leoniv.diod.club

Система питания

Сетевой шнур и разъем

Система электропитания любого прибора начинается с сетевого шнура. Для удобства использования аппарата шнур лучше делать съемным. Часто используется шнур и разъем, такой как у компьютеров. Все чаще такими шнурами оборудуется самая разная бытовая техника. Такой шнур имеет вилку евростандарта с дополнительными контактами для подключения защитного заземления.

Сам шнур трехпроводный, разъем со стороны прибора тоже трехконтакный. Начнем с того, что в наших квартирах как правило в розетках нет заземления, к розеткам подведены всего два провода. По крайней мере, у меня именно так. Для подключения аппаратуры часто используют удлинители евростандарта, которые оснащены трехконтактными розетками. В результате земляные проводники аппаратуры оказываются соединенными между собой, но больше никуда не подключенными. Такое соединение общих проводов аудиоаппаратуры приносит скорее вред, чем пользу. Дело в том, что компоненты аудиокомплекса соединены между собой межблочными кабелями, их экраны (или общие проводники, если такие имеются) соединяют между собой общие провода компонентов. Подключение сети трехконтактными вилками делает соединение общих проводов еще раз. При этом образуется петля, образованная общим проводником. Площадь такой петли может быть весьма большой, так как сетевые провода довольно длинные. Любой источник поля рассеяния сетевой частоты будет наводить в этой петле ЭДС. Источником поля рассеяния может быть любой трансформатор, особенно мощный. Это может быть трансформатор усилителя мощности, стабилизатора сетевого напряжения, или понижающий трансформатор 220 – 110 В, если такой есть в системе. Это могут быть и трансформаторы или электродвигатели другой бытовой техники, случайно находящейся рядом. Поскольку омическое сопротивление петли общего провода очень маленькое, даже небольшая ЭДС приводит к возникновению в петле большого паразитного тока. Этот ток вызывает падение на участках петли, которые могут прикладываться к входам и вызывать повышенный уровень сетевого фона. В выходном спектре заземленной аппаратуры обычно просматривается целый «лес» гармоник сетевой частоты. С этой точки зрения у аудиокомпонентов предпочтительно иметь балансные входы-выходы, но в бытовой технике такое решение применяется крайне редко. Для устранения петли некоторые аудиокомпоненты, оснащенные трехконтактной сетевой вилкой, имеют на задней панели переключатель «Ground Lift», который позволяет отключать земляной проводник сетевого шнура от общего провода устройства. Тогда земля сетевого шнура остается подключенной разве что к элементам сетевого фильтра.

Для устройств с линейными источниками питания наличие заземления не требуется, поэтому для исключения появления паразитной петли общего провода лучше не применять сетевые шнуры с тремя проводниками. Поэтому зачастую в аудиоаппаратуре используются разъемы, в которых контакт земли отсутствует.

Применять толстые и жесткие шнуры с громоздкой вилкой оправдано только для устройств с высокой потребляемой мощностью. Для маломощных аудиокомпонентов более стандартным является двухпроводный сетевой шнур, имеющий малогабаритную вилку и довольно миниатюрный разъем со стороны аппарата.

Штатный сетевой шнур проигрывателя «Арктур-006» двухпроводный. Его разъем представляет собой блок, который объединяет сам разъем и держатель предохранителя. Исполнение этого блока не очень качественное. Например, вынуть предохранитель представляется непростой задачей – крышка заклинивает при повороте. К тому же, этот сетевой разъем нестандартный, типовой сетевой шнур, который используется в большинстве аудиоаппаратуры, не подходит.

По этим причинам от старого сетевого разъема пришлось отказаться. В качестве замены взял стандартный современный разъем. К нему прекрасно подходят импортные сетевые шнуры. Предохранитель можно установить на плате внутри устройства, его даже можно впаять в плату без держателя – перегорать он никогда не должен. По крайней мере, такого не случалось за 30 предыдущих лет эксплуатации проигрывателя, есть надежда, что не случится и в будущем. Чтобы разъем вошел в штатные пазы корпуса, боковины разъема пришлось немного профрезеровать.

Новый сетевой разъем предназначен для объемного монтажа и имеет лепестки, к которым можно подпаять провода. Но лишние провода в устройстве – это минус. По возможности надо сводить количество проводов к минимуму, а также группировать их в жгуты или плоские шлейфы. Остальные коммуникации желательно делать проводниками печатной платы. Очень плохо, когда провода внутри устройства расположены хаотично и подключаются в случайных местах к платам. Такое можно часто видеть в бытовой аппаратуре 70-х и 80-х годов, когда не умели как следует делать компоновку.

Чтобы исключить лишние провода между сетевым разъемом и платой, разъем был переделан, чтобы приспособить его не для объемного, а для печатного монтажа. Для этого выфрезеровал из черного полистирола ножку с пазами для проводников. К ней приклеил две пластиковые стойки, в которые будут вкручиваться крепежные саморезы. На самом разъеме лепестки обрезал и впаял внутрь контактных штырьков толстые выводы.

Дальше склеил всю эту конструкцию. В результате получился разъем для печатного монтажа. Причем с точно такой высотой, которая в данном случае требуется для согласования высоты установки разъема и высоты установки печатной платы.

Сетевой фильтр

Схема первичной цепи питания может содержать сетевой фильтр. Такой фильтр является обязательным для устройств с импульсным источником питания (ИБП). Все, наверное, видели на платах ИБП синфазные дроссели, выполненные на кольцах или П-образном феррите, а также большие прямоугольные конденсаторы ярко-желтого цвета, сплошь покрытые значками сертификации электробезопасности.

Но там фильтр выполняет противоположную задачу – не позволяет помехам, генерируемым ИБП, проникать в сеть. Проектируются эти фильтры таким образом, чтобы ИБП соответствовал нормам по паразитным излучениям. Только так можно пройти сертификацию. Подробное рассмотрение сетевых фильтров для ИБП приводится в книге Sanjaya Maniktala «Switching Power Supplies A–Z».

Для аппарата с линейным источником питания наличие сетевого фильтра не является обязательным. Как правило, в старой аудиотехнике такого фильтра нет. Но анализ современных проигрывателей винила показал, что такой фильтр иногда ставят. Ниже приведено фото сетевого фильтра современного проигрывателя Pioneer PLX-1000 (около 900$).

А вот фильтр проигрывателя Audio-Technica AT-LP1240 USB (около 600$). Плата фильтра хоть и перевернута, но ее схема вполне понятна и типична.

Вообще, фильтр является устройством двунаправленным, помехи со стороны сети он также способен подавлять. Какое подавление на каких частотах требуется от такого фильтра, вопрос сложный. В случае ИБП все проще – есть предельные допустимые уровни излучения, есть конкретный уровень помех, нужно второе уменьшить до уровня первого. А в данном случае неизвестно, каким считать уровень помех в сети. Есть статистические данные спектров помех бытовых приборов, но эти данные весьма приблизительные и сильно зависят от условий и качества сети.

В то время, как фильтры ИБП прежде всего должны подавлять помехи на частоте преобразования и ее гармониках (а это десятки кГц), фильтр для аудио должен быть эффективен в том числе и в звуковом диапазоне частот. Весьма сомнительно, что такое реализуемо с использованием стандартных компонентов.

Сетевые фильтры выпускаются в виде отдельных устройств и даже бывают встроенными в разъемы сетевого питания.

Для этих фильтров приводятся характеристики подавления помех в зависимости от частоты. Как правило, сколько-нибудь заметное подавление начинается с частот порядка 10 кГц и выше, а это верхний край звукового диапазона. В середине звукового диапазона подавление таких фильтров близко к нулю.

Множество аудиоустройств с обычными линейными БП не имеют в своем составе никакого сетевого фильтра. И все эти устройства нормально работают. Хотя порой можно услышать мнение, что сетевой фильтр может оказывать заметное влияние, причем оценки этого влияния даются порой противоположные – он может как улучшать, так и ухудшать звучание. Все это не более чем вымыслы, никакого влияния на звук от сетевого фильтра я не ожидаю. Вряд ли он сможет подавить, скажем, щелчки от включения холодильника или настольной галогенной лампы с трансформатором. К тому же, винил – это не тот источник, где сетевые помехи будут сильно заметны на фоне собственного шума и щелчков. Поэтому можно просто подключить сетевой провод к трансформатору через предохранитель и выключатель, как было сделано раньше. С другой стороны, с фильтром и хуже не будет. Поэтому фильтр можно применить, но больше как дань современной моде, ну или в надежде подавить помехи какого-нибудь работающего рядом устройства с импульсным источником питания.

Тут снова надо вернуться к вопросу трехпроводной сети. Как правило, сетевой фильтр предусматривает подключение тремя проводами: фаза, нейтраль и защитное заземление (PE). Помехи, с которыми борется сетевой фильтр, делятся на два вида – синфазные и дифференциальные. Синфазные – это когда оба провода сети синхронно меняют потенциал относительно земли (PE). Дифференциальные – это когда меняется потенциал сетевых проводов друг относительно друга. Чтобы добиться фильтрации как синфазной, так и дифференциальной помехи, можно в каждый из сетевых проводов включить по дросселю, а на выходе установить конденсаторы двух типов – синфазные и дифференциальные. Дифференциальные конденсаторы типично имеют номинал порядка 0.1 мкФ и принадлежат к группе X (Across the Line). При сетевом напряжении 220 В по такому конденсатору будет протекать реактивный ток амплитудой примерно 10 мА. Синфазные конденсаторы принадлежат к группе Y и имеют значительно меньшую емкость (порядка 1…3 нФ). Это связано с ограничениями на величину тока через цепь защитного заземления.

Ниже показано, как схема фильтра трансформируется при рассмотрении отдельно подавления синфазной помехи:

И отдельно дифференциальной помехи:

Видно, что частота среза для синфазных помех будет намного выше из-за малой допустимой емкости синфазных конденсаторов. К счастью, есть возможность значительно увеличить индуктивность для синфазной помехи. Для дросселей фильтра должно соблюдаться условие – их сердечник не должен входить в насыщение. Иначе индуктивность резко упадет вместе с фильтрующими способностями. Через дроссели протекает полный ток питания устройства, что не позволяет получить высокую индуктивность при малых габаритах. Но можно изготовить специальный дроссель с двумя одинаковыми обмотками, которые имеют хорошую магнитную связь. Тогда при противоположном направлении рабочего тока в обмотках магнитный поток будет компенсироваться, результирующая индуктивность будет близка к нулю. Но для синфазной помехи направление тока в обмотках будет одинаковым, они будут продолжать работать. Благодаря тому, что подмагничивание сердечника рабочим током теперь отсутствует, в тех же габаритах можно получить индуктивность намного больше. Но для фильтрации дифференциальных помех такой дроссель бесполезен, поэтому в схеме фильтра требуется дополнительный дифференциальный дроссель. Который часто и ставят в виде отдельного компонента. Существуют также совмещенные дифференциально-синфазные дроссели. Они имеют две одинаковых обмотки, но конструктивно выполнены так, что обмотки имеют неполную связь. В результате появляется индуктивность рассеяния, которая эквивалентна последовательному включению дополнительного несвязанного дросселя.

Как правило, такие дроссели выполнены на П-образном ферритовом сердечнике и имеют несвязанную индуктивность порядка 1…2% от полной. Численно полная индуктивность каждой обмотки может составлять порядка 20…50 мГн, а несвязанная индуктивность – порядка 0.2…1 мГн. Это достаточно много, в большинстве случаев установка дополнительного дифференциального дросселя не требуется.

При рассмотрении отдельно подавления синфазной помехи схема трансформируется следующим образом:

При рассмотрении отдельно подавления дифференциальной помехи схема трансформируется так:

Поскольку Lc >> Ld, частота среза для синфазной и дифференциальной помехи у такого фильтра оказывается примерно одинаковой.

Для модели можно как явно указать отдельные несвязанные индуктивности, так и рассчитать и задать коэффициент связи (k = 1 – Ls/L). Результат будет один и тот же.

Чтобы промоделировать фильтр, надо выбрать реальные компоненты и внести их параметры в модель. Под рукой имеются разные дроссели, заимствованные из старых плат ИБП. Поскольку стоит задача получить хорошее подавление помех на как можно более низких частотах, надо выбрать дроссели с самой высокой индуктивностью.

На первый взгляд, это будут самые крупные дроссели. Но замеры показали, что у них весьма скромная индуктивность, вся разница только в допустимом токе. Но здесь это роли не играет, так как устройство маломощное. Дроссели на кольцах сразу отпали, число витков там маленькое, индуктивность тоже маленькая. К тому же, это чисто синфазные дроссели, индуктивность рассеяния у них очень малая, дифференциальной индуктивности почти нет. Самая высокая индуктивность (70 мГн) оказалась у двух маленьких черных дросселей фирмы Matsushita, которые на фото стоят рядом. С ними и решил фильтр промоделировать.

В результате моделирования получил не очень красивые результаты. Фильтр обеспечивает подавление только выше своей резонансной частоты (выше 10 кГц). В звуковом диапазоне подавления нет. Но самое неприятное, на резонансной частоте наблюдается многократное увеличение амплитуды помехи. При погоне за максимальной эффективностью фильтра на низких частотах, снижается резонансная частота фильтра. В результате он значительно увеличивает напряжение помех в некоторой полосе частот, которая попадет как раз в середину звукового диапазона. Возникает вопрос по правильному выбору параметров фильтра именно для аудио. В общем, фраза "с фильтром хуже не будет" оказалась под сомнением.

На графиках показано выходное напряжение фильтра (зеленый график) при воздействии на вход дифференциальной помехи амплитудой 1 В. Нижний график – то же самое, но только в логарифмическом масштабе по оси Y.

Резонансные явления в фильтре могут стать причиной появления значительных перенапряжений. Специальные фильтрующие конденсаторы на это рассчитаны, но такое же требование будет и для дросселей. Но там конструктивно довольно трудно сделать повышенное пробивное напряжение, поэтому параллельно обмоткам синфазного дросселя на печатной плате обычно добавляют разрядники. Информации по проектированию таких разрядников (Spark Gap) мало, что-то есть в документе ICE3BS02 от Infineon и в патентах US 2012/0044599 A1, US 8345400 B2. Вот фото той же платы ИБП, которая приводилась выше, но со стороны печатных проводников, параллельно обмоткам дросселя видны разрядники:

Для борьбы с резонансными явлениями в сетевых фильтрах применяется демпфирование. Подробно этот вопрос рассматривается в книге «Fundamentals of Power Electronics», Chapter 10: Input Filter Design, 10.3.2 Damping the input filter. Можно применить параллельное демпфирование резонанса с помощью RC-цепочки, или последовательное с помощью RL-цепочки. Второй вариант затруднительно реализовать на практике, используя стандартные компоненты. Поэтому было выбрано параллельное RC-демпфирование. В статье «Input Filter Design for Switching Power Supplies» (SNVA538) есть упрощенный расчет номиналов демпферной цепочки для оптимального демпфирования. Он дает Cd = 4Cf, Rd = sqrt(Lf/Cf). При моделировании попробовал различные комбинации номиналов. Мне больше понравился результат с цепочкой 470 нФ + 100 Ом (красный график выше). Довольно громоздко, конечно, но в данном случае место есть.

Предыдущая модель не совсем корректна в плане моделирования питающей сети. Недостаточно взять идеальный источник напряжения 220 В 50 Гц. Реальная сеть обладает неким внутренним сопротивлением, в результате под нагрузкой напряжение немного «проседает». Это можно сымитировать, добавив последовательное сопротивление Ri несколько десятых Ома. Но при моделировании фильтра не так интересен импеданс сети на частоте 50 Гц. Более интересно, как сеть ведет себя на более высоких частотах, где измеряется подавление фильтра. Очевидно, что импеданс будет выше, так как подводящие провода обладают значительной индуктивностью. Но конкретное значение сказать трудно, конфигурация подводящей сети может быть самая разная. Для того чтобы можно было сопоставлять результаты измерений сетевых фильтров, была стандартизирована цепочка под названием LISN (Line Impedance Stabilization Network). Эта цепочка производится в виде отдельного прибора немалых габаритов. Но можно ее использовать и как модель. Для моделирования фильтра с трехпроводной сетью, цепочку LISN нужно сделать симметричной.

Цепи LISN на высоких частотах образуют импеданс около 50 Ом, что значительно больше Ri. К слову, эта модель сети наглядно показывает, что в первичной цепи не может быть никаких больших коротких импульсов тока, импеданс сети для таких импульсов слишком большой.

Использование LISN дает некие среднестатистические результаты, которые, по идее, должны неплохо совпадать с реальностью. С этой цепочкой резонансный пик фильтра значительно меньше.

Применение снаббера картину улучшает (красный график), ход АЧХ с ним получается более ровный. Хотя в практических реализациях фильтра снабберных цепочек не видел не разу. Встречал их только на картинках внутренних схем фильтров, встроенных в разъем, да и то лишь для старших семейств. Подобные цепочки упоминаются в статье В. Ланцов, С. Эраносян «Электромагнитная совместимость импульсных источников питания: проблемы и пути решения. Часть 2», журнал «Силовая электроника», №1, 2007.

Конечно, радикальной разницы со снаббером и без него не видно. Но не всегда в качестве источника электропитания используется обычная сеть со среднестатистическими параметрами. Могут встретиться ситуации, когда импеданс источника даже на высоких частотах окажется малым. Тогда демпфирование фильтра просто необходимо. Да и при работе от сети оно не помешает, насколько точно параметры реальной сети соответствуют модели LISN, неизвестно. С этой точки зрения оправданы и варисторы, которые включают как на входе, так и на выходе фильтра.

Для синфазной помехи тоже наблюдаются резонансные явления в фильтре. На графиках (красный график) показано выходное напряжение фильтра при воздействии на вход синфазной помехи амплитудой 1 В для линейного и логарифмического масштаба по оси Y. Схема фильтра приведена выше, только в нее добавлены два синфазных конденсатора по 3.3 нФ с каждого из выходов фильтра на землю.

Резонансный пик может быть подавлен демпферной цепочкой. Достаточно взять еще один Y-конденсатор, включить с ним последовательно резистор 10 кОм и подключить эту цепочку параллельно одному из синфазных конденсаторов (синий график).

По поводу синфазных помех нужно сделать отступление. До этого рассматривался фильтр, подключенный к трехпроводной сети, которая имеет защитное заземление (PE). Именно к этому заземлению подключаются конденсаторы фильтра синфазной помехи.

Если в розетке есть контакт PE, его надо подключить к синфазным конденсаторам сетевого фильтра. Соединение PE с корпусом устройства скорее может принести вред, об этом было сказано выше. Вообще, мне кажется весьма сомнительным, что на проводе PE, который проложен рядом с другими сетевыми проводами, не наведется та же самая синфазная помеха, что и на остальных проводах.

Как уже отмечалось выше, в обычных жилых домах сеть двухпроводная, подключать общий провод фильтра некуда. Да и аудиоаппаратура в большинстве своем имеет двухконтактную сетевую вилку. Что же делать с синфазными конденсаторами, когда нет PE? Иногда их устанавливают и подключают к корпусу устройства. Недавно столкнулся с таким решением в усилителе Technics SU-V505. С каждого провода сети на корпус там включен конденсатор 2.2 нФ. Аппарат имеет двухконтактную вилку, никакого заземления корпуса не предусмотрена. В результате на корпусе появляется потенциал, в некоторых условиях корпус даже немного бьется током. Это наихудшее решение из возможных, хотя оно применялось в некоторых фирменных аппаратах.

Лучше не ставить синфазные конденсаторы вообще. Тогда связь сети с корпусом устройства будет только через малые паразитные емкости. Сам корпус тоже имеет какую-то паразитную емкость на землю, а иногда может даже оказаться заземленным через один из источников сигнала (например, телевизор, который обычно заземлен через оплетку антенного кабеля). Такое заземление не будет вредить аудиосигналу, так как петель не образует. К тому же, ток в земляном проводнике при условии малой синфазной емкости будет незначительным. Паразитные емкости обеспечат некоторое подавление синфазной помехи (зеленый график выше), хоть и небольшое. Но это лучше, чем ничего. И намного лучше, чем потенциал на корпусе.

Сам сетевой трансформатор и блок питания в целом тоже обладают фильтрующими свойствами. Например, дифференциальная помеха хорошо ослабляется конденсаторами фильтра выпрямителя. Синфазная помеха тоже ослабляется, так как паразитные емкости трансформатора образуют делитель. На графиках ниже показано подавление на выходе фильтра (зеленый график) и на выходе БП (красный график) для дифференциальной (верхние графики) и синфазной (нижние графики) помехи.

Хотя эти результаты являются не очень достоверными, так как здесь в основном работают паразитные параметры, которые точно промоделировать трудно.

При наличии сетевого фильтра возникает еще один вопрос. Сам фильтр должен стоять поближе к вводу электричества в аппарат. Но тут возникает вопрос с сетевым выключателем. Часто он расположен далеко от разъема сетевого провода. В данном случае так и есть, выключатель расположен на передней панели. Выключатель хочется расположить в схеме поближе к сети (но после предохранителя, конечно), чтобы он обесточивал всю схему. Но тогда выключатель оказывается перед фильтром, провода выключателя будут излучать помехи внутри устройства.

Если выключатель поставить после фильтра, тогда компоненты фильтра будут все время под сетевым напряжением, что немного тревожит.

Есть еще вариант – разместить выключатель возле фильтра и соединить его с кнопкой на передней панели с помощью механической тяги. Такое решение встречал в фирменной аппаратуре, так сделано и у меня в большинстве самодельной аудиоаппаратуры. Но в проигрывателе этот вариант не проходит, так как на пути толкателя отказывается трансформатор. С другой стороны, стандартные сетевые фильтры, встроенные внутрь сетевого разъема, как раз находятся под сетевым напряжением все время, и никого это особенно не беспокоит. Данный факт склонил меня пойти по такому же пути и сделать неотключаемый от сети фильтр.

Что еще может быть в фильтре? Часто аудиофилы говорят о постоянной составляющей напряжения в сети, и что сетевой фильтр должен ее подавлять. Я не имею статистики измерений параметров сети. Хотя замечал, как мощные трансформаторы, работая при постоянной нагрузке, вдруг начинали гудеть то больше, то меньше. Явно из-за каких-то изменений параметров сети.

Когда ненагруженный трансформатор включается в сеть, по его первичной обмотке начинает течь ток намагничивания. Под нагрузкой полный ток первичной обмотки увеличивается, но ток намагничивания остается прежним (он даже несколько уменьшается из-за падения напряжения на омическом сопротивлении первичной обмотки). Ток намагничивания мал, так как первичная обмотка на сетевой частоте обладает значительным импедансом. Но если добавить к сетевому напряжению постоянную составляющую, то эта добавка создаст дополнительный постоянный ток намагничивания. Его величина будет определяться лишь омическим сопротивлением первичной обмотки, поэтому даже незначительное постоянное напряжение (порядка сотен милливольт) может значительно увеличить ток. В таких условиях есть реальная опасность насыщения магнитопровода со всем вытекающими последствиями. Но вся эта тема актуальна только для мощных трансформаторов с низким сопротивлением первичной обмотки. А здесь она имеет сопротивление 337 Ом при токе холостого хода около 6.5 мА. Поэтому те сотни милливольт постоянной составляющей, которые могут быть в сети, погоды не сделают.

Плата сетевого фильтра получилась очень простой. Под дросселем фильтра нарисовал разрядники, что обычно делают в сетевых фильтрах импульсных источников питания.

Иногда на входе сетевого фильтра (реже – и на выходе) можно встретить варисторы. Одним из их предназначений является устранение перенапряжений, вызванных резонансными явлениями в фильтре. Еще они способны защитить от перенапряжений со стороны питающей сети. Короткие перенапряжения они ограничивают, поглощая энергию выбросов. При более длительных перенапряжениях из-за возросшего тока сгорает предохранитель, включенный до варистора. Первоначально я тоже предусмотрел установку на плате варистора.

Но надо заметить, что использование здесь варистора связан некоторый риск. В случае перенапряжения резко возрастает ток через варистор, на нем начинает рассеиваться большая мощность. Время срабатывания предохранителя может оказаться больше, чем время разрушения варистора. При разрушении может наблюдаться взрыв и образование облака ионизированного газа, которое может служить проводящим мостиком между другими элементами схемы. На фотографии ниже показан возможный вариант последствий при взрыве варистора. Забавно, что у предохранителя расплавился вывод, хотя сам предохранитель остался целым.

Для минимизации последствий разрушения варистора его обычно помещают в термоусадку. В любом случае, варистор на входе устройства представляет опасность. Возможна ситуация, когда сетевое напряжение окажется завышенным, но ток через варистор еще не достигнет величины, достаточной для срабатывания предохранителя. В таких условиях варистор будет сильно греться, что может привести к повреждению корпуса устройства или даже к пожару.

Данному устройству выбросы сетевого напряжения особого вреда не принесут, хотя бы потому, что у трансформатора высокое омическое сопротивление первичной обмотки. Конденсаторы фильтра также способны выдерживать значительное перенапряжение. По этой причине от варистора я решил отказаться.

На место варистора установил большой разрядный резистор вместо цепочки SMD-резисторов снизу платы. Следует особо отметить, что везде, где есть конденсаторы, надо предусматривать цепочки для их разрядки. Особенно это касается конденсаторов, которые могут заряжаться до сетевого напряжения и к которым можно дотронуться пальцами через штырьки сетевой вилки. Действительно, если включить вилку в сеть, но не включать сетевой выключатель устройства, напряжение сети будет поступать только на сетевой фильтр. При отключении сетевой вилки X-конденсаторы фильтра могут оказаться заряженными вплоть до амплитудного значения сетевого напряжения. Такое же напряжение будет и на штырьках сетевой вилки. При отключенном сетевом выключателе пути разрядного тока нет, конденсаторы могут оставаться заряженными очень долго. Это может явиться неприятным сюрпризом при касании штырьков сетевой вилки. Поэтому всегда надо предусматривать разрядный резистор. Хорошим тоном можно считать применение таких резисторов и в других местах устройства, где могут оставаться заряженные конденсаторы. Желательно предусмотреть пути разрядного тока даже в том случае, если разъединены какие-то межблочные разъемы внутри устройства.

Для крепления платы фильтра на днище корпуса нужно добавить стойки. Для более прочной вклейки стоек решил сделать для них углубления, толщина днища позволяет. Закрепил нижнюю половину корпуса на станке и выфрезеровал углубления.

Обычно я креплю платы на пластиковых стойках, в которые вворачиваю саморезы. Сами стойки обычно остаются от корпусов серии Z, там их иногда приходится выламывать. Сначала отрезаю стойки нужной длины, потом прикручиваю к плате, и лишь затем приклеиваю плату вместе со стойками к корпусу. Пока клей не высох, можно точно подрегулировать положение платы. Но дело в том, что корпуса серии Z чаще всего черные. А в данном случае цвет корпуса серый, захотелось и стойки найти в цвет к корпусу. Нашел такие на старой передней панели от какого-то DVD. Но беда в том, что эта панель сделана не из полистирола (PS), а из ABS. Мой клей на основе тетрагидрофурана пластик ABS совершенно не растворяет. Поиск подходящего растворителя результата не дал, разве что можно попробовать дихлорэтан, но его нет под рукой. Поэтому решил вклеить стойки в углубления с помощью этилцианакрилатового клея.

Следующий вопрос – как соединить между собой плату фильтра и плату сетевого выключателя? В принципе, тут подойдет даже неразъемное соединение. Но культура реализации перехода плата-провод требует специальных коммутационных изделий, которые у нас купить очень затруднительно. Дело в том, что провод должен обязательно крепиться за изоляцию. Для этих целей есть специальные колодки, в которых провод обжимается, как в разъемах, а сами колодки впаиваются в плату.

В каталогах фирм, выпускающих разъемы, есть много неразъемных вариантов переходов плата-провод. Но в реальности купить их практически невозможно. Поэтому на практике гораздо проще применить разъемное соединение, даже если в этом месте отключать провода от платы никогда не требуется.

Для подключения сетевого напряжения к платам обычно используются разъемы с большим шагом контактов – 3.96 мм или 5 мм. Причем берется 3-х контактный разъем, у которого удаляется средний контакт. В результате получается 2-х контактный разъем с шагом около 8 мм или 10 мм. Такие разъемы довольно громоздкие, зато позволяют коммутировать значительные токи.

Данное устройство маломощное, такие громоздкие разъемы ни к чему. Поэтому можно взять малогабаритную вилку для платы CWF-3 с шагом 2.5 мм и удалить средний контакт. Получится высоковольтный разъем с шагом 5 мм, чего вполне достаточно. Такое решение я подсмотрел в инверторах для питания газоразрядный ламп, там такие разъемы используют для коммутации напряжения до 1000 В, но удаляют не один, а два промежуточных контакта. В качестве ответной части используется розетка на провод типа CHU-3, средний контакт не монтируется. Вообще, у каждого производителя свои обозначения типов разъемов, поэтому одинаковые разъемы могут называться по-разному.

Сетевой выключатель

Оригинальный сетевой выключатель – клавишный, который мне нравится гораздо меньше, чем кнопочный. Сделан он на основе кнопочного выключателя ПКН-41, у которого удален механизм фиксации. Это специальное изделие, сделанное на радиозаводе под конкретную модель проигрывателя.

Вместо этого выключателя принято решение использовать кнопочный. Устройство маломощное, поэтому не требуется громоздкого переключателя. Гораздо важнее иметь минимальное усилие нажатие. Тугие выключатели очень не нравятся, хочется чего-то элегантного, как в японской технике. В погоне за легкостью нажатия я часто использовал в качестве сетевых малогабаритные низковольтные переключатели. На свой страх и риск, конечно, но эстетика брала верх. Например, переключатели фирмы ALPS, похожие по своим размерам на П2К. А иногда даже ПКН-61. Надо сказать, что по прошествии двух десятков лет эксплуатации аппаратуры, с этими переключателями ничего плохого не случилось.

Среди подходящих выключателей выбрал Schadow 4, который имеет две группы контактов на переключение и обладает очень небольшим усилием нажатия. Для удобства крепления его пришлось несколько доработать, заодно изготовил верхнюю защитную крышку – все-таки здесь будет сетевое напряжение.

Иногда, заглядывая в чужие схемы, вижу там довольно загадочные элементы. В сетевой части промышленных устройств часто можно встретить один дополнительный конденсатор, который подключается параллельно выключателю. Такое можно видеть в разнообразной бытовой технике, начиная с ламповых радиол. Назначение этого конденсатора – уменьшение искрения контактов выключателя.

На графиках тока через первичную обмотку трансформатора, нагруженного на выпрямитель с фильтром, ничего плохого не видно. Только в момент отключения есть небольшой звон (красный – напряжение сети, зеленый – ток первичной обмотки трансформатора). Верхние графики – для включения в момент перехода сетевого напряжения через ноль, нижние – через максимум. Видно, что в первом случае ток первичной обмотки трансформатора при включении достигает более высоких значений.

А что в этих условиях происходит с напряжением на выключателе?

При выключении виден огромный выброс на много киловольт, в реальности раньше наступит пробой промежутка между контактами с образованием искры. В реальном выключателе может присутствовать дребезг контактов, поэтому и при включении могут возникнуть условия, сходные с выключением. Для устранения этого выброса обычно включают параллельно выключателю емкость порядка 22 нФ.

В принципе, емкость со своей задачей справляется – выброс ограничивается примерно до уровня 600 В. Но емкость параллельно выключателю ставить как-то не хочется, хоть амплитуда реактивного тока, который будет по ней протекать, не так и велика – порядка 2 мА. Моделирование показало, что аналогичный эффект достигается и при подключении емкости параллельно первичной обмотке трансформатора. Это уже лучше. Но еще лучше поставить не просто емкость, а снаббер. Рекомендации по выбору номиналов для снаббера весьма расплывчаты и противоречивы. В Сети есть номограмма для выбора компонентов снаббера.

Типично в снабберах используются конденсаторы порядка десятков нФ и резисторы порядка десятков-сотен Ом. Такие снабберы даже выпускаются в виде готовых изделий.

Если к конденсатору 22 нФ добавить резистор 100 Ом, картина практически не меняется:

Методом подбора в симуляторе можно найти оптимальное значение R. В данном случае оно оказалось порядка 5.1 кОм. Выброс уменьшился не так сильно, зато звона стало заметно меньше. Такой большой номинал резистора несколько странен, но факт есть факт.

Чтобы еще уменьшить выброс, можно попробовать увеличить емкость. С емкостью 100 нФ оптимальным опять оказался резистор примерно 5.1 кОм:

С таким снаббером выброс полностью устраняется. Если уменьшить номинал резистор до типичного в такх случаях значения порядка 100 Ом, то с конденсатором 100 нФ сам выброс меняется незначительно, зато звона становится заметно больше. На обмотке трансформатора после выключения наблюдаются колебания, которые с резистором 100 Ом затухают медленнее (верхний график), чем с резистором 5 кОм (нижний график).

Результат с номиналом резистора снабберной цепочки оказался несколько странным. Хотя, возможно, для такой маломощной нагрузки (10…20 Вт) это является нормой.

Плата выключателя получилась тоже очень простой, на ней кроме самого выключателя есть только разъемы и схема снаббера.

Для крепления платы решил задействовать штатные точки. Спереди есть места для двух саморезов, а сзади имеется пластмассовая защелка. Чтобы ее задействовать, пришлось изготовить из пластмассы специальный кронштейн.

Ось кнопки пришлось несколько сместить относительно оси клавиши старого переключателя, это продиктовано дизайном.

Теперь осталось сделать провод для соединения плат. Взял провода максимально похожие по цвету на стандартные: для фазного провода принят коричневый цвет, для нейтрали – голубой. Вообще, с проводами не все гладко. Невозможно купить два провода разных цветов, но одинаковые по всем другим параметрам. На рынке среди проводов одного сечения один провод по изоляции толще, другой тоньше, третий скользкий, четвертый жесткий, пятый имеет медные голые жилы, шестой с лужением, седьмой имеет синтетическую нить внутри изоляции и т.д. Я уже не говорю про верх проводной эстетики – надписи на изоляции. Обычно там указано сечение в AWG, производитель, серия провода. К сожалению, провода с буковками можно вынуть только при разборке старой фирменной техники. У меня есть небольшой запас таких проводов, по возможности в самодельной аппаратуре использую только их. При монтаже ориентирую провод таким образом, чтобы надписи были непременно видны.

В данной конструкции решил впервые применить нейлоновый рукав для провода. Получилось весьма эстетично. Края рукава заделал термоусадкой, чтобы не лохматились.

Проводка готова, вот так она выглядит:

Над разъемом осталось свободное место (так как раньше здесь был блок с предохранителем), туда я установил заглушку с шильдиком "220 V".

Этот шильдик сделан методом лазерной гравировки двухслойного пластика.

Трансформатор

Основные требования, предъявляемые к силовому трансформатору винилового проигрывателя, это отсутствие механических вибраций и минимальное поле рассеивания. Вибрации могут передаваться на иглу звукоснимателя через корпус проигрывателя, а поле рассеяния может стать причиной наводок на головку и на сигнальные цепи.

Вибрации трансформатора в основном определяются его конструкцией и качеством изготовления. Пакет пластин должен быть хорошо стянут, а пластины склеены между собой лаком. Лучше всего, если весь трансформатор пропитан целиком, например, парафином. Как правило, у любых трансформаторов гудение немного слышно, что позволяет сравнивать трансформаторы между собой.

Поле рассеивания определяется конструкцией трансформатора и величиной магнитной индукции в его сердечнике. Как правило, преимущество имеют тороидальные трансформаторы. Но они должны быть изготовлены правильно, обмотки должны быть равномерно распределены по всему кольцу. Для исследования поля рассеивания трансформаторов можно использовать кассетный плейер, так как его магнитная головка чувствительна к переменному магнитному полю. Сетевая частота лежит в звуковом диапазоне, поэтому сетевые наводки можно услышать с помощью наушников. Перемещая плейер относительно трансформатора, можно исследовать конфигурацию поля рассеивания. Можно, конечно, сделать какую-нибудь рамку с обмоткой и подключить ее к осциллографу. Но на слух, как мне кажется, получается более информативно. Точные замеры здесь делать нет необходимости, требуется лишь сравнить между собой разные трансформаторы и выбрать их оптимальное размещение и экранировку.

Штатный трансформатор проигрывателя «Арктур-006» оказался очень тихим, гудение еле-еле слышно, и то если его сильно прижать к уху. Трансформатор хорошо обжат и пропитан парафином. Ток холостого хода при номинальном напряжении сети составляет 6.4 мА, что не так и мало для трансформатора такой мощности. Поле рассеивания этого трансформатора вполне заметное, хотя и терпимое.

В качестве возможной замены я рассматривал стандартный тороидальный трансформатор ТТП-100-0.02-УХЛ4 мощностью 20 Вт. Его вторичные обмотки несложно перемотать согласно необходимым выходным напряжениям. Первичная обмотка изготовлена правильно, ток холостого хода составляет всего 1.68 мА, что заметно лучше, чем у штатного трансформатора. Зато гудение у этого трансформатора немного сильнее, чем у штатного. Что явилось неожиданностью – тороидальные трансформаторы обычно очень тихие. А вот поле рассеивания оказалось заметно меньше, хотя характер наводок другой. У штатного трансформатора это практически синусоида 50 Гц, а у тороида форма наводок более сложная с множеством гармоник. Тороидальный трансформатор, при своей кажущейся осевой симметрии, дает сильно разный уровень наводок при повороте вокруг своей оси. Причина заключается в неравномерном распределении обмоток на сердечнике.

Еще один трансформатор, который я проверил, это герметизированный тороид фирмы «Talema». Напряжения вторичных обмоток, конечно, совсем не те, и перемотать их нет возможности, но проверил его просто ради любопытства. Ток холостого хода составил всего 1.48 мА. Гудения почти не слышно, оно практически на уровне штатного трансформатора. Поле рассеивания почти отсутствует, закралось даже подозрение, что внутри имеется экран. Этот трансформатор очень хорош, но поставить его сюда нет никакой возможности.

По результатам этой проверки вполне возможно оставить штатный трансформатор. Ведь главное зло трансформатора в проигрывателе – это вибрации. У штатного трансформатора с этим все прекрасно. Ну а наводки можно уменьшить экранировкой. В проигрывателе имеется штатный экран из трех витков ленты из электротехнической стали. Этот экран оказался довольно эффективным, наводки снижает в несколько раз. Сверху трансформатор закрывается стальной перфорированной пластиной, которая, впрочем, в плане уменьшения наводок оказалась совершенно бесполезной. Но над трансформатором не расположено ничего чувствительного к наводкам.

Экран из стальной ленты установлен с некоторым зазором относительно сердечника трансформатора, в этой связи я приведу цитату из книги М. Л. Волин «Паразитные процессы в РЭА»:

Во всем диапазоне низких частот 50…4000 Гц хорошо действует экран из пермаллоя и других специальных сортов ферромагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью и малым удельным сопротивлением. По результатам Густафсона [17] экранирующая коробка не должна плотно прилегать к сердечнику трансформатора. При зазоре примерно в 3 мм эффективность экранирования получается на 15 дБ выше. В такой конструкции имеется двойной экран: первым, внутренним экраном является сердечник трансформатора, а остаточное поле рассеивания экранируется наружной коробкой. Так же действуют многослойные экраны с воздушными зазорами, дающие высокую эффективность экранирования.

Еще одна эффективная мера – поворот трансформатора вокруг вертикальной оси. Можно подобрать такое положение трансформатора, когда наводки на чувствительные элементы минимальны. Возможность поворота трансформатора при его установке предусмотрена конструкцией, к примеру, многих кассетных дек. К сожалению, со штатным трансформатором проигрывателя это не проходит – ниша в корпусе прямоугольная, повернуть в ней трансформатор невозможно. Поэтому в самодельном деревянном корпусе я планировал сделать круглую нишу для возможности поворота трансформатора.

Из странного – провода, заделанные в штатный трансформатор, изначально все белого цвета. Некоторые из них снаружи покрашены в другие цвета (один зеленый, два оранжевых), но эта краска легко смывается. Вероятно, цветные провода тогда были дефицитом.

Часто можно услышать рекомендации вынести трансформатор из корпуса проигрывателя. Но этот вопрос не является принципиальным, он исключительно количественный. При проектировании устройств нельзя ставить целью полностью исключить влияние того или иного фактора. Это влияние можно лишь уменьшить ниже какого-то предела, когда оно потеряет практическую значимость. Так и с трансформатором – можно принять конструктивные меры, когда помехи от него станут ниже других видов помех. У меня есть опыт эксплуатации этого проигрывателя с трансформатором внутри. Основной помехой при воспроизведении является рокот двигателя (если не считать помехи самого винила), а вибрации и наводки трансформатора совершенно незаметны. Специально делал сравнение при питании проигрывателя от внешнего источника. Поэтому выносить трансформатор в отдельный корпус не вижу никакого смысла. Если же делать это, то вместе с трансформатором нужно выносить и выпрямитель с частью фильтра, так как между трансформатором и выпрямителем циркулируют импульсные токи зарядки емкостей фильтра, которые могут стать причиной помех.

Чтобы перестраховаться, решил трансформатор установить на резиновые амортизаторы, как обычно сделано в фирменных проигрывателях. Для этого увеличил крепежные отверстия до 6 мм и вставил туда резиновые втулки от подвеса механики CD-ROM.

Для крепления трансформатора подобрал саморезы длиной 12 мм и изготовил металлические трубочки длиной 5.5 мм, которые играют роль ограничителей сжатия резиновых амортизаторов. Трансформатор прикручивается к стойкам, которые вклеил в корпус.

Часто можно видеть, что трансформаторы обернуты замкнутой медной лентой. Это хорошая мера для уменьшения поля рассеяния, но эффективна она на сравнительно высоких частотах, на которых работают импульсные источники. Опять приведу цитату из книги М. Л. Волин «Паразитные процессы в РЭА»:

Для трансформаторов и дросселей, работающих на частоте 50 Гц, отдельный медный или алюминиевый экран совершенно не эффективен. Несмотря на это, Н. И. Амосенко и Д. М. Мурин [60] применили алюминиевый короткозамкнутый виток из ленты толщиной 3 мм и шириной 65 мм для экранирования силового трансформатора в телевизорах.

Вот и я «несмотря на это» применил экран в виде короткозамкнутой полоски медной фольги. Как и ожидалось, на практике не заметил никакого влияния этого витка. Зато вид у трансформатора стал более солидным.

Для моделирования источника питания требуется составить более-менее точную модель трансформатора. Для этого измерил ряд его параметров: индуктивность первичной обмотки L1 = 14 Гн, ее активное сопротивление 337 Ом, индуктивность вторичной обмотки L2 = 0.12 Гн, ее активное сопротивление 5.4 Ом, приведенная к первичной обмотке индуктивность рассеяния Ls = 1.3 Гн. Паразитная емкость между первичной и вторичной обмотками около 45 пФ, емкость с первичной обмотки на магнитопровод – около 60 пФ. Распределенные паразитные емкости заменил в модели сосредоточенными, хотя это довольно грубое приближение. С другой стороны, паразитные емкости очень незначительные. На основе индуктивности рассеяния вычислил коэффициент связи между обмотками (k = 1 – Ls/L1) и внес его в модель.

В модели использую только одну вторичную обмотку, которая питает привод и с которой снимается почти вся мощность. Еще одна обмотка, которая питает усилитель-корректор, относительно маломощная, и ее можно не учитывать.

Для проверки адекватности модели включил трансформатор в сеть и нагрузил на несколько разных резисторов, при этом замерил выходное напряжение. Затем проделал то же самое в симуляторе. Результаты хорошо с хорошей точностью. Выше эта модель трансформатора уже была использована при моделировании сетевого фильтра.

Выпрямитель

С выпрямителем тоже может быть связан ряд проблем. Обычно их источником называют конечное время восстановления диодов и связанный с этим выброс обратного тока. Такая проблема действительно существует, но актуальна она только для импульсных источников, а не для выпрямителей 50 Гц. При желании процесс восстановления диодов можно пронаблюдать. Но для этого понадобится источник напряжения с крутыми фронтами, а также придется растянуть временную шкалу, чтобы наблюдать промежутки времени порядка десятков наносекунд. Даже у медленных диодов процесс восстановления длиться менее микросекунды.

В сетевом выпрямителе диоды открываются только на пиках синусоиды, когда конденсаторы фильтра подзаряжаются. Остальное время диоды закрыты. В таком выпрямителе не возникает условий, чтобы восстановление диодов себя проявило. Перед запиранием диода его ток плавно спадает в течение нескольких миллисекунд, затем наступает довольно длительный промежуток, когда все диоды выпрямительного моста закрыты. Здесь нет ситуации, когда один диод закрывается, а другой тут же открывается. Поэтому сквозных токов через диоды быть не может. Самое худшее, что может быть, это обратный ток диода немного разрядит емкость фильтра через вторичную обмотку трансформатора. Но величина уменьшения напряжения на емкости будет микроскопической, а индуктивность рассеяния трансформатора не позволит обратному току нарастать с большой скоростью.

Хотя нельзя сказать, что выпрямитель – это простая штука. Вряд ли кто-то сможет в точности нарисовать формы токов и напряжений, которые в нем наблюдаются. Обычно достаточно графиков, которые приведены выше. Но если рассмотреть процессы в выпрямителе более подробно, то можно обнаружить довольно причудливые осциллограммы, связанные с наличием паразитных емкостей (диодов, в первую очередь). На графиках ниже осциллограммы сдвинуты по вертикали, чтобы их можно было рассмотреть все сразу и с хорошим увеличением.

Но все это не причиняет никакого вреда. Если искать какую-то проблему в выпрямителе, то найти ее можно совсем в другом. Диоды выпрямителя открыты лишь небольшой промежуток времени, остальное время вторичная обмотка трансформатора предоставлена самой себе. Если задать для модели трансформатора реальные параметры, включая индуктивность рассеивания, то прекрасно видны высокочастотные затухающие колебания после запирания диода. Частота этих колебаний определяется приведенной к вторичной обмотке индуктивности рассеяния трансформатора и суммой всех паразитных емкостей. В принципе, это тоже особой проблемы не представляет, при правильной разводке на выходе фильтра ничего не останется, но лучше колебания убрать. На графике показана работа выпрямителя на диодах 1N4001 (зеленая линия – ток диода, красная – напряжение на диоде). Выбросы – это затухающие паразитные колебания большой амплитуды.

Для диодов Шоттки получается немного другая картина:

Нечто похожее наблюдается и для 1N4001, если их зашунтировать емкостями 10 нФ:

Это обычное явление и для импульсных источников, причем там есть отработанные методы его устранения. Эти методы можно заимствовать и для низкочастотных выпрямителей. Вместо подбора диодов, что как-то влияет на картину, но полностью устранить проблему не может, нужно применить обычный снаббер. Картина со снаббером (1 мкФ + 330 Ом) приведена ниже.

Есть и еще одна проблема, связанная с выпрямителем. Дело в том, что диоды выпрямителя работают как коммутатор высокочастотных помех со стороны сети. Такие помехи могут проникать из сети через паразитную межобмоточную емкость трансформатора, далее через открытый диод выпрямителя они попадают в цепи питания устройства. Но есть промежутки времени, когда все диоды выпрямителя закрыты. Тогда эта цепь разрывается, на пути помех оказывается лишь небольшая паразитная емкость закрытого диода. В результате помехи оказываются промодулированными частотой 100 Гц. Этот эффект является причиной фона в радиоприемниках с сетевым питанием (Радио, 1980, №9, стр. 40 "Мультипликативный фон в радиоприемниках"). Сами по себе высокочастотные помехи, возможно, не принесли бы вреда для аудио, но при наличии модуляции они могут стать слышимыми. Устраняются эти помехи шунтированием емкостями вторичной обмотки трансформатора на общий провод устройства.

Стабилизаторы напряжения

Основную мощность в проигрывателе потребляет привод. Качество питания для него не очень критично, в оригинальном варианте привод вообще питался нестабилизированным напряжением. Но для улучшения характеристик все-таки лучше для его питания использовать стабилизатор.

Цифровая схема управления требует питания +3.3 В. Отдельной обмотки трансформатор не имеет, поэтому это напряжение питания придется получать из напряжения питания привода. Поскольку требуется значительно понизить напряжение, линейный стабилизатор тут оказывается неэффективным.

Еще одним потребителем является встроенный усилитель-корректор. Качество его питания может сказаться на выходном сигнале. Требуется обеспечить достаточно низкий уровень пульсаций и шумов.

Будет дополнено.

Ридико Леонид Иванович www.leoniv.diod.club e-mail: wubblick@yahoo.com