Эксплуатация автомобильной 12-вольтовой аппаратуры от сетевых блоков питания

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: опыт радиолюбителей

Опубликовано: 26.03.2017 16:15

Просмотров: 2180

А.Г. Зызюк, г. Луцк РА11'2009
Автомобильной 12-вольтовой аппаратуры на руках у населения становится все больше. Часто она лежит совсем невостребованной. Между тем, такая аппаратура обладает рядом преимуществ перед более крупногабаритным стационарным азиатским ширпотребом. Автомобильная аппаратура оказывается удобной и при эксплуатации в домашних условиях. Однако далеко не каждый блок питания подходит для совместного использования с такой техникой.

Коротко об автомобильной аппаратуре
Парк автомобильной аппаратуры существенно увеличился, особенно за последние 10 лет.
Зачастую автомобиля уже нет, а его аппаратура остается, причем в рабочем состоянии. По
ценовым категориям условно можно классифицировать эту технику на несколько «типов»:
аппаратура дорогостоящая, дешевле и техника доступная в приобретении рядовыми
гражданами, т.е. бюджетная.
Автомобилей, особенно легковых, произведено так много, что в цивилизованных странах
существуют огромные площади-свалки для старых автомобилей. Придумывают даже специальные
акции, когда при сдаче (замене) старого авто можно приобрести новый автомобиль со
скидкой.
Автомобильной аппаратуры на наших рынках добавилось. Привозят ее к нам разными
способами. Факт в том, что обычно ее нужно приспосабливать (например, «раскодировать»),
а если техника еще и неисправная, то и ремонтировать.
Автомобильная аппаратура для дома
Все чаще автоаппаратуру используют в качестве домашних стационарных «комбайнов». В
принципе, это оправдано, так как техника может быть высококачественной, да еще и
малогабаритной. Обычный недорогой азиатский стационарный ширпотреб уже серьезно
поднадоел своей «однобокостью» и примитивизмом. Ему присущ ряд специфических
недостатков, которые, кстати, могут отсутствовать даже в недорогой автотехнике. Если
громыхающая и дорогостоящая аппаратура с сабвуферами нужна далеко не каждому, то на
качественно работающий радиоприемник, магнитофон или проигрыватель CD-дисков желающих
найдется намного больше.
О большом вреде для нашего здоровья мощных излучателей определенных низких частот очень
поучительно сказано в [1]. Неудивительно, что интенсивное воспроизведение в салоне авто
самых низких частот (НЧ) негативно влияет не только на время реакции водителя и приводит
к ДТП. Исследования ученых доказали факт чрезвычайно вредного воздействия определенных
низких частот на головной мозг человека. Особую опасность для здоровья человека
представляет собой прослушивание мощных сигналов с частотой 25 Гц.
Несмотря ни на что, разнообразие сабвуферов автомобильной аппаратуры очень большое.
Привлекает то, что автотехника почти всегда меньше по габаритам, чем стационарная с
аналогичными характеристиками. Естественно, для эксплуатации автомобильной аппаратуры в
домашних условиях необходимо иметь мощный (по энергоемкости) аккумулятор или же
соответствующий сетевой блок питания (БП). Чтобы можно было подключать любую аппаратуру,
в
том числе самую мощную, необходимо изготовить БП помощнее. Проблема 12-вольтовых мощных
БП осталась нерешенной, т.е. налицо их дефицит в широкой продаже. Приобретают их все
чаще под заказ. Чем мощнее БП, тем, как правило, его проблематичнее купить.
С ценами на мощные БП также встречаются неприятности. Как правило, существует
непропорциональная зависимость цены мощного БП от его параметров. Часто бывает такое
несоответствие в цене, например, когда максимальный ток БП увеличен вдвое, а цена в 3-5
раз и более возросла. Отсюда постоянно растущий спрос на БП, в том числе и на мощные.
Для мощной звуковоспроизводящей автомобильной аппаратуры нужен фактически сетевой
«аналог» автомобильного аккумулятора.
Все эти сабвуферы или трансиверы потребляют много электроэнергии. Поэтому сетевые БП для
них еще более дорогостоящие и дефицитные, чем для большинства обычных автоаппаратов.
Многое, конечно, определяется и другими функциями, типом и количеством защит,
регулировкой выходного напряжения и тока и т.п. Но сам факт, что вам нужен БП конкретно
для мощного трансивера или 12-вольтового стерео (квадро) мостового УМЗЧ, уже потребует
вливания дополнительных денежных средств на покупку соответствующего БП. Несмотря на тот
факт, что на фирмах стали появляться 12-вольтовые мощные БП, цены на них еще долго будут
отпугивать покупателей. В итоге, если собрать самому БП на5...10А,то можно сэкономить
свои средства примерно в 10 раз!
Поэтому радиолюбители часто используют с автотехникой собственные конструкции БП. Уже
многие стали задаваться вопросом: «А может ли мощный 12-вольтовый качественный
современный БП быть собран без применения мощных полевых транзисторов?». Поскольку
количество производимых полевых транзисторов (ПТ) превышает количество биполярных, то
наблюдается настоящий бум и популяризация применения мощных ПТ.
Немного важного о схемах мощных БП на ПТ
Любительские схемы СН на ПТ нередко собраны неоптимально. Например, шунтируют выводы ПТ
конденсаторами значительной емкости (десятые доли мкФ и более), не устраняя истинную
причину неустойчивой работы СН с ПТ Вообще, используется схемотехника БП и СН, подходы,
как в биполярных СН, но забывается, что ПТ управляется по затвору напряжением, а не
током. Затвор для схемы драйвера (раскачки ПТ) представляет собой конденсатор. Да, его
нужно перезаряжать. Чем выше частота, тем чаще нужна перезарядка затворной емкости. Но
увеличивать (умножать) затворную емкость, добавлять к ней конденсаторы нет смысла. Это
лишняя нагрузка для драйверов. Гашение таким способом самовозбуждения напоминает гашение
пожара подливанием масла в огонь. Входное сопротивление по затвору на порядки выше, чем
у биполярного транзистора. Следовательно, лепить параллельно выводам 3-И у ПТ большие
емкости, значит, полностью затормозить динамику СН. Применение ПТ как дань моде -
неоправданное занятие. Если ПТ установлен, то его устойчивость в схеме следует
обеспечивать не закорачиванием его выводов по переменному току конденсаторами
значительной емкости. Здесь плохо подходит такое «решение проблем».
Хуже всего то, что, как правило, рассмотренные СН на динамическую нагрузку работают
неудовлетворительно. Таким образом, необязательно применять мощные ПТ в мощных СН для
питания 12-вольтовой аппаратуры, чтобы получить хороший результат.
Зато существуют схемы СН и БП - настоящие брэнды, причем совсем без применения полевых
транзисторов. В них отсутствуют даже микросхемы. Это такие СН, которые собраны более
десяти экземплярами, безукоризненно эксплуатируются и проверены на протяжении уже многих
лет подряд.
Они зарекомендовали себя надежностью и устойчивой работой с любыми типами нагрузок.
Здесь срабатывает все тот же старый принцип: меньше усилительных каскадов - меньше и
неожиданных проблем. Схема одной из таких конструкций показана на рис.1. Первоначально
такой БП длительное время использовался как лабораторный БП в домашних условиях. Позже
его перевели в штат БП для испытания различной автомобильной аппаратуры. Спустя годы
убедились, что схема надежна в работе и неприхотлива в эксплуатации. Она обладает
высокой повторяемостью и почти не требует наладки.
Сетевой трансформатор, его выключатель и предохранитель со светодиодом индикации в
сеть для простоты схемы не приводятся. От выбора сетевого трансформатора, кстати,
напрямую зависят возможности БП в плане мощностных характеристик. Несмотря на кажущуюся
схемную простоту, остановимся на нескольких моментах. Диодный мост лучше выполнить на
диодах Шотки. Тогда при токе в нагрузке до 4 А этим диодам вообще не понадобятся никакие
радиаторы. Оксидные конденсаторы выбирали из соотношения не менее 1000...2000 мкФ на
один ампер тока в нагрузке.
Защита с ограничением тока работает просто, но четко и надежно, а главное - безотказно.
Здесь учтено все, что касается «непонятных» выходов из строя транзисторов узла защиты.
Радиолюбители часто забывают о токоограничительных резисторах в защитных узлах. Нередко
мы видим схемы, где транзистор в схеме защиты в самый ответственный момент может выйти
из строя. Вслед за ним может выйти из строя и силовой транзистор. А если таковых
параллельно включено несколько? Дело здесь вот в чем.
Такая мелочь, как наличие вместо традиционной проволочной перемычки резистора R2, очень
важный нюанс.

При срабатывании защиты сначала переходит в проводящее состояние транзистор VT2,
который, в свою очередь, переводит в проводящее состояние второй транзистор узла защиты
VT1. Тот, соответственно, тоже быстро открывается. Таким образом, своим переходом К-Э
VT1 соединяет базу регулирующего напряжение СН транзистора VT5 с общим проводом схемы
СН. Одновременно идет экстренный разряд заряженных до величины почти выходного
напряжения конденсаторов С9 и С10. Для того чтобы ограничить величину тока через К-Э
переход VT1, служит резистор R2. Ситуация такова, что нельзя с помощью К-Э перехода
транзистора закорачивать (разряжать) заряженные конденсаторы. Традиционные
однотранзисторные схемы, как правило, не обеспечивают такой надежности, как данная схема
на двух транзисторах.
Кроме иных положительных качеств, исключается взаимное влияние второго каскада
(замыкающего базу VT5 на общий провод) на первый каскад, формирующий токосъем, т.е.
являющийся датчиком тока в нагрузке. Второй важный момент - это схема компенсационного
СН на транзисторах VT3 и VT4 внутри всего СН. По сути, данная схема - высококачественный
источник образцового напряжения (ИОН).
У рассматриваемого СН и ИОН несколько достоинств. Во-первых, он сохраняет свою
работоспособность при минимальной разнице между входным и выходным напряжением (при его
максимуме). Даже при разнице в 1 В схема еще сохраняет свою работоспособность. Во-
вторых, эффективно подавляет пульсации и помехи. Здесь это необычайно важно. Выходное
напряжение СН (коллекторы мощных VT6 и VT7) определяется напряжением на верхнем (по
схеме) выводе резистора R12.
Следовательно, оно будет максимально, когда движок потенциометра находится в верх-
нем положении. В это время база VT5 фактически (через помехоподавляющий резистор R13)
соединена с коллектором транзистора VT4 (выходом ИОН).
Значит, выходное напряжение СН фактически приближается к напряжению на базе VT5. В этом
состоит большая универсальность схемы. Какое напряжение будет подано на базу VT5, почти
такое же напряжение по величине будет присутствовать и на выходе СН. Третий важный
момент в ИОН заключается в его схеме. Можно легко с помощью одного резистора R9
подстраивать величину напряжения ИОН. Если поставлена задача прецизионности, то можно
достигнуть практически нулевого значения ТКН (для лабораторного варианта БП). Главное,
что ИОН, по сути своей - уже СН, причем с высокими техническими характеристиками. Если
внимательно рассмотреть схему на транзисторах VT5-VT7, то можно увидеть, что они
образуют мощный составной транзистор по схеме Шиклаи. Естественно, хорошему повторителю
напряжения, каковым является данный транзистор Шиклаи, просто необходим
высококачественный ИОН. Данный транзистор Шиклаи обладает минимальным выходным
сопротивлением за счет 100-% отрицательной обратной связи (ООС) по напряжению
посредством диода VD7.
Иначе говоря, данная схема является лабораторным БП, если все выполнить надлежащим
образом. Для этого применяли прецизионные резисторы R6-R10. Не столько важно процентное
отклонение, сколько нужна долговременная стабильность сопротивлений этих резисторов.
Подстроечный R9 заменяли двумя обычными прецизионными резисторами, предварительно
измерив сопротивление «половинок» подстроечного R9.
Достоинства БП следует рассмотреть еще. Тем более что таковые на сказанном не исчерпаны.
И они важны.
Ток срабатывания защиты также несложно уменьшить или увеличить. Максимальный, который
получали с данной схемы, составил до 10 А. При таком токе может подгореть резистор R5.
На нем рассеивается 10 Вт мощности. При фиксированном токе, соответствующем максимуму
БП, резистор R4 из схемы удаляли, а базу VT2 соединяли непосредственно с правым отводом
резистора R5. Когда требовалось изменять ток срабатывания защиты, то это делали движком
резистора R4. Ток при этом только увеличивается. Чем больше смещен движок подстроечного
резистора R4 влево (по схеме), тем больше ток СН. Таким образом, для получения меньших
токов сопротивление датчика тока R5 следует увеличивать. Не забываем, что при этом
возрастает рассеиваемая мощность на этом резисторе. Резистор уже должен быть более
мощным.
Самое главное, что нужно подчеркнуть особо. Схема изготовлялась не один десяток раз. При
этом не было никаких проблем с повторяемостью. Многочисленные эксперименты, направленные
на умощнение схемы, доказывали, что это сделать несложно. Вариант рис. 1 допускает
постоянный ток 10 А в нагрузке, при условии, что радиаторы КТ827 имеют принудительное
охлаждение. Достаточно даже одного кулера на 12В. По крайней мере, при токе 10 А он
нормально справляется с отводом тепла от двух экземпляров КТ827, размещенных на одном
игольчатом радиаторе с охлаждающей поверхностью 1000 кв. см.
Применением кулеров (или других вентиляторов обдува радиаторов) мы избегаем
использования очень громоздких радиаторов для КТ827. Самым опасным является режим КЗ на
выходе СН. Данный СН при КЗ или ограничении выходного тока работает в режиме генератора
стабильного тока (ГСТ). Режим ГСТ зачастую предпочтительнее, чем защита с отключением
выходного тока БП (как в защитах триггерного типа на тиристорах, оптронах и т.п.).
Детали
Трансформатор. В каждом конкретном БП использовался свой сетевой трансформатор (СТ).
Качественный СТ - это всегда своеобразная проблема. Если приобрели готовый (заводской)
или кем-то из народных умельцев намотанный, то необходимо СТ испытать на той мощности,
которую реально планируют снимать. Как правило, радиолюбители себя этим не утруждают, -
это напрасно. Максимум, на что обычно идут, - измерение просадок напряжения на вторичных
обмотках при подключении нужной нагрузки. Еще хорошо, если дадут СТ прогреться под
нагрузкой хотя бы минут 10, но этого мало. Настоящий перегрев СТ наступает после 30...45
мин при подключенной максимально допустимой для СТ нагрузке. Только через это время
тепло успевает передаться в магнитопровод и все слои всех обмоток СТ. По нагреву СТ
судят о его пригодности.
Как правило, практикуется традиция оценки «на глаз». Если диаметр провода вторичной
обмотки составляет 1,8...2,0 мм, то такой факт принимают за аксиому: СТ, мол,
стопроцентно выдержит длительно ток 10 А в нагрузке. При этом опускается, каким проводом
намотана первичная обмотка? Достаточно ли сечение магнитопровода СТ? Нюанс как раз в том
и заключается, что кратковременно СТ может выдерживать значительно больше, чем от него
требуется. Но через час трансформатор превращается в печку. В таких случаях мощность СТ
будет вдвое меньше той, от которой он так перегревается.
Диоды VD1-VD4. Диоды выпрямительного моста могут быть любыми на ток 20 А. Диоды Шотки
здесь, в низковольтных и сильноточных схемах, вне конкуренции. На них происходит малое
падение напряжения, следовательно, они меньше греются. Они заменимы любыми аналогичными
диодами Шотки, например, зарубежными: 18-TQ045 (18 А, 45 В), 20TQ40 (20 А, 40 В);
сборками Шотки: 20-CTQ045 (20 А, 45 В), 25CTQ045 (25 А, 45 В) и т.д. Диоды КД522 с любым
буквенным индексом. Они заменимы практически любыми кремниевыми на ток 50 мА и более, на
напряжение 50 В и больше. Это могут быть и диоды старых типов Д220, Д223, и более новые
КД518 и т.п.
Транзисторы. В позициях VT1, VT4 использовались: КТ315Г, КТ312В,КТ503Е, КТ815Б, КТ3102
(А-Г), ВС547С. В позициях VT2, VT3, VT5 применялись КТ361, КТ3107 (А, Б, И), КТ502Е,
ВС557С. В позициях VT6, VT7 - КТ827А или Б. В менее мощных схемах БП применяли и КТ829.
При двух параллельно включенных КТ829 ток в нагрузке не превышал 5 А. Пластмассовые
корпуса очень удобны простотой крепежа на радиаторе.
Для четырех совместно работающих КТ829 - ток 10 А. Схема подключения двух дополнительных
транзисторов к двум имеющимся силовым идентична схеме, показанной на рис.1. То есть для
каждого нового дополнительного транзистора требуется и два новых резистора, один в цепи
базы, а второй в цепи эмиттера. Эти уравнивающие резисторы - обязательный атрибут данной
конфигурации схемы. Необходимо четко равномерно распределить поровну токи между всеми
параллельно включенными транзисторами.
Если это не сделано, то наилучший транзистор всю нагрузку примет на себя. Иначе говоря,
транзистор с наибольшим значением h21Э и наименьшим Uкэ.нас
быстро перегреется, если БП испытывают при полной мощности, которая должна
распределяться поровну на все транзисторы. Самый «активный» транзистор возьмет на себя
избыток мощности (тока). Поскольку рассеиваемая мощность может превысить 60 Вт для
пластмассового КТ829, то он вскоре пробивается (как правило, происходит пробой участка
К-Э накоротко). То же самое происходит и с КТ827, только они более надежные и
выносливые, чем КТ829. КТ827 долго могут работать, когда на одном транзисторе мощность
намного больше, чем на другом. Выравнивать эмиттерные токи быстрее и легче подбором
базовых резисторов в цепи КТ827. Номиналы при этом могут отличаться существенно (в разы
и даже на порядок). Надо проследить, чтобы на максимальном токе через нагрузку имело
место наиболее правильное (равномерное) распределение токов через транзисторы. И не
столь важно, что там будет «твориться» асимметрия в базовых цепях КТ827. Главное, что
падения напряжений на эмиттерных резисторах равными будут хотя бы в диапазоне токов
50... 100%. То есть при таких токах, где перекосы в режимах работы транзисторов приводят
к их отказам.
Конструктивно БП выполнялись по-разному. Как на печатных платах, так и методом монтажа:
«соединяю детали, как вижу по схеме». Такой вариант в народе всегда пользовался большой
популярностью. Он подходит больше всего тогда, когда не предполагается
экспериментировать с БП. То есть хороший метод для копирования схемы без серьезных ее
изменений. Проблема с корпусами решалась также по-разному. Самодельный корпус - это
масса механической работы. Поэтому старались корпус подобрать из чего-нибудь заводского.
С датчиком тока для амперметра прекрасно справляется резистор R5. Вольтметр подходит
любой. Стрелочные приборы, несмотря на цифровую моду, имеют серьезный перевес при
динамическом характере потребляемого от БП тока нагрузкой.
Литература
1. Шихатов А. Резонатор Гельмгольца в малогабаритной АС // Радио. - 2009. - №5. -С. 10-
12.