Внимание, потихоньку сыпятся вопросы, пишется фак. Почитать его можно будет тут

Лампы давно уже не используются в ширпотребном оборудовании, но есть класс задач, которые решить с помощью полупроводниковых технологий крайне трудно. Одна из таких задач — гитарные предусилители.

Как показывает практика, гитаристы хотят иметь маленький, но, тем не менее, ламповый, предусилитель, который можно всюду таскать с собой. Так возникает задача минимизации веса и размеров предусилителя.

Большую часть пространства внутри лампового предусилителя занимают не сами лампы, а источники их питания. Самый простой и современный метод уменьшения габаритов — использование импульсного преобразователя.

С одной стороны, импульсные преобразователи – легкие и занимают мало места, с другой – они порождают электромагнитный шум, который может детектироваться предусилителем и проникать в звуковой тракт. В этой статье я попробую оценить эти параметры и предложить пару схем импульсных блоков питания.

После довольно обильных исследований родились две схемы — одна попроще, другая посложнее, обе со своими преимуществами и недостатками. Обе предназначены для преобразования напряжения из 12В до 320В.

Почему именно из 12 в 320 ? Почему нельзя сразу из 220 получать и 320 и 12 ? Конечно-же, все можно, однако высокое входное напряжение автоматически обозначает значительно больший уровень электромагнитного шума,  бороться с которым довольно сложно. Возможно, в будущем, я предложу такую конструкцию. Напряжение 12В практически всегда присутствует в ламповых схемах в качестве накального и линейные трансформаторы на 12В  доступны и недороги.

Схема номер 1. Проста, и эффективна

Краткий обзор достоинств этой схемы:

1. Полумостовая топология. Она хоть считается шумной в сетевых блоках питания, в данном случае ей нет равных — размах напряжения на силовых транзисторах не превышает напряжения питания. Внутренние диоды транзисторов автоматически обеспечивают защиту по напряжению.
2. Распространенная, дешевая и малопотребляющая микросхема-контроллер.
3. Простой трансформатор.
4. На выходе стоит умножитель. Это позволяет уменьшить амплитуду индукции в трансформаторе (уменьшить шум), уменьшить количество диодов и размах напряжение на них (что также значительно уменьшает шум)
5. Выходной фильтр на резисторе очень хорошо фильтрует выходное напряжение и одновременно защищает от кратковременных коротких замыканий
6. Стабилитрон на выходе защищает конденсаторы от пробоя при включении питания. (пока накалы не разогрелись, лампы не потребляют анодного тока, а значит напряжение может превысить номинальный уровень)
7. Хороший КПД = 80%

Плату отдельно не привожу, потому как это бесполезно — у каждого свои детали (особенно трансформатор). Общее представление о разводке можно получить из pdf’ника.

Для тех, кто захочет повторить — назидание по намотке трансформатора:
Сечение магнитопровода не должно быть меньше 30мм^2. Мотается так — сначала вторичная обмотка самым тонким доступным проводом. Намотка виток-к-витку. Мотается столько, сколько влезет (с учетом первичной), у меня влезло 370 витков, потом соответственно первичная. Первичной обмотки должно быть не менее 7 витков, а минимальное количество витков вторичной обмотки определяется коэффициентом трансформации как для обычного трансформатора n2 = 320*n1/12 (у меня n2=12). Чем больше витков — тем больше КПД.

Ну, и, естественно, фотографии макета

Схема номер 2.

Она значительно сложнее, но имеет полноценную обратную связь. Ее скорость можно регулировать, тем самым изменяя нагрузочную характеристику БП. Однако из-за более сложного контроллера, КПД этой схемы около 60% (30% выделяется в виде тепла контроллером, 10% потери в остальных элементах) Схема рекомендуется для повторения только если вы знаете куда применить ее преимущества.

Теперь несколько мифов, связанных с импульсными блоками питания.

1. Мягкая нагрузочная характеристика трансформатора с кенотронами, дополнительная компрессия звука из-за нагрузочной характеристики блока питания.

Первая из схем имеет даже несколько более мягкую нагрузочную характеристику, чем обычный линейный блок питания, более того ее частотную характеристику можно без проблем изменять номиналом выходного конденсатора, не получая прибавки к шуму, как это было бы с обычным БП. Это позволяет дизайнеру максимально подогнать БП к предусилителю. Во втором варианте можно изменять нагрузочную характеристику практически как хочется, пожертвовав только скоростью обратной связи. Собственно, нагрузочная характеристика:

Подробности исследования компрессии можно прочитать в этой ветке форума gtlab.net

2. Шум, наводки убивают звук.
У обоих БП с приведенной платой (замечу, что плата односторонняя, в двустороннем варианте можно получить еще более впечатляющие результаты) настолько низкий уровень излучаемых помех, что их сложно обнаружить в эфире, а темболее, в сигнальном тракте предусилителя. Более того, не удалось услышать разницу в звуке при изменении положения блока питания относительно ламп и при непосредственном переключении блоков питания импульсный <-> линейный, что косвенно подтверждает отсутствие наводок.

Почему выбран именно полумост? Чем не подошли другие топологии?

1. Самая простая топология: обратоходовый преобразователь (flyback, флайбэк)
Очень большие выбросы на выходном диоде, невозможно реализовать токовое управление из-за большого времени восстановления  даже ультрабыстрого выходного диода (при большом выходном напряжении, даже маленькая емкость сохраняет много энергии), большие выбросы на стоке силового транзистора

Выбросы на выходном диоде, симулятор, идеальный трансформатор, идеальный случай, в других режимах — все только хуже. (шкала в киловольтах, обратите внимание)

2. Посложнее — прямоходовой преобразователь (forward)
Маленький потребляемый ток означает огромную катушку на выходе.

3. Двутактный преобразователь (пуш-пулл)

Высоковольтные выбросы на стоках силовых транзисторов (выбросы значительно выше напряжения питания) порождают много шума. Топология требует снаббера, которые понижают эффективность. Высоковольтные выбросы означают маленькую надежность схемы, если не принимать специальные меры.

Для пущей убедительности, приведу результаты симулирования.

Сток одного транзистора, слегка неидеальный трансформатор (к. связи обмоток — 0.99), со снаббером 2.2нФ/100ом, выброс превышает напряжение питания в 4 раза.

4. Простой Буст ( boost, step-up)

Не в состоянии с хорошим КПД настолько сильно увеличивать напряжение. Бусты хорошо работают при коэффициентах умножения напряжения меньше 5. Дальше КПД резко падает и для преобразователя 12->320 в симуляторе составило 20%.

5. Резонансные, квазирезонансные, фазосдвигающие мосты/полумосты

Пока слишком сложно и дорого

6. Полумост.

Для профилактики можно посмотреть на сток в полумосте. Как видно, выбросы есть и их много, но их амплитуда очень мала — всего 12 вольт.

Сравнение с существующими аналогами.

1. Преобразователь из предусилителя SS-20 фирмы AMT

Кроме типичных недостатков пуш-пулла, еще применена малораспространенная микросхема-контроллер, которая требует низковольтного питания, что тоже снижает КПД. Выходные диоды являются очень сильным источником шума, их количество (и размер) очень желательно уменьшить до минимума. Отсутствует какая-либо защита от короткого замыкания выхода.

Может показаться, что короткое замыкание в предусилителе произойти не может, но в момент включения заряжаются фильтрующие конденсаторы, которые фактически представляют собой короткое замыкание.

Отсутствует защита от перенапряжения на выходных конденсаторах. В начальный момент, пока накалы ламп еще не успели прогреться, напряжение на выходе может превысить 400 вольт, что негативно влияет на выходные конденсаторы и даже вывести их из строя.

Схема блока питания предусилителя SS-20 опубликована с разрешения компании AMT.

2. Преобразователь из yerasov PTERODRIVER PD-5

Типичный флайбэк, с огромным шумом. Транзистор не пробивает из-за большого запаса, но как выживает диод – для меня остается большой загадкой. Компенсация обратной связи сделана неверно, из-за чего возможно самовозбуждение источника.