Захранвания за автомобилни аудио усилватели, схема и принцип на работа
Ориз. 1 автомобилен аудио усилвател моноборд с отделни преобразуватели на захранване
Преобразувателят на напрежение в захранващата верига на автомобилните усилватели, като всеки източник на захранване, има известен изходен импеданс. При захранване от общ източник между каналите на многоканалните аудио усилватели възниква връзка, която е толкова по-голяма, колкото по-висок е изходният импеданс на източника на захранване. Тя е обратно пропорционална на мощността на преобразувателя.
Един от компонентите на изходното съпротивление на захранването е съпротивлението на захранващите проводници. В моделите от висок клас 3,5 mm медни шини се използват за захранване на изходните етапи на аудио усилвателя на мощността. Това е най-простото решение за проблеми със захранването на аудио усилвателя, подобряващо динамиката и качеството на звука.
Разбира се, чрез увеличаване на мощността на захранването взаимното влияние на каналите може да се намали, но не може да се премахне напълно. Ако използвате отделен конвертор за всеки канал, проблемът се отстранява. Изискванията към индивидуалните захранвания могат да бъдат значително намалени. Обикновено нивото на кръстосани смущения на автомобилни усилватели с общо захранване е 40,55 dB за бюджетни модели и 50,65 dB за по-скъпи. За автомобилни аудио усилватели с отделни захранвания тази цифра надвишава 70 dB.
Преобразувателите на захранващо напрежение се делят на две групи - стабилизирани и нестабилизирани. Нестабилизираните са значително по-прости и по-евтини, но имат сериозни недостатъци. При пикове на мощността изходното напрежение на преобразувателя намалява, което води до повишено изкривяване. Ако увеличите мощността на преобразувателя, това ще намали икономията при ниска изходна мощност. Ето защонестабилизираните преобразуватели се използват, като правило, в евтини усилватели с обща мощност на канала не повече от 100. 120 вата. При по-висока изходна мощност на усилвателя се предпочитат стабилизирани преобразуватели.
По правило захранващият блок се монтира в същия корпус като усилвателя (фиг. 1 показва моноплатка на автомобилен аудио усилвател с отделни преобразуватели на захранващо напрежение), но в някои конструкции може да бъде направен като външно устройство или отделен модул. За включване на автомобилния усилвател в режим на работа на усилвателя се използва управляващото напрежение от главното устройство (дистанционен изход). Токът, преминаващ през този щифт, е минимален - няколко милиампера - и няма нищо общо с мощността на усилвателя. В автомобилните усилватели задължително се използва защита срещу късо съединение на товара и прегряване. В някои случаи има и защита на акустичните системи от постоянно напрежение в случай на повреда на изходния етап на усилвателя. Тази част от веригата за модерни автомобилни усилватели стана почти типична и може да се различава при незначителни промени.
Автомобилните усилватели имат още една особеност. Обикновено компонентите на аудио системата са отдалечени един от друг и за свързването им се използват сравнително дълги свързващи кабели, чиято дължина в автомобил може да достигне десетина или повече метра. За да се изключи образуването на паразитна верига, чувствителна към пикапи, трябва да се вземат специални мерки. На първо място, трябва да се стремите системата да има една точка на заземяване (точка на връзка с "масата" на автомобила), но това условие не винаги може да бъде изпълнено. За да се намали нивото на смущения, общият проводник на входните вериги на захранването и общият проводник на неговите изходни вериги имат пъленгалванично изолиран или свързан чрез резистор R1 със съпротивление около 1 kOhm, както е показано на фигура 2. В зависимост от мястото и начина на монтиране на усилвателя, захранващите и комуникационните линии може да е необходимо директно свързване на първичната и вторичната верига за постигане на минимално ниво на смущения.
Ориз. 2 Схема на стабилизирано захранване за автомобилен аудио усилвател "Monacor HPV 150"
В първите автомобилни усилватели, захранванията са използвали преобразуватели на напрежение, направени изцяло върху дискретни елементи. Пример за такава схема на стабилизирано захранване за автомобилен аудио усилвател "Monacor HPB 150" (фиг. 2). На схемата е запазена фабричната номерация на елементите.
Главният осцилатор е направен на транзистори VT106 и VT107 по схемата на симетричен мултивибратор. Работата на главния осцилатор се управлява от ключ на транзистора VT101. Транзисторите VT103, VT105 и VT102, VT104 са двутактови буферни етапи, които подобряват формата на импулсите на главния осцилатор. Изходният етап е направен на паралелно свързани биполярни транзистори VT111, VT113 и VT110, VT112. Съответстващите емитерни последователи на VT108 и VT109 се захранват от ниско напрежение, взето от част от първичната намотка на трансформатора. Диодите VD106 - VD111 ограничават степента на насищане на изходните транзистори. За допълнително ускоряване на затварянето на тези транзистори се въвеждат диоди VD104, VD105. Диодите VD102, VD103 осигуряват плавен старт на преобразувателя. От отделна намотка на трансформатора към токоизправителя (диод VD113, кондензатор C106) се подава напрежение, пропорционално на изхода. Това напрежение осигурява бързо затваряне на изходните транзистори и спомага за стабилизиране на изходното напрежение.
Недостатъкът на биполярните транзистори е голямнапрежение на насищане при висок ток. При ток от 10,15 A това напрежение достига 1 V, което значително намалява ефективността на преобразувателя и неговата надеждност. Честотата на преобразуване не може да бъде по-висока от 25,30 kHz, в резултат на което размерите на преобразувателния трансформатор и загубите в него нарастват.
Използването на полеви транзистори в захранването повишава надеждността и ефективността. Честотата на преобразуване в много блокове надвишава 100 kHz. Появата на специализирани микросхеми, съдържащи главен осцилатор и управляващи вериги на един чип, значително опрости дизайна на захранващи устройства за мощни автомобилни усилватели.
Ориз. 3 Опростена диаграма на нестабилизиран преобразувател на захранващо напрежение за автомобилен усилвател Jensen
Опростена диаграма на нестабилизиран преобразувател на захранващо напрежение за четириканален автомобилен усилвател Jensen е показана на фиг. 3 (номерацията на елементите в диаграмата е условна).
Главният осцилатор на преобразувателя на напрежение е сглобен на чип KIA494P или TL494 (домашен аналог - KR1114EU4). Защитните вериги не са показани на диаграмата. В изходния етап, в допълнение към типовете устройства, посочени на диаграмата, можете да използвате мощни полеви транзистори IRF150, IRFP044 и IRFP054 или домашни KP812V, KP850. Конструкцията използва отделни диодни възли с общ анод и общ катод, монтирани чрез изолационни топлопроводими дистанционери върху общ радиатор заедно с изходните транзистори на усилвателя.
Трансформаторът може да бъде навит на феритен пръстен с размер К42х28х10 или К42х25х11 с магнитна проницаемост μe=2000. Първичната намотка е навита със сноп от осем проводника с диаметър 1,2 mm, вторичната намотка е навита със сноп от четири проводника с диаметър 1 mm. След навиването всеки от снопчетата се разделя на дверавни части, а началото на едната половина на намотката е свързано с края на другата. Първичната намотка съдържа 2х7 намотки, вторичната - 2х15 намотки, равномерно разпределени около пръстена.
Дроселът L1 е навит на феритен прът с диаметър 16 mm и съдържа 10 навивки емайлиран проводник с диаметър 2 mm. Индукторите L2, L3 са навити на феритни пръти с диаметър 10 mm и съдържат 10 навивки тел с диаметър 1 mm. Дължината на всяка пръчка е 20 мм.
Подобна схема на захранване с малки промени се използва в автомобилни усилватели с обща изходна мощност до 100.120 вата. Броят на двойките изходни транзистори, параметрите на трансформатора и дизайнът на защитните вериги варират. В преобразувателите на напрежение на по-мощни усилватели се въвежда обратна връзка на изходното напрежение и се увеличава броят на изходните транзистори.
За равномерно разпределение на товара и намаляване на влиянието на разпространението на транзисторните параметри в трансформатора, токовете на мощните транзистори се разпределят към няколко първични намотки. Например, в преобразувателя на захранването на автомобилния усилвател "Lanzar 5.200" се използват 20! мощни полеви транзистори, по 10 във всяко рамо. Повишаващият трансформатор съдържа 5 първични намотки. Към всеки от тях са свързани по 4 транзистора (два паралелно в рамото). За по-добро филтриране на високочестотни смущения в близост до транзисторите са инсталирани индивидуални изглаждащи филтърни кондензатори с общ капацитет 22 000 uF. Изходите на намотките на трансформатора са свързани директно към транзисторите, без използването на печатни проводници.
Тъй като автомобилните аудио усилватели трябва да работят при много тежки температурни условия, за да осигурят надеждна работа, някои дизайни използват вградени охлаждащи вентилатори, които духат презвъздух през каналите на радиатора. Вентилаторите се управляват от температурен датчик. Има устройства както с дискретно управление ("включване-изключване"), така и с плавно регулиране на скоростта на вентилатора.
Термисторът Rt1 е в термичен контакт с корпуса на усилвателя близо до изходните транзистори. Напрежението от термистора се прилага към инвертиращия вход на операционния усилвател. Резисторите R1 - R3 заедно с термистора образуват мост, кондензаторът C1 предотвратява фалшиви задействания на защитата. При дължина на проводниците, с които термисторът е свързан към платката, около 20 см, нивото на смущения от захранването е доста високо. Чрез резистора R4 се осигурява положителна обратна връзка от изхода на операционния усилвател, който превръща операционния усилвател в прагов елемент с хистерезис. Когато корпусът се нагрее до 100 °C, съпротивлението на термистора намалява до 25 kOhm, компараторът се задейства и високо ниво на напрежение на изхода блокира работата на преобразувателя.
Изходните транзистори на усилвателя и ключовите транзистори на преобразувателя на мощността най-често се използват в пластмасови кутии TO-220. Те са прикрепени към радиатора или с винтове, или с пружинни скоби. Транзисторите в метални корпуси имат малко по-добър радиатор, но тъй като те трябва да бъдат инсталирани чрез специални дистанционни елементи за разсейване на топлината, инсталирането им е много по-трудно, така че те се използват вавтомобилните усилватели са много по-редки, само в най-скъпите модели.