Преобразователь напряжения для автомобильного усилителя своими руками

2 Схемы

Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов

Преобразователь напряжения для питания автомобильного усилителя

Эта статья содержит описание схемы простейшего импульсного повышающего преобразователя для авто усилителей (например на TDA7294 или любой другой микросхеме с двухполярным питанием), без лишних расчетов или теорий только необходимый минимум. Это действительно самый простой способ на сегодня запустить усилитель достаточно высокой мощности в автомобиле, с бортовым питанием 12 В. Представленный инвертор может выдавать постоянную мощность около 100 Вт, а при небольшой доработке схемы ещё больше.

Схема и описание преобразователя

Схема была разделена на несколько частей для облегчения описания и понимания сути работы деталей.

Зеленая часть представляет собой генератор, использующий популярную микросхему TL494. Чтобы сделать структуру максимально простой, использовалась только часть м/с, а именно только генератор. Частота его работы определяется элементами R4 и C4. Для текущих значений (10 кОм и 1 нФ) она составляет около 30 кГц. Увеличив частоту также можно повысить эффективность, но для этого необходимо намотать трансформатор более тонкими проводами (из-за скин-эффекта).

Желтая часть — усилители тока. Они используются только для облегчения повторной загрузки затворных мощностей мосфетов, которые разгружают внутренние выходные транзисторы в TL494. Фактически, схема в текущей конфигурации будет работать и без них, потому что внутренние транзисторы TL494 в принципе могут управлять одним затвором без особых проблем, но в случае падения напряжения в источнике питания инвертор может работать нестабильно. Вот почему рекомендуется установить их. В этой роли практически любой транзистор может быть использован для создания комплементарной пары. Схема также хорошо работает например с парой BC547 / BC557 и т.п.

Оранжевая часть — это ключевые выходные элементы. Мосфет включается при получении импульса от предыдущего каскада. Преобразователь включает мосфеты попеременно с так называемым мертвым временем (когда оба выключены). Особое внимание следует уделить C8 (10 нФ) и R12 (4,7 Ом), потому что от них зависит безопасность транзисторов. Они используются для подавления перенапряжений, возникающих в индуктивности во время переходных процессов. Используйте конденсатор 10 нФ на минимальное напряжение 250 В и резистор 3,3 … 4,7 Ома с минимальной мощностью 0,5 Вт.

Для преобразователя могут быть выбраны разные типы мосфетов, в значительной степени от них зависит, какой мощности и эффективности удастся достичь. Важно выбирать с низким сопротивлением и большим рабочим током. Тут использовались IRF3205, но одинаково хорошо заработают IRFZ44n, BUZ11 или IRFP064n для немного большей мощности.

Красная часть — трансформатор с выпрямителем. Про трансформатор и его перемотатку будет чуть ниже. Сейчас остановимся на схеме выпрямления и фильтрации. Это классический симметричный источник питания, в котором используются ультрабыстрые выпрямительные диоды или диоды Шоттки. В данном случае использовался диод MBR10100CT. Ещё нужен выходной дроссель и конденсаторы фильтра. Для одной микросхемы TDA7294 просто используйте 2200 мкФ + 100 нФ на каждое плечо. Ставьте нормальный электролитический конденсатор, нет необходимости использовать конденсаторы с низким ЭПР.

Предохранители инвертора

Схему контроля выходного тока будет лучше заменить на так называемый электронный предохранитель, который в случае короткого замыкания будет отключать преобразователи (потребуется перезапуск). Схема управления током в инверторе с питанием, сделанным для конкретной системы (в данном случае стерео TDA7294 для громкоговорителя 8 Ом), может отключить преобразователь только во время басов, когда усилитель потребляет больше энергии.

Модуль управления имеет предохранитель в виде резистора R11. Используем стандартный 4.7R 0.25W резистор — в случае короткого замыкания в TL494 или усилителях тока, резистор немедленно перегорает. Силовая часть защищена предохранителем на 10 А. В вышеуказанной схеме короткое замыкание на выходе вызывает его немедленное сгорание.

Сборка преобразователя питания

Можно вытравить полноценную печатную плату, а можно использовать универсальную макетку. Важно, чтобы пути тока были максимально короткими и толстыми.

Сначала собираем зеленую, желтую и оранжевую части. При этом схема питается через маленькую лампочку (например, 10 Вт) или установите ограничение тока 200 мА на блоке питания. Подключите один щуп осциллографа к источнику питания плюс, а другой — к усилителям УТ. Должны увидеть прямоугольную осциллограмму с амплитудой около напряжения питания. Форма волны должна быть очень похожей на фото.

Если сигнал не отображается, проверьте правильность сборки и работоспособность зеленой и желтой секций ИБП.

Затем подключаем осциллограф параллельно мосфетам и наблюдаем форму сигнала там. Это должен быть прямоугольник с амплитудой, аналогичной напряжению питания. Если он не просматривается, это означает, что установили поврежденный mosfet (или неправильно впаяли его).

Если все в порядке, можем начать наматывать трансформатор.

Намотка трансформатора

Трансформатор — самый важный элемент и самый сложный. Во-первых, нужно достать ферритовый сердечник. Можно добыть его из блока питания ATX или другого импульсного преобразователя. Крайне важно, чтобы это был сердечник без зазора, иначе инерционный ток преобразователя будет выше, а КПД будет значительно ниже. В худшем случае может вообще не работать. Чтобы разобрать такой трансформатор, нагрейте его в кипящей воде, потому что тогда смола размягчится. Затем, используя тряпку, разломите горячий трансформатор. Важно не повредить сердечник. Затем снимаем заводские обмотки и наматываем новые в соответствии с инструкциями далее.

Начнем с первичной обмотки. В ней две обмотки должны быть намотаны по 3 витка одновременно, где начало второй является концом первой. Обе обмотки намотаны в одном и том же направлении. Из-за того что инвертор работает на высокой частоте, возникает скин-эффект. Поэтому не стоит намотать трансформатор одним толстым проводом, как в случае классических трансформаторов. Для данного инвертора намотаем 4 провода по 0,3 мм. Обмотка должна выглядеть примерно так:

Теперь изолируйте первичку от вторички. Например слоями скотча. Пришло время намотать вторичную обмотку. Намотайте две обмотки по 7 витков. Трансформатор готов.

Вместо основного предохранителя вставляем лампу значительной мощности (предпочтительно 50 Вт, чтобы при малом токе она не вызывала значительного падения напряжения). Измеряем ток, потребляемый преобразователем, должно составлять 100-250 мА. Форма сигнала на осциллографе должна быть прямоугольной с требуемой амплитудой.

Инвертор практически закончен. Осталось смонтировать схему выпрямителя со сверхбыстрыми диодами или диодами Шоттки. Далее устанавливаем дроссель и фильтрующие конденсаторы.

Выходной дроссель в этом инверторе будет необходим. С натяжкой он может работать и без него, но его эффективность станет меньше и может быть слышен писк под нагрузкой. Дроссель наматывается на порошковое кольцо. Вы можете также выпаять его от источника питания ATX. Обмотка двойная по 17 витков (значение выбрано методом проб и ошибок).

Выходное напряжение инвертора должно быть примерно +/- 36 В. Это оптимальное значение для микросхем TDA7294.

Инвертор должен быть нагружен для испытаний электронной нагрузкой или мощным резистором с сопротивлением 50 Ом. Резистор будет выдавать около 100 Вт мощности в виде тепла. Выходное напряжение преобразователя под этой нагрузкой не должно падать ниже 32 В. Наиболее теплым элементом должны быть выпрямительные диоды. Трансформатор должен слегка нагреваться, как и мосфеты. Тест 100 Вт должен занять 10 минут.

Нужен ли стабилизатор напряжения

Стабилизация выходного напряжения на БП усилителя звука — плохая идея. Усилитель имеет очень нелинейное энергопотребление, кроме того, когда проходит бас, он может потреблять много энергии (в импульсе). Обратная связь для управления выходным напряжением может мешать реакции на повышенное энергопотребление.

Для тестирования блок питался от адаптера 12 В 60 A. Кроме того, предохранители желательно установить на линиях +36 В и -36 В. Плата имеет размеры, подходящие для установки в корпуса автомобильного радио, и все элементы можно легко охладить одним вентилятором при необходимости.

Источник

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Весь преобразователь питания собран на небольшой печатной плате из фольгированного стелотекстолита, транзисторы и мощные диоды припаяны металлическими фланцами наружу — к ним прикручивается массивный алюминиевый радиатор. Его размеры зависят от нагрузки, подключенной к устройству.

На следующей фотографии показан вид преобразователя со стороны монтажа. Разрисовка платы и схемы в Layout — на форуме.

В качестве выпрямительных диодов стоят диоды Шоттки. Данным девайсом раскачивал в автомобиле две STK4044, субъективная оценка — очень хорошо!

При выходном напряжении U=+-51В, для нормальной работы микросхем STK на холостом ходу, при P=max просадка порядка 1,5 Вольт на плечо. Думаю этот провал мало ощутим на слух, тем более что усилитель на максимуме вряд ли кто слушает постоянно. Плата разработана собственноручно,можно сказать на скорую руку, так что вы можете усовершенствовать её по желанию. В общем данный самодельный преобразователь для автомобильного УНЧ работает на 100% — рекомендую к повторению. Более подробно зависимость мощности от напряжения выхода и сопротивления динамика УМЗЧ, показана в таблице.

Небольшое примечание: для мощности в нагрузке более 300Вт, желательно ставить в трансформаторе 3 кольца и использовать более мощные полевые транзисторы. Схему проверил: Губернатор.

Форум по обсуждению материала ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

В нескольких схемах рассмотрим, можно ли параллельно включать стабилизаторы напряжения, микросхемы типа LM317 и аналогичные.

Схема усилителя и микрофона из пьезоэлемента, подходящая для сборки своими руками.

Схема простого кварцованного передатчика FM диапазона на мощность до 0,2 Вт, при питании от 12 В.

Источник

Автомобильный преобразователь ±20 В для аудио усилителя

Напряжения бортовой сети легкового автомобиля (12 В) недостаточно, чтобы получить большую выходную мощность от аудио усилителя, поэтому для питания усилителя необходим повышающий преобразователь.

Какую же неискаженную мощность можно получить при однополярном напряжении питания 12 В?

(Uп × 0.709 / 2) 2 / Rд,

где
Uп – напряжение питания,
0.709 – коэффициент пересчета на действующее значение звукового сигнала,
Rд – сопротивление динамика.

Итак, (12 × 0.709 / 2) 2 / 4 = 4.5 Вт. Не впечатляет…

Для питания мощного усилителя звуковой частоты лучше всего применять двуполярное симметричное питание, например, ±20 В.

Тогда (20 × 0.709) 2 / 4 = 50 Вт. Разница существенная, не так ли?

Предлагаемый блок питания предназначен для питания двухканального усилителя с максимальной мощностью 50 Вт на канал. Если требуется иное значение мощности, выходное напряжение может быть легко изменено.

Надписи на схеме

70A 4 mOhmsMOSFET

MOSFET транзистор с сопротивлением открытого канала 4 мОм
и максимальным током 70 А

Powder iron toroid

Кольцо из порошкового железа

5*5;10*10, turns, AWG22*3 primary,
AWG22*2 secondary

Первичная обмотка – 5+5 витков тройного провода 0.32 мм 2 ,
вторичная обмотка – 10+10 витков двойного провода 0.32 мм 2

Shottky, 3 Arectifier

Диод Шоттки на 3 А

Как работает схема?

Это классическая схема двухтактного преобразователя, выдающего симметричное двуполярное напряжение. Имейте в виду, что устройство будет потреблять довольно значительный ток (около 10 A), так что необходимо найти провода подходящего сечения и надежно их припаять, иначе потери напряжения на входе могут оказаться недопустимо большими.

Конструкция трансформатора должна быть направлена на снижение скин-эффекта. Это можно сделать, использовав несколько соединенных параллельно обмоточных проводов. Выходное напряжение зависит от коэффициента трансформации и скважности рабочего цикла. У меня коэффициент трансформации 2, так как количество витков трансформатора 5+5 и 10+10. За счет динамического управления контроллером ШИМ TL494, выходное напряжение поддерживается на уровне 20 В.

Повышающий коэффициент трансформатора должен быть немного выше требуемого, чтобы компенсировать потери на выпрямительных диодах, на сопротивлении обмоток, а также снижении входного напряжения из-за падения на входных проводах.

Конструкция трансформатора

Для заявленной мощности трансформатор должен быть достаточно большим. Сердечник моего трансформатора имеет длину 33.5 мм, высоту 30.0 мм и ширину 13 мм, при этом площадь поперечного сечения равна 1.25 см 2 . Этого достаточно для того, чтобы на частоте 50 кГц получить мощность 150 Вт.

Провода обмоток, особенно первичной должны быть довольно большого сечения, но вместо одного провода лучше использовать несколько проводов параллельно. Это снизит внутреннее сопротивление, которое увеличивается из-за скин-эффекта. Первичная и вторичная обмотки имеют отвод от середины, это означает, что вы должны намотать 5 витков первичной обмотки, сделать отвод, и намотать еще 5 витков. То же самое необходимо сделать и при намотке вторичной обмотки: 10 витков, отвод, и еще 10 витков.

Очень важно, чтобы сердечник трансформатора не имел воздушных зазоров, иначе возникнут большие индуктивные выбросы напряжения, превосходящие уровень рассчитанного выходного напряжения. Поэтому, если выходное напряжение (при полном коэффициенте заполнения импульсов ШИМ) превышает величину

Vin × N2 / N1 – Vdrop

где
Vin – входное напряжение,
N1, N2 – количество витков первичной и вторичной обмоток,
Vdrop – прямое падение напряжения на выпрямительных диодах,

это означает, что трансформатор имеет воздушный зазор (но нужно быть слепым, чтобы не заметить его), и КПД преобразования резко снизится. Чтобы избежать этого, используйте Ш-образный сердечник без зазора или ферритовое кольцо.

Выходные диоды, конденсаторы и дроссель

На выходе трансформатора я использовал диоды Шоттки, так как они имеют низкое прямое падение напряжения малое время восстановления. Недорогие 1N5822 (прямой ток 3 A) – лучший выбор для данной схемы.

Используйте выходные конденсаторы 4700 мкФ 25 В, больше не надо, так как на высоких частотах пульсации определяются, в основном, эквивалентным последовательным сопротивлением конденсатора (ESR). К тому же, при большом коэффициенте заполнения импульсов ШИМ на конденсаторы подается, практически, постоянное напряжение. Дроссель, подключенный к отводу вторичной обмотки, фильтрует пульсации выходного напряжения и способствует его стабилизации при асимметрии выходных напряжений.

Силовые ключи и драйвер

Я использовал ключевые транзисторы в корпусах D 2 PAK максимальным напряжением 70 В, максимальным ток 80 A и сопротивлением открытого канала 0.004 Ом. Это – очень дорогие и труднодоступные приборы фирмы Fairchind semiconductor. В принципе, в схеме смогут работать любые мощные полевые транзисторы, но чем ниже будет их сопротивление канала, тем меньше будет потерь в открытом состоянии, меньший их нагрев и, соответственно, меньше размеры радиатора, и, как следствие, более высокий КПД устройства. На полной мощности (100 Вт) преобразователь на указанных транзисторах работает с КПД 82% с терпимым нагревом довольно небольшого радиатора, без вентилятора. При увеличении мощности до 120 Вт перегрев радиатора увеличивается на несколько градусов и КПД снижается до 75% (сердечник трансформатора входит в насыщение).

Используйте MOSFET транзисторы с низким сопротивлением открытого канала, и проблем с перегревом радиатора не будет возникать, иначе вам даже может потребоваться вентилятор. В качестве драйвера полевых транзисторов используется микросхема TPS2811P фирмы Texas instruments, рассчитанная на пиковый ток 2 А и время переключения 200 нс. Индуктивность линий управления затворами должна быть минимальной, чтобы снизить потери при переключении силовых ключей и влияние на них импульсных шумовых помех. Лично я считаю, что снижение индуктивности достигается с помощью витой пары (свитые проводники, идущие от драйвера к затворам и от стоков к «земле»). При этом резисторы необходимо располагать возле затворов транзисторов, а не возле микросхемы драйвера.

Контроллер

Я применил испытанный ШИМ контроллер TL494 с рабочей частотой, регулируемой потенциометром в пределах 40–60 кГц. Для уменьшения бросков тока добавлена схема мягкого старта. Необходимое выходное напряжение устанавливается подстроечным резистором в цепи обратной связи. К выходнам контроллера ШИМ подключены подтягивающие резисторы R3 и R4, которые в каждом цикле, поочередно, подключаются к «земле». Импульсные выходные сигналы поступают на сдвоенный драйвер MOSFET транзисторов (TPS2811P).

Питание устройства и снижение помех

Как уже было отмечено выше, входные провода и соединительные контакты должны быть достаточно мощными для снижения потерь от падения напряжения и обеспечения высокого КПД. Не забудьте поставить на входе предохранитель на 10–15 А, поскольку ток короткого замыкания автомобильных аккумуляторов очень велик. При подключении к аккумулятору не лишним будет установить предохранитель и непосредственно возле него. Это обезопасит Вас от любой непредвиденной ситуации (а значит и от взрыва, пожара, пожарных и полиции). Немаловажна и фильтрация входного напряжения. Используйте на входе конденсаторы емкостью не менее 20,000 мкФ на напряжение 16 В. Полезно применить и дроссель (с необходимым максимальным током), но пока я решил его не ставить.

Заключительные соображения

Описанный блок питания имеет КПД 85% (иногда даже 90% с определенным видом нагрузки). Для проверки пульсаций выходного напряжения воспользуйтесь осциллографом, но если вы будете следовать моим указаниям, проблем с помехами не будет.

Обратная связь для стабилизации напряжения – это хорошо, но имейте в виду, что обратной связью охвачено только положительное плечо, отрицательное плечо лишь повторяет напряжение положительного. Если нагрузка несимметрична, возможны два варианта:

• Сопротивление нагрузки в положительном плече ниже, чем в отрицательном. Проблем не должно возникнуть, так как отрицательное напряжение повторяет напряжение в положительном, регулируемом плече, что для аудио усилителя не страшно.
• Сопротивление нагрузки в отрицательном плече больше, чем в положительном. Тут будет снижение напряжения на отрицательной шине относительно земли (т.е. перекос), особенно если нагрузка подключена только к этому контакту.

К счастью, аудио усилители являются вполне симметричной нагрузкой, а выходной фильтр из дросселя и конденсаторов позволяет стабилизировать выходные напряжения во время несимметричных переходных процессов (на басах).

ВНИМАНИЕ! Имейте в виду, что ЭТОТ ПРОЕКТ НЕ ДЛЯ НОВИЧКА. НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ НЕ ИСКЛЮЧАЙТЕ ИЗ СХЕМЫ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ, НЕ ЗАМЕНЯЙТЕ ЕГО ТОЛСТОЙ ПЕРЕМЫЧКОЙ (ЖУЧКОМ)! ЭТО ПОМОЖЕТ ИЗБЕЖАТЬ БОЛЬШИХ ПРОБЛЕМ.

ДЛЯ ПЕРВОГО ПРОБНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ используйте небольшой блок питания на 12 В и резисторы для имитации нагрузки и измерения выходного тока и тока потребления. Попытайтесь определить КПД. Если он выше, чем 70–75% – вы можете быть довольны своим детищем. Регулировкой частоты добейтесь компромисса между выходной мощностью и потерями при переключении, от скин-эффекта и гистерезиса.

Источник