Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Repetytorium użytkowej elektroniki - Zasilacz do układu audio

Elportal jest źródłem wiedzy dla profesjonalnych elektroników śledzących rozwój elektroniki w swojej specjalizacji. Jeśli jednak odczuwasz potrzebę przypomnienia sobie szerokiego spektrum zagadnień elektroniki użytkowej, to dla Ciebie jest to Repetytorium. W tym kursie znajdą również przystępnie podaną wiedzę programiści nieelektronicy odwiedzający Elportal w poszukiwaniu inspiracji projektowych.
Chcesz rozbudować swój system audio?
Szukasz odpowiedniego zasilacza dla przedwzmacniacza albo korektora?
A może chcesz się dowiedzieć, jak działa napięcie symetryczne?
Light icon
Article Image

Sytuacja z życia wzięta: mój teść postanowił sprawić sobie gramofon. Oczywiście, z wkładką magnetyczną, ponieważ zapewnia wysoką jakość odtwarzania i nie niszczy płyt tak szybko, jak piezoelektryczna. Jego wieża marki Technics nie ma odpowiedniego wejścia dla takiego sprzętu, więc trzeba dodać odpowiedni przedwzmacniacz o charakterystyce RIAA.

W porządku, przedwzmacniacz to nie jest problem, mamy ich mnóstwo do wyboru. Jednak taki układ wymaga również zasilania. I to nie byle jakiego. Od niego zależy, czy w dźwięku nie pojawią się dodatkowe, oczywiście niepożądane sygnały.

Najczęściej spotykane zakłócenia:

  • brum sieciowy o częstotliwości 50 Hz, który słyszymy jako jednostajne, monotonne buczenie,
  • piski, zgrzyty lub uporczywy szum pochodzące od przetwornic impulsowych pracujących na wysokich częstotliwościach,
  • oba wyżej wymienione jednocześnie, jeżeli mamy wyjątkowego pecha.

Zatem wiemy już, że do zasilania czułego układu audio lepiej będzie nie korzystać z popularnego, lekkiego zasilacza typu wtyczkowego. Powód: zawierają wspomnianą przetwornicę impulsową, która może być źródłem wielu zakłóceń. One są dobre do wielu innych zastosowań, jak taśmy LED czy ładowanie akumulatorów w telefonach. 

Niewielki zasilacz wtyczkowy z przetwornicą impulsową

Co to jest ta przetwornica impulsowa, na razie pomińmy. To całkiem potężny kawałek elektroniki, mimo, choć został upchnięty w niewielkiej obudowie. Do naszych potrzeb przyda się stabilizator liniowy, który nie wytwarza niepożądanych sygnałów. Ba, nawet redukuje te, które wchodzą na jego wejście. 

Ujmując rzecz najprościej, jak się tylko da, stabilizator liniowy „obcina” nadmiar napięcia wejściowego, tworząc napięcie wyjściowe o stałej i niezmiennej wartości. Naddatek napięcia jest po prostu tracony w postaci wydzielającego się ciepła. Mało to ekologiczne, ale dla niewielkich układów audio całkowicie wystarczające. W rewanżu otrzymujemy napięcie stałe, niemal całkowicie pozbawione jakichkolwiek dodatków.

Prostowanie prądu

Jak dobrać zasilacz, o tym za chwilę. Najpierw musimy dowiedzieć się kilku rzeczy na temat układu, który będziemy zasilać. Niech to będzie wspomniany wcześniej przedwzmacniacz o charakterystyce RIAA, sprzedawany pod numerem AVT2680:

Przedwzmacniacz gramofonowy RIAA
Zobacz w sklepie avt

Teraz nie interesują nas jego parametry sygnałowe. Chcąc dobrać odpowiedni zasilacz, należy dowiedzieć się, jakiego rodzaju zasilania dany układ potrzebuje. Ten przedwzmacniacz powinien być zasilany napięciem symetrycznym o wartości ±5 V do ±15 V. Z wnikliwej lektury dokumentacji możemy się dowiedzieć, że układ pobiera prąd o natężeniu około 20 mA. W porządku, ale co to jest napięcie symetryczne?

Załóżmy, że mamy dwie baterie, które dają napięcie 9V. Każda z nich ma dwa zaciski: jeden „+” i drugi „–”. Jeżeli połączymy zacisk dodatni jednej z ujemnym drugiej, to powstała nowa bateria będzie miała napięcie 18 V:

Rysunek 1. Dwa źródła napięcia połączone szeregowo

Jeżeli woltomierz podłączymy do każdej z tych baterii z osobna, wskaże on za każdym razem napięcie 9 V. Ale na obu bateriach jednocześnie nadal będzie 18 V:

Rysunek 2. Pomiar napięcia oddzielnie na każdej baterii

I teraz wchodzi pewna umowa: umówmy się, że wszystkie pomiary w tym układzie wykonujemy względem węzła łączącego obie baterie. Czyli czarny zacisk miernika za każdym razem podłączamy do tego węzła. Okaże się, że „górna” bateria ma napięcie +9 V, a „dolna” –9 V. 

Rysunek 3. Pomiar napięć z ustalonym punktem odniesienia

Błąd? Nie! Po prostu zmieniliśmy punkt odniesienia. Wcześniej był nim zacisk ujemny każdej z baterii, a teraz jest jeden, wspólny i niezmienny. Napięcie mierzone „od plusa do minusa” dolnej baterii będzie miało wartość –9 V, a mierzone „od minusa do plusa” miało +9 V. Wystarczyło zmienić punkt odniesienia.

Inny przykład? W pomieszczeniu jest troje ludzi. Pierwszy ma wzrost 1,6 m, drugi 1,8 m, a trzeci 2 m. Względem pierwszego, dwaj pozostali są wyżsi (+20 cm i +40 cm). Z punktu widzenia tego najwyższego, reszta jest od niego niższa (–20 cm i -40 cm). Zaś dla środkowego jeden jest wyższy (+20 cm), a drugi niższy (–20 cm). Ich wzrost się przecież nie zmienia, tylko w inny sposób na nich patrzymy.

Wracając do napięć – jeżeli przyjmiemy, że naszym punktem odniesienia jest zacisk „–” dolnej baterii, to pozostałe dwa wyprowadzenia tego układu mają napięcia wyższe względem niego: o 9 V i o 18 V:

Rysunek 4. Pomiar napięć z innym punktem odniesienia

W elektronice funkcjonuje pojęcie masy. Każde napięcie w układzie, jeżeli nie zaznaczymy inaczej, należy mierzyć względem masy. Czarny przewód woltomierza przykładamy do tej masy, a czerwonym dotykamy do pozostałych punktów układu. Masa to węzeł, który zazwyczaj skupia najwięcej wyprowadzeń różnych elementów, dlatego jest taka ważna. 

Na schematach oznacza się ją charakterystyczną „stopką”. Czytając schemat, należy wszystkie te „stopki” połączyć. Nie rysuje się połączeń przy użyciu linii, aby móc chociaż trochę zredukować liczbę kresek.

Fragment schematu AVT2680 z zaznaczoną masą

Napięcie zmierzone względem masy możemy nazwać potencjałem. Może on być dodatni, ujemny lub zerowy, jeżeli między tym punktem a masą nie występuje jakiekolwiek napięcie. W przykładzie z bateriami masą był węzeł środkowy, zaś dolny i górny zacisk miały potencjały, odpowiednio +9 V i –9 V.

Wiemy już, że chodzi o napięcie symetryczne i znamy pobór prądu przez układ. Pora dobrać odpowiedni stabilizator liniowy. Może to być gotowy układ, który zawiera wszystko, czego potrzebujemy – AVT3140/15. Na niewielkiej płytce są zamontowane: 

  • prostownik, przekształcający prąd przemienny na stały z dużą domieszką tętnień;
  • kondensatory filtrujące, które usuwają część tętnień;
  • stabilizatory liniowe, wytwarzające napięcie niemal idealnie stałe.
Modułowy zasilacz symetryczny ±15 V
Zobacz w sklepie avt

Jeden ze stabilizatorów wytwarza napięcie +15 V, a drugi –15 V. Zawierają w swoim wnętrzu całkiem sporo tranzystorów, więc ich szczegółową analizę na razie pominiemy.

Takiej płytki nie wolno podłączać bezpośrednio do gniazdka! Po pierwsze, nie zadziała. Poza tym najpewniej wybuchnie, więc i tak nie zadziała. Potrzebny jest transformator, który obniży napięcie sieciowe do bezpiecznej wartości. Przy okazji odizoluje użytkownika sprzętu od napięcia sieciowego.

Kilka różnych wersji transformatorów

Transformatory sieciowe są wykonywane w rozmaity sposób, ale zasada działania jest za każdym razem taka sama. Zawiera (co najmniej) dwa uzwojenia. Pierwsze nazywany pierwotnym, a wszystkie pozostałe wtórnymi. Uzwojenie to nic innego jak drut w cienkiej izolacji owinięty wokół metalowego rdzenia. 

Poszczególne elementy transformatora

Transformator może działać tylko wtedy, kiedy jest zasilany napięciem zmiennym, dlatego dobrze nada się do obniżenia napięcia sieciowego (które ma kształt sinusoidy). Jeżeli chcielibyśmy nim przekształcać napięcie stałe, wymagana jest dodatkowa elektronika, która wytworzy napięcie zmienne.

Jak działa transformator? Zmienne napięcie, przyłożone do uzwojenia pierwotnego, powoduje, że zaczyna w nim płynąć prąd, również zmienny. To z kolei wywołuje zmienny strumień magnetyczny w rdzeniu. Można to wyobrazić jako elektromagnes, który raz przyciąga mocniej, a raz słabiej. W przekaźniku taki elektromagnes przyciąga kotwiczkę, a tutaj to pole magnetyczne zostało „zamknięte” w metalowym rdzeniu.

Po co? Po to, żeby nie rozchodziło się niepotrzebnie na boki. Dzięki temu znaczna jego część może przepłynąć przez obszar, na którym nawinięte jest uzwojenie wtórne. Zmienny strumień magnetyczny generuje w nim zmienne napięcie. Z jedną różnicą: może być ono wyższe, niższe lub takie samo, jak pierwotne – to zależy od stosunku liczby zwojów. Za to będzie doskonale odizolowane od uzwojenia pierwotnego, połączonego przecież z siecią.

Zasada działania transformatora

Możemy mieć dwa uzwojenia wtórne i dokładnie taki transformator będzie tutaj potrzebny. Czytając opis zestawu AVT3140/15, dowiadujemy się, że wymagany transformator powinien mieć uzwojenia wtórne o napięcia 15…18 V. Wydajność prądowa? Sam przedwzmacniacz ma pobierać nie więcej niż 20 mA, więc trzeba uwzględnić pewien zapas. Taki powinien nadać się bez problemu:

Transformator 6 VA, 230 VAC (15 V, 15 V) 0,25 A
Zobacz w sklepie avt

Jednak taki transformator ma cztery wyprowadzenia uzwojeń wtórnych, a płytka układu AVT3140/15 trzy zaciski dla niego. Co zrobić? Trzeba te uzwojenia ze sobą połączyć. Węzeł, w którym te uzwojenia się łączą, należy wtedy podłączyć do środkowego zacisku w listwie – analogicznie do przykładu z łączeniem baterii. Na symbolu schematowym uzwojenia mają postać sprężynek, a rdzeń równoległych kresek.

Rysunek 5. Sposób podłączenia transformatora sieciowego

Czy można połączyć uzwojenia w dowolny sposób? Otóż nie. Podobnie, jak z bateriami, tak i tutaj trzeba połączyć zaciski w odpowiedni sposób, aby napięcia się sumowały. Jeżeli między skrajnymi wyprowadzeniami zmierzymy woltomierzem (ustawionym na napięcie przemienne!) napięcie dwa razy większe od tego, które jest na jednym uzwojeniu wtórnym, wszystko jest w porządku. Jeżeli zaś miernik pokaże zero (lub wartość do zera zbliżoną), to trzeba zmienić kierunek połączenia jednego z uzwojeń i spróbować ponownie.

Rysunek 6. Sprawdzenie poprawności podłączenia transformatora

Jeżeli wszystko zostało połączone poprawnie, a połączenia prawidłowo zaizolowane, układ może już działać. Ale czy na pewno? Brakuje mu niewielkiej rzeczy: bezpiecznika. Jeżeli nasz układ doznałby poważnego uszkodzenia, na przykład gdy uszkodzi się transformator sieciowy, bezpiecznik wykryje nadmierny pobór prądu i przepali się. Dopływ prądu do układu zostanie odcięty, chroniąc nas przed pożarem.

Należy go włączyć szeregowo z zasilaniem sieciowym, po stronie pierwotnej transformatora, obojętnie z którym wyprowadzeniem uzwojenia. Możemy też dodać wyłącznik, który ułatwi włączanie zasilanego przedwzmacniacza:

Rysunek 7. Schemat podłączenia bezpiecznika

Powinien to być bezpiecznik przewidziany do pracy z napięciem 230 V lub wyższym, oczywiście przemiennym. Bezpieczniki przewidziane do prądu stałego nie będą dobrze działały w obwodach prądu przemiennego i odwrotnie.

Mamy dwa główne rodzaje bezpieczników: szybkie (z literką F) oraz zwłoczne (z literką T). Z reguły, po stronie pierwotnej transformatora stosuje się bezpieczniki zwłoczne. Powód: transformator oraz reszta elektroniki, która się za nim znajduje, w chwili włączenia zasilania pobiera prąd o dużym natężeniu. Jego wartość po chwili spada, lecz ten udar powoduje, że bezpiecznik szybki mógłby przedwcześnie zareagować. Może to być miniaturowy bezpiecznik rurkowy o wymiarach 5×20 mm

Sklep avt
Bezpieczniki, w tym samochodowe, oprawy, adaptery i wiele innych
RÓŻNE BEZPIECZNIKI W SKLEPIE AVT
Bezpiecznik rurkowy 5×20 mm

Pozostała jeszcze jedna kwestia: na jaki prąd dobrać bezpiecznik? Trzeba w tym celu wrócić do mocy. Założyliśmy, że przedwzmacniacz potrzebuje napięcia ±15 V i pobiera prąd około 20 mA. Dla mocy czerpanej z zasilacza nie ma znaczenia, czy napięcie jest dodatnie, czy ujemne, więc zapotrzebowanie na moc wynosi:

Nieco większa moc będzie pobierana przez układ z sieci. Dlaczego „nieco”? Straty, nieodłączne straty. Głównym ich źródłem będzie transformator, ale stabilizator również wymaga nieco mocy do poprawnego działania. Ile zatem zapasu przyjąć? Jak zwykle: to zależy. Dla tak małych układów śmiało można przyjąć nawet 100% naddatku. Jeżeli układ pobiera większą moc, zapas ten można zmniejszyć do 20…50%.

Wiedząc, że napięcie sieciowe wynosi 230 V, można łatwo policzyć pobierany z sieci prąd:

Bezpiecznika na tak mały prąd ze świecą szukać. Trzeba zatem znaleźć najmniejszy, jaki jest łatwy do kupienia. Okazuje się, że jest przewidziany na prąd 63 mA:

Bezpiecznik 63 mA 5×20 mm
Zobacz w sklepie avt

Można, a nawet należy, zamontować go w oprawce. Łatwo go wówczas będzie wymienić w razie awarii. Sama oprawka ma być przykręcana do obudowy:

Gniazdo bezpiecznikowe
Zobacz w sklepie avt


Podczas montażu zarówno płytki stabilizatora, jak i przedwzmacniacza, można natknąć się na elementy o oznaczeniach kodowanych. Najczęściej są to niewielkie kondensatory. Jak to odszyfrować? Reguła nie jest trudna: ostatnia cyfra określa liczbę zer do dopisania, a wynik jest w pikofaradach [pF]. Przykłady:

Podsumowanie

W tej części kursu dowiedzieliśmy się, do czego służy stabilizator i czym jest napięcie symetryczne. Dobraliśmy odpowiedni transformator do zasilanego układu. Poznaliśmy również podstawowe reguły dobierania bezpieczników. 

W następnej części temat zasilaczy będzie kontynuowany – będą to zasilacze regulowane!

AUTOR
Udostępnij
UK Logo