Dzisiejszy temat krótki, ale ważny - szczególnie dla wszystkich tych, którzy w roli zasilacza zaprzęgnąć chcą przetwornicę, czyli zasilacz impulsowy.
Chyba nie trzeba po raz kolejny pisać, że taki zasilacz pracuje na częstotliwościach, które z chęcią przenikają do sygnału audio i (szczególnie ich pod harmoniczne) powodują zniekształcenie sygnału muzycznego dodając od siebie specyficzny "sznyt" - określany czasem jako nieprzyjemne "skrzeczenie/zcyfrzenie dźwięku", a słyszalne w całym pasmie akustycznym. Nie jest to też przyjemne dla głośników wysoko tonowych, które muszą radzić sobie ze zwiększona mocą.
Owszem - są i zasilacze projektowane specjalnie do audio pracujące na zasadzie przetwarzania wyprostowanego napięcia sieciowego na napięcie zasilania wzmacniacza (stąd nazwa "przetwornica"), które takich zakłóceń (hm, jak to nazwać) "nie wypuszczają poza własne granice", ale to przeważnie specjalizowane zasilacze robione pod konkretne wzmacniacze, więc trudno dostępne dla amatora, a "Młodego Zdolnego" w szczególności. Jednak w porównaniu do transformatora sieciowego zasilacz impulsowy ma kilka zalet - duża sprawność (szczególnie w obecnych czasach zaleta istotna w rozważaniach), mały ciężar, i (w sumie - biorąc pod uwagę zasilacz jako całość - czyli wraz z mostkiem prostownika, kondensatorami filtra itp.) zajmowanie mniejszego miejsca wewnątrz obudowy. Z tych względów coraz częściej spotyka się takie zasilacze nawet w konstrukcjach amatorskich.
Tu trzeba kilka słów poświęcić na istotę podstawowej wady, która przysparza największych problemów, czyli zakłóceń - skąd się biorą? W jaki sposób zdołają wniknąć w sygnały audio oraz - najważniejsze - jak ich można uniknąć.
Po kolei:
Powstają w związku z zasadą działania przetwornicy - napięcie sieciowe musi być wyprostowane mostkiem prostowniczym, odfiltrowane z większości tętnień kondensatorem, a następnie podane na (w najprostszym wypadku, ale wystarczającym do wyjaśnienia w stopniu podstawowym) tranzystor pracujący na zasadzie "zamknięty/otwarty" z bardzo wysoką (czasem ponad 100kHz) częstotliwością. Takie napięcie może znów trafić na transformator, w którym za sprawą przekładni (czyli stosunku ilości zwojów uzwojenia pierwotnego do ilości zwojów uzwojenia/uzwojeń wtórnych) uzyskujemy napięcia o odpowiedniej wartości - napięcia przemienne o częstotliwości jak wyżej, więc znów należy je wyprostować - i tu kolejna zaleta - kondensatorem o mniejszej pojemności niż potrzebny, w wypadku prostowania napięcia o niskich częstotliwościach - czyli nie 100Hz jak w klasycznym zasilaczu, a o częstotliwości dużo większej - równej częstotliwości pracy układu "szatkującego" napięcie sieciowe po wyprostowaniu (w naszym przykładzie tranzystorem przełączającym).
Otrzymane w ten sposób korzyści to wspomniana mniejsza pojemność kondensatorów.
=Bo im wyższa częstotliwość, tym krótsze okresy pomiędzy "połówkami" napięcia, a więc wystarcza mniejsza pojemność, by podtrzymać napięcie na wartości maksymalnej dla tego samego prądu co w zasilaczu klasycznym.
Mniejszy transformator;
=Bo im wyższa częstotliwość, tym rdzeń transformatora może być mniejszy, mniejsza ilość zwojów (im wyższa częstotliwość, tym wymagana ilość zwojów powinna być mniejsza) - niestety transformator musi mieć rdzeń przystosowany do pracy z dużo wyższą częstotliwością niż rdzeń transformatora sieciowego i dlatego "klasyczne" rdzenie z blaszek muszą być zasępione rdzeniami z ferrytu (także dopasowanymi do konkretnej częstotliwości pracy przetwornicy!), jednak od dłuższego już czasu wytwarzanie takich rdzeni nie jest już niczym trudnym, a i przy okazji dużo tańszym niż porównywalny co do mocy przenoszonej rdzeń klasyczny/z blach. W efekcie transformator impulsowy ma wymiary o rząd wielkości mniejsze niż transformator klasyczny - pracujący na częstotliwości sieci, a mniejsze wymiary, mniejsza masa, mniejsza wielkość to i cena duuużo mniejsza - tu niestety znów kolejne utrudnienie - uzwojenia muszą być wykonane w specjalny sposób - ale dlaczego, to już do odszukania we własnym zakresie.
Mniejsze straty - po podsumowaniu wszystkich powyżej podanych szczegółów zyskujemy w bonusie (poza mniejszym kosztem) i mniejsze straty powstające w samym takim zasilaczu - o ile mniejsze? Przeważnie kilkukrotnie. To już zależy od konstrukcji zasilacza, a przede wszystkim od częstotliwości pracy.
No, ale nie ma tak dobrze - z samych zalet nie da się zrobić artykułu, a zasilacza w szczególności... Poza wadą, jaką podałem na wstępie, zasilacz taki wymaga zastosowania specjalnie dopracowanych technik prowadzenia ścieżek, specjalnie dopasowanych do tych warunków elementów - więc i wiedza potrzebna, i droższe elementy, a te z kolei obecnie bywają trudno dostępne; np. tranzystory (tu można się naciąć na wszelkiego rodzaju "podróbki"), kondensatory (muszą wytrzymać duże częstotliwości tętnień, a pracując w tak niekorzystnych warunkach szybciej się zużywają...).
No i sprawa, o której wspomniałem, czyli "wydostawanie się" zakłóceń z zasilacza i przenikanie do sygnału audio... Tu są dwie dostępne "drogi" dla zakłóceń.
Pierwsza to przedostawanie się poprzez przewody zasilania, a druga - fale elektromagnetyczne. Fale elektromagnetyczne (chociażby emitujące z transformatora) można wyeliminować z tej listy np. przez zastosowanie ekranu, więc są stosunkowo proste do eliminacji. Gorzej z zakłóceniami przenikającymi "po drucie" - i do eliminacji tychże może służyć opisany w tym artykule filtr.
[Wstęp był na pewno przydługi, a i na pewno wzbudzi wiele emocji wśród nazbyt dociekliwych fachowców - wiem o tym, ale nie jest moim celem nauka skomplikowanego sposobu działania i wnikanie w szczegóły techniczne, a jedynie próba wytłumaczenia ogólnej koncepcji i zasad działania takich zasilaczy. A zresztą temat dotyczy filtra, wyjaśnienie konieczności jego stosowania wynikło z wyjaśnienia, z czym tenże filtr ma walczyć, a i to w możliwie najprostszy do zrozumienia sposób; więc z góry uprzedzam ewentualne komentarze. Chcesz się popisać wiedzą? Załóż własny temat o zasadach działania przetwornic/ zasilaczy impulsowych i tam się popisuj wiedzą. Ten temat skierowany jest bowiem dla amatorów i ma za zadanie jedynie ogólnie nakreślić problem.]
No dobrze, ale "jak się to robi"?
Przedstawiony filtr nie jest ideałem - z góry uprzedzam. Jest jednak idealny do prostych konstrukcji a przy okazji świetnie pasuje jako "pomoc naukowa" - wszystko widać i nawet schemat jest...
No właśnie schemat:
Jak widać kilka elementów jest... ale zbyt dużej komplikacji raczej nie ma.
W realu wygląda to tak:
Płytka ma wymiary 78mm x 43mm i ok. 35mm wysokości. Duża nie jest, jednak pamiętać należy, że jest to płytka niejako "dodatkowa" i też zajmuje jakieś miejsce.
Poza tym producent przeznacza ją jako filtr zakłóceń występujących w zasilaniu samochodu (fabryczne radioodbiorniki i wzmacniacze dedykowane do samochodów mają już coś podobnego "na pokładzie" (wewnątrz obudowy), ten filtr ma być skierowany do amatorów chcących zbudować sprzęt grający do własnego "jeździdełka", a takich coraz więcej zaczyna się pojawiać. Myślę więc, że może się przydać.
A jak to działa?
Z tym miałem pewny problem - nie posiadałem ani samochodu, ani wzmacniacza zbudowanego do takiego zastosowania, ani też warunków, by takowe wykonać. Udało mi się jednak zasymulować podobne w nieco pokrętny sposób, jednak otrzymany efekt powinien wystarczyć jako ilustracja problemu, o jakim pisałem. "Odwróciłem" niejako działanie:
Zamiast zasilacza impulsowego zastosowałem moduł wzmacniacza w klasie D (bez specjalnych filtrów na wyjściu, a tym bardziej wejściu zasilania), a za zasilanie tegoż posłużył mój zasilacz - w nim akurat zakłóceń tego typu nie ma - zbudowany na klasycznym układzie i transformatorze, więc można przyjąć, że "przezroczysty" co do zakłóceń, jakie mierzyłem. Wiem, że nie jest to najlepszy sposób, ale - niestety nie zaspokoję wymagań profesjonalistów i malkontentów, choć sprawdził się doskonale jako ilustracja.
Efekt to pomiary napięcia przed filtrem (od strony wzmacniacza jako źródła zakłóceń):
I po filtrze (czyli zakłócenia jakie wprowadza do zasilania wspomniany wzmacniacz w klasie D - obciążony tak, by prąd nie przekroczył dopuszczalnego prądu filtra - w tym wypadku 2A - gdzie z zasilaczem filtr był połączony ok. 50cm przewodami o przekroju 1mm²):
Wyjaśnienie:
Niższa częstotliwość to wpływ podanego sygnału na wzmacniacz. Jest ona "nałożona" na częstotliwość przełączania stopnia mocy wzmacniacza końcowego.
Jak widać - a widać - efekt jest dość spektakularny. Jak ma się to do praktyki? Chyba łatwo się domyślić.
Sama płytka wykonana jest starannie - laminat dwustronny pola miedzi, przez które płynie prąd ma duże powierzchnie, zaciski połączeniowe (tym razem - patrz temat o separacji masy - https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3966012.html ) solidne, pozwalające na podłączenie dość grubych przewodów lub "widełek" zaciskanych na przewodach. Jedyne, do czego miałbym zastrzeżenia to brak kleju montażowego. W zastosowaniu, o jakim pisze producent - na marginesie; pozwolę sobie przytoczyć fragment:
To wręcz niezbędne wzmocnienie - szczególnie cewek filtrów nawiniętych na rdzeniach toroidalnych - oryginalnie (płytka dotarła jako zmontowany moduł) jedyne ich mocowanie to wyprowadzenia drutu nawojowego - dość cienkiego, bo ok. 0,6mm. Przy drganiach oderwie się na pewno szybciej, niż by trwał montaż filtru we wzmacniaczu DiY przeznaczonego do samochodu...
Można to jednak w prosty sposób "naprawić" za pomocą kleju silikonowego z tubki, a nawet popularnego "termogluta" - kleju na gorąco. W razie czego - zalecam zastosowanie jednego ze sposobów.
Aha - płytka jest uniwersalna - na tej samej producent montuje filtry na różne prądy, a więc i do innych elementów (szczególnie indukcyjnych).
No i na koniec moja wada tego filtra... cena. Jak za kilka elementów tego typu wydaje się być nieco wygórowana - zdolny amator może mieć wszystkie elementy w cenie złomowanego zasilacza komputerowego... Zdaję sobie sprawę jednak, że nie każdy "Młody Zdolny" byłby w stanie obliczyć potrzebne indukcyjności, a i ze zdobyciem odpowiedniego zasilacza może być niewielki problem.
Tak czy inaczej - dla zainteresowanych - jest coś takiego do dostania gotowe, a w dodatku są też i na różne prądy; czyli "do wyboru, do koloru".
Pozdrawiam.
Chyba nie trzeba po raz kolejny pisać, że taki zasilacz pracuje na częstotliwościach, które z chęcią przenikają do sygnału audio i (szczególnie ich pod harmoniczne) powodują zniekształcenie sygnału muzycznego dodając od siebie specyficzny "sznyt" - określany czasem jako nieprzyjemne "skrzeczenie/zcyfrzenie dźwięku", a słyszalne w całym pasmie akustycznym. Nie jest to też przyjemne dla głośników wysoko tonowych, które muszą radzić sobie ze zwiększona mocą.
Owszem - są i zasilacze projektowane specjalnie do audio pracujące na zasadzie przetwarzania wyprostowanego napięcia sieciowego na napięcie zasilania wzmacniacza (stąd nazwa "przetwornica"), które takich zakłóceń (hm, jak to nazwać) "nie wypuszczają poza własne granice", ale to przeważnie specjalizowane zasilacze robione pod konkretne wzmacniacze, więc trudno dostępne dla amatora, a "Młodego Zdolnego" w szczególności. Jednak w porównaniu do transformatora sieciowego zasilacz impulsowy ma kilka zalet - duża sprawność (szczególnie w obecnych czasach zaleta istotna w rozważaniach), mały ciężar, i (w sumie - biorąc pod uwagę zasilacz jako całość - czyli wraz z mostkiem prostownika, kondensatorami filtra itp.) zajmowanie mniejszego miejsca wewnątrz obudowy. Z tych względów coraz częściej spotyka się takie zasilacze nawet w konstrukcjach amatorskich.
Tu trzeba kilka słów poświęcić na istotę podstawowej wady, która przysparza największych problemów, czyli zakłóceń - skąd się biorą? W jaki sposób zdołają wniknąć w sygnały audio oraz - najważniejsze - jak ich można uniknąć.
Po kolei:
Powstają w związku z zasadą działania przetwornicy - napięcie sieciowe musi być wyprostowane mostkiem prostowniczym, odfiltrowane z większości tętnień kondensatorem, a następnie podane na (w najprostszym wypadku, ale wystarczającym do wyjaśnienia w stopniu podstawowym) tranzystor pracujący na zasadzie "zamknięty/otwarty" z bardzo wysoką (czasem ponad 100kHz) częstotliwością. Takie napięcie może znów trafić na transformator, w którym za sprawą przekładni (czyli stosunku ilości zwojów uzwojenia pierwotnego do ilości zwojów uzwojenia/uzwojeń wtórnych) uzyskujemy napięcia o odpowiedniej wartości - napięcia przemienne o częstotliwości jak wyżej, więc znów należy je wyprostować - i tu kolejna zaleta - kondensatorem o mniejszej pojemności niż potrzebny, w wypadku prostowania napięcia o niskich częstotliwościach - czyli nie 100Hz jak w klasycznym zasilaczu, a o częstotliwości dużo większej - równej częstotliwości pracy układu "szatkującego" napięcie sieciowe po wyprostowaniu (w naszym przykładzie tranzystorem przełączającym).
Otrzymane w ten sposób korzyści to wspomniana mniejsza pojemność kondensatorów.
=Bo im wyższa częstotliwość, tym krótsze okresy pomiędzy "połówkami" napięcia, a więc wystarcza mniejsza pojemność, by podtrzymać napięcie na wartości maksymalnej dla tego samego prądu co w zasilaczu klasycznym.
Mniejszy transformator;
=Bo im wyższa częstotliwość, tym rdzeń transformatora może być mniejszy, mniejsza ilość zwojów (im wyższa częstotliwość, tym wymagana ilość zwojów powinna być mniejsza) - niestety transformator musi mieć rdzeń przystosowany do pracy z dużo wyższą częstotliwością niż rdzeń transformatora sieciowego i dlatego "klasyczne" rdzenie z blaszek muszą być zasępione rdzeniami z ferrytu (także dopasowanymi do konkretnej częstotliwości pracy przetwornicy!), jednak od dłuższego już czasu wytwarzanie takich rdzeni nie jest już niczym trudnym, a i przy okazji dużo tańszym niż porównywalny co do mocy przenoszonej rdzeń klasyczny/z blach. W efekcie transformator impulsowy ma wymiary o rząd wielkości mniejsze niż transformator klasyczny - pracujący na częstotliwości sieci, a mniejsze wymiary, mniejsza masa, mniejsza wielkość to i cena duuużo mniejsza - tu niestety znów kolejne utrudnienie - uzwojenia muszą być wykonane w specjalny sposób - ale dlaczego, to już do odszukania we własnym zakresie.
Mniejsze straty - po podsumowaniu wszystkich powyżej podanych szczegółów zyskujemy w bonusie (poza mniejszym kosztem) i mniejsze straty powstające w samym takim zasilaczu - o ile mniejsze? Przeważnie kilkukrotnie. To już zależy od konstrukcji zasilacza, a przede wszystkim od częstotliwości pracy.
No, ale nie ma tak dobrze - z samych zalet nie da się zrobić artykułu, a zasilacza w szczególności... Poza wadą, jaką podałem na wstępie, zasilacz taki wymaga zastosowania specjalnie dopracowanych technik prowadzenia ścieżek, specjalnie dopasowanych do tych warunków elementów - więc i wiedza potrzebna, i droższe elementy, a te z kolei obecnie bywają trudno dostępne; np. tranzystory (tu można się naciąć na wszelkiego rodzaju "podróbki"), kondensatory (muszą wytrzymać duże częstotliwości tętnień, a pracując w tak niekorzystnych warunkach szybciej się zużywają...).
No i sprawa, o której wspomniałem, czyli "wydostawanie się" zakłóceń z zasilacza i przenikanie do sygnału audio... Tu są dwie dostępne "drogi" dla zakłóceń.
Pierwsza to przedostawanie się poprzez przewody zasilania, a druga - fale elektromagnetyczne. Fale elektromagnetyczne (chociażby emitujące z transformatora) można wyeliminować z tej listy np. przez zastosowanie ekranu, więc są stosunkowo proste do eliminacji. Gorzej z zakłóceniami przenikającymi "po drucie" - i do eliminacji tychże może służyć opisany w tym artykule filtr.
[Wstęp był na pewno przydługi, a i na pewno wzbudzi wiele emocji wśród nazbyt dociekliwych fachowców - wiem o tym, ale nie jest moim celem nauka skomplikowanego sposobu działania i wnikanie w szczegóły techniczne, a jedynie próba wytłumaczenia ogólnej koncepcji i zasad działania takich zasilaczy. A zresztą temat dotyczy filtra, wyjaśnienie konieczności jego stosowania wynikło z wyjaśnienia, z czym tenże filtr ma walczyć, a i to w możliwie najprostszy do zrozumienia sposób; więc z góry uprzedzam ewentualne komentarze. Chcesz się popisać wiedzą? Załóż własny temat o zasadach działania przetwornic/ zasilaczy impulsowych i tam się popisuj wiedzą. Ten temat skierowany jest bowiem dla amatorów i ma za zadanie jedynie ogólnie nakreślić problem.]
No dobrze, ale "jak się to robi"?
Przedstawiony filtr nie jest ideałem - z góry uprzedzam. Jest jednak idealny do prostych konstrukcji a przy okazji świetnie pasuje jako "pomoc naukowa" - wszystko widać i nawet schemat jest...
No właśnie schemat:
Jak widać kilka elementów jest... ale zbyt dużej komplikacji raczej nie ma.
W realu wygląda to tak:
Płytka ma wymiary 78mm x 43mm i ok. 35mm wysokości. Duża nie jest, jednak pamiętać należy, że jest to płytka niejako "dodatkowa" i też zajmuje jakieś miejsce.
Poza tym producent przeznacza ją jako filtr zakłóceń występujących w zasilaniu samochodu (fabryczne radioodbiorniki i wzmacniacze dedykowane do samochodów mają już coś podobnego "na pokładzie" (wewnątrz obudowy), ten filtr ma być skierowany do amatorów chcących zbudować sprzęt grający do własnego "jeździdełka", a takich coraz więcej zaczyna się pojawiać. Myślę więc, że może się przydać.
A jak to działa?
Z tym miałem pewny problem - nie posiadałem ani samochodu, ani wzmacniacza zbudowanego do takiego zastosowania, ani też warunków, by takowe wykonać. Udało mi się jednak zasymulować podobne w nieco pokrętny sposób, jednak otrzymany efekt powinien wystarczyć jako ilustracja problemu, o jakim pisałem. "Odwróciłem" niejako działanie:
Zamiast zasilacza impulsowego zastosowałem moduł wzmacniacza w klasie D (bez specjalnych filtrów na wyjściu, a tym bardziej wejściu zasilania), a za zasilanie tegoż posłużył mój zasilacz - w nim akurat zakłóceń tego typu nie ma - zbudowany na klasycznym układzie i transformatorze, więc można przyjąć, że "przezroczysty" co do zakłóceń, jakie mierzyłem. Wiem, że nie jest to najlepszy sposób, ale - niestety nie zaspokoję wymagań profesjonalistów i malkontentów, choć sprawdził się doskonale jako ilustracja.
Efekt to pomiary napięcia przed filtrem (od strony wzmacniacza jako źródła zakłóceń):
I po filtrze (czyli zakłócenia jakie wprowadza do zasilania wspomniany wzmacniacz w klasie D - obciążony tak, by prąd nie przekroczył dopuszczalnego prądu filtra - w tym wypadku 2A - gdzie z zasilaczem filtr był połączony ok. 50cm przewodami o przekroju 1mm²):
Wyjaśnienie:
Niższa częstotliwość to wpływ podanego sygnału na wzmacniacz. Jest ona "nałożona" na częstotliwość przełączania stopnia mocy wzmacniacza końcowego.
Jak widać - a widać - efekt jest dość spektakularny. Jak ma się to do praktyki? Chyba łatwo się domyślić.
Sama płytka wykonana jest starannie - laminat dwustronny pola miedzi, przez które płynie prąd ma duże powierzchnie, zaciski połączeniowe (tym razem - patrz temat o separacji masy - https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3966012.html ) solidne, pozwalające na podłączenie dość grubych przewodów lub "widełek" zaciskanych na przewodach. Jedyne, do czego miałbym zastrzeżenia to brak kleju montażowego. W zastosowaniu, o jakim pisze producent - na marginesie; pozwolę sobie przytoczyć fragment:
To wręcz niezbędne wzmocnienie - szczególnie cewek filtrów nawiniętych na rdzeniach toroidalnych - oryginalnie (płytka dotarła jako zmontowany moduł) jedyne ich mocowanie to wyprowadzenia drutu nawojowego - dość cienkiego, bo ok. 0,6mm. Przy drganiach oderwie się na pewno szybciej, niż by trwał montaż filtru we wzmacniaczu DiY przeznaczonego do samochodu...
Aha - płytka jest uniwersalna - na tej samej producent montuje filtry na różne prądy, a więc i do innych elementów (szczególnie indukcyjnych).
No i na koniec moja wada tego filtra... cena. Jak za kilka elementów tego typu wydaje się być nieco wygórowana - zdolny amator może mieć wszystkie elementy w cenie złomowanego zasilacza komputerowego... Zdaję sobie sprawę jednak, że nie każdy "Młody Zdolny" byłby w stanie obliczyć potrzebne indukcyjności, a i ze zdobyciem odpowiedniego zasilacza może być niewielki problem.
Tak czy inaczej - dla zainteresowanych - jest coś takiego do dostania gotowe, a w dodatku są też i na różne prądy; czyli "do wyboru, do koloru".
Pozdrawiam.
Fajne? Ranking DIY
