Проект Prophetmaster Tierra - моноблоки 50 Вт в классе А

[Prophetmaster]

Строятся УПТ моноблоки в классе А, с планируемой выходной мощностью 50-70 Вт/4 Ом. Tierra, в переводе с испанского, означает Земля - навеяло это название, когда в каждом моноблоке скопилось по Фараде
Поставил себе задачу попытаться сконструировать и изготовить усилитель не хуже по звучанию, чем имеющийся на BUF634T, но с более высокой выходной мощностью.
Уже больше года прошло с момента начала разработки моноблоков, но ввиду сложности задуманного и в связи с малым количеством свободного времени, все двигается гораздо медленнее, чем хотелось бы.
Сначала были изготовлены блоки питания, потому что в данном проекте это самая трудоемкая часть и есть необходимость делать железный макет УМ, так как одним симулятором не обойдешься, а макет нужно питать от полноценного БП, для получения достоверных результатов.
Разводка плат БП для левого и правого канала симметричная в силовой части и в части стабилизаторов УН и УМ, но зеркальная в области первички, несигнальных цепей и выпрямителя УН. При такой разводке, получаются "правый" и "левый" моноблоки. Хочется, чтобы было еще и красиво
Проект некоммерческий, поэтому все схемы в полном объеме будут доступны для просмотра.
Схема БП во вложении.
Что представляет из себя БП одного канала - это полностью стабилизированный блок питания мощностью 600 Вт, который имеет:
1. Силовые двухполярные линии питания с напряжениями +\- 25 В, от мощного тороидального трансформатора (550 Вт). Стабы - LT1083 (7.5 А), 8 шт, соединены по 4 в параллель. Суммарная площадь радиаторов стабилизаторов каждого канала 3000 кв.см. Нагрузка на каждый стабилизатор не будет превышать 1 А, так как ток покоя усилителя планируется около 4 А.
2. Две линии питания с напряжениями +\- 27 В и +\- 15 В для усилителя напряжения от отдельного трансформатора (50 Вт). Стабы - LM317/LM337, по 2 шт. Напряжения +\- 15 В формируются из уже стабилизированного +\- 27 В.
3. Отдельный трансформатор для несигнальных цепей (50 Вт).
4. Отдельный трансформатор для дежурки (5 Вт).
5. Все трансформаторы, кроме дежурки, изготовлены по моему заказу компанией Audioinstrument Все трансформаторы сфазированы по первичным обмоткам.
6. Суммарная емкость конденсаторов фильтра силовых цепей около 1 Фарады на канал, большая часть которых, находится после стабилизаторов.
7. Емкость конденсаторов в цепях питания УН - 27000 мкФ/63 В на напряжение +\- 27 В и 40000 мкФ/25 В на +\- 15 В.
8. Софтстарт во вторичной цепи, с временем заряда конденсаторов около 1 минуты. Так как при выключении питания вторичные силовые цепи отключаются от платы УМ, то для разряда электролитов предусмотрены нагрузочные сопротивления, которые полностью разряжают емкости в течении 20 минут.
9. Оптоэлектронная защита АС от постоянного напряжения встроена в БП и выполняет две функции:
- подает или снимает напряжение со схемы управления реле защиты, которая находится на платах самого УМ.
- обесточивает все вторичные цепи силового питания, в случае появления постоянного напряжения (свыше 1 В) на выходе УМ. Восстановление выходных напряжений происходит через 1 минуту после срабатывания защиты.
То есть, в аварийном режиме, одновременно блокируется нагрузка УМ (как и в предыдущей конструкции, реле защиты будет закорачивать выход на землю) и отключается питание силовой части. Без отключения не обойтись: пока разрядится Фарада, на плате УМ может все успеть поджариться после выключения сети
10. БП имеет трехэтажную конструкцию, что практически дало возможность укоротить многие соединительные шины БП или практически свести их длину к нулю.
11. БП имеет каркасную конструкцию из алюминиевого профиля и алюминиевого бруска, поэтому платы практически не являются несущими элементами, если только чуть-чуть.
12. Силовая разводка в БП произведена плоской медной моножилой 4 кв.мм, разводка земли - плоской медной моножилой 6 кв.мм. Земля на послестабовых силовых емкостях выполнена из листовой меди толщиной 0.7 мм.
13. Первичные цепи 220 В имеют R-C фильтры.
14. Энергоемкость каждого БП составляет 450 Дж для силовых цепей и 20 Дж для питания усилителя напряжения.
15. Все силовые реле производства Finder промышленных серий на 12 В. Все слаботочные - Takamisawa RY12W, также на 12 В, кроме входа включения питания от 5 В, который реализован на слаботочном реле Finder.
Конструктивно БП выполнен на трех платах - нижняя несет на себе всю первичку, основную часть БП несигнальных цепей и защиту. На втором этаже расположены софтстарт и выпрямители сигнальных цепей с частью емкостей, а также остальные несигнальные цепи. На верхней плате расположены вторая часть достабовых емкостей, все стабилизаторы для аудиочасти и послестабовые емкости. Шунтирующих полипропиленовых конденсаторов тут немного - основные шунты будут расположены непосредственно вблизи потребителей - на платах УМ.

Для включения БП не нужен мощный тумблер - достаточно слаботочного выключателя, который может коммутировать постоянное напряжение 12 В и ток 40 мА Как вариант, БП можно включать, подав на него 5 В - пятивольтовое реле может управляться с преда, например.

Во вложении: несколько фото БП, полная схема БП одного канала, РГ (http://khozmo.com/products_dale_shunt.html), трансформаторы для УН, изготовленные А. Воробьевым, пара фото первого из 4-х повторителей и схема повторителя.

[Prophetmaster]

Если вы не вполне понимаете, о чем разговор, прочтите что-нибудь вроде "Холуянов. Трансформаторы однофазного и трехфазного тока",

Эти книжки и многие другие, читал первый раз лет 25 назад, когда в МИРЭА учился У меня все просчитано. Посчитайте сами максимально возможный бросок тока, учитывая наличие конденсаторов С5 и С6 (их никто не заметил, видимо), активное сопротивление первички 2.7 Ом, а также, что максимальный ток нагрузки первичной обмотки, при включении питания, ограничен резисторами софтстарта и не превышает 0.62 А. Реле использовано промышленное, с номинальным током 8 А и номинальной коммутируемой нагрузкой 2000 ВА, при напряжении 220 В. Жду Вашу цифру И закроем эту тему.

Параллельно нижнему резистору в делителе на LT1083 стоит пленка 1 мкф, я много игрался с этим регулятором и если пленку зашунтировать полимером микрофорад на 10 уровень шума уменьшается процентов на 30. Я ставил полимеры ничикона серии LV

А что получится с выходным сопротивлением на 20 кГц, например? Я тоже игрался и теперь использую там только хороший полипропилен.

Рекомендую топикстартеру прочесть нужный даташит

Одних даташитов недостаточно. Нужен опыт практического применения, а он у всех разный. Кому-то нравится с электролитами, кому-то с танталом или с полимерными емкостями. Я остановился на чистом полипропилене.

[bekki]

Я тоже игрался и теперь использую там только хороший полипропилен.

Можно по-подробнее о влиянии этого конденсатора на звук?

[krulfa]

Олег, по схеме БП:

1. Фазу и нуль, я надеюсь, ты отследишь по всем цепям, имеющим гальваническое соединение с электросетью. Напрашивается фаза на контакте К2.1 и нуль на К2.2. Трансформаторы фазируются соотвественно. Также и конденсаторы С7, С4 и проч нужно фазировать, чтобы на нуле они были наружной обкладкой.

2. Чтобы защитить реле K2 от подгорания контактов, нужно ставить резисторы (~22...100 Ом) последовательно с С5, С6, а также перенести конденсатор С7 налево и параллельно С4 в одну точку, либо поставить такой же резистор последовательно с С7. Даже если реле K2 твердотельное и с переходом через ноль, разряд даже небольшого заряда через тринистор будет давать ненужное излучение.

3. Конденсаторы С10, С11 убрать, вместо этого можно увеличить емкость С4, С7. Я такие пробовал в своем усилителе и убрал моментально - заметно вырос уровень фона. Также и С7, С8 велики, нужно ставить минимально возможный номинал под конкретные диодный мост и транс.

4. Софстарт во вторичке я поддерживаю - чем меньше деталей в цепях, гальванически связанных с сетью, тем лучше. Мощному реле от броска тока в первичке ненагруженного трансформатора ничего не будет.

---------- Добавлено в 08:24 ---------- Предыдущее сообщение в 07:48 ----------

5. Не совсем понимаю цель установки счетверенных стабов силового питания на канал.

В данной реализации, при питания четырех стабов четырьмя мостами от одной обмотки трансформатора, возникает риск паразитной петли для импульсного тока в отрицательном плече стабилизации. Если нагрузка на стабы -26 В отличается, должны отличаться токи и падения напряжения на нижних правых диодах мостов (условные D35, D40, D45, D50). А они шунтированы через вторичные цепи земли - например, через петлю R36 C69 C79 R41. То есть, часть импульсного тока перезаряда будет ходить через цепи, где питание уже "чистое". P.S. Нет, неправильно, тут еще интереснее: токи перезаряда будут через сами стабы проходить.

Это недостаток параллельно включенных стабов отрицательного напряжения, выполненных на ИС той же структуры, что и стабы для положительного напряжения +26В. В положительном плече, нижние правые диоды мостов просто включены параллельно, и во вторичные цепи импульсные токи не попадают. Хотя могут несколько неравномерно распределяться по четырем возвратным проводам, идущим от четырех мостов.

В идеале нужно питать каждый мост от своей обмотки. Если нельзя "достать" отдельные обмотки, то хорошего решения без переделки стабов -26В на ИС противоположной структуры я не вижу. Компромиссный вариант - ставить один мост и стабы подключать к нему параллельно, а резисторы R31, R36, R41, R46 перенести в разрыв земляного провода выходных фильтров. Тогда окажется четыре стаба, работающих независимо друг от друга на единую параллельную нагрузку и питающиеся от единого входного источника.

[Prophetmaster]

1. Фазу и нуль, я надеюсь, ты отследишь по всем цепям, имеющим гальваническое соединение с электросетью. Напрашивается фаза на контакте К2.1 и нуль на К2.2. Трансформаторы фазируются соотвественно.

Да, так и есть. Фаза первичек там, где резисторы. Фазы вторичек тоже соблюдены для всех трансов, даже несигнальных цепей.

2. Чтобы защитить реле K2 от подгорания контактов, нужно ставить резисторы (~22...100 Ом) последовательно с С5, С6, а также перенести конденсатор С7 налево и параллельно С4 в одну точку, либо поставить такой же резистор последовательно с С7

Конденсаторы С5 и С6 образуют RC цепочки с переходным сопротивлением контактов реле К2, которое имеет вполне реальное значение. Также, С5 и С6 дают небольшое начальное напряжение на первичке и резисторы последовательно с ними там не нужны, с моей точки зрения.

5. Не совсем понимаю цель установки счетверенных стабов силового питания на канал.
В данной реализации, при питания четырех стабов четырьмя мостами от одной обмотки трансформатора, возникает риск паразитной петли для импульсного тока в отрицательном плече стабилизации.

Линии питания не соединены параллельно - каждая из них замыкается на свои несколько пар оконечных транзисторов. Также сделано и в УМ на BUF634T.

Компромиссный вариант - ставить один мост

А вот тогда, отрицательные стабы окажутся включенными параллельно, несмотря на раздельную нагрузку

---------- Добавлено в 13:06 ---------- Предыдущее сообщение в 13:02 ----------

4. Софстарт во вторичке я поддерживаю - чем меньше деталей в цепях, гальванически связанных с сетью, тем лучше. Мощному реле от броска тока в первичке ненагруженного трансформатора ничего не будет.

Вот и я того же мнения

---------- Добавлено в 13:10 ---------- Предыдущее сообщение в 13:06 ----------

Можно по-подробнее о влиянии этого конденсатора на звук?

Если напихать электролитов в обвязку LT1083CP, то шумы уменьшатся, действительно, но ухудшаются частотные параметры стаба. Мне в силовых цепях эмитерных повоторителей лишние микровольты шума не так важны. Прямую зависимость этого конденсатора на звук описать пока не могу - нужны еще эксперименты.

[bekki]

4. Софстарт во вторичке я поддерживаю - чем меньше деталей в цепях, гальванически связанных с сетью, тем лучше. Мощному реле от броска тока в первичке ненагруженного трансформатора ничего не будет.

Мощному реле ничего не будет ,но от бросков тока первички может вышибать автомат электропитания.

[Prophetmaster]

от бросков тока первички может вышибать автомат электропитания.

По моим рассчетам, бросок тока у такого транса не превышает 6-7 А, но даже если учесть, что моноблоков две штуки, то никаких реальных предпосылок для вышибания двадцати пяти амперных автоматов ввода питания я не вижу, тем более, что одновременности включения, с точностью до микросекунд, все равно не получится, даже в случае внешнего управления от 5 В. Не надо драматизировать ситуацию

---------- Добавлено в 14:25 ---------- Предыдущее сообщение в 14:05 ----------

Конденсаторы С10, С11 убрать. Я такие пробовал в своем усилителе и убрал моментально - заметно вырос уровень фона

Эти кондеры тоже образуют RC цепочки с переходным сопротивлением контактов реле К9. В нестабилизированном БП я бы их не поставил, а перед стабами можно - никакого увеличения фона не будет.

В идеале нужно питать каждый мост от своей обмотки

Один транс с восемью вторичками трудно сделать хорошо Идеально было бы 4 силовых транса с двумя вторичкамии в каждом, но с точки зрения первичной цепи проблем стало бы гораздо больше. Конструктив БП стал бы сложнее, но явно не лучше 11 трансов в каждом моноблоке - это явный перебор

[bekki]

По моим рассчетам, бросок тока у такого транса не превышает 6-7 А, но даже если учесть, что моноблоков две штуки, то никаких реальных предпосылок для вышибания двадцати пяти амперных автоматов ввода питания я не вижу, тем более, что одновременности включения, с точностью до микросекунд, все равно не получится, даже в случае внешнего управления от 5 В. Не надо драматизировать

Ну если после 25А автоматов ничего нет ,тогда конечно ничего страшного ,и никакой драматизации 2 тора по 200 ВА спокойно вышибают 10 амперный автомат.

[Prophetmaster]

2 тора по 200 ВА спокойно вышибают 10 амперный автомат.

Схему первичных цепей покажите. Лучше даже целиком БП.

https://forum.vegalab.ru/attachment....5&d=1232469107
У этого аппарата тор 2 кВт и управляется реле DEG 10А. Софтстарт во вторичной цепи. Работает уже почти 14 лет - автоматов не выбивает, реле не пригорает Схема первички такая же, только даже конденсаторов параллельно контактам реле нет, а резистор перед тором 0.2 Ом.

[krulfa]

2 тора по 200 ВА спокойно вышибают 10 амперный автомат

Автомат менять не пробовали? ;)

[bekki]

Схему первичных цепей покажите. Лучше даже целиком БП.

Обычный БП 2 тр-ра в параллель ,диодные мосты ,конденсаторы . Просто у этих тр-ров был большой намагничивающий ток , софт-старт был переведен на первичку и все. Вышибало автомат не каждое включение.

[MAXIM_A]

А от чего зависит ток включения трансов? Индуктивность?

[krulfa]

Конденсаторы С5 и С6 образуют RC цепочки с переходным сопротивлением контактов реле К2, которое имеет вполне реальное значение. Также, С5 и С6 дают небольшое начальное напряжение на первичке и резисторы последовательно с ними там не нужны, с моей точки зрения.

Тут дело не в переходном сопротивлении и даже не в величине импульсного тока, а в том, что при коммутации заряженных конденсаторов всегда теряется энергия. Она немного излучается, но большая часть поглощается в активном сопротивлении цепи коммутации, независимо от его величины. Без гасящих резисторов она выделится на контактах реле в очень малой области первичного контакта, с гасящими резисторами - на резисторах, поскольку их сопротивление на два и более порядка больше сопротивления контактов. Без резисторов контакты будут подвергаться эрозии и срок службы реле сократится.

Эти кондеры тоже образуют RC цепочки с переходным сопротивлением контактов реле К9. В нестабилизированном БП я бы их не поставил, а перед стабами можно - никакого увеличения фона не будет.

С точки зрения переходного процесса, эти конденсаторы отделены от первички активным сопротивлением обмоток трансформатора. Поэтому большого выделения энергии на контактах не будет - импеданс контактов на полтора и более порядка ниже сопротивления обмоток.

А фон они будут увеличивать за счет того, что будет протекать ток по вторичной обмотке, габариты и индуктивность рассеяния которой обычно больше, чем у первичной, и паразитное магнитное поле вокруг транса может оказаться существенно большим в сравнении с полем рассеяния, создаваемым только током намагничивания первичной обмотки.

---------- Добавлено в 22:39 ---------- Предыдущее сообщение в 22:27 ----------

По стабам - 26В, можно улучшить ситуацию относительно "малой кровью" - перенести резисторы R31, R36, R41, R46 в разрыв противоположного провода питания, как в стабах на +26В, отделив их от общей земли, и увеличить их номинал до 0.47 Ом, если бюджет напряжения позволит, что снизит паразитные токи. 0.1 Ом - слишком мало в данном случае.

[Prophetmaster]

Это недостаток параллельно включенных стабов отрицательного напряжения

По стабам - 26В, можно улучшить ситуацию относительно "малой кровью"

Федор, я никак не пойму в чем проблема? У меня нет параллельного включения стабов. Линии отрицательного питания не соединяются между собой на выходе, они будут питать разные группы транзисторов. Тоже самое и линии питания положительной полярности.
Отрицательные стабы соединены только в одном месте - выходами на землю, причем, шина земли прямо к ногам стабов припаяна:


Но, кстати, по даташиту LT1083CP разрешено соединять параллельно, в отличие от LM79XX, LM78XX, LM313 и LM337, только через резисторы 0.015 Ом, если я правильно понял.

[krulfa]

Попробую проиллюстрировать эквивалентной схемой. Это фрагмент схемы, то, что отброшено, не изменяет картину происходящего.

Здесь:

D35, D40 - правые нижние диоды выпрямительных мостов.
Is1, Is2 - токи заряда входных конденсаторов фильтров C53, С63. Их можно считать независимыми от потенциалов и токов в изображенной части схемы, так как они определяются углом отсечки каждого из мостов, которые в свою очередь определяются нагрузкой каждого из стабов и скоростью разряда конденсаторов С53, С63.
IC5, IC6 - условная эквивалентная схема стабилизаторов. В ней есть источник энергии - батарейка - и идеальный диод D1, D2. Диод помогает лучше понять тот факт, что стаб может только отдавать ток в нагрузку, а принимать не может - если напряжение на его выходе почему-либо превысит расчетное напряжение регулирования, стаб закроется.

Уже в этой схеме просматриваются некоторые проблемы. Что будет, если напряжения стабов IC5 IC6 не равны друг другу?

Предположим, что они равны, но не равны токи IS1 и IS2. Пусть потек ток IS1>0, а IS2 = 0.
Появится падение напряжения на диоде D35.
Потенциал левого вывода резистора R31 (анода D35) увеличиться не может, так как это препятствует стаб IC5.
Значит, понизится потенциал катода D35.
Вместе с этим, откроется и диод D40.
Потенциал резистора левого вывода резистора R36 также пойдет вниз.
Стаб IC6 закроется в связи с падением потенциала на его выходе.
Как конечный результат, часть тока IS1, который должен идти исключительно через диод D35, окажется протекающей по цепи IC5, С69 в параллель с RN2, R36, D40, т.е. через нагрузку.

Разумеется, практика - критерий истины. Если величина импульсного тока, попадающего в резисторы R36, R40 в связи с несимметрией потребления стабов и разбросом параметров диодов, не превысит 50 мА, то на звук это вряд ли повлияет.

[krulfa]

Исправленная схема в аттаче. Единственный способ убрать импульсные токи из паразитного контура, охватывающего нагрузку - жестко закоротить этот контур, т.е. включить и выходы, и входы стабов в параллель. Выходные напряжения стабов придется подгонять друг к другу. Картина протекания токов становится эквивалентной той, что в плече +26В.

[krulfa]

Ну или разорвать между собой катоды D35, D40 путем применения раздельных обмоток трансформатора.

[Prophetmaster]

Я понял, Федор. Сегодня уже купил лампочки на 24 В и завтра попробую нагружать БП в разных конфигурациях. Посмотрю пульсации осциллографом при одном нагруженном стабе и что при этом на тех, которые на холостом ходу. Соединить стабы параллельно дело нехитрое, но не хотелось бы.

[anatol0]

Олег, я думаю, что Вы переделывать вряд ли будете, но, как вариант, можно использовать LM337 с умощняющими транзисторами для отрицательного плеча. Так было сделано в одном из неавторских вариантов ZD-50. Можно найти в соотв. ветке.

[Prophetmaster]

Единственный способ убрать импульсные токи из паразитного контура, охватывающего нагрузку - жестко закоротить этот контур, т.е. включить и выходы, и входы стабов в параллель. Выходные напряжения стабов придется подгонять друг к другу. Картина протекания токов становится эквивалентной той, что в плече +26В.

Федор, исходя из моих сегодняшних измерений, ты оказался во многом прав, но пульсации отрицательного напряжения не так велики - амплитуда р-р в районе 10-12 мВ под нагрузкой 1 А на каждую линию питания. Пульсации положительного плеча меньше - около 2 мВ. В принципе, это все вполне приемлемо, но мне не нравится другое - радиаторы стабов отрицательного плеча греются по разному, хотя ток нагрузки у линий очень близкий - 0.96-0.98А. Думаю, что нужно переставить резисторы 0.1 Ом на выходы стабов, как это сделано в положительном плече. Еще вариант: вместо резисторов 0.1 Ом поставить диоды КД2989 (в отрицательном плече расположить их с выходов стабов на землю). Они дают падение напряжения около 0.3 В.

Если закоротить выходы отрицательных стабов, то пульсации еще уменьшаются - до 5-7 мВ, но радиаторы все равно греются неравномерно.

Олег, я думаю, что Вы переделывать вряд ли будете, но, как вариант, можно использовать LM337 с умощняющими транзисторами для отрицательного плеча. Так было сделано в одном из неавторских вариантов ZD-50. Можно найти в соотв. ветке.

Спасибо! Я знаю такой вариант умощнения, но переделывать не буду, естественно

[krulfa]

пульсации отрицательного напряжения не так велики - амплитуда р-р в районе 10-12 мВ под нагрузкой 1 А на каждую линию питания. Пульсации положительного плеча меньше - около 2 мВ. В принципе, это все вполне приемлемо, но мне не нравится другое - радиаторы стабов отрицательного плеча греются по разному, хотя ток нагрузки у линий очень близкий - 0.96-0.98А.
Если закоротить выходы отрицательных стабов, то пульсации еще уменьшаются - до 5-7 мВ, но радиаторы все равно греются неравномерно.

Пульсации 10-12 мВ, или переменная составляющая тока 100 - 120 мА на резисторе 0.1 - это примерно тот порядок, которого я ждал.

Если корень проблемы понимается правильно, то сильнее греться должен тот стаб, на выходе которого напряжение немного больше, чем у соседей. Он забирает на себя переменную составляющую тока пульсаций, возможно, и в тройном размере - от трех стабов убыло, а к одному прибыло по 120 мА пп, и все в тепло.