного импульсного БП.

3. Намотку вторичных обмоток вокруг феррита (сечения феррита) кольца выполнять в ту же сторону, что и первичная (сетевая) обмотка для получения положительного выходного напряжения. Намотка в противоположную сторону вокруг феррита относительно первичной обмотки даст отрицательное выходное напряжение.

4. Первой мотается первичная обмотка. Непосредственно над первичной обмоткой должна быть вторичная обмотка, дающая положительное напряжение. В этом случае емкостное взаимодействие этих обмоток будет поменьше, чем оно было бы с отрицательной обмоткой, так как обе обмотки выдают положительное напряжение. Дополнительно к этому положительный выброс первичной обмотки (на обратном ходе) за счет емкостной связи "поможет" выдать напряжение и вторичной положительной обмотке. Возможно даже чуть меньше будет выброс напряжения на снаббер R13, С10, Д4 и повысится КПД процесса.

5. Использовать под обмотки пространство вокруг зазора не следует. В этом пространстве невозможно толком ни снять напряжение, ни "закрутить" магнитное поле. Естественно и "перепрыгивать" проводом через зазор то же нельзя.

6. Любая обмотка должна мотаться только в один слой. Виной этому очень большая и вредная паразитная емкость между слоями одной обмотки.

7. Перекручивания и наложения витков не должно быть. Зазор между витками минимальный.

8. Обмотки мотать в несколько проводов (лицендратом, не одним проводом) для снижения нагрева. Использовать провод диаметром более 0,5 мм не следует (то же для снижения нагрева).

По возможности использовать побольше проводов в обмотке, даже если они значительно превышают расчетные диаметры по току. Заполнение пространства вокруг феррита проводами должно быть максимально возможным.

Желательно предварительно намотать пробный участок обмотки и оценить поместятся ли и как расположатся требуемые витки. Определить количество проводов в обмотке, как на рис.10.

9. Минимальный диаметр провода обмотки под требуемый ток, формула:

dмин = 0,6 х √I , где I в Амперах, d в мм.

Или по-другому: Максимальный ток, который будет держать провод этого диаметра:

Iмакс = d2 / 0,36 , где I в Амперах, d в мм.

10. Каждую обмотку необходимо изолировать от следующей обмотки лентой. Использовать тонкую ленту для изоляции обмоток не следует. Нормальная толщина у хлопчатобумажной изоленты. Перед намоткой феррит самого кольца (углы) необходимо скруглить надфилем и обмотать этой х/б изолентой, не обматывая зазор.

11. При намотке обмоток очень удобно использовать зазор для проводки через него проводов и изоляционной ленты. Тогда можно мотать провод прямо с катушек, без челнока и без отрезки необходимой длины – рис.5. Почти как просто обматывать стержень.

Рис. 5. Пример проводки проводов и изоленты через зазор при намотке трансформатора для импульсного БП.

12. При работе кольцо греется. Поэтому не следует стремиться использовать кольцо
диаметром поменьше.

Лучше – побольше, даже если оно значительно превосходит требуемое по мощности.
В данной статье взяты кольца как раз с большим запасом по мощности. Но, зато, не очень сильно греются и обеспечивают работу БП без вентилятора.

13. При применении двух колец необходимо соблюсти следующие условия. Зазоры необходимо совмещать (один над другим). Применять только одинаковые кольца, той же магнитной проницаемости и с таким же зазором (примерно такими же сколами, если они есть).

Иначе кольца будут сильно греться. Количество витков первичной обмотки в ≈ 1,4 раза меньше, чем на одном кольце. На вторичных обмотках количество витков такое же, как и на одном кольце (для наших случаев 14 витков под 30 В).

14. После намотки трансформатора область над зазором необходимо экранировать незамкнутым витком металлической ленты и ленту соединить с радиатором (корпусом, нулевой точкой УНЧ). Например как на рис.6. На правом радиаторе показана пластина, которая экранирует зазор и одновременно крепит трансформатор.

Рис. 6. Экран над зазором трансформатора самодельного импульсного БП, пример конструкции.

15. Феррит зазора лучше не закрывать изолентой для отвода тепла.

Намотка первичной обмотки

Рис. 7. Пример намотки первичной обмотки импульсного трансформатора.

Мотать первичную обмотку в два провода и только в один слой (как и все обмотки). Количество витков первичной обмотки рассчитывается исходя из получения индуктивности первичной обмотки 0,35 мГн (mH, миллиГенри), то же 350 мкГн (µН, микроГенри).

Практически надо получить 0,3 … 0,4 мГн, независимо от размера кольца. Эта величина получена как оптимальная из опыта для данной микросхемы ШИМ, этого типа магнитопровода (кольца), получившегося зазора и рабочей частоты в районе 100 кГц.

Заранее просчитать по формулам требуемую индуктивность у меня не получилось – здесь только практика. В зависимости от размеров кольца и требуемой индуктивности 0,35 мГн по формуле и Таблице 1 статьи (1) в списке литературы в конце статьи и определяется необходимое количество витков первичной обмотки.

На рис. 8 показана выкопировка Таблицы 1 из указанной статьи (1).

Рис. 8. Таблица для определения количества витков первичной обмотки трансформатора импульсного блока питания.

Из таблицы определяется число AL для данного кольца и получившегося зазора. Причем ширину зазора кольца брать 1,2 мм (хотя диск болгарки 0,8 мм) если зазор получился без сколов и до 1,5 мм, если зазор со сколами.

То есть надо взять интерполяцией промежуточное значение AL между столбиками 1 и 1,5 мм.

Далее, исходя из найденного AL, по формуле определяется количество витков:

n1 = √ 350 / AL;

где 350 – требуемая индуктивность в мкГн (микроГенри);

Пример намоточных данных колец был дан на рис. 3.

Если фактическая индуктивность выходит за пределы 0,30…0,40 mH, то надо изменить количество витков, исходя из того, что с увеличением числа витков индуктивность увеличивается. Для измерения индуктивности подходит недорогой измеритель индуктивности с Алиэкспресса (рис.9).

Рис. 9. Недорогой измеритель индуктивности с Алиэкспресса (LC-метр).

Провода в измеритель должны быть как можно короче – они влияют на результат измерения. Держать измеритель лучше в руке, иначе показания прыгают. Но, если кольца стандартные, то измеритель не нужен.

Для простоты, намотку первичной обмотки можно начинать от середины кольца (напротив зазора), разделив пополам провода, заранее отрезанные на нужную длину (как на рис.5).

Намотка вторичной (спаренной) обмотки на выходное напряжение +- 30 В (n2 и n3)

Первой наматывается обмотка n2, дающая положительное напряжение. Мотать обмотку от холодного конца кольца во всю окружность, в ту же сторону по окружности кольца, как и первичная обмотка.

Вокруг феррита мотать то же в ту же сторону, как и первичную обмотку. Мотать 14 витков (на 30 В) несколькими проводами с минимальными зазорами, как обычно без перекручиваний и наложений витков. Как обычно диаметр проводов не более 0,5 мм.

Обмотка с отрицательным выходным напряжением (n3) – второй полный слой вторичной обмотки от холодного конца кольца и до другого конца кольца, но в обратную сторону вокруг сечения феррита. Этот слой подальше от первичной обмотки и имеет меньшую емкостную связь с ней – меньше потерь на перезарядку. То же 14 витков.

Если требуется выходное напряжение отличное от + - 30 В, то количество витков нужно пересчитать по пропорции или требуемое напряжение разделить на 2,14. Это и будет необходимое количество витков. Такая пропорция получена практически и она оптимальна. Причем для разных колец она одна и та же.

На рис.10 показана пробная вторичная обмотка положительного напряжения n2, неверно намотанная. Необходимо 14 витков растянуть на всю окружность (исключая зазор). То есть надо взять побольше проводов и потолще.

Рис. 10. Пробная вторичная обмотка n2 для трансфороматора самодельного импульсного БП.

Самую верхнюю – обмотку питания (n4) мотать так же от холодного конца. Обязательно в том же направлении по кругу кольца и в том же направлении вокруг сечения феррита кольца, как и первичную обмотку.

Провод диаметром примерно 0,4 мм. Намотать 10 витков, обеспечив возможность домотать или отмотать 1 виток при отладке БП. Подгонять эти витки уже после включения БП в сеть.

Налаживание БП

Необходимо будет установить напряжение под нагрузкой 17… 19 Вольт на конденсаторе С5 рис.1. Просчитать (объяснить) теоретически количество витков этой обмотки (как, собственно и всех вторичных обмоток) у меня не получается.

Первые включения БП в сеть выполнять только через лампу – предохранитель или даже при пониженном напряжении – об этом много написано в интернете.

БП требует следующей отладки (регулировки):

Во-первых – обеспечить вышеуказанное напряжение 17…19 В на конденсаторе С5 за счет отмотки или домотки 1 витка на n4.

Во-вторых – обеспечить полное отсутствие каких-либо звуков от трансформатора при работе на любых режимах. Отсутствия звуков добиваются путем изменения рабочей частоты микросхемы (трансформатора Тд1) за счет регулировки переменным резистором R3 рис.1.

Обычно на слишком высокой рабочей частоте трансформатор пищит, а на слишком низкой частоте писк больше похож на треск. Практически частота где-то в районе 100 кГц, но сильно зависит от качества феррита и намотки. Индуктивности L1 и L2 несколько расширяют область бесшумной работы трансформатора Тд1 (рис.1, рис. 6).

В-третьих - точно установить нужное выходное напряжение переменным резистором R19.

В-четвертых – проверить срабатывание защиты (выключение БП). Необходимо замкнуть диод Д10 рис.1 на "0". Выходное напряжение должно прекратиться.

Затем начинается стартовый режим до небольшого выходного напряжения (примерно 4 В), снова выключение и так циклически до бесконечности.

Сама система датчиков превышения заданных параметров является собственностью УНЧ и может быть разной. На рис.1 она дана для примера и условно соответствует УНЧ из статьи (2).

Собственно с этим УНЧ данный БП испытывался и сейчас работает – рис. 11.

Рис. 11. Импульсный блок питания с самодельным УНЧ на ОУ и транзисторах.

На рис. 12 БП показан на длительной проверке. Отдаваемая мощность 60 Вт (две лампочки на 36 Вольт, 40 ВТ). Грелся в основном трансформатор до температуры 50°С. Радиаторы просто теплые.

Рис. 12. Проверка самодельного импульсного блока питания в работе.

Изготовление сетевого фильтра

В целом схема сетевого фильтра стандартная, как, например, от домашних кинотеатров. Но, для максимального снижения помех, лучше поставить не два, как обычно, а три синфазных дросселя.

Рис. 13. Принципиальная схема сетевого фильтра для импульсного блока питания.

Низковольтную землю брать как указано на рис.13 – обязательно из нулевой точки УНЧ. Более подробно об этом написано в статье (3).

Конденсаторы С4, С5, и С11 рис. 13 должны быть по возможности минимальной емкости но при этом хорошо гасить радиоизлучение. Обычно радиатор силового транзистора Т1 рис.1 посылают на высоковольтную землю: на вывод "-" С9 рис.1, но в данном случае минимальные помехи были, если радиатор свободный.

Если сетевой фильтр выполнен отдельным блоком (не на плате блока питания), то он должен быть расположен как можно ближе к блоку питания.

Но, если приходится разносить сетевой фильтр и блок питания на расстояние, то хотя бы один синфазный дроссель обязательно должен быть на блоке питания.

Все соединительные провода должны быть как можно короче. Чтобы самому не мотать, синфазные дроссели взяты из БП нерабочих домашних кинотеатров. Про другие радиодетали сетевых фильтров лучше почитать в литературе (интернете). Там много своих требований.

Бывали у меня случаи, когда прикасаешься к корпусу усилителя, а от него "бьет" током (статическим напряжением). Это напряжение накапливалось само по себе. Вот его и надо сбросить в сеть – для этого поставлены резисторы R1, R2, рис.13.

Емкость конденсатора С1 рис.12 взята относительно небольшой – это, чтобы не было больших искр при включении сетевой вилки в розетку.

Все остальное по классике - статей в интернете много. Все детали можно взять со старых блоков питания. Кто не горит желанием самостоятельно делать сетевой фильтр – может поставить готовый из какого-либо устройства – то же будет работать. Но, лучше проверить, сколько помех дает в эфир конкретный сетевой фильтр с блоком питания, как, например, показано на рис.14.

Рис. 14. Проверка радиопомех излучаемых импульсным блоком питания с сетевым фильтром.

Несколько общих дополнений

Вместо самодельного трансформатора Тд1 можно поставить готовый трансформатор, например, из домашнего кинотеатра. Работает неплохо, проверено.

Вероятно можно и самодельный трансформатор (здесь описанный) на нужные напряжения поставить в готовый блок питания, перенастроив выходное напряжение в обратную связь.

Думаю, что тот, кто повторит предлагаемый блок питания, будет доволен его работой. А те меломаны, которые предпочитают тяжелые 50-Гц трансформаторы (НЧ) изменят свое мнение в пользу импульсных БП для УНЧ.

По поводу применяемых радиодеталей - больше и лучше написано в интернете. Никакого дефицита они не представляют. В данном БП все они б/у. Замен много.

Транзистор Т1 должен быть на напряжение не менее 800 Вольт. Диоды Д5, Д6 супер (гипер) быстрые, на обратное напряжение как минимум в десять раз превосходящее выходное напряжение.

При разработке печатной платы БП необходимо обратить внимание на разводку высоковольтной земли. Центр этой земли – на отрицательном выводе конденсатора С9, рис.1. И дальше дорожки должны расходиться "веером" на основные элементы, примерно, как показано на рис.13. Аналогично и с положительным выводом С9.

Разводку примененной здесь печатной платы показывать нет смысла. Она опытная и не вполне соответствует окончательному варианту.

Примерное расположение элементов понятно из рисунков. Да и радиаторы у всех свои.

Выводы трансформатора Тд1 должны быть покороче и подключаться самым коротким путем. Соответственно зазор трансформатора должен быть снизу. Тогда и провода будут покороче.

За время длительной работы в УНЧ данный блок питания никак себя не выдавал, никаких вопросов не привносил, внимания на себя не привлекал – как будто спрятался. Работал беспроблемно, беззвучно. Понравится всем.

Вот пожалуй и все про данный БП. Буду рад прочитать отзывы, а так же об усовершенствованиях БП.

Желаю удачи, Волков Игорь, г. Пермь, 2023 г.

Волков Игорь, г. Пермь

Пишите:

Volkus159@yandex.ru
Volkus159@gmail.com

Использованная литература:

Журнал "Схемотехника", июнь 2002 г., с.4, С.Бирюков, "Дроссели для ИИП на ферритовых кольцах".
Применение ОУ ОРА552 в домашнем УНЧ.
Разводка земли аудиоустройств "Серебряным веером". Волков И.

Успехов в творчестве и да прибудет с нами совершенство!

2 299 Блок питания