Стабилизация тока накала ламп УНЧ

Прошедшей зимой захотелось сделать усилителю «Лофтин-Уайт» по схеме А.И. Манакова на 6Н2П и 6П36С стабилизацию всех питающих напряжений. С анодными всё решилось просто, а вот с накальными возник вопрос – получаемое постоянное напряжение при выпрямлении переменного 6,3 В оказалось слишком мало для нормальной работы большинства схем стабилизаторов напряжений. А так как силовой трансформатор намотан «под завязку» и добавить в него несколько дополнительных витков никак не получалось, то решил отказаться от стабилизации напряжений и попробовать стабилизировать протекающие токи. Такие схемы известны, среди них есть варианты с достаточно малыми потерями и, кроме того, они исключают броски накальных токов при включении усилителя, что должно продевать срок службы ламп.

Определение условий работы стабилизаторов.

Сначала были проведены замеры выходных напряжений накальных обмоток трансформатора с нагрузкой в виде двух ламп 6Н2П (токи по справочнику [1] – 340 мА (+/-35 мА)). При изменении ЛАТР-ом питающего напряжения 230 В в пределах +/- 20 В, токи накала менялись от 0,37 А до 0,32 А (+9% и -6%), а напряжения менялись примерно от 6,9 В до 5,7 В (около +/-10%). Затем лампы были подключены через выпрямители с фильтрующими CRC цепями (рис.1) и померено напряжение на фильтрующих конденсаторах – с учётом потерь на диодных мостах оно менялось от 8,1 В до 6,6 В.

Для измерения напряжений применялся мультиметр ВР-11А. Для контроля токов в разрыв проводников, идущих к лампам, ставился резистор 0,1 Ом и на нём мультиметром измерялось падение напряжения. Затем по формуле J=U/R высчитывался протекающий ток (получаемая точность – около +/- 10 мА). После контроля токов резисторы или выпаивались из схем или «закорачивались» перемычками из толстых проводов, т.е. все замеры напряжений делались при отсутствующих резисторах 0,1 Ом.

Рис.1

Во время замеров оказалось, что при одинаковом напряжении питания лампы имеют различные накальные токи (об этом говорится в [1]). Для набора хоть какой-то статистики были взяты наугад 10 ламп 6Н2П и у них были померены накальные токи при питании постоянными напряжениями 6,3 В и 6,0 В от лабораторного блока питания. Из 10 ламп (рис.2) у одной (№6) ток при подаче 6,3 В был ниже паспортного, у пяти (№1, №2, №3, №8 и №10) – выше. Лампы №3 и №4 разного года изготовления, но хранились в упаковках, имеют чистые блестящие выводы и, скорее всего, никогда не работали.  

Рис.2

После «промеров» 6Н2П, к своим обмоткам через подобные выпрямители, только с более мощными диодами и резисторами меньшего сопротивления, были подключены накалы ламп 6П36С (накальный ток по справочнику [1] равен 2 А (+0,2 А / -0,15 А)) и так же сняты показания – напряжения после выпрямительных мостов находились в границах от 7,5 В до 6,1 В.

Так же с помощью лабораторного блока питания были проверены 5 разных лам 6П36С – накальный ток 2 А получался при подаче напряжений в пределах от 5,95 В до 6,1 В.

И теперь, когда условия эксплуатации и требуемые параметры стабилизаторов ясны, остаётся определиться со схемами на токи 0,34 А и 2 А с точностью поддержания этих значений хотя бы вдвое лучше, чем без стабилизации.

Схемы, немного теории и эксперименты.

После чтения литературы и проверки нескольких вариантов, для ламп 6Н2П была выбрана схема на биполярных транзисторах с отрицательной обратной связью по току и со светодиодом в качестве источника образцового напряжения ([2] стр.41), ([3] стр.103). На рисунке 3 показан её начальный вариант.

Рис.3

Принцип работы такого стабилизатора тока прост – образцовое напряжение, «падающее» на светодиоде HL1 (1,51 В) приложено к базе составного транзистора VT1VT2. Часть этого напряжения «падает» на база-эмиттерных переходах (1,3 В), а остаток (0,21 В) – на резисторе R2. Его сопротивление выбрано таким, чтобы протекающий ток составлял 0,34 А (0,21 В / 0,61 Ом = 0,34 А). Естественно, чтобы этот ток появился, нужно коллекторы транзисторов соединить через нагрузку с «минусом» питания (нагрузкой в данном случае является подогреватель лампы). И так как у транзистора получается две нагрузки – в эмиттере и в коллекторе, и сопротивление одной из них относительно постоянно (R2), то он перераспределяет мощности между собой и подогревателем так, чтобы протекающий ток был всегда одинаков. Если стабилизатор рассматривать как схему с общим эмиттером и отрицательной обратной связью по току ([2] стр.32), то его коэффициент стабилизации в основном зависит от постоянства образцового напряжения и коэффициента усиления по напряжению, зависящему от отношения сопротивления коллекторной нагрузки к сопротивлению в эмиттере.

Интересно посмотреть, а как изменятся напряжения в схеме, если уменьшить питание на 0,5 В? На рисунке 4 видно, что напряжение на светодиоде HL1 стало 1,5 В, на резисторе R2 осталось тем же – 0,21 В. Если в варианте с нормальным питанием напряжение падения на транзисторе VT2 было 1,02 В, то теперь стало 0,91 В, т.е. транзистор сейчас находится в более открытом состоянии и, соответственно, рассеивает меньшую мощность, тем самым компенсируя уменьшение мощности, выделяемой в нагрузке. Но всё равно видно, что напряжение питания нагревателя лампы «просело» с 6,13 В до 5,74 В.

Рис.4

Чтобы определить, насколько это плохо (или, может быть, хорошо), были проведёны сравнительные эксперименты со схемой по рисунку 5. Сравнивались состояния напряжений на входе и на выходе стабилизатора тока, для контроля уровней и записи графиков использовалась программа SpectraPLUS и звуковая карта с открытыми входами. Сигналы подавались в звуковую карту через резисторные делители на 20.

Рис.5

Сначала контроль напряжений при включении схемы. На рисунке 6 верхний график – это напряжение на входе стабилизатора, нижний график – на выходе. Видно, что на выходе стабилизатора напряжение достигает уровня 5 В примерно через 20-25 секунде после включения, а уровня, близкого к номинальному значению 6 В – только на 5-ой минуте.

Рис.6

Так, хорошо, с напряжением теперь понятно, а как там насчёт протекающего тока? Ограничивается ли бросок при включении? Судя по графику напряжения – то да, но как там это точно происходит?

Чтобы это посмотреть, в разрыв провода, идущего к накальному выводу, был поставлен резистор 0,1 Ом и напряжение падения с него подавалось в звуковую карту (без деления, напрямую). На рисунке 7 видно, что при включении ток сначала резко достигает уровня 0,34 А, затем плавно (примерно за 20 секунд) снижается до 0,33 А, а потом ещё более плавно, за 3-4 минуты, опять достигает значения 0,34 А (связано это, скорее всего, с прогреванием всех элементов в схеме).

Рис.7

Итак, процессы, происходящие при включения питания понятны, теперь нужно оценить работу стабилизатора при изменении сетевого напряжения в пределах +/- 20 В. По графикам (рис. 8) видно, что на входе стабилизатора разница между минимальным и максимальным уровнями напряжения составляет около 1,64 В (+/-11,1% от 7,36 В), на выходе – 0,9 В (+/- 7,3% от 6,13 В).

Рис.8

Изменение накального тока показано на рисунке 9. Разница не более 3 мВ, что соответствует изменению тока +/- 15 мА.

Рис.9

Нельзя сказать, что результат понравился, хотелось бы получить что-то более стабильное, но, всё же, по графикам видно, что схема рабочая и можно попробовать улучшить её характеристики.

Так как большое влияние на параметры схемы оказывает изменение тока базы транзистора VT1, то была предпринята попытка его стабилизации. Для этого резистор R1 (390 Ом) был заменён на полевой транзистор в режиме стабилизатора (генератора) тока ([3], стр.375). В результате получилась схема (рис.10), где напряжение на нагрузке одного слаботочного стабилизатора тока является образцовым для второго, более мощного, стабилизатора тока.

Рис.10

Напряжение падения на светодиоде уменьшилось до 1,46 В, поэтому пришлось немного уменьшить и сопротивление резистора R2 (и это хорошо). То, что получилось в результате этих изменений, показано на рисунке 11. Здесь разница напряжений между максимальным и минимальным значением на входе стабилизатора составляет 1,62 В (+/-11% от 7,35 В), а на выходе – 0,38 В (примерно +1% и -2% от 6,02 В). При этом заметно, что при росте напряжения питания стабилизатор работает лучше, чем при понижении питания (это говорит о том, что имеющегося напряжения питания всё-таки не хватает для нормальной работы). График изменения тока показан на рисунке 12, где видно, что изменения находятся в пределах между 0,33-0,34 А.

Рис.11

Рис.12

Было проведено ещё несколько небольших изменений в схеме, но явных улучшений не было, и схема была оставлена в том виде, в котором приведена на рисунке 10.

Теперь несколько экспериментов с лампами 6П36С.

Сначала, конечно, была проверена возможность работы последнего варианта стабилизатора с токоотбором 2 А, но ничего хорошего не получилось. Пробовал заменить выпрямительные диоды и транзисторы на более мощные, применить другой источник образцового напряжения и минимизировать потери в проводниках – результат получался плохим. Графики приводить не буду – там на выходе примерно то же, что и на входе – стабильность получалась в разы хуже, а иногда и совсем отсутствовала. Скорее всего, причинами этого являются как пониженное на 0,2 В напряжения питания из-за увеличения потерь в трансформаторе, выпрямителе и просто на подводящих проводниках, так и изменение коэффициента усиления по напряжению из-за гораздо меньшего сопротивления нагрузки. Кроме того, влияет более тяжёлый температурный режим регулирующего транзистора – если в схеме с протекающим током 0,34 А на нём рассеивается около 0,4 Вт, то в 2-х амперном варианте – уже около 2,3 Вт. А так как у применяемых транзисторов увеличение температуры на один градус по шкале Кельвина вызывает уменьшение напряжения база-эмиттер на 2 мВ, то это меняет уровень напряжения на токовом резисторе и, соответственно, получаются разные значения тока стабилизации в момент включения усилителя (пока схема не прогрелась) и во время её дальнейшей работы.

После нескольких безуспешных попыток было решено заменить биполярный транзистор на полевой – теоретически он должен лучше выполнять роль регулирующего элемента (при меньшем напряжении исток-сток). Сначала был проверен вариант с полевым транзистором 36N03 (N-канальный силовой MOSFET) (рис.13), схема стандартная, взята из [4] (стр.80, рис.4.4в). В качестве источника образцового напряжения используются два последовательно включенных регулируемых стабилитрона TL431.

Рис.13

Так как нагрузка в этой схеме включена между положительным выводом выпрямительного моста и регулирующим транзистором, то при измерениях звуковой картой за «общий» вывод был взят «плюс» источника питания (+7,15 В). В связи с этим, все измеряемые потенциалы имеют отрицательное значение и графики уходят в отрицательную зону, но это не критично – разница потенциалов остаётся всё такой же, как и на вышеприведённых графиках из «положительной зоны».

На рисунке 14 видно, что на входе стабилизатора (на конденсаторе С2) изменения напряжения около 1,46 В (+/-10,2 % от 7,15 В), а на выходе – около 0,52 В (+/-4,2% от 6,1 В).

Рис.14

Следующим шагом была проверка более сложного варианта стабилизатора с применением операционного усилителя для «отслеживания ошибки» (рис.15) ([3], стр.389, [4] стр.80, рис.4.4б). Здесь на «прямой» вход ОУ приходит образцовое напряжение по цепи VR1R2R3, а на «инверсный» - напряжение с токового резистора R6. При изменении напряжения питания всей схемы (например, при его понижении) протекающий через подогреватель ток уменьшится, это вызовет понижение напряжения на резисторе R6 и усилитель отреагирует повышением напряжения управления транзистором. Транзистор начнёт ещё больше «открываться», напряжение падение на нём будет уменьшаться и, соответственно, напряжения на подогревателе и резисторе R6 начнут увеличиваться до тех пор, пока уровни на обоих входах ОУ не сравняются (порог выставляется переменным резистором R3).

Рис.15

Так как для работы ОУ требуется ещё и отрицательное напряжение питание, то на элементах C4VD5VD6C3 был собран дополнительный слаботочный выпрямитель -6 В.

Графики, снятые при проверке этой схемы показаны на рисунке 16. На входе стабилизатора разница между минимальным и максимальным значениями составляет 2 В (+/-14,2% от 7,05 В), а на выходе видны изменения только при понижении напряжения питания и они составляют 0,04 В (-0,66% от 6,08 В).

Рис.16

Полученный результат полностью устроил и на этом эксперименты были закончены. Для установки в усилитель был взят этот вариант стабилизатора и вариант по рисунку 10 для ламп 6Н2П. Печатные платы разведены вместе со стабилизаторами анодных напряжения (рис.17). В архивном приложении к тексту находятся 3 варианта стабилизаторов в формате программы Sprint-Layout (вид сделан со стороны печати, для изготовления по Лазерно-Утюжной Технологии нужно включить «зеркальный» режим).

Рис.17

Настройка и детали.

Основная настройка схем заключается в выставлении нужных опорных напряжений и в подборе сопротивлений низкоомных резисторов. В схемах без регулировочных резисторов можно сначала поэкспериментировать с разными типами светодиодов и разным их цветом свечения, а затем выбрать подходящий исходя из того, что на токовом резисторе, имеющем минимальное сопротивление должно «падать» такое напряжение, чтобы ток стабилизации находился в нужных пределах.

На рисунке 18 показан внешний вид резисторов при изготовлении их из нихромовой проволоки с вариантом крепления к проводникам печатной платы винтами и гайками М3. Соблюдения точного значения сопротивления не требуется, но при желании их номинал можно подобрать или длиной используемой проволоки или уменьшением её диаметра (стачивая витки с помощью надфиля, но это в случае, если резистор заранее имеет немного меньшее сопротивление).

Рис.18

На самом деле, так как большие радиаторы для регулирующих транзисторов поставить в усилитель не получалось, сопротивления токовых резисторов были взяты примерно в 1,3…1,5 раза больше того, чем требовалось – решил, что пусть лучше тепло выделяется на них, чем на транзисторах, и пусть это даже в ущерб рабочему диапазону изменения питающего напряжения. Честно говоря, контроль при изменении сетевого напряжения +/- 20 В был проведен только для экспериментов, а реальные амплитуды изменений у нас в сети не превышают 10 В. С такими «увеличенными» резисторами усилитель работает уже более месяца, за это время никаких проблем не возникало, при периодическом контроле напряжений накалов всё было в норме и по утрам, и днём, и по вечерам.

Если же свободное место в усилителе позволяет поставить радиаторы с большой площадью рассеивания, то тогда резисторы можно взять минимально возможного сопротивления.

Биполярные транзисторы в схемах с током 0,34 А (рис.4 и рис.10) можно заменить на КТ814 и КТ837 с любыми буквами, но в любом случае следует применять транзисторы с максимально большими коэффициентами передачи тока. Схемы неплохо работают при токах стабилизации до 1 А.

Ну, а при токах более 1 А (рис.13 и рис.15) можно применить любой подходящий по характеристикам и конструктивному исполнению N-канальный силовой MOSFET транзистор (кроме указанного 36N03 при макетировании проверялась работа с 10N03 в TO220, а в усилитель «пошли» 45N03 в корпусе TO-263).

Операционный усилитель можно заменить на КР140УД608 (он так же как и КР140УД708 имеет внутренние цепи частотной коррекции) или на другой подобный ОУ, но тогда следует впаять конденсатор ёмкостью от 510 пФ до 4,7 нФ между выводами 2 и 6 микросхемы (на приведенной печатной плате предусмотрено место для установки конденсатора в корпусе SMD 0805).

Суммарной ёмкости электролитических конденсаторов, стоящих после мостового выпрямителя, должно хватать для обеспечения нормальной работы стабилизаторов при самом возможно низком напряжении питания. Появление пульсаций в напряжении накала или, правильнее будет сказать, их заметное увеличение, говорит о том, что схема «выходит» из режима. Во время экспериментов с 2-х амперными стабилизаторами для их нормальной работы хватало «батареи» конденсаторов общей ёмкостью 22 000 мкФ. Если потребуется добавить ещё некоторое количество конденсаторов, то можно или «развести» несколько дополнительных рядов в «гребёнке» на печатной плате, или распаять их на отдельной плате и установить её рядом со стабилизаторами, подсоединив толстыми короткими проводниками. Все конденсаторы должны быть рассчитаны на номинальное напряжение не ниже 10 В.

Ёмкость конденсатора, стоящего на выходе стабилизатора, некритична - можно взять от 100 мкФ и более. Устанавливается конденсатор возле лампы, на печатных платах место под него не разведено.

В качестве диодов моста использованы 10-ти и 30-ти амперные «шотки» SBL1040CT и SBL3040PT, имеющие по два диода в одном корпусе и объединённые общим катодным выводом. В схеме включения их раздельные анодные выводы тоже соединены между собой, в результате чего получается параллельное соединение двух диодов, стоящих в одном корпусе. Это уменьшает нагрев диодов и постоянное прямое напряжение (потери) на них не превышают 0,45-0,55 В в каждом плече моста.

В дополнительном выпрямителе -6 В (рис.15) можно использовать любые диоды с током 1 А и более, а конденсаторы ёмкостью от 100 мкФ до 470 мкФ с рабочим напряжением 16-35 В.

На схемах не показано, но на печатных платах параллельно всем выпрямительным диодам впаяны керамические конденсаторы ёмкостью 10 нФ. Устанавливаются они для снижения уровня импульсной помехи, возникающей в моменты закрывания диодов. Конденсаторы используются в SMD исполнении типоразмера 0805.

В сильноточных вариантах стабилизаторов надо учитывать такую «тонкость», как влияние конструктивных сопротивлений, имеющихся в местах крепления низкоомных резисторов и сопротивление печатных проводников платы (возможно, что понадобится увеличение их сечения «параллельной» пропайкой проводом диаметром 1,5-2,5 мм). Все проводники, входящие и выходящие, должны быть максимально короткими и толстыми – сечением не менее 3 кв.мм (диаметр 2 мм).

Все провода, идущие от трансформатора, должны быть свиты и на них желательно надеть ферритовые кольца с диаметром отверстия, позволяющим пропустить сквозь них 1 или 2 витка. «Свивка» уменьшит уровень электромагнитного излучения, а ферриты создадут преграду ВЧ помехам (как приходящим из сети, так и возникающим в выпрямителях) и улучшают «развязку» цепей.

Если стабилизаторы питать от отдельных обмоток, то они получаются никак гальванически между собой не связаны и любой их выход можно заземлить или привязать к любому постоянному потенциалу усилителя. Например, работая сейчас в усилителе, все стабилизаторы находятся под некоторыми постоянными потенциалами относительно общего провода.

Литература:
1.   Кацнельсон Б.В., Ларионов А.С., «Отечественные приёмно-усилительные лампы и их зарубежные аналоги», 3 изд., Москва, изд. «Энергия», 1981 г.
2.   Титце У., Шенк К., «Полупроводниковая схемотехника», Москва, изд. «Мир», 1982 г.
3.   Хоровиц П., Хилл У., «Искусство схемотехники», том №1, Москва, изд. «Мир», 1986 г.
4.   Бачурин В.В., Ваксенбург В.Я., Дьяконов В.П., Максимчук А.А, Ремнев А.М., Смердов В.Ю., «Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах», Москва, изд. «Радио и Связь», 1994 г.

Андрей Гольцов, г. Искитим

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• УНЧ
• Sprint-Layout