Schetchiksg.ru

Счетчик СГ
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Простейший стабилизатор переменного тока

Простейший стабилизатор переменного тока

Напряжение бытовой электросети (особенно в сельской местности) нередко бывает пониженным, никогда не достигая номинальных 220 В. В подобной ситуации и холодильник плохо запускается, и освещение тусклое, и вода в электрочайнике долго не закипает. Мощность старенького стабилизатора напряжения, предназначенного для питания телевизора, обычно недостаточна для всех других бытовых приборов, да и напряжение в сети зачастую падает ниже допустимого для такого стабилизатора.

Известен простой способ повысить напряжение в сети, используя трансформатор мощностью значительно меньше мощности нагрузки. Первичную обмотку трансформатора включают непосредственно в сеть, а нагрузку — соединив последовательно со вторичной (понижающей) обмоткой трансформатора.

При соответствующей фазировке напряжение на нагрузке будет равно сумме сетевого и снимаемого с трансформатора.

Схема стабилизатора сетевого напряжения, действующего по этому принципу, изображена на рис. 1.

Когда включенный в диагональ диодного моста VD2 полевой транзистор VT2 закрыт, обмотка I (первичная) трансформатора Т1 отключена от сети. Напряжение на нагрузке практически равно сетевому за вычетом небольшого падения напряжения на обмотке II (вторичной) трансформатора Т1. Если же открыть полевой транзистор, цепь питания первичной обмотки трансформатора будет замкнута, а к нагрузке приложена сумма напряжения его вторичной обмотки и сетевого.

Напряжение на нагрузке, пониженное трансформатором Т2 и выпрямленное диодным мостом VD1, поступает на базу транзистора VT1. Движок подстроечного резистора R1 должен быть установлен в положение, при котором транзистор VT1 открыт, a VT2 закрыт, если напряжение на нагрузке больше номинального (220 В). При напряжении меньше номинального транзистор VT1 будет закрыт, a VT2 — открыт. Организованная таким образом отрицательная обратная связь поддерживает напряжение на нагрузке приблизительно равным номинальному.

Выпрямленное мостом VD1 напряжение использовано и для питания коллекторной цепи транзистора VT1 (через интегральный стабилизатор DA1). Цепь C5R6 подавляет нежелательные выбросы напряжения сток—исток транзистора VT2. Конденсатор С1 снижает помехи, проникающие в сеть при работе стабилизатора. Резисторы R3 и R5 подбирают, добиваясь наилучшей и устойчивой стабилизации напряжения. Выключателем SA1 включают и выключают стабилизатор вместе с нагрузкой. Замкнув выключатель SA2, отключают автоматику, поддерживающую напряжение на нагрузке неизменным. Оно в этом случае становится максимально возможным при данном напряжении в сети.

Большинство деталей стабилизатора смонтированы на печатной плате, изображенной на рис. 2.

Остальные соединяются с ней в точках А—Г.

Подбирая замену диодному мосту КЦ405А (VD2), следует иметь в виду, что он должен быть рассчитан на напряжение не менее 600 В и ток, равный максимальному току нагрузки, деленному на коэффициент трансформации трансформатора Т1. Требования к мосту VD1 скромнее: напряжение и ток — не менее соответственно 50 В и 50 мА.

Транзистор КТ972А можно заменить на КТ815Б, a IRF840 — на IRF740. Полевой транзистор снабжен теплоотводом размерами 50×40 мм.

«Вольтодобавочный» трансформатор Т1 изготовлен из трансформатора СТ-320, применявшегося в блоках питания БП-1 телевизоров УЛПЦТ-59. Трансформатор разбирают, и аккуратно сматывают вторичные обмотки, оставив первичные в сохранности. Новые вторичные обмотки (одинаковые на обеих катушках) наматывают эмалированным медным проводом (ПЭЛ или ПЭВ) в соответствии с данными, приведенными в таблице.

Чем сильнее падает напряжение в сети, тем больше потребуется витков и тем меньше допустимая мощность нагрузки.

После перемотки и сборки трансформатора выводы 2 и 2′ половин первичной обмотки, находящихся на разных стержнях магнитопровода, соединены перемычкой. Половины вторичной обмотки нужно соединить последовательно таким образом, чтобы их суммарное напряжение было максимальным (при неправильном соединении оно окажется близким к нулю). По максимуму суммарного напряжения вторичной обмотки и сети нужно определить, какой из оставшихся свободными выводов этой обмотки следует соединить с выводом 1 первичной, а какой — с нагрузкой.

Трансформатор Т2 — любой сетевой с напряжением на вторичной обмотке, близким к указанному на схеме при потребляемом от этой обмотки токе 50. 100 мА.

Включив собранный стабилизатор в сеть, подстроечным резистором R1 установите напряжение на нагрузке равным 220 В. Следует учитывать, что описанное устройство не устраняет колебания сетевого напряжения, если оно превышает 220 В или опускается ниже минимального, принятого при расчете трансформатора.

Стабилизатор, устанавливаемый в сыром помещении, нужно обязательно поместить в заземленный металлический корпус.

От редакции. В некоторых режимах работы стабилизатора мощность, рассеиваемая транзистором VT2, оказывается весьма значительной. Именно она, а не мощность трансформатора, может ограничить допустимую мощность нагрузки. Поэтому следует позаботиться о хорошем отводе тепла от этого транзистора.

Стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения – это прибор, устраняющий дефекты питающей сети, подавая на выход напряжение, близкое к синусоидальному. Компенсирует или устраняет все недостатки. Выработан государственный стандарт, где предъявляются требования к параметрам промышленных энергосетей. Известно, к примеру, что при превышении амплитуды на 10% срок службы лампочек накала снижается вчетверо. Задумайтесь, решая, стоит ли купить стабилизатор напряжения.

Требования к параметрам промышленных сетей питания 220 В переменного тока. Цели стабилизатора напряжения

ГОСТ 13109 однозначно устанавливает требования к качеству напряжения сетей общего назначения:

  1. Действующее значение напряжения (220 В) нормально отклоняется от значения на 5% в обе стороны. Предельно допустимо – на 10%.
  2. Отклонение частоты (50 Гц), как правило, не более 0,2 Гц, максимально допустимое – 0,4.

Отдельные требования предъявляются к дозе фликера – мерцанию. При отклонении напряжения по форме от синусоиды источники света дают визуальные колебания, утомляющие зрение, приводящие к негативным моментам. Особенно это касается нервной системы. Стабилизаторы напряжения способны исправлять форму, предоставляя потребителю идеальное качество.

Стабилизатор питающей сети

Начиная с напряжения 380 В, с поставщиком заключается договор, в основу ложится ГОСТ 13109. Прописываются требования к электрическим параметрам. По нормам действующее значение не должно выходить за рамки 210 – 230 В (округлённо), на практике видим противоположную картину. В результате иные приборы отказываются работать либо выходят из строя. Последнее особенно актуально для трёхфазных сетей, поэтому стабилизаторы напряжения отслеживают параметры и наличие питания по всем каналам. Если ветвь пропадает, энергоснабжение отключается полностью. Это помогает уберечь оборудование и объясняет, почему трёхфазный стабилизатор напряжения нельзя заменить тремя однофазными.

Читайте так же:
Расчет драйвера стабилизатора тока

Стойкие параметры сети снижают, к примеру, шумность персонального блока компьютера. За счёт простого явления – ровное вращения лопастей кулеров. Техника, в особенности электроника, лучше работает при совпадении параметров питающей сети с номинальными. Однако на практике требования ГОСТ 13109 грубо нарушаются. Это происходит не из-за халатности обслуживающего сети персонала, а скорее, по причине неграмотности, наплевательского отношения и несознательности населения.

Предъявляются требования к скачкам напряжения, прочим параметрам. Нетрудно узнать из приложений стандарта 13109. Необходимость оговаривается. К примеру, лампочки накала служат вчетверо меньше при повышении напряжения выше 10%, дают на 40% меньше света, если показатели сети упали на аналогичное значение. Плохи оба варианта случаев. В электронике повышение напряжения накала лишь на 1% (до ли вольта) уменьшает срок службы вакуумной лампы на 15%. Медленные изменения частоты питающего напряжения:

  • В электронно-лучевых трубках нарушают процесс построения изображения. Кадр изменяется в размерах, пропадает фокусировка, варьируется самопроизвольно яркость.
  • В приёмной части нарушается частота гетеродина. В результате качество картинки или звука значительно отличается от нормы.

Быстрые изменения (скачки напряжения) в большинстве случаев напрямую проходят на выход, обнаруживая большую амплитуду. У старых телевизоров это вызывает неприятное дрожание изображения. Если после покупки материнской платы со встроенной графикой оказалось, что магазин подсунул брак, а вернуть не вариант, купите цифровой монитор. В нем эффект устраняется автоматически, благодаря принципу действия.

Итак, стабилизатор напряжения в частых ситуациях качественно повышает показатели и срок службы аппаратуры. В особо тяжёлых случаях – заставит её работать в принципе. Если свет в доме постоянно мерцает, а холодильник работает с перебоями, пора задуматься о покупке стабилизатора напряжения.

Разновидности стабилизаторов напряжения

Внутри стабилизатора напряжения устанавливается регулирующий элемент. От способа управления приборы делятся на три типа:

  1. Параметрические стабилизаторы напряжения действуют предельно просто. Влияют на входной сигнал, чтобы привести его к нужному виду. В них отсутствует схема оценки параметров выходного напряжения, электрическая схема получается максимально простой.
  2. Компенсационный стабилизатор сравнивает выходное напряжение с опорным, вырабатывает управляющий сигнал. Указанный тип приборов идеален для сетей постоянного тока. Простейшими методами опорное напряжение получается применением любого стабилитрона.
  3. Комбинированные стабилизаторы работают на обоих перечисленных принципах одновременно, представляя совокупность лучших качеств прочих моделей.

По способу включения в цепь выделяют стабилизаторы напряжения:

  • Последовательного типа. Регулирующий элемент включён в цепи нагрузки. Эти приборы показывают малый ток холостого хода. Через регулирующий элемент проходит полностью вся мощность. Стабилизаторам напряжения этого типа присущи особенности:
  1. Высокий КПД, экономичность в режиме холостого хода (когда нагрузка отключена или не работает), потрясающий диапазон регулирования. Если стабилитрон способен легко выйти из строя, транзисторный ключ выдерживает жёсткие условия.
  2. Основной недостаток проистекает из схемы: при коротком замыкании или перегрузке надёжность резко снижается, через регулирующий элемент проходит высокий ток, что провоцирует увеличение мощности рассеивания. Дополнительные системы защиты приводят к удорожанию прибора.

Схема подключения стабилизатора

  • Параллельного типа. Регулирующий элемент включён параллельно нагрузке. Образуется подстраиваемый резистивный делитель. Минус – часть мощности сразу непременно теряется. Впрочем, не настолько большая, как полная потребляемая, что в определённой степени снижает требования к элементной базе стабилизатора напряжения. Главные особенности:
  1. Параметрический стабилизатор параллельного типа видел каждый. Это стабилитрон, который применяется, начиная импульсными блоками питания адаптеров сотовых телефонов и заканчивая автоматической схемой управления космического летательного аппарата. Здесь ток стабилизатора выше нагрузочного для обеспечения должной стабильности. Для обеспечения требования иногда приходится параллельные стабилизаторы соединять каскадом, сильно снижая КПД.
  2. По конструкции стабилитрон (единственный элемент) намного проще транзисторного ключа. Это становится главной причиной применения параллельных стабилизаторов на практике. А второй – некритичность к перегрузкам: фактически стабилитрону нет дела, сколько потребляет полезная часть схемы. Но стабильность от этого снижается. Для напряжения 220 В прибор найти сложно.

Параметрические стабилизаторы напряжения – параллельного типа, компенсационные – различаются. Иные приборы способны учитывать температурные колебания или ток потребления. Главенствует принцип деления по конструкции регулирующего элемента:

  1. Любопытными вариантами сегодня признаны электронные. Способны строиться на основе инверторов, чтобы гарантированно обеспечить стабильность частоты. В составе применяются транзисторы, тиристоры и интегральные схемы. Чаще напряжение ограничивается управляющим сигналом. В этом случае идёт управление по току, благодаря сравнительно малому сопротивлению p-n-перехода в открытом состоянии выделяемая мощность не столь велика. К плюсам конструкции относится малый вес и наличие множества настроек, но высочайшая скорость переключения и точность по-прежнему у электромеханических разновидностей.
  2. Электромеханические стабилизаторы напряжения в составе содержат двигатель, переключающий обмотки автотрансформатора (или трансформатора), чтобы компенсировать скачки на входе. Иногда разница между соседними состояниями сводится к единственному витку из толстой медной проволоки. Отсюда великая точность, а скорость часто зависит от характеристик двигателя. Потребуется следить и своевременно проводить обслуживание. В противном случае на контакторах и в механической части возможен ряд негативных эффектов, вплоть до искрения вследствие наводимых ЭДС.
  3. Релейные стабилизаторы напряжения управляют обмотками не настолько точно. Рост количества переключателей снижает надёжность прибора в целом. Полагается тщательно гасить искру, помеху, вредящую нагрузке. Зато релейные стабилизаторы, несмотря на сравнительно низкую точность, относительно бесшумны. Допустимо ставить и в домашних условия. Лишь иногда слышны щелчки реле.
Читайте так же:
Стабилизатор тока трехфазный 10 квт

Стабилизатор релейного типа

Характеристики стабилизаторов напряжения

  • Нестабильность при изменении входного напряжения показывает, какой процент скачка пройдет в нагрузку. Параметр стремятся снизить.
  • Нестабильность при изменении нагрузки показывает, как стабилизатор напряжения отрабатывает потребность приборов в электрическом токе. В реальности возможности ограничены. Выходной ток не может быть бесконечным, иначе сгорит собственно стабилизатор.
  • Диапазон входных напряжений показывает пределы работоспособности аппаратуры касательно параметров сети, а выходных – максимальные отклонения от нормы (в идеале по действующему значению напряжения не более 5% в каждую сторону).
  • Разность напряжений между входом и выходом – максимальная величина, в пределах которой обеспечиваются заданные параметры. Если сеть упадёт ниже или, наоборот – вырастет, режим функционирования нагрузки нарушается.
  • Напряжение шумов – собственные помехи, вносимые стабилизатором напряжения. Для современных сложных моделей неактуально.
  • Чувствительность показывает, на какие изменения входного напряжения реагирует прибор. Все, что меньше, окажется проигнорировано и передано на выход.
  • Скорость отработки считается важным параметром. Лидером в этом плане остаются электромеханические стабилизаторы.

Сложно посоветовать конкретного производителя. Скажем с долей уверенности: строительная техника, электрический инструмент, к классу которых в первом приближении относятся и стабилизаторы, в России умеют делать. Нет опасности купить ерунду по несусветной цене.

Простейший параметрический стабилизатор

Простейшая схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 3.5-1.

Рис. 3.5-1. Простейший параметрический стабилизатор (а) и характеристики, поясняющие его работу (б)

Схема содержит балластный резистор (R_б) и стабилитрон (VD1), включаемый параллельно нагрузке (R_н) (т.е. это стабилизатор параллельного типа), в целях снижения пульсаций выходного напряжения при колебаниях тока в нагрузке может включаться фильтрующий конденсатор (C_ф). Принцип работы параметрического стабилизатора хорошо виден при рассмотрении нагрузочных характеристик, представленных на рис. 3.5-1б. Здесь кривая представляет собой вольт-амперную характеристику стабилитрона, а угол наклона прямой ((alpha)) определяется сопротивлением балластного резистора (R_б) ((operatorname alpha = 1/R_б)). Точка пересечения данной прямой с осью напряжений определяется заданным напряжением на входе стабилизатора (U_<вх>), а точка пересечения с ВАХ стабилитрона характеризует текущий режим работы этого прибора ((I_<ст>), (U_ <ст>= U_<вых>)).

Выходное напряжение стабилизатора ((U_<вых>)), а также ток стабилитрона ((I_<ст>)) определяются положением точки пересечения нагрузочной прямой резистора и ВАХ стабилитрона. Если значение входного напряжения изменится (например, увеличится), то изменится и положение прямой (на рис. 3.5-1б показано пунктиром), а рабочая точка стабилитрона сместится в сторону больших токов. При этом очевидно, что напряжение на стабилитроне (соответственно, и на нагрузке) останется практически неизменным (т.е. происходит его стабилизация на уровне, определяемом типом конкретного применяемого стабилитрона). Приведенные выкладки сделаны в предположении, что (R_н gg R_б) и (I_б approx I_<ст>). С уменьшением (R_н) существенная часть тока стабилитрона будет ответвляться в нагрузку ((I_б = I_ <ст>+ I_н)). Влияние тока нагрузки на нагрузочные характеристики, приведенные на рис. 3.5-1б может быть выражено смещением кривой, изображающей ВАХ стабилитрона, вниз по оси токов на величину тока нагрузки (положение нагрузочной прямой балластного резистора должно оставаться прежним). Если такое смещение будет незначительным, то оно не окажет влияния на выходное напряжение стабилизатора, однако если в результате него рабочая точка стабилитрона перейдет в область с высокой зависимостью напряжения от тока, то стабилизирующие свойства схемы будут нарушены.

Из проведенного анализа следует, что режим работы стабилитрона (положение рабочей точки на ВАХ прибора) определяется значением входного напряжения (U_<вх>) и сопротивлением балластного резистора (R_б). Оптимальный выбор этого резистора (для обеспечения наилучшей стабилизации выходного напряжения при колебаниях входного напряжения) возможен только при учете характера нагрузки (постоянная, переменная) и величины протекающего через нее тока (и возможного диапазона его изменения).

Более глубокий анализ рассматриваемого параметрического стабилизатора позволяет получить следующие выражения для коэффициента стабилизации (K_<ст>) и для расчета оптимальной величины балластного сопротивления (R_б):

( R_б = cfrac left( 1 — 0,01 cdot operatorname U_ <вх>right) — U_<вых>> + I_<ст min>>),

(r_<ст>) — дифференциальное сопротивление стабилитрона,

(operatorname U_<вх>) — предельное относительное отклонение входного напряжения от его среднего значения, %.

Конкретное значение выходного стабилизированного напряжения определяется типономиналом применяемого стабилитрона. При выборе стабилитрона следует учитывать и такой параметр, как максимально допустимый ток стабилизации ((I_<ст max>)). При переменном характере нагрузки может потребоваться достаточно большой запас по этому значению. Если напряжение стабилизации мало (1. 3 В), вместо стабилитронов должны применяться стабисторы. Кроме этого возможно использование многих широко распространенных светодиодов, которые, также как и стабисторы, имеют резкий изгиб прямой ветви вольт-амперной характеристики в диапазоне напряжений 1,5. 2,5 В.

Схема стабилизатора напряжения сети

Стабилизатор представ­ляет собой сетевой авто­трансформатор, отводы обмотки которого пере­ключаются автоматичес­ки в зависимости от величины напряжения в электросети.

Стабилизатор позво­ляет поддерживать вы­ходное напряжение на уровне 220V при измене­нии входного от 180 до 270 V. Точность стабили­зации 10V.

Принципиальную схему можно разделить на слаботоковую схему (или схему управления) и сильнотоковую (или схе­му автотрансформатора).

Схема управления пока­зана на рисунке 1. Роль измерителя напряжения возложена на поликомпараторную микросхему с линейной индикацией напряжения, — А1 (LM3914).

Сетевое напряжение поступает на первичную обмотку маломощного трансформатора Т1. У этого трансформатора есть две вторичные обмотки, по 12V на каждой, имеющие один общий вывод (или одна обмотка на 24V с отво­дом от середины).

Читайте так же:
Импульсный стабилизатор тока ne555

Выпрямитель на диоде VD1 служит для получения питающего напряжения. Напряже­ние с конденсатора С1 поступает на цепь пита­ния микросхемы А1 и светодиодов оптопар Н1.1-Н9.1. А так же, он служит для получения образцовых стабильных напряжений мини­мальной и максимальной отметки шкалы. Для их получения используется параметрический стабилизатор на УЗ и Р1. Предельные значения измерения устанавливаются подстроечными резисторами R2 и R3 (резистором R2 — верхнее значение, резистором RЗ -нижнее).

Измеряемое напряжение берется с другой вторичной обмотки трансформатора Т1. Оно выпрямляется диодом VD2 и поступает на резистор R5. Именно по уровню постоянного напряжения на резисторе R5 производится оценка степени отклонения сетевого напря­жения от номинального значения. В процессе налаживания резистор R5 пред­варительно устанавливают в среднее положе­ние, а резистор RЗ в нижнее по схеме.

Затем, на первичную обмотку Т1 от автотрансфор­матора типа ЛАТР подают повышенное напряжение (около 270V) и резистором R2 выводят шкалу микросхемы на значение, при котором горит светодиод, подключенный к выводу 11 (временно вместо светодиодов оптопар можно подключить обычные свето-диоды). Затем входное переменное напря­жение уменьшают до 190V и резистором RЗ выводят шкалу на значение когда горит свето­диод, подключенный к выводу 18 А1.

Если вышеуказанные настройки сделать не удается, нужно подстроить немного R5 и повторить их снова. Так, путем последова­тельных приближений добиваются результата, когда изменению входного напряжения на 10V соответствует переключение выходов микро­схемы А1.

Всего получается девять пороговых значе­ний, — 270V, 260V, 250V, 240V, 230V, 220V, 210V, 200V, 190V.

Принципиальная схема автотрансформатора показана на рисунке 2. В его основе лежит переделанный трансформатор типа ЛАТР. Корпус трансформатора разбирают и удаляют ползунковый контакт, который служит для переключения отводов. Затем по результатам предварительных изме­рений напряжений от отводов делают выводы (от 180 до 260V с шагом в 10V), которые, в дальнейшем переключают при помощи симисторных ключей VS1-VS9, управляемых системой управления посредством оптопар Н1-Н9. Оптопары подключены так, что при снижении показания микросхемы А1 на одно деление (на 10V) происходит переключение на повышающий (на очередные 10V) отвод автотрансфор­матора. И наоборот, — увеличение пока­заний микросхемы А1 приводит к пере­ключению на понижающий отвод авто­трансформатора. Подбором сопротивления резистора R4 (рис. 1) устанавливают ток через светодиоды оптопар, при котором симис-торные ключи переключаются уверенно. Схема на транзисторах VТ1 и VT2 (рис. 1) служит для задержки включения нагрузки автотрансформатора на время, необходимое на завершение переход­ных процессов в схеме после включе­ния. Эта схема задерживает подключе­ние светодиодов оптопар к питанию.

Вместо микросхемы LM3914 нельзя использовать аналогичные микросхемы LM3915 или LM3916, из-за того, что они работают по логарифмическому закону, а здесь нужен линейный, как у LM3914. Трансформатор Т1 — малогабаритный китайский трансформатор типа TLG, на первичное напряжение 220V и два вто­ричных по 12V (12-0-12V) и ток 300mА. Можно использовать и другой аналогич­ный трансформатор.

Трансформатор Т2 можно сделать из ЛАТРа, как описано выше, или намотать его самостоятельно.

Симисторы можно использовать другие, — все зависит от мощности нагрузки. Можно даже использовать в качестве элементов коммутации элекромагнитные реле.

Сделав другие настройки резисторами R2, RЗ, R5 (рис. 1) и, соответственно, другие отводы Т2 (рис. 2) можно изме­нить шаг переключения напряжения.

Кривошеим Н. Радиоконструктор. 2006г. №6.

  1. Андреев С. Универсальный логичес­кий пробник, ж. Радиоконструктор 09-2005.
  2. Годин А. Стабилизатор переменного напряжения, ж. Радио, №8, 2005

ПРОСТОЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР

    Вероника Косинская 4 лет назад Просмотров:

1 ПРОСТОЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР Евгений Карпов NexTube В статье рассмотрена возможность применения полупроводниковых стабилизаторов для питания анодных цепей ламповых аудиоусилителей. Приведены результаты сравнительного тестирования двух типов высоковольтных источников питания классической схемы с выходным LC- фильтром и с полупроводниковым стабилизатором. Дано полное описание принципиальной схемы стабилизатора и приведен перечень её элементов. Подробно рассмотрена методика налаживания стабилизатора и особенности его конструкции.

2 Введение Самый простой усилитель обязательно содержит в себе второе устройство источник питания. Непосредственно усилителям посвящено множество публикаций, а источники питания находятся в тени, хотя от их параметров существенно зависит итоговый результат. Для твердотельных устройств с относительно низкими напряжениями питания реализация высококачественного источника не представляет особых проблем, за Вас уже подумали производители микросхем. С высоковольтными источниками питания для ламповых усилителей дела обстоят гораздо хуже. Тут образовался некий вакуум. Во-первых, нет подходящих микросхем, непосредственно рассчитанных на работу с высокими напряжениями. Во-вторых, практически отсутствуют публикации профессиональных разработок, доступных для повторения любителями средней квалификации. Я попытаюсь частично заполнить этот пробел и попутно решить еще один вопрос вопрос качества выходных емкостей. Позволю себе напомнить читателям, что в однотактных усилителях, пожалуй, наиболее популярных у начинающих конструкторов, ток сигнала выходного каскада непосредственно протекает через цепи источника питания [1],[2]. Следовательно, параметры источника (выходное сопротивление, нелинейность и динамика) непосредственно влияют на выходной сигнал. Совершенно очевиден вывод, если источник анодного напряжения идеальный, а именно, имеет выходное сопротивление равное нулю в широком диапазоне частот и бесконечную энергетику, то он и не окажет какого-либо влияния на выходной сигнал. К сожалению, ничего идеального нет (разве что, любимая женщина), но никто не запрещает к этому стремиться. Исходя из этой простой предпосылки, и был спроектирован высоковольтный стабилизатор. Возможные альтернативы Совершенно естественно выглядит следующая мысль: ламповая схема ламповый стабилизатор. Но тут существует два «но». Во-первых, чтобы получить хорошие выходные параметры (низкое выходное сопротивление и хорошую динамику), необходимо иметь высокий коэффициент усиления в петле обратной связи в широкой полосе частот. Такой усилитель сигнала ошибки можно реализовать на лампах, но его вряд ли можно будет назвать простым. Во-вторых, существует проблема регулирующей лампы. Пригодные для этих целей лампы дороги и дефицитны. Путь решения первой проблемы существует, это гибридные схемы. Это вполне разумный подход, но вторая проблема остается. Можно пытаться использовать для стабилизации высоких напряжений стандартные интегральные стабилизаторы (и такие попытки предпринимаются). Хотя такие стабилизаторы имеют отличные параметры, их использование затруднено малым значением максимального входного (типовое значение 40V) напряжения. Чтобы получить приемлемую надежность, обязательно использование предварительного стабилизатора, снабженного собственными цепями защиты по току. И все равно, надо использовать дополнительные цепи защиты от перенапряжения. Когда все вопросы обеспечения надежности решены, схему уже не назовешь простой. Теоретически, можно использовать импульсные преобразователи, но, на мой взгляд, приемлемый уровень помех для таких деликатных устройств могут обеспечить только резонансные преобразователи. Такие устройства сложны и дороги. Меня вообще удивляет тот факт, что с одной стороны, обсуждается вопрос влияния на качество звука коммутационных процессов в выпрямительных диодах, а с другой стороны, делаются попытки использовать импульсные блоки питания. В них на коллекторе силового транзистора и выпрямительных диодах действуют импульсные напряжения с амплитудой в сотни вольт и скоростью нарастания фронтов, достигающей тысяч вольт в микросекунду. При этом длительность импульсов (иногда и частота) промодулирована частотой усиливаемого сигнала. Для решения поставленной задачи я избрал другой путь: просто реализовать линейный высоковольтный стабилизатор, используя все возможности современной элементной базы. В результате, удалось реализовать стабилизатор, содержащий всего три активных элемента и обладающий достаточно хорошими параметрами, чтобы «прикидываться» идеальным в заданной рабочей области. 2

Читайте так же:
Для чего предназначен стабилизатор тока 1

3 A I0=65mA const. 220V FU1 D1-D4 1N4007 Testing circuit 280V const. RL=2.4kOhm 6N13S 6 H 1.6A 200.0x500V

G 100.0x500V IAC=24.5mA const. G C Rs=1Ohm Тестирование Прежде чем привести схему стабилизатора, я хочу представить результаты сравнительного тестирования типового источника с индуктивным П-фильтром [3] и источника со стабилизатором (попутно Вы решите, надо ли читать дальше). Тестирование проводилось по схеме, показанной на рисунке 1. В качестве тестируемой схемы включался или образцовый LC- фильтр, показанный на рисунке 2, или стабилизатор. Номиналы элементов фильтра выбраны близкими к типичным значениям, в фильтре ис- Рисунок 1 Рисунок 2 пользовалась высококачественная металлобумажная емкость умопомрачительных габаритов. Для возбуждения переменной составляющей тока в цепи источника питания использовался каскад на мощном триоде с резистивной нагрузкой, работающий в классе «А» (цепи накала и смещения на рисунке не показаны). Это хорошая модель реальной нагрузки. Для измерения тока покоя и переменной составляющей анодного тока использовался резистор Rs. Все испытания проводились в строго одинаковых условиях (обозначены на рисунке 1). Контролировались следующие параметры: 1. Выходное сопротивление. Измерения проводились следующим образом: устанавливалось значение переменного тока, текущего через источник в 24.5 ma (на первой гармонике), к точкам G и A подключался селективный вольтметр и измерялась переменная составляющая напряжения. Измерения проводились в диапазоне частот 30Hz 50kHz (всего было получено 17 точек). По закону Ома вычислялось сопротивление. Результаты измерений показаны на рисунке Реакция на нагрузку импульсного характера. Для этой цели на вход каскада подавались прямоугольные импульсы. Размах тока устанавливался максимально возможным, но без отсечки анодного тока. К точкам G и A подключался осциллограф. Осциллограммы показаны на рисунках Уровень пульсаций выходного напряжения и общий уровень шумов. Для этой цели к источнику подключался резистивный эквивалент нагрузки, а к точкам G и A спектроанализатор. Результаты измерений показаны на рисунках 8 и Влияние источника на спектр выходного сигнала каскада. Для этой цели спектроанализатор подключался параллельно датчику тока (к точкам G и С). Результаты измерений показаны на рисунках 10 и Коэффициент стабилизации по току нагрузки и входному напряжению (только для стабилизатора). Результаты измерений приведены в таблице 1. Для проведения испытаний использовались следующие приборы: Спектроанализатор — HP 3585A; Селективный вольтметр — Siemens D2008; Осциллограф — Tektronix 2425; Генератор — Г3-118; Вольтметр — В7-46/1; Амперметр — M1107; 3

4 Рисунок 3 Рисунок 4 Ток нагрузки (нижний луч, стабилизатор) Рисунок 5 Напряжение питания (нижний луч, стабилизатор) Рисунок 6 Ток нагрузки (нижний луч, LC — фильтр) Рисунок 7 Напряжение питания (нижний луч, LC — фильтр) 4

5 Рисунок 8 Пульсации и шум (стабилизатор) Рисунок 9 Пульсации и шум (LC — фильтр) Рисунок 10 Спектр тока нагрузки (стабилизатор) Рисунок 11 Спектр тока нагрузки (LC — фильтр) Анализ результатов тестирования На основании полученных результатов можно сделать ряд выводов. Наибольший практический интерес имеет возможность получения низкого выходного сопротивления в широкой полосе частот. Выходное сопротивление стабилизатора значительно ниже, чем у LC-фильтра, и имеет более стабильный характер. Это позволяет существенно уменьшить влияние источника на выходной сигнал, использовать выходную емкость гораздо меньшего номинала и питать от одного источника два канала усилителя, не уменьшая переходного затухания между каналами. Реакция стабилизатора на импульсную нагрузку также более благоприятная. На рисунке 6 отчетливо виден скол импульса тока через лампу (нижний луч), возникающий за счет снижения напряжения источника питания (рис. 7). Частота возбуждающих импульсов (верхний луч на рис. 4 7) равна 1 khz, на более низких частотах величина скола будет расти. Величина пульсаций на выходе источника с LC-фильтром и стабилизатором имеет сравнимые значения (ничто не мешает Вам, увеличив индуктивность дросселя, уменьшить уровень пульсаций). Но общий уровень шума на выходе стабилизатора выше, это маленькая ложка дегтя в бочке меда. Но меня, честно говоря, это не особенно смутило, шумовое напряжение на зажимах стабилизатора не превышает 280 микровольт. В реальном усилителе, где использовался такой источник, не взвешенный уровень шума составил -71db. Существенного различия в спектре тока каскада для источника с LC-фильтром и стабилизатором не наблюдается (кстати, полученные спектры при работе каскада на абсолютно линейную нагрузку, будут интересны тем, кто использует или намеревается использовать лампу 6Н13С). Использование стабилизатора обеспечивает высокое постоянство анодного напряжения, на мой взгляд, это хорошо всегда. Также это позволяет без особого риска использовать лампу близко к предельным режимам. 5

Читайте так же:
Стабилизатор постоянного тока для двигателя постоянного тока

7 Схема стабилизатора Основные параметры стабилизатора приведены в таблице 1, температурная и долговременная нестабильность выходного напряжения, в основном, определяются параметрами примененной микросхемы TL431. Таблица 1 Параметр Режим измерения Значение Единицы Максимальное входное напряжение (V IN ) I LOAD =0.1A, V OUT =280V 420 V Максимальный выходной ток (I LOAD ) V IN = V 0.12 A Ограничение выходного тока V IN = V I LOAD А Выходное напряжение (V OUT ) I LOAD =0 0.1A 280 V Максимальное падение напряжения на стабилизаторе I LOAD =0.1A 15 V Нестабильность выходного напряжения от входного V IN = V, I LOAD =0.1A 0.35 % Нестабильность выходного напряжения от тока нагрузки V IN =330V, I LOAD =0 0.1A 0.5 % Подавление пульсаций входного напряжения на частоте 100Hz V IN =330V, I LOAD =0.1A -51 db Выходное сопротивление в диапазоне частот 30Hz 20kHz V IN =330V, I LOAD =0.065A 8 Конструкция стабилизатора Наилучшим решением будет монтаж всех элементов стабилизатора на печатной плате (емкость C4 можно разместить отдельно). Теплоотводящие поверхности транзисторов VT1, VT2 должны выходить за пределы платы так, чтобы их можно было прикрепить к теплоотводу. Теплоотвод должен рассеять мощность порядка 15W (достаточна площадь см 2 ). При конструировании печатной платы Вам необходимо помнить, что усилитель ошибки имеет большое усиление в широкой полосе частот. Поэтому необходимо стремиться делать все проводники минимальной длины и правильно трассировать земляную цепь. Желательно, чтобы топология платы соответствовала показанной на принципиальной схеме. Пример конструкции стабилизатора показан в приложении 2. Налаживание стабилизатора Особого налаживания стабилизатор не требует. Первое включение целесообразно делать, плавно повышая напряжение на входе и подключив к выходу стабилизатора эквивалент нагрузки (20 30% номинальной). Когда стабилизатор войдет в режим, установите на входе 330V и проверьте значения напряжений в точках, отмеченных на принципиальной схеме. Возможно, придется подстроить выходное напряжение (особенно, если в делителе R9 R11 используются резисторы низкой точности) изменением величины резистора R11. Самой главной операцией является проверка отсутствия самовозбуждения во всех режимах работы. Возникновение генерации, в общем случае, является первым признаком неудачного монтажа. Для проверки соберите схему, показанную на рисунке 13. Величины сопротивлений определяются по формулам : VOUT R1 =, I OUT VOUT R2 = I OUT VIN= V A VOUT 220V FU1 D1-D4 1N4007 Regulator C AC input R1 R2 1.6A 150.0x450V S Рисунок 13 Тестовая схема Внимание, вход осциллографа должен допускать уровень постоянной составляющей, равной V OUT. Установив чувствительность входа порядка mV, наблюдайте осциллограмму. На выходе стабилизатора не должно наблюдаться генерации в любом положении ключа S. Установив ждущий режим развертки и периодически коммутируя ключ S, Вы сможете увидеть переходной процесс установки напряжения. В момент коммутации на фронтах могут наблюдаться несколько затухающих колебаний с амплитудой в сотни милливольт. Если в любом из режимов возникает генерация, ее надо устранить. Для устранения генерации первоначально немного уменьшите общий коэффициент усиления, увеличив резистор R5 до 10 kω. Если это не поможет, придется подобрать номиналы элементов цепочки R7, C2. Значение емкости надо увеличивать. Когда генерация устранена, увеличивайте величину R7 до возникновения генерации. Установите резистор с сопротивлением приблизительно на 10% меньше. Имейте в виду, что увеличение значений номиналов корректирующей цепочки ухудшает параметры стабилизатора. Изменение выходного напряжения и тока Максимальное значение выходного тока можно изменить, меняя величину резистора R8. Приблизительный порог начала ограничения тока можно определить по формуле: 2. 8 I MAX = (А). R8( Ω) G 8

9 Увеличивая выходной ток, не забудьте соответственно увеличить габариты охладителя. Для изменения значения выходного напряжения стабилизатора необходимо изменить величину суммы резисторов R10, R11 (в любом сочетании) R9( Ω) (R10 + R11) = (Ω). 6 VOUT R9( Ω) Если Вы, изменяя выходное напряжение, существенно измените и входное (V IN ), необходимо изменить параметры делителя R1, R2. На базе транзистора VT1 должно быть напряжение порядка 15 20V при номинальном входном напряжении. Ток через делитель выбирается в пределах ma. Изменение выходного и входного напряжения приводит к изменению рассеиваемых мощностей на элементах схемы, не забывайте их контролировать и вносить соответствующие коррекции. При замене типов компонентов обязательно учитывайте их максимальные рабочие напряжения (это относится и к резисторам) и рассеиваемые мощности. Заключение Применение этого стабилизатора позволяет частично решить проблему выходной емкости фильтра, исключить применение дросселя (моточные узлы вызывают наибольшие затруднения), повысить общие качественные показатели усилителя. На мой взгляд, его использование целиком оправдано для однотактных схем и двухтактных усилителей, работающих в классе «AB». Я надеюсь, что достаточно подробное описание позволит легко повторить стабилизатор даже начинающим любителям. Литература 1. Г.В. Войшвилло, Усилители низкой частоты, Связьиздат, Е.В. Карпов, Источники питания для ламповой High-End аудио аппаратуры, NexTube, R.W. Landee, D. C. Davis, A.P. Albrecht, Electronic designers handbook, С.Д. Додик, Полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения и тока, Советское Радио, Проектирование стабилизированных источников электропитания радиоэлектронной аппаратуры, Л.А. Краус и др., Энергия,

10 Приложение1 Перечень компонентов 10

11 Приложение 2 Вид на монтаж стабилизатора Приложение 3 Расположение выводов элементов 11

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию