Уніфіковані блоки живлення для лампових підсилювачів. загальні міркування

Уніфіковані джерела живлення, про які піде мова нижче, можна переглянути за посиланнями в закладці зліва. Все, що написано нижче, можна, за великим рахунком, не читати, оскільки це - аргументація того, навіщо і чому вони були зроблені. Більш докладні описи джерел живлення можна подивитися також тут

Втягнувшись з деяких пір в конструювання лампової апаратури, зіткнувся з проблемою виготовлення для неї блоків живлення. Класикою жанру для лампової апаратури вважаються кенотронні випрямлячі з купою супер-пупер-конденсаторів на виході. Саме за такою схемою виготовляється більшість лампових підсилювачів. На мій погляд, ця схема, делікатно висловлюючись, не позбавлена ​​ряду недоліків.

Перше, що просто-таки впадає в очі - і силовий трансформатор і Кенотронний випрямляч мають абсолютно недитячі габарити і вага. Зрозуміло, якщо це потрібно заради «високої мети», їх ставити необхідно, ось тільки в «висоті» цілі в даному випадку є дуже серйозні сумніви. Внутрішній опір практично будь-якого кенотрон випрямляча, в кращому випадку, становить сотні Ом, а внутрішня індуктивність - одиниці Гн. При роботі підсилювача це внутрішній опір виявляється включеним послідовно з навантаженням підсилювача (вихідним трансформатором) і його величина виявляється цілком порівнянної з опором обмоток трансформатора. Як результат - осідання напруги в десятки вольт при різких змінах сигналу, і жахлива динаміка. Метод боротьби з цим явищем відомий - купа конденсаторів на виході випрямляча, та не аби яких, а, згідно з канонами, неодмінно Black Gate і їм подібних! Тому немає нічого дивного в тому, в які гроші виливається, в кінці кінців, вартість підсилювача. На мій погляд, правильним рішенням є не виправлення недоліків кенотрон випрямляча за допомогою надзвичайних вливань - як відомо, 1 кг варення, змішаний з 1 кг г @ # на, все одно дає на виході 2 кг г @ # на, - а заміна кенотрон випрямляча на імпульсний конвертор. Переваги імпульсних конверторів загальновідомі - малі габарити і вага, низький вихідний опір (одиниці Ом), можливість установки конвертора всередину корпусу або шасі. Розглянемо ж тепер те, що вважається їх недоліками.

Якщо відкинути крики фанатиків (яким доводити що-небудь і марно, і не потрібно) в порушенні «чистоти породи», можна сформулювати такі звинувачення, які висуваються на адресу імпульсних конверторів. В першу чергу звинувачення стосуються високочастотного «сміття», який виникає при роботі конвертора. Джерелом цього «сміття» є поля розсіювання імпульсного трансформатора (переважно магнітна складова) і «сміття», що утворюється при роботі анодного випрямляча (переважно електрична складова). З першої складової боротися елементарно просто - потрібно мотати трансформатори конверторів на кільцях. Їх магнітний потік цілком міститься всередині муздрамтеатру і полів розсіювання у них практично немає. Промислові імпульсні конвертори мотаються на інших типорозмірах сердечників в першу чергу з міркувань технологічності. Для радіоаматора питання технологічності в даному випадку абсолютно ніякого значення не мають. З «сміттям» ж, що утворюється при роботі діодів анодного випрямляча, легко боротися за допомогою фільтра електромагнітних завад (ЕМП). Типова схема такого фільтра - двохобмотувальні дросель і пара конденсаторів. Така схема стоїть на вході практично кожного імпульсного конвертора, захищаючи електричну мережу від проникнення в неї перешкод від конвертора. Досить поставити аналогічну схему на вихід анодного випрямляча - і проблема «сміття» виявляється вирішеною. Скажу більше - такий же фільтр ЕМП повинні будуть ставити і фанати кенотрон харчування! Гігантський парк комп'ютерів, телевізорів та іншої побутової техніки вже давно і безнадійно зас $ @ л синусоїду напруги, а фанати кенотронних випрямлячів з ослиним упертістю продовжують і продовжують ставити пудові трансформатори і кенотрони. І насолоджуються отриманим звуком, чистим, як сльоза дитини . Бу-га-га! Зараз в будь-якому блоці живлення, будь то Кенотронний або імпульсний, необхідно боротися з високочастотним «сміттям». Час нині такий ...

Наступний момент, який ставиться в «провину» імпульсним конверторів - то, що анодна напруга на їх виході з'являється в них одночасно з напругою напруження. У кенотронних же випрямлячах анодна напруга з'являється через деякий час, з прогріванням ниток напруження кенотрона. Такий режим подачі напруги продовжує термін служби ламп. Не заперечуючи це твердження, - термін служби ламп при цьому дійсно продовжується, - хочеться поставити зустрічне питання: а що заважає нам зробити так, щоб анодна напруга на виході імпульсного конвертора з'являлося із затримкою? Навіть в старовинних лампових конструкціях (навскидку можу згадати приймач «Казахстан») харчування конструкції включалося двома перемикачами - «напруження» і «анод». Що заважає нам поставити два тумблера в імпульсний конвертор? Не хочеться ставити зайвий тумблер - поставте всередину реле часу, воно зробить те ж саме. Так що цей «недолік» імпульсного конвертора виникає просто від дурості обвинувачів. А ось чого точно не може «класичний» блок живлення - плавний розігрів ниток напруження ламп. Відомо, що лампи часто виходять з ладу саме в момент включення підсилювача - кидок струму в холодній нитки напруження може привести до її обриву. Зробити так, щоб вихідна напруга імпульсного конвертора не з'являлося стрибком, а плавно зростала протягом деякого часу, настільки просто, що про це навіть не варто говорити. Раз вже ми були стурбовані продовженням терміну служби ламп - давайте не обмежуватися напівзаходами. Класичний Кенотронний блок живлення тут явно не рулить .

А тепер торкнемося тих сторін імпульсного конвертора, які їх противники делікатно оминають. Правильно спроектований імпульсний конвертор, як уже згадувалося, має вихідний опір на рівні одиниць Ом. З цього випливає, що на виході анодного випрямляча досить включити конденсатор дуже невеликої ємності, і нормальна робота УНЧ буде забезпечена. Все це підтверджується власним досвідом - конденсатор ємністю 1..2 мкФ на виході імпульсного конвертора є більш ніж достатнім для нормальної роботи. Поставте конденсатор ємністю всього 1 мкФ на вихід кенотрон випрямляча - і що ви отримаєте? Відповідь - отримаєте фігню! А з імпульсним конвертором ніякої Black Gate вам більше не потрібно. А вже якщо поставите конденсатор з срібними обкладинками, тут такий звук попре - мама не горюй ! До речі, з власного досвіду можу поділитися ще одним спостереженням - підсилювач, схильний до самозбудження, миттю «виліковується» від своєї схильності, якщо замість кенотрон випрямляча живити його від імпульсного конвертора. Причина настільки очевидна, що не потребує навіть в розгляді.

Другий пункт, за яким імпульсний конвертор може втерти носа класиці - стабілізація напруги харчування. Вважається, що коливання напруги мережі зазвичай не перевищують 5%. Так думають ті, хто ніколи в житті не бував за містом. У сільській місцевості ці коливання можуть не вписатися і в 20%. Як такі провали напруги впливають на режим роботи ламп, смішно навіть обговорювати. Вихід для любителів кенотронов очевидний - маленький ферорезонансний стабілізатор пуда в два вагою. Мало їм заліза всередині підсилювача, буде ще й зовні . В імпульсному конверторі ця проблема вирішується елементарно просто - або введенням зворотного зв'язку по вихідній напрузі, або установкою коректора потужності (для тих, хто не в курсі - коректор потужності являє собою по суті справи підвищує однотактний конвертор, що працює безпосередньо від синусоїди напруги). Величезний плюс коректора потужності полягає ще й в тому, що він набагато повніше використовує при роботі цю саму синусоїду, що дозволяє значно знизити ємність конденсаторів високовольтного фільтра. За моїми особистими спостереженнями, «значно» - це в 4 рази. Якщо додати, що вихідна напруга коректора потужності зазвичай роблять рівним 400 В, це дозволяє ще приблизно в 1.5 рази зменшити ємність конденсатора. Рівень фону від імпульсного конвертора з коректором потужності виявляється також значно менше, ніж від класичного кенотрон випрямляча. І в «сухому залишку» у прихильників кенотрон випрямляча залишається тільки невимовне, іманентно властиве кенотрон випрямлячів, містичне «лампове початок», яке так само пізнати, як Господь Бог. Киньте, панове! Ви просто не вмієте робити конвертори

Досить набивши шишок на імпульсних конверторах для лампових УНЧ, я врешті-решт прийняв рішення розробити лінійку уніфікованих блоків живлення, засновану на багаторазово перевірених технічних рішеннях, щоб не городити кожен раз по новому велосипеду. Ряд потужностей цієї лінійки був обраний наступний: 40 Вт, 100 Вт, 250 Вт, 400 Вт, 650 Вт і 900 Вт. Здається, що такий ряд покриває всі розумні запити любителів лампової апаратури. В основу розробки було покладено кілька базових принципів, яких я і намагався дотримуватися при проектуванні. В першу чергу це стосується, звичайно, компонентної бази блоків живлення. Не секрет, що лампові підсилювачі - це практично завжди «hand made», ручна робота, просто в силу наявності шасі, керамічних панельок, на ньому прикручених, резисторів з солідною розсіюється потужністю і т.д. і т.п. В цьому плані наявність блоку живлення з чималим числом деталей істотно збільшує трудомісткість виготовлення і так не дуже-то простого УНЧ. Тому в схемах блоків живлення найширшим чином використовуються SMD-компоненти. Пайка SMD-частини блоків живлення, як показує практика, займає від сили п'ятнадцять-двадцять хвилин (див тут ). Думаю, немає потреби говорити про те, як застосування SMD-компонент позначається на габаритах блоку живлення.

Другий момент, який враховувався під час проектування блоків живлення - обов'язкова робота їх в наглухо закритому корпусі. Справа в тому, що зараз у продажу є маса готових корпусів для радіоаматорів, в тому числі виконаних з литого алюмінію і його сплавів. Застосування цих корпусів радикальним чином спрощує виготовлення підсилювачів - не потрібно шукати метал на шасі, гнути його, виконувати масу слюсарних робіт, - і все це в домашніх умовах. По моєму особистому досвіді, із застосуванням таких корпусів виготовлення підсилювача «від нуля» до робочої конструкції виконується приблизно за тиждень - чотири-п'ять вечорів плюс один вихідний день, причому від складності підсилювача цей час майже не залежить. Природно, що блок живлення такого підсилювача повинен поміщатися всередині корпусу підсилювача, а місця в цих корпусах - кіт наплакав. Через надзвичайно обмеженого простору всередині корпусу, а так само через наявність ламп на верхній частині корпусу температура всередині нього дуже швидко підскакує до захмарних висот. Застосування вентиляторів для охолодження нутрощів корпусу вкрай небажано - їх, як правило, просто нікуди встановити, та й шумлять вони пристойно. Радіатори зовні корпусу для охолодження силових ключів також є не кращим виходом, тому що неабияка частка тепла в імпульсних конверторах виділяється не на силових ключах, а в магнитопроводах трансформатора і дроселя коректора потужності, і радіатори тут, звичайно, не допоможуть. Тому вимоги до тепловиділенню при роботі блоку живлення стають вельми і вельми критичними, навіть, мабуть, з легким відтінком параної.

Для забезпечення мінімального тепловиділення при проектуванні блоків живлення був прийнятий ряд технічних рішень. Одним з основних джерел тепла є імпульсний трансформатор і дросель коректора потужності. Ідеальним варіантом для дроселя коректора потужності було б застосування кілець фірми MicroMetal або аналогічних їм, але вони не дуже доступні, а ті кільця, які застосовуються в блоках живлення комп'ютерів, мають неприйнятно високими втратами. Саме тому я, врешті-решт, і зупинився на пермаллоєвих кільцях, знайти які порівняно легко. Завищена також індуктивність цих дроселів, для того, щоб знизити частоту перемикання, і зменшити тим самим рассеиваемую потужність. Для скорочення тепловиділення в трансформаторі він розраховується на роботу зі зниженою на 20..30% індукцією. Для другого за важливістю джерела тепла - силових ключів і діодів випрямляча ланцюгів напруження, - було прийнято кілька способів зменшення тепловиділення. На частотах перетворення вище 100 кГц ефективним виявилося застосування каскодних схем силових ключів. Існуючі в даний час польові транзистори в корпусах SOIC8 дозволяють комутувати струми до 10..15 А з вельми високою швидкодією, що мінімізує динамічні втрати в ключах конвертора. Для скорочення же тепловиділення діодів випрямляча напруження застосовуються компоненти зі значним запасом по випрямлення струму, або синхронні випрямлячі. Одним з джерел тепла в конверторах є також пускові резистори. У більшості випадків їх рекомендують в якості основного джерела живлення мікросхем конвертора і коректора потужності, але на частотах вище 50 кГц таке їх застосування виявляється занадто марнотратним - струми споживання мікросхем на таких частотах становлять майже з десяток міліампер, що змушує ставити резистори порівняно невеликого номіналу. До цього домішується ще й робота коректора потужності, вихідна напруга якого в момент включення становить трохи більше 300 В (і саме на нього повинен бути розрахований пусковий резистор), а потім піднімається до 400 В, збільшуючи виділяється на резисторах потужність майже вдвічі. Тому у всіх без винятку схемах блоків живлення пускові резистори використовуються тільки для початкового запуску пристрою в роботу, а харчування мікросхем конвертора і коректора потужності виконується від окремої обмотки імпульсного трансформатора, як б не ускладнювало це і без того непросту схему блоку ПТАНУ. Таке рішення дозволило практично повністю виключити це джерело тепла з конструкції, хоча і призвело до одного неприємного ефекту - після вимкнення підсилювача блок живлення мимовільно «заводиться» ще кілька разів, поки не вичерпається заряд високовольтного конденсатора, що прекрасно чутно на акустичних системах. У блоці живлення потужністю 100 Вт з цим ефектом я вирішив не боротися, в інших блоках харчування після відключення підсилювача джерело анодної напруги відключається від виходу блоку живлення, і ніяких неприємних аудіоефектів при розряді конденсатора не виникає.

Немаловажне питання - технологічність блоків живлення. В першу чергу вона стосується намотувальних виробів. Як не дивно, знайти зараз емальований провід для намотування вельми і вельми проблематично. Тому все трансформатори і дроселі блоків живлення я зараз мотаю тільки проводом МГТФ. Переваги його очевидні - багатожильний (ефективний засіб проти скін-ефекту), фторопластовая ізоляція (витримує температуру до 220 град, і дуже високу пробивну напругу - 1.5 кВ), кілька дорогий - так адже його багато і не потрібно (на первинну обмотку трансформатора зазвичай йде не більше 3..5 м проводу). Важливе його гідність - зазнає суттєвого спрощення межобмоточная ізоляція: між обмотками її можна просто не робити, а для гальванічної розв'язки вторинних ланцюгів від мережі цілком достатньо один-два рази обмотати первинні обмотки нетканим полотном і просочити його термостійким лаком. Силові ключі, які не є SMD-компонентами, у першій-ліпшій нагоді блоків живлення обрані з корпусом TO220F - він повністю покритий пластмасою і не вимагає ізоляції при установці. Плати блоків живлення кріпляться на корпус на металевих або пластикових стійках (4, 6 або 8 штук в залежності від блоку живлення).