Софтстарт с управлением для усилителя (УМЗЧ)
Tags: [add]
Данное устройство представляет собой комбинацию из реле, которое подаёт сетевое напряжение на блок питания усилителя и софт-старта, для его плавного включения. Фактически это реле с функцией «мягкой» коммутации нагрузки.
Для чего это нужно? Когда необходимо подключить к сети мощную нагрузку, даже не столько мощную, а скорее с большим пусковым током, который резко падает по мере работы устройства. Такая нагрузка очень неудобная с точки зрения коммутации: быстро обгорают контакты реле, предохранители приходится выбирать с большим запасом, чтобы не срабатывали от пускового тока, сама сеть может испытывать перегрузку, что приводит к помехам для других подключенных к ней устройств.
О какой нагрузке идёт речь? Блок питания с мощным трансформатором, содержащий конденсаторы очень большой ёмкости, которые в момент подачи напряжения разряжены и представляют «короткое замыкание». При этом, происходит чрезмерная токовая нагрузка на сами компоненты блока питания: трансформатор, выпрямительные диоды и конденсаторы, что не лучшим образом сказывается на их долговечности. У трансформатора в момент включения начинают сильно вибрировать обмотки, что со временем может вызвать разбалтывание витков, что приведёт к гудению. Медленные выпрямительные диоды, как правило дубовые и выдерживают кратковременные перегрузки в десятки раз, диоды шоттки также достаточно крепкие, но аудиофильские суперфасты гораздо более нежные к перегрузкам, что ограничивает их применение в подобных случаях. У конденсаторов в Snap-In корпусах подводы к рулону с обкладками сделаны из тонкой алюминиевой ленты, резкий ток может вызвать локальный перегрев и обрыв этих соединений, также возможен перегрев электролита и вздутие корпуса.
По большому счёту нагрузкой могут быть и другие приборы: например, я тестировал устройство с двумя лампами накаливания по 200 Вт каждая.
Схема устройства
Как работает данное устройство? Если кратко, устройство работает по следующему сценарию:
1) замыкаются контакты реле K2 и переменка через ограничивающий пусковой ток резистор R17 подаётся на нагрузку;
2) через примерно 3 секунды замыкаются контакты реле K1 и шунтируют резистор R17, подключая нагрузку напрямую к сети;
3) через доли секунды размыкаются контакты реле K2 отключая резистор R17.
Изначально все транзисторы, кроме VT4 закрыты. Если соединить выводы обозначенные на схеме 2 и 3, откроется транзистор VT1 и на его коллекторе появится плюс, что в свою очередь приведёт сразу к нескольким параллельным процессам:
- открыванию транзистора VT8 и подачи питания на обмотку реле K2, при этом его контакты замыкаются и переменка через резистор R17 подаётся на нагрузку;
- открыванию транзистора VT3, что в свою очередь закроет транзистор VT4, тем самым позволяя заряжаться конденсатору C1;
- открыванию транзистора VT2, что в свою очередь откроет транзистор VT5, что приведёт к постепенному заряду конденсатора C1 через резистор R10. Наличие резистора R11 даёт более «крутое» открывание транзистора VT7 и возможность применения конденсаторов с низким рабочим напряжением. Когда напряжение на конденсаторе достигнет порога открытия транзистора VT7, он «подаст землю» на обмотку реле K1, контакты которого зашунтируют резистор R17. Далее происходит интересная фишка: транзистор VT6 изначально был закрыт, так как его база была притянута к плюсу через резистор R13 и обмотку реле K1. Но когда на обмотке реле появляется земля, в свою очередь транзистор VT6 открывается и замыкает затвор VT8 на землю, тем самым обесточивая реле K2 и отключая резистор R17. Данное действие происходит не сразу, а с небольшой задержкой, так как этому препятствует конденсатор C2 пока он не разрядится. Это сделано для того, чтобы не получилось такого временного разрыва, когда контакты реле K2 уже разомкнулись, а реле K1 ещё не успело замкнуть контакты. Что даёт такая фишка? Если бы её не было и контакты реле K1 вдруг надёжно не зашунтировали резистор R17 (в следствии деградации от обгорания) могла бы произойти довольно опасная ситуация: через него бы постоянно шёл ток нагрузки, что вызвало бы его перегрев, повреждение и хорошо если это обойдётся без возгорания чего-нибудь.
Источник питания устройства. Устройство питается от трансформатора T1, который имеет две вторичные обмотки с напряжением 15 В. К этим обмоткам подключены два стабилизатора напряжения. Один из стабилизаторов предназначен для питания основного устройства, а второй — для подключения дополнительных устройств, которым требуется ток до 0,2 А. К примеру, это могут быть устройства с функцией ST-BY, индикатор уровня сигнала, защита АС, вентилятор и др. В качестве стабилизаторов были выбраны микросхемы LM317 вместо серии 78. Это решение обусловлено тем, что установить требуемое выходное напряжение на выходе стабилизатора VR2 удобнее с помощью делителя (R20, R21), чем заменой микросхемы серии 78, обладающей фиксированным напряжением.
Коммутация. Реле выбраны с большим запасом прочности — контакты рассчитаны на коммутируемый ток в 16 А. Для продления срока службы контактов реле я поставил снабберную цепочку R18C3, которая гасит искру при размыкании контактов, ведь реле будут коммутировать индуктивную нагрузку — первичную обмотку силового трансформатора усилителя [1]. Резистор R19 не является обязательным элементом схемы. Его основная функция заключается в разряде конденсатора C3, который может сохранять заряд достаточно долго без нагрузки.
Токоограничительный резистор. Резистор R17 на схеме обозначен как один, но в конструктивном исполнении он сделан из четырех 5 Вт резисторов одного сопротивления, как показано на рисунке:
Почему так? Дешёвые и доступные SQP резисторы, похожие на кубики сахара, но на вкус деле не обладают хорошей способностью выдерживать сильные кратковременные перегрузки, что важно в данном применении. Это связано с их конструкцией: внутри массивного керамического корпуса располагается небольшой цилиндр, обмотанный тонкой проволокой. В обычных условиях цилиндр эффективно передаёт тепло корпусу благодаря цементному наполнителю, что позволяет резистору успешно работать в пределах заявленной мощности. Однако при значительной перегрузке проволока внутри сильно нагревается не успевая передавать тепло и может раскаляться до красна (при тестировании я наблюдал внутренние красные вспышки, так как керамика просвечивается). Неизвестно, сколько циклов перегрузки сможет выдержать единичный резистор, поэтому или нужно применять другие типы резисторов, стойкие к сильным кратковременным перегрузкам или набирать токоограничительный резистор из нескольких штук SQP. Желательно также подобрать их с одинаковым сопротивлением, чтобы ток между ними распределялся равномерно. При частом включении устройства с нагрузкой резисторы могут сильно нагреваться, рекомендуется при монтаже оставлять зазор между ними и платой, например, с помощью кембриков из термостойких материалов (стекловолокна, силикона) или керамических трубок, а также использовать пистоны для металлизации.
Сопротивление токоограничительного резистора подбирается в зависимости от необходимого ограничения пускового тока. При этом учитываются мощность трансформатора, ёмкость конденсаторов блока питания и продолжительность прохождения тока через резистор. На практике достаточно приблизительного расчёта, предложенного в источнике [2]. Применительно к данной схеме, максимальный пусковой ток ограничен величиной, вычисляемой по формуле закона Ома:
I=230/(R17+Rt),
где R17 – сопротивление токоограничительного резистора, Ом;
Rt – сопротивление первичной обмотки трансформатора постоянному току, Ом.
Подставляем в формулу значение R17, Rt 3...8 Ом:
I=230/(68+3...8)=3.2...3.0 А.
Рекомендуется выбирать сопротивление токоограничительного резистора в диапазоне 30–68 Ом. Меньше – малоэффективно, больше – увеличивается нагрев резисторов, растягивается время зарядки конденсаторов.
На какой ток выбрать предохранитель F1? В соответствии с рекомендацией из источника [2], рассчитывать ток предохранителя можно так: Iп=(Pбп/230)*1.5. Полученное значение следует округлить до ближайшего номинала предохранителя.
Как изменить время задержки? Подбором ёмкости конденсатора C1 или сопротивлений R10, R11.
Как может быть реализовано управление?
1) Просто соединить на плате выводы 2 и 3 перемычкой — получится классический софт старт, осуществляющий «мягкое» включение блока питания при подключении к сети;
2) Управление от устройства с функцией ST-BY (например, от предусилителя или регулятора громкости с ДУ и дежурным режимом):
3) Электронная кнопка:
Небольшой модуль, который посредством разъёмов подключается к плате устройства. Кнопку без фиксации S1 можно выбрать с учётом личных предпочтений и разместить в нужном месте на корпусе усилителя. Мне очень нравится эта схема, заимствованная из источника [3]. Я уже не раз использовал её в различных проектах.
Детали и конструкция. В соответствии со схемой и файлами плат (все элементы промаркированы, наведите курсор мыши на соответствующие детали).
Трансформатор T1 – ТП-112-11 / 2х15В, 0.24А;
Реле K1, K2 – RT314012 или аналоги;
Диоды – MURS160, VD3, VD4 устанавливать не обязательно.
Плата модуля закрепляется к основной плате с помощью двух нейлоновых самоклеящихся стоек длинной 11 мм (HC-11). Разъёмы: PBS-5 (DS1023) – гнездо на плату 2.54мм 1х5pin прямое и PLS-5 (DS1021) – вилка штыревая 2.54мм 1x5pin прямая.
Напоминаю о необходимости соблюдения правил безопасности:
на плате имеется высокое напряжение!
Перед выполнением любых работ убедитесь, что устройство отключено от электрической сети. После сборки и проверки устройства рекомендуется покрыть печатную плату изоляционным лаком типа PLASTIC70. На монтажные стойки следует надеть термоусадочную трубку. Также между платой и корпусом усилителя необходимо разместить подложку из подходящего электроизоляционного материала и обеспечить достаточный зазор.
Скачать
- Платы: SSC.zip
Ссылки
- http://leoniv.diod.club/projects/audio/a-006/a-006_power/a-006_power.html
- https://cxem.net/sound/amps/
amp158.php - https://radiokot.ru/circuit/analog/
home/37/ - https://electroclub.info/articles/stati-punkt-3/softstart/