Чистое питание
Форма и величина напряжения электрической сети, от которой питаются все домашние радиоэлектронные устройства, строго говоря, не всегда соответствуют требованиям стандарта. В чем же проявляются эти отклонения? Во-первых, неравномерная нагрузка приводит к суточным колебаниям величины напряжения. Ночью оно больше, а в прайм-тайм меньше номинального. Кроме того, в сети присутствуют помехи, в многоэтажных зданиях, например, от мощного электрооборудования лифтов. Мы уж не говорим об отключениях электричества. Представьте, что это произошло в момент записи звукового компакт-диска или видеопрограммы на жесткий диск. Однако и без отключений неприятностей предостаточно. В наибольшей степени колебания напряжения сети сказываются на характеристиках аппаратов с традиционным трансформаторным блоком питания. Повышенное сетевое напряжение приводит к перегреву узлов аппаратуры. Например, в выходных усилителях повышается мощность рассеиваемая на выходных транзисторах. Пониженное напряжение тоже нежелательно, поскольку не позволяет получить максимальную выходную мощность. Здесь стоит отметить, что большинство усилителей и ресиверов, а также активных акустических систем рассчитаны на работу от европейской сети, которая имеет напряжение 230 В, для британской аппаратуры номинальное значение и вовсе 240 В. То есть даже в идеальном случае в России и СНГ максимальная выходная мощность такого европейца будет почти на 10% ниже заявленной производителем просто из-за более низкого напряжения нашей сети. В устройствах с импульсными источниками питания (телевизоры, DVD-проигрыватели, вся компьютерная техника и т.д.) напряжение внутреннего питания стабильно (неотъемлемая особенность схемы). Мощность их потребления постоянна, но при пониженном напряжении возрастает ток потребления и, следовательно, растет мощность, выделяемая на ключевых элементах, что опять же приводит к повышению их температуры.
Для подавляющего числа AV-аппаратуры, присутствующей на нашем рынке, напряжения сети 220 В мало
Напряжение в нашей сети имеет форму синусоиды частотой 50 Гц. Точнее говоря, должна быть синусоидальной. А реально? Если у вас была когда-нибудь возможность посмотреть на нее при помощи осциллографа например, на понижающей обмотке трансформатора где-нибудь в усилителе, то, наверняка, обратили внимание, что она далека от чистой синусоиды. Почему? Дело в том, что достаточно много аппаратуры потребляет энергию от сети лишь на небольшом временном отрезке периода сетевой частоты. Энергия постоянного напряжения, которое используется для питания схемы, накапливается на конденсаторе фильтра. В зависимости от тока нагрузки оно уменьшается больше или меньше, и импульсный ток через диод выпрямителя опять подзаряжает емкость фильтра до максимального напряжения в каждый период частоты сети. Реально таких потребителей великое множество и нагрузка на максимуме амплитуды искажает вершину синусоиды.
Также похожие выбросы тока появляются в первичной обмотке трансформатора, если он входит в насыщение. Это происходит, когда от него отбирается мощность больше, чем он может отдать. Вспомните, например, такой параметр как headroom power, характеризующий отличие кратковременной импульсной и долговременной мощности усилителя. В большинстве случаев это отличие вызвано недостаточной мощностью трансформатора питания усилителя: на больших мощностях при импульсной нагрузке конденсаторы фильтров еще поддерживают постоянное напряжение питания (напряжение на них не успевает сильно уменьшиться), но при длительной разряжаются, а мощности трансформатора недостаточно, и напряжение питания падает, что и приводит к уменьшению выходной мощности. Но сердечник трансформатора при этом входит в режим насыщения и появляются мощные импульсы тока, вызывающие и повышенные помехи в сети и наводки.
Конечно, ваш отдельно взятый усилитель существенного влияния на сеть не окажет. Но сколько подобной техники в целом городе! Большой вклад вносит промышленность, особенно производство и транспорт, где также возможны подобные эффекты, но при гораздо больших потребляемых мощностях, поэтому форма переменного напряжения в сети и отличается от синусоидальной. И достаточно неприятны броски напряжения, вызванные подключением (или отключением) этих мощных производственных нагрузок.
Могут быть и другие источники помех. Например, вспомните ваши мобильники и радиоприемники. На крохотную встроенную антенну наводится радиосигнал, который вы прекрасно слышите (правда после его обработки). А представьте себе антенну в виде длиннейших сетевых проводов. Там сигнал будет побольше. Конечно, кому-то он все равно покажется до смешного малым, но в High End мелочей не бывает. Там порой выигрыш в качестве имеет и меньшие величины, но и они улавливаются истинными ценителями.
PoweCenter™ HTS 5100 не просто устраняет помехи четырехзвенными фильтрами для пяти независимых потребителей, но и обеспечивает их последовательное включение и выключение по программе
К чему приводит наличие помех в первичной сети? Частоты звукового диапазона попавшие, например, в усилительный тракт, естественно, мешают нормальному воспроизведению (например, фон сетевой частоты, хотя он чаще вызван недостаточно качественным собственным источником питания аппарата). Более высокие частоты вроде не слышны, но при взаимодействии с собственными помехами аппарата обогащают спектр помех за счет интермодуляции, и часть из них может попасть в звуковой диапазон. И, конечно, при этом возрастают искажения. Также, наверное, многие из вас наблюдали помехи на экране телевизора, когда рядом включался фен или дрель. В общем понятно, что помехи в сети — вещь отнюдь не полезная, и от них надо как-то спасаться. Бороться с ней после того, как она попала в ваш аппарат, очень сложно. Более правильный путь — не допустить ее туда. Есть мнение, что и сетевой трансформатор и выпрямитель уже представляют собой фильтр, и дополнительного не требуется. Действительно, высокие частоты не должны проходить через сетевой трансформатор из-за его большой индуктивности, а например, отличие формы напряжения сети от синусоиды особо не играет существенной роли, так как оно выпрямляется и сглаживается фильтром питания. Более важна симметричность амплитуды и формы положительной и отрицательной полуволн, иначе появится сетевой фон. Однако, трансформатор имеет паразитные емкости по которым некоторые помехи могут обойти его. И электролитические конденсаторы фильтров питания имеют относительно невысокую рабочую частоту (из-за большой паразитной индуктивности) и также не очень хорошо осуществляют высокочастотную фильтрацию, и прочее и прочее. Вообще, как говорится, пути помехи неисповедимы. Значит, надо поставить на входе хороший фильтр, который пропускает только сетевую частоту и не пропускает остальные. Мысль правильная, но с реализацией есть некоторые проблемы. Во-первых, относительно простой пассивный фильтр будет иметь все же достаточно широкую полосу пропускания и полностью проблемы с отсеиванием помех не решит. Пассивные фильтры более высоких порядков на низких частотах (50 Гц) имеют значительные габариты, и устранить здесь все паразитные связи также достаточно непросто. Короче, пассивные методы улучшают ситуацию, но активные методы все же дают больший эффект. В подобные устройства также встраивают цепи защиты от перегрузки, от короткого замыкания и другие. Итак, что предлагается для улучшения питания?
Самые простые устройства — это сетевые фильтры, убирающие из напряжения питания помехи и ограничивающие его кратковременные выбросы. Иногда фильтры дополняются устройством аварийного отключения при выходе значения напряжения за границы допуска. Один из самых известных способов — использование стабилизаторов постоянного напряжения. Что касается маломощной аппаратуры, то они давно здесь используются, но для мощных усилителей применяются редко. Ведь по габаритам они получаются не меньше самого усилителя, а главное — выделяют много тепла. Поэтому для усилителей мощности так называемые параллельные компенсационные стабилизаторы используются крайне редко. Да и для другой техники их выполнение в виде отдельного блока — тоже редкий вариант. Вы много видели аппаратов с питанием постоянным током? Поэтому фирмы строят такие стабилизаторы в расчете на работу в тандеме со своей же продукцией. Например, Naim выпускает такую серию аппаратов, где каждой модели соответствует свой внешний стабилизатор.
Источник питания PS-500V фирмы Accuphase обеспечивает на своем выходе чистое сетевое напряжение с точностью ±2%.
Суть работы устройства заключается в устранении с помощью суммарно-разностного регулятора сетевого напряжения из него всех помех, которые предварительно выделяются из входного сигнала компаратором формы. Присутствующее в обозначении 500 — это максимальная мощность подключаемой к блоку нагрузки.
Однако подавляющее большинство техники выпускается с питанием от сети 220 В. Здесь не забыты и пассивные методы улучшения питания. Так фирма EAD (о некоторых ее моделях можно прочитать в февральском номере S&V за этот год) выпускает сетевые фильтры ACMaster, в которых используется специальное включение трансформаторов для подавления помех.
Интересный вариант предлагает фирма Accuphase, например в блоках clean power supply PS-500V (см. рис.). Сетевое напряжение поступает через фильтр, задерживающий высокочастотные помехи, но форма сигнала А, еще далека от синусоидальной. Этот сигнал подается на узкополосный фильтр, выделяющий из него частоту сети и на выходе схемы получается сигнал В, форма которого очень близка к синусоиде. Достоинством такой схемы является точная синхронизация всего устройства с частотой сети и отсутствие внутреннего генератора. Компаратор формы выделяет отличия С между напряжением сети и его идеалом (сигналом В). Далее этот сигнал вычитается из исходного сигнала (А) каскадом суммарно разностного регулятора и на выходе остается чистый сигнал аналогичный по форме сигналу В. Здесь не показаны цепи стабилизации выходного напряжения, но они есть, поэтому стабильность выходного напряжения находится на уровне 2%. Если вы возьмете хотя бы обычный тестер и понаблюдаете за напряжением в сети, то убедитесь, что оно может меняться процентов на 10, а в сельской местности и более. Стоит здесь указать, что фирма выпускает эти блоки для двух значений выходного напряжения: 100 и 230 В.
Но одним из самых распространенных способов улучшения питания является использование так называемых инверторов. Это устройства, которые автономно формируют переменное сетевое напряжение из постоянного, стабилизируя при этом амплитуду переменного напряжения.
Генератор формирует синусоидальное напряжение нужной частоты (в нашем случае 50 Гц). В последнее время для этого часто используют точные и стабильные кварцевые генераторы цифрового сигнала с последующим преобразованием его в сетевую частоту при помощи цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Такой подход кажется более сложным, но отличается высокой точностью и стабильностью выходных параметров. Что же касается стоимости, то на сегодняшний день цена таких устройств невелика, и они получаются не сильно дороже аналоговых, несмотря на кажущуюся сложность схемы. Но сформированный сигнал имеет небольшую мощность, поэтому его необходимо усилить, что и выполняет усилитель мощности. Его выходное напряжение еще отличается от нужных нам 220 В, поэтому и ставится трансформатор, который также осуществляет гальваническую развязку выходных устройств от питающей сети. Выходная цепь опутана множеством датчиков, ими контролируется выходное напряжение (для осуществления стабилизации выходного напряжения), выходной ток (для защиты от перегрузки и короткого замыкания), могут применяться датчики тепловой защиты и пр. Сигналы с датчиков поступают на схему управления, которая регулирует режимы усилителя мощности в соответствии с текущей ситуацией. Если в качестве источника постоянного напряжения взять аккумулятор, то получится источник бесперебойного питания ИБП (UPS — Uninterrupted Power Supply), хорошо знакомый многим, связанным с компьютерной техникой. В нормальном состоянии аккумулятор заряжается от сети (для этого напряжение сети понижается еще одним трансформатором и выпрямляется). При пропадании сетевого напряжения инвертор работает от аккумулятора. Время автономной работы зависит от емкости используемого аккумулятора, типичное время резервирования 7–15 минут. За это время можно успеть сохранить все данные и закончить выполнение программ. Но есть и ИБП, способные работать сутки и более. Весь вопрос только в емкости аккумуляторов. Обычно от ИБП питаются компьютеры, но можно использовать такой блок и для питания любой AV-аппаратуры.
В качестве первичного источника энергии для них могут быть использованы не только электросеть, но и ветряные или дизельные электрогенераторы. В последнее время все более широкое использование получают солнечные батареи. Вырабатываемая ими энергия, как правило, не используются непосредственно для питания аппаратуры. Ведь отдаваемая мощность сильно зависит от их освещенности, которая постоянно может меняться (тучи, ночное время и пр.). Поэтому их энергия используется для зарядки аккумуляторов и затем, преобразованная инвертором, поступает к потребителю. Насколько мощны солнечные батареи? Максимальное количество энергии определяется так называемой солнечной постоянной. Это полный поток энергии от Солнца во всем спектре излучения. За пределами земной атмосферы солнечная постоянная равна 1370 Вт/м2. То есть с одного квадратного метра солнечной батареи можно получить не более 1370 Вт. Реально это величина заметно меньше. Немалую часть «съедает» атмосфера, не пропуская или ослабляя некоторое излучение. Сам фотоприемник преобразует в напряжение не весь падающий на него спектр, да и КПД его тоже не 100%. Так что реальная величина получается в 2–3 раза ниже. Однако динамика рынка солнечных батарей впечатляет стабильным ростом: в 1995 году общее производство энергии такими батареями в мире составило 77 МВт, а в 2003 году — уже 762 МВт. Поскольку системы автономного электроснабжения уже широко используются для освещения, питания переносных телевизоров и радиоприемников, обогрева и подачи воды и т.д., то представляется вполне обоснованным применение более мощных систем в качестве источника подлинно чистого питания для домашних кинотеатров или высококачественных систем звукоусиления.
Переменное напряжение сети
На штепсельных розетках электросети должно быть обеспечено переменное напряжение с действующим значением 220 В (в Европе 230 В) и частотой 50 Гц. На практике этого не происходит, поскольку в электросети имеются импульсные помехи вплоть до сверхвысоких частот, а также вырабатываемые тиристорно-симисторной аппаратурой управления пики напряжения амплитудой порядка 100 В, которые накладываются на переменное напряжение сети. По нескольку раз в сутки в электросети могут возникать пики напряжения до 1000 В.
Пассивная фильтрация
Большинство бытовой AV-аппаратуры имеет на входе сетевого питания фильтры, но их возможности подавления помех ограничены. Их основная задача исключить проникновение в сеть собственных помех. В звуковоспроизводящей аппаратуре необходимо использовать сетевые фильтры, стабилизирующие напряжение и ток при импульсных нагрузках. Поэтому фильтр для питающего напряжения устроен в принципе так же, как пассивные фильтры для НЧ-диапазона. Для подавления помех достаточно LC-фильтра нижних частот с верхней частотой среза более 50 Гц.