Ни одна статья о проектировании источников питания не будет полной если в ней не будет затронута тема выпрямления и снабберов. Эти области вызывают новый интерес в сообществе любителей самодельного аудио и окружены множеством мифов и легенд. Цель этой страницы — предоставить научную основу, или зерно истины, из которого выросли мифы и легенды.
Кроме того, я расскажу о двух способах проектирования снабберов (он же демпфер) и рассмотрю их влияние на реальный УМЗЧ.
Нет никаких данных, указывающих на то, что использование снабберов оказывает какое-либо влияние на выходное напряжение блока питания или на шумовые характеристики УМЗЧ, подключенного к этому источнику питания.
Тем не менее, применение снабберов может быть оправданными или необходимыми для того, чтобы аудио оборудование соответствовало нормативным требованиям по электромагнитной совместимости .
Хотя выполнение таких требований технически не требуется для самодельных схем , я, безусловно, поддерживаю то, что самодельное оборудование должно быть сконструировано с учётом этих требований.
Однако обратите внимание, что снаббер должен быть спроектирован должным образом, поскольку плохо спроектированный снаббер может в некоторых случаях даже усилить электромагнитные помехи.
Схема типичного блока питания аудиоусилителя показана ниже.
Сетевое напряжение поступает на силовой трансформатор, где преобразуется во вторичное напряжение. Затем это напряжение выпрямляется диодным мостом, сглаживается электролитическими конденсаторами и подаётся в нагрузку.
Такие простые источники питания, как этот, десятилетиями использовались как в самодельном, так и в профессиональном оборудовании и работали довольно хорошо. Однако они не идеальны.
Не идеальность присутствует как в самом трансформатора (из-за паразитных составляющих) так и в характеристиках переключения (работы) выпрямительных диодов. Паразитные составляющие трансформатора показаны на схеме ниже
Паразитные параметры трансформатора включают в себя магнитную индуктивность (LM), межвитковую ёмкость (C), индуктивность рассеяния (Ls) и последовательное сопротивление обмотки (Rs). При желании эти паразитные параметры можно легко измерить с помощью анализатора импеданса или LCR-метра следующим образом:
- Замкните накоротко первичную обмотку трансформатора.
- Измерьте импеданс вторичной обмотки и определите её последовательную индуктивность и последовательное сопротивление. Они будут отражать индуктивность рассеяния (Ls) и последовательное сопротивление обмотки (Rs) соответственно.
- Убрать КЗ первичной обмотки трансформатора и оставьте первичную обмотку разомкнутой.
- Измерьте полное сопротивление вторичной обмотки.
- Измеряемая ёмкость — это межвитковая ёмкость (C), а измерянная индуктивность — это сумма индуктивности намагничивания (Lm) и индуктивности рассеяния (Ls). Однако, поскольку индуктивность намагничивания на несколько порядков больше индуктивности рассеяния, измерение в основном отражает намагничивающую индуктивность.
При нормальной работе источника питания первичная обмотка трансформатора подключена к сети, следовательно, первичная обмотка нагружена очень низким сопротивлением электросети. Это сопротивление отражается на вторичной стороне трансформатора параллельно с индуктивностью намагничивания и межвитковой ёмкостью тем самым эффективно замыкая эти два компонента.
Таким образом, оставшиеся паразитные элементы трансформатора (Ls и Rs), ёмкость печатной платы и ёмкость выпрямительного диода образуют параллельную резонансную цепь с элементом потерь (резистором), включённым последовательно с катушкой индуктивности, как показано ниже.
Наличие этой резонансной цепи само по себе не является проблемой. Когда диодный мост проводит ток, любая энергия, запасённая в этой резонансной цепи, рассеивается в нагрузке. Однако, когда диоды выпрямителя перестают проводить ток, энергия, запасённая во вторичной резонансной цепи, вызывает небольшое колебание ("звон"), пока не будет рассеяна в Rs. Частота колебаний, как правило, находится в диапазоне AM-радио, поэтому может быть проблемой с точки зрения электромагнитной совместимости.
Характеристики обратного восстановления выпрямительных диодов
Один из подходов к минимизации нежелательных электромагнитных излучений и помех заключается в выборе таких выпрямительных диодов, чтобы они обеспечивали как можно меньшее возбуждение паразитного резонансного контура.
Этого можно добиться, выбрав диоды с желаемыми характеристиками обратного восстановления. Обратное восстановление обычного диода с p-n переходом показано ниже
По мере приближения напряжения на диоде (синяя кривая) к нулю ток через диод (красная кривая) также приближается к нулю. Однако для того, чтобы заряд в диодном переходе покинул его, требуется некоторое время. Таким образом, диод будет продолжать проводить ток в течение короткого времени (время обратного восстановления: TRR), даже если напряжение на диоде увеличивается. Количество заряда, прошедшего через диод во время обратного восстановления (QRR), можно определить, интегрировав ток диода за время обратного восстановления. Эти параметры обычно указаны в технических характеристиках диодов.
Многие опытные мастера, работающие по принципу «сделай сам», обратили внимание на обратное восстановление и выбрали для выпрямления сверхбыстрые (с низким TRR) диоды или диоды Шоттки (TRR = 0). Однако такие диоды, как правило, вызывают очень резкие изменения тока диода при выключении, что максимально усиливает возбуждение паразитной резонансной цепи во вторичной обмотке трансформатора. Напомним, что напряжение на катушке индуктивности равно:
где ∂iL/∂t — скорость изменения тока в катушке индуктивности. При резких изменениях ∂i/∂t имеет наибольшее значение, что обеспечивает более высокий уровень возбуждения резонансной цепи. Таким образом, я предлагаю выбирать выпрямительные диоды с низким QRR и мягким восстановлением (низким ∂i/∂t во время обратного восстановления), а не просто выбирать диоды с коротким временем обратного восстановления. Более быстрые диоды (с меньшим TRR) могут привести к снижению потерь при переключении, но любые потери при переключении, вызванные обратным восстанавливающим зарядом, скорее всего, будут на несколько порядков ниже потерь, связанных с прямой проводимостью диода. Таким образом, этими потерями при переключении можно смело пренебречь.
К счастью, различные производители полупроводников предлагают множество диодов, оптимизированных для выпрямления напряжения сетевой частоты. Обычно они обозначаются соответствующим образом в технических характеристиках.
Снабберы (демпфер)
В некоторых случаях даже тщательный выбор выпрямительных диодов может не обеспечить достаточного снижения радиочастотных излучений для соответствия стандартам . В таких случаях необходим демпфер.
Основная цель демпфера — либо снизить частоту "звона", возникающего при выключении выпрямительных диодов, либо рассеять энергию, накопленную в паразитных элементах трансформатора, тем самым уменьшая "звон".
Частоту звона можно уменьшить, добавив емкость Cx параллельно вторичной обмотке трансформатора, как показано на рисунке ниже . Это значительно снижает электромагнитные излучения, поскольку частота звона снижается до точки, где он не может эффективно связываться с другими цепями. Обычно рекомендуется Cx =100нФ, и, по-видимому, обеспечивает достаточное подавление ЭМП для соответствия нормативным требованиям.
Некоторые предпочитают пойти ещё дальше и использовать демпфер, предназначенный для рассеивания энергии, накопленной во вторичном резонансном контуре. Технически для этого нужен только резистор, но простое подключение резистора к вторичной обмотке трансформатора приведёт к рассеиванию большого количества энергии в резисторе. Поэтому последовательно с резистором демпфера (Rsnub) включается конденсатор (Csnub).
Чтобы найти оптимальные значения для C-snub и R-snub, некоторые авторы попытаются вывести математическую модель системы. Хотя это и благородная цель, эти авторы делают ряд приближений, чтобы найти аналитическое решение системы сложных математических уравнений. К сожалению, эти начинания часто не оправдываются на практике
Поэтому, я считаю экспериментальный подход более наглядным и удобным в реальных условиях.
Простая конструкция Снаббера
Значения компонентов снаббера на самом деле не очень критичны.
На практике RCsnub, состоящий из Rsnub = 10 Ом и Csnub = 100 нФ (Cx не используется), обеспечивает полное устранение резонансного звона от паразитных составляющих трансформатора. Добавление Cx ничего не дает . Фактически, это только увеличит количество мощности, рассеиваемой в Rsnub .
Оптимальная конструкция Снаббера
У некоторых может возникнуть желание еще больше оптимизировать снаббер, например, минимизируя количество рассеиваемой в снаббере мощности. Это достигается оптимизацией Csnub .
Назначение Csnub состоит в том, чтобы энергия, накопленная в паразитных компонентах при выключении диодов, рассеивалась в Rsnub. Чтобы Csnub мог делать это хорошо, его проводимость должна быть значительно выше проводимости паразитной емкости в схеме. Таким образом, для определения оптимального значения Csnub необходимо знать величины и характеристики паразитных составляющих.
У большинства разработчиков схем нет доступа к программам расчёта электромагнитного поля, необходимым для определения паразитных параметров печатной платы, а также к измерителям LCR или анализаторам импеданса, необходимым для определения паразитных параметров трансформатора. Кроме того, паразитные характеристики выпрямительных диодов сильно нелинейны и зависят от напряжения, особенно при переходе от прямого смещения к обратному. Таким образом, наиболее надёжным подходом является экспериментальное определение паразитных параметров при желаемом рабочем напряжении схемы. Это можно сделать с помощью осциллографа и простого RC-фильтра верхних частот, как показано ниже
Обратите внимание, что выход источника питания должен быть плавающим (т.е. не подключенным к какой-либо земле). В противном случае источник питания замкнется через заземление осциллографа. Чтобы предотвратить наводку шумов на заземляющий провод осциллографа, я рекомендую минимизировать площадь контура заземления, обмотав земляной провод вокруг корпуса щупа или используя заземляющий пружинный зажим.
На изображении ниже показаны результаты такого измерения, выполненного с использованием силового трансформатора RS Components P/N: 177-945. Обратите внимание на большой всплеск напряжения, вызванный индуктивностью вторичной цепи, за которым следует небольшое «жужжание», когда энергия в резонансном контуре рассеивается на паразитных элементах. Некоторые трансформаторы имеют достаточно потерь, чтобы полностью исключить «жужжание». В таких случаях демпфер не нужен.
Оптимальный демпфер определяется следующим образом:
- Измерьте частоту звона с помощью осциллографа. Как отмечено на рисунке выше, частота звона в этом случае составила 877 кГц.
2. Постепенно увеличивайте емкость на вторичной обмотке, подключая все большие значения Cx. Увеличивайте Cx до тех пор, пока частота звона не уменьшится вдвое, как показано ниже.
3. Паразитную емкость вторичной цепи теперь можно определить как:
Cpar = Cx /3. В измерении выше потребовалось Cx = 5,6 нФ, чтобы уменьшить частоту звона вдвое, таким образом, Cpar = 5,6/3 = 1,88 нФ.
4. Удалить Cx из цепи.
5. Чтобы гарантировать, что большая часть паразитного тока цепи протекает через Csnub , выберите Csnub следующим образом: Csnub = 10·C PAR . Выберите ближайшее большее стандартное значение для Csnub .
Таким образом, для приведенного выше примера
Csnub должен быть: 10·1,88 нФ = 18,8 нФ.
Я выбрал ближайшее большее стандартное значение Csnub = 22нФ.
Rsnub обычно оптимизируется для обеспечения резонансной добротности в диапазоне от 0,5 (критически затухающая) до 0,7 (самая высокая добротность, которая не приводит к звону). Добротность, Q, для параллельной резонансной цепи может быть рассчитана как:
где Xc — реактивное сопротивление емкости в резонансном контуре, а R — параллельное сопротивление. Таким образом, сопротивление, необходимое для получения желаемого резонансного Q, можно рассчитать как:
Я предлагаю проектировать для Q = 0,7 и выбирать ближайшее меньшее стандартное значение для R snub . Это обеспечивает самое быстрое рассеивание энергии в паразитной цепи и полностью устраняет звон, тем самым полностью исключая любую возможность радиочастотных излучений, связанных со звоном. Значения для fo (частота звона без снаббера) и паразитного C (Cpar ) были определены на шагах 1 и 3 соответственно.
7. Выберите ближайшее меньшее стандартное значение: Rsnub = 56 Ω. Полученная переходная характеристика показана ниже.
Для сравнения я повторил измерения с заменой снаббера на снаббер, полученный из простой процедуры проектирования снаббера (Rsnub = 10 Ом, Csnub = 100 нФ). Результат показан ниже. Как видно ниже, простой снаббер тоже хорошо работает.
Для максимальной эффективности снаббера паразитная индуктивность самого снаббера должна быть минимизирована. Для этого, длину проводов и дорожек печатной платы которые идут к снабберу нужно сделать более короткими.
Влияние Снаббера на работу УМЗЧ
Многие самодельщики, вероятно, больше обеспокоены тем как влияет снаббер на звук, чем устранением радиочастотных излучений от выпрямителя.
Чтобы решить эту проблему, я провел эксперимент и измерял воздействия которые снаббер оказывает на выход аудиоусилителя.
Для того чтобы снаббер оказал какое-либо влияние на схему, подключенную к источнику питания, он должен вызвать изменение выходного напряжения источника питания.
Поскольку постоянное напряжение на выходе не изменяется при добавлении снаббера, такое изменение должно быть в пульсации или шуме, наложенном на выходное напряжение постоянного тока.
Таким образом, я измерил пульсацию и шумовое напряжение на выходе моего Power-86, работающего от силового трансформатора RS Electronics P/N 177-945 (2 x 35 В). Источник был нагружен нагрузкой 8 Ом на каждой шине питания, и было проверено наличие «звона» выпрямителя без снаббера.
Результат показан ниже: без снаббера(красный) и оптимизированный RC-снаббер(синий).
Как и ожидалось, демпферы не оказали никакого влияния на выходную пульсацию и шум источника питания. Таким образом, довольно глупо ожидать, что он изменит выход усилителя через источник питания.
В качестве другого варианта возможно, что радиочастотная помеха, излучаемая паразитными элементами трансформатора, индуктивно связывается с усилителем, тем самым ухудшая его выходные характеристики.?
Для проверки этой гипотезы я использовал LM3886DR. Силовой трансформатор представлял собой RS Electronics P/N 177-945, В начале эксперимента было проверено, что на вторичной обмотке трансформатора присутствовало «жужжание» диода без подключенного снаббера.
Я выбрал LM3886DR, так как он очень хорошо подходит для типичного аудиопроекта «сделай сам». Кроме того, коэффициент подавления пульсаций питания (PSRR) у LM3886 довольно низкий, что делает этот усилитель более чувствительным к колебаниям напряжения питания. Таким образом, у LM3886 больше шансов, чем у других моих усилителей, продемонстрировать преимущества использования снаббера.
Я измерил выходную мощность усилителя на холостом ходу и при приближении к клиппированию с нагрузкой 4 Ом для двух типов снабберов: без снаббера и с оптимизированным RC-снаббером. Эта рабочая точка была выбрана потому, что она обеспечивает наибольшее количество помех от диодов и, следовательно, должна показать наибольшее влияние использования демпфера.
Результаты приведены ниже. По сути, измерения проводятся параллельно. То есть нет никакой разницы в выходе усилителя при питании от источника питания без снаббера и при питании от источника питания с полностью оптимизированным снаббером.
Для полноты картины я также измерил многотональный IMD для двух типов демпферов. Этот тестовый сигнал по сути является детерминированной версией музыкального сигнала и, таким образом, представляет реалистичное представление о работе усилителя с музыкальным сигналом. Измерение показано ниже. Опять же, два тестовых условия дают идентичные результаты.
Наконец, я измерил THD+N в зависимости от выходной мощности на частоте 1 кГц с нагрузкой 8 Ом для двух условий тестирования (без снаббера и оптимизированный RC-снаббер). Эта рабочая точка была выбрана, поскольку она обеспечивает самый низкий THD+N LM3886, таким образом, имеет наибольшую вероятность показать любую «муть», введенную из источника питания. Измерение показано ниже.
Неудивительно, что измерения не выявили никакого влияния на выход усилителя при добавлении снабберов.
Хотя увлечение снабберами подбором расчетами — это в основном безвредное занятие, оно также является в значительной степени бесполезным занятием. Хотя снабберы действительно несколько уменьшают амплитуду обратного выброса, который возникает при выключении выпрямительных диодов, они не устраняют его. Таким образом, его потенциал для индуктивной связи с чувствительными узлами сохраняется.
Гораздо более неприятным сигналом, присутствующим в корпусе усилителя, является зарядный ток, проходящий через выпрямительные диоды в накопительные конденсаторы. Напомню, что выпрямительные диоды проводят ток только тогда, когда вторичное напряжение трансформатора превышает напряжение на накопительных конденсаторах. Таким образом, диоды проводят ток лишь в течение небольшой части сетевого цикла. Поскольку заряд, потребляемый нагрузкой, необходимо восполнять во время работы диодов, зарядный ток может быть значительным и часто достигает десятков ампер даже в усилителях небольшой мощности. Кроме того, зарядный ток представляет собой последовательность импульсов, что ещё больше повышает вероятность электромагнитной связи.
На осциллограмме ниже показан ток зарядки усилителя LM3886DR, выдающего 1 кГц при 60 Вт на нагрузку 4 Ом (измерено с помощью трансформатора тока Triad CST-1030 с сопротивлением 100 Ом). Обратите внимание, что масштаб по вертикали составляет 2 А/дел.
Вместо того чтобы добавлять компоненты в конструкцию вашего источника питания, я предлагаю следовать разумной практике компоновки шасси, прокладывая чувствительные сигналы (в частности, входные звуковые ) как можно дальше от проводки выпрямителя и трансформатора.
Заключение
В некоторых случаях демпферы могут потребоваться для того, чтобы оборудование соответствовало нормативным требованиям относительно электромагнитной совместимости. Хотя минимизация электромагнитных излучений в оборудовании DIY является почетной целью, это ни в коем случае не является обязательным.
Те, кто хочет свести к минимуму или устранить электромагнитные помехи, связанные с выпрямлением, обнаружат, что простой конденсатор Cx = 100 нФ или, что ещё лучше, RC-конденсатор, состоящий из Rsnub=10 Ом и Csnub = 100нФ, будет работать хорошо.
Для дальнейшей оптимизации см. процедуру оптимального проектирования демпфера выше.
Однако следует отметить, что добавление снабберов не влияет на выходную мощность блока питания или выходную мощность подключенного аудиоусилителя. Таким образом, любые заявления об аудиофильском превосходстве, возникающие в результате добавления снабберов и демпферов, следует рассматривать скептически.
Вместо добавления снабберов я предлагаю следовать современным лучшим практикам в отношении компоновки шасси и проводки. В частности, я предлагаю прокладывать входную проводку усилителя как можно дальше от силового трансформатора.
Наконец, следует отметить, что «звон» диода, а следовательно, и необходимость (реальная или мнимая) в снабберах, можно устранить, выбрав выпрямительные диоды, предназначенные для мостового выпрямления. Такие диоды обычно маркируются в своих технических характеристиках как «"intended for bridge rectification"» и, как правило, имеют низкий заряд обратного восстановления и мягкую характеристику восстановления.
Модные высокоскоростные диоды или мосты на диодах Шоттки ни в коем случае не являются необходимыми для хорошей производительности источника питания.
Отличной альтернативой диодным мостам в блоках питания для УМЗЧ являются Идеальные мосты на полевых транзисторах под управлением контроллера LT4320 Ideal Diode Bridge Controllers drive four N-channel MOSFETs
Идеальные мосты лишены недостатков присущие выпрямительным диодам и рекомендуются к широкому применению.