© 2015, REN
LINEAR POWER 1

Высококачественный линейный источник питания
для аудиотехники.
AUDIOMOD.RU
При разработке ставилась задача создать недорогой блок питания, подходящий для большинства аудиоустройств малой мощности, таких как внешние ЦАПы,  
АЦП, звуковые карты, усилители для наушников и прочие устройства, критичные к качеству питания, особенно импульсным характеристикам питающего  
источника.

Как правило, низкая конечная стоимость накладывает ограничения на качество и количество компонентов и подобные источники питания собираются на  
недорогих микросхемах стабилизаторах типа L780x, LM317.

Зная не высокое быстродействие данных микросхем, а так же большое падение напряжения, необходимое для их нормальной работы (не менее 3 вольт), была  
использована схема на распространенных дискретных элементах, показавшая быстродействие в 20 раз большее, при сохранении остальных параметров на  
тех же уровнях.

Упор был сделан на быстродействие стабилизатора потому, что именно импульсная характеристика блока питания, а не широко рекламируемый уровень  
шума, влияют на окраску и тембральную правильность воспроизводимого звука у питаемых от него аудиоустройств.
Предисловие
Блок питания имеет 4 независимых, гальванически развязанных друг от друга, линии питания. При подключении к питаемому устройству, в случае  
необходимости, это позволит получить как положительные, так и отрицательные напряжения. Основа схемотехнического решения стабилизатора была взята  
из источника [1] и переведена на современную элементную базу. Данное решение, несмотря на свою простоту, имеет практически нулевое падение  
напряжения, стабильность работы при импульсной нагрузке и защиту от короткого замыкания.

Питание сети 220 вольт управляемое - может быть включено с помощью реле, путем подачи напряжения 12 вольт на разъем MOLEX, установленный на плате.  
Это дает возможность использовать блок питания в компьютере, для питания звуковой карты, или в внешнем устройстве, управляемом микроконтроллером.  
Так же есть неуправляемый разъем 220 вольт. Совместное использование дает возможность объединить линии питания 220 вольт нескольких блоков в одну  
общую и управлять ими одновременно.

Габаритные размеры платы и установочные отверстия полностью соответствуют размеру стандартного CD-ROM привода компьютера.

Трансформаторы питания использованы Ш-образной конструкции с секционной намоткой. Наряду с их низкой стоимостью, это дает низкую межобмоточную  
емкость, что в итоге приводит к меньшему проникновению помех из сети 220 вольт по так называемой "земляной петле", в отличие от торроидальных  
трансформаторов.

Меньшая нагрузочная способность Ш-образных трансформаторов в данном случае не критична, так как в каждом канале использована батарея  
высококачественных конденсаторов EPCOS общей емкостью 20000 мкФ (не в каждом усилителе мощности столько имеется).

Блок питания защищен от непродолжительного короткого замыкания в нагрузке.
Конструкция
Измерения
Для проверки импульсных характеристик стабилизаторов был собран простой стенд на ключевом транзисторе, управляемом прямоугольными импульсами с  
генератора сигнала.
Для сравнения, на плату вместо дискретного стабилизатора, был установлен стабилизатор LM317T от Texas Instruments, включенный по схеме из  
документации.
                                        LINEAR POWER 1                               частота 400 Гц                                   LM317T
                                           LINEAR POWER 1                               частота 4 КГц                                     LM317T
                                        LINEAR POWER 1                               частота 40 КГц                                   LM317T
Как видно, на частоте 400Гц LM317 показывает чуть лучшие параметры, но после килогерца его выходное сопротивление начинает расти, приводя ко всему  
прочему к колебательному процессу в звуковом диапазоне частот с пиком примерно на 30КГц, который неизбежно внесет в звук питаемого устройства свою  
окраску.

Выходное сопротивление предложенного дискретного стабилизатора равняется 0,01 Ом и остается стабильным до частот в сотни КГц, что подтвержденно  
как симуляцией схемы, так и практическими испытаниями.

Именно равномерность выходного сопротивления, в определенной полосе частот, характеризует качество работы источника питания с импульсной нагрузкой  
на этих частотах.
Подключение
Как уже было сказано, для функционирования блока питания необходимо напряжение 220 вольт, которое может подаваться как на разьем AC1, так и на  
разьем AC2.

AC1 - управляемый вход питания, включается при срабатывании реле К1, путем подачи на него напряжения 12 вольт, ток срабатывания не превышает 30 мА.

AC2 - неуправляемый разъем питания сети 220 вольт, он постоянно подключен к первичным обмоткам трансформаторов. Как видно из нижеприведенной  
иллюстрации, это дает возможность объединить несколько блоков питания, которые будут включаться одновременно, при подаче управляющего напряжения  
на разъем Molex первого блока.
Поскольку все линии питания гальванически развязаны друг от друга и от питающей сети, для потребителя они являются двухполюсниками, то есть не  
имеет значения какой, положительный или отрицательный, выход линии соединен с общим проводом. Это позволяет получить любую нужную полярность  
напряжения питания. Плюсом данного решения является так же то, что стабилизаторы как положительного, так и отрицательного плеча являются полностью  
идентичными (в отличии от пар микросхем LM317, LM337 и др.).

Для максимального качества питающих напряжений и полной независимости линий питания друг от друга, нужно соблюдать несложное правило  
подключения - каждая линия питания должна быть двухпроводной и приходить непосредственно в место установки потребителя. Земли нужно сводить  
непосредственно в одной точке на плате потребителе (см. иллюстрацию), либо каждую землю подключать в максимальной близости к своему собственному  
потребителю на плате (например земля около DSP и земля питания ЦАПа).

Недопустимо удлинять общую землю платы потребителя и приводить её к блоку питания одним проводом "в целях экономии"!

Линии питания должны быть минимально возможной длины и желательно свиты, хорошим вариантом будет использование качественной витой пары или  
свитого попарно провода типа МГТФ. В случае наличия дополнительного экрана он должен быть подключен со стороны потребителя в общую земляную  
точку.
  Напряжение питания - ~220 В / 0,1 А
  Управляющее напряжение - 12 В / 30 мА
  Емкость между сетью 220 вольт и выходными линиями DC1-DC4, суммарная - 50 пФ
  Выходное напряжение линии DC1 - 5 В / 0,5 A
  Выходное напряжение линии DC2 - 3,5 В / 0,5 A
  Выходное напряжение линии DC3, DC4 - 13 В / 0,2 A
  Выходная мощность, суммарная - 9,5 Вт
  Коэффициент стабилизации > 5000
  Уровень шума < 0,005 % от выходного напряжения
  Выходное сопротивление в полосе 0-400 КГц - 0,01 Ом
  Ток короткого замыкания - 1,5 А
  Габаритные размеры - 160 х 145 х 45 мм
Технические характеристики
Схема
Сетевое напряжение фильтруется специализированным EMI фильтром TV1 и конденсатором С1, после чего поступает на трансформаторы TV2, TV3. Далее  
напряжение выпрямляется и стабилизируется 4-мя полностью идентичными линиями питания. Конденсаторы С2-С9 уменьшают коммутационные помехи при  
работе диодных мостов. Накопительные емкостные фильтры C10-C42 выполнены на высококачественных конденсаторах EPCOS, показавших прекрасное  
качество звука в аудиоустройствах. После чего напряжение дополнительно фильтруется и стабилизируется дискретными стабилизаторами, принцип работы  
которых можно более подробно изучить в литературе [1]. Напряжение стабилизации конкретной линии может быть изменено заменой стабилитронов VD5-VD8  
и отрегулировано в линиях DC3, DC4 от 5 до 13 вольт (до 15 при снижении потребляемого тока), в линиях DC1, DC2 от 2,5 до 5 вольт. Выходное напряжение  
так же дополнительно фильтруется и защищается от колебательных процессов при взаимодействии с нагрузкой, конденсаторами С31-С42, которые  
выполняю роль снабберов. Керамические конденсаторы на выходе не используются, во избежании неконтролируемых высокочастотных резонансов,  
возникающих между блоком питания, индуктивностью соединительных проводов и емкостью нагрузки. Для обеспечения максимального качества звука  
керамические или пленочные блокировочные конденсаторы (шунты) должны быть установлены непосредственно у потребителя.

1. Старченко Е.  Простой стабилизатор напряжения. - Радио, 1989, №11, с. 68.
Заключение
Предложенный блок питания станет хорошей основой питания аудиоустройства.
Встроенный сетевой фильтр, низкая емкость между сетью 220 вольт и вторичными линиями питания, позволит получить минимальный уровень помех и  
исключить землянную петлю по высокой частоте.
Качественные характеристики позволят организовать полноценное питание любых аудиоустройств, а гальваническая развязка выходных линий обеспечит  
свободу в выборе точек подключения.
Принимаются заказы на изготовление. Стоимость блока питания - 4000р. При заказе двух штук и более - 3500р.
Проводим измерения напряжения пульсаций линий 13 вольт дискретного стабилизатора и стабилизатора на LM317T, при токе нагрузке 130мА и импульсном
токе потребления 130мА.