Высоковольтный стабилизатор напряжения для лампового усилителя

Высоковольтный выпрямитель и стабилизатор для лампового УМЗЧ

Если не принимать во внимание идеологические соображения, то стабилизатор анодного напряжения усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ) на радиолампах дает много преимуществ при конструировании – экономия пространства и массы по сравнению с конденсаторно-дроссельным фильтром сравнимых способностей, лампы можно безопасно использовать в режимах близких к критическим, существенное снижение фона, независимость от обычных капризов неважной (например деревенской) осветительной сети.

Здесь, стабилизированный источник анодного напряжения (+250 В) лампового усилителя на 4-х 6С19П выполнен на стандартном трансформаторе ТА251 с раздельными для каждого канала выпрямителями и стабилизаторами. Выпрямители «твердотельные» мостовые, на быстрых диодах шунтированных пленочными конденсаторами для нейтрализации «ненулевого времени рассасывания зарядов при их переключении». Стабилизаторы на высоковольтных полевых транзисторах с изолированными затворами. Применен компактный печатный монтаж и элементы широкого применения. Два выпрямителя и два стабилизатора смонтированы на небольшой печатной плате привинченной к спине игольчатого радиатора.
На обратной стороне платы, со стороны печатного монтажа смонтированы и регулирующие элементы – полевые транзисторы. Они прижимаются к радиатору через изолирующие слюдяные прокладки при установке платы. Выводы стабилизаторов и выпрямителей смонтированы с учетом ее установки – только со стороны установки деталей. В целом, получилось вполне удобно.

Схема электрическая принципиальная выпрямителя и стабилизатора одного канала, ниже.

1 мин). Регулирующий транзистор можно заменить на подходящий по напряжению IRF, например, распространенные IRF730, 830.

Что было использовано для работы

Набор инструментов и материалов для разработки и изготовления печатной платы (ПП), набор инструментов для радиомонтажа, нечто для сверления (станок, дрель), в том числе и для отверстий на ПП (0,5…1,5 мм). Набор инструмента для нарезания резьбы М3, радиоэлементы, мелочи.

Разработка платы

Применение печатного монтажа в высококачественном УМЗЧ не желательно – увеличивается количество паек каждая из которых чуточку ухудшает результат – ясность звучания прибора. Если в транзисторных схемах это затруднительно, то в лаконичных ламповых схемах вполне возможно, более того удобно. Здесь, много установочных элементов закрепляемых на шасси. Большая часть мелких элементов преотлично монтируется на их лепестках и жестких выводах. Такой объемный монтаж был очень распространен в эпоху ранней ламповой электроники, а печатный вытеснил его как более технологичный в изготовлении, компактный и ремонтопригодный.

Здесь, к печатному монтажу пришлось прибегнуть во имя компактности – нужно было поместить довольно большой усилитель (его более мощную версию на 6С19П) с его блоком питания в один корпус с площадью близкой к стандартной аппаратуре (поставить в стойку). Более того, применение ПП в БП извинительно – SRPP топология выходного каскада усилителя, в отличие от традиционного однотактного не предполагает протекание сигнального тока через источник питания, требования к нему могут быть не столь высокими. Тем не менее, постарался сделать дорожки ПП максимально короткими и достаточно широкими, применил лужение дорожек и припой без свинца.

Печатная плата разработана в программе Sprint-Layout, два независимых стабилизатора (левый канал, правый канал) поместились на ПП размером 80х110. Здесь находятся все элементы схемы, включая большие емкости и регулируемые транзисторы. Последние смонтированы навыворот, со стороны печатного монтажа и при установке на радиаторе охлаждения прижимаются к нему спиной — металлическими фланцами. Все выводы схемы для внешнего сообщения с усилителем сделаны с учетом одностороннего доступа к плате. В целом, получился удобный модуль питания.

Изготовление ПП

ПП получилась весьма простой и без SMD элементов, при ее изготовлении применен ручной способ нанесения лакового защитного рисунка – старым добрым рейсфедером.

Заготовка для ПП нашлась только с двухсторонним фольгированием. Лишний слой снял пинцетом прогрев его строительным феном. Клей при этом размягчается.

Зеркальный рисунок разработанной ПП напечатал на принтере, вырезал его ножницами, оставив со всех сторон широкие лепестки. Они загибаются на обратную сторону заготовки ПП и закрепляются липкой лентой. Центры отверстий накерниваются, бумага снимается, плата сверлится и зачищается.

Рисунок дорожек нанес традиционным битумным лаком, стеклянным (широкие дорожки, большие расстояния между отверстиями) рейсфедером. После высыхания лака рисунок ретушировал шилом и привязав тонкую медную проволочку положил в кювету для травления. Готовый раствор хлорного железа хранится в полиэтиленовом пищевом контейнере с герметической крышкой. Небольшие платы можно травить прямо в нем.

Плату помещаю медью ко дну, приподнятую доставательной проволочкой за один край. Таким образом, продукты реакции не скапливаются на поверхности меди и не замедляют процесс. Травление идет весьма быстро без всяких покачиваний и взбалтываний. Единственный момент – шлам может накопиться на дне, тогда его слой замедляет травление нижнего конца платы. Выход – периодически избавляться от осадка, обновлять раствор.

Для подогрева раствора поставил кювету-контейнер на остывающую дровяную плиту.

Сборка ПП

Вытравленную ПП отмыл ацетоном от лака, слегка зачистил и залудил дорожки, приступил к монтажу элементов. Элементы были использованы не новые, пришлось каждый проверять, к счастью их не много. Использовал китайский приборчик, низковольтные стабилитроны удобно проверить на стационарном БП.

Читайте также:  Определить напряжение после замыкания ключа

Конденсаторы шунтирующие диоды выпрямительного моста нахлобучил поверх них, выводы для подключения переменного напряжения сделал из нетонкой луженой проволоки.

Регулирующий транзистор расположен спиной к радиатору с обратной стороны платы, ось отверстий для винтов М3 проходит через середину пластиковой части транзистора.

Устанавливаемые торчком резисторы не только экономят место на плате, но и предоставляют удобные выводы для подключения внешних проводов, особенно полезных при отсутствии удобного доступа к дорожкам. Например, на фото выше стрелочкой показан вывод платы «+Ua». У 2 Вт резисторов МЛТ штатные проволочные выводы коротковаты для такого монтажа – верхний приходится наращивать нетонкой луженной проволокой, у импортных выводы длиннее, хватает и своих. Белые керамические резисторы – датчик тока R5, составлен из 2х3,3 Ом.

Включение, настройка

Вон он змей в окне маячит, за спиною штепсель прячет…

В.С.Высоцкий, Письмо В Редакцию.

Собранная плата запитана от трансформатора ТАН30. Обнаружилось интересное – выходное напряжение скачет резвым козленком, запросто может прыгнуть на 4 вольта вне зависимости от изменений в сети. Однако. Обычно стабилизатор являл собой полнейшее хладнокровие и невозмутимость. Осциллограф показал нечто любопытное на выходе. Самовозбуждение?

Причина нашлась не сразу и по наитию – главным злодеем оказался сетевой паяльник 40 Вт включенный через осветительный диммер (для регулировки температуры). Его нагревательная, но все-же обмотка (фактически — катушка индуктивности) излучала. Неудачная (удачная) топология ПП сработала как рамочная антенна и получился радиоприемник с передатчиком. В лучшем виде.

Достаточно было разорвать рамку антенны – удалить часть «земляной» печатной дорожки (по контуру коротких сторон ПП) и все встало на свои места – стабилизатор стал вести себя прилично, выходное напряжение изменяется только на десятые вольта при колебаниях в сети, наводка от паяльника радикально уменьшилась.

Луженые дорожки перерезал бормашинкой и оторвал поддев конец лезвием ножа.

Вот что у меня получилось при близком поднесении паяльника (печатный монтаж уже исправлен). Кроме того, стабилизатор в готовой конструкции будет находиться в металлическом кожухе, суть — экране.

Источник

Стабилизированный источник питания для лампового усилителя

После публикации статьи Владимира Стародубцева «Линия Прибоя» (июль 2002) редакция получила много писем с просьбой рассказать о стабилизированном источнике питания, который применяется в последних версиях усилителей «Мустанг» и «Обертон». Описываемая ниже конструкция выполнена в виде самостоятельного блока и может обеспечить питанием любую схему, потребляющую по анодной цепи до 250 — 265 Вт.

Источник питания (ИП) является обязательной частью любой радиоэлектронной аппаратуры. Его качество, т.е. надёжность, экономичность, эксплуатационные свойства — в значительной мере определяет технические показатели всего аппарата. Постоянное повышение требований к техническим характеристикам усилительных устройств приводит к тому, что и к вторичным ИП предъявляются всё более жёсткие требования.

Анализ большинства серийных ламповых усилителей показывает, что ИП в них построен по традиционной схеме: сетевой трансформатор, выпрямитель (на диодах или кенотронах) и сглаживающий фильтр с конденсаторами, резисторами и дросселями). Напряжение такого ИП обычно нестабильно, из-за чего меняются режимы работы усилителя. При этом выходная мощность падает, а нелинейные искажения, наоборот, растут.

Сейчас очень популярны однотактники на прямонакальных триодах — 6С4С, 2А3, 300В и ГМ-70. Как правило, их выходная мощность невелика — от 3,5 до 25 Вт, и многие разработчики поддаются соблазну построить ИП по упрощенной схеме с П-фильтром. А между тем, звучание этих усилителей, как никаких других, зависит от качества питающего их источника. Более того, некоторые недостатки, считающиеся неотъемлемым атрибутом однотактных выходных каскадов и ограничивающие их распространение, — слабая динамика в нижнем диапазоне и плохо артикулированный бас — в 90 случаях из 100 являются следствием неправильной организации питания.

Многие пытаются решить проблему, наращивая ёмкость конденсаторов фильтра и увеличивая габариты выходного трансформатора. Это дает некоторый выигрыш в звучании, но главные проблемы остаются. И потом, до какой степени стоит наращивать ёмкости в блоке питания? Раньше в ходу был параметр «энергоёмкость ИП», выраженный в джоулях на ватт выходной мощности. Энергия, запасенная в конденсаторах фильтра, рассчитывается по формуле:

А = 1/2 * U 2 * C,

где А — в джоулях; U — в вольтах; С — в фарадах.

Если же А поделить на Pвых., то получим величину, характеризующую энергетические показатели усилителя. У серийных зарубежных усилителей эта величина находится в пределах 1,5 — 2,5 Дж/Вт. Много это или мало? Сказать трудно, хотя и позволяет в какой-то мере судить об энерговооруженности аппарата.

Нашему КБ тоже пришлось столкнуться с такой проблемой. Несколько лет назад мы получили заказ на разработку однотактного лампового усилителя с выходной мощностью не менее 30 — 35 Вт. Требования были сформулированы так: аппарат должен иметь динамику двухтактного, бас — как у транзисторного, а эмоциональность и музыкальность — как у однотактника. Ничего себе задачка? Не стану подробно описывать все муки творчества, скажу только, что в конце концов был выбран однотактный выходной каскад на двух 6С33С-В, запараллеленных через магнитный поток выходного трансформатора, причем с нагрузкой в цепи катода.

Читайте также:  В цепь переменного тока напряжением 380 в включена нагрузка

Когда мы сделали макет, выяснилось, что на номинальной мощности при изменении частоты сигнала от 400 до 40 Гц анодное напряжение падало с 200 до 160 В. Источник, несмотря на солидный запас мощности, не держал. Прослушивание музыки, богатой НЧ-составляющими, подтвердило результаты стендовых измерений: бас прорабатывался вяло.

Пришлось взяться за стабилизированный ИП, и чтобы не нарушать чистоту ламповой концепции, в качестве проходной выбрали лампу 6С33С-В. Которая, кстати, изначально и разрабатывалась для этих целей, поэтому наряду с большой токоотдачей имеет очень низкое внутреннее сопротивление. Но прежде чем перейти к описанию конструкции, рассмотрим общие принципы построения стабилизаторов напряжения.

Чаще всего применяются параметрические и компенсационные, причем последние бывают последовательные и параллельные (об этом уже успел рассказать Андрей Маркитанов, поэтому опустим подробности. — Прим. ред.). Параметрические — наиболее простые, они строятся на газоразрядных или кремниевых стабилитронах. Номенклатура последних довольно широка, что позволяет строить стабилизаторы с выходным напряжением от единиц до сотен вольт. Но любая простая схема далека от совершенства. В параметрическом стабилизаторе ток через нагрузку всегда должен быть меньше, чем через сам стабилитрон, поэтому к.п.д. таких стабилизаторов низок, и они уместны лишь при малой мощности потребителя.

Компенсационные стабилизаторы последовательного типа обладают хорошим к.п.д., высоким коэффициентом стабилизации и малым выходным сопротивлением. Поэтому они и получили столь широкое распространение. Однако и у них есть недостатки — низкая надёжность при перегрузках и коротком замыкании в нагрузке. Это особенно опасно в транзисторных схемах, поэтому приходится вводить в них сложные системы защиты с токовыми датчиками. Неоспоримое достоинство параллельных стабилизаторов — нечувствительность к форс-мажорным ситуациям. При к.з. в нагрузке напряжение на регулирующем элементе и ток, протекающий через него, резко уменьшаются, и никаких фатальных последствий не бывает. Но у параллельных стабилизаторов такие важные параметры, как к.п.д. и выходное сопротивление, оставляют желать лучшего. Стабилизирующие же качества обоих типов примерно одинаковы.

Поэтому наш выбор пал на последовательный стабилизатор, ведь лампы менее чувствительны к перегрузкам и к.з. Да и схема получается простой и надежной.

Упрощенно принцип ее работы показан на рис. 1.

РЭ — регулирующий элемент;

УПТ — уcилитель постоянного тока;

По сути, это управляемый делитель напряжения, в верхнем плече которого включён регулирующий элемент РЭ, а в нижнем — нагрузка Rн. У такого стабилизатора входной ток Iвх примерно равен току нагрузки Iн, и как следствие — высокий к.п.д. и малое потребление в режиме х.х. (при Iн = 0). Работает он следующим образом. При увеличении Uвх или уменьшении Iн, напряжение Uвых повышается, в результате чего напряжение на выходе измерительного элемента И превысит опорное Uо. В этом случае на выходе элемента сравнения ЭС будет напряжение Uc = UнКд-Uо (где Кд — коэффициент деления выходного напряжения измерительным элементом). Это напряжение повышается усилителем постоянного тока УПТ и поступает на регулирующий элемент РЭ. Под действием управляющего напряжения Uу падение напряжения на РЭ будет увеличиваться, а на выходе стабилизатора — уменьшаться. Этим обеспечивается обратное слежение (тот самый случай, когда без ООС не обойтись). В установившемся режиме выходное напряжение стабилизатора сохраняется практически постоянным. Его нестабильность при воздействии дестабилизирующих факторов будет тем меньше, чем больше коэффициент усиления УПТ.

Итак, конкретный пример (рис. 2).

Как видите, нам пришлось стабилизировать не только анодное напряжение выходных ламп, но также драйвера и сеточных цепей. Это из-за того, что «просадка» источника сказывалась и на питании каскадов предварительного усиления, правда, в меньшей степени — отклонения от номинального значения были примерно 20 — 25%. Поскольку потребляемый ток здесь невелик, мы применили параметрический стабилизатор.

Описываемым ИП комплектуются усилители с выходной мощностью до 16 Вт в каждом канале. При необходимости напряжения на выходе можно изменить, устанавливая газовые стабилитроны с большим или меньшим напряжением стабилизации.

Детали и конструкция

Мы старались использовать по возможности широко распространённые и недорогие радиоэлементы — резисторы типа МЛТ, пленочные конденсаторы К73-17 и т.д. А вот электролитические конденсаторы желательно приобрести импортные, поскольку применение отечественных значительно увеличит габариты блока. Хотя на качестве и надежности источника это не скажется.

Лампы тоже не дефицитны — 6С33С-В, 6С19П, 6Н2П, СГ1П, СГ2П (СГ15-2). Можно применить стабилитроны и октальной серии, они красиво горят, но занимают больше места. Выпрямители построены на высокочастотных диодах 2Д213А, хотя можно использовать и «быстрые» импортные на соответствующие токи и напряжения. От кенотронов мы отказались из-за того, что они в данной конструкции усилителя ухудшали динамику.

Трансформаторы — основа любого ИП, и на них хочу остановиться более подробно. Дело в том, что при питании выходных каскадов, работающих в классе А, потребление энергии происходит постоянно и ток почти не зависит от амплитуды выходного сигнала. При этом сетевые трансформаторы всегда работают с полной нагрузкой. А так как к.п.д. усилителя класса А довольно низок, в лучшем случае это где-то 25%, а то и меньше, то потери в ИП довольно велики. Как правило, все они превращаются в тепло, и его необходимо отводить, иначе блок станет перегреваться, со всеми вытекающими неприятностями. Практика конструирования усилителей подобного рода в нашем КБ показала, что для надёжной работы без перегрева и гудения необходим 3 — 4-кратный запас габаритной мощности сетевого трансформатора по отношению к потребляемой. То есть, если ваш усилитель потребляет 100 Вт, выбирайте 300 — 400-ваттное железо, не ошибётесь.

В нашем же случае речь идёт о потреблении порядка 250 — 265 Вт, так что мощность сетевого трансформатора желательно иметь порядка 800 — 900 Вт. Из конструктивных соображений мы изготовили два трансформатора по 440 Вт и распределили нагрузку на них по возможности равномерно. В соответствии с вышеизложенными рекомендациями потребление от каждого из них составляет 120 — 130 Вт.

Обратите внимание, что напряжения на выводах трансформаторов указаны в режиме холостого хода.

Конструкция

Источник питания собран на каркасе размером 260 х 150 х 370 мм (Ш х В х Г), выполненном из алюминиевых уголков 15 х 15. На нем установлены трансформаторы и дроссели, а также плата стабилизатора. Снизу к каркасу прикреплены четыре опорные ножки и поддон. Лицевая панель выполнена из алюминия толщиной 5 — 8 мм, на ней находятся сетевой переключатель и индикатор включения. На задней стенке (алюминий толщиной 2 мм) установлен сетевой ввод, предохранитель, а также разъём, соединяющий источник питания с усилителем. Последний может быть любым, но учтите, что по цепям накала лампа 6С33С (а у нас их в усилителе две) потребляет 6,6 А, так что хотя бы пара контактов должна быть рассчитана на большой ток. Соединение с усилителем выполнено гибким жгутом длинной 0,5 — 0,75 м из провода типа МГТФ-0,35. В накальные линии необходимо заложить провод сечением не менее 5 мм2. Сверху каркас закрыт перфорированным кожухом.

1800

Технические данные трансформаторов и дросселей
Т1 — анодный.
Сердечник ПЛ 25 х 50 х 80, Рг 440 ВА, к = 4 витка/В.
Обмотка Uхх витков провод, тип, диаметр
W1 220 880 (2 х 440) ПЭВ-2-0,71
W2 280 1120 (2 х 560) ПЭВ-2-0,56
Т2 — накально-анодный.
Сердечник ПЛ 25 х 50 х 80, Рг 440 ВА, к = 4 витка/В
W1 220 880 (2 х 440) ПЭВ-2-0,71
W2 330 1320 (2 х 660) ПЭВ-2-0,4
W3 125 500 (2 х 250) ПЭВ-2-0,2
W4 6,5 26 (2 х 13) ПЭВ-2-2,49 отвод от середины
W5 6,5 26 (2 х 13) ПЭВ-2-1,8
W6 6,5 26 (2 х 13) ПЭВ-2-0,85 отвод от середины
D1 Сердечник ШЛ 16 х 20 х 50.
W ПЭВ-2-0,45 мм, мотать в навал до заполнения каркаса
D2 Cердечник Ш15 х 20 х 30 ПЭВ-2-0,2 мм, мотать в навал до заполнения каркаса

Регулировка блока питания

Сначала невредно убедиться, что все обмотки двухкатушечных трансформаторов скоммутированы правильно и на их выводах присутствуют именно те напряжения, на которые вы рассчитывали. Затем подключаем стабилизаторы и вольтметром проверяем поочерёдно режимы каждого звена. В отличие от параллельных стабилизаторов последовательные можно включать без нагрузки, что мы и делаем. После 5 — 10-минутного прогрева устанавливаем подстроечными резисторами RT1 и RT2 выходные напряжения +210 и +350 В соответственно. Запас по регулированию должен быть примерно 20% в обе стороны. Затем подключаем эквивалент нагрузки. Для мощного каскада это может быть обычная лампа накаливания 100 Вт на 220 В, а для драйверного звена — резистор типа ПЭВ-50 сопротивлением 3500 Ом. Под нагрузкой напряжение не должно просаживаться более чем на 0,5 — 1 В. Погоняйте блок в таком режиме несколько часов, и если в схеме ничего не дымит и не перегревается, работу можно считать законченной.

Теперь посмотрим, стоило ли вообще затевать весь этот проект. Первое, что мы отметили после подключения усилителя, — стабильность его режимов при изменении напряжения питающей сети. При скачках на линии от +5% и -10% (а у нас в Таганроге бывает и больше) анодные, и что особенно важно, сеточные потенциалы не менялись. Сравнительное прослушивание двух аналогичных усилителей с разными ИП — традиционным и стабилизированным — показало, что последний явно обладает лучшей энергетикой. Звучание становится более плотным и насыщенным во всём спектре частот, улучшается микро- и макродинамика.

Эмоциональный эффект примерно тот же, что при сравнении усилителей с ООС и без неё. Слушать аппарат с нестабилизированным источником питания уже не хочется.

Литература: [1]. Назаров С.В. «Транзисторные стабилизаторы напряжения». М., Энергия 1980 г.

[2]. Белопольский И.И., Тихонов В.И. «Транзисторные стабилизаторы на повышенные и высокие напряжения». М., Энергия 1971 г.

[3]. Ложников А.П., Сонин Е.К. «Каскодные усилители». М., Энергия 1969 г.

Источник

Оцените статью
Adblock
detector