Немного о блоках питания (часть III)

Это заключительная часть цикла статей о блоках питания усилителей мощности. С виду простая тема, которая, как оказалось, содержит массу подводных камней, а ошибки, порой самые очевидные (ну это теперь, после прочтения этих статей), допускают не только начинающие, но и опытные разработчики и конструкторы.

Для примера, однажды автора попросили помочь избавиться от сильного фона в гитарном усилителе. Конструкция была достойная, в блоке питания большие фирменные конденсаторы, современная схемотехника. Всё портил фон, уровень которого был очень высок.

Переукладка и экранирование проводов результата не дали. При внимательном рассмотрении конструкции выяснилось, что разработчик зачем-то сделал общую (земляную) шину вдоль всего периметра печатной платы. Получилась отличная антенна, которая и ловила магнитное поле трансформатора. Для лечения потребовался только нож/резак. После того, как земляной контур был разорван (дорожку перерезали лишь в одном месте), фон полностью исчез.

Заземление

Как-то так сложилось, что часто заземлением в усилителях называют общий провод. Хотя по определению, заземляющий контакт должен быть в первую очередь в ваших розетках. К этому контакту подключается корпус усилителя. Вот это и есть настоящее заземление, основное назначение которого защита от поражения электрическим током. Заземление должно быть подключено к общему проводу усилителя через развязывающий резистор (обычно 1кОм 0,5Вт) зашунтированный блокировочным конденсатором на 10нФ.

Обычно рекомендуют подключать общий провод к заземлению у входных разъёмов, именно здесь важно выдержать точно нулевой потенциал.

На практике, если вы подключите заземление к «грязной земле» (корректнее назвать общим проводом) или «сигнальной земле» на печатной плате, это не сильно увеличит фон.

В усилителях с балансным входом точка подключения заземления вообще не играет роли.

Монтаж стерео-усилителя

Стереофонический усилитель это по сути два монофонических усилителя с одним общим источником питания (хотя бывают и с раздельным поканальным питанием). Возникновение «земляной петли», которая является хорошей антенной для фона и помех, показано на рисунке:

Общий провод замыкается через источник сигнала, так как обычно выходные разъёмы источника имеют один общий вывод. Заметьте, в контур попадают и межблочные кабели, которые часто не такие и короткие! Подобная «антенна» наводит фон от 5мВ до 20мВ. Уровень в 5мВ вполне можно услышать, стоя вплотную у акустической системы!

Проблема заземления в профессиональных усилителях устраняется с помощью использования балансных входов, которым не требуется земля для прохождения сигнала. Для усилителей с несимметричным входом стандартным приёмом является использование развязывающих резисторов сопротивлением от 2,2 до 22 Ом между сигнальной землёй и основной точкой заземления на источнике питания. Такое решение было использовано в новаторском усилителе мощности Quad 303 в 1969 году. Общий вывод входов соединяется с общим контактом блока питания отдельным толстым проводником:

Другой метод заключается в использовании одного общего проводника сигнальной земли с зеркальным подключением элементов правого и левого канала, как показано на рисунке:

Использование трансформатора с раздельными обмотками и двумя отдельными выпрямителями обеспечивает полную изоляцию земляных проводников:

Перекрёстные искажения

Другая проблема свойственная  усилителям класса AB заключается в том, что при нестабилизированном источнике питания пульсации его выходного напряжения модулируются звуковым сигналом:

Это вызывает появление перекрестных искажений между каналами. То есть сигнал проникает из одного канала в другой. Как следствие, размытая стерео-база, потеря пространства и т.п. При использовании трансформатора с одной вторичной обмоткой можно организовать отдельные выпрямители и фильтрующие конденсаторы для каждого канала, что обеспечивает некоторую взаимную изоляцию каналов по цепям питания (верхний рисунок), или использовать развязывающие фильтры (нижний рисунок):

Трансформатор с отдельными вторичными обмотками почти полностью решает проблему взаимной изоляции каналов. Если ваш принцип — мы за ценой не постоим, тогда идеальным решением для вас будут два моноблока или отдельные блоки питания для каждого канала.

Новый тест

Для многоканальных или многополосных усилителей стоит провести, наверняка новый для вас, тест. Он поможет определить качество блока питания и фильтров развязки вашего усилителя.

Для этого надо нагрузить один канал резистором, сопротивлением 4 или 8 Ом соответственно, мощностью равной и большей максимальной выходной мощности вашего усилителя. На вход этого канала от генератора подать сигнал максимальной амплитуды.

Вход второго канала заземляем, на выход подключаем акустическую систему и слушаем:

В идеале, конечно, должна быть полная тишина. Если вы что-то услышите, значит цепи питания вашего усилителя нуждаются в доработке!

Однажды автору попалась колонка с активными фильтрами и раздельными усилителями для НЧ и ВЧ полос. В результате такого теста можно было без проблем услышать проникновение гармоник НЧ-сигнала в твиттер. Колонка была возвращена производителю на доработку.

На рисунке представлена схема ретро-усилителя мощности:

В опытном образце сигнальная земля была подключена к основной земле через развязывающий резистор в 10 Ом. Это существенно снизило уровень фона усилителя.

Обратите внимание как подключены проводники к фильтрующему конденсатору:

Импульсное потребление

Не следует забывать, что музыкальный сигнал — это импульсный сигнал. Поэтому блок питания вашего усилителя должен быть в состоянии отдать в нагрузку необходимую импульсную мощность. Как показывает практика, применение в фильтре блока питания нескольких конденсаторов, соединённых параллельно, вместо одного большой ёмкости, даёт бОльшую энергоёмкость, плюс делает не так заметным высыхание одного или нескольких конденсаторов.

Если ваш усилитель вдруг стал заметно фонить, это говорит о том, что конденсаторы в цепях питания высохли. Сегодня появилось большое количество разнообразных ESR-меров, которые позволяют оценить качество конденсатора без выпаивания из схемы. Это хороший инструмент для мониторинга и поддержания в надлежащем состоянии блока питания вашего усилителя.

Статья подготовлена по материалам журнала «Практическая электроника каждый день»

Автор: Джек Розман

Вольный перевод: Главный редактор «РадиоГазеты»