Acest proiect introduce un design îmbunătățit al unei surse de alimentare pentru amplificatoare audio (vezi fotografia 1) care se comportă ca o sarcină rezistivă față de rețeaua de rețea. Astfel, curentul preluat de la rețea are aceeași formă ca tensiunea livrată de rețea și are aceeași fază, astfel încât factorul de putere este foarte apropiat de 1. În consecință, valoarea RMS a curentului tras este cât mai mică posibil și care oferă mai multe avantaje audio.

puteți

Pentru acest proiect, am avut grijă să limitez dificultățile de construcție. Ceea ce obțineți de la această sursă de alimentare este o reglare bună a șinei de putere și o ondulare a șinei de putere redusă cu armonici reduse. De asemenea, obțineți o poluare electromagnetică mai mică de 50/60 Hz. O comparație dintre abordarea clasică și cea nouă este prezentată în Tabelul 1.

Sursa de alimentare este dimensionată pentru amplificatoare de putere de 100 W RMS/4 sau 8 Ω. Astfel, puterea de ieșire este limitată simultan de reglarea tensiunii de ieșire și a curentului de ieșire. Acest articol se concentrează pe o realizare practică a sursei de alimentare. Proiectarea, dezvoltarea, contextul tehnic și teoretic sunt explicate într-un articol mai amplu din Volumul 12. Linear Audio al lui Jan Didden. Acest articol este acum disponibil și online aici.

Deoarece curentul RMS este redus și aproape sinusoidal, transformatorul nu trebuie să fie supradimensionat. În al doilea rând, radiația electromagnetică de la sursă și transformator, care deseori provoacă perturbări la amplificatorul de putere, este mai mică și are mai puține armonici. În al treilea rând, nu va trebui să cumpărați un cablu de rețea ecranat scump.

Deoarece ieșirea este reglată, rezistența de ieșire DC este mică. Acest lucru este important atunci când doriți să obțineți o putere maximă extinsă de la amplificatorul de putere. Soluția clasică ar fi supra-specificarea tuturor componentelor sursei de alimentare. Răspunsul tranzitoriu este, de asemenea, atât mai rapid, cât și mai mic. Deoarece factorul de formă al curentului IR de încărcare a condensatorilor de netezire este aproape de 1, acești condensatori pot fi de până la patru ori mai mici.

Acum, să presupunem că construiți un amplificator de putere. Soluția clasică pentru alimentarea cu energie electrică este utilizarea unui transformator, un redresor de punte și condensatoare de netezire.

Să presupunem că acesta este un amplificator de putere de 100 W RMS/8 Ω. Pentru a vă evalua corect sursa de alimentare, trebuie să luați în considerare:
• Curentul de repaus al amplificatorului de putere
• Pierderea de tensiune a tranzistoarelor de putere
• Eficiența amplificatoarelor de putere Clasa AB la putere maximă
• Rezistența DC a sursei de alimentare
• Factorul de putere al sursei de alimentare
• Eficiența transformatorului

Este posibil să aveți nevoie de cel puțin un transformator de 300 VA (600 VA pentru stereo). De aceea, bricolajii folosesc adesea transformatoare „supradimensionate” și au dreptate să o facă. De asemenea, veți dori să mențineți rezistența la curent continuu cât mai redusă posibil pentru a obține puterea maximă din amplificator. Veți dori ca ondulația șinelor de putere să fie cât mai redusă posibil, deoarece raportul limitat de respingere a șinei de putere a amplificatorului dvs. ar putea duce la un zumzet al amplificatorului. Soluția „clasică” este utilizarea condensatoarelor uriașe de alimentare.

Cu această nouă sursă de alimentare, nu va trebui să supra-specificați transformatorul din cauza factorului de putere excelent, a performanței corecte și a reglării de ieșire - 150 VA este suficient. De asemenea, nu va trebui să specificați în exces condensatorii de netezire din cauza alimentării curente a acestor condensatori.

În cele din urmă, experiența dvs. de ascultare se va îmbunătăți la niveluri scăzute și la niveluri ridicate. (Rețineți că ondularea de ieșire este importantă și atunci când amplificatorul de putere se saturează. O ondulare mai lină va produce o distorsiune mai puțin neplăcută.) Experiența ascultării la nivel mediu probabil că nu se va schimba prea mult, cu excepția poate prin satisfacția utilizării unui amplificator de putere mai ecologic.

Este recunoscut pe scară largă că consumul de energie este o problemă ecologică, dar la fel se evită atragerea curenților reactivi și distorsiși. Din fericire, aceste probleme pot fi extrem de compatibile cu dorințele entuziaștilor audio. De aceea propun această sursă de alimentare DIY.

Topologia sursei de alimentare
Acest tip de alimentare nu este revoluționar. Designul său există de mai mulți ani, dar, din păcate, nu este folosit pentru amplificatoarele de putere. Și, deși acest proiect ar funcționa chiar și fără un transformator, am integrat un transformator în acest design dintr-un motiv major: o sursă de alimentare fără transformator poate fi periculoasă să lucreze, așa că prefer să fie în siguranță de zonele de înaltă tensiune. Faptul că poate fi un transformator mic, combinat cu condensatori de netezire cu valoare relativ mică, compensează costul plăcii de circuit, deci rămâne o soluție viabilă din punct de vedere economic.

Topologia nu este cea mai populară, care combină o sursă de alimentare de comutare precedată de un Power Factor Corrector (PFC). Metoda folosită aici se numește „metoda Imax” (vezi Figura 1). Principala diferență este că folosește doar o singură structură. Puteți găsi unul sau mai multe IC-uri dedicate acestei topologii, dar nu le folosesc din două motive.

În primul rând, încerc să nu folosesc cipuri specializate pentru proiectele mele DIY, astfel încât componentele să poată fi obținute cu ușurință. În al doilea rând, aceste cipuri specializate comută la frecvență constantă și acest lucru nu se potrivește cu un design de tensiune de ieșire variabilă din cauza unei comutări naturale între două moduri, care face ca curentul să nu mai fie sinusoidal. În cele din urmă, eliminarea componentelor specializate oferă mai multă flexibilitate și posibilități de evoluție ulterioară și puteți afla mai multe studiind proiectul.

Deci, practic, inima sursei de alimentare este o structură de impuls. Funcționează întotdeauna în modul demagnetizare completă astfel încât IMAX (curentul de vârf în bobină) să fie proporțional cu Ton și cu tensiunea șinei de putere a structurii de comutare, care este filtrul transformatorului și ieșirea rectificată. Astfel, curentul extras din transformator are aceeași formă ca tensiunea de rețea și amplitudinea sa este proporțională cu Ton. Figura 2 prezintă o diagramă funcțională a filtrului, redresorului și circuitului sursei de alimentare.

Tonul este controlat prin feedback pentru a regla tensiunea de ieșire, indiferent de curentul de ieșire IC. Limitarea tonului oferă o limită de curent care determină limitarea puterii (prin saturația feedback-ului) atunci când tensiunea de ieșire Vout este mai mare de 33 V. Când sursa de alimentare este scurtcircuitată, bobina devine zgomotoasă din cauza frecvenței scăzute de comutare, dar curentul nu este niciodată depășește 6 A și este chiar mai mic atunci când Vout este scurtcircuitat la 0 V absolut.

Nu voi intra în detalii suplimentare despre circuit aici. Cu toate acestea, explicații matematice și teoretice mai detaliate pentru acest proiect vor fi disponibile în articolul meu inclus în Volumul Linear Audio 12. Aici ne vom concentra asupra aplicației practice. Tabelul 2 prezintă formele de undă ale sursei de alimentare.

Elemente de circuit
Elementele circuitului includ filtrul LC, redresorul și pompa de încărcare; structura buck-boost; un generator de triunghi; feedback neliniar; feedback liniar; și un driver MOSFET de putere. Filtrul LC netezește curentul tras de convertorul de comutare și apoi furnizează media acestui curent în timpul unei perioade de comutare înaintea filtrului (vezi Figura 3). Pentru redresor, curentul mediu într-o perioadă de comutare este un sinus rectificat după acest redresor (întotdeauna pozitiv) și este sinusoidal înaintea acestuia. Diodele sunt diode Schottky, care sunt montate pe un suport unghiular pentru radiere. Pompa de încărcare alimentează tensiunile auxiliare pentru circuitul de reglare.

Figura 4 prezintă structura buck-boost. Poate părea a fi o structură de creștere, dar funcționează ca o creștere, deoarece solul de ieșire nu este solul structurii, ci șina de alimentare a structurii. Am făcut bobina. Un videoclip YouTube despre construcția sa poate fi găsit pe site-ul meu (www.muselec.fr). Este suficient de ușor să vă înfășurați singur. Aveți nevoie de 4 m de cablu format din mai mult de 600 de fire. Numeroasele fire asigură că efectul pielii va fi scăzut. Acest lucru este esențial pentru aceste aplicații datorită variațiilor de curent ridicate și rapide de rotire în bobină, datorită modului complet de demagnetizare. Alegeți condensatoare ESR reduse (C22, C23) pentru a obține o eficiență mai bună și o speranță de viață mai lungă. Nu trebuie să aibă o valoare mai mică din motive de stabilitate, dar pot fi mai mari.

Frecvența generatorului de triunghi este controlată de intrarea de feedback. Ieșirea acestui generator este comparată cu tensiunea de feedback pentru a acționa MOSFET-ul (vezi Figura 5). Deoarece feedback-ul controlează frecvența acestui generator de triunghi și comutarea Ton/Tsw în același timp, deoarece frecvența variază, Ton_max este neschimbat.

Pentru feedback-ul neliniar prezentat în Figura 6, Ton_max poate fi coborât de acest circuit prin oprire atunci când limita de ieșire este depășită. Circuitul de siguranță este o măsură de siguranță suplimentară în caz de depășire a ieșirii. LED-ul se va aprinde dacă se întâmplă acest lucru.

Figura 7 prezintă feedback-ul liniar, care permite frecvența de comutare să fie proporțională cu tensiunea de ieșire, astfel încât structura de comutare să funcționeze întotdeauna în modul complet de demagnetizare. Acest lucru este util pentru a crea o limitare medie a curentului de ieșire în timp scurt, în timp ce condensatorii de netezire permit impulsuri de curent de ieșire mult mai mari decât această limitare.

Figura 8 prezintă driverul MOSFET de alimentare. Prima intrare este nodul reglării ieșirii. Apoi aveți un low-pass de ordinul întâi (trebuie să fie mai lent decât jumătate din perioada de rețea), un comparator și un limitator de lățime a impulsurilor de care depinde limita de curent (este puțin mai largă decât Ton_max). MOSFET-ul de comutare este acționat de 11 porți paralele. Deși acest lucru nu este nici științific și nici nu folosește un driver specializat dedicat, este ieftin, eficient, simplu, iar piesele sunt ușor de obținut.

Posibilități de bricolaj
Am făcut un efort pentru a limita dimensiunea plăcii de circuit, așa că am folosit o placă de circuit standard de 160 × 100 mm pe care o puteți cumpăra. Semiconductorii de comutare sunt montați pe un radiator de putere (maxim 3 °/W) printr-un suport de unghi drept. Acest suport de unghi drept trebuie să aibă o grosime de minimum 2 mm. Rețineți că eficiența sursei de alimentare devine mai bună atunci când aceste componente se încălzesc.

Avertizare! Acest circuit are mai multe caracteristici limitative și de protecție. Cu toate acestea, nu ar trebui să îl reproduceți fără cunoștințele și experiența electronică de bază. Trebuie acordată o atenție deosebită orientării componentelor, în special diodelor și condensatoarelor. O sursă de creștere a banilor poate fi foarte periculoasă dacă nu sunteți atent.

Pentru prima pornire
Această sursă de alimentare furnizează sursa de alimentare bipolară obișnuită pentru amplificatorul dvs. de putere. Este necesar un transformator 2 × 30 V 300 VA. Nu ar trebui să existe un punct comun între cele două elemente secundare ale transformatorului. Transformatorul trebuie să aibă două elemente secundare independente (vezi Figura 9). Ieșirile celor două surse de alimentare sunt conectate în serie pentru a obține o sursă de alimentare bipolară simetrică. Puteți conecta sau deconecta JP2 pentru a adapta tensiunea de ieșire a sursei de alimentare la sarcina amplificatorului de putere - 4 Ω sau 8 Ω. O sarcină de 4 Ω poate necesita, de asemenea, mai mult curent. Cu toate acestea, sursa de alimentare are o limitare a puterii, astfel încât tensiunea de ieșire și limitarea curentului se vor adapta la sarcină atunci când este necesară o putere mare. Astfel, radiatoarele amplificatorului de putere nu trebuie să fie supradimensionate, deoarece sunt adesea într-o schemă clasică pentru a ține cont de o posibilă sarcină de 4 Ω.

Deconectați JP1 la prima pornire și verificați ieșirile de ± 15 V. Nu trebuie să fie mai mici de ± 12 V. Apoi, verificați dacă obțineți o undă triunghiulară la punctul de test J9. Această undă triunghiulară ar trebui să se balanseze între 0 V și 5 V. Frecvența sa poate fi de până la 1 kHz, dar va crește până la 33 kHz după conectarea JP1.

Înainte de a conecta JP1, verificați dacă aveți impulsuri de 15 V la punctul de test J3. Aceste impulsuri pot avea o lățime de până la 15 μs. Acest lucru se datorează faptului că JP1 încă nu este conectat și regulamentul permite impulsurilor să fie largi pentru ca tensiunea de ieșire să crească.

Dacă totul este în regulă, opriți, conectați JP1 și apoi porniți din nou circuitul. Veți auzi un sunet de fluierat. Acesta este sunetul bobinei. Cu cât este mai mică tensiunea de ieșire, cu atât este mai mică frecvența de comutare. Deoarece bobina scoate mai mult sunet prin frecvențe mai mici, îl veți putea auzi și arată că tensiunea de ieșire crește.

LED-ul conectat la circuitul de siguranță nu ar trebui să se aprindă. Dar dacă se întâmplă, verificați dacă un curent de sarcină de ieșire mic (mai puțin de 100 mA) îl stinge din nou. Dacă nu, verificați încă o dată dacă unda triunghiului la J9 este corectă. Dacă totul este în regulă, sursa de alimentare este pregătită pentru utilizare.

Măsurători comparative
Am luat câteva măsurători pentru a ajuta DIYerii să-și testeze propriile surse de alimentare și să înțeleagă mai bine cum funcționează. Acestea arată toate formele de undă cheie ale circuitelor descrise în Tabelul 1. Tabelul 3 prezintă aceste măsurători cu același transformator utilizat în fiecare caz, cu aceleași condensatori de netezire (4 × 4700 μF), iar tensiunea de ieșire este aproape aceeași (aproximativ 42 C). Aceste măsurători relevă în mod clar cât de redus este curentul de rețea și armonicele RMS în această nouă sursă de alimentare. Acestea arată, de asemenea, cât de redusă este puterea de ieșire a sursei de alimentare și conținutul armonic cu noua sursă de alimentare.

Vor exista un impact mai mic asupra auzului dvs., un zumzet de 100/120 Hz mai puțin iritant și o poluare armonică a rețelei mai redusă. Această sursă de energie necesită o investiție mai mică decât supradimensionarea imensă și cablurile de rețea ecranate scumpe. Impedanța redusă de CC vă va ajuta, de asemenea, să profitați la maximum de amplificatorul dvs. de putere, indiferent de ce este.

Rezultatele
Măsurătorile atestă beneficiile audio ale acestei surse de alimentare în comparație cu soluția clasică. Fiabilitatea sa a fost testată folosind patru echipamente diferite - trei amplificatoare de putere DIY și o sursă de alimentare de laborator DIY care integrează post-reglarea liniară. Deși nu mă prefac că proiectez echipamente de absorbție a undelor sinusoidale mai bune decât producătorii, cred că acest tip de sursă de energie este un progres real atunci când este aplicat amplificatoarelor de putere. Sper că cititorilor le va plăcea să construiască și să folosească acest proiect.

Fișierele Gerber pentru PCB și lista de materiale pentru acest proiect sunt disponibile în secțiunea Material suplimentar de pe site-ul audioXpress.

Despre autor
Vincent Thiernesse s-a născut în Franța în 1973. Este profesor de fizică aplicată. El a fost un pasionat de electronică de la vârsta de 13 ani. Vincent a scris șapte articole pentru revista franceză Electronique Pratique despre măsurare, filtrare audio și amplificare audio. Vincent are un site web www.muselec.fr, unde puteți găsi câteva dintre creațiile sale audio și compozițiile muzicale.

Acest proiect a fost publicat inițial în audioXpress, iunie 2016.