89 просмотров

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

Всем привет, сегодня я хочу представить один проект, который был разработан и реализован. Я уверен, что многие из вас задумывались о постройке автомобильного усилителя, например для сабвуфера, и наверняка сталкивались с проблемой мощности усилителя.

От 12 вольт нормальной, звуковой мощности не получить, даже если усилитель высокоэффективный, работает в классе d. Пара-тройка десятков ватт, которых явно не хватит для раскачки серьезной акустики и для саба.

Для того, чтобы получить большую мощность нужен более высоковольтный источник питания, а как его получить?, правильно использовать повышающий преобразователь, а так как большая часть серьезных усилителей мощности низкой частоты требуют двухполярного питания, то и соответственно преобразователь должен выдавать на выходе двух-полярку.

Схема схожих преобразователей в сети море, я же хочу представить свой авторский вариант, который думаю придет по вкусу многим, так как он относительно прост и напичкан всевозможными защитами.

Такие, как ;

  • -защита от повышенного и пониженного питающего напряжения,
  • — защита от коротких замыканий, защита от перегрева,
  • -функция плавного пуска
  • -защита от неправильной полярности питания,

но скорее всего в дальнейшем именно эта защита будет модернизирована и станет более надежной.

Представленный преобразователь является еще и стабилизированным, и имеется возможность регулировки выходного напряжения в некотором пределе. Мощность именно моего варианта 400 ватт, но без ощутимых переделок можно снять хоть тысячу ватт, но об этом попозже.

Перед тем, как начать несколько важных замечаний…. Схема солидная, некоторые линии номиналы компонентов могут быть не видны в хорошем качестве схему можете скачать вместе с общим архивом проекта по ссылке в конце статьи. Печатную плату разумеется тоже, для вас я сделал, она находится там же в архиве проекта.

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

Номиналы некоторых компонентов на схеме могут отличаться от тех, что на плате — это нормально всё будет работать. В схеме я нарисовал 6 силовых ключей, на плате у меня всего 4, с целью увеличения мощности можно задействовать хоть 8 транзисторов, управление справится. А на плате у меня всего 4, так как размеры печатной платы не позволили впихнуть больше, а более крупных кусков текстолита на тот момент в наличии у меня не было.

На плате есть несколько перемычек, вот эта

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

не перемычки, это датчики тока в схеме защиты от коротких замыканий. Ещё один момент — подключение линии обратной связи сделано с помощью пары проводов.

Категорически не рекомендую схему к повторению людям, которые ранее не имели опыта работы с импульсными источниками питания. В особой наладки схема не нуждается, только нужно выставить необходимое напряжение на выходе и пороги срабатывания защит.

Ну а теперь, давайте рассмотрим, как это работает.

Вся схема построена на основе продвинутого шим-контроллера на базе SG3525,

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

сама микросхема имеет довольно мощный выходной каскад, но сигнал с нее поступает сначала на драйвер, который представляет из себя простой, эмиттерный повторитель на комплементарных парах транзисторов средней мощностей, а дальше драйвер управляет силовыми n-канальными полевыми ключами.

Использование дополнительного драйвера даёт возможность управлять большим количеством мощных полевиков. Работает драйвер следующим образом. Когда на выходе микросхемы шим высокий уровень сигнала, сработает верхний транзистор,

по открытому переходу этого транзистора, питание 12 вольт, поступит на затворы полевых ключей верхнего плеча и полностью откроет транзисторы,

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

а когда на выходе микросхемы низкий уровень сигнала — это приводит к отпиранию нижнего транзистора драйвера и через него ёмкость затворов силовых ключей разрядиться на массу питания. Это гарантирует надежное закрывание полевиков.

Если в инверторе использована одна или две пары ключей наподобие IRF3205? в принципе драйвер можно не использовать, выходного тока микросхемы хватит для их управления, но драйвер значительным образом разгружает микросхему.

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

Работа схема начинается только тогда, когда на указанную точку REM

— подается 12 вольт, это слаботочное питание, которое нужно системе управления для запуска. Основное, силовое питание всегда подключена к схеме, но запускается инвертор только после подачи плюс 12 вольт на ранее указанную точку, при том питание REM — слаботочная.

Эта функция есть в любом автомобильном усилители и даёт возможность запустить систему щёлкнув на маленький выключатель или при включении автомагнитолы. Наш преобразователь работает на частоте около 35 килогерц, хотя изначально частоту сделал в районе 20 килогерц, так как сердечник трансформатора не ахти, за рабочую частоту преобразователя отвечают указанные компоненты.

Резистор протянутый от 5 и к 7 выводу шим, отвечает за мертвое время или gettime — эта пауза во время которой все транзисторы закрыты, она нужна для того, чтобы дать драйверу или микросхеме шин дополнительное время, чтобы надежно закрыть транзисторы одного плеча, перед отпиранием ключей другого плеча.

Если задействован дополнительный драйвер, то длительность мертвого времени можно сократить, либо исключить, в нашем варианте он длится около 3 микросекунд. Конденсатор С8 отвечает за плавный пуск преобразователя. Это плавное увеличение длительности управляющих импульсов в момент включения инвертора, что исключает всякие броски тока и перегрузки при запуске.

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

Обратная связь или стабилизация напряжения, реализована простым, но вполне неплохим способом.

Тут можно было бы сделать более крутую стабилизацию, если бы я использовал высоко стабильный опорный источник наподобие TL431, но давайте будем честными — это усилитель мощности и тут стабилизации вовсе не нужна, зачастую инверторы многих промышленных авто усилителей не имеют стабилизации и я её сделал по одной простой причине, она дает возможность регулировать выходное напряжение, что делает схему универсальной и пригодной для работы в усилителях низкой частоты с разным напряжением питания.

Регулирует выходное напряжение вот этим подстроечным резистором R2,

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

а в целом напряжение задается указанными стабилитронами. Например вам нужно напряжение 2-х полярные 50 вольт, воткнули пару последовательно-соединенных стабилитронов по 25 вольт и всё, это не супер высококлассная стабилизация, но она работает неплохо. Инвертор снабжен мультифункциональной защитой от всего, что мне пришло в голову, защиту по перегреву, защита от коротких замыканий, защита от повышенного и пониженного напряжения питания.

Защита построена на основе микросхемы компаратора lm339

и как она работает я уже подробно рассказывал. В микросхеме четыре отдельных компаратора, имея подстроечные резисторы, которые позволят выставить пороги срабатывания всех защит.

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

Работает защитный узел простым образом, компаратор постоянно сравнивает напряжение питания с опорным, которая формируется с помощью стабилитрона. И да ещё один момент микросхема SG3525 имеет собственный опорный источник на 5 вольт, я бы мог задействовать его, но предпочел использовать отдельный источник в лице стабилитрона.

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

В общем если петляющее напряжение больше или меньше заданных лимитов, а в моем случае верхний лимит это где-то 16 вольт, а нижний около 9,2, то защиты сработают, на выходе компаратора устанавливается низкий уровень сигнала, что приведет к отпиранью маломощного транзистора,

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

плюс питания через открытый транзистор и светодиод пойдет на 10 вывод микросхемы шим, а это вход защиты, если на нём питание более 2,5 вольт защита сработает, микросхема перестанет генерировать импульсы и силовые транзисторы моментально закроются.

То же самое произойдет при перегреве, в качестве датчика температуры у нас термистор на 10 килоом при комнатной температуре,

который при нагревании будет снижать свое начальное сопротивление, следовательно нарушится баланс на входах компаратора и на выходе становится низкий уровень, затем срабатывания транзистора и отключения схемы.

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

Защита от коротких замыканий работает таким же образом, но в данном случае компаратор отслеживает падение напряжения на шунте.

Вот более наглядно. Выход инвертора нагружен электронной нагрузкой, потихоньку поднимаем ток и на определенном, выставленном значении тока выходное напряжение резко пропадает,

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

инвертор выключается, защита по току сработала.

Срабатывание каждой из защит можно увидеть по светодиодам,

я их поставил разного цвета, но не потому, чтобы быстро понять какая из защит сработала, а потому что данный инвертор я разрабатывал и собирал с хорошим настроением.

Схема также имеет защиту от обратной полярности или переполюсовки питания,

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

и она реализована простейшим образом, точно такие системы защиты от переполюсовки внедряют в бюджетные автоусилители и преобразователя 12-220, а также в автомагнитолы.

Проверять на стойкость данную защиту я не советую, так как она не обладают большим быстродействием в отличии от остальных защит, которые есть в данной схеме. Суть работы такой защиты заключается в следующем, при нормальной полярности всё питание идёт на схему инвертора, если полярность перепутать откроются мощные диоды и спалит предохранитель, и питание не поступит на схему.

Вроде по работе схемы это всё… По поводу печатные платы — я тут по извращался знатно, целикового текстолита такого размера не было. Взял две платы 10 на 7 сантиметров и склеил их двухкомпонентным клеем, вроде все склеилось надежно, но этот мерзкий шов хотелось чем-то закрыть.

И я решил тупо закрасить всю плату черной краской с баллончика,

всё красиво, всё аккуратно, но один просчет — плата силовая, на ней есть большие полигоны, которые нужно залудить и армировать проводами, а это значит, что при пайки плата будет серьезно нагреваться, в общем краска конечно же подгорела, слезла и в итоге от красивой платы ничего не осталось.

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

Компоненты… В целом инвертор выходит довольно дешевым, все что тут есть стоит копейки, за исключением хороших оригинальных силовых транзисторов, но и силовых диодов. Ну а с ними я париться не стал, использовал советские КД2997 — это одиночные,

30-амперные, импульсные диоды. Их единственная проблема очень неудачный способ крепления на радиатор, но в нашем варианте инвертор не будет постоянно нагружен, так как усилитель будет потреблять от инвертора не постоянную мощность и поэтому диоды без радиаторов, но при возможности обязательно ставьте радиаторы.

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

В схеме же я использовал другие диоды, так как у многих могут быть проблемы с поиском КД2997, а импортных хороших диодов море. Диоды в целом не критичны, можно использовать любые импульсные диоды или диоды шутки, обратное напряжение которых процентов на 50 больше расчетного, выходного напряжения источника питания, а ток диода от 10 ампер.

Еще раз, диоды нужны импульсные, быстродействующие либо ultrafast, идеально подходит диоды шотки, они будут греться меньше, чем обычные.

Входной диод (VD1), для защиты схемы от обратной полярности, минимум на 30 ампер, а лучше три по 30, чтобы наверняка смог спалить предохранитель в случае чего.

Силовые транзисторы, в корпусе ТО220, устанавливаются на общий радиатор и изолируется от него тепло-проводящими прокладками и пластиковыми втулками, ну и мазать термопасту не забываем.

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

Подойдут любые мощные h-канальные мосфеты с напряжением сток-исток 40-60 вольт и с током стока в 40 ампер. Подберите транзисторы с минимально возможным сопротивлением открытого канала, чем оно меньше, тем меньший нагрев ключа.

Входные конденсаторы на 25 вольт, выходные должны быть рассчитаны на напряжение 20-50 процентов больше максимального напряжения в каждом плече, то есть, если выходное напряжение инвертора двухполярные — 50, то конденсаторы взять на 63, а лучше на 100 вольт.

Трансформатор… Сердечник лучше взять импортный, например марки 87 либо 97, у меня он кольцевой, но можно и Ш-образный или любой другой по вкусу, хотят ТОР обладает большей добротностью. Мой сердечник представляет собой два ТОРа, с размерами 45-28 на 8 каждый, проницаемость 3000.

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

Сердечники были склеены для увеличения габаритной мощности. Ну а дальше идёт расчёт и намотка трансформатора, тут я вам ничем не помогу, так как в любом случае у вас будет иной сердечник и иные критерии, так что делаем расчет по специализированным программам и приложениям.

Перед намоткой, сердечник изолируют, если на нем нет изоляции в виде краски, как в моем случае, а острым краям лучше придать круглую форму, но в случае большинства импортных сердечников всё это скорее всего уже сделано производителем.

Намотку лучше сделать литцендратом, несмотря на то, что в моем случае частота около 35 килогерц и тут как бы скин-эффект не столь ощутим, но литцендратом удобнее мотать.

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

Наладка… Почти все наладочные работы можно и даже желательно сделать до установки полевых ключей и трансформатора. Самым первым делом нужно понять функционирует ли шим-контроллер.

Для начала отпаиваем указанный резистор (R15), это нужно чтобы схема защиты не мешала нашей проверки и подаём питание на схему, цепляемся щупом осциллографа к выходам драйвера и наблюдаем чудесную картину,

управляющие импульсы имеются, красивый меандр, частота 20 килогерц заполнения 41-45 процентов.

Отчётливо виден денттайм — эта пауза, когда все ключи закрыты и мертвое время у нас длится около 3 микросекунд

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

при подаче питания длительность импульсов увеличивается плавно, это значит, что плавный пуск тоже работает. Потребление шим-контроллера с драйвером всего 20 миллиампер в холостую, а в целом всё управление с узлом защиты потреблять не более тридцати-сорока миллиампер, это без силовых ключей и трансформатора. Все классно, идём дальше.

Ну а дальше настройка защит. Начнём с защиты от повышенного напряжения питания, выставим на лабораторном блоке питания около 16 вольт и медленным вращением указанного резистора (R10), добиваемся включения светодиода, тоже самое делаем в случае защиты от пониженного питания, только срабатывания светодиода добиваемся где-то при 9,2 вольтах.

Как настроить термозащиту... В случае термозащиты нам понадобится любой источник тепла с возможностью регулировки температуры — это может быть утюг или что-то другое.

Стыкуем термопару образцового термометра и термистора к нашей защиты с нагреваемой поверхностью, греем поверхность до необходимой температуры при которой должна сработать защита, температуру отслеживаем термометром.

Далее вращением 3-его подстроечного резистора (R16), добиваемся активации светодиода.

В качестве источника тепла я использовал обычную, сетевую лампу, обмотал ее алюминиевой фольгой и с помощью термоскотча прикрепил к фольге термистор от нашей схемы защиты и термо пару от образцового прибора, последние должны находиться на максимально близком расстоянии друг от друга, для минимизации разброса температура.

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

Температуру регулировал латором, который попросту меняет напряжение на лампе, чем ярче светит лампа, тем больше тепла она излучает.

Защиту от коротких замыканий желательно настроить после полной сборки инвертора, поэтому о ней поговорим чуть позже, теперь можно впаять силовые транзисторы, трансформатор и продолжить настройку.

После того, как инвертор собран, подключена линия обратной связи, стоит проверить её работу. Для этого подключаем к выходу инвертора мультиметр и небольшую нагрузку, далее меняем входное напряжение от 10 до 15 вольт, при этом выходное напряжение практически не должно меняться, это значит, что стабилизация работает как нужно.

Переменным резистором (R2) мы можем менять выходное напряжение в небольшом пределе, как видим все отлично.

Далее берём силовой источник питания или аккумулятор на 12 вольт и подключаем инвертор к нему, входной ток обязательно нужно контролировать амперметром.

Нагружаем выход инвертора лампами накаливания или нагревательными элементами, необходимо грузить всю обмотку полностью, либо плечи равномерно, грузить только одно плечо нельзя. Нагружаем инвертор до тех пор, пока ток потребления на входе не будет порядка 35 ампер, это будет соответствовать мощности где-то в 420 ватт без учета кпд преобразования, это именно мощность на входе.

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

Далее вращением указанного подстрочника (R41) добиваемся срабатывания светодиода и защиты в целом. Вообще по поводу токо-защиты, всё зависит от ваших нужд, если ключей больше, инвертор мощный, ток защиты можно сделать побольше. Указанный ток защиты актуален для инверторов с двумя силовыми ключами в плече и выходной мощностью около 400 ватт.

Все настроено, не забываем заклеить винты подстроечных резисторов и у вас в руках хороший автомобильный преобразователь со всеми удобствами.

Шунты в схеме защиты от короткого замыкания должны выдерживать токи под 40 и более ампер, в ходе работы они будут нагреваться, можно установить датчик на выходе схемы, но у меня были свои причины отказаться от этого.

Мощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности

Использование полевых транзисторов в защите от переполюсовки, также позволит избавиться от токовых шунтов в системе защиты от коротких замыканий, так как для этой защиты в качестве датчика тока можно использовать открытый канал полевого транзистора.

Архив к статье скачать.

Автор; АКА КАСЬЯН

21690cookie-checkМощный преобразователь для автомобильного усилителя мощности