Шло третье десятилетие 21 века. По дорогам ездят электромобили, человечество летает в космос и даже запускает туда автомобили. Несмотря на все перечисленные и другие достижения человечества в различных областях науки, где-то на планете земля остается небольшая, разрозненная категория людей, которая всеми силами противится научному прогрессу: транзисторам предпочитают - электронные лампы, кремниевым транзисторам - германиевые, цифровым аудио форматам - виниловые пластинки, импульсным источникам питания - линейные источники питания, на основе огромных железных трансформаторов. О сравнении различных источников питания и пойдет речь в данной статье.
Какие же преимущества предоставляют импульсные источники питания (ИИП)?
1. Значительно меньшие габариты и вес, в сравнении с линейными источниками питания, при равной выходной мощности;
Достигается это за счет того, что с повышением частоты тока, можно использовать трансформаторы меньших размеров, при равной передаваемой мощности. Кроме того, благодаря высокой рабочей частоте, значительно уменьшаются габариты фильтра выходного напряжения, за счет допустимости использования электролитических конденсаторов значительно меньше емкости.
2. Более высокий КПД (вплоть до 98%);
И это при наличии стабилизации выходного напряжения. В то время как, при необходимости ввести стабилизацию выходного напряжения в линейном источнике питания, потребуются огромные радиаторы для рассеивания большого количества тепла. Общий КПД такого линейного источника питания не превысит 70%.
3. Более низкая стоимость, как импульсного трансформатора, так и всего источника питания в целом;
На момент написания статьи, на всеми известно китайской торговой площадке, импульсный источник питания для УМЗЧ с выходной мощностью 500 Вт и стабилизированным выходным напряжением, обойдется всего в $30, а более мощная версия на 1000 Вт - $55. В то же самое время, за один лишь "большой железный трансформатор" мощностью 500 Вт, придется выложить $35. Не забываем, что для построения простейшего блока питания, к трансформатору придется докупить как минимум диодный мост и ёмкие электролитические конденсаторы, при этом ни о какой стабилизации выходного напряжения не будет идти и речи.
4. Широкий диапазон входных напряжений;
Хороший импульсный источник питания, может обеспечивать постоянную выходную мощность и стабильное выходное напряжения, при входных напряжениях от 85 до 265 В. При необходимости этот диапазон может быть еще шире. Существует профессиональный усилитель, который одинаково успешно может работать от одной, двух или трех фаз, с напряжением от 85 до 440 В. В то же самое время, даже стабилизированный линейный источник питания не способен и близко обеспечить постоянства выходного напряжения при столь широком диапазоне входных напряжений. Про не стабилизированный источник питания и говорить нечего, там выходное напряжение напрямую завит от входного и изменяется синхронно с ним.
5. Наличие набора различных защит.
Каждый импульсный источник питания оснащается как минимум защитой от перегрузки и короткого замыкания (которая помимо защиты самого источника питания, защищает и подключенный к нему усилитель, в случае короткого замыкания на его выходе). Кроме того, импульсный источник питания может быть оснащен защитой от пониженного и повышенного выходного напряжения, защитой от перегрева, защитой акустической системы (отключение источника питания, при появлении постоянного напряжения на выходе усилителя), и другими защитами.
К сожалению, импульсные источники питания не лишены некоторых недостатков:
1. Ограничение на минимальную выходную мощность;
Некоторые импульсные источники питания не способны нормально функционировать без нагрузки или при очень малой нагрузке. В этом случае, происходит неконтролируемый рост выходного напряжения источника питания. К этому склонны некоторые типы как не стабилизированных, так и стабилизированных импульсных источников питания.
2. Работа основной части схемы импульсного источника питания без гальванической развязки от сети;
Непосредственная связь основной части схемы с сетью усложняет построение импульсного источника питания, наладку и ремонт таких источников питания.
3. Относительно высокая сложность схемных решений;
Хотя типов импульсных источников питания и их схемных решений существует великое множество, все они, за исключение самых примитивных, имеют в своем составе большое количество разнообразных радиоэлементов, что усложняет их разработку, сборку и ремонт.
4. Все импульсные источники питания являются источниками высокочастотных помех.
Это связано с самим принципом их работы и поэтому данный недостаток присущ всем без исключения импульсным блокам питания: плохим и хорошим, дешевым и дорогим, самодельным и заводского изготовления. Однако величина этих помех может быть различной по величине и степени влияния на питаемое устройство, а также другую технику, расположенную рядом.
Именно последним недостатком мотивируют свою нетерпимость к импульсным источникам питания, применительно к УМЗЧ, обладатели "золотых ушей". Высокочастотные помехи при работе ИИП, имеют место быть, но почему-то все они забывают о степени влияния этих помех на питаемое устройство. Влияние на питаемое устройство может быть огромным (что должно выражаться в ухудшении технических характеристик питаемого устройства), или вообще никаким (никак не влиять на технические параметры питаемого устройства). Именно со степенью влияния на питаемое устройство и следует разобраться.
Чтобы выяснить какое негативное влияние может оказать импульсный источник питания на питаемое устройство, в нашем случае - на усилитель звуковой частоты, был проведен всего один, но очень показательный эксперимент. Суть эксперимента в том, что один и тот же усилитель мощности, поочередно запитывался сначала от линейного источника питания, а после от импульсного источника. В обоих случаях измерялись технические параметры подключенного к источнику питания УМЗЧ: уровень шума, коэффициент нелинейных и интермодуляционных искажений.
В качестве подопытного усилителя мощности, использовался опытный образец высококачественного усилителя Only Music 2.7 (ОМ2.7).
Честь линейных источников питания отстаивал блок питания, выполненный на основе трансформатора от усилителя Корвет 100У-068. Выходная мощность данного усилителя 2х125 Вт, соответственно мощность его силового трансформатора не менее 250 Вт.
Переменное напряжение от силового трансформатора выпрямлялось диодной сборкой рассчитанной на ток 35 А. Фильтрующие емкости по 15000 мкФ в каждом плече. Выходное напряжение линейного блока питания +/- 44 В (на холостом ходу).
Со стороны импульсных источников питания выступил ИИП на базе микросхемы IR2161 - 2161 SE4.
Расчетная выходная мощностью данного ИИП - 250-300 Вт. Фильтрующие емкости по выходу источника питания 2х1000 мкФ в каждом плече. Выходное напряжение +/- 45 В (на холостом ходу). Стабилизация выходного напряжения отсутствует.
Технические параметры испытуемого усилителя мощности измерялись с применением компьютерной программы RMAA. Измерения проводились трижды для каждого подопытного блока питания, в итоговую таблицу заносилась лучшая из трех попыток. Нужно отметить, что все три попытки, для каждого из блоков питания, были практически идентичны, различались не более чем на погрешность измерений.
Перейдем непосредственно к сравнению полученных технических параметров.
Глядя на спектрограмму, можем наблюдать, что графики почти повторяют друг друга. Различие заметно на частоте 60 кГц, соответствующей рабочей частоте подопытного импульсного источника питания. Линейный источник питания не имеет подъема графика на этой частоте. Зато, по не совсем понятной причине, график линейного источника питания, имеет несколько подъемов на частотах 35 и 55 кГц. В случае питания от импульсного источника питания, подъемов на данных частотах не наблюдается.
Как не странно, но уровень шума на частоте сети 50 Гц и кратных ей, выше оказался у импульсного источника питания. И если на 50 Гц разница в уровне шума едва заметна, то на частотах 100, 200 и 300 Гц, подъем шума есть только при питании от ИИП.
Казалось бы, откуда при питании от импульсного источника питания браться повышенному шуму на низких частотах на 50 и 100 Гц? Все дело в том, что не стабилизированные ИИП, каковым является и подопытный импульсный источник питания, имеют непосредственную зависимость выходного напряжения от напряжения на питающей шине ИИП, поэтому все низкочастотные пульсации напряжения питающей шины ИИП, передаются напрямую на выход импульсного блока. Как правило, во вторичных цепях ИИП не используются накопительные конденсаторы большой емкости, которые были бы способны эффективно подавлять низкочастотные пульсации, поэтому имеем то, что имеем. Надо отметить, что данный недостаток характерен лишь для не стабилизированных импульсных источников питания, стабилизированные ИИП, эффективно подавляют низкочастотные составляющие, проникающие из питающей сети.
Если не обращать внимания на подъемы уровня шума на отдельных частотах, то можно считать оба варианта питания приемлемым, поскольку в обоих случаях шумовая полка находится ниже -110 дБ, а значит, на слух данный шум будет не слышен.
На спектрограмме нелинейных искажений так же заметен чуть больший уровень низкочастотного шума при питании усилителя от импульсного источника питания. Разницы в уровне нелинейных искажений не наблюдается вовсе.
Здесь ситуацию полностью аналогичная. Комментировать нечего.
И в заключение - итоговая таблица:
Сравнительная таблица подтверждает, что разницы в том, каким источником питания питать усилитель мощности низкой частоты - практически нет. Разница в нелинейных искажениях - 0,0005%, причем в пользу импульсного источника питания. По интермодуляционным искажениям, импульсный источник питания также оказался незначительно лучше на 0,0004%. И даже не смотря на некоторые пики шума на спектрограмме, импульсный источник питания и по уровню шума тоже немного (на 0,8 дБ) обошел линейный источник питания.
Из всего этого, можно сделать вывод, что для питания усилителей мощности звуковой частоты одинаково хорошо подходит любой источник питания: линейный или импульсный. Никакой, хоть сколько-нибудь значительной разницы в технических параметрах испытуемого усилителя - нет.
Ссылки:
Статья в сообществе Nem0 в ВК -
https://vk.com/@nem0_audio-iip-vs-trans
Дата первой публикации: 14 сентября 2018
Дата изменения: 21 января 2022