Программирование, радиоэлектроника,
саморазвитие и частичка из моей жизни здесь...

Схема простого блока питания для усилителя мощности Phoenix P-400

тороидальные трансформаторы

Изготовление хорошего источника питания для усилителя мощности (УНЧ) или другого электронного устройства - это очень ответственная задача. От того, каким будет источник питания зависит качество и стабильность работы всего устройства.

В этой публикации расскажу о изготовлении не сложного трансформаторного блока питания для моего самодельного усилителя мощности низкой частоты "Phoenix P-400".

Такой, не сложный блок питания можно использовать для питания различных схем усилителей мощности низкой частоты.

Содержание:

  1. Предисловие
  2. Тороидальный трансформатор 
  3. Подбор напряжений для вторичных обмоток
  4. Расчет количества витков и намотка
  5. Схема выпрямителей и стабилизаторов напряжения
  6. Конструкция
  7. Заключение

Предисловие

Для будущего блока питания (БП) к усилителю у меня уже был в наличии тороидальный сердечник с намотанной первичной обмоткой на ~220В, поэтому задача выбора "импульсный БП или на основе сетевого трансформатора" не стояла.

У импульсных источников питания небольшие габариты и вес, большая мощность на выходе и высокий КПД. Источник питания на основе сетевого трансформатора - имеет большой вес, прост в изготовлении и наладке, а также не приходится иметь дело с опасными напряжениями при наладке схемы, что особенно важно для таких начинающих как я. 

Тороидальный трансформатор

Тороидальные трансформаторы, в сравнении с трансформаторами на броневых сердечниках из Ш-образных пластин, имеют несколько преимуществ:

  • меньший объем и вес;
  • более высокий КПД;
  • лучшее охлаждение для обмоток.

Мне оставалось только рассчитать напряжении и количества витков для вторичных обмоток с последующей их намоткой.

Первичная обмотка уже содержала примерно 800 витков проводом ПЭЛШО 0,8мм, она была залита парафином и заизолирована слоем тонкой ленты из фторопласта.

Измерив приблизительные размеры железа трансформатора можно выполнить расчет его габаритной мощности, таким образом можно прикинуть подходит ли сердечник для получения нужной мощности или нет.

Размеры железного сердечника для тороидального трансформатора

Рис. 1. Размеры железного сердечника для тороидального трансформатора.

  • Габаритная мощность (Вт) = Площадь окна (см2) * Площадь сечения (см2)
  • Площадь окна = 3,14 * (d/2)2
  • Площадь сечения = h * ((D-d)/2)

Для примера, выполним расчет трансформатора с размерами железа: D=14см, d=5см, h=5см.

  • Площадь окна = 3,14 * (5см/2) * (5см/2) = 19,625 см2
  • Площадь сечения = 5см * ((14см-5см)/2) = 22,5 см2
  • Габаритная мощность = 19,625 * 22,5 = 441 Вт.

Если вам нужно рассчитать тороидальный трансформатор, то вот небольшая подборка из статей: Скачать (1Мб).

Габаритная мощность используемого мною трансформатора оказалась явно меньшей чем я ожидал - где-то 250 Ватт.

Подбор напряжений для вторичных обмоток

Зная необходимое напряжение на выходе выпрямителя после электролитических конденсаторов, можно приблизительно рассчитать необходимое напряжение на выходе вторичной обмотки трансформатора.

Числовое значение постоянного напряжения после диодного моста и сглаживающих конденсаторов возрастет примерно в 1,3..1,4 раза, по сравнению с переменным напряжением, подаваемым на вход такого выпрямителя.

В моем случае, для питания УМЗЧ нужно двуполярное постоянное напряжение - по 35 Вольт на каждом плече. Соответственно, на каждой вторичной обмотке должно присутствовать переменное напряжение: 35 Вольт / 1,4 = ~25 Вольт.

По такому же принципу я выполнил приблизительный расчет значений напряжения для других вторичных обмоток трансформатора.

Расчет количества витков и намотка

Для питания остальных электронных блоков усилителя было решено намотать несколько отдельных вторичных обмоток. Для намотки катушек медным эмалированным проводом был изготовлен деревянный челнок. Также его можно изготовить из стеклотекстолита или пластмассы.

Челнок для намотки тороидального трансформатора

Рис. 2. Челнок для намотки тороидального трансформатора.

Намотка выполнялась медным эмалированным проводом, который был в наличии:

  • для 4х обмоток питания УМЗЧ - провод диаметром 1,5 мм;
  • для остальных обмоток - 0,6 мм.

Число витков для вторичных обмоток я подбирал экспериментальным способом, поскольку мне не было известно точное количество витков первичной обмотки.

Суть метода:

  1. Выполняем намотку 20 витков любого провода;
  2. Подключаем к сети ~220В первичную обмотку трансформатора и измеряем напряжение на намотанных 20-ти витках;
  3. Делим нужное напряжение на полученное из 20-ти витков - узнаем сколько раз по 20 витков нужно для намотки.

Например: нам нужно 25В, а из 20-ти витков получилось 5В, 25В/5В=5 - нужно 5 раз намотать по 20 витков, то есть 100 витков.

Расчет длины необходимого провода был выполнен так: намотал 20 витков провода, сделал на нем метку маркером, отмотал и измерил его длину. Разделил нужное количество витков на 20, полученное значение умножил на длину 20-ти витков провода - получил приблизительно необходимую длину провода для намотки. Добавив 1-2 метра запаса к общей длине можно наматывать провод на челнок и смело отрезать.

Например: нужно 100 витков провода, длина 20-ти намотанных витков получилась 1,3 метра, узнаем сколько раз по 1,3 метра нужно намотать для получения 100 витков - 100/20=5, узнаем общую длину провода (5 кусков по 1,3м) - 1,3*5=6,5м. Добавляем для запаса 1,5м и получаем длину - 8м.

Для каждой последующей обмотки измерение стоит повторить, поскольку с каждой новой обмоткой необходимая на один виток длина провода будет увеличиваться. 

Для намотки каждой пары обмоток по 25 Вольт на челнок были параллельно уложены сразу два провода (для 2х обмоток). После намотки, конец первой обмотки соединен с началом второй - получились две вторичные обмотки для двуполярного выпрямителя с соединением посередине.

После намотки каждой из пар вторичных обмоток для питания схем УМЗЧ, они были заизолированы тонкой фторопластовой лентой.

Таким образом были намотаны 6 вторичных обмоток: четыре для питания УМЗЧ и еще две для блоков питания остальной электроники.

Схема выпрямителей и стабилизаторов напряжения

Ниже приведена принципиальная схема блока питания для моего самодельного усилителя мощности.

схема источника питания для самодельного усилителя мощности НЧ

Рис. 2. Принципиальная схема источника питания для самодельного усилителя мощности НЧ.

Для питания схем усилителей мощности НЧ используются два двуполярных выпрямителя - А1.1и А1.2. Остальные электронные блоки усилителя будут питаться от стабилизаторов напряжения А2.1 и А2.2.

Резисторы R1 и R2 нужны для разрядки электролитических конденсаторов, в момент когда линии питания отключены от схем усилителей мощности.

В моем УМЗЧ 4 канала усиления, их можно включать и выключать попарно с помощью выключателей, которые коммутируют линии питания платок УМЗЧ с помощью электромагнитных реле.

Резисторы R1 и R2 можно исключить из схемы если блок питания будет постоянно подключен к платам УМЗЧ, в таком случае электролитические емкости будут разряжаться через схему УМЗЧ.

Диоды КД213 рассчитаны на максимальный прямой ток 10А, в моем случае этого достаточно. Диодный мост D5 рассчитан на ток не менее 2-3А,собрал его из 4х диодов. С5 и С6 - емкости, каждая из которых состоит из двух конденсаторов по 10 000 мкФ на 63В.

Принципиальные схемы стабилизаторов постоянного напряжения на микросхемах L7805, L78012, LM317

Рис. 3. Принципиальные схемы стабилизаторов постоянного напряжения на микросхемах L7805, L7812, LM317.

Расшифровка названий на схеме:

  • STAB - стабилизатор напряжения без регулировки, ток не более 1А;
  • STAB+REG - стабилизатор напряжения с регулировкой, ток не более 1А;
  • STAB+POW - регулируемый стабилизатор напряжения, ток примерно 2-3А.

При использовании микросхем LM317, 7805 и 7812 выходное напряжение стабилизатора можно рассчитать по упрощенной формуле:

Uвых = Vxx * ( 1 + R2/R1 )

Vxx для микросхем имеет следующие значения:

  • LM317 - 1,25;
  • 7805 - 5;
  • 7812 - 12.

Пример расчета для LM317: R1=240R, R2=1200R, Uвых = 1,25*(1+1200/240) = 7,5V.

Конструкция

Вот как планировалось использовать напряжения от блока питания:

Микросхемы и транзисторы стабилизаторов напряжения были закреплены на небольших радиаторах, которые я извлек из нерабочих компьютерных блоков питания. Корпуса крепились к радиаторам через изолирующие прокладки.

Печатная плата была изготовлена из двух частей, каждая из которых содержит двуполярный выпрямитель для схемы УМЗЧ и нужный набор стабилизаторов напряжения.

Одна половинка платы источника питания

Рис. 4. Одна половинка платы источника питания.

Другая половинка платы источника питания

Рис. 5. Другая половинка платы источника питания.

Готовые компоненты блока питания для самодельного усилителя мощности

Рис. 6. Готовые компоненты блока питания для самодельного усилителя мощности.

Позже, при отладке я пришел к выводу что гораздо удобнее было бы изготовить стабилизаторы напряжений на отдельных платах. Тем не менее, вариант "все на одной плате" тоже не плох и по своему удобен.

Также выпрямитель для УМЗЧ (схема на рисунке 2) можно собрать навесным монтажом, а схемы стабилизаторов (рисунок 3) в нужном количестве - на отдельных печатных платах.

Соединение электронных компонентов выпрямителя показано на рисунке 7.

Схема соединений для сборки двуполярного выпрямителя -36В+36В с использованием навесного монтажа

Рис. 7. Схема соединений для сборки двуполярного выпрямителя -36В+36В с использованием навесного монтажа.

Соединения нужно выполнять используя толстые изолированные медные проводники.

Диодный мост с конденсаторами на 1000pF можно разместить на радиаторе отдельно. Монтаж мощных диодов КД213 (таблетки) на один общий радиатор нужно выполнять через изоляционные термо-прокладки (терморезина или слюда), поскольку один из выводов диода имеет контакт с его металлической подкладкой!

Для схемы фильтрации (электролитические конденсаторы по 10000мкФ, резисторы и керамические конденсаторы 0,1-0,33мкФ) можно на скорую руку собрать небольшую панель - печатную плату (рисунок 8).

Пример панели с прорезями из стеклотекстолита для монтажа сглаживающих фильтров выпрямителя

Рис. 8. Пример панели с прорезями из стеклотекстолита для монтажа сглаживающих фильтров выпрямителя.

Для изготовления такой панели понадобится прямоугольный кусочек стеклотекстолита. С помощью самодельного резака (рисунок 9), изготовленного из ножовочного полотна по металлу, прорезаем медную фольгу вдоль по всей длине, потом одну из получившихся частей разрезаем перпендикулярно пополам.

Самодельный резак из ножовочного полотна, изготовленный на точильном станке

Рис. 9. Самодельный резак из ножовочного полотна, изготовленный на точильном станке.

После этого намечаем и сверлим отверстия для деталей и крепления, зачищаем тоненькой наждачной бумагой медную поверхность и лудим ее с помощью флюса и припоя. Впаиваем детали и подключаем к схеме.

Заключение

Вот такой, не сложный блок питания был изготовлен для будущего самодельного усилителя мощности звуковой частоты. Останется дополнить его схемой плавного включения (Soft start) и ждущего режима.

UPD: Юрий Глушнев прислал печатную плату для сборки двух стабилизаторов с напряжениями +22В и +12В. На ней собраны две схемы STAB+POW (рис. 3) на микросхемах LM317, 7812 и транзисторах TIP42 - Скачать.

Печатная плата стабилизаторов напряжения на +22В и +12В

Начало цикла статей: Усилитель мощности ЗЧ своими руками ( Phoenix-P400 )

Комментарии к публикации (23):
Alexandr #1Alexandr
18 Декабрь 2012 12:24

я так понял, что мощности чуть не хватает трансформатору, поэтому он греется, и ты поставил вентилятор, ведь ты не учел кпд усилителя,у которого потребление на каждый канал 130-150 ватт, при отдаваемой мощности 100 ватт, а насчет использования микросхем для питания - классно придумал!)
теперь придется искать сердечник для тороида..

+1
ph0en1x #2ph0en1x
18 Декабрь 2012 14:12
я так понял, что мощности чуть не хватает трансформатору, поэтому он греется, и ты поставил вентилятор

Так и есть, трансформатор немного слабый чтобы тянуть все четыре канала на максимальной мощности. Решил добавить к нему активное охлаждение. Также этот большой куллер сверху корпуса будет охлаждать все внутренности и радиаторы выходных транзисторов.

теперь придется искать сердечник для тороида..

Недавно извлек классный тороид из старого источника бесперебойного питания (ИБП). Поэтому, если есть доступ к старой или вышедшей из строя технике, то стоит ее осмотреть на предмет наличия тороидальных трансформаторов и других полезных электронных компонентов. )

+3
Alexandr #3Alexandr
18 Декабрь 2012 18:15

Я из Казахстана, тут с заказами на радиодетали - проблема, да и вапще с радиодеталями...

извлек из УПСа что ли? А на сколько древнего?

0
ph0en1x #4ph0en1x
19 Декабрь 2012 08:43
из УПСа что ли? А на сколько древнего?

Да, старый блок бесперебойного питания, изготовленный в Польше. С виду где-то 1990-е года.

+1
Alexandr #5Alexandr
09 Март 2013 16:27

ты первичку 0,6 мотал?

+1
ph0en1x #6ph0en1x
09 Март 2013 18:23

Первичная обмотка была уже намотана проводом ПЭЛШО в волокнистой изоляции, диаметром 0,8мм. На вид он примерно вот такой:

Провод ПЭЛШО

+1
Alexandr #7Alexandr
21 Март 2013 15:15

фторопластовая лента - это та что для пайки труб пластиковых что ли?

0
ph0en1x #8ph0en1x
22 Март 2013 09:20

Фторопластовая лента выглядит примерно вот так (в моем случае она еще тоньше):

Фторопластовая лента

Фторопласт - очень стойкий материал, обладает диэлектрическими свойствами и выдерживает температуры вплоть до +260 °С.

0
Alexandr #9Alexandr
26 Март 2013 08:57

а во сколько слоев нужно мотать, а то я намотал в два-три и она насквозь прорвалась проволокой?

0
ph0en1x #10ph0en1x
26 Март 2013 12:00

Я изолировал в 2-3 слоя, лента была достаточно тонкой и эластичной. На фото в публикации трансформатор плотно обтянут такой пленкой снаружи.

0
Alexandr #11Alexandr
23 Апрель 2013 16:20

Резисторы R1 и R2 брать на 0,5 ватта или они по мощнее должны быть?

0
ph0en1x #12ph0en1x
23 Апрель 2013 16:52

Эти резисторы служат для разрядки емкостей после выключения питания.
Считаем ток через резистор: I = U/R = 36В / 2200Ом = 0.016А ~ 0.02А
Рассеиваемая на резисторе мощность: P = U*I = 36В *0.02А = 0,72Вт.

0
Alexandr #13Alexandr
23 Апрель 2013 18:44

спасибо за расчеты, в будущем буду применять эти знания)

а как сделать стабилизированное двуполярное питание для ОУ?

0
ph0en1x #14ph0en1x
07 Июль 2013 00:38

Операционные усилители (ОУ) потребляют немного тока, можно собрать несложный двуполярный стабилизатор напряжения. Вот две схемы которые можно использовать под эту задачу:

Схемы двуполярных маломощных стабилизаторов напряжения

Более простой вариант - использование интегральных стабилизаторов серий 78xx и 79xx.

Принципиальная схема двуполярного стабилизатора напряжения для ОУ

+1
Алексей #15Алексей
02 Апрель 2017 15:08

я питаю усилитель на TDA от компьютерного бп но когда добавляю громкость идет гул посторонний, не подскажите в чем причина ? (хотел сделать стабилизатор, чтоб убрать гул)

0
ph0en1x #16ph0en1x
02 Апрель 2017 16:21

Чтобы убедиться что проблема не в источнике сигнала и не в самом усилителе - попробуйте запитать схему УНЧ от аккумуляторов.

Причиной гудения может быть самовозбуждение усилителя, из-за неправильной разводки печатной платы и т.п.

0
Андрей #17Андрей
15 Декабрь 2017 22:50

А позвольте спросить вопрос по поводу блока питания к усилителю. В заключительной части заголовка Конструкция,сказано, что блок питания подлежал регулировке. Что имеется в виду?

0
ph0en1x #18ph0en1x
16 Декабрь 2017 00:14

Андрей, когда компоненты (трансформатор, платы блока питания, УМЗЧ и т.п.) уже были собраны в корпусе устройства, то возникла необходимость изменить параметры одной из схем стабилизации напряжения - нужно было заменить один из резисторов.

Чтобы извлечь плату с нужным стабилизатором и выполнить замену детали пришлось разбирать почти всю конструкцию. Поэтому я пришел к выводу, что если бы в данном случае схемы стабилизаторов были собраны на отдельных платах, то все было-бы гораздо удобнее.

0
Андрей #19Андрей
16 Декабрь 2017 12:34

спасибо!

+1
ph0en1x #20ph0en1x
22 Апрель 2018 22:17

Добавлена печатная плата для сборки двух стабилизаторов напряжения на +22В и +12В. Прислал Юрий Глушнев!

0
Виталий #21Виталий
29 Апрель 2018 20:08

Здравствуйте ph0en1x ! Очень замечательная и полезная статья особенно для начинающих радиолюбителей!
у меня к Вам вопрос?! Собрал я блок питания ,для питания схем усилителей мощности НЧ как у Вас на схеме с транса ТП-100-10. от магнитофона кометы 225 переменка + - 31,5в после кондеров (4700 мкФ.в плечо ) + -47в поставил резисторы R1 и R2 3 ком 1Вт ,но они очень сильно греются без нагрузки ! В чем причина?

0
ph0en1x #22ph0en1x
30 Апрель 2018 01:28

Здравствуйте, Виталий!

Ток через резисторы R1 и R2: I = U/R = 47 V/3000 Ом = 0,016А
Рассеиваемая на резисторах R1 и R2 мощность: P = U*I = 47 V * 0,016А = 0,752 Вт.

Как видим из расчетов, резисторы действительно будут греться достаточно сильно.

Данные резисторы можно не устанавливать если у вас схема выпрямителя будет постоянно подключена к платам УНЧ, конденсаторы будут разряжаться через схему УМЗЧ (добавил описание этого момента в статью).

Также можно увеличить сопротивление резисторов R1 и R2 до 10К, в таком случае при питании +/-47V рассеиваемая на них мощность уменьшится до 220 мВт.

+2
Виталий #23Виталий
30 Апрель 2018 05:34

Благодарю за развернутый ответ!

+1