Лабораторный БП для ламповых усилителей

Основная цель
мини-проекта - получить источник питания для макетирования и отработки схемотехники ламповых каскадов.

Основные требования:

  • по возможности компактный размер;
  • анодное +300 Вольт 0.5А с фильтрацией пульсаций электронным фильтром для отладки высокочувствительных схем; обеспечивается плавное увеличение напряжения 300В в течение 10-15 сек. (аналог кенотронного питания);
  • анодное выпрямленное +350 Вольт 1А без всякой фильтрации, для экспериментов с фильтрами и стабилизаторами в самих отлаживаемых устройствах;
  • два накала переменным током ~6.3Вольт 3А для общих случаев;
  • один стабилизированный накал постоянным током =6.3 Вольт 1А с очень малым уровнем помех и пульсаций для питания слабосигнальных каскадов;
  • дополнительный выход ~220 Вольт 1А, гальванически развязанный с сетью, для экспериментов с первичными цепями импульсных блоков питания;
  • защита от превышения тока по уровню 0,5А (защита от кратковременного, менее секунды, короткого замыкания или ограничение тока в случае перезаряда мощных конденсаторов);
  • защита от перегрева силового транзистора свыше 80С - автоматическое отключение нагрузки до нормализации температурного режима;
  • формирование стабилизированного напряжения отрицательного смещения;
  • регулировка напряжения отрицательного смещения независимо по 2-м каналам.

История изменений:

3.0    Удалены из схемы (выкушены) стабилитроны ZD3 - ZD7 в связи с хаотичным лавинным пробоем стабилитронов и возникновения на выходе стабалазиатора "стреляющего шума". Проблема сначала была обнаружена некоторыми читателями, повторившими схему, а затем она всплыла и в моём образце после длительного простоя источника питания. В результате удаления ZD3 - ZD7 стабилизатор переведен в режим "электронного дросселя", аналога дросселя с большой (не менее 100 Гн) индуктивностью. В простое напряжение на выходе стабилизатора равно 330 В при входном 350 В, под нагрузкой проседает до 320 ... 310 В.
2.2    Дополнил статью в часть описания анодного и накального стабилизатора; поправил кое-какие опечатки в обозначении элементов в тексте.
2.1    Встроен индикатор анодного тока от 0 до 150мА и изменен порог срабатывания защиты по току анода, R9 увеличен с 1 Ом до 3 Ом. В результате при токе выше 180 мА и выше напряжение на выходе плавно уходит до нуля, ток К.З составляет 200 мА. Теперь убить лабораторник стало гораздо сложнее.
2.0    Значительно изменен узел формирования напряжения отрицательного смещения - теперь он стал двухполупериодный по мостовой схеме и не влияет на основной анодный выпрямитель в отсутствие нагрузки; изменена печатная плата.
1.2    Изменена печатная плата в соответствии со всеми изменениями (текущая опубликованная редакция).
1.1    Конденсатор С5 заменен с электролитического 22 µF * 400V на полипропиленовый 1 µF * 275 V (X2) и R4 увеличен с 1 МОм до 4.7МОм, чем улучшено качество фильтрации и значительно увеличена надежность блока в аварийных режимах, в том числе в режиме кратковременного короткого замыкания на выходе.
1.0    Первый законченный образец.


Схема

Принципиальная схема

Конструкция выполнена по классической схеме трансформатор - мостовой выпрямитель - конденсатор фильтра - схема стабилизации. Анодный выпрямитель к тому же имеет отводы ~220 V гальванической развязки (разьем X5) и выход непосредственно с конденсатора фильтра без стабилизации (разьем X4). Цепи отрицательного смещения выполнены по схеме вольтодобавки. Особенности узлов будут освещены ниже.


рис.1 Полная принципиальная схема лабораторного источника питания

Стабилизатор анодного напряжения

Выполняет две задачи: эффективно сглаживает пульсации выходного напряжения и обеспечивает плавную подачу высокого (анодного) напряжения, предотвращая аварийные режимы при включении. Стабилизатор имеет защиту от перегрузки по току. Немного подробнее о работе защиты: при указанном номинале R9 в 1 Ом при токе более 500 мА падение на нем составит 0.5 Вольт и возникший ток базы через R10 начнет отпирать транзистор Q2, который, в свою очередь, соединит собой исток и затвор Q1 и будет его принудительно закрывать. Напряжение на выходе фильтра начнет соответственно понижаться со скоростью разряда выходного конденсатора C12, конденсатора опорной цепочки C5 и стекания его заряда через резистор R5. Сам силовой транзистор Q1 полностью не закрывается, а переходит в режим стабилизации тока на уровне 0.5 А. Если превышение будет долгим, транзистор может выйти из строя от перегрева из-за чрезмерной рассеиваемой мощности, поэтому допускать короткого замыкания и работы в режиме ограничения тока крайне нежелательно. Защита призвана сгладить именно кратковременные (менее секунды) импульсы, переходные процессы, коммутацию, искрение.
Изменяя номинал R9, можно задать нужный порог срабатывания электронной защиты.
Подробнее о работе электронного фильтра можно почитать здесь http://www.radiolamp.ru/drossel.php и здесь http://sergeev21.narod.ru/uzf.htm

рис.2 Принципиальная схема анодного фильтра

Конденсатор C5 должен иметь как можно меньшую утечку, лучше всего применить высококачественный пленочный конденсатор (и ни в коем случае не бумажный! типа КБГ, МБГО и т.п.). На печатной плате предусмотрена возможность установки разных типоразмеров конденсаторов на выбор. Емкость конденсатора C5 в сочетании с сопротивлением R4 задает время нарастания напряжения на выходе:
t ~= 2...3 x (R4 x C5),
и при указанных номиналах С5=1µF и R4=4,7 МОм составляет около 10-15 секунд. Эту особенность можно использовать для организации задержки подачи анодного напряжения мощных радиоламп. Следует помнить, что чем выше сопротивление R4, и, следовательно, чем меньше ток "подпитки" утечки конденсатора С5 - тем выше требования к утечке и качеству самого конденсатора! Утечкой через элементы Q1, ZD8 и Q2 теоретически можно пренебречь при их заведомом качестве, суммарно она должна быть на порядок меньше утечки через конденсатор.
Диод VD6 несет защитную функцию - обеспечить разряд С5 после отключения питания и в нормальной работе схемы не участвует. Стабилитрон ZD8 обеспечивает защиту перехода Q1 от статики и аварийных режимов. Стабилитроны ZD3-ZD7 набраны из нескольких последовательно включенных стабилитронов так, чтобы в сумме было получено нужное выходное напряжение. В случае требуемого выходного напряжения 300 Вольт суммарное напряжения на стабилитронах должно составлять 305 Вольт, для этого потребуется 4 стабилитрона на 68 Вольт и один на 33 Вольт, включенные последовательно. Ток через стабилитроны ZD3-ZD7 задается сопротивлением R4 и крайне мал. Можно вообще отказаться от них (не устанавливать), в таком случае стабилизатор перейдет в режим "электронного дросселя" и будет просто сглаживать пульсации, но напряжение на выходе будет зависеть от нагрузки (в довольно больших пределах). Фактически, в таком режиме напряжение на выходе схемы будет примерно соответствовать минимальному пику пульсаций напряжения на входе. Это предпочтительнее в сильноточном (более 300 мА) режиме, потому что нагрев транзистора Q1 будет заметно меньшим; иначе, возможно, придется позаботиться о более эффективном радиаторе для Q1. В любом случае, лучше всего отрегулировать защиту по максимально допустимому для конкретного стабилизатора тепловому режиму и выходному току, соответственно пересчитав номинал R9.

Стабилизатор накала

Выполнен по классической схеме на линейном интегральном стабилизаторе с той лишь разницей, что из-за низкого напряжения на обмотке ТН44 и последующем дополнительном падении напряжения на диодах выпрямителя на выходе выпрямителя в идеале имеем всего около 7.7 Вольт. Поэтому были выбраны диоды 1N5821 с минимальным прямым падением на номинальном токе (0.50V @3A) и применен стабилизатор типа Ultra Low Dropout voltage типа LM1085IT-ADJ с минимальной разницей между входом и выходом порядка 1 Вольт на токе 1А (замена: LM1084 на 7.5A, LT1086 и 1.5 А соответственно). Нужное выходное напряжение задается делителем R8, R7, R6 и RP1 в цепи ADJ микросхемы LM1085. Подстроечный резистор RP1 позволяет более точно задать требуемое напряжение на выходе.


рис.3 Принципиальная схема стабилизатора накала

Коэффициент подавления пульсаций у этой микросхемы не хуже 72 dB (4.000 раз), что гарантированно обеспечивает уровень пульсаций на выходе менее милливольта, а уровень шумов - 200 мкВ.
Емкость C6 набрана из двенадцати конденсаторов 1000µF x 10V, применение мной низкопрофильных конденсаторов - ограничение конструктива; пульсации на выпрямителе при таком номинале составляют чуть больше вольта в размахе. Если позволяет высота - можно набрать C6 из более высоких 2200µF x 10V, что уменьшит пульсации и увеличит максимальный допустимый выходной ток накального стабилизатора до 2 Ампер при входном переменном напряжении 6,3 В и до максимально возможного для этого типа микросхемы (3А или 7.5А) при входном переменном с трансформатора 7,5-7,7 В, если позаботиться о достаточном её охлаждении.
Об устойчивости: производитель рекомендует и считает достаточным наличие на выходе одного высококачественного алюминиевого конденсатора на 100 или 150 µF (на схеме - С9) либо твердотельного танталового конденсатора 22 µF. В этом случае гарантируется стабильность и устойчивость работы. О защите микросхемы от перегрузок: только в том случае, когда в нагрузке окажется конденсатор емкостью 1000 - 4700 µF (в схеме C9 имеет номинал 330µF), для предотвращения выхода из строя микросхемы желательно (но не обязательно) включение защитного диода типа 1N4002 - 1N4007 между выходом и входом IC1 (катодом ко входу), который нужен для разрядки C9 после выключения блока из сети.
Керамические конденсаторы C7 и C8 введены для дополнительной устойчивости и снижения шумности микросхемы на ВЧ; резистор R12 обязателен для подгрузки стабилизатора на холостом ходу.
В любом случае, если есть возможность домотать несколько витков на накальный трансформатор, имеет смысл увеличить переменное напряжение на входе с 6.3 до 7,5...7,7 Вольт, что даст запас по нагрузочной способности.

Блок отрицательного смещения

У имеющегося у меня трансформатора нет "лишней" обмотки для организации напряжения смещения отрицательной полярности, поэтому пришлось использовать метод "вольтодобавки" на однополупериодном выпрямителе VD4 C3, обеспечив развязку конденсатором C1. Полученное напряжение выравнивается параметрическим стабилизатором R2, C4, ZD1-ZD2. Ток, потребляемый узлами исследуемого аппарата от подобного источника смещения, обычно мизерный (микроамперы - доли миллиампер), поэтому задан ток параметрического стабилизатора около 3 мА; чтобы исключить ненужный нагрев и стабилитронов ZD1, ZD2 и гасящего резистора R2. C выхода параметрического стабилизатора отрицательного смещения напряжение подается на потенциометры RP2 и RP3, которыми задается нужное напряжение смещения в исследуемых схемах. Ток, текущий через этот каскад, составляет около 2,8 мА и его нужно учитывать в расчете балластного сопротивления R2 и требуемого тока через стабилитроны.


рис.4 и 5 Принципиальная схема цепей формирования напряжения отрицательного смещения

Печатная плата

Так как будущий корпус весьма компактен, пришлось принять меры для того, чтобы "вписать" все узлы в существующий конструктив и при этом обеспечить нужный режим охлаждения. Для этого, например, как было сказано выше, емкость C5 представляет собой 12 включенных параллельно конденсаторов 1000µF x 10V (D=10mm, h=12mm), чтобы получился "большой и плоский" конденсатор на 12.000µF x 10V. В качестве радиаторов для Q1 и IC1 использованы отрезки уголка 40х20х2мм длиной 58мм. Площадь рассеяния радиаторов составляет примерно 50кв.см, что позволяет рассеять на них по 10W тепла при температуре около 70С, что для IC1 более чем достаточно, а для тепловые режимы для Q1 требуется уточнить при эксплуатации. Для придания необходимой жесткости плата по длинной стороне усиливается дюралевым уголком 10х10х1мм, являющимся также и верхней частью каркаса корпуса.

рис.6 Монтажный чертеж

рис.7 Вид на плату со стороны деталей


рис.8 Вид на плату со стороны пайки

Конструкция

Корпус

Корпусом будущей конструкции послужил добротный металлический корпус отслужившего своё блока бесперебойного питания APS BackUPS BK500, одна из первых модификаций, без светодиодов на передней панели, ориентировочно 2003 года выпуска (впоследствии в "квадратик" в верхней части передней панели был врезан стрелочный индикатор, на фото его нет).

Внутренности полностью удалены; так как печатная плата представляла собой часть конструкции, то с помощью двух уголков восстановлена рама и жесткость корпуса.  Вместо аккумулятора прекрасно встал анодный  трансформатор ТА262-127/220-50 (он же используется как трансформатор гальванической развязки). Накальный трансформатор ТН44-127/220-50 размещен на штатном месте, все элементы выпрямителей и стабилизаторы смонтированы на образовавшемся "шасси" из уголков.

рис.9 Вид получившегося шасси без каркаса и без платы выпрямителей
рис.10 Вид на заднюю панель с клеммами нагрузок

Шесть пар выходных винтовых клемм: ~220V, =350, =300Vстаб,~6.3V/3A, ~6.3V/3A и =6.35V/1A смонтированы на стеклотекстолитовой планке, установленной вместо счетверенного гнезда выходных клемм UPS типа IEC320.

Два резистора регулировки напряжения смещения установлены слева вверху, клеммы подключения цепи отрицательного смещения - ниже, между предохранителем и сетевым разъемом. Оригинальный механический предохранитель на 4.5А сохранен.

Плата стабилизаторов

Плата стабилизаторов выполнена в виде единого модуля - части конструктива рамы корпуса. Два радиатора заполняют свободные щели вокруг силового анодного трансформатора. Балластное сопротивление R4 (четыре резистора 47кОм на 1 W каждый, включенные параллельно-последовательно) пока ещё не смонтированы. Отверстия в плате необходимы для отвода тепла от них. Все подключения к плате выполняются через клеммные колодки.

рис.11 Плата стабилизаторов в сборе
рис.12 и 13 Устройство в сборе со снятым кожухом

Общие замечания о конструкции и технологии

Общий вид собранного устройства.  Монтаж, как видно, выполнен очень компактно, свободного места осталось совсем немного.

Провода уложены в жгуты с разделением на три категории:
  • жгуты с силовыми проводами первичной цепи,
  • жгуты с высоковольтными проводами вторичных цепей
  • жгуты с низковольтными проводами цепей накалов.
Все цепи выполнены проводом типа НВ-3 сечением 0.5 или 0.75 кв.мм, кроме цепей накала, где для минимизации потерь применены жилы акустического кабеля сечением около 2.2 кв.мм, что уменьшило потери около 10 милливольт на каждом отрезке провода при номинальной нагрузке.

Печатная плата покрыта защитным быстросохнущим прозрачным изоляционным лаком с высокими диэлектрическими характеристиками PLASTIK 70 фирмы Kontakt Chemie. Причем лак PLASTIK 70 в отличие от лака URETHAN 71 той же фирмы допускает пайку, легко разрушаясь в месте контакта, что может быть важно при ремонте или какой-либо модернизации. Покрытие лаком необходимо сделать в обязательном порядке, так как плате имеется высокое и опасное для жизни напряжение, кроме того, в электронном фильтре есть высокоомные участки, где для нормальной работы устройства утечки по монтажу через влагу или загрязнения недопустимы, так как неизбежно приведут к нарушению нормального режима работы всего электронного фильтра. В крайнем случае, плату можно покрыть тонким слоем нейтральной канифоли, хотя это не лучший выбор, так как канифоль гигроскопична.

                 
рис.14 Общий вид собранного устройства.



Паспортные данные примененных деталей

Трансформатор ТА262-127/220-50

    Сердечник: ПЛ20х40х80
    Мощность: 260 Вт
    Ток первичной обмотки: 1,3 А (220 В)
    Масса: 3,9 кг

Электрические параметры трансформатора ТA262

Выводы обмоток
 Напряжение, В  Допустимый ток, А
 11-12  56  1.05
 17-18  56  1.05
 13-14
 56  1.05
 19-20  56  1.05
 15-16  12  1.05
 21-22  12  1.05

Примечание: Трансформаторы ТA262 на 220 В выпускаются начиная с 1979 г., они имеют одну первичную обмотку и такую же нумерацию выводов, как у трансформаторов на 127/220 В. Электрические параметры, габаритные и установочные размеры, а также масса трансформаторов ТA262 на 220 В такие же, как у соответствующих трансформаторов ТA262 на 127/220 В.

Напряжение на отводах первичных обмоток трансформаторов ТA262 на 127/220 В:
  • между выводами 1 и 2, 6 и 7 - 110 В;
  • между выводами 2 и 3, 7 и 8 - 10 В;
  • между выводами 3 и 4, 8 и 9 - 7 В;
  • между выводами 4 и 5, 9 и 10 - 7 В.
При использовании трансформаторов ТA262-127/220 на 220 В необходимо:
  • соединить выводы 2 и 8 (для напряжения 230 В - выводы 3 и 8);
  • подать напряжение 220 В на выводы 1 и 6.

Электрическая принципиальная схема, конструкция и габаритные размеры анодного трансформатора ТA262:


Трансформатор ТН44-127/220-50

  • Сердечник: ШЛ20х25
  • Мощность: 58 Вт
  • Ток первичной обмотки: 0,32 А (220В)
  • Масса: 1,45 кг

Электрические параметры трансформатора ТН44

 Выводы обмоток  Напряжение, В  Допустимый ток, А
 7-8  6,3  0,86
 9-10  6,3
 2,16
 11-12(13)  5(6,3)
 3,0
 14-15(16)
 5(6,3)  3,0

Примечание: Трансформаторы ТН44 на 220 В выпускаются начиная с 1979 г., они имеют одну первичную обмотку и такую же нумерацию выводов, как у трансформаторов на 127/220 В. Электрические параметры, габаритные и установочные размеры, а также масса трансформаторов ТН44 на 220 В такие же, как у соответствующих трансформаторов ТН44 на 127/220 В.

Напряжение на отводах первичных обмоток трансформаторов ТН44 на 127/220 В составляют:
  • между выводами 1 и 1а, 4 и 4а - 3,2 В;
  • между выводами 1 и 1б, 4 и 4б - 6,3 В;
  • между выводами 1 и 2, 4 и 5 - 110 В;
  • между выводами 1 и 3, 4 и 6 - 127 В.
При использовании трансформаторов ТН44-127/220 на 220 В необходимо:
  • соединить выводы 2 и 4;
  • подать напряжение 220 В на выводы 1 и 5.

Электрическая принципиальная схема, конструкция и габаритные размеры накального трансформатора ТН44





Цоколевка LM1085CT в корпусе TO-220:


Vadim Limar
March 14, 2011

godaddy stats
ċ
lab_tube_psu_docs.zip
(74k)
Лаборатория ЛВСистем,
30 янв. 2012 г., 23:05