↑ Схема фильтра питания на полевом транзисторе
Наиболее популярна схема на рисунке слева. Поскольку я чуть-чуть изменил её для своих целей, привожу так же мой вариант справа. Я использовал полевые транзисторы от неисправных электронных балластов для галогеновых ламп в обычном корпусе ТО-220, цоколёвка стандартная, как у большинства полевых транзисторов. Удобно добавить цепь R5R6C2 для создания постоянного смещения, подаваемого на нити накала ламп. Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа.
Обратите внимание, что для фильтрации напряжения 250 В и тока до 0,5 А взяты транзисторы с допустимым напряжением К-Э примерно 50 В и стабилитроны с рабочим током 0,03 А. Сделать фильтр на полевых транзисторах с напряжением 600…800 В и током от 3 А, конечно, гораздо проще
По моему скромному мнению, названия «электронный дроссель» или «умножитель ёмкости», принципиально неверны. Это калька с иноязычных терминов для «домохозяек». Разница принципиальна: дроссель и конденсатор НАКАПЛИВАЮТ энергию, отдают её быстро, а транзисторный фильтр этого не может. Поэтому настоящий дроссель был бы лучше, если бы не обладал рядом недостатков: большим весом и габаритами, высоким активным сопротивлением, большим полем рассеяния.
С точки зрения чистой аудиофилии, классический сглаживающий LC фильтр лучше, форма напряжения и тока после него должна получаться более гладкой.
Транзисторный фильтр позволяет плавно увеличивать напряжение на выходе. Название «УЗФ» – Узел Задержки тоже не совсем удачно. Задержка происходила бы с помощью реле срабатывающего от таймера, здесь – не задержка, а плавное нарастание напряжения.
При изготовлении усилителя для наушников и УНЧ для АС на лампах 6Н3П и 6П14П мне полностью побороть фон удалось только с помощью данного транзисторного фильтра.
Чистый вход
Я хотел получить чистое входное напряжение по максимуму очистив его от гармоник и исключив все переходные процессы. Дело в том, что все стабилизаторы имеют некоторую ёмкость между входом и выходом. Плюс помехи могут проникнуть на выход стабилизатора через цепи обратной связи или общий провод. Потому на входе стабилизатора нам требуется иметь максимально чистый сигнал.
Звучит немного утопически? Как получить «чистое» напряжение на входе стабилизатора?RC или LC-фильтры могут значительно снизить гармоники в выпрямленном напряжении.
А какой сигнал считать достаточно чистым?
Довольно популярны в ламповых усилителях выпрямители на кенотронах, которые в силу своих конструктивных особенностей являются несимметричными, однако же ничего…звучат эти усилители!
Чтобы получить минимальный уровень гармоник в выпрямленном напряжении я экспериментировал с одно и двухзвенными RC-фильтрами, установленными после первого фильтрующего конденсатора.
Как и ожидалось, добавление одного звена даёт наибольший прирост в качестве звучания усилителя.
Второе звено также даёт заметный вклад. Дальнейшее увеличение количества звеньев на звук существенно не влияет, а вот на массо-габаритные показатели очень.
Результаты измерений:
Как видно, существенно уменьшают не только верхние гармоники, но и основные пульсации также существенно затухают. Что и требовалось. К сожалению, моё оборудование не позволяет точно измерить уровень фона в присутствии сигнала. Кроме основой гармоники уровень других гармоник составил ниже 10 мВ.
Дополнительное звено в фильтре может снизить ещё на 20дБ уровень всех гармоник выше 200Гц. Но они и так уже на уровне шума стабилизатора.
Упрощенное моделирование стабилизатора на мощном FET-транзисторе показало уровень подавления низкочастотных составляющих на уровне 100дБ и 40 дБ для гармоник 100 кГц и выше.
Такие впечатляющие цифры вряд ли будут достигнуты на практике из-за паразитных ёмкостей монтажа, наводок со стороны сети и прочих негативных факторов.
Поэтому я решил считать нормальными результаты: подавление 60дБ на нижних частотах и 20дБ на высоких. Получается, что пульсации частотой 50Гц и амплитудой 100 мВ будут ослаблены до уровня 0,1мВ
Подавление ВЧ-гармоник не столь важно, так как они очень хорошо ослабляются RC-фильтрами
Пульсации
Большинство нестабилизированных источников питания имеют после выпрямителя только один сглаживающий конденсатор (или несколько включенных параллельно). Для улучшения качества питания можно использовать простой трюк: разбить одну ёмкость на две, а между ними включить резистор небольшого номинала 0,2-1 Ом. При этом даже две ёмкости меньшего номинала могут оказаться дешевле одной большой.
Это дает более плавные пульсации выходного напряжения с меньшим уровнем гармоник:
При больших токах падение напряжения на резисторе может стать существенным. Для его ограничения до 0,7В параллельно резистору можно включить мощный диод. В этом случае, правда, на пиках сигнала, когда диод будет открываться, пульсации выходного напряжения опять станут «жесткими».
Продолжение следует…
Статья подготовлена по материалам журнала «Практическая электроника каждый день»
Вольный перевод: Главного редактора «РадиоГазеты»
Eмкостной сглаживающий фильтр
Емкостной сглаживающий фильтр
состоит из конденсатора Сф, подключённого параллельно сопротивлению нагрузки Rн. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку. Заряд и разряд конденсатора фильтра происходит с частотой пульсаций fп выпрямленного напряжения.
Для расчёта ёмкости конденсатора сглаживающего фильтра
можно воспользоваться следующей формулой
, где
результируещее значение ёмкости выражено в микрофарадах, SOH – коэффициент пульсаций в процентах, %; RH – сопротивление нагрузки в омах, Ом; fc – частота сети в герцах, Гц; m – число используемых при выпрямлении полупериодов за период напряжения сети,m = 1 – для однополупериодных, m = 2 – для двухполупериодных.
Емкостной фильтр целесообразней всего применять совместно с однофазными и маломощными схемами выпрямления.
↑ Тестирование ИБП
Распаковал. Припаял на выход винтовые клеммы (почему-то они были только на входе 220 В), чтобы было удобнее подключать нагрузку.Для начала проверим что блок выдает на холостом ходу.
Будем считать, что китаец не соврал. Тем более, что под нагрузкой всё может измениться как в большую, так и в меньшую стороны.
↑ Нагрузка лампами и первый провал
Заснял эту неприятность на видео.
Написал китайцу, что мол, не работает твой блок питания, что делать будем? Но китаец оказался тертым калачом и в электронике сведущим. Он мне написал, что у ламп сопротивление холодной нити накала гораздо меньше, чем в номинальном режиме, поэтому у меня так блок и работает. Сказал, что претензии принимать не будет. Ну и ладно, я и сам об этом догадывался.
↑ Нагрузка резисторами
Что ж, проверим блок на работоспособность с резисторами в качестве нагрузки.
На цепь накала нагрузил цепочку из резисторов 0.82 Ома, общим сопротивлением 1.6 Ом. К анодной цепи подключил 2 резистора общим сопротивлением 2.2 кОм. Включил. Запуск прошел без проблем. Напряжение на выходе сразу появилось.Анодная цепь выдает 117мА, напряжение на ней немного возросло, по сравнению с режимом холостого хода.
Цепь накала отдает ток 3.8 А. Напряжение при этом немного снизилось до 6.2 В.
↑ Нагрев ИБП
Блок питания практически не греется. Радиатор чуть теплее пальца после 30 минут работы. Чего не скажешь про нагрузочные резисторы. У меня под ними начал дымиться стол.
↑ Характер пульсаций
Смотрел осциллографом выходные напряжения. По цепи 6в ВЧ помехи в виде коротких импульсов, амплитудой порядка 200мВ. По цепи 250 В тоже самое. Теже 200 мВ. Частота следования этих импульсов порядка 250 кГц. Далеко за пределами звукового диапазона. Нам мешать не должны.
Пытался бороться с этими пульсациями. Увеличил конденсаторы на входе и на выходе. Поставил их более породистые. Ничего существенного не изменилось.
В ходе этих экспериментов пришлось сделать вырезы в радиаторе, чтобы вместились более объемные конденсаторы. Внешний вид блока немного изменился. Параметры практически нет. Так что можно было и не заморачиваться с этой модификацией.
↑ Предварительный вывод и поиск применения
Будем считать, что блок питания работоспособен. Осталось придумать, что на нём собрать.И тут встал вопрос, какие лампы к нему можно подключить, чтобы он не уходил в защиту при холодных нитях накала. Стал подключать к нему разные лампы и проверять стартует или нет. Блок уверенно стартует, когда к нему подключены лампы, потребляющие в номинале по справочнику ток накала не более 1.8-1.9 А.
Например пару ламп 6П6С и лампу 6Н8С к нему подключить можно: 0.45А+0.45А+0.35А=1.25А в сумме. А лампу 6П45С, которая в номинале в разогретом состоянии тянет 2.5А подключить нельзя. Блок уходит в перегрузку. Хотя, как я уже проверял, резистивную нагрузку в 3.8А тянет не напрягаясь.
Частотная коррекция
В приведённой схеме преампа имеется конденсатор C4, который явно выполняет роль частотной коррекции – подъём верхов. Также за подъём верхов может отвечать конденсатор тонкомпенсации C5. Ниже приведена АЧХ межкаскадной цепочки в разных положениях регулятора громкости (для удобства приведено к одному нормированному уровню).
Зелёная кривая – потенциометр в положении 100% (нет тонкомпенсации), жёлтая кривая – потенциометр в положении 25% (наибольшая тонкомпенсация).
А что, если вся эта яркость и прозрачность звука на ламповом преампе есть просто результат частотной компенсации? И лампа вовсе не нужна? Доводилось слышать такое мнение на форуме по гитарной электронике, что хвалёный ламповый звук якобы есть просто результат «эквализации», присущей ламповым усилителям.
Проделаем эксперимент – цепочку межкаскадной связи с частотной коррекцией включим в полупроводниковую схему:
Слушаем звук.
Guitar.ru · Эксперимент с частотной коррекцией
Что изменилось? Практически ничего. Басов разве что стало меньше.
Вывод. Яркость, «кристальная чистота», прозрачность звука лампового преампа есть результат отнюдь не частотной коррекции, а присущему лампе обогащению сигнала чётными гармониками. Что существенно, по сравнению с транзистором в нелинейном режиме в большей степени присутствуют гармоники, кратные гармоникам исходного сигнала, а комбинационные частоты (воспринимаемые как грязное звучание, «песок») имеют гораздо меньший уровень – на лампе в линейном режиме их практически не слышно.
Конденсатор же C4 здесь отвечает за бОльшую яркость звука. Во всех схемах ламповых преампов подобный конденсатор есть и называется «Яркость» — примеры ниже. Без него прозрачность звука тоже есть, просто она не столь яркая.
Guitar.ru · Яркость звука в ламповых преампах
И касательно обогащения гармониками. В своё время аналогичное моделирование проводил на полевых транзисторах. Известно, что на начальном участке ВАХ полевого транзистора квадратична – почему бы там не получить тоже самое? Выводил транзистор на начальный участок ВАХ, добавлял пресловутую цепь межкаскадной коррекции – увы, грязь в звуке слышится гораздо раньше, чем обогащение полезными гармониками. Результат воспроизводить не буду, чтобы не раздувать статью.
Таким образом, даже в 21 веке лампа не утратила своей актуальности.
Продолжение следует.
Попытка миниатюризации
Приведённые варианты питания накала и анода получаются довольно громоздкими: целых два сетевых адаптора. Нельзя ли поминиатюрней? Как-никак в 21 веке живём. Приведу варианты, включая и неудачные – чтобы никто не повторял моих ошибок.
Скажу сразу, вариант питания анода пониженным напряжением в принципе не рассматривается. Где-то в Сети видел ламповый овердрайв с питанием 9 Вольт – в приведённом там сэмпле звук крайне отвратителен. Также мой собственный опыт по реализации преампа на клине с пониженным питанием выдал звук, оставляющий желать лучшего. Поэтому рассматриваем только полноценное высоковольтное питание.
Специализированные высоковольтные dc-dc преобразователи
1. Есть интегральные преобразователи на 300 Вольт, но они дороги. Например, DC-DC преобразователь фирмы Traco Power MHV 12-300 S10 P стоит порядка 200 долларов за корпус. Для радиолюбительской практики это не очень, поэтому далее не рассматриваем.
2. Готовый dc-ac преобразователь 12-220 Вольт с Алиэкспресс. Вот такой:
Стоит дешево. На холостом ходу потребляет порядка 200 миллиампер. На выходе имеется диодный мост, при подключении внешнего конденсатора к которому имеем порядка 300 Вольт. Размеры позволяют вполне встроить его хоть бы в плату преампа:
Но увы, при работе он наводит такие помехи, что сигнал на аноде лампы обрастает высокочастотной «бородой».
3. Интегральные преобразователи Aimtec.
Имеющиеся в широкой продаже интегральные dc-dc преобразователи компании Aimtec относительно недороги, имеют небольшие габариты и не создают помех. Но они не высоковольтные. Самое высокое напряжение, что они выдают, это +/- 24 вольта. Однако +/-24 вольта – это 48 вольт на крайних выводах – почти 50. Соединяем несколько преобразователей последовательно, набираем нужное значение.
Это работает. Ниже приведена схема преобразователя на 300 вольт. Сразу имеем и накал с гальванической развязкой, и анодное питание.
Каких-то помех не обнаружено, можно ставить хоть на одну плату с лампой.
Функциональная схема и принцип работы импульсного блока питания телевизора ЗУСЦТ
Рис. 1. Функциональная схема импульсного блока питания телевизора ЗУСЦТ:
1 — сетевой выпрямитель; 2 — формирователь импульсов запуска; 3 — транзистор импульсного генератора, 4 — каскад управления; 5 — устройство стабилизации; 6 — устройство защиты; 7 — импульсный трансформатор блока питания телевизоров 3усцт; 8 — выпрямитель; 9 — нагрузка
Пусть в начальный момент времени в устройстве 2 будет сформирован импульс, который откроет транзистор импульсного генератора 3. При этом через обмотку импульсного трансформатора с выводами 19, 1 начнет протекать линейно нарастающий пилообразный ток. Одновременно в магнитном поле сердечника трансформатора будет накапливаться энергия, значение которой определяется временем открытого состояния транзистора импульсного генератора. Вторичная обмотка (выводы 6, 12) импульсного трансформатора намотана и подключена таким образом, что в период накопления магнитной энергии к аноду диода VD приложен отрицательный потенциал и он закрыт. Спустя некоторое время каскад управления 4 закрывает транзистор импульсного генератора. Так как ток в обмотке трансформатора 7 из-за накопленной магнитной энергии не может мгновенно измениться, возникает ЭДС самоиндукции обратного знака. Диод VD открывается, и ток вторичной обмотки (выводы 6, 12) резко возрастает. Таким образом, если в начальный период времени магнитное поле было связано с током, который протекал через обмотку 1, 19, то теперь оно создается током обмотки 6, 12. Когда вся энергия, накопленная за время замкнутого состояния ключа 3, перейдет в нагрузку, то во вторичной обмотке достигнет нулевого значения.
Из приведенного примера можно сделать вывод, что, регулируя длительность открытого состояния транзистора в импульсном генераторе, можно управлять количеством энергии, которое поступает в нагрузку. Такая регулировка осуществляется с помощью каскада управления 4 по сигналу обратной связи — напряжению на выводах обмотки 7, 13 импульсного трансформатора. Сигнал обратной связи на выводах этой обмотки пропорционален напряжению на нагрузке 9.
Если напряжение на нагрузке по каким-либо причинам уменьшится, то уменьшится и напряжение, которое поступает в устройство стабилизации 5. В свою очередь, устройство стабилизации через каскад управления начнет закрывать транзистор импульсного генератора позже. Это увеличит время, в течение которого через обмотку 1, 19 будет течь ток, и соответственно возрастет количество энергии, передаваемой в нагрузку.
Момент очередного открывания транзистора 3 определяется устройством стабилизации, где анализируется сигнал, поступающий с обмотки 13, 7, что позволяет автоматически поддерживать среднее значение выходного постоянного напряжения.
Применение импульсного трансформатора дает возможность получить различные по амплитуде напряжения в обмотках и устраняет гальваническую связь между цепями вторичных выпрямленных напряжений и питающей электрической сетью. Каскад управления 4 определяет размах импульсов, создаваемых генератором, и при необходимости отключает его. Отключение генератора осуществляется при уменьшении напряжения сети ниже 150 В и понижении потребляемой мощности до 20 Вт, когда каскад стабилизации перестает функционировать. При неработающем каскаде стабилизации, импульсный генератор оказывается неуправляемым, что может привести к возникновению в нем больших импульсов тока и к выходу из строя транзистора импульсного генератора.
