Автоусилитель класса АВ на MOSFET в габаритах 1-DIN

Основной идеей построения этого автоусилителя с преобразователем напряжения было получение качественного звука в автомобиле, при этом уместив всё в габарит 1-DIN (162х182х50 мм) и обойтись естественным охлаждением – без вентиляторов и т.п. Габариты усилителя позволяют разместить его под штатной 2-х диновой магнитолой автомобиля (так как на самом деле магнитолой обычно занята только верхняя половина отсека). Мощность более 100 ватт на канал на фронтальные динамики в передних дверях достаточна, так как в двери обычно размещаются 16 см динамики и 100 ватт для них является типичным пределом (если не по тепловой прочности звуковой катушки, то уж по её максимальному ходу - точно. К тому же без основательного усиления дверей или изготовления внутри полости двери прочного ящика вибрации превосходят разумные пределы.
Усилитель 2х100 ватт в 1-DIN размерах не является пределом минимальных размеров, однако печатная плата из двухстороннего стеклотекстолита делается лазерно-утюжной технологией, резисторы размера 1206 без затруднений паяются обычной паяльной станцией, что облегчает повторение устройства радиолюбителями. К тому же многие компоненты были взяты из имеющихся у меня в наличии или были доступны в рознице без предварительного заказа.
Уменьшение габаритов конструкции получено высоким КПД преобразователя и усилителя мощности (насколько это возможно в классе АВ), а так же высокой рабочей температурой использованных в оконечных каскадах усилителей MOSFET. Уменьшение размеров преобразователя напряжения (далее – ПН) уменьшает излучение радиопомех – элементы ПН и дорожки печатной платы служат излучающей антенной этого мощного генератора помех.
Полученный высокий КПД всего устройства в целом прежде всего обязан правильно выполненному импульсному трансформатору ПН, а так же раздельному питанию предварительных и оконечных каскадов усилителей мощности (далее – УМ). Комплексное, одновременное проектирование ПН и УМ позволило сделать напряжения питания кратными, а потому намотать обмотку трансформатора сплетённой из проводов одной косичкой.
Преобразователь напряжения построен на ИМС SG3525A и имеет некоторые отличия от ставших типовыми схем с их повторяющимися от схемы к схеме ошибками. Прежде всего в данной схеме отсутствует порочный круг: «мотаем трансформатор на кольце (русский обычай такой, национальная традиция, и нам плевать на рекомендации какого-то Эпкоса) с несколькими обмотками под готовый уже усилитель с заданными напряжениями (получая при этом плохие показатели паразитной индуктивности) – ставим цепи Цобеля (и рассеиваем на них значительную мощность) для гашения выбросов напряжения на стоках ключей ПН во избежание пробоя – ключи ПН начинают греться (так как фронт переключения затянут цепью Цобеля и индуктивностью рассеяния трансформатора) – ставим ключи на радиаторы (и увеличиваем потери на выводах ключей и дорожках ПН)». Иногда еще увеличивают число ключей (получая непосильно высокую емкость нагрузки для ИМС ШИМ-контроллера) и ставят транзисторный повторитель – драйвер, уменьшая напряжение на затворах ключей (и далее уменьшая КПД ключей). После этого ставят независимое повышенное питание драйверов (чтобы этот КПД снова повысить) от самого преобразователя (и получают неожиданный выход из строя ПН при пропадании питания). Ни чего этого здесь нет.

1.Применение оптрона PS2701 на входе управления включением от магнитолы "Remote" позволяет полностью избавиться от токовой петли (и связанных с нею помех) при подключении сигнального кабеля к выходу автомагнитолы. Причем R1 можно вообще отвязать от первичной земли (минуса аккумулятора), а соединить непосредственно на магнитоле. Диод VD1 защищает светодиод оптрона от пробоя при обратной полярности подключения (не более 6 вольт). Так как у оптрона есть минимальный рабочий ток, то не требуется дополнительных элементов по формированию порога минимального напряжения включения от выхода магнитолы – включение происходит при напряжении более 4 вольт.
2. Транзистор VT1 отключает ИМС SG3525A полностью, так как она потребляет ток от аккумулятора около 15-20 ма (у меня вышло 18 ма). Это существенно: за месяц стояния автомобиля в гараже гарантирован разряд аккумулятора. Так как в качестве VT1 стоит MOSFET, то на нем нет падения напряжения в открытом состоянии. Это важно для получения на выходе ИМС максимально возможного напряжения для наиболее полного открытия ключевых транзисторов.
3. Для подавления помех в цепи питания обычно ставят дроссель. В этой цепи большой постоянный ток, потому (грамотные) разработчики ставят дроссели на металлопорошковых кольцах во избежание насыщения. Однако почти ни когда не беспокоятся о проникновении помех от преобразователя в бортовую сеть автомобиля - потому конденсатор ставят лишь после дросселя, возле ключей. При этом дроссель получается большим по габаритам - потребляемый ток до 25 ампер, а для нормального подавления помех имеет большое количество витков, а, следовательно - сопротивление по постоянному току. Потом приходится ставить батарею конденсаторов, чтобы устранить падение напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя в моменты пикового потребления тока. Но гораздо более разумно повысить порядок фильтра, поставив два маленьких (по габаритам и сопротивлению обмотки) дросселя и конденсаторы теперь уже существенно меньшей емкости по сравнению с исходным вариантом. При этом мы еще получаем замечательное подавление помех в обе стороны и отсутствие помех радиоприему. Основным критерием в выборе этих конденсаторов должно быть минимальное ESR, а номинальное напряжение - не менее 25 вольт.
4. Защита ключей основана на увеличении падения напряжения на открытом канале ключа (т.н. «красные каракули» IVX). Но диоды VD2-VD3 не нужно ставить на радиатор ключей для температурной компенсации увеличения сопротивления открытого канала, так как с ростом температуры ключей IRF3205 максимальный ток стока должен быть снижен со 110 до 80 ампер при росте температуры с 25 до 100 градусов. При достижении порогового напряжения срабатывает "защелка" (аналог тиристора) и выключает ИМС до снятия напряжения питания (выключением магнитолы).
5. Терморезистор TH1 производства Epcos с номиналом 10 кОм на 25 градусах (был найден в каком-то бесперебойнике, а программа по расчету его сопротивления при разных температурах имеется на сайте производителя) обеспечивает сразу две функции: отключение преобразователя при перегреве радиаторов транзисторов оконечного каскада усилителя мощности и включение вентилятора (возможность установки его предусмотрена на случай частого перегрева при тяжелом тепловом режиме или размещения усилителя в закрытом корпусе) на вторую скорость (на первую скорость он включен всегда через резистор R25, потому как радиаторы оконечных каскадов усилителя маленькие и регулировать обороты вентилятора плавно, от нуля, не имеет смысла и 12-вольтовые вентиляторы не запускаются при напряжении питания ниже 5-7 вольт). В качестве гистерезисного компаратора использован внутренний ОУ в ИМС SG3525A. Следует заметить, что цикличного включения-выключения второй скорости вентилятора не происходит, так как при включении второй скорости транзистор VT2 начинает разогреваться (в момент перехода к открытому состояния сопротивление канала достаточно велико). К тому же, при высокой температуре в корпусе включение на вторую скорость произойдет при более низкой температуре. Так использованы отрицательные свойства характеристик мосфета. Вентилятор включается при температуре 83 градуса, преобразователь выключается при 107 градусах, а обратное включение происходит при 87 градусах. При наличии вокруг радиаторов достаточного свободного пространства и конвекции воздуха мне не удалось превысить температуру радиаторов выше 87 градусов даже без использования вентилятора, т.е. при пассивном охлаждении.
6. Трансформатор намотан на сердечнике ETD-34/17/11 (Epcos) №87 с горизонтальным каркасом (заказные номера В66362-В1014-Т1 + скобы к нему В66362-А2000). Занимая на плате площадку 40х40мм, он способен отдать на 50 кГц более 250 ватт. Намотка косичками из провода диаметром 0,4 мм (уже 0,5 мм неудобно скручивать косичкой) из расчета половины для максимально тока (то есть из расчетных 19 проводов по 0,4 мм достаточно взять 10 в первичной обмотке) - для усилителя больше и не нужно, учитывая пик-фактор музыкального сигнала (общеизвестно, что средняя мощность УМЗЧ примерно 30% от максимальной). То есть реально будет в обмотках примерно 4 А/кв.мм. Если будет греться – это хорошо, ведь минимальные потери у феррита №87 при температуре 90-110 градусов, а магнитная проницаемость растет до 210 градусов. На практике температура обмотки не превышает 35 градусов.
Трансформатор имеет 48 жил (по 0,4 мм), секционированных на 6 секций вторички (для организации двухуровнего питания) и 2 секции первички.
Можно еще выжать чуточку КПД - феррит №97 поставить, провод в косичке еще потоньше сплести, транзисторы не те, что были под рукой и много (IRF3205), а посовременнее - с меньшим зарядом затвора и меньшим сопротивлением канала, диоды Шоттки стоят - какие были в тумбочке (10CTQ150), уменьшить число витков в обмотках (уменьшение потерь на меди). Тем самым выиграть еще 0,5-1% КПД. Однако для повышения надежности преобразователя число витков лучше не уменьшать - амплитуда индукции в расчетах принималась равной 0,1465 T, что позволяет работать трансформатору при входном напряжении до 16 вольт (расчетное, на практике до 20 вольт) без вхождения сердечника в насыщение. Измеренный КПД ПН на резистивной нагрузке (вместо усилителя) на мощности 70 ватт (это средняя потребляемая мощность от источника питания усилителем 2х100 ватт) составил около 95%.
7. Диоды Шоттки в выпрямителе на радиатор ставить не нужно - чем они горячее, тем меньше падение напряжения на них. Соответственно, выше КПД устройства в целом.
8. После выпрямителя нет дросселя групповой стабилизации, ставшего привычным в ПН. Испытания показали, что ДГС для усилителя мощности не нужен - по обоим плечам питания ток потребления одинаковый. А вот КПД падает - на нём рассеивается мощность. Кроме того, наличие любого дросселя перед конденсаторами фильтра увеличивает выбросы в начале импульса напряжения на стоках ключей - а это влечёт применение радиаторов для них и установку снабберов, и, как правило, удлинение проводников к ключам с увеличением падения напряжения на этих дорожках, паразитными емкостями и индуктивностями, увеличиваются потери на ключах на пологом участке роста тока. Как снежный ком увеличиваются проблемы от необдуманной установки дросселя.
Снижение пульсаций выпрямленного напряжения достигнуто установкой резисторов R22-R23 в цепях затворов ключевых транзисторов (они снижают величину импульса тока при переключениях) и подбором R8 (130 Ом), устанавливающего длительность паузы между импульсами (т.н. «dead time»). Установка R22-R23 более 33 Ом приводит к затягиванию фронта импульса.
Диоды VD15-VD16 защищают выход ИМС от пробоя выбросом отрицательного напряжения.
Косички первичной обмотки впаяны в крепёжное отверстие корпуса ТО-220 ключевых транзисторов преобразователя, выводы транзисторов и диодов выпрямителя укорочены до минимально возможных для уменьшения потерь и их индуктивности.

Защита акустических систем от напряжения постоянного тока описана в соседнем разделе – «Самая маленькая защита акустических систем». Схема защиты не занимает места на печатной плате – все её компоненты расположены под реле. Отличие схемы в этом усилителе от приведённой – С3 отсутствует, а R3 номиналом 1 М подключен к выводу 8 ИМС SG3525.

Усилитель мощности представляет собой упрощенную версию описанного в соседней ветке «Усилителя без драйверного каскада». Ток покоя выходных транзисторов – 50 мА. Транзисторы выходного каскада установлены на радиаторы без прокладок, с термопастой КТП-8. Каждый транзистор стоит на отдельном радиаторе площадью около 160 см. Радиаторы алюминиевые, матовые, не чернёные (хотя чернение могло бы еще повысить эффективность при пассивном охлаждении). Размер радиатора HxWxL 47x42x33 мм. (Это отрезок радиатора от процессора AMD.) Транзисторы термостабилизации – позиция 1VT11 типа 2SC3953 имеют изолированные корпуса и закреплены на радиаторах рядом с 1VT13 (IRF9540N) каждого канала. N-канальный MOSFET имеет большее сопротивление канала и потому должен больше нагреваться при работе.

схема усилителя мощности
печатная плата в формате Sprint Layout 5
вид трансформатора