РадіоКот :: Стабілізований по току блокінг-генератор для живлення неонової лампи

>>>

Стабілізований по току блокінг-генератор для живлення неонової лампи

Дорогий Кот!

Вітаю тебе з 12 Днем народження! Бажаю твоєму сайту більше якісних публікацій та просунутих радіоаматорів!

В даний час відомо досить велике число схем перетворювачів низької напруги в висока. Однак з точки зору простої і доступної кожному радіоаматорові схемотехніки свою нішу впевнено займають схеми, побудовані на основі блокинг-генератора. У даній публікації йтиметься про стабілізованому по току блокинг-генераторі для харчування неонової лампи.

Вступ

Відомо, що одним із важливих завдань в спектроскопії видимого діапазону є калібрування спектрометрів для отримання точних і надійних результатів вимірювань. З цієї причини виникає потреба в калібрувальних джерелах світла, до яких пред'являється ряд вимог:

1) Джерело світла повинен володіти стабільним лінійчатим спектром з точно відомим становищем випромінюваних (емісійних) ліній;

2) Лінії повинні бути вузькі і ізольовані;

3) Бажано, щоб лінії рівномірно розташовувалися по всій ширині спектра;

4) Бажано, щоб лінії мали постійну інтенсивність (висоту) для спрощення процедури обробки спектра.

Як правило, подібним вимогам відповідають різні газорозрядні лампи низького тиску, випромінювання світла в яких здійснюється в умовах тліючого розряду.

Для спектрометрів, що працюють у видимому діапазоні довжин хвиль, найбільш доступним джерелом для калібрування є ртутні енергозберігаючі лампи [1], які крім випромінювання люмінофора містять емісійні лінії парів ртуті (рисунок 1).

Малюнок 1. Спектр випромінювання енергозберігаючої флуоресцентної лампи.

Спектр флуоресцентної лампи характеризується наявністю ліній, рівномірно розподілених по всьому спектру. Є як поодинокі піки (405, 436 нм), так накладені (546, 612 нм). Однак дані лампи, незважаючи на доступність і придатність для калібрування, мають ряд недоліків таких як:

1) Відчутний нагрів лампи, як наслідок зміна інтенсивності ліній, їх розширення, і зниження надійності джерела світла;

2) Велика споживана потужність, що не дозволяє живити лампу, вмонтовану в спектрометр, через слабкострумові джерела живлення;

3) Великі габарити;

4) Крихкість колби;

5) Наявність парів ртуті в лампі, що суперечить сучасному уявленню про охорону природи і принципам зеленої хімії;

6) Необхідність прогріву лампи;

7) Відносно невеликий термін служби (не дивлячись на зазначені 12000 ч, на практиці вони рідко працюють протягом зазначеного терміну).

Зазначене вище призвело до роздумів, які альтернативні джерела світла могли б бути використані для калібрування довжини хвилі. Так виникла ідея застосування неонових індикаторних ламп.

Неонова лампа найпростішої конструкції є герметичною скляною балон, в якому розміщені 2 електрода, а простір заповнений інертним газом - неоном - при низькому тиску. При додатку напруги до електродів виникає іонізація атомів неону, і газ стає електропровідним. При контакті іона газу з негативно зарядженим електродом (катодом) позитивно заряджений іон газу приймає електрон, переходячи в нейтрально заряджений атом з надлишковою енергією, яка вивільняється при його переході в основний стан з випромінюванням характеристичних квантів світла. За енергією вони відповідають певним електронним переходам, в разі неону випромінюється світло в червоно-помаранчевої області спектра.

До переваг подібних джерел світла можна віднести наступне:

1) Наявність вузьких ліній, що належать переважно неону;

2) Низька споживана потужність при достатньому світловому потоці, що дозволяє живити лампу від слабкострумових джерел;

3) Практично відсутня нагрів;

4) Великий термін служби (25000 год);

5) Проста конструкція лампи і як наслідок висока надійність;

6) Малі габарити;

7) Екологічність.

Незважаючи на велику кількість переваг, дані лампи вимагають щодо високої напруги для запалювання (120-160 В в залежності від моделі лампи) і горіння (60-120 В). В результаті чого виникає необхідність у відповідному джерелі живлення. Останній повинен мати обмеження або стабілізацію по току, тому що після запалювання опір лампи різко падає, а значне перевищення струму призведе до передчасного виходу лампи з ладу.

Як правило, неонові лампи використовують для індикації напруги 220 В, і в цьому випадку досить послідовно з лампою поставити резистор. Однак для низьковольтного перетворювача це рішення не найоптимальніше, оскільки частина перетворюється потужності буде розсіюватися на обмеженому резистори. Для підвищення ефективності роботи системи в цілому і стабілізації щільності струму через електроди лампи був спроектований низьковольтний перетворювач зі стабілізацією по струму.

Розробка схеми перетворювача

Для живлення лампи було розроблене джерело з наступними характеристиками:

1) Вихідний струм: 1 мА зі стабілізацією;

2) Максимальна вихідна напруга: 160 В;

3) Напруга живлення: 8 В;

4) Струм: залежить від марки застосованої лампи, в даному варіанті 16 мА.

За основу була взята схема блокинг-генератора з блоку чергового живлення ATX Codegen CG-11 [2] і перероблена під низьковольтне харчування. Прототип ланцюга зворотного зв'язку по струму був запозичений з [3].

Малюнок 2. Розроблена схема перетворювача.

Робота схеми

У початковий момент часу опір лампи велике. При подачі живлення на перетворювач, напруга на виході блоку починає наростати. Як тільки його величина досягає величини запалювання лампи (120-160 В), виникає тліючий розряд в лампі, її опір різко падає, а схема переходить в режим стабілізації по струму і залишається в такому стані до припинення подачі живлення.

Як вже було зазначено вище, основою схеми є блокінг-генератор, реалізований на польовому транзисторі. У початковий момент часу транзистор закритий, і струм через нього не тече. При подачі живлення починає заряджатися конденсатор C4 через резистор R6. Як тільки напруга на затворі транзистора перевищує напруга відкриття (в даному випадку близько 3,5 В), транзистор відкривається. Це призводить до появи струму в стокової обмотці трансформатора T1 (Primary), наслідком чого є виникнення в ній ЕРС, а також виникнення ЕРС в обмотці зворотного зв'язку (Bias). Останнє призводить до розряду конденсатора C4, поступово закриваючи транзистор Q3. Однак з огляду на індуктивного характеру навантаження Q3, струм через стічну обмотку деякий час зберігається. Як тільки напруга на C4 стає нижче напруга відкриття Q3, транзистор закривається, струм стоку падає до нуля, і в цей же час відбувається викид ЕРС самоіндукції, остаточно розряджаючи C4 і замикаючи Q3. Одночасно відбувається передача збереженої енергії трансформатора у вторинну ланцюг через діод D5 і заряд C5. Далі процес повторюється.

Після підпалу лампи струм через неї різко зростає. Він стабілізується ланцюгом зворотного зв'язку, реалізованої на елементах R4, R7-R9, Q2, Q4 і оптроні U1. При протіканні струму через ланцюг, на резисторі R7 виникає напруга, пропорційне току. Як тільки ця величина перевищує напруга відкриття транзистора Q4 (0,6 В), останній відкривається, пропускаючи струм через діод оптопари U1. Це призводить до відмикання Оптотранзистори U1 і Q2, приводячи до заборони роботи перетворювача. Струм стабілізації дорівнює 0,6 В / R7 і в даній схемі становить близько 1 мА.

На елементах C1, L1 і C6, L2 реалізовані відповідно вхідний і вихідний фільтри з метою зменшення пульсацій струму і електромагнітних імпульсних перешкод.

Польовий транзистор Q1 служить для економічного включення і виключення схеми за допомогою логічного рівня мікроконтролера (5 В). Для розряду затвора ємності використовується резистор R1.

Компоненти, що використовуються в схемі

Особливістю даної схеми є абсолютна невимогливість схеми до застосовуваних деталей. Останні були взяті з баластів енергосберегаек (каркас, високовольної конденсатори), китайських зарядников для мобільних (трансформатор, сердечник з каркасом, діоди), блоків живлення ATX (біполярні транзистори, діоди і конденсатори) і материнських плат ПК (польові транзистори).

Головною вимогою до деталей є запас по граничному струму і напрузі для напівпровідникових приладів, а також по напрузі для електролітичних конденсаторів. Так, наприклад, для вторинної ланцюга використовувалися конденсатори на 2,2 мкФ 400 В. В якості трансформаторів можуть бути використані як готові вироби (з китайських зарядних для мобільників, блоків чергового живлення ATX), так і ручного виготовлення. В даному випадку трансформатор з китайської зарядки був зламаний, тому довелося мотати новий. Він містить по 16 витків для первинної обмотки і обмотки зв'язку, і 330 витків для вторинної. Каркас був узятий від енергосберегайкі, а сердечник від зламаного трансформатора китайської зарядки. Зазор між половинками сердечника був зроблений з ПЕТ плівки від фоторезиста, він склав в сумі близько 0,05 мм. Ізоляція виконувалася за допомогою пергаментного паперу для випічки з подальшою просоченням акриловим електроізоляційним лаком. Після складання сердечника на трансформатор надаватися короткозамкнений виток мідної стрічки, підключений на мінусову шину. Це необхідно для зменшення перешкод, що генеруються трансформатором.

Як Q3 крім польового транзистора також можуть бути з успіхом застосовані біполярні, проте з останніми схема працювала менш ефективно, тому від них було вирішено відмовитися на користь польових.

Діод D5 служить для зменшення величини зворотної ЕРС, що виникає внаслідок індуктивного характеру навантаження Q3. Однак на практиці було вирішено його не встановлювати в схемі через сильний зниження ефективності і достатнього запасу по напрузі пробою транзистора.

налагодження схеми

Перший варіант схеми був розроблений і налагоджений на макеті, змонтованому навісним монтажем. Як правило, правильно зібраний блок починає працювати відразу. Якщо він не запускається, то слід перевірити фазировку обмотки зворотного зв'язку. Якщо блок запустився, то має місце уточнити номінали компонентів для отримання максимальної ефективності. Перш за все, слід підключити навантаження і, не змінюючи номіналів інших компонентів, поварьіровать ємність конденсатора C4, підбираючи його до отримання мінімального струму споживання. У разі даного блоку залежність струму споживання від ємності C4 мала залежність з мінімумом в діапазонах C4 від 1 до 22 нФ, а найбільш оптимальний варіант склав 2,2 нФ. Далі можна поварьіровать номінал R6. Резистор R6 визначає напругу запуску перетворювача. При його зменшенні нижче 4,7 до спостерігає різке зростання струм споживання. У той же час збільшення R6 понад 11 до призводить до непрацездатності блоку, тому був вибраний оптимальний варіант 6,8 к.

Малюнок 3: а - макет, б - готова плата перетворювача.

Кінцевий варіант перетворювача був зібраний на односторонній друкованій платі, виготовленої з використанням фоторезиста. В процесі проектування були враховані вимоги по розводці плат для імпульсних перетворювачів, такі як мінімальна довжина силових доріжок, при їх максимальній ширині, і розводка земляний лінії зіркою, центром якої є конденсатор харчування [4]. Розведення плати була здійснена в DipTrace. Слід звернути увагу, що нумерація деталей на платі і на малюнку 2 частково не відповідає один одному. Це пов'язано з тим, що схема для роботи і схема для розведення плати малювалися в різних редакторах. В кінці статті є посилання на рисунок плати і відповідну їй схему.

Для зручності складання зі зворотного боку плати була нанесено маркування елементів лазерно-прасувальну технологією.

Малюнок 4. Друкована плата перетворювача: а - вид з боку компонентів, б - вид з боку провідників.

На малюнку 5 наведено осцилограми працюючого навантаженого перетворювача. На малюнку 5 (а) представлена ​​залежність напруги на затворі Q3 при напрузі живлення 5 В. У цьому режимі схема ще не стабілізує вихідний струм, і її робота приладу не переривається ланцюгом стабілізації струму. Період імпульсів становить 5,52 мкс, що відповідає частоті перетворення 181 кГц.

На малюнках 5 (б, в) також показані осцилограми напруг на затворі Q3 при напрузі 8 В. Як видно, при номінальній напрузі живлення працює ланцюг зворотного зв'язку, імпульси на затворі транзистора частково пропускаються, і тим самим досягається стабілізація струму через лампу. Частота проходження імпульсів становить 1,855 кГц. Крім того є паразитні коливання.

На малюнку 5 (г) показана осцилограма напруги на шунт R7, за його значенням можна зробити висновок, що амплітуда пульсації вихідного струму становить 40 мкА, або 4%.

Малюнок 5. Осцилограми: а - на затворі Q3 при живленні 5 В, б - на затворі Q3 при харчуванні 8 В, в - б - на затворі Q3 при харчуванні 8 В в більш високій роздільній здатності, г - на R7. При вимірах була підключена неонова лампа ТН-0,3-3.

підсумки

Для підведення підсумків були зареєстровані спектри випромінювання розробленого каліброваного джерела світла. Як можна бачити з графіка (рисунок 6), спектр характеризується наявністю вузьких ліній в діапазоні від зеленої до червоної області, причому в порівнянні з енергозберігаючої ртутної лампою лінії набагато вже. Деякі з них перекриваються, однак для неону положення емісійних ліній точно відомо [5], а сучасне програмне забезпечення дозволяє обробляти суперпозицію вузьких піків в спектрі. Тому обробка спектра не складає труднощів. При зміні напруги живлення від 7 до 9 В все ж спостерігається деяка зміна постійної величини струму стабілізації (плюс / мінус 40 мкА), проте спектри демонструють відсутність будь-яких змін при варіюванні напруги харчування в даному діапазоні. Крім того, відносно низький струм споживання робить можливим харчування даної схеми за допомогою гальванічного елемента на 9 В, що може бути використано для конструювання автономних, малогабаритних і в той же час точних калібрувальних приладів.

Малюнок 6. Спектр випромінювання неонової лампи. На вставці фотографія готовового приладу в роботі.

Іншими словами поставлена ​​задача стабільного джерела живлення для калібрування довжин хвиль успішно вирішена, і блок працює!

На закінчення хотілося б подякувати читачів за приділену моєї статті час. Буду радий вислухати і обговорити будь-які конструктивні пропозиції з приводу поліпшення зібраного приладу.

PS Корпус до даного котла не виготовлявся, тому що він спочатку призначався в якості додаткового модуля для спектрометра.

PPS У цьому пристрої зазначена неонова лампа ТН-0,3-3 харчується завищеними струмом (1 мА проти максимального 0,3 мА). Ця модель лампи застосовувалася тільки для налагодження і перевірки блоку, і в майбутньому буде замінена на більш потужний аналог.

використані джерела

1) Theremino spectrometer construction [Електронний ресурс]. - Режим доступу: https://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Theremino_Spectrometer_Construction_ENG.pdf. - Дата доступу 11.08.2017.

2) Джерело чергової напруги. Схеми. Принцип роботи [Електронний ресурс]. - Режим доступу: https://www.rom.by/node/16596. - Дата доступу 11.08.2017.

3) Мережевий драйвер потужного світлодіода [Електронний ресурс]. - Режим доступу: https://radiokot.ru/circuit/power/converter/51. - Дата доступу 11.08.2017.

4) Рекомендації по розводці друкованих плат для ПІП [Електронний ресурс]. - Режим доступу: https://www.tehnari.ru/attachments/f119/158845d1383633546-dhaeiiaiaeaoee-ii-dhacaiaeea-ia-aoiie-ieaou-aeey-eei_.pdf. - Дата доступу 11.08.2017.

5) Saloman EB, Sansonetti CJ Wavelengths, energy level classifications, and energy levels for the spectrum of neutral neon // Journal of physical and chemical reference data. - 2004. - Vol. 33. - №. 4. - P. 1113-1158.

файли:
Плата і схема

Всі питання в Форум .