SoftStart je obvod, ktorý obmedzuje prúdové špičky vznikajúce pri zapínaní veľkých, nie len induktívnych záťaží. Je ho možné použiť pre obmedzenie napr. rozbehového prúdu elektromotoru. Obvod pracujúci na podobnom princípe sa nachádza aj v mikrovlných rúrach, veľkých výhrevných telesách a pod. Popisovaný SoftStart je určený na obmedzenie nábehového prúdu pri zapnutí výkonového zosilňovača.

Úloha obvodu

Zosilňovač s malým výkonom a transformátorom takýto obvod nepotrebuje. Pri použití transformátorov s príkonom 250-300VA je použitie SoftStartu vhodné, pri transformátoroch nad 500VA dokonca nutné. Bez použitia takéhoto obvodu sa môže stať, že pri zapínaní zosilňovača s 500VA toroidným transformátorom s kvalitnou filtráciou za usmerňovacím mostíkom (desiatky tisíc uF) dôjde k iniciácii aj 16A ističa. Obvod chráni a predlžuje životnosť aj samotným filtračným kondenzátorom (ich cena nie je nezanedbateľná), ktoré sa bez použitia SoftStartu nabíjajú veľkým prúdom. Na tento prúd musí byť dimenzovaný aj usmerňovací mostík, preto sa v kvalitných konštrukciách používajú mostíky na zaťaženie desiatok ampérov.

V audio technike sa na napájanie výkonových zosilňovačov používajú najmä toroidné transformátory (pre ich vysokú účinnosť a malé rozmery, nižšie vyžarovanie elmag. poľa oproti transformátorom s jadrom EI, nižšia hmotnosť) Nevýhodou pri ich použití je vyšší nábehový prúd pri zapnutí (daný značnou tvrdosťou tohto typu zdroja) dosahujúci až desiatok ampérov. A práve tento jav sa spomínané zariadenie snaží eliminovať. Na obmedzenie prúdu sa používa buď rezistor, alebo termistor. Vhodnejší je termistor, pretože je to súčiastka určená presne na takéto obmedzovanie prúdu. Má za studena relatívne veľký odpor a po zahriatí (pretekajúcim prúdom) jeho odpor klesne rádovo na jednotky Ohm.

Môže však nastať situácia, že je potrebné výkonový zosilňovač zapnúť opätovne po krátkom čase, ale termistor je ešte teplý - má malý odpor. V takom prípade neplní svoju úlohu. Preto je v obvode použitý dobre známy časovač
s binárnym čítačom a deličkou 4060. Tento obvod bol neraz použitý aj na stránkach Amara. Zapojenie som mierne pozmenil a doska plošných spojov (DPS) je navrhnutá tak, aby bola čo najviac univerzálna vzhľadom na použité súčiastky. Na mieste výkonového rezistora (10-15W) je možné použiť aj sériovú kombináciu bežne dostupných 5W rezistrov. Odporúčam rezistory v pieskovom puzdre (vhodné aj na impulzné záťaže), nie keramické kocky, ktorým pri impulznej prevádzke môže prasknúť puzdro. Kto môže použiť termistor, nech tak urobí. Na DPS je počítané aj s týmto variantom. DPS je univerzálna, čo sa týka použitých súčiastok, konštruktérovi tak dáva väčšiu voľnosť vo využití súčiastkovej základne. Zapojenie SoftStartu nie je zložité.

Popis obvodu

Napájacie napätie sa privádza na svorku X1. Hneď na vstupe sa nachádza C1, ktorý musí byť typu X2 a minimálne na 250VAC. Slúži na odrušenie obvodu pri spínaní. DPS počíta celkovo s tromi typmi rozteče pre C1. Na svorku X1-1 sa privedie fáza a na svorku X1-2 stredný pracovný vodič (nulák). Na mieste konektoru X1 je možné použiť bežne dostupné šróbovacie svorkovnice do DPS typu ARK500 (uhlové aj priame) ďalej Wago s roztečou 5mm a kto nechce investovať, môže použiť aj konektory typu Faston 0,8x6,3mm. V takom prípade je treba byť opatrný, pretože konektory sú od seba iba 5mm. Bezpečnostné plastové kryty v prípade použitia Faston konektorov snáď nemusím zdôrazňovať. Tu vzniká priestor na ďalšie využitie toho, čo sa nachádza doma a dá sa využiť univerzálnosť návrhu. Napätie sa ďalej delí na dve vetvy. Jedna slúži na napájanie samotného SoftStartu a druhá pre výkonový transformátor. Popíšem najskôr napájaciu vetvu pre transformátor. Napätie zo svorky X1-1 postupuje cez R1 a R2 , ktoré slúžia na obmedzenie prúdu cez F2 do F3 a F4. F2 je „bezpečnostná“. Keby z nejakého dôvodu nezoplo relé, R1 a R2 by zhoreli.

Preto je použitá F2, ktorá je pomalá s hodnotou cca 2A. Vzhľadom k tomu, že F2 je namáhaná iba impulzne, môže byť niekoľkokrát poddimenzovaná. Napätie z F2 pokračuje na F3 a F4, ktoré sú tiež pomalé a ich hodnota závisí podľa použitého transformátoru. Dve poistky sú použité z toho dôvodu, aby bolo možne pripojiť k obvodu dva výkonové transformátory (prevedene dualmono, kde má každý kanál zosilňovača svoj vlastný transformátor). Výsledná hodnota R1 a R2 by sa mala pohybovať v rozmedzí cca 15-33R. Pri rezistore 15R je prúd obmedzený na 15A. Menšia hodnota rezistoru je zbytočná. Pri hodnote 33R je prúdový impulz obmedzený na 7A.

Poistka F1, ktorá je tiež pomalá, chráni transformátor napájacieho obvodu. Na schéme tento transformátor zakreslený nie je. Zakreslené sú iba pady na pripojenie jeho primárneho a sekundárneho vinutia. DPS je uspôsobená tak, aby pasovali všetky bežne dostupné zaliate EI transformátory v prevedení do DPS. Šikovnejší budú vedieť použiť aj staršie transformátory, recyklované z rozobraných zariadení, nabíjačiek atď.
Vznikol tak priestor na využitie zásob, ktoré sa nachádzajú doma. Postačujúci výkon transformátoru je 2VA. Na DPS je miesto až na 10VA transformátor, poprípade na transformátor s rozmerom 5x5cm (na fotkách je použitý 10VA transformátor – mal som taký po ruke). Sekundárne napätie vyhovuje akékoľvek od 9V AC po 24V AC (po úprave je možné použiť aj 5V AC). Hodnoty súčiastok, ktoré je treba prispôsobiť podľa napätia transformátora nie sú na schéme vyznačené zámerne. Sú uvedené v tabuľke ďalej. Zo sekundárneho vinutia transformátoru pokračuje napätie na usmerňovací mostík. Na tomto mieste stačí mostík do 1A. Usmernené napätie je vyfiltrované dvojicou C2 a C3. Ak by bol časom jeden z týchto kondenzátorov nefunkčný, obvod je stále schopný pracovať ďalej. Je dôležité dodržať predpísanú kapacitu a nezvyšovať ju. Malá kapacita spôsobí rýchle vybitie kondenzátorov a okamžité odpadnutie relé.

Veľká filtračná kapacita by udržala relé ešte nejakú chvíľu zopnuté a to je nežiaduce. R3, R10 a D1 tvoria stabilizátor napätia pre IC1. Hodnota zenerovej diódy môže byť od 9 do 12V. Paralelná kombinácia R3 a R10 je výkonové posilnenie, v prípade, že by bol požitý transformátor 24V AC. Usmernením by vzniklo napätie 31-32V DC, a v takom prípade by na predradnom rezistore vznikala strata takmer 0,3W, čo by ho značne zahrievalo (lacnejšie, menšie a ľahšie dostupné sú dva rezistory 0,6W ako jeden 2W). C6 tvorí dodatočnú filtráciu pre prípad napäťových špičiek. C4 a R7 tvoria reset pre IC1 a ten vďaka tomu zakaždým začne počítať od nuly. R8 a C5 tvoria oscilátor pre IC1 a cez R6 sa privádzajú hodinové impulzy na vstup čítača. Ten začne počítať a deliť vstupné impulzy. Ak sa objaví logická 1 na výstupe Q8, teda pin č.14, je kladné napätie privedené cez R9 na bázu T1, ten sa otvorí a zopne relé, ktorého kontakty premostia výkonové rezistory a bezpečnostnú poistku (bypas) a pripojená záťaž (transformátor-y) tak dostávajú plné napätie bez obmedzenia prúdu. Súčasne sa cez D4 v prevedení SMD dostane kladné napätie na hodinový vstup IC1 a zablokuje tak ďalšie čítanie.

C5 je vhodné použiť v prevedení MKT, ale zapojenie funguje aj s keramickým kondenzátorom. R4 je zrážací rezistor pre cievku relé, pre prípad, že je napájacie napätie väčšie ako napätie relé. R5 zráža napätie pre Led 1, ktorá slúži ako indikačná a signalizuje stav relé. Indikačná Led bola použitá preto, lebo niektoré relé majú nepriehľadný obal a nevieme tak, či je relé zopnuté alebo nie. D2 slúži na ochranu pred napäťovými špičkami opačnej polarity vznikajúcimi pri odpájaní indukčnej záťaže (cievka relé). Kto nechce použiť Led diódu, nemusí ju osádzať a vynechá aj R5. Kto bude obvod používať iba na jeden transformátor, môže zo zapojenia vypustiť F4 a môže použiť iba dvojpólovú svorkovnicu na mieste X2.

Relé

Možné kombinácie súčiastok podľa napätia transformátoru a použitého relé.

Odporúčaná kombinácia je transformátor 18VAC a relé na 24VDC, alebo transformátor 9VAC a relé 12VDC. V týchto kombináciách budú vznikať najmenšie straty. Hodnoty rezistorov pre relé sú počítané pri prúde 50mA (v 90% vyhovuje vypočítaná hodnota). V prípade, že bude mať relé malý odpor cievky, musia sa hodnoty upraviť. Hodnoty rezistorov pre indikačnú Led 1 sú počítané pri prúde 10mA. Teda na zelenú, červenú, žltú - nie na modrú a bielu.

Oživenie modulu

Oživenie obvodu spočíva iba v kontrole napätia na objímke pre IC1. Pri spájkovaní postupujeme klasickým spôsobom od najmenších súčiastok po najväčšie. Po zaspájkovaní všetkých súčiastok privedieme na vstupné svorky X1 sieťové napätie (230V AC), ale bez vloženého IC1. Skontrolujeme napätie na objímke IC1. Malo by byť približnej hodnoty ako zenerová dióda. Meriame na pine č. 16 voči zemi. Ak je napätie v rozmedzí 9 až 12V (max 15V), je všetko v poriadku. Odpojíme modul od siete a vložíme IC1 do objímky. Znovu pripojíme sieťové napätie na vstupné svorky. Asi tak po 1,2s zopne relé a indikačná Led 1 sa rozsvieti. Skontrolujeme ešte prítomnosť sieťového napätia na výstupných svorkách X2-2 a X2-4 voči nuláku. Ak je tam 230V AC, obvod je plne funkčný a pripravený na používanie. Môžeme ešte skontrolovať napätie na cievke relé. Prípadnú odchýlku skontolujeme podľa použitého relé v katalógovom liste. Ak by bolo potrebné urobiť korekciu, urobíme tak zmenou predradného rezistoru (to nastane v prípade ak cievka relé bude mať odber iný ako 50mA). Pre pokoj duše ešte môžeme skontrolovať napätie na indikačnej Led, ktoré by malo byť medzi 1,6-2V. Záleží podľa typu použitej Led a podľa veľkosti predradného rezistoru na relé.

Schéma zapojenia

Schéma zapojenia v plnej veľkosti - klikni

Doska plošných spojov "TOP"

Doska plošných spojov "BOTTOM"

Podklady pre výrobu dosky plošných spojov

Predloha negatív

Predloha pozitív

Solder mask

Zoznam komponentov

R1 – viď text. min 5W (15R/5W)
R2 – viď text min 5W (15R/5W)
R3 – viď text 0207 / 0,6W
R4 – viď text
R5 – viď text SMD puzdro 0603 alebo 1206
R6 – M1 SMD puzdro 0603 alebo 1206
R7 – M1 0207 / 0,6W
R8 – M1 SMD puzdro 0603 alebo 1206
R9 – 4k7 0207 / 0,6W
R10 – viď text 0207 / 0,6W
C1 – 100nF / X2 – 250VAC RM: 5 – 7,5 - 10
C2 – 220uF elektrolyt RM5 priemer 10mm / 35V
C3 – 220uF elektrolyt RM5 priemer 10mm / 35V
C4 – 100nF keramický SMD puzdro 0603, 1206
C5 – 33nF / MKT RM5
C6 – 10uF elektrolyt RM2,5 priemer 10
D1 – ZD 12V / 1,3W – odporúčaná hodnota (môže byť od 9V do 12V – viď text)
D2 – 1N4007
D3 – 1N4148 SMD alebo 1N4007 SMD
T1 – BC639
Led 1 – ľubovoľná 3 alebo 5mm
B1 – usmerňovací mostík 1A kocka
IC1 – 4060
DIL16 – objímka precízna 16 pinová
X1, X2 – viď text
F1 – T100mA
F2 – T2A
F3, F4 – viď text
poistkový držiak 4x RM22
transformátor – viď text

Realizácia

Záver

Popisované zapojenie som sa snažil urobiť čo najuniverzálnejšie tak, aby sa dalo použiť čo najviac súčiastok, ktoré sa nachádzajú doma a neinvestovať tak veľa do stavby. Zapojenie som nenapájal priamo zo siete zámerne. Celé zapojenie tak nie je spojené galvanicky so sieťou, ale aj napriek tomu, je s ním treba manipulovať opatrne, pretože niektoré časti sú pod napätím 230V AC a hrozí tak úraz elektrickým prúdom. SMD súčiastky sú použité iba na veľmi ľahko dostupných miestach a nie je žiadny problém ich kúpiť - cena je nižšia ako u klasických vývodových súčiastok. Všetky SMD súčiastky majú pady navrhnuté tak, aby sa dali použiť v puzdre od 0603 až po 1206, takže aj tu je veľká variabilita použitia súčiastok. Pokiaľ je to možné, voľte puzdro 1206. Je väčšie a bude sa Vám s ním ľahšie pracovať. Pre úplnú univerzálnosť uvádzam predlohy na výrobu DPS fotocestou pomocou negatívneho (suchý fotorezist) ale aj pozitívneho (Pozitiv 20) procesu a pre prípadných záujemcov aj predlohu na Solder masku (nepájivá maska – pre viac info ohľadom nepájivej masky ma kontaktujte mailom). Všetky cestičky sú hrubé min 1mm, pady sú mierne väčšie ako býva zvykom, takže aj úplný začiatočník nebude mať problém so spájkovaním či už vývodových alebo SMD súčiastok a na vŕtanie je možné použiť vrták s priemerom 1mm. Rozteč a hrúbky čiar sú tak navrhnuté zámerne, aby bolo možné nakresliť DPS aj rukou (informácia pre začiatočníkov a tých, ktorí nemajú fotocestu).