Lampowy zasilacz stabilizowany

Lampowy zasilacz stabilizowany

W codziennej praktyce elektronika, zarówno początkującego, jak i zaawansowanego, zachodzi niekiedy potrzeba użycia napięcia znacznie przekraczającego możliwości fabrycznych zasilaczy. Jeszcze lepiej, kiedy źródło owego napięcia można swobodnie regulować w szerokim zakresie. Dokładając do powyższego stabilizację i technikę lampową, uzyskamy przyrząd warsztatowy o niecodziennym wyglądzie i dużej wytrzymałości na przeciążenia.

Wynalazek mający ponad 100 lat, którym jest lampa elektronowa, odszedł w zapomnienie. Współcześnie lampy przeżywają renesans głównie za pomocą wzmacniaczy akustycznych, przede wszystkim gitarowych oraz Hi-Fi. Dzieje się tak za sprawą odmiennego, od tranzystorów, brzmienia. Panuje powszechne przekonanie, iż lampa nie nadaje się do niczego innego, jak tylko do audio. Jest to myślenie absolutnie błędne i krzywdzące. Plusy i minusy takiego rozwiązania wysokonapięciowego zasilacza warsztatowego są następujące:
 -  odporność na zwarcia, ograniczona w czasie wytrzymałością termiczną uzwojeń transformatora,
 -  żywotność lampy, na poziomie kilku tysięcy godzin, powoduje bezawaryjne działanie układu przez lata,
 -  brak problemów związanych z chłodzeniem i izolacją galwaniczną elementu wykonawczego,
 -  zastosowanie popularnych lamp, dostępnych dosłownie wszędzie za grosze,
 -  nietuzinkowy wygląd,
 -  zmniejszona sprawność za sprawą konieczności żarzenia lamp,
 -  bardzo powolne, lecz nieuniknione, zużywanie się warstwy emisyjnej,
 -  brak odporności całego układu na nagłe wstrząsy, uderzenia i wibracje

Opis układu i zasada działania

Kompletny schemat ideowy zasilacza przedstawiony został na rysunku 1. Elementem zapewniającym galwaniczną separację wyjścia od sieci energetycznej jest transformator TR1. Ominięcie tego elementu jest niedopuszczalne ze względu na ryzyko porażenia użytkownika. Dane uzwojeń:
-  pierwotne: 230V
-  wtórne: 240V/0,05A oraz 33V/0,35A
Transformator wykonano na zamówienie w firmie Selenoid s.c. znajdującej się w podpoznańskim Luboniu. Pierwsze (wysokonapięciowe) uzwojenie wtórne zasila anody lamp, natomiast drugie, o niższym napięciu, ich żarniki. Na wejściu znajduje się mostek Graetza złożony z czterech diod D1÷D4, których zadaniem jest zamiana prądu przemiennego 50 Hz na prąd zmienny o częstotliwości dwukrotnie wyższej. Układ C3-R1-C4 tworzy układ filtrujący tętniące napięcie wydostające się z mostka. Rolą rezystora R1 jest – poza ograniczeniem impulsu prądowego występującego tuż po włączeniu – zwiększenie skuteczności filtrowania składowej zmiennej, kosztem niestety składowej stałej. Ideałem byłoby zastosowanie w tym miejscu dławika o indukcyjności kilku henrów, ze szczeliną w rdzeniu. To rozwiązanie zostało jednak odrzucone jako niepotrzebnie podnoszące koszt i gabaryty urządzenia. Kondensatory C1 i C2 blokują ewentualne zakłócenia w.cz., które mogłyby się przedostać do układu.

Rysunek 1. Schemat zasilacza stabilizowanego.

Zagadkowa może być rola dzielnika R2/R3. I nie ma w tym nic dziwnego, gdyż pełni on naraz kilka funkcji:
 -  Rozładowuje kondensatory elektrolityczne C3 i C4 po wyłączeniu układu. Ładunek na nich zgromadzony mógłby wywołać bardzo nieprzyjemny w skutkach wstrząs.
 -  Podnosi potencjał żarników lamp do ok. 100V, przez co chroni przed możliwym przebiciem izolacji na drodze katoda-włókno.
 -  Polaryzuje zaporowo diodę tworzącą się między żarnikiem a rurką katody, przez co zmniejsza przenikanie przydźwięku 50Hz z obwodu żarzenia na wyjście.
Obwód D5 + R5 tworzy układ wytwarzający napięcie odniesienia dla lampy wzmacniacza błędu, jaką jest L2. On również przyczynia się do rozładowywania kondensatorów filtra, lecz tylko do napięcia Zenera dla diody D5 – w tym wypadku 39V. Jednocześnie rezystor R4 zasila siatkę ekranującą lampy L1, zaś R7 – lampy L2. Rezystor R8 i kondensator C5 tworzą pasywny filtr dolnoprzepustowy, zapobiegając przypadkowemu wzbudzeniu się układu. Natomiast elementy R9+R10+P1 tworzą dzielnik napięcia wyjściowego, co umożliwia jego płynną regulację oraz stabilizację. Odpowiedni dobór rezystorów R9 i R10 ustala zakres regulacji. C6 i C7 zmniejszają opór wewnętrzny zasilacza dla wielkich częstotliwości, co jest przydatne przy testowaniu konstruowanych lub naprawianiu lampowych odbiorników radiowych. Są one rozładowywane po odłączeniu od sieci przez w/w elementy.
Do złącza CON4 przyłączony jest woltomierz prądu stałego o odpowiednim zakresie (o tym w dalszej części artykułu), zaś do CON5 bezpiecznik zwłoczny zabezpieczający transformator sieciowy przed spaleniem w razie długotrwałego przeciążenia. Wykorzystany tu został fakt, iż jego drucik rozżarza się i lawinowo utlenia jeszcze przed przekroczeniem prądu przepalenia – w tym wypadku jest to 160mA. Dzięki temu nie ulega on zniszczeniu w razie podłączenia do wyjścia kondensatora elektrolitycznego o dużej pojemności, co byłoby stosunkowo uciążliwe. Krzemowa dioda D6 chroni układ, a w szczególności woltomierz i C7 w razie dostania się na układ wysokiego napięcia o odwrotnej lub identycznej polaryzacji. Spadek napięcia na niej, wynoszący około 0,7V, jest całkowicie pomijalny, gdyż wynosi około 0,6÷0,2% napięcia wyjściowego, odpowiednio dla wartości najniższej (115V) i najwyższej (350V)
Skrzętnie ukrywano dotychczas rezystor R6. Postanowiłem pozostawić go na „deser”, gdyż można o nim - nie bez przesady – powiedzieć, że jest mózgiem tego układu. W zrozumieniu powagi jego zadania pomoże tabelka:

Napięcie na wyjściu [V]

Napięcie na anodzie L2 [V]

Napięcie na siatce sterującej L2 [V]

350

340

33

300

280

35

250

220

37

200

155

39

150

90

41

115

45

43

Mierzono przyrządem o Rwew=10MΩ względem masy układu.

Należy pamiętać, iż punktem odniesienia dla lampy L2 jest jej katoda, która znajduje się na potencjale ok. 39V względem masy, o co dba dioda Zenera D5. Natomiast z zasady działania lampy elektronowej wynika, iż im niższy jest potencjał siatki sterującej, tym mniej elektronów dociera do anody i mniejszy prąd przez nią płynie. Weźmy dla przykładu przypadek z Uwyj = 300V. Napięcie na jej siatce sterującej wynosi wtedy 35V względem masy, czyli -4V względem katody. Spadek napięcia na R6 wynosi wówczas ok. 120V. Z prawa Ohma mamy, że:

Legenda: Uzas – napięcie na kondensatorach filtru [V], UA-masa – napięcie między anodą L2 a masą układu [V], R6 – opór rezystora R6, w tym wypadku 680kΩ

W tym przypadku jej prąd anodowy wynosi około 176µA. Przeprowadzenie obliczeń dla wariantu z Uwyj = 200V wykaże, iż wówczas ten parametr wyniesie około 360 µA. Napięcie na jej siatce sterującej jest niemal zerowe, przez co prąd rośnie. Obserwując stosunek zmian napięcia siatkowego do napięcia anodowego otrzymujemy kolejny ciekawy parametr, jakim jest wzmocnienie napięciowe lampy L2 w tym układzie:

Legenda: ∆UA – zmiana napięcia anodowego (mierzonego między anodą a katodą) [V], ∆US1 – zmiana napięcia siatki sterującej (mierzonego między siatką a katodą) [V]

W tym wypadku kU≈30 i rośnie wraz z wkraczaniem w obszar dodatnich napięć siatki pierwszej. Reasumując: R6 to przetwornik zmian prądu anodowego lampy L2 na napięcie sterujące lampą L1, która pracuje jako wtórnik katodowy. Bez owego rezystora, wykonanie w tym układzie jakiejkolwiek stabilizacji byłoby niemożliwe. Wzmocnienie prądowe jest duże, lecz nie będziemy się nim zajmować, gdyż ten parametr do niczego się nie przyda. Prostota układu okupiona jest minimalnym napięciem wyjściowym na poziomie 115V. Dzieje się tak za sprawą niemożności dalszego obniżenia potencjału siatki sterującej lampy L1 przez anodę L2. Regulacja zaczynająca się od 0V wiązałaby się ze znaczną rozbudową układu.

Montaż i uruchomienie

Układ zmontowano na jednostronnej płytce drukowanej o wymiarach 144 mm x 80 mm. Schemat montażowy pokazano na rysunku 2, natomiast wzór płytki w formacie graficznym PNG i w pliku Eagle można znaleźć w załączniku do artykułu.

Rysunek 2. Schemat montażowy zasilacza lampowego

Montaż zacząć należy od wlutowania zworki i podstawek. Jest to spowodowane faktem, iż podstawki lutowane są od strony ścieżek, co umożliwia wystawienie lamp i skuteczne ich chłodzenie. Umiejscowienie podstawek od strony elementów wiązałoby się z przeprojektowaniem niemal całej płytki. Następne podzespoły są montowane tradycyjnie – od najwyższych do najniższych. Słówko trzeba poświęcić „cyckowi” na szczycie bańki lampy L1, czyli PL504. Jest to lampa przewidziana do pracy w stopniach końcowych odchylania poziomego telewizorów monochromatycznych. W czasie pracy na jej anodzie powstawały znaczne przepięcia, liczone w kilowoltach, co zmusiło konstruktorów tej lampy do odsunięcia wyprowadzenia anody od pozostałych nóżek. Dostępne są w handlu eleganckie, ceramiczne kapturki o średnicy wewnętrznej 6 mm, dedykowane właśnie do takich lamp. Stanowią one przy okazji izolację, gdyż w tym układzie anoda znajduje się na stałym potencjale ok. 400V względem masy. Do jego podłączenia przewidziany jest na płytce punkt lutowniczy opisany jako ANODA.
Same lampy można bez trudu zdobyć na giełdach elektronicznych lub aukcjach internetowych. Ich ceny są bardzo niskie, rzędu kilkudziesięciu groszy do kilku złotych za sztukę. Z tego powodu można zawczasu zrobić sobie mały ich zapasik w razie konieczności wymiany. Polecam zakup lamp fabrycznie nowych, tzw. NOS – New Old Stock. Lecz nawet wybranie jednej dostatecznie sprawnej spośród kilku używanych nie będzie stanowić problemu. Objawem zużycia się L1 jest nadmiernie zwiększony opór wewnętrzny zasilacza, zaś L2 – podniesienie dolnej granicy napięcia wyjściowego.
Uwaga dotycząca woltomierza. Jego montowanie nie jest obligatoryjne, lecz zdaje się być wysoce użytecznym przyrządem, pozwalającym na ciągłą kontrolę napięcia wyjściowego. W handlu ciężko jest zdobyć wychyłowy woltomierz stałoprądowy o tak szerokim zakresie. Można tę kwestię rozwiązać poprzez zastosowanie woltomierza o zakresie 0...35V lub 0...40V, a następnie wstawienie w szereg z jego cewką rezystora (lub zespołu rezystorów) o oporności dziewięciokrotnie wyższej od oporności tej cewki. Pamiętać jednocześnie należy o odpowiedniej mocy strat i wytrzymałości napięciowej. Zastosowany w urządzeniu modelowym woltomierz ma zakres 0...35V napięcia stałego i pobiera 1mA przy napięciu 35V. Z tego wynika, iż opór jego cewki wynosi 35kΩ, zaś dodatkowy rezystor musi mieć wartość 315kΩ (300k+15k), a przy najwyższym napięciu wydzieli się na nim 315mW mocy.
Zmontowany układ nie wymaga żadnych dodatkowych regulacji. Lampy wkładane są w podstawki na samym końcu, tuż przed uruchomieniem, nie zapominając o anodzie lampy L1. Zmierzony prąd żarzenia po minucie pracy winien wynosić 300mA +/-5%, czyli zawierać się w przedziale 285...315mA. Jeśli okaże się zbyt duży, należy w szereg wtrącić rezystor o odpowiedniej wartości, rzędu kilku-kilkunastu omów. Za duża temperatura katody spowodowałby przedwczesne zużycie się lamp, natomiast zbyt mały – niemożność osiągnięcia pełnej wydajności prądowej.
Uruchamiając i użytkując ów zasilacz należy pamiętać o wysokich napięciach w nim panujących, w tym również na wyjściu. Z tego względu należy pamiętać o regule pracy „z jedną ręką w kieszeni” oraz o dużej dozie wyobraźni i dystansu do prądu elektrycznego.
Obudowa zasilacza winna stanowić zarówno dobrą izolację elektryczną, jak i podporę mechaniczną. Z tego względu układ modelowy wsadzono do obudowy o wymiarach wewnętrznych (wysokość/szerokość/głębokość): 100/150/90mm wykonanej ze sklejki grubości 10 mm. Dla podniesienia walorów estetycznych oklejono ją brzozową łuszczką przeznaczoną do produkcji sklejek, a następnie oszlifowano i polakierowano sprayem. Dzięki temu powstała skrzynka jest sztywna, estetyczna i nie przewodzi prądu. Płyta górna wykonana jest z aluminium o grubości 2mm, w którym otwory pod podstawki lamp wywiercone zostały wiertłem piórowym. Podczas wiercenia pamiętać należy o regularnym chłodzeniu wiertła, co zapobiegnie jest rozhartowaniu i gwałtownemu stępieniu.
Unikać należy stosowania gotowych obudów plastikowych, gdyż mogłyby ulec deformacji na skutek ciepła emitowanego przez lampy i ich okolice. Pewnym półśrodkiem byłoby wycięcie w górnej płycie dużego, prostokątnego otworu wokół lamp i zaślepienie go płytką aluminiową bądź stalową, lecz nie jest pewne, czy ciepło przez nią przenoszone nie będzie zdolne roztopić tworzywa sztucznego.

Michał Kurzela
futrzaczek@o2.pl

 

Wykaz elementów
R1: 47Ω/1W
R2: 510kΩ/2W
R3: 200kΩ/1W
R4: 220Ω/1W
R5: 82kΩ/2W
R6: 680kΩ/2W
R7: 10kΩ/0,25W
R8: 47kΩ/0,25W
R9: 110kΩ/1W
R10: 51kΩ/1W
P1: 470kΩ A pojedynczy
C1: 47nF/100V foliowy
C2, C5: 10nF/400V foliowe
C3, C4: 150...220µF/400V elektrolityczne
C6: 100nF/400V foliowy
C7: 4,7µF/400V elektrolityczny
D1...D4, D6: 1N4007
D5: Zener 39V/0,5W
CON1, CON2, CON4...CON6: ARK2
CON3: ARK3
F1: 400mA zwłoczny
F2: 160mA zwłoczny
S1: Wyłącznik sieciowy
TR1: Transformator wg opisu w tekście
L1: PL504 lub PL500, firma dowolna
L2: EF80, firma dowolna
Zaciski śrubowe – dwie sztuki
Woltomierz Opis w tekście
Podstawki Nowal i magnowal do druku
Kapturek na L1 Opis w tekście
Gniazdo zasilające IEC lub magnetofonowe

http://www.tomaszbogusz.blox.pl/

ZałącznikWielkość
Płytka drukowana39.38 KB

Odpowiedzi

Chciałbym zauważyć że

Chciałbym zauważyć że niepoprawnie ładują się rysunki pod wzorami na Ia oraz Ku! Można to poprawić?

Dodaj nowy komentarz

Zawartość pola nie będzie udostępniana publicznie.