Можно ли использовать блок питания как усилитель

Продолжение, начало здесь.

• Модернизация импульсного блока питания
• Постановка задачи
• FSP ATX-300GTF
• Удаление лишнего
• Выбор способа получения повышенного выходного напряжения
• Перемотка трансформатора
• Умножитель
• Дополнительный трансформатор
• Выбор и расчет трансформатора
• Выпрямительные диоды
• Трансформатор блока питания
• Дроссель
• Доработка схемы контроллера блока питания
• Высокочастотные помехи
• Наблюдения и выводы
• Заключение

Если нужен блок питания для нестандартных условий, можно воспользоваться построением с низкочастотным трансформатором. Такое решение просто в реализации и не требует особо глубоких специальных знаний, но есть у него и ряд недостатков – большие габариты, низкий КПД и качество стабилизации выходных напряжений. Можно изготовить импульсный БП, но это довольно сложная процедура с массой подводных камней – при малейшей ошибке будет «хлопок» и куча ненужных деталей.

Попробуем снизить планку и ограничимся модернизацией обычного компьютерного блока питания ATX под необходимые требования. Гм, а что именно станет предметом рассмотрения? Вообще-то, 300-400 ваттный БП может обеспечить довольно значительную мощность, область применения у него большая. В одной статье трудно объять необъятное, поэтому ограничимся самым распространенным – усилителем низкой частоты, под него и попробуем осуществить переделку.

Блок питания довольно большой мощности, хотелось бы его использовать по максимуму. Из 12 вольт мощный усилитель не сделать, здесь требуется совсем другой подход – двуполярное питание с выходным напряжением явно побольше 12 В. Если БП будет запитывать самодельный усилитель, собранный из дискретных элементов, то его напряжение питания может быть любым (в разумных пределах), а вот интегральные микросхемы довольно придирчивы. Для определенности возьмем усилитель на TDA7294 – напряжение питания до 100 В (+/-50 В) с выходной мощностью 100 Вт. Микросхема обеспечивает ток в динамике до 10 ампер, что определяет максимальный ток нагрузки блока питания.

Вроде всё ясно, остается уточнить уровень выходного напряжения. Допускается работа от источника питания 100 вольт (+/-50 В), но попытка выбора такого значения выходного напряжения оказалась бы большой ошибкой. Микросхемы крайне отрицательно относятся к предельным режимам работы, особенно при одновременном максимальном значении нескольких параметров — напряжения питания и мощности. К тому же, вряд ли в обычной квартире есть смысл обеспечивать столь высокий уровень мощности, даже для низкочастотных динамиков с их низкой эффективностью.

Можно установить напряжение в 90 вольт (+/- 45 В), но это потребовало бы очень точного удержания выходного напряжения – в многоканальных блоках питания весьма затруднительно обеспечить одинаковость напряжений на разных выходах. Поэтому стоит немного снизить планку и установить номинальное напряжение для этой микросхемы 80 вольт (+/-40 В) — мощность усилителя немного упадет, но устройство будет работать с должным запасом прочности, что обеспечит достаточную надежность устройства.

Кроме того, если звуковая колонка будет работать не только в низкочастотной области, но еще содержит средне-высокочастотные каналы усилителей, то стоит получить от БП еще одно напряжение, меньше «+/-40 В». Эффективность работы низкочастотных динамиков большого диаметра существенно ниже более высокочастотных, поэтому запитывание усилителя СЧ-ВЧ канала от тех же «+/-40 В» довольно глупо, основная масса энергии уйдет в тепло. Для второго усилителя хорошо бы обеспечить выход +/-20 вольт.

Итак, спецификация блока питания, который хочется получить:

• Канал № 1 (основной), напряжение: «+/-40 В».
• Ток нагрузки от 0.1 А до 10 А.
• Канал № 2 (дополнительный), напряжение: «+/-20 В».
• Ток нагрузки от 0 до 5 А.

Характеристики определены, осталось выбрать подходящую модель. Совсем уж старый использовать нет никакого желания, конденсаторы давно уж высохли, да и схемные решения тех времен не внушают оптимизма. Стоит отметить, что часть «современных» блоков питания тоже не блещет качеством работы и надежностью, но с этим можно бороться – достаточно выбирать продукцию известных фирм, к которой есть доверие.

Кроме философского осмысления сущности БП и отбора по внешнему виду, есть вполне осмысленный критерий – их тип. Блок может быть выполнен по технологии «двухтактный полумост» или «однотактный прямоход», содержать в себе какую-то разновидность PFC (активную или пассивную на дросселе). Всё данные факторы оказывают влияние на качество работы и уровень помех. Причем, это не «просто слова», при переходе от трансформаторного БП на «импульсный» довольно часто замечается ухудшение качества звучания.

С одной стороны, «странно», ведь такой БП обеспечивает лучшую стабильность напряжения питания усилителя. С другой, ничего странного нет – «импульсник» производит помеху при переключении силовых транзисторов основного преобразователя (и блока APFC), что выражается в высокочастотных «всплесках» на цепях питания и земли. Чаще всего преобразователь БП работает на частоте 40-80 кГц, что выше звукового диапазона, а потому вроде бы не должно мешать устройству, но помехи распространяются по всему усилителю и сбивают рабочую точку усилительных каскадов, что приводит к интермодуляционным искажениям, звук становится «жестче». В компьютерном блоке питания шины 12 В и 5 В выглядят следующим образом:

Так что, проблема не надуманная и на борьбу с ее негативным проявлением следует потратить некоторые усилия.

Ничего необычного, классическая компоновка, разве что дроссель PFC вносит в картинку некоторый элемент дисгармонии. К слову, измерение характеристик и величины пульсаций на выходе показало, что наличие этого дросселя приводит лишь к тому, что блок питания становится тяжелее и немного «гудит» при мощности нагрузки 250-300 Вт.

Компьютерный блок питания должен формировать массу напряжений большой мощности – 12 В, 5 В, 3.3 В, -5 В, смысл в которых сразу теряется, как только речь заходит об усилителе. Кроме того, БП содержит дежурный источник 5 В, но его лучше не трогать и сохранить в неизменном виде – во-первых, он используется для работы основного преобразователя, во-вторых, можно будет реализовать включение-выключение усилителя от внешнего управления или просто по появлению звукового сигнала на входе усилителя. Это функция потребует изготовления высокочувствительного детектора с питанием от 5 вольт и вряд ли кто-нибудь станет делать этот элемент на начальной стадии сборки усилителя, ну хоть возможность такая останется. Пусть будет, это «бесплатно».

После удаления всех цепей формирования выходных напряжений получилось следующее:

Оказалось не так много места, поэтому доработка не должна содержать слишком много деталей – банально не влезет. Фу ты, еще заложили в требования наличие двух выходных каналов.

Компьютерный блок питания формирует два основных выхода: 12 В и 5 В, этим объясняется наличие всего двух пар вторичных обмоток. Каким способом можно получить напряжение больше, чем заложено при проектировании БП?

1. Перемотать трансформатор.
2. Поставить умножитель.
3. Добавить второй трансформатор.

Первый вариант понятен и прост в техническом плане. Одно «но», конструкция импульсного трансформатора не так проста, как может показаться на первый взгляд. Существует масса требований и ограничений, не выполнив которых можно получить либо «крайне посредственный вариант», либо, что гораздо хуже, некачественную изоляцию вплоть до поражения электрическим током. В трансформаторе первичная обмотка выполнена из двух частей. Первая расположена в самом начале, а потому не мешает перемотке, а вот вторая наматывается самой последней.

Трудности умножаются тем, что между первичной и вторичной обмотками присутствует электростатический экран из медной ленты. Чтобы осуществить перемотку придется аккуратно смотать верхнюю часть первичной обмотки, убрать экран и вторичные обмотки. После чего намотать новые вторичные обмотки, восстановить экран и первичную обмотку. Естественно, между обмотками и экраном должна быть надежная изоляция. Дело усугубляется тем, что трансформатор пропитан лаком, а потому его разборка-сборка занятие «увлекательное» и качество выполнения доработки окажется не слишком хорошим. Впрочем, если у вас руки «прямые» и есть желание попробовать – некоторые рекомендации:

• Число витков обмотки 12 В почти всегда постоянно (семь витков), что определяется не параметрами трансформатора, а единственным целым соотношением числа витков обмоток 12 В и 5 В (четыре и три). Если на семь витков приходится 12.6 вольт, то на «нужное» напряжение приходится 7*(«нужное»/12.6) число витков, с округлением до ближайшего целого.
• При удалении обмоток 12 В и 5 В посчитайте место, которое они занимали – новая обмотка должна уместиться в эти же габариты.
• При наличии места лучше использовать провод диаметром 0.8-0.9 мм. Если сечения одного провода недостаточно, то стоит увеличивать количество проводов, а не их сечение (диаметр)
• Крайне аккуратно наматывайте экранирующий виток ленты (не замыкайте начало с концом) и изоляцию под и над ним – основной дефект самодельных трансформаторов заключается в пробое изоляции или закорачивании экранирующей обмотки. Медная лента жесткая с острой кромкой, легко режет изоляцию. В домашних условиях лучше использовать алюминиевую фольгу – она значительно мягче и и шансов порезать изоляцию меньше. Кроме того, ее проще найти. Увы, у такого подхода есть небольшой недостаток – к алюминиевой фольге труднее подсоединить отвод.

И всё же я бы не рекомендовал этот вариант переделки для тех, у кого нет опыта намотки импульсных трансформаторов. Не стоит, может выйти боком. К слову, если человек разбирается в вопросе, то ему проще намотать трансформатор полностью «с нуля», по крайней мере, не будет путаться под ногами этот «лак», да и число витков во всех обмотках можно будет выбрать оптимальным.

Второй вариант довольно сложен в реализации и обладает рядом серьезных недостатков. Пример такого построения изображен на рисунке:

• TV1 – обычный трансформатор блока питания, без каких-либо доработок.
• TV1.1 – первичная обмотка.
• TV1.3 и TV1.4 – обмотки канала 5 В.
• TV1.2 и TV1.5 – обмотки, совместно с TV1.3 и TV1.4 формирующие канал 12 В.

Для анализа важен тот факт, что форма импульсов напряжения на выходе трансформатора с гладким верхом, а не «синус», «пила» или другие вариации. Устройство работает следующим образом — на первичной обмотке следуют импульсы напряжения прямоугольной формы с некоторой скважностью. Напряжение импульсов на первичной обмотке составляет половину напряжения питания или около 140 В при номинальном напряжении сети. На вторичной стороне форма импульсов сохраняется, а амплитуда зависит от числа витков и распределяется примерно как 9 В на обмотках «канала 5 В» (TV1.3 и TV1.4) и 21 В на «канале 12 В» (TV1.2+TV1.3 и TV1.4+ TV1.5).

Предположим, что в данный момент поступает импульс положительной полярности и на верхних выводах обмоток следует «+». Расставим напряжения в контрольных точках:

• A = +21 В.
• B = +9 В.
• С = -9 В.
• D = -21 В.

Отсюда можно сразу вычислить напряжение в токе «F», оно будет чуть меньше цепи «B» на величину падения напряжения на диоде D1.

• F = +8.4 В.

При данной полярности диод D2 закрыт, поэтому напряжение в точке «E» будет определено при противоположной полярности импульса.

• Напряжение на конденсаторе C2 = +8.4 – (-21) = 29.4 В.

Сменим полярность импульса, напряжения в контрольных точках поменяют знак:

• A = -21 В.
• B = -9 В.
• С = +9 В.
• D = +21 В.

Полярность сменилась и открывается диод D2. Напряжение в точке «F» станет чуть меньше цепи «B» или около +8.4 В.

• E = +8.4 В.
• Напряжение на конденсаторе C1 = +8.4 – (-21) = 29.4 В.

Схема симметричная, поэтому напряжения конденсаторов обязаны быть одинаковыми. Из анализа предыдущей полярности импульса следует, что

• Напряжение в точке «F» смещено относительно точки «D» на величину напряжения конденсатора С2 (29.4 В) и равно +21 + 29.4 = +50.4 В.

Нет смысла анализировать аналогичное состояние точки «E» при смене полярности импульса, схема симметричная и там будет столько же, сколько сейчас на точке «F», +50.4 В.

В итоге, может интересовать только «E» и «F», ведь из них получается выходное напряжение. Соберем значения в этих точках в таблицу. Впрочем, забыл еще одно состояние, «пауза» импульса от ШИМ-регулировки. Этот случай очень прост, на всех обмотках нулевое напряжение и в точках «E» и «F» получается одно и то же напряжение +29.4 В, хранимое в конденсаторах. (При анализе не учитывалась конечная емкость конденсаторов и непрямоугольность формы импульсов).

Выпрямительная сборка D3 «выбирает» наибольшее напряжение из двух входов («E» и «F»). Это означает, что на входе дросселя L6 будут идти импульсы амплитудой 50 В с паузой 8 В. При скважности ШИМ 70% на выходе сформируется напряжение примерно 37 вольт.

Всё сказанное относилось к получению повышенного напряжения положительной полярности. Если необходимо сформировать и отрицательный выход, то схему следует «удвоить» – добавить конденсаторы C1, С2 и C3, диоды D1 и D2, пару диодов в сборку D3 и намотать вторую обмотку на выходном дросселе. Не забудьте сменить полярность конденсаторов и диодов.

У подобного решения только одно достоинство – не придется что-то делать с трансформатором. Впрочем, есть еще одно — незначительное, девиация напряжения на выходном дросселе небольшой амплитуды, поэтому размеры дросселя и его индуктивность могут быть сниженной величины. Фактически, можно использовать старую обмотку канала 12 В.

Недостатков больше и они серьезные:

• Весь импульсный ток протекает через повышающие конденсаторы С1 и С2.
• Очень большой ток заряда конденсаторов в начальный момент времени. Кроме снижения срока службы конденсаторов, высокая величина тока может вызвать срабатывание общей защиты блока питания и он отключится.
• Низкий диапазон регулирования выходного напряжения.
• Невозможно получить больше одного канала со стабилизацией выходного напряжения. Выходы «+37 В» и «-37 В» получаются по вышеприведенной схеме, а вот обычные «+/-12 В» придется формировать на отдельном дросселе при повышенном уровне пульсаций с частотой сети и низкой стабильностью.

Основной недостаток схемного решения — весь ток протекает через конденсаторы С1 и С2. Довольно просто найти конденсаторы с подходящей емкостью или ESR, но вот величина импульсного тока у них окажется низка. Чтобы не быть голословным, подберем подходящий конденсатор для рассматриваемого блока питания усилителя (выходное напряжение соответствует заданным условиям, величина тока до 10 А).

Ранее я ссылался на конденсаторы общего применения фирмы Jamicon серии LP, посмотрим, что есть в данном исполнении – 2200 мкФ 50 В. Максимальный ток 2 ампера. Совершенно не подходит, конденсатор выйдет из строя через неделю работы усилителя. Переходим к серьезным сериям, «Low ESR». Например, серия WL:

В круглых скобках указывается характеристики альтернативного варианта исполнения корпуса конденсатора.

Хочется отметить интересный момент, для конденсатора «680 мкФ 35 В» первое исполнение, в сравнении со вторым, несет меньшее внутреннее сопротивление и максимальный ток, обычно происходит обратное – снижение ESR повышает величину тока. Видимо, причина в разной площади поверхности корпуса.

Если смотреть на ESR, то все конденсаторы вполне устраивают. Ну, сколько может «упасть» на сопротивлении 40-90 мОм при токе 3-8 ампер? Пустяк. Блок питания работать будет. Вот так и появляются «китайские» поделки. К слову, в Китае производится масса качественной продукции, это местные фарцовщики закупают хлам, отсюда и происходит недоверие к китайской продукции … причем зря.

Ну ладно, собираем для себя, поэтому делать плохо не будем. Конденсатор должен выдерживать ток не менее 10/2=5 А в долговременном режиме и на одном конденсаторе получить такую характеристику не удастся. Остается вариант с установкой пары или тройки конденсаторов параллельно. Два конденсатора «1000 мкФ 35 В» обеспечат ток до 5 (4.2) ампера, что маловато. Можно взять конденсаторы того же номинала, но чуть большего напряжения «1000 мкФ 50 В», предельный ток составит величину 6.4 (5.6) ампера.

С учетом конечной индуктивности выходного дросселя этот вариант может устроить, но не особо хорошо. Перейдем к утроению конденсаторов, «680 мкФ 35 В» обеспечит ток до 6 (5.1) А, или «680 мкФ 50 В» 7.8 (6.9) А. Последний вариант смотрится уже веселее, блок питания сможет работать достаточно долго.

В результате получается, что в блок питания придется установить 3*2*2=12 конденсаторов «680 мкФ 50 В», выйдет не самое компактное устройство, а место в БП ограничено.

Схема моделировалась, но практически не испытывалась, поскольку не лежит у меня душа к таким решениям. Этот вариант доработки дается на ваш страх и риск.