Alimentatore universale per amplificatori

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kalos
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Alimentatore universale per amplificatori

#1 Messaggio da kalos »

Ho pensato di fare cosa utile nel condividere la progettazione di un alimentatore per amplificatori che ho realizzato per me. Perché solo l'alimentatore?
Perché moduli amplificatori se ne trovano di molti tipi, anche con strategie progettuali molto diverse, spesso con prezzi molto accessibili.
Ma provare e magari alla fine scegliere un modulo amplificatore, comporta l’utilizzo di un valido stadio di alimentazione, che come ben sappiamo, è la parte più costosa, pesante e voluminosa dell'amplificatore stesso.
Ecco quindi che presento un mio amplificatore, esponendo solo le scelte relative alla costruzione dell'alimentazione, che lasceranno spazio ad un suo utilizzo personalizzato sfruttando uno dei molti moduli amplificatori presenti sul mercato dell'audio DIY, per sperimentazioni e misurazioni, ma anche per realizzarne una eventuale versione definitiva.
Nel mio caso specifico, avendo bisogno di un amplificatore quadricanale troverete tutto doppio, ma le considerazioni fatte restano valide per la normale versione a due canali.

Stefano
stefano
kalos
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Re: Alimentatore universale per amplificatori

#2 Messaggio da kalos »

TRASFORMATORE DI ALIMENTAZIONE
I trasformatori di alimentazione non sono tutti uguali e per l'impiego audio esistono realizzazioni specifiche.
Solitamente si distinguono dagli altri trasformatori per l'utilizzo di nuclei con grani orientati, schermature fra il primario e il secondario, un ulteriore schermo elettromagnetico esterno, più altri accorgimenti realizzativi che li rendono specifici per questo impiego.
Non ultimo si richiede che siano esenti da vibrazioni.
Ovviamente la potenza nominale deve essere adeguata alla potenza totale che si vuole dare all'amplificatore, in relazione alla tensione del secondario. Per quanto riguarda il dimensionamento ciascuno dovrà fare le proprie valutazioni, quelle che seguono sono solamente delle considerazioni generali e meramente orientative.
Cominciamo dicendo, in via del tutto approssimativa, che il classico trasformatore con secondario da 36+36 Vac è indicato per amplificatori da non più di 100 W RMS, sempre che il filtro utilizzato per livellare la tensione raddrizzata sia efficace, ovvero non sia fatto con un solo condensatore da 10000 uF.
Sempre facendo due calcoli veloci, 100 W RMS su un carico di 8 Ohm richiede l'erogazione di 3,5 A che diventerebbero 7 A su un carico di 4 Ohm.
Quindi, dimensionando tutto con 200 W RMS su 4 Ohm, l'alimentazione dovrebbe erogare 3,5 A su ciascuno dei due rami del secondario (7 A per il 50% del tempo nel caso di un segnale sinusoidale).
Nel caso di un amplificatore a due canali, questo comporta l'uso di due trasformatori da 250 VA, oppure uno da 500 VA con due avvolgimenti separati.
In pratica, un trasformatore di questa potenza calcolato per uso continuo su 4 Ohm sarebbe anche sovradimensionato per un carico che mediamente si aggira su un valore di 8 Ohm.
Nel mio caso specifico, avendo biamplificato i diffusori, (ho bisogno di un amplificatore a quattro canali, due per i medio-bassi e due per i medio-alti) ho trovato un trasformatore con due secondari da 41+41 Vac e due da 31+31 Vac. Potenza nominale 1200 VA.
Le potenze ottenute con queste tensioni di secondario sono circa 130 W RMS per i medio-bassi e 70 W RMS per i medio-alti, con un conseguente power budget di circa 200 W RMS per canale.
stefano
kalos
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Re: Alimentatore universale per amplificatori

#3 Messaggio da kalos »

SOFT START

L'uso di un soft start è utile per evitare l'elevata corrente di spunto che può verificarsi all'accensione.
E un evento per niente trascurabile nei trasformatori che hanno potenze nominali così elevate.
Si verifica quando all'accensione, la tensione di rete e la magnetizzazione del nucleo del trasformatore non sono coerenti.
Il transitorio spinge il nucleo in saturazione richiedendo una grande quantità di corrente nel primario del trasformatore, anche decine di volte superiore alla corrente nominale.
Questo crea una sovracorrente nell'interruttore di accensione e facilmente può bruciare il fusibile di protezione dell'amplificatore.
Non ultimo potrebbe anche far saltare l'interruttore magnetotermico di casa.
Un modo efficace per contenere il problema è l'utilizzo di un soft start, che mette in serie al trasformatore degli NTC.
Gli NTC sono delle resistenze che diminuiscono il loro valore con l'aumentare della temperatura.
All'accensione il trasformatore si troverà una resistenza in serie che limita la corrente, consentendo una graduale magnetizzazione del nucleo.
Dopo alcune frazioni di secondo la resistenza degli NTC sarà notevolmente diminuita a causa dell'aumento di temperatura provocato dalla corrente, quindi un relè cortocircuiterà gli NTC e inserirà il trasformatore in rete come se il soft start non esistesse più.

Si trovano disponibili diversi moduli soft start premontati, principalmente di due tipi riconoscibili dalla presenza di uno o due relè.
Entrambi richiedono una bassa tensione, ricavata da quella di rete, per il circuito di ritardo del relè.

Quelli con due relè utilizzano il primo di questi per accendere il sistema e il secondo per cortocircuitare gli NTC dopo circa 3 secondi.
Il vantaggio di questi è che l'interruttore di accensione lavora a bassa tensione e con correnti trascurabili, lo svantaggio è che la bassa tensione richiesta per alimentare il modulo deve sempre essere presente.
Quindi l'amplificatore non risulterebbe mai completamente sconnesso dalla rete anche quando è spento.
Se utilizzate questo tipo di soft start, evitate assolutamente quelli che ottengono la bassa tensione sfruttando la reattanza di un condensatore in serie. Alla lunga il dielettrico di questi condensatori (spesso con tensioni massime poco al di sopra di quella di rete) si deteriora e la conseguenza è la fusione se non addirittura l'esplosione del condensatore.
Evitate anche quelli che ottengono la bassa tensione con un alimentatore switching, il quale genera dei disturbi di rete già all'interno dell'amplificatore.
Vi consiglio quindi di utilizzare quelli con tradizionali trasformatori, generalmente incapsulati.

Quelli con un solo relè richiedono che l'interruttore di rete sia esterno e posto prima del modulo, quindi dovrà essere un buon interruttore a tensione di rete. Il relè viene utilizzato per cortocircuitare gli NTC dopo tre secondi.
Hanno il vantaggio di non avere la bassa tensione sempre presente, quindi l'amplificatore risulterà scollegato dalla rete quando spento.
Hanno lo svantaggio di richiedere un interruttore che sopporti una corrente pari (meglio superiore) alla corrente massima assorbita.
Tuttavia il soft start, limitando la corrente di spunto, non comporterà all'interruttore una eccessiva extracorrente al momento dell'inserzione.
Anche per questi valgono i criteri di scelta visti precedentemente per l'alimentazione a bassa tensione.
Io ho scelto questo ultimo tipo e ho fatto una piccola modifica, rimuovendo il condensatore di alimentazione, ed alimentando il modulo esternamente con un piccolo trasformatore da 18 Vac. Di questo ne parlerò a parte.

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Sono disponibili soft start per carichi da 1000W a salire, a seconda di quanti NTC sono utilizzati (in serie/parallelo).
Qui non vale il principio che più alto sarà il carico sopportabile meglio è, perché degli NTC utilizzati con correnti basse finiranno per non riscaldarsi a sufficienza e diminuire adeguatamente la loro resistenza prima dei tre secondi fatidici.
Io ne ho scelto uno da 3000W e ho ridotto e ricollegato diversamente gli NTC adattandoli al mio caso.
Con il mio trasformatore da 1200VA, che al momento dell'accensione sicuramente non si trova già a pieno carico, ho messo 4 NTC 5D-20 in serie.
Queste sono le tensioni di secondario all'accensione, con e senza soft start.

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Da notare che il soft start, inserendo gradualmente il carico, agisce positivamente anche sui diodi rettificatori della tensione di secondario, che potranno caricare gradualmente le grosse capacità di filtro evitando elevate correnti impulsive.
stefano
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Re: Alimentatore universale per amplificatori

#4 Messaggio da kalos »

SCHEDA DISTRIBUZIONE ALIMENTAZIONI

Come detto precedentemente, ho rimosso il condensatore utilizzato per alimentare il soft start sostituendolo con un trasformatore tradizionale posto esternamente, in questa scheda.
Considerato che anche il circuito di protezione degli altoparlanti (di cui parlerò oltre) avrà bisogno di una alimentazione separata (servirà quindi un altro trasformatore ancora) ho ritenuto opportuno fare una semplicissima scheda dove montare i due trasformatori incapsulati e distribuire le tensioni di alimentazione verso l'interruttore di accensione e il fusibile di protezione generale.
Non utilizzando trasformatori incapsulati per PCB, è comunque possibile evitare l'uso di questa scheda semplicemente cablando l'interruttore, il fusibile e i due trasformatori.
Lo schema elettrico è visibile oltre, nello schema generale

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stefano
kalos
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Re: Alimentatore universale per amplificatori

#5 Messaggio da kalos »

RETTIFICAZIONE E FILTRO DELLA TENSIONE DI SECONDARIO

Normalmente realizzato con ponte di diodi e condensatori di filtro.
I ponti di diodi ormai costano pochissimo, tanto vale utilizzarne di sovradimensionati che non avranno problemi di surriscaldamento.
Io ho utilizzato i 50A/1000V pagati 0,6€
Inutile a mio avviso utilizzare diodi schottky secondo il principio che quello che costa di più è sicuramente migliore.
Devono lavorare a 100 Hz !
Per i condensatori di filtro non è il caso che mi dilunghi sulla scelta migliore, che richiederebbe una trattazione a parte, ma è bene ricordare che questi sono soggetti ad un impegno piuttosto gravoso.
E' bene quindi ricadere su prodotti di qualità e per specifico utilizzo audio, nel mio caso degli Elna for audio.
Quello che può fare la differenza è tuttavia una tecnica poco utilizzata, perché costosa, pesante e ingombrante, ma realmente molto migliorativa, il filtro a pigreco C - L - C, con l'aggiunta quindi di una induttanza di livellamento.
Anche qui, senza dilungarsi, basta guardare le tracce dell'oscilloscopio con due soli condensatori da 20000 uF e con 10000 uF + 20mH + 10000 uF.
Quel che si vede è il residuo di componente alternata presente sulla mia alimentazione quando l'amplificatore eroga 120 W RMS su 8 Ohm (con segnale sinusoidale a 1 kHz).

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Noterete che il residuo della tensione alternata di rete a 100 Hz si riduce molto, ma ciò che è più significativo è la scomparsa anche del residuo a 1000 Hz provocato dall'erogazione del segnale in riproduzione.
In pratica l'effetto delle induttanze di livellamento è anche quella di eliminare dall'alimentazione un segnale correlato con quello riprodotto dall'amplificatore.
In parole povere le induttanze stabilizzano sia nei confronti della variazione della tensione di rete a monte, che nei confronti delle variazioni di corrente sul carico.
Da notare che il disaccoppiamento creato renderebbe praticamente superflua la separazione dei secondari del trasformatore di alimentazione.
E' bene ricordare che, per ottenere un filtro efficace, le bobine da utilizzare dovranno essere avvolte su lamierini con traferro.
Non è così facile trovarle già fatte, nel mio caso le ho fatte avvolgere da un produttore di trasformatori.
Quattro bobine da 20 mH con conduttore da 4A pesano circa due kg e costano circa 100€.

I condensatori possono essere montati su PCB facilmente reperibili già pronti, anche se nel mio caso li ho fatti su misura per il mio amplificatore, utilizzando delle vecchie basette.
In ogni caso è utile aumentare la sezione delle piste in rame che vengono percorse da correnti elevate con dei conduttori aggiuntivi. E’ un po' antiestetico ma sicuramente efficace.

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Ultima modifica di kalos il 28/06/2021, 11:26, modificato 1 volta in totale.
stefano
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Re: Alimentatore universale per amplificatori

#6 Messaggio da kalos »

COLLEGAMENTI DI MASSA

Particolare attenzione va prestata al cablaggio di tutte le masse che è tutt'altro che banale.
Bisogna sempre evitare che negli stessi conduttori di massa vengano a sovrapporsi correnti afferenti a segnali di natura diversa.
Tipicamente, la corrente di massa del segnale di ingresso, quella del segnale in uscita e quella di alimentazione, dovrebbero ritornare su conduttori separati.
E' bene ricordare che diversi punti collegati fra loro sono solo teoricamente equipotenziali, ma nella pratica non lo sono affatto.
Questo a causa della resistenza del conduttore stesso che percorso da corrente genera una differenza di potenziale che diventa di modo comune per tutti i segnali che lo percorrono.
Attenzione quindi a non creare loop di massa, per esempio collegando la massa degli RCA in ingresso con la massa dei morsetti dei diffusori. Questo tipicamente comporta che le correnti di ritorno dai diffusori possano tornare anche percorrendo parzialmente il conduttore di massa del segnale in ingresso.
stefano
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Re: Alimentatore universale per amplificatori

#7 Messaggio da kalos »

PROTEZIONE DEI DIFFUSORI DA TENSIONE CONTINUA E RITARDO DI INSERZIONE

All'accensione dell'amplificatore gli altoparlanti dovrebbero essere temporaneamente scollegati onde evitare il "bump" dovuto al transitorio iniziale.
Inoltre, già da molti anni, parecchi amplificatori integrano una protezione qualora una tensione continua si presentasse ai morsetti dei diffusori.
Questo inconveniente può accadere qualora uno dei BJT/MOSFET di potenza si guasti, tipicamente per temperatura eccessiva, finendo in corto circuito.
In questa malaugurata eventualità, la tensione di alimentazione verrebbe applicata direttamente al carico danneggiando il diffusore, meglio quindi utilizzare una specifica protezione, facilmente reperibile già montata.

Ne esistono principalmente di tre tipologie.
La PRIMA rileva la tensione continua mediante un semplice circuito a bjt, non molto sensibile ma efficace.
La SECONDA utilizza un integrato appositamente prodotto, UPC1237, che ha il vantaggio di essere particolarmente sensibile perché interviene con tensioni continue sotto 0,7 V.
La TERZA utilizza dei fotoaccoppiatori e, a parte questo dettaglio, assomiglia alla prima.

Tutte le soluzioni hanno bisogno di una alimentazione separata per rilevare l’eventuale tensione continua ed eccitare il rele.
Bisogna però fare attenzione perché le prime due tipologie hanno la massa dell'alimentazione in comune con la massa dei diffusori, quindi la tensione di alimentazione del modulo di protezione (tipicamente 12Vac) DEVE ESSERE DISACCOPPIATA da quella usata per i moduli di amplificazione.
In parole povere, i 12 Vac devono essere ottenuti da un trasformatore SEPARATO da quello già usato per l'amplificatore, ragion per cui io l'ho inserito nella scheda distribuzione alimentazioni di cui ho scritto in precedenza.
Ma non basta.
Se l'alimentazione a 12 Vac è una sola per tutti i canali (2 o 4 che siano) si viene a creare un collegamento comune fra questi, che non è consigliabile.
Inoltre i moduli sono normalmente in versione stereo e le masse dei due canali sono collegate in comune, che ancora una volta non va bene (leggi sopra in merito ai loop di massa).
Dopo aver valutato varie modifiche ai moduli, ho preferito scegliere quelli del TERZO tipo in versione MONO.
Questi ultimi infatti hanno l'alimentazione a 12 Vac totalmente disaccoppiata dai segnali dei diffusori (mediante i fotoaccoppiatori) ed essendo mono, non mettono in collegamento fra loro i segnali di massa dei canali.
Questa soluzione ha lo svantaggio ti utilizzare dei moduli non molto sensibili, infatti la protezione interviene con tensioni continue pari o superiori a 2,2 Vdc (verificati da me) ma garantisce una totale separazione fra le uscite dei canali.
Questi sono quelli che ho scelto io, uno per ciascun canale.

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Da notare che quasi tutti i moduli sopra menzionati, pur utilizzando relè capaci di sezionare correnti elevate, hanno piste di collegamento sottodimensionate.
Questo per esempio ha piste larghe 2,5 mm assolutamente insufficienti per le correnti in gioco.
Meglio quindi aumentare la sezione delle piste utilizzate per il collegamento del diffusore, con dei conduttori aggiuntivi, saldati sotto al PCB.

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Da tenere presente che il “rinforzo” può anche non interessare il conduttore di massa dei diffusori, che non essendo sezionato, è meglio venga collegato direttamente al morsetto di uscita.
Bisognerà quindi portare la massa dal morsetto di uscita al GND del modulo con un conduttore di piccola sezione.

Queste attenzioni da porre sull'utilizzo delle protezioni non sarebbero propriamente inerenti il tema trattato, ovvero la costruzione della sola alimentazione per un amplificatore, ma utilizzando un trasformatore separato facente parte dell'alimentatore stesso, mi è sembrato utile parlarne.
stefano
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Re: Alimentatore universale per amplificatori

#8 Messaggio da kalos »

RISULTATO FINALE

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Peso totale 26 kg
stefano
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Re: Alimentatore universale per amplificatori

#9 Messaggio da kalos »

SCHEMA GENERALE

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Ultima modifica di kalos il 28/06/2021, 12:32, modificato 1 volta in totale.
stefano
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Re: Alimentatore universale per amplificatori

#10 Messaggio da kalos »

ULTERIORI CONSIDERAZIONI

Nell'ottica di semplificare i futuri interventi di manutenzione e soprattutto la sostituzione dei moduli amplificatori, lo chassis dovrebbe consentire un facile accesso a tutte le parti interne.

Nel mio caso tutte le connessioni del pannello posteriore sono connettorizzate, che significa poter rimuovere facilmente il pannello posteriore senza mettere mano al saldatore.

I quattro moduli amplificatori sono fissati ad altrettanti dissipatori termici separati fra loro, che possono essere estratti lateralmente svitando le quattro viti che trattengono ciascuno di questi.
Quindi, per intervenire su un modulo amplificatore basta staccare i suoi collegamenti (tutti connettorizzati) e rimuoverlo con il proprio dissipatore.

Il pannello frontale è invece fissato con 4 viti che non sarebbero facilmente accessibili.
In questo caso ho lasciato libero l'accesso alle viti inserendo dal lato posteriore (previa rimozione pannello posteriore) un cacciavite lungo 60 cm.

In pratica, con un intervento di qualche decina di minuti, l'intero amplificatore deve poter restare senza pannelli laterali, al fine di avere accesso a tutta l'elettronica interna.

Sarà assolutamente consigliato utilizzare come supporto per tutta l'elettronica, una base preforata sulla quale montare ordinatamente tutto, lasciando il pannello inferiore libero di poter essere rimosso per accedere alle viti di fissaggio delle schede, delle induttanze e del trasformatore, poste sotto lo chassis.
stefano
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