«Виртуальная батарея» или простой фильтр питающего напряжения

Передняя панель FluidDAC, регулятор громкостиУсилитель мой от рождения уже обладал весьма почётным уровнем подавления пульсаций напряжения питания (PSRR - англ. - Power Supply Rejection Ratio). Блок питания я снабдил емкостями щедро, да ещё заряжаются они "мягко" (простенький трюк, но не о нём сейчас). В общем, по всем прикидкам усилитель должен был получиться абсолютно тихим. Т.е. уровень "гудежа" 100Гц по идее ниже всех слышимых пределов. И в недорогих тестовых наушниках, да днём - так и было. Но тут послушал я его глубокой ночью, да в любимых Sennheiser HD580. Гудит. Ненавязчиво, почти незаметно. Слышно, естественно, только без сигнала и на выкрученной на полную громкости. Если бы делал для себя - наверное, так бы и оставил.

Из идеологических соображений я ни в какую не хотел применять петлевые ООС в аналоговой части, даже в стабилизаторах питания. Немножко попахивает high-end'ным экстремизмом, ну да вот так мне тогда "упёрлось", а к своим прихотям надо относиться уважительно! 😉 Посему возможность применить интегральные стабилизаторы была отринута на корню. Решил добавить "виртуальную батарею", по слухам придуманную ещё в прошлом столетии инженерами фирмы Technics. А по сути же - простой истоковый (или эмиттерный) повторитель в питании, на вход которого подано отфильтрованное это же самое напряжение питания. Ещё это чудо электронной мысли иногда называют "Электронный Дроссель", "Усилитель или Умножитель Ёмкости", а так же "Устройство Защиты и Фильтрации", или "УЗФ", хотя защищать на практике надо его самого...

Кстати, в Сети гуляет немало вариантов, более (а чаще) менее грамотных. Для начала приведу базовую схему фильтра. Критиковать альтернативные варианты сейчас не буду. Если что вызвало удивление - пишите, пожалуйста, в комментариях. Может совместно создадим обучающую статью для только-только постигающих искусство схемотехники 😉

Электронный дроссель, простейший вариант

Конденсатор С2 должен быть с минимальными утечками. Ёмкость где-нибудь от 1мкФ до... сколько душа пожелает. Можно так же увеличить сопротивление резистора фильтра, мне 1МОм нравится из соображений уменьшения влияния всевозможных утечек. Стабилитрон, что защищает затвор транзистора от пробоя, должен быть на напряжение от 10 до 20 Вольт.

Для пробы впаял в одном, самом важном источнике. Использовал "логический" MOSFET (с низким пороговым напряжением Vgs), так что потеряли мы лишь пару вольт на таком стабилизаторе. Стало существенно тише. Одна беда - фильтрующий конденсатор заряжается до номинального напряжения очень медленно. Теперь вся схема "плывёт" по напряжениям несколько минут после включения. И тут пришло первое "озарение": пульсации питания, которым я "кормлю" повторитель этой самой виртуальной земли - в моем случае сотня милливольт. Два встречно включенных кремниевых диодика, шунтирующие резистор фильтра, никак не повлияют на работу фильтра в установившемся режиме, и в тоже время обеспечат на порядок более быстрый заряд и разряд конденсатора фильтра.

Фильтр, который быстро выходит на режим

Если же в каком-либо конкретном применении пульсации питающего напряжения на входе фильтра (V+) превышают пару сотен милливольт - всегда можно включить несколько диодов последовательно, или даже стабилитрон.

Фильтр "электронный дроссель" - версия MyElectrons.ru

Как нарисовал - сразу же понял, что дополнительный скромный диод решил мне ещё одну задачку: где взять полевики "L"-типа для более высоковольтных источников (терять четыре-пять вольт - типичный Vgs обычных MOSFET - даже там было жалко). Ведь теперь Vds на полевом транзисторе никогда не превысит его собственного Vgs при заданных токах нагрузки плюс падение на диоде. Значит можно использовать низковольтные полевики, которых у меня оказалось в достатке, и для высоковольтного питания.

Те же два диода (или стабилитрон) кардинально решают ещё более серьёзную проблему, особенно остро стоящую в по-настоящему высоковольтных источниках, где народ применяет эти самые "виртуальные батареи" безо всякой защиты. Там при неудачном стечении обстоятельств на повторителе может рассеиваться мгновенная мощность в сотни ватт. Любой, даже непомерно большой (для требуемых рабочих режимов) транзистор разлетается в пыль. Диоды исключают подобные ситуации, эффективно ограничивая падение напряжения на повторителе. Правда, теперь не получится использовать тот же фильтр ещё и для задержки подачи анодного напряжения - ну да это меня мало беспокоило. Во-первых аппарат был не ламповый. Во-вторых то, как народ это дело обычно использует - подачу-то анодного при включении прибора такой фильтр задерживал, а вот снятие высокого напряжения при отключении питания он ни разу не ускорял. Так что задачку о правильном соотношении во времени подачи и снятия накального и анодного напряжений мы сейчас рассматривать не будем.

На этом мысль останавливаться не пожелала. Мне-то была нужна ещё схема автоматики, которая будет эффективно защищать нагрузку (дорогие аудиофильские наушники) от всевозможных перепадов напряжения, которые неизбежны при включении и выключении аппарата. Если задержку при включении сделать может и ребёнок, то как определить момент выключения без пристального мониторинга "сырого", несглаженного огромными емкостями фильтров, напряжения питания? Да вот же он, отличный монитор! Причём реагировать будет не только на On/Off, но и на любые достаточно резкие броски питания. Вместо диодов включаем эмиттерные переходы транзисторов. Коллекторы соединяем вместе и заводим на схему автоматики, с условием, что она не заберёт большого тока.

Электронный дроссель с датчиком бросков напряжения

Итого, простой фильтр пульсаций удалось усовершенствовать:

  1. Быстрый выход на рабочий режим (заряд и разряд фильтрующего конденсатора) при сохранении потенциально очень большой постоянной времени фильтра
  2. Возможность использовать низковольтные полевые транзисторы для фильтрации любого напряжения
  3. Полная защита полевого транзистора и от пробоя затвора, и от неожиданных перегрузок
  4. Практически бесплатные детекторы резких скачков напряжения питания (в обе стороны) - в каждом стабилизированном источнике

Кстати, датчик бросков и включения-выключения питания оказался чересчур чувствительный - отлавливал броски от включения утюга в соседней комнате. Пришлось добавить пару диодов и резистор. Вот теперь автоматика стала отрабатывать идеально, быстро и без ложных тревог.

Фильтр с датчиком с загрублённой чувствительностью

Если Вам, дорогой читатель, данный фильтр нужен для высокого напряжения - необходимо лишь выбрать конденсаторы на соответствующее напряжение (с запасом!) В остальном фильтр без изменений будет отлично работать и в высоковольтной цепи. Если тема интересна - есть ещё куда совершенствоваться. Так что если будет интерес - будет ещё статья, уже с прицелом на ламповую технику, фильтр с дополнительной защитой; а так же обсудим эффективные приёмы по уменьшению эрозии катода...

Литература: Г. С. Векслер, В. И. Штильман. Транзисторные сглаживающие фильтры, издание второе. М: «Энергия», 1979г.

Disclaimer: Скан книги был найден на просторах Сети в свободном доступе.
Копия предоставляется исключительно для ознакомления и личного пользования.

Кстати, наверняка даже такой пустяк можно запатентовать. Если есть кто из моих читателей грамотный в патентном деле - научите? 😉 А лучше просто поделитесь статьёй с друзьями-электронщиками. Мне будет приятно, и им, надеюсь - полезно.

Комментарии ВКонтакте

24 thoughts on “«Виртуальная батарея» или простой фильтр питающего напряжения

  1. Собрал твою схемку,но с небольшими доработками,посколько logic level полевиков у меня нет.Транзисторы которые я использовал были подобраны в пару по минимальному разбросу Vgs .Одиночному явно не хватало крутизны,чтобы при падении около 1 вольта работать в активном режиме.
    На схеме подписаны реально измеренные напряжения.
    Эффективность подавления пульсаций померить оказалось довольно затруднительно,поскольку доступным мне(не очень хорошим) осцилом ничего не удалось разглядеть на выходе.Питание от мощного импульсника 27в,на его выходе пульсации вполне различимы.
    Буду рад если кому-то пригодиться.Вот схемка:
    http://s13.postimg.org/wx7ny9gav/st0.gif

    • О как здОрово, моя любимая литиевая батарейка! 🙂
      Очень рад, что идея пригодилась!
      Твой вариант очень ладный получился. Единственно хочу предупредить последователей: необходимо чётко понимать, что делаете и зачем. Иначе могут быть сюрпризы. Как по схеме в статье, так и по варианту от Aslany4: как соотносятся размах пульсаций на входе, Vgs при заданном токе нагрузки, батарейка, падение на диодах и т.п…

  2. Само собой эта схема «тонкой очистки»(максимум где до 300мВ пульсаций) и диаппазон токов нагрузки ограничен снизу.Но подобные стабы это в основном «питание класса А»,то есть для схем с почти неизменным током потребления,и её недостатки это плата за простоту и экономичность.
    Кстати резистор параллельно встречным диодам оказался не нужен,опорный конденсатор и без него заряжается до среднего значения входного напряжения.

    • Да, идея выбросить резистор мне понравилась. Вот ведь инерция мышления: я даже и не подумал поначалу, что без него ничуть не хуже будет.
      Кстати, вслед за резистором вполне можно отправить и защитный стабилитрон.

  3. Очень полезная статья! Буду ждать продолжение для «ламповой версии» 😉

  4. Класс — для меня закрыт вопрос с накалом 4п1л. Этот фильтр закрыл головную боль навсегда. Батарейка 1,5 вольта мосфет от компьютернной платы FDD6690A (хватило одного) и за ним генератор тока на LM317 с резистором 2 Om. Знак качества!!!!!!! Спасибо.

  5. Батарейка служит здесь для уменьшения чрезмерного падения напряжения на регулирующем элементе,но при небольшом токе(как в случае питания накала 4п1л) потери мощности на транзисторе несущественны,зато высока вероятность попасть на нелинейный участок характеристики.Так,что в вашем случае это излишество,от которого вполне можно отказаться в пользу надёжности.

    • Без батарейки не хватит напряжения на LM317 и токозадающий резистор. На накальной обмотке всего 6,3в — если все сожрет полевик, не получить и 2,2В. Батарекйки хватило 1,2 вольтовой — впаял и порядок. Она там года 3 проживет.

  6. А почему бы не использовать обычный стабилизатор? Для малых-то токов?

    • Игорь, «обычный стабилизатор» это в подавляющем большинстве случаев следящая система с глубокой петлевой ООС. При резко изменяющихся токах нагрузки они дают весьма неприятные выбросы перерегулирования в нагрузку, и что ещё неприятней — «вверх» по цепочке в источник, что в свою очередь способствует проникновению помех из одного блока в другой (ну или вынуждает навешивать трансы гирляндами).
      А ещё они шумят, сильно шумят (а иногда и подсвистывают). И входные напряжения ограничены. И минимальное падение часто немалое. А так же хотелось использовать напряжение питания по-максимуму.
      Ну и последний аргумент, самый решающий и необъяснимый: мне так больше нравится! 😉

  7. можно ли использовать зту схему стаб-ра для питания выходных каскадов унч

    • Владимир, конечно можно.
      Правда, есть у меня сомнения, что для грамотно спроектированного выходного каскада фильтр питания вообще будет нужен (привнесёт хоть какие-либо заметные улучшения).

  8. Здравствуйте Сергей! Собрал ваш усилитель для наушников на ОРА2134.Звук отличный.Только на максимальной громкости прослушивается фон сети.Нужен ли стабилизатор или фильтр питания или возможно убрать его поиском точки подключения общего провода? Если использовать ваш фильтр,то какой MOSFET-транзистор вы порекомендуете для питания + и -21 вольт? И ещё,я планирую приобрести наушники, сопротивлением 250 ом.Потянет усилитель? Мощность транса у меня с приличным запасом.

    • Здравствуйте, Валерий!
      ЗдОрово, что усилитель пришелся вам по вкусу 🙂

      Вот только «поиск точки подключения общего провода» меня насторожил немного. ОУ давит фон 100Гц отлично, безо всяких фильтров тишина должна быть абсолютная. Если фон всё-же пробирается на выход, то я бы в первую очередь подумал, как протекают токи выходных каскадов, и особенно внимательно: ток заряда конденсатора фильтра питания по «земле» — не цепляет ли вход (или ООС) каким-либо боком падения, вызванные этими токами. Ну и экранирование, развязка источника по земле, и т.д. и т.п.

      Фильтр можно попробовать поставить лишь для того, чтобы убедиться что не там собака порылась 😉

      Наушники усилитель потянет любые.

  9. У меня вот сейчас проблема. Я взял 20 аккумуляторов от касовых апаратов и подключил себе у ИБП. Но вот не могу контролировать заряд батареи которая должна держать пол часа компьютер при пропадании света.

  10. Спасибо! Статья хорошая, но, как это обычно бывает, «Все уже украдено до нас» 🙂 Особенно — хорошее. Г. С. Векслер, В. И. Штильман. Транзисторные сглаживающие фильтры, издание второе. М: «Энергия», 1979г. И все Ваши «ноу-хау» расписаны, начиная с 29й страницы в разделе «Фильтры типа ФЭ с однозвенной цепочкой на входе. То, что в схемах биполяры практически безболезненно можно заменять на МОПы, тоже ни для кого секретом не является 🙂

    Вот разве что про «датчик» срабатывания фильтра там не сказано, так что это действительно полезная доработка.

    • Андрей, благодарю за «наводку» на книжку! Добавил ссылочку в статью. Для любителей всё обсчитывать — кладезь. К чести авторов они так же рассмотрели защиту транзистора и по напряжению и по току — о чём напрочь забывают современные строители т.н. «УЗФ».
      Впрочем про то, что моя статья основана на известных решениях — прямо наверху этой страницы изначально были посвящены пара абзацев.
      И всё же согласитесь, что вариант с диодами и без резистора имени Aslany4’а и Патрушина — Вы вряд ли где ещё найдёте 😉

  11. Здравствуйте.Можно ли эту схему собрать на биполярном транзисторе? Чем лучше полевой в данном приложении?

    • Здравствуйте, Степан!
      Конечно можно здесь и биполярный транзистор использовать. Как Андрей выше в комментах заметил — подобные фильтры наши предки как раз на биполярных транзисторах и строили.

      Очевидное преимущество МДП: отсутствие тока затвора. Таким образом большую постоянную времени фильтра создать несколько проще, или, как предложил Aslany4 — в описанном здесь варианте с диодами можно вообще не ставить резистор. Впрочем, если применить составной транзистор — то входной ток тоже будет удобно маленький.

      Неочевидное преимущество МДП: отсутствие эффекта вторичного пробоя, а простым языком — бОльшая устойчивость к перегрузкам по току.

      Потенциальное преимущество биполяров в подобном фильтре: в общем случае более глубокое подавление пульсаций питающего напряжения и меньшее выходное сопротивление фильтра вследствие большей «крутизны» активного элемента. (Термин «крутизна» по отношению к BJT применён здесь весьма условно, описательно)

      Обязательно поделитесь успехами, договорились? 😉

      • Спасибо. Попробую погасить такой штукой пульсации ИБП . Очень не хочется большие дроссели использовать.

        • Ох нелёгкая это работа…
          Маленький teaser: может проще будет соорудить с нуля линейный БП взамен импульсного? 😉
          Успехов!

  12. Здравия!
    Просьба помочь с выбором электропитания цифрового источника (dc 5в/2а) и цифрового усилителя (dc 19-32в/5а). Планирую собрать блок питания на два потребителя в одном корпусе. В качестве сетевого фильтра применить ваш diy набор. Далее подобрать ИИП, а на выходе собрать «фильтр тонкой очистки» из этой статьи.
    Вопрос: просьба помочь с выбором ИИП, корпуса для БП и уточнить схему «фильтра тонкой очистки» под мои задачи.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *