Блок выпрямителя и фильтра для УНЧ с двухполярным питанием: обзор готового решения «для ленивых»

Блок выпрямителя и фильтра для УНЧ (УМЗЧ) с двухполярным (биполярным) питанием — устройство нехитрое. Диодный мост и пара конденсаторов — только и делов-то!

Деталей в нём — немного (хотя и крупных), и собрать его даже методом навесного монтажа вполне возможно своими собственными руками.

Но можно применить и готовое решение; особенно, если оно окажется вполне благопристойным с технической точки зрения. Такой вариант и будет рассмотрен далее.

(изображение со страницы производителя (AIYIMA)

Габариты блока — 131*79*55 мм, масса — 270 г.

По ходу обзора будут сделаны и некоторые дополнительные технические изыскания.

Внешний вид и конструкция блока выпрямителя и фильтра для УНЧ с двухполярным питанием

Рассматриваемый блок предназначен для применения совместно с мощным сетевым трансформатором, вторичная обмотка которого имеет отвод от середины. Как вариант, возможно применение трансформатора с двумя одинаковыми вторичными обмотками, соединёнными последовательно.

Так выглядит блок выпрямителя и фильтра со стороны контактов для подачи входного переменного напряжения от трансформатора:

На переднем плане — клеммник с крупными винтами (4 мм) для подсоединения выводов вторичной обмотки трансформатора.

Справа и слева — по светодиоду на каждую полярность выходного напряжения.

Между клеммником и большими электролитическими конденсаторами расположены радиаторы со сборками диодов Шоттки типа STPS30150CW (прямой ток — до 30 А, обратное напряжение — до 150 В).

Две сборки видны на фото, а ещё две прикручены к обратной стороне радиаторов.

Эти сборки содержат по два диода в корпусе.

В схеме этого блока выпрямителя в каждой сборке диоды запараллелены, а всего используется 4 таких сборки, в результате чего и образуется классический диодный мост.

Параллельное включение диодов в сборках даёт тройной положительный эффект: увеличивает допустимый прямой ток, уменьшает нагрев и увеличивает КПД.

Теперь — вид с обратной стороны:

Здесь расположен клеммник для выходного выпрямленного напряжения. Клеммы для земли и каждой полярности запараллелены по 2 шт., что будет удобно для подключения нескольких потребителей.

Слева и справа от клеммника — плёночные конденсаторы 0.1 мкФ * 250 В, которые служат для подавления коротких импульсов и высокочастотных помех (с которыми электролиты справляются плохо).

Вид блока с боков:

На больших электролитах обозначен их номинал: 10000 мкФ * 63 В.

Учитывая обычные технические рекомендации не использовать радиоэлементы на предельно-допустимых значениях параметров, целесообразно не повышать напряжение на конденсаторах свыше примерно 50 В.

Текст на конденсаторах гласит также «For Audio» и «Japan».

Слова «For Audio» понятны без перевода; а насчёт того, что Япония имеет какое-то отношение к производству этих конденсаторов, я не совсем уверен. Но и полностью исключить такую возможность тоже не могу. :)

Между электролитами расположено по мощному резистору 10 кОм. Они предназначены для медленного разряда конденсаторов после отключения питания, чтобы остаточное напряжение не наделало каких-нибудь бед.

Далее — вид на блок сверху:

Здесь надо отметить, что, кроме крепёжных отверстий по углам, есть ещё одно отверстие в середине платы. Оно будет совсем не лишним, учитывая тяжеловесность конструкции.

И, наконец, вид снизу, т.е. со стороны печатных проводников:

Об этой печатной плате есть смысл поговорить поподробнее.

Начать надо с того, что печатные проводники сделаны грамотно — с максимальной шириной, какая возможна в пределах платы.

Но некоторые проводники покрыты непрозрачным чёрным лаком (так, что их почти не видно), а некоторые — оставлены «голыми» и облужены припоем (возможно, для уменьшения сопротивления).

Ещё надо заметить, что отверстий на плате под установку больших электролитов — много, и они разной формы, что делает возможной установку конденсаторов разного типа. Это может пригодиться тем потребителям, которые захотят купить плату без конденсаторов и установить какие-то другие конденсаторы (на другую ёмкость и/или напряжение). Ссылка на такой вариант будет в конце обзора.

И, наконец, надо поговорить о вреде чрезмерного усердия в контексте этой платы.

Дело в том, что на заводе-изготовителе зачем-то кусачками отрезали лишнюю, на их взгляд, длину выводов больших электролитов.

В результате выводы конденсаторов возвышаются над уровнем платы только примерно на 0.7 — 0.9 мм.

Я понимаю, что производитель хотел, «как лучше», т.е. чтобы выводы конденсоров не торчали с нижней стороны платы и не портили вид.

Но в результате оказалось, что гламура — прибавилось, а площадь контакта выводов с припоем — уменьшилась.

Каких-то критичных проблем из-за этого обнаружено не было, но и хвалить производителя за этот «гламур» тоже не буду.

Под конец этой главы посмотрим на фото нехитрого комплекта платы — четыре полиэтиленовых стойки и крепёж:

Испытания блока выпрямителя и фильтра для УНЧ (УМЗЧ) с двухполярным питанием с резистивной нагрузкой

Сразу скажу, что испытания проводились по сокращённой программе: выпаивать конденсаторы из платы и проверять их по отдельности не хотелось, уже очень красиво там всё смонтировано.

В связи с этим конденсаторы проверялись «как есть», то есть в параллельном соединении.

Для проверки использовался тестер радиодеталей LCR-TC1 (многофункциональный тестер).

Проверка «положительной» пары конденсаторов:

Ёмкость пары параллельных конденсаторов оказалась близкой к номиналу: прибор показал 20.66 миллифарад (20660 мкФ).

ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) прибор показал равным 0.08 Ом. Возможно, часть из этого сопротивления — «заслуга» соединительных проводов прибора (когда они просто замкнуты друг на друга, прибор показывает 0.05 Ом).

Параметр Vloss (потеря напряжения после отключения его источника от конденсатора) — не совсем официальный, но тестерами конденсаторов проверяется. В данном случае Vloss = 1.6%, это — неплохо для электролитических конденсаторов.

Теперь — проверка «отрицательной» пары конденсаторов:

Параметры получились похожими на предыдущую пару, разве что подросло значение Vloss до 2.3% (тоже приемлемо).

«Боевые» испытания проводились при использовании у меня в хозяйстве трансформатора со вторичной обмоткой с отводом от середины.

Основные параметры трансформатора — такие:

— напряжение холостого хода на вторичных обмотках 2*26.1 В (действующее значение);

— сопротивление первичной обмотки 15.1 Ом,

— сопротивление вторичных обмоток 0.51 Ом и 0.53 Ом (они оказались немного несимметричными по сопротивлению).

Номинальная выходная мощность трансформатора неизвестна; но, судя по его весу (1.1 кг), она должна быть весьма высокой (не менее 200 Вт).

Естественно, в реальных условиях у пользователя будет свой трансформатор, в связи с чем приведённые далее расчёты и осциллограммы можно рассматривать только лишь как пример.

Каждое плечо выхода фильтра (положительное и отрицательное) было соединено со средней точкой (землёй)  через  мощный резистор 10 Ом 100 Вт (2 шт., соответственно).

В итоге постоянное напряжение на каждом выходе ("+" и "-") составило 27.1 В; а выделяемая мощность на каждом резисторе — 73.4 Вт (итого — 147 Вт).

С учётом КПД усилителя класса AB, составляющего на синусоидальном сигнале до 70% в типовом случае (но может быть и больше), такой мощности хватило бы для питания 100-ваттного усилителя (2*50 Вт).

При использовании усилителя класса D его мощность могла бы составлять до 130-140 Вт (2* 65...70 Вт).

Во всех этих расчётах я пренебрёг пульсациями напряжения на выходе, а можно ли так делать — разберёмся по осциллограммам.

Вот на осциллограммы с резисторами в качестве нагрузок теперь и посмотрим. Для снятия осциллограмм использовался цифровой осциллограф Fnirsi-1013D (он же ADS1013D, обзор).

Далее на картинке — осциллограмма выходного напряжения положительного плеча (под нагрузкой), вход осциллографа — открытый (DC), уровень нуля находится в самом низу экрана (помечен желтой стрелочкой с цифрой 1):

Теперь — посмотрим на пульсации отдельно, для чего вход переключим на закрытый (AC), а масштаб — увеличим:

Полный размах (пик-пик) пульсаций составил чуть менее 1 В, а амплитуда пульсаций — около 0.5 В.

И вот здесь приходим к тому, что максимальная выходная мощность усилителя, работающего от такого фильтра-выпрямителя, будет определяться не средним уровнем выпрямленного напряжения, а его величиной на точках минимума.

В данном случае потеря относительно среднего уровня составляет 0.5 В, т.е. менее 2% от его величины (27.1 В). В расчётах я этой величиной пренебрёг. Может, это и не совсем правильно, но и ошибка получается не очень большой.

По причине наличия пульсаций в выпрямленном напряжении повышение емкости конденсаторов в фильтре даёт сразу два полезных эффекта: и уменьшаются пульсации питания, и повышается выходная мощность, которую питаемый усилитель может отдать без искажений.

Теперь, просто для полноты технической картины — ещё несколько осциллограмм с резистивной нагрузкой.

Осциллограмма напряжения на входе фильтра-выпрямителя (одно из плеч):

На этой картинке всё соответствует классике: синус со срезанными вершинами, в течение которых и происходит дозарядка конденсаторов фильтра.

Но самое интересное началось дальше, когда я захотел посмотреть напряжение в этой же точке, но без подключения нагрузки:

Согласно теории, я должен был увидеть почти чистый синус, но здесь тоже оказались слегка срезанные вершины.

После этого я решил проверить, а как выглядит само напряжение в сети 220 Вольт? Может, и там не совсем синус?

Увы, так оно и оказалось:

Здесь тоже оказались срезанные вершины.

Наиболее вероятная причина — наличие в сети множества потребителей (устройств), не имеющих в блоках питания корректоров коэффициента мощности, которые приближают кривую потребления тока тоже к синусоиде.

Иными словами: множество устройств потребляет ток в режиме «срезания вершин», что приводит и к срезанным вершинам в электросети в целом. Такой вот побочный эффект исследования фильтра-выпрямителя. :)

Небольшие замечание к последней осциллограмме.

Первое: для её снятия был спаян дополнительный делитель напряжения на 10 (чтобы суммарно получилось деление на 100).

Второе: если кто захочет повторить этот эксперимент, то имейте в виду, что осциллограф должен быть гальванически развязан от фаз сетевого питания и от земли; а также помните о необходимости соблюдения электробезопасности!

Испытания блока выпрямителя и фильтра для УНЧ (УМЗЧ) с усилителем

Для проведения испытаний с реальным усилителем блок был соединён с одноканальным мостовым усилителем на основе микросхем TDA3886 (номинальная мощность 68 Вт каждой микросхемы), фото без внешней обвязки:

Сначала — традиционные испытания на синусе 1 кГц, нагрузка усилителя — 8 Ом.

На осциллограмме желтая линия — выход одного из плеч моста, синяя линия — напряжение питания (положительное).

На осциллограмме запечатлён момент, когда синусоида достигла максимума амплитуды без наступления искажений «отсечка» (клиппинг).

Выходная мощность составила 101.5 Вт.

Теперь посмотрим на поведение системы под реальным музыкальным сигналом:

На осциллограмме отчётливо видно проседание напряжения питания (синяя линия), когда в сигнале пошли мощные басы.

Тем не менее, надо отметить, что, благодаря очень высокой ёмкости конденсаторов проседание питания оказалось не мгновенным, а растянутым. То есть, запаса энергии в конденсаторах достаточно для того, чтобы выдержать даже очень мощный всплеск уровня сигнала. И чем больше будет ёмкость конденсаторов, тем более длительный «удар» сигнала они смогут выдержать.

Для наглядности — аналогичный фрагмент реального музыкального сигнала, но с увеличенным масштабом в канале напряжения питания до 5 В/дел. (синяя линия). В канале сигнала масштаб оставлен старый 10 В/дел. (желтая линия):

Положение нуля канала питания (синяя линия) отмечено стрелочкой с цифрой 2 в левом нижнем углу.

Вывод из испытаний с реальным музыкальным сигналом: увеличение ёмкости конденсаторов фильтра полезно не только для уменьшения пульсаций, но и для более качественного воспроизведения сигнала при пиковых нагрузках по мощности.

В общем, лишних конденсаторов в фильтрах питания не бывает!

Итоги и выводы

Протестированный фильтр-выпрямитель показал соответствие заявленным параметрам и хороший уровень комплектующих.

Кроме хороших ёмких конденсаторов, порадовали и мощные запараллелеленные диоды Шоттки в выпрямителе, к тому же установленные на радиатор. Это — очень культурное и технически грамотное решение!

Основная (а может, и единственная) область применения протестированного фильтра-выпрямителя — блоки питания для усилителей с двухполярным питанием.

Особенность таких усилителей — возможность прямого подключения усилителей к трансформаторному блоку питания с двухполярным выходом без стабилизаторов напряжения.

Схемы усилителей с двухполярным питанием — очень популярны в классе усилителей AB. Такие усилители могут быть как с выходными каскадами на транзисторах, так и на основе мощных однокристалльных микросхем. К последним можно отнести как добрые старые TDA2030 и TDA2050, так и более прогрессивные и мощные LM3886, TDA7293, TDA7294.

Усилители с двухполярным питанием могут быть и D-класса, что значительно повышает КПД (до 90% и выше). А это, в свою очередь, позволяет добиться большей мощности на выходе усилителя при той же мощности источника питания.

Правда, я пока знаю только одну микросхему усилителя мощности D-класса с двухполярным питанием, это — TDA8954 (TDA8954TH); в то время, как микросхем усилителей D-класса с однополярным питанием существует великое множество.

Купить этот фильтр-выпрямитель можно здесь или здесь, цена — около $19-20.

Теперь — немного о другом варианте построения фильтра-выпрямителя: на основе покупки платы без конденсаторов (с установкой конденсаторов по своему усмотрению).

Плату без конденсаторов можно купить, например, здесь (около $9).

Реклама. ООО «АЛИБАБА.КОМ (РУ)» ИНН 7703380158

А выглядит эта плата (под 4 конденсатора) — так:

Что касается выбора конденсаторов для неё, то хорошо, если у пользователя они уже имеются.

Если же их ещё нет, то к их выбору надо подходить с осторожностью. Вот, например, отзыв одного из покупателей, вскрывшего один из приобретённых конденсаторов:

За сим позвольте обзор завершить.

Для снятия осциллограмм в обзоре использовался осциллограф Fnirsi 1013D (обзор).