Стабилизированный блок питания ламповой аппаратуры
Напряжения питания ламповой аппаратуры (анодное и накальное) желательно стабилизировать. Это позволит получить не только хорошую стабильность параметров, кардинально решить проблему фона, но, и это тоже важно, обеспечить стабильные режимы ламп, а значит их нормальную работу и долговечность, при изменении напряжения электросети в широких пределах, что в наших условиях отнюдь не редкость, особенно в зимнее время. Современные компоненты позволяют создать эффективные, надежные и при этом достаточно простые схемные и компактные конструктивно решения анодного и накального стабилизаторов.
Предлагаемый вашему вниманию стабилизатор анодного и накального напряжений создан на основе хорошо зарекомендовавшей себя схемы, подробной описанной в статье.
Для большей универсальности применения и повышенной надёжности в нём применены более мощные и высоковольтные транзисторы, в анодном стабилизаторе улучшена схема защиты от перегрузки по току и предусмотрена защита от превышения рассеиваемой мощности. В накальном стабилизаторе для лучшей повторяемости вместо довольно редкого по нынешним временам и имеющего большой разброс параметров полевого транзистора КП103 применён биполярный.
Схема анодного и накального стабилизаторов US5MSQ
Схема блока питания приведена на рис.1. Для снижения мультипликативного фона диоды всех выпрямителей шунтированы керамическими конденсаторами. Анодный стабилизатор выполнен на высоковольтных транзисторах VT2,0VT1. Регулирующий транзистор 0VT1 включен по схеме с ОИ, что обеспечивает не только большое усиление в петле регулирования, и, следовательно, достаточно большой коэффициент стабилизации (не менее 200), но и очень малое допустимое падение напряжение на регулирующем транзисторе (порядка 0,5В), что обусловило его довольно высокую эффективность и экономичность.
Резистор R2 подает отрицательное открывающее напряжение в базу VT2, осуществляя в момент включения запуск стабилизатора в рабочий режим. В начальный момент стабилитрон VD7 закрыт, а шунтирующее влияние цепей нагрузки отсечено диодом VD6, что и обеспечивает надежный запуск стабилизатора при довольно большом сопротивлении резистора R1 (1Мом) и при этом практически не ухудшает параметров стабилизатора, поскольку в рабочем режиме ток через этот резистор эффективно замыкается малым дифференциальным сопротивлением открытого стабилитрона VD7.
Предусмотрены защиты транзисторов от перегрузки как по напряжению на затворе (для VT2 – VD10,R7, для 0VT1 – VD9,R13 ) , так и по току ( цепь VT1,R9,0VT1 совместно с R6 образуют классический стабилизатор тока, при указанных на схеме элементах ограничение по току задано порядка 250мА — определяется как Iк.з[A].=0,55В/ R6[Ом] и может быть легко изменено под свои нужды, например при 1 Оме ограничение по току будет порядка 0,5 А), благодаря чему этот стабилизатор обладает очень высокой надежностью и при этом, разумеется, защищены от перегрузки по току и к.з. и выпрямитель с сетевым трансформатором(подразумевается, что трансформатор способен выдавать такой ток).
Максимальный выходной ток стабилизатора определяется только допустимой мощностью рассеяния VT2 и для сохранения надежности нужно выбирать таким, чтобы средняя рассеиваемая мощность не превышала половины (лучше трети) максимально допустимой. К примеру, для указанного на схеме IRF830 Pmax=100Вт (разумеется, при достаточной площади радиатора или шасси, не менее 15 кв.см на каждый Вт), в нашей схеме напряжение выпрямителя будет порядка +215В, при выходном +150В падение напряжение на транзисторе 65В. Если задать резистором R6 максимальный выходной ток можно задать 0,5А, то в штатном режиме рассеиваемая мощность составит 32,5 Вт, при аварийном коротком замыкании выхода (К.З.) рассеиваемая мощность 107Вт превысит максимально допустимую и если вовремя не устранить режим К.з., транзистор выйдет из строя. Дабы исключить такую ситуацию, в схеме предусмотрена защита регулирующего транзистора от превышения рассеиваемой мощности, выполненная на VD12,R14,VD11.
Рабочее напряжение стабилитрона VD11 выбирается в 1,5-2 раза большим падения напряжения на регулирующем транзисторе в штатном режиме. При возникновении перегрузки по току или К.З. цепь ограничения по току срабатывет и ограничивает выходной ток на заданном уровне, подзапирая регулирующий транзистор 0VT1, падение напряжения на нём растёт и как только оно достигает напряжения открывания стабилитрона VD11, через него и резисторы R14,R9 начинает протекать ток. Падение напряжение на R9 дополнительно приокрывает VT1. При этом ток стабилизации определяется уже по формуле Iк.з[A].=(0,55В-Ur9)/R6[Ом]. Т.о. при достижении падения напряжения на R9 порядка 0,55В или больше, цепь стабилизатора тока полностью закроет регулирующий транзистор и стабилизатор не запустится даже после снятия перегрузки.
Для исключения этого «самозащёлкивания» стабилизатора введён германиевый диод VD11, который стабилизирует напряжение Ur9 на уровне примерно 0,4В, тем самым фиксируя ток К.З. на уровне примерно 025…0,3 от установленного. Что в нашем примере соответствует 0,5 А*(0,25..0,3)=0,125..0,16 А. При этом мощность рассеяния на превысит те же 32 Вт.
С другой стороны, если не планируется таких больших выходных напряжений и токов, то цепь защиты регулирующего транзистора от превышения рассеиваемой мощности VD12,R14,VD11 можно не устанавливать. Например, при указанных на схеме входном переменном напряжении 152 В (на выпрямителе примерно 213 В) и установленном токе защиты 0,25 А (R6=2,2 Ом) при К.З. мощность рассеяния не превысит 215В*0,25А=54Вт.
Выходное стабилизированное напряжение определяется суммой напряжений стабилитронов VD7,VD13, точнее Uстаб=Uvd7+Uvd13 – 0,6В (напряжение открывания VT2). Для получения +140в допустимы любые наборы стабилитронов, обеспечивающие требуемую сумму напряжений. Если их несколько, то их надо разбить на группы, обеспечивающие примерно равные значения стабилизации (70в+-30в). Группу с меньшим значением напряжения стабилизации использовать в качестве VD7, а с бОльшим – VD13. Величина токозадающих резисторов выбирается с целью снижения рассеиваемой мощности из расчета обеспечить протекание через стабилитрон тока на 1-2мА больше минимального тока стабилизации, при этом R1=Uvd13/(IminVD7+1..2мА), а R16=Uvd7/(IminVD13+1..2мА). Здесь можно применить широко распространенные стабилитроны серий Д816, Д817, например для 140В Д817Г+Д816Г, но если планируется расположить основную часть элементов блока питания на печатной плате, стОит приобрести малогабаритные стабилитроны серии КС (или аналогичные импортные) — они более удобны для печатного монтажа, чем серии Д816,Д817. Для 140В кроме указанного на схеме еще один хороший вариант КС568+КС582, но это могут быть и цепочки из нескольких других подобных КС539,547,551,591,596, дающие в сумме требуемые 140В, например КС568в(VD8) и КС568в + малый стабилитрон типа Д814Д, КС515а(VD11).
Вид платы стабилизаторов US5MSQ
Подбором этих стабилитронов стабилизатор может быть перестроен практически на любое напряжение в пределах от +12 до +360 В. Максимальное напряжение с выпрямителя, которое можно подать на этот стабилизатор определяется допустимым для транзистора VT3 и при сохранении высокой надежности для указанного на схеме BF488 не должно превышать +400В. Минимальное падение напряжения на регулирующем транзисторе 0,5В + амплитуда напряжения пульсаций, составляющая при ёмкости С15 100 мкФ примерно 10 В на каждые 100 мА тока нагрузки, т.о. при стабильном сетевом напряжении верхний предел выходного напряжения может достигать +360В. Равноценная замена высоковольтного p-n-p транзистора BF488 в анодном стабилизаторе – MPSA94, а при меньшем напряжении выпрямителя (не более 350В) — MPSA92G, а если не более 200В, то BF421,BF423.
В качестве VT2 можно применять любые IRF7xx, IRF8xx. При меньшем напряжении выпрямителя (не более 200в) IRF6хх. Сток регулирующего транзистора VT2 подключен к общему проводу, поэтому ему не требуется отдельный изолированный радиатор и можно использовать в качестве радиатора металлическое шасси.
Стабилизатор накального напряжения +6.3в выполнен на транзисторах VT3,0VT2 по такой же структуре. Но схема получилась существенно проще предыдущей благодаря тому, что здесь нет опасных для затвора напряжений и нет необходимости в соответствующих элементах защиты. Несмотря на исключительную схемную простоту этот стабилизатор обладает вполне достойными параметрами: коэффициент стабилизации — более 200, температурная и временная стабильность — не хуже 0,1%, весьма малое выходное сопротивление (не более 0,02 ома – при увеличении нагрузки с 0,7а до 2А выходное напряжение уменьшилось всего на 20 мВ), но главное — максимальный выходной ток этого стабилизатора ограничен только мощностью источника питания и возможностями регулирующего транзистора. При этом для регулирующего транзистора также не нужно отдельного радиатора (разумеется, что корпус или шасси металлические). С IRF540 накальный стабилизатор, несмотря на отсутствие защиты по току, вообще неубиваемый – это нечаянно проверено на практике (hi!) — при испытаниях случайно посадил каплю припоя между общим проводом и +6,3В, полное к.з. Минуту все работало в таком виде — пока сообразил, что произошло и отчего анодные напряжения вдруг стали низкие (порядка +30в). Все живое , транзистор еле теплый, только трансформатор немного нагрелся.
Выходное напряжение определяется суммой напряжений Uвых=Uvd14+Uu2-0,6В (напряжение открывания VT3). Настройка его заключается в установке требуемого выходного напряжения — подстроечным резистором R8. В качестве VT3 можно применить практически любые кремниевые p-n-p транзисторы. Минимальное падение напряжение на регулирующем транзисторе VT4 в режиме стабилизации примерно 0,5В (2А, IRF540), но что примечательно — при дальнейшем снижении входного напряжения стабилизатор не отключается, остается в работе, только выходное напряжение чуть меньше входного ( на напряжение насыщение полевика, примерно на 0,1-0,2В) — т.е лампы будут нормально функционировать и при входном напряжении меньше номинального. При этом как только входное напряжение повысится до +6,8В — стабилизатор автоматически примется за свою работу.
Ёмкость конденсатора С7 должна быть не менее 7000 мкФ на каждый 1А ток нагрузки, т.е. при 2А нужно не менее 14000 мкФ. В качестве VD3,VD4 для снижения потерь желательно применять диоды Шоттки, рассчитанные на максимальный ток в 3-5раз больший рабочего (например, 1N5820-22. SR5100 и т.п.) – это уменьшит потери напряжения на диодах выпрямителя. Т.к. запас напряжения выпрямителя (при стандартной накальной обмотке) небольшой, имеет смысл здесь побороться даже за десятые доли вольта, это обеспечит нормальную работу стабилизатора при меньшем напряжении сети, что в зимнее время отнюдь не редкость. На диодах VD2,VD4 и конденсаторе С3 собран выпрямитель +14В для питания вспомогательных цепей (питания реле, цифровой шкалы и т.п.) с током нагрузки до 1 А.
Это напряжение стабилизируется на регулируемом интегральном стабилизаторе U1, выходное напряжение которого можно подбором R5 выставить в пределах от +5 до +11В.
Конструкция и детали.
Помехоподавляющий фильтр 0С1, 0L1,0С2,0С3,0С4 в зависимости от мощности БП может быть как готовым, например, такой
Вид сетевого фильтра US5MSQ
или от компьютерных блоков питания. При самостоятельном изготовлении помехоподавляющего фильтра конденсаторы могут металлобумажными, пленочными, металлопленочными (из отечественных это, к примеру серии К40-хх, К7х-хх, импортные MKT,MKP и пр.) емкостью 10-22нФ на рабочее напряжение не менее 400в. Катушка выполняется на ферритовом кольце диаметром 16-20мм с проницаемостью на менее 2000 сдвоенным проводом в хорошей изоляции (тонкий МГТФ, телефонная или «компьютерная» витая пара и пр.) – 20-30витков.
Вместо ТАН1 возможно применение любого унифицированного или от другого трансформатора, обеспечивающего требуемые напряжения по переменному току. Диодные мостики Br1, Br2 могут быть любыми, допускающие обратное напряжение в 2 раза больше поступающего переменного напряжения при максимально допустимом токе не менее установленного тока защиты, например отечественные КД402-405, импортные 2W10 и пр., на плате предусмотрена возможность установки вместо мостика отдельных диодов типа 1N4007 и т.п. Интегральный стабилизатор TL431 с некоторым ухудшением параметров можно заменить на светодиод с напряжением порядка 2,5В.
Постоянные резисторы малогабаритные серий МЛТ, МТ или аналогичные импортные, рассчитанные на мощность рассеяния не меньше указанной на схеме.
Налаживание блока питания.
Проверив правильность монтажа, первое включение проводим без нагрузки. Если выходные напряжения на холостом ходу существенно (более, чем на 5%) отличаются от требуемых, точнее подбирают напряжения стабилитроны, как указано выше. Проверяют нагрузочную способность стабилизаторов. Кратковременно подключив к цепи +140в резистор 1,5кОм рассеиваемой мощностью не менее 2Вт , убеждаемся, что выходное напряжение уменьшилось не более, чем 2-3В. К выходу накального стабилизатора подключаем проволочный резистор 5,1 ом мощностью не менее 5Вт и триммером R8 выставляем выходное напряжение 6,25-6,3В.
Набор деталей для самостоятельной сборки платы стабилизаторов анодного и накального напряжений можно приобрести здесь
