Нередки ситуации, когда помехи от сетевых источников питания (ИП) существенно ухудшают качественные показатели питаемых от этих ИП устройств. Эти помехи могут распространяться как по цепям питания, так и наводиться на расположенные невдалеке от ИП высокочувствительные проводники и элементы устройства. Львиную долю этих помех вызывают переходные процессы в цепях ИП при работе выпрямителей.
Поставщиком довольно мощных помех зачастую является и сама сеть. Электромагнитное поле помех возникает от сетевого трансформатора, дросселей фильтра, силовых проводников, соединяющих трансформатор с диодами и накопительными конденсаторами, а в УМЗЧ еще и от питающих выходной каскад силовых цепей.
Напряжение наведенной на элементы помехи пропорционально скорости изменения внешнего электромагнитного поля, поэтому основным источником наведенных помех оказываются высокочастотные составляющие этого поля. Но именно ВЧ возмущения наиболее опасны для охваченных петлями ООС устройств, а выявить их деструктивную деятельность довольно сложно [1].
Борьба с возникающими при работе выпрямителей помехами зачастую ограничивается применением быстродействующих диодов. Хотя это и снижает остроту проблемы, но не решает ее полностью. Дело в том, что, кроме динамической емкости диодов (накопления заряда в переходе открытого диода), есть еще один “виновник” возникновения высокочастотных составляющих: индуктивность рассеяния вторичной обмотки трансформатора (LP2).
Если бы Lp2 и сетевые помехи отсутствовали, то напряжение на диодах при частоте сети 50 Гц и выходном напряжении трансформатора 10…30 В изменялось бы достаточно медленно. Наличие же Lp2, с одной стороны, приводит к замедлению открывания диодов, что, конечно же, благо, но, с другой, — к скачкообразному изменению полярности протекающего через диоды тока при их закрывании.
Это приводит к обогащению спектра протекающего через накопительный конденсатор тока высшими гармониками и к высокочастотному “звону” обмоток трансформатора и проводников, соединяющих трансформатор с диодами и накопительными конденсаторами.
Применение быстродействующих диодов приводит к снижению уровня ВЧ-помех в выходном напряжении ИП и в поле рассеяния трансформатора примерно на порядок, однако их спектр остается столь же широким, как и при использовании низкочастотных диодов. Он простирается до сотен килогерц, а иногда и до единиц мегагерц.
Амплитуда импульсов ВЧ-помех в выходном напряжении ИП при использовании быстродействующих диодов составляет всего несколько десятков милливольт, поэтому на фоне низкочастотных пульсаций в единицы вольт на них обычно не обращают внимание. И напрасно! Эти ВЧ-помехи почти беспрепятственно проникают на выход УМ34, а затем по петле ООС и на его вход, где амплитуда паразитного сигнала даже в доли милливольт может нарушить нормальную работу усилителя.
В ходе анализа особенностей работы УМЗЧ и условий возникновения наводок установлено, что влияние генерируемых ИП помех на параметры УМЗЧ значительно снижается при ограничении спектрального состава пульсаций в выходном напряжении ИП до 1 …3 кГц, а в излучаемом в окружающее пространство поле помех—до 5… 15 кГц. Эти данные легли в основу предлагаемого комплекса мер по снижению помех ИП.
При его разработке ставилась задача не только ограничить спектральный состав помех, но и максимально снизить их уровень с помощью сравнительно простых и доступных технических решений. Как уже упоминалось, порождаемые работой диодов помехи эффективно подавляются при уменьшении скорости изменения прикладываемого к ним напряжения, а также демпфировании остаточных колебательных процессов в обмотках трансформатора и соединительных проводах, возникающих при закрывании диодов.
Довольно часто для этого диоды шунтируют конденсаторами, емкость которых обычно равна единицам-десяткам нанофарад. Однако конденсаторы столь малой емкости оказывают положительное влияние на работу диодов только в ИП мощностью в единицы ватт. В мощных же ИП “усмирить” накопленную в Lp2 энергию под силу лишь конденсатору емкостью в единицы и даже десятки микрофарад.
Понятно, что конденсаторы такой емкости включать параллельно диодам нецелесообразно, но, как выяснилось, ничто не мешает включить аналогичный конденсатор параллельно вторичной обмотке трансформатора. Теперь во время закрытого состояния диодов на накопительный конденсатор не проникают сетевые помехи вместе со “звоном” обмоток трансформатора, он не
разряжается протекающим через щунтирующий конденсатор током, а образованный Lp2 и шунтирующим конденсатором ФНЧ препятствует проникновению на накопительный конденсатор ВЧ-составляющих сетевых помех в моменты открытого состояния диодов.
В ходе экспериментальных исследований установлено, что импульсы обратного тока через закрывающиеся низкочастотные диоды перестают образовываться в случае, когда емкость шунтирующего конденсатора выбрана из условия протекания через него реактивного тока, равного 0.3…1% тока нагрузки. В ИП мощностью 50…200 Вт с выходным напряжением 15 ..35 В это условие выполняется при емкости конденсатора 3…20 мкФ,
причем подключение паралпельно вторичной обмотке трансформатора конденсатора указанной емкости не приводит к увеличению потребляемого ИП от сети тока, а наоборот, немного его уменьшает. Особенно это заметно в режиме холостого тока (из-за фазовых сдвигов происходит частичная или полная компенсация первой гармоники холостого тока трансформатора).
Максимальный выигрыш в уменьшении холостого тока трансформаторов заводского изготовления происходит обычно при включении конденсатора, через который протекает реактивный ток, составляющий 5… 15% от номинального тока вторичной обмотки. Однако конденсатор такой емкости, помимо больших габаритов и цены, создает ощутимую нагрузку обмоток трансформатора этим реактивным током.
Если число витков всех обмоток трансформатора увеличено на 15..20%, как рекомендовано в [2], то минимизация холостого тока (почти полная компенсация первой гармоники) происходит примерно при емкости конденсатоpa, при которой перестают образовываться импульсы обратного тока через низкочастотные диоды. Это еще один аргумент в пользу применения таких трансформаторов для питания выпрямителей.
Подключение конденсатора параллельно вторичной обмотке (если обмотка со средней точкой, то включают два) приводит к ограничению спектра порождаемых работой диодов помех в выходном напряжении ИП и в токе вторичной обмотки до 5. ..15 кГц. Экспоненциально затухающий “звон” длительностью около 1 мс в обмотках трансформатора конденсатор не устраняет, зато приводит к снижению частоты его заполнения с 200. .500 кГц до 3…10 кГц.
Этот “звон” можно подавить включением последовательно с конденсатором резистора сопротивлением несколько Ом, но при этом вновь образуются импульсы обратного тока через низкочастотные диоды. Поэтому подавлять “звон” следует с помощью отдельных демпфирующих RC-цепочек (R1-C1 и R2-C2 на рис.1а). Емкость конденсатора в них должна быть больше емкости шунтирующего в 3…5 раз, а сопротивление резистора примерно равно минимальному сопротивлению нагрузки ИП. Если от ИП питается один УМЗЧ, то
R1 =R2=R=(0,5… 1,0)Rвх гр.
где Rвх гр. — входное сопротивление громкоговорителя.
Суммарная емкость шунтирующего и демпфирующего конденсаторов выбирается из условия протекания через них полного реактивного тока, составляющего 1…3% от максимального тока нагрузки.
Подавить звон можно и с помощью параллельной RL-цепи. включенной последовательно с вторичной обмоткой трансформатора (R1-L1 и R2-L2 на рис.1б). Сопротивление R находят из тех же соотношений, что и в предыдущем случае, а величину L1=L2=L выбирают в 2.. 5 раз большей Lp2 Индуктивность Lp2 можно измерить, замкнув первичную обмотку трансформатора.
Но лучше ее вычислить, измерив частоту “звона” при подключении параллельно вторичной обмотке конденсатора известной емкости (например, 10 мкФ), причем выпрямитель и эквивалент нагрузки тоже включены. Наблюдать поле рассеяния трансформатора и силовых проводников можно с помощью подключенного к осциллографу малогабаритного дросселя с разомкнутым магнитопроводом.
Кольцевой дроссель можно надеть на силовой проводник, например, соединяющий трансформатор с диодами (в этом случае удается наблюдать и более высокочастотный “звон”). Подавлять “звон” обмоток трансформатора с помощью RL-цепи эффективнее, т.к. при этом дополнительно снижается амплитуда и сужается спектральный состав импульсов тока, возникающих при открывании и закрывании диодов, а с помощью RC-цепи — проще (не требуется дроссель индуктивностью 100…300 мкГн на средний ток 3…5 А).
Сторонники “бескомпромиссных” решений могут применить оба способа демпфирования одновременно, а при использовании только RL-цепей — в 3…5 раз увеличить емкость шунтирующих конденсаторов. Для питания УМЗЧ чаще всего применяют стержневой трансформатор сдвумя симметричными катушками. Хотя применение симметричных катушек и снижает поле рассеяния трансформатора, но и при этом оно велико.
Положение усугубляется еще тем, что для получения двухполярного напряжения обычно используется обмотка со средней точкой, половинки которой расположены на разных катушках. Это является причиной значительного увеличения поля рассеяния трансформатора и ВЧ-пульсаций в выходном напряжении ИП в моменты, когда с катушек снимается разная мощность, что наблюдается при усилении полумостовым УМЗЧ низкочастотных сигналов.
Эта особенность работы стержневого трансформатора выявляется и при измерении Lp2- Если замкнуть сетевые выводы первичной обмотки, то Lp2 вторичной обмотки, расположенной на одной из катушек, будет больше суммарной 1_рг двух таких обмоток, включенных последовательно и расположенных на разных катушках.
Если же выводы первичной обмотки соединить с перемычкой, соединяющей ее половинки, то все встает на свои места: Lp2 каждой из половинок вторичной обмотки окажется вдвое меньше суммарной Lp2, величина которой остается такой же, как и при первом измерении. Лучший способ устранения вышеуказанного недостатка — составление каждой половинки вторичной обмотки из двух обмоток, расположенных на разных катушках (каждая катушка должна содержать две одинаковые обмотки), например так, как это реализовано в [3]. В большинстве трансформаторов заводского изготовления этого сделать, увы, нельзя.
В этом случае снизить увеличение (модуляцию) поля рассеяния трансформатора можно симметрированием нагрузок на катушки трансформатора. Если от ИП питаются два канала УМЗЧ, то это достигается инвертированием одного из подаваемых на стереофонический УМЗЧ входных сигналов. Это техническое решение положительно сказывается и на работе самих УМЗЧ [1].
Для выравнивания нагрузок на катушки трансформатора в источниках положительного и отрицательного напряжения следует применять диоды и накопительные конденсаторы с близкими параметрами. Достичь полной симметрии обычно не удается, поэтому поле рассеяния оказывается в несколько раз больше, чем в первом случае.
Если симметрирование нагрузок на катушки трансформатора не выполнено, то предпочтительнее использовать демпфирующие RC-цепи, поскольку Lp2 при этом может изменяться в широких пределах, что снижает эффективность RL-цепей. Третий способ симметрирования нагрузок — питание УМЗЧ от ИП с искусственной средней точкой (средний вывод вторичной обмотки отсоединяют от общего провода, а общий провод входных каскадов УМЗЧ соединяют с резистивным делителем).
Его эффективность по снижению помех такая же, как и первого способа. Для снижения изменения напряжения на накопительных конденсаторах его рекомендуется сочетать со вторым способом симметрирования нагрузок. При отсутствии сетевых помех в таком ИП можно бы было использовать лишь один шунтирующий конденсатор и одну демпфирующую RC-цепь.
Поскольку сеть далека от идеала, то и в таком ИП следует применять два конденсатора и две RC-цепи, соединив их общую точку с корпусом. Еще одним выходом из положения для некоторых радиолюбителей может стать применение двух одинаковых стержневых трансформаторов (четвертый способ).
Две вторичные обмотки первого трансформатора используют для формирования одной обмотки, а второго другой обмотки. Эти обмотки включают последовательно, а среднюю точку соединяют с общим проводом.
Продолжение следует здесь
