Zasilacz do układów audio

Zasilacz do układów audio
Pobierz PDF Download icon
Analogowe układy audio, takie jak bufory czy przedwzmacniacze, są wymagające pod względem jakości zasilania. W przeciwnym razie do przenoszonego sygnału mogą przedostać się rozmaite zaburzenia. Prezentowany zasilacz ma rozbudowaną pętlę sprzężenia zwrotnego, która znacząco poprawia jego odpowiedź impulsową, a to z kolei zmniejsza wpływ ?szarpnięć? prądu na napięcie. Rekomendacje: do zasilania modułów audio i innych urządzeń (np. wzmacniaczy) wymagających zasilania o dobrej jakości.

Uproszczony schemat urządzenia pokazano na rysunku 1. Za stabilizację napięć są odpowiedzialne układy LM317 i LM337. Od strony stałoprądowej ich aplikacja jest typowa: na rezystorze między wyprowadzeniem ADJ a OUT odkłada się napięcie równe referencyjnemu. To powoduje, że przez rezystor włączony między ADJ oraz masę płynie prąd o natężeniu zbliżonym do tego w pierwszym rezystorze. W ten oto prosty sposób działa stabilizacja napięcia wyjściowego.

Kondensatory włączone między linie wyjściowe stabilizatorów a masę służą zmniejszeniu impedancji wewnętrznej takiego źródła zasilania. Jednak, jak dowodzi praktyka, nie są wystarczające, jeżeli pobierany prąd ma charakter impulsowy. Widoczne jest wtedy charakterystyczne „przysiadanie” napięcia pod obciążeniem, które jest skutkiem niezerowej impedancji wyjściowej takiego układu. W układach audio stricte impulsowy pobór prądu występuje rzadko, lecz można spotkać się ze zbliżoną sytuacją.

Zasada działania

Rozwiązanie, które zostało zastosowane w tym zasilaczu polega na dodaniu obwodu, który zmienia potencjał wyprowadzenia ADJ przeciwnie do aktualnej zmiany napięcia wyjściowego. Taką rolę może pełnić wzmacniacz odwracający ze sprzężeniem zmiennoprądowym na wejściu i wyjściu. Podczas testów okazało się, że najlepsze efekty daje zastosowanie wzmacniacza o relatywnie niewielkim wzmocnieniu, ponieważ ma wówczas szerokie pasmo przenoszenia.

Posłużmy się przykładem stabilizatora napięcia dodatniego. Gdy potencjał na jego wyjścia gwałtownie opada, informacja o tym jest przenoszona na wejście wzmacniacza. Ten odwraca jego fazę o 180° i podaje na wyprowadzenie ADJ układu LM317. Impuls prądu zostaje wstrzyknięty w ten węzeł, a jego potencjał natychmiast ulega podniesieniu. Przesunięcie fazy między wyprowadzeniem ADJ a OUT jest zerowe, więc napięcie wyjściowe również wzrasta.

Jest to typowe, ujemne sprzężenie zwrotne – układ na bieżąco śledzi zmiany napięcia wyjściowego i zapobiega im. Jak zostanie dalej pokazane, nie powstają przy tym żadne niepożądane oscylacje, co świadczy o stabilności całego systemu.

Budowa

Na rysunku 2 pokazano schemat ideowy zasilacza. Mostek prostowniczy wykonano na diodach Schottky typu SR1100. Mają one mniejszy spadek napięcia w kierunku przewodzenia w porównaniu ze zwykłymi diodami prostowniczymi. Charakteryzują się również mniejszą rezystancją szeregową, przez co tętnienia napięcia na kondensatorach filtru są mniejsze.

Przed mostkiem, pomiędzy uzwojenia transformatora a masę włączono dwa szeregowe układy RC, tzw. snubbery. Ich rolą jest tłumienie zaburzeń w.cz., które mogłyby przechodzić przez transformator sieciowy do układu. Energia tych zaburzeń jest wytracana w rezystorach R1 i R2. Kondensatory szeregowe odcinają składowe niskoczęstotliwościowe, których tłumić nie trzeba.

Napięcie wyjściowe jest ustalone przez rezystory R3, R4 oraz R8, R9. Zakładając, że napięcie referencyjne wynosi 1,25 V, na wyjściu powinno znajdować się równe 15 V. Jednak nie zastosowano tutaj rezystorów precyzyjnych, ponieważ dla układów analogowych istotniejsza jest niezmienność napięcia w czasie niż jego dokładna wartość.

Rezystory, które są włączone między wyprowadzenia OUT i ADJ mają wartość 100 V. Jest to celowe, ponieważ niektóre stabilizatory z serii LM317/LM337 mają skłonność do wzbudzania się lub podawania zawyżonego napięcia, kiedy ta rezystancja jest większa. Cały układ jest zasilany z sieci, więc pobór prądu wyższy o kilka miliamperów nie jest odczuwalny.

Wzmacniacze odwracające wykonano na podwójnym wzmacniaczu operacyjnym typu TL082. Układ ten charakteryzuje się wysokim współczynnikiem Slew-Rate (13…16 V/ms, zależnie od producenta) oraz szerokim pasmem (4 MHz). Ponadto, ze względu na wejścia typu JFET, nie wymaga on dbałości o kompensację prądów wejściowych.

Sygnał na wejście wzmacniacza odwracającego jest przekazywany poprzez górnoprzepustowy filtr RC, składający się z rezystora 1 kV i kondensatora 22 mF. Jego stała czasowa wynosi 22 ms, a częstotliwość graniczna ok. 7 Hz. Powoduje to kompensację w szerokim zakresie częstotliwości, włączając w to niskie tony sygnału audio.

Wyjścia wzmacniaczy operacyjnych są odseparowane od stałego potencjału wyprowadzenia ADJ przy użyciu kondensatorów o pojemności 22 mF. Dodany szeregowo rezystor 33 V nieco ogranicza wpływ wyjścia wzmacniacza. Chodzi o to, aby przy bardzo silnym spadku napięcia, nie doszło do nagłego przeregulowania wywołanego zbyt silnym podniesieniem potencjału wyprowadzenia ADJ. Jego wartość dobrano eksperymentalnie.

Kondensatory C11-C14 zmniejszają impedancję wyjściową zasilacza w szerokim zakresie częstotliwości. Ich obecność wpływa również pozytywnie na stabilną pracę układów LM317 i LM337.

Zasilanie dla wzmacniacza operacyjnego jest pobierane ze stabilizatorów. Aby zmniejszyć wpływ pobieranego przez wzmacniacz operacyjny prądu, który ma charakter impulsowy, zastosowano dodatkowe filtry RC. W ten sposób, tętnienia z linii wyjściowych nie przenoszą się na wzmacniacz, ani sam TL082 nie wywołuje znaczących zmian napięcia.

Przy układach US1 i US3 znalazły się diody D5 i D6. W czasie normalnej pracy są spolaryzowane zaporowo napięciem odkładającym się na stabilizatorach. Ich rola polega na zbocznikowaniu tych układów scalonych w momencie, gdy wejście zostanie zwarte (np. podczas awarii diod prostowniczych). Kondensatory wyjściowe są wtedy rozładowywane za pośrednictwem tych diod, a między zaciskami IN i OUT nie odkłada się napięcie wsteczne o znaczącej wartości. Takie zdarzenie jest raczej mało prawdopodobne, jednak w razie jego wystąpienia, układy stabilizatorów nie zostaną zniszczone.

Montaż i uruchomienie

Układ zasilacza został zmontowany na jednostronnej płytce drukowanej o wymiarach 100 mm×46 mm, której schemat montażowy przedstawia rysunek 3. W odległości 4 mm od rogów płytki znajdują się otwory o średnicy 3,2 mm, przeznaczone do zamontowania jej w obudowie.

W pierwszej kolejności należy nalutować wszystkie podzespoły w obudowach przeznaczonych do montażu powierzchniowego (SMD). Rozmiar obudów 1206 oraz luźne rozmieszczenie elementów sprzyjają przeprowadzeniu tej operacji nawet przez mało doświadczonych elektroników, którzy nie dysponują specjalistycznymi narzędziami.

Kiedy podzespoły bierne montowane od strony ścieżek znajdą się na swoim miejscu, można przejść do elementów przewlekanych, poczynając od trzech zworek z cienkiego drutu. Pod układ scalony US2 polecam zastosować podstawkę.

Jeżeli układ zasilacza został prawidłowo zmontowany, żadne dodatkowe czynności uruchomieniowe nie są wymagane. Jeśli moc tracona w stabilizatorach może być na tyle wysoka, że grozi to przegrzaniem półprzewodnikowej struktury w ich wnętrzu, należy zastosować radiatory. Układy US1 i US3 zostały celowo tak umiejscowione na płytce drukowanej, aby ułatwić to zadanie.

Do zacisków złącza J1 należy podłączyć uzwojenie wtórne transformatora lub wyprostowane napięcie symetryczne. Niezależnie od przyjętego rozwiązania, jego wartość musi być taka, aby na kondensatorach filtru nie odłożyło się napięcie wyższe niż 35 V.

Dla ciekawskich

Aby przetestować działanie tak rozbudowanego zasilacza w praktyce, do jego wyjścia dołączono obciążenie o charakterze impulsowym. Schemat tego układu testowego znajduje się na rysunku 4. Bramka tranzystora MOSFET była sterowana przebiegiem prostokątnym o małym wypełnieniu i szybkich zboczach, aby uzyskać jak największą amplitudę tętnień.

W pierwszej kolejności sprawdzono zachowanie wyjścia zasilacza bez dodatkowego obwodu w pętli sprzężenia zwrotnego. W tym celu wyjęto z podstawki wzmacniacz operacyjny. Rezultaty są widoczne na oscylogramie na rysunku 5. Tętnienia mają amplitudę rzędu 100 mV.

Po włożeniu US2 w podstawkę, sytuacja uległa diametralnej poprawie – rysunek 6. Tętnienia zmalały tak bardzo, że zamaskował je szum rejestrowany przez oscyloskop.

Ciekawe jest zbliżenie na przebieg czasowy napięcia na wyjściu wzmacniacza US2A (rysunek 7). Widoczny jest na nim mechanizm, który opisałem wcześniej: chwilowemu obniżeniu napięcia wyjściowego towarzyszy reakcja w postaci impulsu podnoszącego potencjał wyprowadzenia ADJ. Po zaniku pobudzenia, potencjał wyjścia spada do zera bez widocznych oscylacji.

Opisane doświadczenie jest przykładem przejaskrawionym w porównaniu do tradycyjnych zachowań układów audio. Pozwoliło ono na ukazanie działania rozbudowanej pętli sprzężenia zwrotnego w praktyce.

Michał Kurzela, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
czerwiec 2017
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik wrzesień 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio wrzesień 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje wrzesień 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna wrzesień 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich sierpień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów