|
Если в результате расчета источника питания оказалось, что он должен иметь напряжение пульсаций, составляющее только
5% от величины напряжения питания, то это означает, что 90% времени трансформатор будет фактически отключен от схемы, а выходное
сопротивление источника питания будет определяться только эквивалентным последовательным сопротивлением конденсатора и сопротивлением
выходных проводов. Именно по этой причине замена накопительного конденсатора обычного типа на тип, рассчитанный на высокие
значения токов пульсаций, оказывает очень заметное влияние на качество звучания усилителя, так как для них величина эквивалентного
последовательного сопротивления, ESR, значительно ниже (правда выше при этом оказывается их стоимость).
Комбинация компонентов из обмотки трансформатора, выпрямителя и конденсатора образует сугубо нелинейную систему. Поэтому
их поведение становится гораздо сложнее, чем предсказывает схема идеального источника напряжения Тевенина, в силу чего анализ
необходимо проводить с учетом поведения реальной схемы в различные моменты времени.
На протяжении очень короткого начального периода времени (менее времени заряда конденсатора) выходное сопротивление источника
питания определяется суммой эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора и сопротивления проводов. Это будет
оставаться справедливым даже в случае протекания переходных токов с очень высокими значениями, которые могут возникать при
первом и последующих циклах заряда при условии, что они при этом не очень значительно меняют величину заряда конденсатора.
Единственное условие, которое должно соблюдаться, это то, чтобы конденсатор был бы в состоянии выдержать этот значительный
по величине ток. Для того, чтобы соблюсти это условие, у конденсатора должно быть небольшое значение эквивалентного последовательного
сопротивления, ESR, и не только на частотах сетевого питания, но в диапазоне частот, по крайней мере, до 40 кГц. Это связано
с тем, что выходной усилитель мощности, часто работающий в классе В (с отсечкой выходного тока ламп), вызывает появление
выпрямленной составляющей звукового сигнала, а также его второй гармоники (то есть удвоенной звуковой частоты) на шинах
источника питания. Для выполнения требований этого условия можно использовать электролитический конденсатор, предназначенный
для применения в импульсных источниках питания в качестве накопительного конденсатора, зашунтировав его конденсатором меньшей
емкости (рис. 6.12).
Усилитель мощности при работе может резко уменьшить величину заряда на накопительном конденсаторе, что приведет к снижению
выходного напряжения, либо за счет продолжительного протекания тока с большим значением, который возможен, например, при
длительном испытании усилителя на полной выходной мощности с использованием сигнала синусоидальной формы, либо при воспроизведении
непродолжительных, но очень сильных звуков, например, очень низких по тону звуков барабана.
Рис. 6.12 Использование шунтирующего конденсатора для моделирования свойств «идеального» конденсатора
Питание постоянной по величине нагрузки обычно не представляет труда, так как заранее точно известно, ток какой величины
через нее будет протекать. Поэтому расчет ведется просто для этого значения тока. Если напряжение пульсаций для разумного
значения тока окажется выше, чем хотелось бы, то необходимо добавить в блок питания стабилизатор, чтобы избавиться от них.
Следовательно, для случая синусоидального напряжения величина тока составит:
Трудности возникают тогда, когда необходимо питать изменяющуюся по величине нагрузку. Некоторым может показаться, что
если усилитель мощности рассчитан постоянно отдавать в нагрузку 8 Ом мощность, равную 100 Вт, то все, что необходимо сделать,
так это рассчитать ток, протекающий в нагрузке блока питания при заданной полезной мощности, и вести расчет, исходя из полученного
значения тока. Все изъяны такого подхода легко видны на примере транзисторного усилителя, в котором нагрузка подключена
непосредственно к выходному каскаду и мощность определяется выражением:
Однако следует учесть, что необходимо при расчете использовать амплитудное значение, которое будет больше на величину
√2, то есть составит значение 5 А. Диапазон изменения напряжения усилителя может составлять ±50 В, следовательно,
необходим источник питания, способный обеспечивать напряжение ±50 В при токе 5 А. Таким образом, мощность источника питания
должна составлять 500 Вт, и это для того, чтобы питать монофонический усилитель мощностью 100 Вт!
Такой источник питания оказывается слишком мощным и слишком дорогим и для того, чтобы его использовать действительно
могут понадобиться очень веские причины.
Ключ решения возникшей проблемы заключается в режиме (классе) работы выходного каскада. Если выходной каскада работает
только в классе А, то ток в рабочей точке ВАХ усилительного прибора равен амплитудному значению тока, который необходим
при уровне максимальной выходной мощности, которая в рассматриваемом примере составляет 5 А. Если действительно от источника
питания потребляется ток неизменной величины 5 А, то в этом случае действительно понадобится источник
питания, имеющий мощность 500 Вт (рис. 6.13).
Рис. 6.13 Стандартная схема источника питания транзисторного усилителя
Величина емкости накопительного конденсатора для этой схемы очень легко может быть определена, если воспользоваться ранее
приведенными соотношениями и критерием, в соответствии с которым величина напряжения пульсации составляет 5% от напряжения
питания. Однако с трансформатором дело обстоит иначе. Несомненно, можно будет воспользоваться для непосредственного определения
параметров трансформатора номограммами, первоначально предложенными О. Г. Шейдом (О. Н. Schade). Однако на практике необходимые
для расчета параметров трансформатора данные могут оказаться просто неизвестными, поэтому достаточно часто на практике используют
правило, в соответствии с которым реактивная мощность силового трансформатора должна быть, по крайней мере, равной необходимой
выходной мощности.
Если выходной каскад усилителя предназначен для работы в классе В, то он продолжает питать нагрузку током 5 А в момент
достижения синусоидальным сигналом максимальных (амплитудных) значений, однако, в других точках синусоиды величина тока,
необходимая от источника питания, будет значительно меньше. Это позволяет уменьшить энергопотребление, и соответственно
поднять КПД усилителя. Влияние накопительного конденсатора заключается в усреднении флуктуации потребляемого тока, поэтому
в случае сигнала синусоидальной формы усредненное значение тока Iaverage составит:
Так как усредненное значение тока в рассматриваемом примере составит 3,2 А, то будет выбран трансформатор, рассчитанный
на мощность 350 ВА.
Далее следует учесть, что усилитель никогда не будет работать на полной выходной мощности все время, и что кратковременные
музыкальные пики, для которых требуется максимальная выходная мощность, не будут иметь большую по времени продолжительность.
Следовательно, можно было бы использовать трансформатор, рассчитанный на меньшую мощность, так как накопительный конденсатор
мог бы обеспечить необходимые значения пикового тока. Такой аргумент является весьма соблазнительным, и многие производители
коммерческих усилителей склонились к нему, так как каждый дополнительный фунт стерлингов к стоимости электронных компонентов
добавляет, как правило, от 4 до 5 фунтов стерлингов к розничной цене.
Так как такого рода коммерческие соображения, ограничивающие рамки творчества, не должны повлиять на окончательное принятие
решения, то принцип, в соответствии с которым, чем более мощный силовой трансформатор (в пределах разумного, естественно),
тем лучше, должен быть превалирующим.
|
