Стабилизатор анодного напряжения. схема и описание

6.8. Катодный повторитель

В этой схеме, как и ранее, i_K = u_BX / r_K,
u_ВЫХ = i_KR_K, отсюда:

.

Если только величина R_K не слишком мала, коэффициент передачи близок к единице. В
отличие от каскада с анодной нагрузкой, здесь не поворачивается фаза сигнала.

Катодный повторитель имеет низкое выходное сопротивление для малых сигналов, поскольку на катоде действует
сопротивление лампы со стороны катода, равное 1/S (и параллельно ему включено R_K). Принято считать, что он незаменим как раз в
случаях, когда требуется иметь низкое выходное сопротивление, в том числе для согласования с низкоомной нагрузкой. Попробуем разобраться, так ли это.

1) Традиционный усилительный каскад нагружаем в аноде сопротивлением, равным 1/S. Легко убедиться, что
коэффициент передачи и выходное сопротивление сделались такими же, как у катодного повторителя.

2) Исходя из условия наилучшего согласования, подключим к повторителю нагрузку с сопротивлением, равным
1/S. Очевидно, что коэффициент передачи напряжения будет при этом равен 1/2, т.е. повторитель перестал быть таковым.

Получается, что уникальные свойства катодного повторителя — в каком то смысле миф? Однако обычно не замечают еще
одного, действительно полезного его свойства: на вход повторителя допустимо подавать колебания с размахом, значительно превышающим раствор характеристики
(это свойственно, разумеется, и масштабному усилителю)

Так что изредка он может быть полезен: как маломощный оконечный
каскад при работе на не слишком низкоомную нагрузку, когда не требуется усиление напряжения, но важно не внести заметных искажений при больших амплитудах

Вообще-то и эта схема тоже кажется несколько странной; а нельзя ли нижний конец катодного резистора просто
заземлить? Можно. Но на сетку потребуется подать положительное напряжение. Иначе, скорее всего, это будет уже не повторитель: не удастся
обеспечить условие R_K >> 1/S. Да и большую амплитуду с выхода тогда не снять.

12.3. Работа с токами сетки

Наши оценки свойств триодных усилителей исходили из недопустимости подачи на управляющую сетку положительных напряжений, но это
совсем не догма. Если мы приведем полное семейство анодных характеристик триода, с учетом и положительных
U_C, то увидим, что они даже лучше, чем характеристики пентода, подходят для получения высоких выходных мощностей.

Ламповые усилители мощности с рекордно высоким КПД — это двухтактные триодные усилители класса В₂ (двойка означает работу с сеточными
токами). Как раз для подобного применения выпускались мощные «правые» триоды, такие как 6Н7С. Их основная рабочая область соответствовала положительным
напряжениям на сетке; как правило, они работали вообще без сеточного смещения. Но возможен и режим А₂ (с «левыми» лампами).

Все бы хорошо… Но заход в область U_C > 0 означает фактически внесение нелинейного элемента
(диода) во входную цепь, что никак не способствует неискаженному усилению. Во всяком случае, нужен достаточно мощный драйвер с низким выходным сопротивлением.

Приходится внимательно прорабатывать связь оконечного каскада с драйвером. Емкостная связь не годится из-за эффекта сеточного автосмещения.
Нужна трансформаторная связь, но при этом не стоит забывать об эффекте обратного автосмещения. Возможна и непосредственная связь сетки с анодом предыдущего
каскада.

12.1. Проблема остаточного напряжения

Оконечные усилители на триодах стали особенно актуальными применительно к ламповому Hi-End. Этому есть ряд причин.

1) В общем, с триодами можно получить меньшие искажения сигнала — за счет эффекта «динамической характеристики».

2) Невысокое внутреннее сопротивление триодов обеспечивает и низкое выходное сопротивление усилителя, что считается преимуществом.

Однако обращение к триодам возвращает проблему, о которой (с распространением тетродов и пентодов) на время подзабыли. Имеется в виду плохой
КПД триодного усилителя, вызванный трудностью получения низкого остаточного напряжения на аноде.

Рисунок представляет характеристики лучевого тетрода 6П6С уже в триодном включении (экранная сетка соединена с анодом). Для напряжения питания
Е_А = 250 В и I_A = 50 мА построена нагрузочная характеристика,
соответствующая сопротивлению 4,75 кОм.

Мы видим, что напряжение анода никак не может снизиться менее 170 В, значит, максимальная неискаженная амплитуда анодного напряжения будет
всего 80 В, выходная мощность 0,67 Вт. Это значительно меньше, чем в тетродном включении.

Токовое зеркало (отражатель тока)

Как указывалось выше, уменьшение напряжения стабилизации стабилитрона приводит к уменьшению потребляемого тока. Как известно минимальное напряжение на базе транзистора для его работы в качестве усилителя составляет U_BE = 0,7 В – падение напряжения на p-n переходе база-эмиттер. Чтобы обеспечить такое напряжение достаточно между базой и эмиттером транзистора включить , но лучше всего использовать транзистор с закороченным коллекторным переходом, причём необходимо стараться подобрать пару с очень близкими параметрами (h_21e, I_CBO и т.д.). Такая схема, показанная ниже, называется токовым зеркалом или отражателем тока

Схема токового зеркала (отражатель тока)

Рассмотрим работу схемы, основными элементами которой являются резистор R1 и транзисторы VT1 и VT2. Коллектор и база транзистора VT1 соединены, и поэтому данный транзистор выполняет роль диода. Коллекторный ток VT1 ограничен резистором R1, а как известно напряжение U_BE и ток эмиттера I_E транзистора связывает логарифмическая зависимость

U_{BE} = U_{T} *ln (\frac{I_{E}}{I_{EO}})
I_{E} \approx \/I_{C}

где U_T – напряжение на p-n переходе зависящее от температуры,
I_EO – обратный ток насыщения эмиттера.

Таким образом, если транзисторы VT1 и VT2 имеют одинаковые параметры, то падение напряжение U_BE транзистора VT1 вызовет такое же падение напряжения U_BE транзистора VT2, а следовательно и коллекторный ток транзистора VT2 будет примерно равным коллекторному току транзистора VT1. Таким образом, коллекторный ток VT2 с большой степенью точности задаётся («программируется») коллекторным током VT1.

I_{CVT2} \approx \/I_{CVT1} = \frac{E_{PIT} — U_{BE}}{R1}

Инверсия П-контура

   Многие радиолюбители в процессе настройки усилителя встречались с таким явлением. Это происходит, как правило, на диапазонах 160, 80 метров. Вопреки здравому смыслу ёмкость переменного конденсатора связи с антенной (С2), непозволительно мала, меньше чем ёмкость конденсатора настройки (С1).
   если настраивать П-контур на максимальный КПД при максимально возможной индуктивности, то на этой границе возникает второй резонанс. П-контур при одной и той же индуктивности имеет два решения, то есть две настройки. Вторая настройка это, так называемый «инверсный» П-контур. Он назван так по тому, что ёмкости С1 и С2 поменялись местами, т. е. «антенная» ёмкость весьма мала.
   Это явление описал и просчитал очень старый разработчик аппаратуры из Москвы. В форуме под тиком REAL, Игорь-2 (UA3FDS). Кстати весьма способствовал Игорю Гончаренко при создании его калькулятора для расчёта П-контура.

Схемные решения, применяемые в профессиональной связи

   Теперь о некоторых схемных решениях применяемых в профессиональной связи. Широко используется последовательное питание выходного каскада передатчика. В качестве С1 и С2 используют переменные вакуумные конденсаторы. Они могут быть как со стеклянной колбой, так и из радио-фарфора. Такие конденсаторы переменной ёмкости обладают рядом преимуществ. У них нет скользящего токосъёмника ротора, минимальная индуктивность выводов, так как они кольцевые

Очень малая начальная ёмкость, что очень важно для высокочастотных диапазонов. Впечатляющая добротность(вакуум) и минимальные размеры

Не будем говорить о двух литровых «банках» для мощности 50 кВт. О надёжности, т.е. о количестве гарантированных циклов вращения(туда – сюда). Два года назад «ушел» старичок РА выполненный на лампе ГУ43Б, в котором использовался вакуумный КПЕ типа КП 1-8 5-25 Пф. Этот усилитель отработал 40 лет, и ещё будет работать.
   В профессиональных передатчиках вакуумные конденсаторы переменной ёмкости (С1 и С2) разделительным конденсатором не отделяют, это налагает определённые требования к рабочему напряжению вакуумного КПЕ, ведь там используется схема последовательного питания каскада и поэтому рабочее напряжение КПЕ выбирают с трёхкратным запасом.
 

5.6. Режим пентода

Почти все из вышесказанного относится и к пентоду (тетроду)

Следует лишь принимать во внимание ряд
особенностей

1) В пентоде не учитывают влияние анода (величина µ очень велика).

2) В пентоде стабилизируется ток катода, а ток анода будет меньше — на величину тока второй сетки.

3) Понятие режима пентода включает еще и потенциал экранной сетки.

Разумеется, требуемое режимом напряжение на экранную сетку можно подавать от отдельного источника.
Однако ее нередко питают от общего источника анодного напряжения Е_А (см. рис.), а если эта величина избыточна, то частично
гасят резистором R_С2.

Чтобы определить падение напряжения на гасящем резисторе, нужно, естественно, знать величину тока экранной сетки.
Правда, ток I_C2 приводят в паспорте только для номинального режима, да и то по типу «не более». Но нередко типовые кривые для
I_C2 найти все же можно. А стабилизирующее действие экранной сетки с омической нагрузкой (аналогично анодной стабилизации у
триода) сгладит ошибки расчета.

12.6. Снова проблема реактивного тока

Да, снова она… Ведь триод, как мы неоднократно напоминали, обладает внутренней отрицательной обратной связью, а тем более — триод со сверхнизким µ.
Это значит, надо ждать сюрпризов.

Вспомним эффект подключения внешней нагрузки к триодному драйверу, когда перекос нагрузочной прямой приводил (при прежнем напряжении) к появлению
ограничения полезного сигнала. Но ведь примерно то же самое будет в триодном трансформаторном каскаде — при понижении частоты передаваемого сигнала, когда
реактивное сопротивление обмотки стремится к нулю. На предыдущем рисунке представьте, что нагрузочная прямая начала поворачиваться вокруг рабочей точки,
соответствующей режиму покоя, вставая дыбом: результат вполне предсказуем.

Выходом может быть только фильтрация, снижающая в тракте уровень низкочастотных составляющих прежде, чем их начнет ограничивать триод совместно с
трансформатором.

Напряжение — анодное питание

Для уменьшения размеров и стоимости таких каскадов в них обычно используют двухтактную трансформаторную схему с параллельным управлением; для снижения напряжения анодного питания и полного использования эмиссии катодов ламп ( увеличения анодного тока / макя) на их управляющие сетки подают напряжение сигнала, превышающее отрицательное смещение. При этом можно использовать все виды ламп — триоды с малым ji ( левые или модуляторные триоды), триоды с большим ц ( правые или генераторные триоды), тетроды и пентоды.
 

Появление напряжения дрейфа на выходе первого каскада объясняется непостоянством анодного тока, протекающего через лампу, которое вызывается в основном нестабильностью напряжения анодного питания и напряжения накала. В усилителях с параметрической компенсацией дрейфа путем использования дополнительных схем в первом каскаде и выбора некоторых параметров этих схем удается в значительной степени скомпенсировать изменение анодного тока лампы первого каскада, вызванное нестабильностью напряжения накала и анодного питания.
 

Схема усилителя постоянного напряжения с раздельными источниками питания.

Катодный дрейф можно несколько уменьшить правильным выбором режима работы входной лампы: уменьшением сеточного тока до возможно меньшей величины, уменьшением напряжения анодного питания, включением цепи накала лампы за несколько часов до подачи анодного напряжения и другими методами.
 

Расположение не — в телевидении осуществляется непол-сущей частоты изображения — остью. Колебания частот, находящихся относительно полосы про — выше несущей более чем на 0 75 МШ. пускания усилителя высокой передаются одной боковой полосой, в то частоты телевизионного время как колебания частот ниже 0 75.

Изменение ширины полосы пропускания усилителя на 10 — 20 %, а также появление добавочных максимумов и минимумов в полосе пропускания при изменении напряжения анодного питания тадже служит признаком паразитной обратной связи.
 

Этот импульс, пройдя через блок 11 усиления и формирования, поступает к вспомогательному триггеру 15, переведет его в новое устойчивое положение и при этом уменьшит напряжение анодного питания основного триггера 9, чем выведет последний из рабочего состояния.
 

Усилитель с дроссельной связью ( а и его эквивалентная схема ( о.

На выходе такой схемы можно получить переменное напряжение, амплитуда которого получается почти в 2 раза большей, чем на выходе усилителя на сопротивлениях при одинаковых лампах и напряжениях анодного питания. Дроссельному усилителю свойственно большинство недостатков трансформаторного усилителя, но он не обладает преимуществом последнего, заключающимся в возможности повышения напряжения за счет трансформатора. К числу таких недостатков дроссельного усилителя относятся: возможность магнитного насыщения при прохождении через обмотку дросселя постоянного тока, зависимость индуктивности дросселя от величины приложенного напряжения, значительная распределенная емкость, высокая стоимость и большие размеры.
 

Схема с пентодом в цепи делителя.

Принципиально возможно осуществление непосредственной связи между анодом первой и сеткой второй лампы ( рис. 13.8), если учесть, что в ряде случаев для повышения стабильности усиления первых каскадов напряжение анодного питания их несколько занижается.
 

Б-50. Регулировка линейности строчной развертки с помощью нелинейной индуктивности.

Так как нагрузкой выходного каскада является индуктивность, то на аноде лампы во время обратного хода за счет самоиндукции образуются импульсы положительного напряжения, амплитуда которых достигает большой величины, намного превышающей напряжение анодного питания. В связи с этим лампа выходного каскада строчной развертки и конструкция каскада в целом должны иметь высокую электрическую прочность.
 

Выгоднее уменьшать Ra, так как при этом уменьшается падение питающего напряжения на Ra и растут напряжение на аноде, ток покоя и крутизна характеристики в рабочей точке; кроме того, уменьшение Ra позволяет снизить напряжение анодного питания.
 

Если изменить напряжение на сетке триода, то вызванное этим изменение анодного тока приведет в свою очередь к изменению падения напряжения на нагрузке. Так как напряжение анодного питания Ея остается постоянным, то согласно уравнению ( 7 — 3) должно измениться анодное напряжение Ua. Следовательно, при работе триода с включенной в анодную цепь нагрузкой изменение напряжения на сетке вызывает изменение анодного напряжения. Такой режим работы триода называется динамическим ( или рабочим) режимом.
 

Высоковольтный стабилизатор напряжения

Так как максимальное выходное напряжение микросхемы TL431 составляет всего 30В, то для получения больших значений выходного напряжения стабилизатора используется полевой транзистор, включенный как умножитель. Его коэффициент усиления равен отношению суммы резисторов 330кОм и 270 кОм к резистору в 33кОм. При указанных номиналах усиление равно 15, т.е. максимальное выходное напряжение схемы составляет порядка 450В.

Источник тока на транзисторах MJE350 питает источник образцового напряжения током в 5мА, значение которого устанавливается резистором 150R.
В остальном работа схемы аналогична предыдущей.

Следует обратить внимание на качество конденсаторов. Они должны быть низкоимпедансными и быстрыми

К примеру, плёночные конденсаторы фирмы WIMA типа FKP1 отвечают всем этим требованиям.

Кстати, так как схема не обеспечивает плавную подачу анодного напряжения (или задержку включения) до прогрева ламп, для решения это проблемы можно использовать модуль, описанный здесь.

Слабые сигналы

Основываясь на моем опыте, я считаю, что все неосновные (шумы, помехи, гармоники) сигналы питающей сети должны быть подавлены с достаточной степенью. Особенно это относится к высокочастотным составляющим, так как с увеличением частоты из-за паразитных емкостей между входом и выходом стабилизатора, а также ограниченной полосы пропускания усилителя сигнала ошибки, способность стабилизатора их подавлять заметно ухудшается.

Как легко заметить, резистор (или может быть индуктивность) в фильтре включены в оба провода: положительный и общий. Часто резистор (или дроссель) добавляют только в один (положительный) проводник фильтра. На результатах измерений это не сказывается.

Но это ошибка!!! Я уверен, что из-за распределенной индуктивности трансформатора помеха на одном выводе вторичной обмотки может быть больше, чем на другом. (К сожалению, моё измерительное оборудование не позволяет это проверить) Симметричная схема фильтра наиболее эффективно справится с такой помехой.

Если говорить о замене резисторов в фильтре на индуктивности, то я никогда не был доволен LC-фильтрами. На мой взгляд они замедляют атаку и снижают динамику усилителя. Это вовсе не означает, правильно посчитанный и изготовленный дроссель будет звучать плохо. Но за последние 5 лет мне не попалось таких изделий, хорошо сочетающихся с моими конструкциями.

К аналогичному результату (снижению динамики) приводит увеличение номинала резисторов фильтра. Для маломощной нагрузки я использую резисторы на 22 Ом. Для более мощной нагрузки значения резисторов следует уменьшить.

Пример подключения однофазного стабилизатора напряжения

Подключение стабилизатора 220 вольт в простейшем случае может быть выполнено по одной из приведенных схем, в зависимости от того, в какой последовательности уже соединены счетчик и входной автомат. В любом случае необходимо обеспечить заземление стабилизатора. Суть подключения стабилизатора состоит в том, что напряжение из сети подается на вход стабилизатора, а к его выходу подсоединяются потребители электроэнергии.

Варианты монтажа стабилизаторов напряжения

На схемах подключения приведен вариант клеммной колодки на задней стенке стабилизатора напряжения с пятью контактами. Бывает, что клемма заземления размещается отдельно: к ней и нужно подсоединить заземляющий проводник. Иногда клемма N(ноль) всего одна, тогда оба нулевых провода: и входной, и для потребителей подсоединяют к ней.

Перед непосредственным подключением стабилизатора необходимо обесточить электрическую сеть в помещении с помощью входного автомата. Затем следует убедиться, что оно действительно отсутствует с помощью индикатора или мультиметра. Включатель питания и переключатель байпас прибора должны находиться в выключенном состоянии.

После выполнения электромонтажа подают питание на стабилизатор, а затем включают и его. Внутренний таймер прибора задерживает его запуск, раздается щелчок, и подается питание. На дисплее высвечивается значение выходного напряжения 220В. У большинства современных приборов на дисплее может появиться следующая информация:

• символ L означает, что напряжение на входе опустилось ниже допустимого для работы прибора;
• символ Н означает, что напряжение на входе поднялось выше допустимого для работы прибора;
• символ СН означает, что суммарная мощность подключенных к прибору потребителей выше допустимой.

Установка стабилизатора напряжения в цокольном этаже

Рассмотрим практический пример подключения стабилизатора к однофазной сети 220 вольт на примере релейного прибора РЕСАНТА АСН-10000/1-Ц. Прибор установлен в цокольном этаже, где никому не мешает щелканье реле и шум расположенного рядом встроенного пылесоса. В стене находится монтажная коробка с клеммником и автоматом для подключения стабилизатора.

Полочка для установки стабилизатора напряжения

Агрегат размещен на полочке, которая устроена на забитых в стену отрезках арматуры. Зазор между стеной и полкой, а также свободное пространство под ней обеспечивают обдув воздухом корпуса прибора.

На входе в дом установлен автомат номиналом 40А, что соответствует максимальной мощности энергопотребления порядка 8 кВт. Стабилизатор РЕСАНТА АСН-10000/1-Ц несколько мощнее, однако для уменьшения нагрузки на прибор через него подключены не все потребители. В результате получилась следующая ниже схема электромонтажа.

Подключение релейного стабилизатора РЕСАНТА

В данном случае для защиты от утечек установлено УЗО (устройство защитного отключения) после счетчика. Ряд потребителей, например: освещение, обогреватель сауны, проточный водонагреватель и некоторые розетки имеют нестабилизированное питание.

Так как стабилизатор РЕСАНТА размещен в цокольном этаже и далеко от ввода в дом, перед ним установлен дополнительный автомат и колодка для электромонтажа. Это позволяет обслуживать и ремонтировать при необходимости прибор без отключения нестабилизированного питания в доме.

Монтаж выполнен кабелем, который состоит из пяти многожильных проводов. Это позволяет свободно передвигать прибор.

В соответствии со схемой в коробке установлена клеммная колодка на 4 контакта, пятый провод подключен к автомату. Надо пояснить, что в дополнение к указанному на схеме, к клеммнику подсоединен кабель питания розетки встроенного пылесоса (заходит в коробку снизу). Справа сверху подведены кабель, подающий питание на стабилизатор, а также кабель, подключенный к нагрузке. В данном случае:

• зеленый провод – заземление;
• синий – ноль;
• белый(коричневый) –фаза.

Подключение кабеля к колодке в распредкоробке

Базовая конфигурация

Главная задача стабилизатора — обеспечить постоянство выходного напряжения и подавление пульсаций.
Конструкция стабилизатора основана на простейшей схеме, но каждый её элемент я выбирал так, чтобы он идеально выполнял свою функцию:Для максимального подавления входных шумов сопротивление резистора R должно быть максимально, а в внутреннее сопротивление источника опорного напряжения Vref как можно ниже. Да и работать формирователь опорного напряжения будет лучше, если его питать от высокоомного источника. Таким требованиям отвечает источник стабильного тока (ГСТ).

Для высоковольтного стабилизатора я использовал ГСТ на двух транзисторах, что обеспечивает большую стабильность тока при колебаниях питающего напряжения.

Для низковольтных стабилизаторов можно использовать аналогичную схему или просто одиночный диод.

Для высоковольтных стабилизаторов я выбрал значение тока ГСТ около 5мА. Для низковольтных стабилизаторов можно выбрать значение поменьше.

Микросхеме TL431 для нормальной работы требуется минимум 2 мА.

Важное замечание: ГСТ на двух транзисторах может иногда возбуждаться, если использовать высокочастотные транзисторы. Поэтому я выбрал транзисторы  MJ340/350 которые, как показывает мой опыт, работают стабильно

Стабилитроны довольно шумные и кроме того имеют плохой температурный коэффициент. Выходное напряжение при их использовании будет меняться в зависимости от температуры окружающей среды, а если в вашем усилителе активная вентиляция, то тем более. Кроме того, стабильность их внутреннего сопротивления тоже оставляет желать лучшего.

Вместо них я использовал TL431 в качестве источника опорного напряжения, так как их шумовые характеристики весьма достойны, они имеют низкое выходное сопротивление и довольно широкий диапазон выходных напряжений, которое устанавливается с помощью простого делителя.

↑ Мысли об использовании электронного дросселя

Какие выводы из этого можно сделать применительно к «электронному дросселю»? 1) «Электронный дроссель» не может поддерживать выходное напряжение на определенном уровне, он повторяет, со своей постоянной времени, входное напряжение. 2) Для «электронного дросселя» отклонение напряжения от номинального не имеет существенного значения т. к. медленное изменение сетевого напряжения не приводит к ситуации, когда транзистор фильтра уходит в насыщение. При этом на транзисторе выделяется постоянная мощность, не зависящая от питающего напряжения. 3) «Электронный дроссель» хорошо справляется с ситуацией, когда происходит колебание напряжения сети в сторону повышения. 4) Делитель напряжения «электронного дросселя» должен иметь коэффициент передачи не более 0,9 плюс падение напряжения затвор-исток (от 2 до 5 Вольт) для нормальной работы транзистора в режиме истокового повторителя. Как следствие, на мой взгляд, использование «электронного дросселя» в схемах с низким напряжением порядка 30 В энергетически не выгодно, т. к. учет того самого падения напряжения затвор-исток (до 5 В) приводит к тому, что на транзисторе необходимо обеспечить достаточно большое падение напряжения до 30% от напряжения питания схемы, и, при больших рабочих токах, без хорошего теплоотвода не обойтись. В итоге простота схемного решения (3 резистора, конденсатор и транзистор) нивелируется и замена его на стабилизатор напряжения (м.б. даже с возможностью регулировки) кажется оправданным шагом.