Источники питания

Для усилителя звуковой частоты, источник питания, является чуть-ли не самой важной компонентной составляющей. Именно он, играет главную партию первой скрипки во всём наборе составляющих Вашего усилителя. Дело в том, что именно от правильной схемотехники блока питания, от правильно рассчитанных и собранных фильтров, в конечном счете зависит прозрачность, глубина и мягкость (иногда говорят - бархатность) звука.
Достаточный запас мощности и, как можно минимальное внутреннее сопротивление источника питания на высоких звуковых частотах, помогают в значительной степени качественно улучшить характеристики усилителя звуковых частот.
Современная ламповая схемотехника допускает использование, как полупроводниковые, так и ламповые схемы выпрямления переменного тока. Долгие годы начиная с 90х, не прекращались споры о том, можно или нельзя использовать полупроводниковые диоды и мосты в качестве выпрямительных элементов для источников питания усилителей класса Hi-End.
Исходя из личного опыта и опираясь на результаты экспертных оценок качества звучания, были сделаны следующие выводы:
- отличить звук усилителя с кенотронным ламповым блоком питания от полупроводникового практически невозможно;
- существует мнение, что некоторые эксперты с профессиональным музыкальным слухом, способны распознать тип источника питания, но подобные оценки имеют очень высокую погрешность;
- в среде любителей лампового звука, существует негласный закон – «Если усилитель класса Hi-End, или как говорили в старые добрые времена – усилитель высшего класса, то блок питания должен быть выполнен на ламповых диодах (кенотронах).

Схемотехника выпрямителей питающего напряжения на полупроводниках.

На рисунке 1, приведена схема однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде с емкостной нагрузкой.

Рис. 1. Cхема однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде

  U2 = 1,1Uн;   I2 = 2Iн  U3 = 3,1Uн;  Imax = 7Iн   C1 = 500Iн/Uн

На рисунке 2, приведена схема двухполупериодного выпрямителя на двух полупроводниковых диодах с емкостной нагрузкой. При такой схемотехнике силовой трансформатор должен иметь две абсолютно одинаковые повышающие обмотки, что не всегда удобно по ценовым и конструктивным соображениям.

Рис. 2. Схема двухполупериодного выпрямителя на двух полупроводниковых диодах с емкостной нагрузкой

  U2 = Uн;   I2 = Iн  U3 = 3,1Uн;  Imax = 3,5Iн   C1 = 250Iн/Uн

На рисунке 3, приведена схема двухполупериодного мостового выпрямителя на четырех полупроводниковых диодах с емкостной нагрузкой. При такой схемотехнике силовой трансформатор должен иметь одну повышающую обмотку, что позволяет удешевить конструкцию и за счет мостового включения эффективно использовать прямой и обратный полупериоды с одной обмотки.

Рис. 3. Схема двухполупериодного мостового выпрямителя на четырех полупроводниковых диодах

  U2 = Uн;   I2 = 1,5Iн  U3 = 1,6Uн;  Imax = 3,5Iн   C1 = 250Iн/Uн;

На рисунке 4, приведена схема двухполупериодного диодно-емкостного удвоителя напряжения.

Рис. 4. Схема двухполупериодного диодно-емкостного удвоителя напряжения

  U2 = 0,7Uн;   I2 = 3Iн  U3 = 1,6Uн;  Imax = 7Iн   C1 = 1000Iн/Uн;

На рисунке 5, приведена схема диодно-емкостного умножителя напряжения. Коэффициент умножения k зависит от количества используемых умножительных блоков. Умножительный блок это последовательно соединенные конденсатор и диод. В приведенной схеме шесть умножительных блоков.

Рис. 5. Схема диодно-емкостного умножителя напряжения

  U2 = 0,8Uн/k;   U3 = 2,8U2;   C1 = C2 = Cn = 600Iн/Uн;

Все напряжения в приведенных формулах измеряются в вольтах (в), все токи в милиамперах (мА), а все ёмкости в микрофарадах(мкФ). При указанных коэффициентах расчетов емкости, выпрямители обеспечивают коэффициент пульсаций до 1%. Для получения более низких значений коэффициента пульсаций необходимо применять фильтры питания.

Схемотехника выпрямителей питающего напряжения на лампах.

На рисунке 6, приведена схема двухполупериодного выпрямителя на ламповом двуханодном диоде (кенотроне). Эта схема, по своим характеристикам, аналогична полупроводниковой схеме выпрямления, изображенной на рисунке 2.

Рис. 6. Схема двухполупериодного выпрямителя на ламповом двуханодном диоде

  U2 = Uн;   I2 = Iн  U3 = 3,1Uн;  Imax = 3,5Iн   C1 = 250Iн/Uн

Для всех схем питания одинаково справедливо следующее положение, - чем больше емкость конденсатора, тем больше и его заряд и, следовательно, тем дольше он сможет поддерживать ток в нагрузке. Если емкость конденсатора достаточно велика, то он не успевает разрядится до нуля за время промежутков полупериодов переменного тока, и поэтому ток в нагрузке не прекратится, а лишь уменьшится. Если бы емкость конденсатора была бесконечно велика, то конденсатор вообще не успевал бы разрядиться и напряжение на нагрузке оставалось постоянным. Поэтому на практике всегда стремятся сколь возможно увеличить емкость конденсатора фильтра. Но значение емкости конденсаторов конечно. Дальнейшее сглаживание пульсаций переменного тока осуществляется при помощи фильтров питания.

Схемотехника фильтров питания.

В каждом выпрямителе, предназначенном для питания анодных цепей каскадов лампового усилителя, обязательно должен быть сглаживающий фильтр, который значительно уменьшает пульсации тока после выпрямления. Если не принимать меры по сглаживанию пульсаций, фон переменного тока с частотами 50 и 100 Гц попадает вцепи звукового тракта и, как результат, о высококачественном звуке можно забыть. Для контроля и технического воздействия на степень пульсаций, используется параметр, который называется коэффициент пульсаций, обозначается символом е, и измеряется в процентах. Допустимые коэффициенты пульсаций источников питания в процентах для различных типов усилительных схем приводятся в таблице 1.
Так как каскады усиления в усилителях, включаются последовательно, от предварительных до оконечных, а общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов, то напряжения пульсаций увеличиваются аналогично напряжению полезного сигнала. Фильтры питания предназначены для того, чтобы снизить уровень пульсаций и не как не воздействовать на напряжения полезных сигналов.

Таблица № 1.

         На рисунке 7, приведена схема сглаживающего однозвенного П – образного фильтра питания, который наиболее часто применяется в схемах блоков питания ламповых усилителей.

Рис. 7. Схема сглаживающего однозвенного П – образного фильтра питания

 Для однополупериодной схемы выпрямления: LC2 = 100/e;  
 Для двухполупериодной схемы выпрямления: LC2 = 50/e;  

На рисунке 8, приведена схема сглаживающего двухзвенного П – образного фильтра питания, который применяется в специальных схемах высококачественной студийной звуковой техники.

Рис. 8. Схема сглаживающего двухзвенного П – образного фильтра питания

 Для однополупериодной схемы выпрямления: L1C2 = L2C3 = 48/√e;  
 Для двухполупериодной схемы выпрямления: L1C2 = L2C3 = 24/√e;  

         На рисунке 9, приведена схема сглаживающего однозвенного П – образного фильтра питания в котором применен дроссель с компенсационным отводом. За счет применения части компенсационной обмотки, ЭДС заряда конденсатора С2 превышает аналогичную величину в конденсаторе С1, а во время периода разряда происходит перезаряд от С2 к С1, за счет которого резко повышается эффективность фильтра.

Рис. 9. Схема сглаживающего фильтра питания с компенсатором

 Для однополупериодной схемы выпрямления: LC2 = 90/e;  
 Для двухполупериодной схемы выпрямления: LC2 = 45/e;  

На рисунке10, приведена схема сглаживающего однозвенного П – образного фильтра питания с дополнительным фильтром пробкой. Фильтр пробка включает в себя параллельно включенные индуктивность дросселя L и емкость конденсатора С3, и предназначен для увеличения сопротивления переменному току с частотой 50 и 100 Гц. Если выпрямитель построен по однополупериодной схеме, то фильтр пробка рассчитывается на частоту 50 Гц, а если выпрямитель выполнен по двухполупериодной схеме, то на частоту 100 Гц. Такой фильтр значительно эффективнее схем однозвенных фильтров, приведенных выше.

Рис. 10. Схема сглаживающего однозвенного П – образного фильтра питания с дополнительным фильтром пробкой

 Для однополупериодной схемы выпрямления: LC2 = 100/e;   LC3 = 10,112;
 Для двухполупериодной схемы выпрямления: LC2 = 50/e;   LC3 = 2,528;

Внутреннее сопротивление источника питания на верхних звуковых частотах можно значительно понизить, включив параллельно последнему конденсатору фильтра несколько неполярных звуковых конденсаторов с различными межэлектродными диэлектриками и с емкостями меньшими емкости основного конденсатора в 1000, 10000, 100000 и 1000000 раз. Если последний конденсатор фильтра имеет емкость 470 мкФ, то можно применить дополнительно четыре параллельных конденсатора. Параллельные конденсаторы будут следующих номиналов: 0,47 мкФ; 0,047 мкф; 4700 пФ; 470 пФ. Если последний конденсатор фильтра имеет емкость 10 мкФ, то достаточно применить дополнительно два параллельных конденсатора. Параллельные конденсаторы будут следующих номиналов: 0,01 мкФ; 1000 пФ. На рисунке 11, приведена схема сглаживающего однозвенного П – образного фильтра питания с дополнительными параллельными конденсаторами.

Рис. 10. Схема сглаживающего однозвенного П – образного фильтра питания с дополнительными параллельными конденсаторами

 Для однополупериодной схемы выпрямления: LC2 = 100/e;  
 Для двухполупериодной схемы выпрямления: LC2 = 50/e;  
 Независимо от схемы выпрямления: C3 = С2/1000;   С4 = С2/10000;

Во всех расчетных формулах приняты следующие единицы измерения:
Емкость - C (мкФ);
Индуктивность - L (Гн);
Частота - F (Гц);