УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ УСИЛИТЕЛЯ ЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ ОТ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Область техники.
Группа изобретений относится к области усиления электрических сигналов, конкретно - к способам и, устройствам питания усилителей звуковых частот и звуковоспроизводящих комплексов от сети переменного тока, и предназначено, в основном, для повышения качества звучания звуковоспроизводящей аппаратуры, питаемой от них.
Уровень техники.
Известно, что требования потребителей к качеству звуковоспроизведения постоянно растут - как в профессиональной, так и в бытовой аппаратуре. Учитывая большие мощности такой аппаратуры, ее обычно питают от сети переменного тока - через соответствующие выпрямители и фильтры.
Повышение качества звуковоспроизведения (звучания высококачественной аппаратуры) достигают многими путями - улучшают характеристики устройств звукозаписи, усилителей, излучателей, акустических систем, построенных с их использованием, введением многополосных корректоров частотных характеристик, дополнительных эффектов, специальным размещением акустических систем, обработкой помещений прослушивания и т.п. (см., например, статьи: К.Гринберг.«О влиянии направленности АС», С.Таранов. «Комната прослушивания как часть hi-fi-системы», в журнале «АудиоМагазин» №1 (1) 1994, Санкт-Петербург; В.Зуев. «Этот загадочный господин Хай Энд.
Основные инженерно-технические особенности проектирования элитной аудиоаппаратуры», в журнале «АудиоМагазин» №6 (23) 1998, Санкт-Петербург)
Однако, очевидно также, что возможности повышения качества звучания - приближение его к натуральному звучанию - далеко не исчерпаны и наиболее взыскательные слушатели требуют его дальнейшего повышения.
Одним из направлений исследований, влияющих на качество звучания, которому, по нашему мнению, до сих пор не уделялось должного внимания, являются способы и устройства питания высококачественных усилителей звуковых частот от сети переменного тока. Обычно такое питание реализуется путем детектирования переменного тока (преобразования его в однополярную форму), зарядки таким однополярным сигналом одного или группы параллельно включенных конденсаторов большой емкости, при этом цепь питания усилителя подключают к указанному конденсатору - иногда через фильтр нижних частот для уменьшения пульсаций частоты сети питания.
Принято считать, что для исключения влияния сети переменного тока на характеристики (работу) усилителя звуковых частот достаточно иметь сеть переменного тока достаточной мощности. Использовать мощный трансформатор напряжения, применить выпрямительные диоды с малым собственным внутренним сопротивлением, и конденсатор большой емкости (см., например, У.Титце, К.Шенк «Полупроводниковая схемотехника», изд. ир», 1982 г., стр.253-256).
Другими словами, такой способ и устройство питания предусматривает снижение (трансформатором) амплитуды переменного напряжения сети до нужной величины, выпрямление полученного переменного напряжения и зарядку выпрямленным током конденсатора, к которому подключена цепь питания усилителя звуковых частот.
При описанном способе питания и грамотном выборе характеристик используемых элементов устройства питания (сети, трансформатора, детектора, конденсатора) - обычно в расчете режима усилителя, характеристики сети переменного тока уже не учитывают. Считают, что усилитель питается непосредственно от заряженного конденсатора.
Тем не менее, квалифицированные слушатели замечают, что качество звучания высококачественной аппаратуры звуковоспроизведения лучше при питании усилителей от автономного источника питания, чем при питании через выпрямитель от сети переменного тока, независимо от качества выпрямителя. Поэтому, зачастую они предпочитают применять автономное питание (от аккумуляторов).
Заявитель проанализировал процесс питания усилителя звуковых частот от выпрямленного напряжения сети переменного тока и выявил причину (механизм) влияния источника питания на качество звучания высококачественной аппаратуры. Как известно, в устройствах питания усилителя от сети переменного тока 1 (фиг.1) переменное напряжение с трансформатора 2 через выпрямитель 3 заряжает конденсатор 4, ток разряда которого питает усилитель 5. При этом конденсатор 4 разряжается и напряжение на нем падает (фиг.6 - Ео). При двухполупериодном выпрямителе 3 дважды за период сети переменного тока (фиг.6 - Uд) происходит подзарядка конденсатора (фиг.6 - Ео). В каждом полупериоде переменного тока подзарядка начинается, когда мгновенное значение переменного напряжения на диодах выпрямителя 3 превышает постоянное напряжение на частично разряженном накопительном конденсаторе 4 и заканчивается, когда мгновенное значение переменного напряжения на диодах выпрямителя 3 становится ниже постоянного напряжения заряженного конденсатора 4. Длительность этих промежутков времени (этих частей каждого полупериода частоты переменного тока сети) зависит, в частности, от потребляемого усилителем тока.
При увеличении потребляемого усилителем 5 тока конденсатор 4 разряжается за каждый полупериод частоты переменного тока быстрее, соответственно, мгновенное значение переменного напряжения на диодах выпрямителя быстрее (ближе к началу полупериода переменного тока) станет больше напряжения на частично разряженном конденсаторе 4, диоды выпрямителя быстрее откроются, заряжая конденсатор 4, а закроются диоды выпрямителя позже, поскольку потребуется больше времени для того, чтобы напряжение заряженного конденсатора 4 сравнялось с мгновенным значением переменного напряжения ьа диодах выпрямителя. Соответственно, при уменьшении потребляемого усилителем 5 тока длительность промежутков времени подзаряда конденсатора 4 от сети 1 уменьшится. Колебания величины напряжения на конденсаторе называют пульсациями, для их уменьшения увеличивают емкость конденсатора и уменьшают внутреннее сопротивление выпрямителя.
Эти процессы наглядно представлены на фиг.6.
Обратим внимание на то, что в течение времени подзаряда конденсатора диоды выпрямителя 3 открыты и вследствие этого цепь питания усилителя 5 соединена через открытые диоды с сетью переменного тока 1. Конденсатор 4 и сеть переменного тока 1 в этот промежуток времени включены параллельно и ток питания усилителя 5, также включенного параллельно конденсатору, 4 проходит через сеть переменного тока 1. Таким образом, в сети переменного тока 1 появляется сигнал, адекватный току питания усилителя. Если ток питания усилителя постоянен (класс А) - то его отражение в сети переменного тока будет только в длительности времени подзарядки накопительного конденсатора 4. Если же ток питания усилителя зависит от мгновенного значения усиливаемого сигнала (классы В, АВ, С) - сеть переменного тока 1 будет содержать ток усиливаемого сигнала.
Наличие в сети переменного тока 1, к которой подключен выпрямитель, питающий усилитель звуковых частот 5, тока усиливаемого сигнала вызывает паразитную обратную связь в этом
усилителе и, что более важно, между компонентами комплекта звуковоспроизводящей аппаратуры, если от этой же сети переменного тока питают и другие составляющие звукоусилительного комплекса.
Величина такой связи зависит также и от качества устройства питания.
Известно также, что при питании от сети в усилитель могут проходить помехи, имеющиеся в сети переменного тока, что также ухудшает качество звуковоспроизведения.
Кроме того, отмеченное просачивание усиливаемого сигнала в сеть переменного тока является одним из каналов утечки информации, что обычно нежелательно..
Прохождение усиливаемого сигнала в сеть переменного тока уменьшают, в основном, посредством фильтрации.
В частности, сеть переменного тока 1 подключают к выпрямителю через сетевые фильтры-пробки (см., например, Васильева В. «Обслуживание ПК своими руками. Экспресс-курс», изд. BHV, 2003 г, Санкт-Петербург). Так называют фильтры, имеющие большие сопротивления для колебаний звуковых частот, и пренебрежимо малые для переменного тока сети.
Широко известен также способ питания усилителя звуковых частот от сети переменного тока, предусматривающий, что после известных операций трансформации величины переменного напряжения сети, выпрямления полученного переменного напряжения, заряда выпрямленным током основного конденсатора - вводят фильтр нижних частот между конденсатором и цепью питания усилителя.. Способ подробно описан, например, в книге А.А.Куликовского "Справочник радиолюбителя" МРБ, издание 2, 1958 г., стр.356-358.
Известно множество устройств, реализующие этот способ (например, Борноволоков "Выпрямители для питания приемников от сети переменного тока", ср.1-10, Связьиздат, 1959, Москва и Г.В.Войшвилло «Усилительные устройства», 1983 г., стр.127, Радио и Связь, 1983, Москва)
Наиболее простой из них содержат силовой трансформатор 2, подключенный к сети 1 переменного тока, вторичная обмотка трансформатора 2 подключена к выпрямителю 3, основной конденсатор 4, подключен к выходу выпрямителя 3, а дополнительный конденсатор 7 подключен к параллельно основному конденсатору 4 через индуктивность (дроссель) 6, образуя фильтр нижних частот. Цепь питания усилителя 5 подключена к дополнительному конденсатору 7.
Описанный способ и устройство питания, предусматривающий фильтрацию выпрямленного напряжения имеет существенные достоинства. Во первых - снижаются пульсации переменного напряжения в цепи питания усилителя звуковых частот (на дополнительном конденсаторе 7), во вторых - существенно уменьшается прохождение усиливаемого звукового сигнала в сеть переменного тока 1 из-за большого индуктивного сопротивления 6 (дросселя), включенного последовательно в цепь переменного тока.
Описанные выше (фиг.2) способ и устройство питания усилителей звуковых частот от сети переменного тока наиболее близко к заявляемому по изобретательскому замыслу и числу общих существенных признаков. Поэтому оно выбрано нами за прототип. Оно подробно описано в уже упомянутой книге А.А.Куликовского "Справочник радиолюбителя" МРБ издание 2, 1958 г., стр.356-358.
Способ-прототип предусматривает трансформацию величины переменного напряжения сети, выпрямление полученного переменного напряжения, заряд выпрямленным током основного конденсатора 4 введение между основным конденсатором и цепью питания усилителя фильтра нижних частот.
Устройство-прототип содержит силовой трансформатор, подключенный к сети переменного тока, вторичная обмотка которого подключена к выпрямителю 3, основной и дополнительный конденсаторы, причем основной конденсатор подключен к выходу выпрямителя, а дополнительный подключен к
первому через индуктивность (дроссель). Цепь питания усилителя звуковых частот подключена к дополнительном конденсатору. Таким образом, два конденсатора и дроссель между ними образуют П-образный фильтр, сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения на дополнительном конденсаторе и существенно уменьшающий прохождение сигналов усиливаемых звуковых частот в сеть переменного тока.
Способ и устройство широко используются в практике. Однако полностью исключить прохождение усиливаемого сигнала при работе в классах В и АВ путем фильтрации выпрямленного напряжения не удается. Тем более, что частота переменного тока находится в спектре усиливаемого сигнала и полностью разделить их фильтрами невозможно. Т.е. пока не удалось устранить указанную паразитную обратную связь через сеть питания, ухудшающую качество звуковоспроизведения каждого усилителя и комплекта звукоусилительной техники, питаемой от одной и той же сети переменного тока.
Задача изобретения
Задача заявляемой группы изобретений - устранить указанный недостаток,
- исключить паразитную обратную связь усилителя через сеть переменного тока, исключить влияние выпрямителя м помех сети переменного тока на качество работы усилителя и этим повысить качество звуковоспроизведения. Другими словами, техническая задача группы изобретений - исключить прохождение тока сигнала усиливаемых звуковых частот в сеть переменного тока и этим развязать ток нагрузки и ток, потребляемый из сети.
Решение задачи.
Поставленная задача в отношении способа решена тем, что в известный способ питания усилителя звуковых частот от сети переменного тока, предусматривающий трансформацию величины переменного напряжения сети, выпрямление (детектирование)
полученного переменного напряжения, заряд выпрямленным током основного конденсатора, введены существенные изменения и дополнения, а именно:
- вводят дополнительный конденсатор, к которому подключают цепь питания усилителя,
- дополнительный конденсатор подключают параллельно основному конденсатору через управляемый ключ,
- дополнительный конденсатор отключают от основного конденсатора на время подзарядки основного конденсатора от выпрямителя.
Задача изобретения в отношении устройства по описанному выше способу решена тем, что в известное устройство питания усилителя звуковых частот от сети переменного тока, содержащее силовой трансформатор, подключенный к сети переменного тока, вторичная обмотка которого подключена к выпрямителю, отдельные основной и дополнительный конденсаторы, причем основной конденсатор подключен к выходу выпрямителя, а цепь питания усилителя звуковых частот подключена к дополнительному конденсатору, внесены существенные изменения и дополнения, а именно:
- дополнительный конденсатор подключен параллельно основному конденсатору через управляемый ключ, выполненный с возможностью размыкания,
- управляющий вход ключа подключен к выходу формирователя сигнала размыкания, синхронизованному с частотой сети переменного тока,
- при наличии на выходе формирователя сигнала размыкания ключ закрыт и дополнительный конденсатор отключен от основного конденсатора,
- при этом длительность сигнала размыкания ключа в каждый полупериод переменного напряжения сети выбрана не менее длительности подзаряда основного конденсатора от выпрямителя,
Управляемый ключ может быть выполнен, например, в виде электронного ключа, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя сигнала размыкания.
Формирователь сигнала размыкания может быть выполнен, например, в виде компаратора, построенного на операционном усилителе, опорный вход которого подключен к источнику заданного постоянного напряжения, а сигнальный вход - через диоды и делитель напряжения - к обоим концам вторичной обмотки силового (питающего) трансформатора
Раскрытие сущности изобретения.
Сущность изобретения поясняется фиг.3, 4, 5,
где фиг.3 - пример выполнения устройства питания усилителя звуковых частот,
фиг.4 - пример выполнения управляемого ключа,
фиг.5 - пример выполнения формирователя сигнала размыкания,
фиг.6 - диаграмма напряжений и токов схемы фиг.3.
На фигурах приняты следующие обозначения:
1 - сеть переменного тока, 2 - трансформатор, 3 - двухполупериодный выпрямитель (детектор), 4, 7 - основной и дополнительный конденсаторы, 5 - усилитель звуковых частот, 8 - управляемый ключ, 9 - управляющий вход ключа 8, 10 - формирователь сигнала размыкания, 11, 12 - транзисторы, 13, 14 - резисторы, 15 - операционный усилитель, 16, 17 - диоды, 18, 19 - резисторы, 20 - потенциометр.
На диаграмме фиг.6 по оси абсцисс - время в периодах переменного тока сети, а по оси ординат:
Uc - форма переменного напряжения сети,
Uд - форма переменного напряжения после выпрямителя 3,
Uф - форма напряжения на выходе формирователя сигнала размыкания,
Ео - форма напряжения на основном конденсаторе 4,
Ед - форма напряжения на дополнительном конденсаторе 7,
Iз - форма тока заряда основного конденсатора 4.
Способ осуществляется следующим образом. Амплитуду напряжение сети снижают до необходимой величины - заданного выпрямленного напряжения, Полученное напряжение выпрямляют и заряжают выпрямленным током основной конденсатор 4. Параллельно основному конденсатору через управляемый ключ 8 подключен дополнительный конденсатор 7, к которому подключают цепь питания усилителя звуковых частот 5. После включения устройства питания в сеть переменного тока выпрямленное напряжение сети заряжает основной и дополнительный конденсаторы. При включении усилителя 5 потечет ток потребления, разряжая оба конденсатора. Напряжения на них падает. В каждый полупериод напряжения сети выпрямитель будет подзаряжать основной конденсатор в те промежутки времени, когда мгновенные напряжения выпрямленного напряжения детектора 3 превышают напряжение на конденсаторе 4 (фиг.6 - Ео и Iз). При этом в течение времени подзарядки основного конденсатора дополнительный конденсатор отключают от него путем размыкания ключа 8. После завершения подзарядки основного конденсатора ключ 8 замыкают и дополнительный конденсатор вновь подключают параллельно основному. Заряд основного конденсатора 4 частично переходит и на дополнительный конденсатор 7. В этот промежуток времени цепь питания усилителя подключена к параллельно включенным конденсаторам, которые отключены от выпрямителя, поскольку диоды выпрямителя закрыты.
Таким образом, в течение времени подзаряда основного конденсатора, когда диоды выпрямителя открыты, усилитель питается только от дополнительного конденсатора и ток питания усилителя звуковых частот никак не может попасть в сеть переменного тока. В остальное время - цепь питания усилителя подключена к параллельно включенным конденсаторам, также отключенным от сети переменного тока. Т.е. возможность паразитной обратной связи через сеть переменного тока при описанном способе и устройстве питания от сети переменного тока полностью исключена.
Схема управляемого ключа 8 может быть выполнена виде электронного ключа (см. например, У.Титце, К.Шенк «Полупроводниковая схемотехника», стр.93-95, 286-287, изд. Мир, 1982 г.)
Ее пример для рассматриваемого устройства питания приведена на фиг.4. Транзистор 11 включен между положительными электродами основного и дополнительного конденсаторов 4 и 7, эмиттером к основному конденсатору 4. Транзистор 12 включен через резистор 13 между положительным электродом основного конденсатора 4 и общим проводом (землей, нулевым проводом); эмиттером к общему проводу. База транзистора 11 подключена к коллектору транзистора 12 через резистор 14. База транзистора 12 подключена к выходу формирователя сигнала размыкания.
Приведенная схема управляемого ключа работает следующим образом. При отсутствии сигнала размыкания на базе транзистора 12 - этот транзистор 12 открыт через него протекает ток, создающий соответствующее падение напряжения на резисторе 13. Напряжение на базе транзистора 11 уменьшается, вследствие чего транзистор 11 будет открыт и ключ 8 открыт.Основной и дополнительный конденсаторы 4 и 7 включены параллельно. При поступлении сигнала размыкания на базу транзистора 12 этот транзистор закрывается, через него не протекает ток. Соответственно напряжения на его коллекторе и на базе транзистора 11 максимально - равно напряжению на основном конденсаторе 4. Вследствие этого транзистор 11 закрывается, ключ 8 закрывается, основной и дополнительный конденсаторы 4 и 7 разомкнуты, дополнительный конденсатор 7 отключен от основного конденсатора 7.
Схема формирователя сигнала размыкания может быть выполнена, например, в виде компаратора, построенного на базе операционного усилителя, (см. например, У.Титце, К.Шенк «Полупроводниковая схемотехника», стр.93-95, 286-287, изд. «Мир», 1982 г. Компаратор сравнивает заранее заданное (опорное) постоянное напряжение, поданное на его опорный вход с внешним напряжением, поданным на его сигнальный вход и когда напряжение
на сигнальном входе превышает напряжение на опорном входе - компаратор срабатывает, т.е. выходное напряжение операционного усилителя скачкообразно падает Его работа подробно описана в вышеуказанной книге.
Ее пример для рассматриваемого формирователя 10 сигнала размыкания приведен на фиг.5. Формирователь 10 состоит из операционного усилителя 15, опорный вход которого подключен к делителю постоянного напряжения, выполненного на резисторах 18, 19. Сигнальный вход операционного усилителя 15 подключен к делителю переменного напряжения, выполненном на потенциометре 20. Сигнальный вход операционного усилителя 14 подключен к движку потенциометра 20, вход потенциометра 20 соединен с обоими концами вторичной обмотке питающего трансформатора 2 через диоды 16 и 17.
Описанный формирователь 10 работает следующим образом Пока переменное напряжение на сигнальном входе операционного усилителя 15 меньше постоянного напряжения на его опорном входе - выход операционного усилителя в положении «+Е», т.е на его выходе высокое постоянное напряжение. При таком напряжении ключ 8 открыт. Как только переменное напряжение на сигнальном входе операционного усилителя превысит постоянное напряжение на его опорном входе - выход операционного усилителя 15 переходит в положение «0», на его выходе образуется низкое напряжение. При таком напряжении ключ 8 закрыт. Делителем 12, 13 выбирают величину постоянного напряжения на опорном входе усилителя 15, потенциометром 20 регулируют величину переменного напряжения на его сигнальном входе. Таким образом, можно управлять моментом срабатывания формирователя сигнала размыкания, и, соответственно, - ключа 8. Например, при срабатывании формирователя на уровне 0,5 переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора - время замкнутого и разомкнутого состояния ключа 8 будут одинаковы. Схема позволяет сформировать любые последовательности импульсов размыкания - от положения постоянного размыкания до положения постоянного
замыкания ключа. Соотношение времени замыкания и размыкания ключа в каждом случае применения заявленного блока питания определяют исходя из его особенностей, в основном - от величины потребляемого тока.
Приведенные примеры реализации способа и устройства ни в коем случае не исчерпывают возможности изобретения, заявленные в формуле изобретений, а лишь иллюстрируют его достоинства и работоспособность.
Промышленная применимость
Предложенный способ и устройство неоднократно реализованы заявителем. При этом не потребовалось никаких особенных материалов, элементов, блоков. Все использованные элементы (конденсатор, управляемый нормально-замкнутый ключ с возможностью размыкания, формирователь размыкающего сигнала и т.п.) и материалы давно освоены современной промышленностью.
Испытания показали, что питание усилителей звуковых частот от сети переменного тока заявленным способом полностью исключили прохождение усиливаемого сигнала в сеть переменного тока и, соответственно, возможность паразитной обратной связи через сеть питания.
Прослушивание подтвердило, что качество звуковоспроизведения при питании аппаратуры заявленным способом заметно выше, чем при питании той же аппаратуры способом-прототипом. Несмотря на то, что исключенная обратная связь через сеть переменного тока была количественно незначительной - эффект от ее устранения оказался весьма ощутим.
Предложенные способ и устройства намечены к применению как во вновь разрабатываемой звукоусилительной и звуковоспроизводящей аппаратуре ХАЙ-ЭНД, так и для улучшения качества работы уже существующей аппаратуры, поскольку они может быть элементарно реализованы путем дополнения стандартных устройств питания несколькими внешними дополнительные элементами.