Мы уже говорили, что сигнал на выходе усилителя есть не что иное, как его питание, промодулированное входным сигналом. Как правило, разработчики аппаратуры обходят вниманием этот вопрос. Похоже, они и сами предпочитают fast food и нас потчуют продукцией, напичканной устройствами fast power. А для нашего слуха они так же вредны, как гамбургеры для желудка. Открыв крышку серийного аппарата, мы почти наверняка обнаружим трехвыводные стабилизаторы серии 78ХХ, 79ХХ или их аналоги, ставшие неотъемлемым атрибутом низковольтных цепей. Они получили широкое применение исключительно из-за дешевизны и универсальности. С ними нет никаких проблем: впаял — и на выходе будет нужное напряжение, но мало кто обращает внимание не на количественные, а на качественные показатели. При чрезвычайно высоких требованиях к источникам питания (ИП) звуковой аппаратуры в них используются микросхемы, которые даже в стандартных применениях ведут себя не совсем адекватно, имея склонность к паразитной генерации. Анализ внутренней структуры показывает, что глубокая обратная связь приводит к самовозбуждению схемы на высоких частотах, поэтому не рекомендуем ставить серию 78ХХ даже в таких второстепенных, на первый взгляд, цепях, как питание косвенного накала ламп. Стабилизаторы типа LM317/337 более предпочтительны в звуковоспроизводящей технике, хотя схема их включения несколько сложнее. Конечно же, существует масса неплохих, с точки зрения звука, интегральных стабилизаторов, не получивших широкого распространения из-за высокой цены. Мы же сконцентрируем внимание на схемах, ориентированных на максимально высокое качество звучания, как в аналоговых, так и цифровых цепях проектируемого нами тракта. Сначала определимся с критериями выбора стабилизатора для звуковых целей. Защита от КЗ в нагрузке даром не нужна, поскольку, предотвращая выход из строя копеечного чипа, «съедает» изрядную долю музыкального сигнала и вносит помехи, которые с готовностью излучаются акустическими системами. Бесполезен и такой параметр, как долговременная стабильность выходного напряжения, поскольку его дрейф в пределах нескольких процентов обычно не имеет значения. Гораздо важнее поведение ИП в условиях динамически изменяющегося тока нагрузки, который при реальном музыкальном сигнале носит импульсный характер. Лучше оговорить кратковременную стабильность, поскольку реакция ИП на импульсную нагрузку и характеризует его звуковые свойства, а для цифровых схем становится практически единственным важным фактором. Как ни странно, но с первого взгляда именно динамические свойства стабилизаторов определяют их собственные шумы, которые тоже нужно учитывать при проектировании. Было бы неправильно относить высокие внутренние шумы интегральных стабилизаторов (а для серии 78ХХ они вообще не нормируются) на счет шумовых характеристик входящих в них элементов. Более внимательное рассмотрение принципов их приводит к несколько иным выводам. Почти все широко распространенные схемы стабилизаторов строятся по принципу слежения с обратным регулированием. Он заключается в обязательном наличии отклонения выходного напряжения от заданного значения и постоянной его компенсации с помощью цепи обратной связи. При этом мгновенное значение выходного напряжения постоянно колеблется вверх-вниз, а точка перехода и считается номинальным значением. Оно указывается в справочных данных, и мы можем измерить его вольтметром. А вот амплитуда этих скачков определяет шум стабилизатора, т.е. переменное напряжение на его выходе. Чем лучше динамические и частотные свойства схемы, тем быстрее она будет компенсировать отклонения и тем меньше будет амплитуда колебаний. Очевидно, что и импульсную нагрузку такой стабилизатор будет отслеживать лучше. Аналогичная ситуация со стабилитронами, как полупроводниковыми, так и газоразрядными. Инерционные процессы, лежащие в основе их работы, обуславливают неудовлетворительные динамические характеристики и, как следствие, высокие значения паразитных шумов. Поэтому рекомендуем воздержаться от их применения в высококачественных звуковоспроизводящих устройствах. Итак, остаются два наиболее приемлемых принципа построения стабилизаторов: либо вообще без цепи обратного регулирования, либо, если это невозможно, с максимально короткой и простой цепью обратной связи. Пример реализации вышеизложенного показан на рис. 1. (Здесь и далее: слева — вход стабилизатора, справа — выход.) Схема представляет собой разновидность умножителя емкости с регулировкой выходного напряжения резистором R1. Прекрасные звуковые свойства обусловлены отсутствием ООС (имеется только местная ОС, присутствующая в схеме истокового повторителя). Регулирующий элемент — полевой транзистор Q2, компенсирующий на своем истоке изменения напряжения на затворе. Обеспечив постоянное напряжение на затворе Q2, мы тем самым стабилизируем и выходное напряжение. Опорным является падение напряжения на резисторе R1, неизменность которого обеспечивается генератором тока на Q1. Величину R1 придется подбирать под конкретный экземпляр Q1. Для улучшения фильтрации всевозможных помех используется конденсатор С1, лучше пленочный, высокого качества и максимально возможной емкости. Крутизна характеристики Q2 — основополагающая при выборе его типа и возможной замене. В схеме на его затворе указана ориентировочная величина напряжения в рабочем режиме. Минимальное напряжение на источнике тока Q1 1N5297 также должно быть не менее 1,5 В, что требует входного напряжения около 10 В при любых изменениях в питающей сети.* Лучше в качестве источника применить LM334, ему нужно всего 1 В, но можно взять и полевой транзистор КП303АЕВ, соединив его затвор с истоком. Правда, он потребует уже 4,5 В. Такой стабилизатор имеет низкое выходное сопротивление, хорошую реакцию на динамическую нагрузку и, соответственно, прекрасные звуковые качества. Он хорош и в собственных конструкциях, и для замены 78ХХ и им подобных в серийной аппаратуре. Единственным серьезным недостатком схемы можно считать неважную температурную стабильность, хотя на звук это не влияет. Если же потребителю необходима более жесткая стабилизация, генератор лучше собрать на LM334. Некоторое неудобство может вызвать и подбор R1. Желательно к выходу стабилизатора сначала подключить мощный резистор, рассчитав его номинал по закону Ома, после чего подстройкой R1 установить напряжение примерно 4,8 В. Затем — подключить реальную нагрузку и через несколько минут прогрева установить необходимые нам 5 В. При замене стабилизатора 78ХХ на готовой печатной плате уместно использовать освободившиеся монтажные отверстия для установки Q2, на ножках которого без особых проблем размещаются остальные элементы. Столь незначительные переделки с лихвой окупятся заметным улучшением звучания вашего аппарата. Рассмотренный выше стабилизатор напряжения называется последовательным — из-за соответствующего включения регулирующего элемента. При этом схема питания устройства превращается в замкнутую цепь: выпрямитель — сглаживающий фильтр — стабилизатор — нагрузка. Изменения тока в нагрузке, соответствующие амплитуде выходного сигнала, вызывают пропорциональные изменения тока и во всех звеньях цепи, т.е. в каждом из них в том или ином виде будет присутствовать музыкальный сигнал. Очевидно, что такой принцип построения предъявляет повышенные требования к схемотехнике и деталям выпрямителя именно с точки зрения их звуковых свойств. Наиболее перспективно с этих позиций применение параллельной стабилизации, т.е. когда регулирующий элемент подключается параллельно нагрузке и становится её зеркальным отражением по потребляемому току. При этом по цепям выпрямителя и сглаживающего фильтра теоретически всегда будет течь ток постоянной величины, что снижает их влияние на звук. Звуковой же сигнал по питанию замыкается по короткой цепи нагрузка — стабилизатор и не выходит за её пределы. Принцип построения таких стабилизаторов предусматривает обязательное наличие в них петли обратного регулирования, поэтому отнесемся к ним очень внимательно. Великолепные звуковые свойства у стабилизаторов на основе микросхемы TL431, которая продается повсеместно и стоит примерно 16 р. Оценить её внутреннюю структуру, для понимания принципа работы, и почерпнуть много полезной информации можно в [2]. Базовая схема ее включения, применительно к нашим целям, представлена на рис. 2. Эксплуатационные параметры этого чипа и расчет выходного напряжения приводился в «Практике» №4, так что повторяться не будем. Отметим лишь, что оптимальным режимом работы параллельного стабилизатора считается тот, когда протекающие токи через него и нагрузку примерно равны. Такое расточительство, к счастью, не всегда обязательно, особенно при питании цифровых схем. Скромные токовые параметры TL431 не позволяют запитать одним корпусом всё наше устройство. Умощнение его возможно, но требует дополнительных силовых элементов. При этом удлиняется цепь обратного регулирования, и важные для нас свойства ухудшаются. Поэтому предлагаю экстремальный, но бескомпромиссный вариант — поставить по стабилизатору на каждую цифровую микросхему, что позволит максимально развязать их друг от друга по цепям питания. Поскольку через выпрямитель и сглаживающий фильтр течёт постоянный, не зависящий от амплитуды сигнала в нагрузке ток, схема легко оптимизируется. Пример ее практической реализации представлен на рис. 3. Главной целью при проектировании была максимальная фильтрация питания от высокочастотных помех, постоянно присутствующих в сети. Защита эта двусторонняя, т.е. помеха извне не попадает в наше устройство, а оно, в свою очередь, ничего не генерирует в сеть через сетевой трансформатор. Который в нашем случае повышает амплитуду помех в 22 раза! В качестве выпрямительных рекомендуем диоды Шоттки, хотя и они дают вредные выбросы. Резисторы R1 и R2 служат для их ограничения по амплитуде, а конденсаторы С2-С5 — для их фильтрации. Кроме того, эти конденсаторы не дают ВЧ-помехам продетектироваться на диодах и тем самым расширить свой спектр. Резисторы R3 и R4 ограничивают ток заряда конденсатора С6, что также предотвращает возникновение широкополосной импульсной помехи, всегда имеющейся в обычных схемах выпрямителей. В конечном результате у нас получился прекрасный многозвенный высокочастотный фильтр. Со стороны сетевых помех он выглядит так: Для помех, стремящихся проникнуть со стороны цифровой части в сеть, фильтрация осуществляется в обратном порядке. Обратите внимание на то, что резисторы R1...R4 нужны лишь при использования параллельного стабилизатора. В остальных случаях от них больше проблем, чем пользы. Если вы решили самостоятельно изготовить сетевой трансформатор или, по крайней мере, намотать необходимую вторичную обмотку на подходящее промышленное изделие, советуем воспользоваться другой схемой выпрямителя (рис. 4). Вторичная обмотка наматывается бифилярно, за счет чего получаются две абсолютно идентичные обмотки. Их выводы соединяются с учетом полярности, как показано на рис. 4. Такая схема значительно эффективнее подавляет сетевые помехи, а два диода создают меньше проблем, чем четыре. При самостоятельном изготовлении трансформатора для питания цифровой части очень полезно предусмотреть электростатический экран между первичной и вторичной обмотками. Экран может быть выполнен в виде незамкнутого витка медной фольги, полностью перекрывающего сетевую обмотку. К фольге подпаивается гибкий провод, второй конец которого через маломощный резистор 10 Ом припаивается к точке общего заземления. Для тороидального сердечника можно рекомендовать экран в виде плотной равномерной намотки в один слой проводом диаметром примерно 0,4 мм. Заземляется только один конец этой обмотки. В трансформаторе для аналогового тракта электростатический экран вреден. Обратимся теперь к более тщательному изучению стабилизаторов на основе предложенных схем. Начнем с питания аналоговой части. Тут изложенные выше принципы позволят полностью отказаться от шунтирующих электролитических конденсаторов, а в большинстве случаев и любых других. Грамотно реализованный параллельный стабилизатор для каждого аналогового потребителя всегда лучше, чем любой, даже самый знаменитый пленочный конденсатор. Давайте изначально договоримся, что мы строим стабилизаторы исключительно для «звуковых» целей, и не будем требовать от них ещё и фильтрации выпрямленного напряжения. Они с этим прекрасно справятся, но пользы для звука будет немного. Лучше сделаем простенький стабилизатор на LM317, поставим его сразу за фильтром выпрямителя, а уж с него отфильтрованное напряжение подадим на нашу схему. На какую? Если вам нужен один источник для питания всей конструкции, то его лучше выполнить по схеме 1. Для бескомпромиссного варианта отлично подойдет схема 2. предыдущий номер «Практики») нет необходимости в шунтировании питания аналоговых цепей, что крайне благоприятно сказывается на звуке. Они могут понадобиться для каскадов, где амплитуда полезного сигнала соизмерима с шумами стабилизатора — вот тут их придется гасить качественным плёночным конденсатором. Если схема 1 используется в устройствах с большими скачками тока (выходные каскады усилителей мощности класса АВ), может потребоваться хороший конденсатор ёмкостью порядка 10 мкФ на выходе стабилизатора. Увеличение номинала R1 на схеме 2 улучшает коэффициент стабилизации, что полезно для звука в аналоговых устройствах. При этом, правда, придется повысить входное напряжение, чтобы ток через TL431 был не менее 1 мА. Обратите также внимание на мощность, рассеиваемую R1. Часто рекомендуют заменить R1 генератором тока, чтобы ещё повысить коэффициент стабилизации, но здесь проявятся звуковые свойства самого генератора, который вряд ли переиграет хороший резистор. Несколько по-иному обстоят дела с питанием цифрового тракта. Потребляемый ток здесь меняется настолько быстро, что стабилизатор не в состоянии эти скачки отследить и вовремя среагировать. Поэтому здесь нужно будет использовать качественный электролитический конденсатор с керамикой в параллель на каждом выводе питания микросхемы. Если вы решили достичь наивысшего результата, следует для каждой из них собрать отдельный выпрямитель с собственной обмоткой. Экстремальным решением, конечно, станет установка отдельного сетевого трансформатора для каждого потребителя. Источник питания, естественно, получится внушительным, но вы не пожалеете о затратах! При этом важно соблюсти синфазность включения всех сетевых обмоток. Применение в звуковых устройствах параллельных стабилизаторов дает простор для экспериментов с сетевыми фильтрами, теми, что в обычных конструкциях «съедают» динамику музыкального сигнала. Несколько слов о выборе керамики. В настоящее время широко применяются три основные группы таких конденсаторов, различающихся по типу диэлектрика. По международной системе они обозначаются NP0(C0G/CH); X7R(BX/B) и Z5U/Y5V. Не станем рассматривать их общеизвестные параметры, а выделим важнейший для нас — внутренний пьезоэффект. При подаче или изменении напряжения на конденсаторе происходит механическая деформация диэлектрика, вызывающая вторичную разность потенциалов на обкладках. При большой частоте следования импульсов (а в цифровом тракте она достигает сотен мегагерц) этот процесс идет с задержкой, и «фантом» возникает уже после того, как вызвавший его импульс завершился. Серьезную помеху создают конденсаторы с диэлектриком Z5U/Y5V, причем ее амплитуда пропорциональна ёмкости. В керамике X7R(BX/B) этот эффект значительно ослаблен, а в NP0(C0G/CH) почти незаметен. Проблема в том, что качественные конденсаторы имеют небольшую ёмкость. Для их «разгрузки» понадобятся хорошие электролиты, тогда можно будет поставить самую лучшую керамику, пусть и скромного номинала. В аналоговых цепях никакие керамические конденсаторы недопустимы. Если вы решились на отдельные обмотки или трансформаторы, со спокойной совестью ставьте конденсаторы NP0 ёмкостью от 1000 до 4700 пФ. При общем выпрямителе и нескольких стабилизаторах нужно параллелить NP0 1000 пФ и X7R 0,1 мкФ, а если стабилизатор один на все устройство, то придется вешать целую «гроздь» — NP0 1000 пФ/X7R 0,047 мкФ/X7R 0,47Е1 мкФ. Избегайте диэлектрика Z5U/Y5V, если только вы не хотите на практике проверить наш опыт. Наличие приличного (как по ёмкости, так и по качеству) электролитического конденсатора снимает значительную часть динамической нагрузки со стабилизатора. При этом можно не ставить предварительный стабилизатор, а подключать «цифровой» непосредственно к фильтру выпрямителя. Особо пытливым экспериментаторам рекомендуем поискать оптимальную емкость электролитических конденсаторов, постепенно уменьшая ее и перекладывая тем самым часть нагрузки на параллельный стабилизатор (который, как мы помним, имеет звуковые характеристики лучше, чем любой аудиофильский конденсатор). Мой опыт показывает, что при тщательно оптимизированной элементной базе и топологии питания, земель и сигнальных проводников, эта величина составляет 20...50 мкФ. При этом потребуется подбор номинала керамического конденсатора. Работа очень трудоёмкая и имеет смысл, если звуковой тракт действительно того заслуживает. Но исчерпаны ли на этом все способы оптимизации питания нашего устройства? Конечно же нет. Мы рассмотрели лишь основные методы решения задачи. В качестве примера бескомпромиссного стабилизатора рассмотрим схему, предложенную Лоешем Торстином (Loesh Thorsten) для устройств с двуполярным питанием (рис. 5). Уже знакомые нам источники опорного напряжения TL431 создают фиксированное смещение для стабилизаторов U2 и U5, выполненных на сверхбыстрых микросхемах. Для максимального коэффициента стабилизации они питаются от источников тока U1 и U6, через которые звуковой сигнал не проходит. Заявленное выходное сопротивление много меньше 0,1 Ом во всем звуковом диапазоне. Ток на выходе не более 100 мА, зато схема эффективно подавляет переходные процессы при больших динамических перепадах сигнала. Входные напряжения ±22 В должны быть хорошо отфильтрованы и стабилизированы. Недопустимо использовать конденсаторы на выходе, а монтаж необходимо тщательно продумать для минимизации паразитных емкостей. В противном случае схема может возбудиться, ведь ее быстродействие — около 100 МГц. Итак, мы подробно ознакомились с организацией питания низковольтных цепей. Но удивительная микросхема TL431 может работать и в стабилизаторах анодного напряжения. Схема 6 не только изящно выглядит, но и прекрасно работает в звуковых трактах (рис. 6). Мне нравятся октальные лампы и высокие напряжения, что сказалось на выборе элементной базы и режимов работы. Поведение всей схемы в основном определяется динамическими свойствами TL431. Звуковая сигнатура лампы V1 здесь также будет заметна, хотя и в меньшей степени, чем в усилительных каскадах. Известный тезис о нежелательности применения одних и тех же ламп в разных каскадах одного устройства справедлив и в этом случае. Если у вас в тракте стоят «восьмерки», для питания придется подобрать что-нибудь другое. При этом учитывайте максимально допустимое напряжение на аноде (можно найти в любом справочнике) — оно не должно быть меньше выходного напряжения стабилизатора. И еще: все детали, входящие в эту схему, будут заметно влиять на звук. Так что после окончательной ее отладки вместе с потребителем тока придется все резисторы и конденсатор заменить продукцией любимых аудиофильских брэндов. Номинал R1 рассчитан по следующим показателям: ток через лампу стабилизатора — 7 мА; ток через делитель R2/R3 — 2,5 мА; ток нагрузки — 7 мА. Расчет и контроль необходим и для величины рассеиваемой мощности на лампе и микросхеме. В этой схеме уместна замена резистора R1 ламповым генератором тока. В конце концов, пара-тройка электродов в вакууме может уверенно соперничать с резисторами известных марок. При необходимости повысить выходное напряжение стабилизатора можно выжать ещё вольт тридцать, подняв потенциал катода с помощью сеточного делителя. Указанные на схеме номиналы и режимы справедливы только для лампы 6Н8С, в других случаях они потребуют пересчёта. Внимание! Запускать параллельный стабилизатор можно только при подключенной нагрузке или её эквиваленте. Холостое включение приведет к выходу схемы из строя. Как уже было отмечено, добавление ещё одного активного элемента удлиняет петлю обратного регулирования и дает больший уровень шумов. Для борьбы с ними установлен конденсатор С1, его емкость указана ориентировочно для металлобумажных МБГО, а для более качественных может быть меньше. Если амплитуда сигнала в запитываемой схеме больше 1 В или вместо R1 установлен генератор тока, этот конденсатор лучше исключить. Литература: [1] Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры. Справочник. И.В. Новаченко, В.М. Петухов, И.П. Блудов, А.В. Юровский. — М., Радио и связь, 1989. [2] Хоровиц П., Хилл У., Искусство схемотехники. Пер. с англ. — 5-е изд., перераб. — М., Мир 1998. * Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе теплоотвода для Q2, на котором будет рассеиваться мощность, равная (Uвх. - Uвых.)*Iнагр. — Прим. ред. |
