\главная\р.л. конструкции\усилители мощности\...

Стабилизатор по сети для высоковольтных блоков питания

Greg McIntire, *AA5C. Оригинал статьи опубликован в журнале "QST**", May, 1987, pp. 23…25*

Некоторые проекты, кажется, никогда не кончатся; они уже сами создают проекты (а совершенству, известно, нет предела). К этой категории относится мой усилитель мощности на лампе (лампах) 4СХ1000А. Прошло шесть лет и, хотя усилитель работал всё это время хорошо, он всё время претерпевал изменения, – модифицировался. Одним из моих последних проектов был блок высоковольтного питания, разработанный специально для этого усилителя. Он выдавал напряжение анодного питания 3 кВ при токе в 1 А. При некоторых условиях (при отсутствии нагрузки, на холостом ходу), выходное напряжение блока питания подскакивало до 4 кВ. Поскольку максимально допустимое напряжение для вышеупомянутой лампы (ламп) составляет 3 кВ, что-то нужно было делать, чтобы не допустить их повреждения.

Обычно на входе сглаживающего фильтра высоковольтного БП устанавливают дроссель. Чтобы такой фильтр с дросселем работал, как положено, необходимо, чтобы через него протекал, хотя бы, слабый ток. Резистор утечки (нагрузка цепи высоковольтного питания) и фиксированное (приоткрывающее) смещение на лампу (лампы) РА обычно обеспечивают этот ток. Я предпочитаю прикладывать рабочее смещение к лампе (лампам) РА, только, когда усилитель ключуется, т.е., выдаёт РЧ мощность в эфир. Это сохраняет мне несколько сотен ватт мощности, рассеиваемой, просто так, за здорово живёшь, во время приёма, но только усугубляет проблему стабилизатора с дросселем. Дроссель с переменной индуктивностью, конечно же, помогает, но через него, всё же, должен течь слабый ток, чтобы получить некое подобие стабилизации напряжения. Сначала я попробовал применить дроссель с индуктивностью в 15 Гн. После пушечного выстрела и диодов выпрямительного моста, которые мне пришлось выбросить, сел я и задумался, что-то нужно было менять.

В наши дни наметился прогресс в технологии изготовления высокоэффективных импульсных блоков питания. По одной схеме, переменный ток сначала выпрямляется, а затем, преобразуется с помощью мощных полевых транзисторов, работающих на повышенных частотах и трансформаторов в необходимое “высоковольтное питание”. Громоздкость схемы и необходимость специальных трансформаторов меня не устраивали. Другая схема питания предусматривала, так называемое, пропорциональное управление с использованием симистора в цепи переменного тока первичной обмотки силового трансформатора. Симистор включается, в этой схеме, только тогда, когда выходное напряжение БП упадёт до заранее заданного уровня. При полной нагрузке, симистор включен всё время (не выключается). Эта схемотехника достойно “вошла” в мою конструкцию РА.

Подробное описание схемы

Схема, приведённая на Рис. 1, является схемой высоковольтного стабилизатора. Компаратор U1 сравнивает опорное эталонное напряжение с выходным и управляет симистором, включенным в цепь первичной обмотки высоковольтного трансформатора. Включить или оставить симистор в неактивном непроводящем состоянии - всё зависит от соотношения напряжений. В схеме задействован один из компараторов, входящих в состав корпуса микросхемы LM339. Большинство и других высокоскоростных, обладающих высокой чувствительностью компараторов, также могут быть примененны в стабилизаторе.

Рис. 1. Принципиальная схема стабилизатора в цепи первичной обмотки

трансформатора питания.

Q1 – симистор, 2N5445

Q2 – n-p-n транзистор 2N2222

U1 – компаратор LM339

U2 – оптоизолятор, оптосимистор MCP3022 фирмы General Instruments или

Н11J1…H11J5 фирмы General Electric

U3 – интегральный стабилизатор напряжения 7824 - 24 В

Z1 - металло-оксидный варистор V130LA10A фирмы General Electric или Р7074

фирмы Panasonic

Выходное напряжение на компаратор подаётся с делителя напряжения, чтобы попасть в диапазон рабочих напряжений компаратора. Желательно подавать как можно более высокое напряжение с делителя (для большей эффективности работы схемы компаратора и стабилизатора в целом, дело в том, что и изменение выходного высокого напряжения уменьшается на делителе в коэффициент деления делителя напряжения раз - UA9LAQ). Напряжение, подаваемое с делителя на компаратор выбрано здесь в 18 В, более высокое напряжение увеличивает коэффициент стабилизации, но не безопасно для компаратора. Сначала было выбрано напряжение в 5 В, но для переключения симистора требуется большее напряжение. 5-вольтовый опорный источник напряжения получен из напряжения 3 кВ, деление напряжения составляло 600 : 1. LM339 требует разницы напряжений на входах всего в 3 мВ, чтобы сменить состояние, а это означает, что изменение напряжения на выходе всего в 1,8 В приводить к срабатыванию симистора. 18-вольтовый источник опорного напряжения изменит коэффициент деления выходного напряжения на 167 : 1, соответственно, чтобы активизировать симистор потребуется всего 0, 5 В изменения выходного высоковольтного напряжения. Этот пример применителен для схемы, не обладающей гистерезисом. В моей схеме, для предотвращения паразитной генерации, введён резистор положительной обратной связи сопротивлением 1 МОм, который обеспечивает гистерезис. Гистерезис заставляет компаратор переключаться в противоположное состояние надёжно, не мерцать, не генерировать при медленных колебательных процессах, таких, например, как происходящие в питающей сети частотой 60 Гц. До введения гистерезиса паразитная генерация была проблемой.

В этой схеме, два входа компаратора имеют одинаковый потенциал. Если U1 используется правильно, то этот участок характеристики наиболее благоприятен для устройства, обладающего высоким коэффициентом усиления, чтобы сорваться в генерацию. Резистор сопротивлением 1 МОм обеспечивает гистерезис в 0,27 В и “поглощает” напряжение переключения в 3 мВ. Формула, используемая для расчёта изменения напряжения, достаточного для переключения компаратора, приведена на Рис. 2. Схема показана в упрощённой форме, но сопротивление R1 в 11 кОм, всё-таки, наглядно и может быть высчитано.

Рис. 2. По этой формуле производится расчёт изменения напряжения,

необходимого для переключения компаратора. Vcc –напряжение питания

Делитель напряжения включенный параллельно источнику питания 24 В даёт опорное напряжение. Стабилизатор опорного напряжения U3 питается от 28-вольтовой обмотки трансформатора, имеющегося в РА и используемого для питания цепей управления реле переключения. Схема дополнительного выпрямителя содержит диодный мост. Соответствующая развязка и фильтрация по входу позволили отказаться от обычного, в таких случаях, применения стабилитронов и других ухищрений для дальнейшей стабилизации опорного напряжения. Потенциометр позволяет устанавливать требуемое конечное значение напряжения постоянного тока. Опорное напряжение постоянно подаётся на неинвертирующий вход компаратора. Схема обеспечивает начальный запуск БП простым подключением конденсатора параллельно потенциометру установки опорного напряжения. В этой конфигурации, рост выходного напряжения БП определяется ростом напряжения на конденсаторе ёмкостью 8 мкФ. Постоянная времени (нарастания выходного напряжения - UA9LAQ) выбрана равной 0,4 сек, достаточной, чтобы уменьшить пусковые токи через диоды выпрямителя БП в момент включения. Использование предлагаемой схемотехники позволило мне избавиться от крупногабаритного силового реле (пускателя), уравнивающего реле и мощного 100 Вт резистора в моём РА.

Выходное напряжение компаратора открывает транзистор Q2. Ток, текущий через Q2, заставляет светиться светодиод в буферном опто-симисторном каскаде. (Опто-симисторный буферный каскад служит для гальванической развязки устройства управления от высоковольтных цепей и сети переменного тока и позволяет управлять симистором в цепи первичной обмотки силового высоковольтного трансформатора РА). Различные токи управляющего электрода требуются для переключения симистора в различных режимах. Рабочий режим определяется отношением напряжения на управляющем электроде к напряжению на основном (силовом) электроде 2 (МТ2) как показано на Рис. 3.

Рис. 3 . Режим работы симистора определяется отношением напряжения на управляющем электроде к напряжению на электроде МТ2.

Ток управляющего электрода для режимов 2 и 3, обычно, самый маленький, в режиме 4 - требуется наибольший ток переключения. Уровни переключения для некоторых мощных симисторов, с рабочими токами 25…40 А, приведены в Таблице 1.

Таблица 1.

Параметры переключения симисторов по управляющему электроду

Максимальные значения по отношению к электроду МТ1, мА

Р е ж и м ы п е р е к л ю ч е н и я с и м и с т о р о в

Симистор	Ток, A	МТ2(+) G(+)	MT2(+) G(-)	MT2(-) G(-)	MT2(-) G(+)
2N5445	40	70	70	70	100
SC129	25	70	70	70	400
2N6164	30	60	70	70	100

При применении интерфейсных оптоизоляторов промышленного изготовления потребуется (отдельный) источник питания постоянного тока. Это потребует использования симисторов в режимах 1 и 4. Переключение в режиме 4 потребует тока в 400 мА на один симистор, в то время как, в режимах 2 и 3 - всего 70 мА. Резистор сопротивлением 1,8 кОм установлен для ограничения тока оптосимистора до 87 мА. Максимальный допустимый ток оптосимистора, применённого в схеме, составляет 100 мА.

Симистор соединён последовательно с первичной обмоткой силового высоковольтного трансформатора. Вывод симистора МТ2 соединён с “холодным” концом обмотки, МТ1 – с “нулевым” проводом питающей сети. Металло-оксидный варистор (MOV) присоединён параллельно симистору с вывода МТ2 на вывод МТ1 (Рис. 4) для подавления пиковых напряжений, возникающих на индуктивности обмотки трансформатора при её переключениях. Типичный симистор может выносить токи короткого замыкания, превышающие токи длительного действия в 10 раз. Эти токи легко “переносятся” симисторами при переключениях нагрузок индуктивного характера.

Обычно, когда встаёт вопрос применения симисторов или тиристоров, уповают на наличие радиопомех, создаваемых этими приборами при работе. Я с самого начала был настроен только на схему переключения симистора при переходе переменного напряжения через нуль. Такая схема включает симистор только в тот момент времени, когда напряжение в сети 60 Гц равно нулю (не отключено, а, согласно синусоидальному закону изменяется от максимального положительного до максимального отрицательного значения с переходом через нуль - UA9LAQ). Таким образом, нет тех больших токов, которые могли бы создать радиопомехи. Проведённые опытные проверки показали, что задержка между необходимостью переключения симистора и реальным его переключением слишком велика (до 8 мсек) на протяжении, практически, всего времени работы симистора. Это заставляет питающую сеть пульсировать, а лампочки “моргать”. Большим токам нечего делать здесь - остаётся только заряжать конденсаторы фильтра, единственной нагрузкой остаётся резистор утечки. Симистор остаётся всё время включенным, как только включена полная нагрузка БП (когда работает РА). Тут нет вопросов. Затем, был проведён тест по переключению опто-симистора “не во время перехода напряжения через нуль”. Устройство переключило симистор сразу, не дожидаясь, пока напряжение будет равно нулю. Ожидалось появление радиопомех, но они не были обнаружены. Исчезло подсаживание питающей сети. Таким образом, удалось синхронизировать переключение симистора с сетью. Исследование этого эффекта будет продолжено.

Конструкция

Схема контроллера смонтирована на плате с отверстиями, выполненными по углам сетки в 0,1 дюйма (2,54 мм). Высоковольтный делитель размещён вблизи от высоковольтного выпрямительного моста, чтобы уменьшить протяжённость высоковольтных цепей (а, значит, повысить надёжность и безопасность высоковольтного питания - UA9LAQ). Для “горячей” части высоковольтного делителя используйте специальный высоковольтный резистор (из отечественных подходят удлиннённые типа ВС-2 или их последовательная комбинация из нескольких штук, одинакового сопротивления, в сумме составляющих требуемое. Резисторы монтируются “в линию” без изгибов и углов - UA9LAQ). 22/44 -контактный соединитель используется для соединения контроллера с остальной схемой БП, для возможности быстрого демонтажа при обслуживании, проверке и модернизациях. Симистор смонтирован на радиаторе размером 4 х 6 дюймов. Q1 требуется установить на радиатор через изолирующую прокладку, поскольку корпус находится под потенциалом электрода МТ1 (“Нуль” сети не следует соединять с корпусом БП, а значит, и РА, в целом. У них должно быть своё заземление. Поскольку радиаторы обычно привёрнуты к шасси намертво, т. е., имеют с ним гальванический контакт, симистор должен быть изолирован от радиатора - UA9LAQ). Некоторые симисторы, такие как, МАС50А-6 и Т6420D фирмы Motorola имеют изолированные корпуса, что упрощает их монтаж. Только два слаботочных провода, несущих напряжение сети переменного тока необходимы на плате, сильноточное переключение возложено полностью на симистор.

В связи с развитием импульсной техники, стали доступными и обычными в схемах стабилизаторов и оптосимисторы. Детали можно приобрести из многих источников. Оптосимисторы, симисторы SC129 и компараторы LM339 можно приобрести в Digi-Key [1 ], Motorola и General Instruments [ 2,3 ]. Законченная схема устройства приведена на Рис. 5.

Результаты и выводы

Стабилизатор поддерживает выходное напряжение 3 кВ, при токах нагрузки 30 мА … 1 А, изменение выходного напряжения, при этом, не превышает 50 В. Тщательный подбор сопротивления резистора, обеспечивающего гистерезис, возможно, улучшит приведённые показатели, но это не является обязательным. Для мощного РА такое изменение напряжения находится ”за уровнем шумов”. У моего высоковольтного силового трансформатора имеется первичная обмотка только на 117 В. Обмотка на 234 В позволила бы уменьшить рабочий ток симистора вдвое. Симисторы, рассчитанные на меньший ток дешевле. Тиристоры на 2…40 А широко распространены и могут быть приобретены в магазинах и в Посылторге.

Схема устройства универсальна и может быть адаптирована ко многим применениям. Схемотехнику можно, например, применить в сильноточном блоке питания на напряжение 13,8 В постоянного тока. Гистерезис, по отношению к применённому в высоковольтном блоке питания, может быть уменьшен, оптимизирован по наилучшим устойчивым параметрам в конкретном случае применения. В конце концов, если Вы заинтересованы иметь хороший мощный стабилизатор, при минимуме деталей, примените приведённую мной схему такового.

Рис. 4. Радиатор, симистор и варистор. Для соединения первичной обмотки силового трансформатора с симистором используется провод #16. Проводом #20 произведено присоединение к управляющему электроду симистора. Варистор припаян непосредственно к выводам симистора МТ1 и МТ2, чтобы предотвратить его пробой при возникновении импульсов ключевания на индуктивной нагрузке (первичной обмотке силового трансформатора).

(Следует отметить, что к описываемому устройству нужно относиться со всей серьёзностью, соблюдая все технические требования и условия безопасности. “Нашего” КУ208Г для подобного РА, наверное, будет маловато, даже с большим радиатором. Кроме того, всегда необходим конструктивный запас на непредвиденные обстоятельства и плавкие предохранители. Немного удручает соблюдение “полярности” питающего сетевого напряжения, т. е., “нуля” и ”фазы”, соблюдать которую придётся и проверять перед каждым включением РА в сеть, т. к., после аварий в сети “полярность” может поменяться. Вызывает сомнения отсутствие радиопомех при переключении симистора, хотя, при полной нагрузке симистор открыт – не переключается, но в режиме приёма, когда РА включен, возможно, появление шума или отдельные щелчки, которые могут закрыть DX - приём. Впрочем, проверить это не трудно, осталось немного: сделать устройство к РА и сравнить уровень эфирных шумов с РА и без. Удачи! – UA9LAQ)

Рис. 5. Фото стабилизатора по сети питания (авторский экземпляр). Потенциометр в верхнем левом углу фото, служит для подстройки напряжения. Оптосимистор применён в 8-выводном корпусе DIP. 14-выводный корпус DIP – у микросхемы компаратора. В левой части печатной платы виден стабилизатор на 24 В.

Примечания: 1. Digi-Key, 701 Brooks Ave S, Box 677, Thief River Falls, MN 56701,

tel. 1-800-344-4538

2. Motorola Thyristor Device Data Book, 1985, Motorola Semiconductor

Products, Inc., P.O. Box 20912, Phoenix, AZ 85036

3. National Linear Applications Book, 1982, National Semiconductor Ltd.,

331 Comelia St. Plattsburgh, NY 12901.

Еще о стабилизаторах напряжения со стабилизацией по сети

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru

г. Тюмень май, 2003 г