11 схем питания различной сложности

О пользе силикона

В полной мере сказанное относится не только к ламповым проектам, поэтому все, что будет описано ниже, пригодится и для цифровых, и для аналоговых трактов на полупроводниках.

«А в чем, собственно, проблема? Для накала существуют трехвыводные сильноточные стабилизаторы, а анодные делаются либо на тех же лампах, либо на высоковольтных MOSFET’ах», — такова была первая реакция большинства конструкторов аудио, с кем я пытался завести разговор на эту тему. А жизнь, между прочим, не так проста, как кажется на первый взгляд. Любимые всеми интегральные стабилизаторы серий LM78, LM79, LM317 и LM337 очень удобны и стоят копейки, но в технике класса High End применяются крайне редко из-за широкого спектра ВЧ-шумов, которые у них вообще не нормируются. Эти шумы не слышны, но, взаимодействуя с полезным сигналом, становятся причиной интермодуляции. А вот она уже ведет к излишней жесткости на верхних частотах и частичной потере разрешения. Если от такого стабилизатора питаются катоды прямонакальных ламп, особенно входных, вы можете вообще потерять интерес к проекту — вся грязь из сети, изрядно приправленная собственным шумом микросхемы, будет усилена и попадет на выход усилителя. Поэтому серьезные разработчики в последнее время все чаще предпочитают более сложную схемотехнику, но гарантирующую защиту от ВЧ-неприятностей. Что же касается высоковольтных стабилизаторов, то там ситуация еще хуже. Во-первых, в качестве источников эталонного напряжения используются либо кремниевые, либо газоразрядные стабилитроны, и включаются они, как правило, в катод управляющей лампы (или эмиттер транзистора, что существа дела не меняет). Во-вторых, в ламповых усилителях, особенно однотактных, проходной элемент стабилизатора находится в цепи звукового сигнала и вносит в него свой неповторимый акцент. Так что, кроме конденсаторов, усилительных ламп и трансформаторов, вы будете еще слушать какой-нибудь MOSFET или 6С33С. У меня есть подозрение, что аналогичная ситуация наблюдается и в транзисторных усилителях, но сам не экспериментировал, врать не стану.

Начнем с питания низковольтных цепей — накала, смещения и т.д. В каталоге любого крупного производителя полупроводников обязательно есть малошумящие источники опорного напряжения, и некоторые с регулируемым напряжением выхода. У этих стабилитронов только один минус — ток через переход ограничен несколькими миллиамперами, поэтому для сколько-нибудь серьезной нагрузки их придется дополнить внешним проходным транзистором. Наиболее широко распространен чип TL431, выпускаемый фирмой Texas Instruments. Напряжение шумов на его выходе около 7 мкВ на частоте 10 Гц, стоит около 16 руб. и выглядит, как обычный маломощный транзистор в пластмассовом корпусе ТО-92. Очень удачная схема его применения выложена на сайте www.klausmobile.narod.ru (рис.1).

Рис. 1

Здесь IC1 служит источником опорного напряжения, а IC2 является датчиком схемы защиты от КЗ выхода. Достоинство схемы в том, что в качестве проходного элемента работает МДП-транзистор с изолированным затвором, поэтому при любой нагрузке (схема нормирована до 5 А) ток через стабилитрон остается в пределах нормы. R3 задает выходное напряжение, а R2 — ток срабатывания защиты. MOSFET может быть любым из серий IRF400 — 600 и устанавливается на теплоотводе. Рассеиваемая на нем мощность подсчитывается по формуле P = (Uвх — Uвых) x Iнагр. Если стабилизатор должен обеспечивать фиксированное напряжение, то его тоже легко рассчитать: Uвых = (1+R1/R2) x Uref, где Uref — опорное напряжение TL431, т.е 2,5 В. Из этого легко видеть, что для получения Uвых = 5 В, например, питания цифровой части ЦАПа, сопротивления R1 и R2 должны быть одного номинала (примерно 3,3 — 6,8 К).

Для слаботочных цепей, например, сеточного смещения или питания ОУ в тракте CD-проигрывателя, очень хороши параллельные стабилизаторы. В них регулирующий элемент включен параллельно нагрузке, что имеет неоспоримые преимущества — по переменному току его сопротивление очень мало, а по постоянному — очень велико. Вам это ничего не напоминает? Правильно, конденсатор, причем без какой-либо абсорбции, утечки, с мизерным ESR и индуктивностью. Короче, почти идеальный. Пример такого стабилизатора показан на рис. 2. Источник опорного напряжения здесь тот же — TL431, и выходное напряжение рассчитывается по той же самой формуле и подстраивается триммером R1. Стабилизация (если кто не знает) происходит за счет падения напряжения на резисторе R0. Номинал R3 выбирается с тем расчетом, чтобы ток через TL431 был в пределах 1 — 3 мА. Еще более очевидны выгоды такой схемы для построения высоковольтных стабилизаторов, но об этом ниже.

Рис. 2

На той же TL431 легко собрать схему задержки включения анодного питания (рис. 3). Время задержки задается параметрами цепочки R1/С1 и при указанных номиналах составляет около 25 секунд. Оптрон — 293КП9В или ему подобный.

Рис. 3

В схемах дифференциальных каскадов с т.н. long tail отрицательное напряжение для лучшей симметрии следует подавать через источник тока. Часто для этого используют лампы. А если нет места, или трансформатор питания работает на пределе и уже не потянет еще один накал?

Пригодится простенькая схемка на полевом транзисторе (рис. 4). Единственный элемент, на качество которого стоит обратить внимание — электролитический конденсатор в делителе затвора. Он должен быть либо Black Gate, либо Elna Cerafine. Собирается источник тока на крошечной печатной плате и может быть встроен в любой усилитель при апгрейде. Отрицательное напряжение на «хвост» можно получить выпрямлением напряжения накала.

Рис. 4

Еще один возможный путь апгрейда — снижение шумов стандартных источников питания. Способ примерно тот же, т.е. шунтирование шины питания активным фильтром с определенными параметрами (рис. 5). Без какой-либо настройки он подавляет ВЧ-составляющую на 20 дБ, а если подобрать резистор в цепи эмиттера, то можно додавить их и до 40 дБ. Потребление тока самим шунтом около 10 мА, так что он вряд ли перегрузит стабилизатор. Если ток в нагрузке более 300 мА, то шунт придется умощнить (рис. 6). Для этого понадобится составной транзистор (КТ825/827 в зависимости от полярности источника), который будет забирать на себя уже около 40 мА. Зато им можно «чистить» сильноточные шины, например накальные. Если в предварительном усилителе или фонокорректоре выносной блок питания, то к сетевым помехам и шумам стабилизатора добавятся ВЧ и СВЧ-наводки на соединительные провода. Частично эта проблема решается с помощью ферритовых колец, надеваемых на жгут или отдельные проводники, но гораздо более заметный эффект дает схема, показанная на рис. 7. Она ставится на приемном конце, т.е. в самом усилителе, и питается от той же шины, которую чистит. ОУ должен быть по возможности малошумящим и широкополосным, к качеству остальных деталей особых требований не предъявляется. На рис. 8 видно, что эффективность подавления шумов на частоте 100 Гц достигает 24 дБ без точного подбора номиналов. Более подробное описание этих шумоподавителей можно найти по адресу www.wenzel.com/documents/finesse.html .

Рис. 5

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

Теперь об анодном питании. В 1998 г. компания Technics начала выпускать усилители DVD Audio Ready, т.е. с расширенным динамическим диапазоном. Для них пришлось разрабатывать новые источники питания, поскольку при имеющихся невозможно было снизить шумы усилителя до нужной величины. Была запатентована схема т.н. виртуальной батареи или, как ее еще называют, схема с умножением емкости. Высоковольтный вариант такой батареи показан на рис. 9 (верхняя часть схемы). Как видите, здесь вообще нет стабилитрона, поэтому, строго говоря, это не стабилизатор, а фильтр с составным проходным элементом. Суть идеи в том, что входное сопротивление МДП-транзистора — несколько сотен мегаом, что позволяет подключить его затвор к RC-цепочке с такой огромной постоянной времени (4,7 мОм и 47 мкФ соответственно), что никакие помехи через нее не проходят. Минусы схемы — уже упомянутое отсутствие стабилизации и очень долгий заряд, время которого составляет примерно 20 мин. Аппарат с таким источником питания вообще выключать не рекомендуется.

Рис. 9

Более серьезные люди питают аноды ламп от параллельных стабилизаторов. Помимо перечисленных выше преимуществ, они обладают и еще одним — после выключения питания быстро разряжают емкости фильтров. Кстати, об этом почему-то мало кто заботится, а ведь вреда от этого ничуть не меньше, чем при подаче напряжения на анод холодной лампы. В предах, например, конденсаторы разряжаются несколько минут, а катоды остывают значительно быстрее. Кроме того, шунты начинают потреблять ток мгновенно после включения, благодаря чему фильтр застрахован от перегрузок по напряжению в режиме холостого хода. Схема относительно простого и недорогого шунт-регулятора (рис. 10) содержит мощный высоковольтный MOSFET IRF820 и схему управления на малошумящем ОУ TL-071. Опорное напряжение задается делителем на инвертирующем входе, а напряжение шины питания контролируется через интегрирующую RC-цепочку 1,5 мОм и 1 мкФ. Между выходом ОУ и затвором транзистора стоит режекторный ВЧ-фильтр, вырезающий самый вредный участок шумового спектра. Обратите внимание, что нагрузка подключается к шинам в том месте, где припаяны элементы делителя, еще лучше подключить верхнюю точку интегрирующей цепочки непосредственно к потребителю, например, к анодной обмотке выходного трансформатора. Между выпрямителем и стабилизатором должно быть включено либо сопротивление, на котором будет падать разница напряжений, либо, что значительно лучше, мощный источник тока. Такой, например, как на рис. 11 слева. Это вообще очень интересная схема, ее автор, Манфред Хубер (http://home.t-online.de/home/MHuber/bjtreg.htm) уверен, что она дает тот же эффект, что и тефлоновый конденсатор емкостью 1000 мкФ, включенный параллельно нагрузке. Я пробовал запитывать от этого стабилизатора фонокорректор с выходным трансформаторным каскадом на 4П1Л, разница по сравнению с виртуальной батареей действительно заметна на слух. Во-первых, бас становится более собранным, заметно уменьшается интермодуляция, схема — менее чувствительной к качеству трансформатора. Очевидно, возвратный путь сигнала на землю здесь намного короче, да и выходное сопротивление источника практически не зависит от частоты. Заодно несколько советов: если выходное напряжение не должно регулироваться в широких пределах, дорогие полевые транзисторы BSS135 (около 120 руб. каждый), работающие как источники тока стабилитронов LM4041 и ZPD30, можно заменить обычными сопротивлениями. Их номинал рассчитывают так, чтобы через них протекал ток 1,3 мА. Транзисторы ZTX458/558 фирмы Zetex с напряжением Uкэ = 450 В у нас найти невозможно, зато есть недорогие аналоги Philips и Motorola. Ток стабилизатора рассчитывается по формуле I = 1,23/(P1 + R2), а напряжение вот как: Uвых = 30(1 + (P2 + R9)/R8). Число 30 означает напряжение стабилитрона D4, если будет другой, нужно внести поправку. Стабилитронов здесь бояться не надо — шум D4 гасится цепочкой R5-C2-C5, а D5 выполняет сугубо защитные функции, и в нормальном режиме лавинного пробоя в нем нет. Транзисторы Q2 и Q8 устанавливаются на теплоотводы, способные рассеять 6 — 8 Вт.

Рис. 10

Рис. 11

Приятных вам экспериментов, и будьте осторожнее с высоким напряжением!

Подготовлено по материалам журнала "Салон AudioVideo", февраль 2017 г. www.salonav.com