Tanie zasilanie impulsowe do lamp (1)

W świetle faktu, że na rynku dostępne są przewody z miedzi kierunkowej, oczyszczacze kwantowe oraz podstawki pod przewody do niwelowania wpływu podłogi, to co napiszę będzie herezją za którą inkwizycja powinna spalić mnie na stosie. Takiego pytania nie powinienem w ogóle zadać, ale zadam. Czy można wzmacniacz lampowy zasilać zasilaczem impulsowym? Odpowiedź jest makabryczna: „Tak, można!”

W świecie audiofilskim panuje pogląd, iż zasilanie sprzętu grającego zasilaczem impulsowym jest zbrodnią ze względu na zakłócenia generowane przez takie zasilacze. To prawda, że zasilacze impulsowe generują zakłócenia, znacznie większe niż zasilacze liniowe, jednak jak można się domyśleć, łatwo jest generować „miejskie legendy”, gdy w grę wchodzą pieniądze, prestiż i brak wiedzy. Trzeba się przyjrzeć jaki jest charakter zakłóceń generowanych przez zasilacze impulsowe. Poprawnie zaprojektowany zasilacz generuje zakłócenia od częstotliwości kluczowania wzwyż. Typowym zasilaczu impulsowym częstotliwość kluczowania jest znacznie powyżej pasma audio, nie rzadko rząd wielkości, czasami więcej. Ale hola hola! Przecież zasilacze generują też zakłócenia poniżej częstotliwości kluczowania. Tak mogą, gdy są źle zaprojektowane, przez co niestabilne – ale niestabilne zasilacze liniowe także będą generować zakłócenia… Ale zakłócenia wysokiej częstotliwości będą się rozchodzić po układzie i wchodzić na wejście wzmacniacza. Tak! Będą. Ale jeżeli Twój wzmacniacz wzmacnia sygnały poza pasmem audio, to jest on źle zaprojektowany.

Jakie są zalety zasilaczy impulsowych w stosunku do klasycznych rozwiązań liniowych? Jest ich kilka:

  • Wysoka sprawność.
  • Napięcie wyjściowe regulowane elektronicznie. W rozwiązaniu liniowym konstrukcja transformatora zależy od napięcia wyjściowego i nawet jeżeli możemy regulować napięcie wyjściowe na stabilizatorze, to nie ma ono zwykle szerokiego zakresu.
  • Szeroki zakres napięcia wejściowego.
  • Mniejszy gabaryt. Pamiętajmy, że w liniowych zasilaczach oprócz gabarytu transformatora są jeszcze potrzebne spore cewki do filtrów za prostownikiem.

Czy zasilacze impulsowe są droższe? Hmmm. Trudno jest na to odpowiedzieć. Załóżmy, że potrzebujemy transformator o napięciu wyjściowym 850V (do lamp GU-50). W zależności od mocy transformator taki może kosztować nawet kilkaset PLN per sztuka, przy wykonaniu standardowym. Zasilacz impulsowy nie koniecznie musi okazać się tańszy, gdyż główny koszt generuje transformator impulsowy, a w Polsce jest niewiele firm, która takie transformatory nawija. Można pokusić się o wersję nieizolowaną, beztransformatorową, ale pojawia się kwestia bezpieczeństwa i ryzyka porażenia wysokim napięciem w przypadku zwarcia.

Załóżmy jednak, że obudowa urządzenia (oraz innych elementów systemu audio) jest metalowa, poprawnie uziemiona, a instalacja w miejscu użytkowania jest sprawna. Nie ma więc powodu, by nie rozważyć zasilacza impulsowego nieizolowanego. Jest to oczywiście rozważanie czysto teoretycznie, w praktyce zastosowanie takiego rozwiązania może być niebezpieczne, bo masa układu jest na potencjale przewodu neutralnego i łączenie jej z innymi, nieznanymi systemami może być niebezpieczne. Zatem nie próbujcie tego w domu!

Zadanie jest proste. Musimy zaprojektować konwerter 230VAC/1000VDC (1000V to maksymalne napięcie anodowe dla lamp GU-50, te produkcji radzieckiej podobno wytrzymują 1200V). Wybieramy topologię boost bez transformatora. Ze względu na wysokie napięcia potrzebujemy zewnętrznego klucza i drivera tego klucza. Najprostszym i zarazem najtańszym rozwiązaniem jest układ generatora pwm UC3843. Jest to układ powszechnie stosowany w zasilaczach impulsowych. Schemat blokowy przedstawia poniższy diagram.


Zasilacz ma stosunkowo prostą konstrukcję. Prostujemy napięcie sieciowe (1), z którego to napięcia zasilamy cewkę (3). Driver (4) zasilony jest z dzielnika pojemnościowego (2). Pobiera on kilkanaście mA, co w przypadku zasilania przez dzielnik pojemnościowy jeszcze ma sens. Driver wysterowuje tranzystor (5) względem napięcia ze sprzężenia zwrotnego (8). Należy pamiętać, że zarówno klucz (5) jak i dioda (6) musi być na odpowiednio wysokie napięcie. Na drenie tranzystora występuje napięcie Vin+Vout, czyli w tym przypadku około 1325V. Tranzystory na napięcie 1500V są bez problemu dostępn, np 2SK1317 w cenie około 20 PLN za sztukę.

Zróbmy kilka szybkich obliczeń. Przy założeniu napięcia wyjściowego 1000V i typowego napięcia sieci 230V, współczynnik wypełnienia wynosi około 67%. Przy założeniu mocy wyjściowej zasilacza 200W (0,2A) maksymalny prąd kluczowania to około 1,2A przy indukcyjności 1,2mH. Oooo! Tu już zaczyna być nieprzyjemnie, bo cewka ma sporą indukcyjność a za tym idzie gabaryt. Wciąż jednak jest to mniejszy problem niż transformator. Przy założeniu maksymalnych tętnień napięcia wyjściowego na poziomie 1%, zasilacz musi mieć minimum 150nF pojemności na wyjściu. WoW! Jest to znikoma pojemność, ale w praktyce zwykle trzeba będzie zamontować więcej. Pamiętajmy, że to są wyliczenia teoretyczne z kalkulatora.

Zastanówmy się jednak ponownie nad zasilaczem z transformatorem impulsowym. Transformator jest takim „ustrojstwem”, którego uzwojenie pierwotne i wtórne możemy dowolnie zamieniać miejscami i wciąż będzie działać poprawnie. Cóż stoi zatem na przeszkodzie, aby wziąć rynkowy transformator impulsowy i uzwojenia zamienić miejscami? W zasadzie nic. Popatrzmy (jako przykład) na transformator TI-ETD39-0709 marki Feryster.

Transformator jest stosunkowo tani. Kosztuje około 28 PLN. Łącząc uzwojenia wtórne równolegle, a uzwojenia pierwotne szeregowo dostajemy przekładnię 4:1, czyli przy amplitudzie 325V na „wtórnym” dostaniemy 1300V amplitudy na „pierwotnym”. Izolacja wytrzymuje 3kV. W zasadzie robimy klasyczną notę aplikacyjną dla UC3843 w topologii flyback…


Jak widać mamy odseparowaną masę pierwotną od wtórnej, co czyni układ bezpiecznym w użytkowaniu z innymi systemami. Powyższy schemat uwzględnia dodatkowe uzwojenie zasilające driver (ang. bias winding, NA, RVCC, DBIAS), którego TI-ETD39-0709 nie posiada. Można to obejść zasilając driver bezpośrednio z napięcia sieci przez wspomniany już wcześniej dzielnik pojemnościowy. Dzielniki pojemnościowe można stosować do zasilania układów pobierających stosunkowo nieduży prąd średni.

Kluczowym elementem jest tutaj C1, na którym „wytracamy” napięcie sieci. 330nF jest jeszcze stosunkowo niedużą pojemnością (kondensatory polipropylenowe lub poliestrowe). Dysponujemy prądem do 20mA przy napięciu wyjściowym 16V. Układ jest oczywiście niezbyt sprawny. W najmniej korzystnym układzie, gdy nie pobieramy żadnego prądu, na diodzie Zenera wytracamy około 0,4W. UC3843 nie potrzebuje stabilizowanego zasilania. Wystarczy zapewnić by napięcie nie spadało poniżej 9V (minimalne napięcie pracy dla UC3843).

Dzielnik pojemnościowy do zasilania drivera to jedno miejsce, gdzie będziemy tracić moc. Drugim miejscem, gdzie tracimy moc to tranzystor kluczujący i zwykle wymaga on radiatora przy wyższych mocach. Trzecim miejscem, gdzie tracimy moc to układ gaszenia oscylacji w uzwojeniu pierwotnym. Aby uzyskać rozsądną sprawność musimy pójść na kompromis pomiędzy mocą strat w układzie gaszenia a emisją zakłóceń.

W zasadzie całe zasilanie wzmacniacza lampowego audio można by oprzeć o technologię impulsową. Dlaczego by nie? Są oczywiście pewne znaki zapytania, takie jak np. przesłuch z obwodu grzania na katodę, ale skoro częstotliwość kluczowania jest wysoka i leży poza pasmem audio, nie powinniśmy mieć problemu z odfiltrowaniem w wystarczającym stopniu zarówno jej samej jak i wszystkiego co jest powyżej tej częstotliwości. Warto realnie patrzeć na system, bo w przeciwnym razie można dojść do absurdalnych wniosków, że potrzebna jest ołowiana obudowa, żeby chronić wzmacniacz przed promieniowaniem kosmicznym…