Предлагаемый стабилизированный блок питания (БП) обеспечивает высокую степень подавления пульсаций выходного напряжения и предназначен для питания накала стержневых ламп, установленных во входных высокочувствительных каскадах УЗЧ, например, микрофонных, фонокорректорах сигнала и т. п. Отличительной особенностью этого БП является использование интегрального стабилизатора в комплексе с ионистором, что и определяет высокие показатели устройства.
Основные электрические характеристики
Номинальное выходное напряжение, В . . . . . . . . . .1,2
Максимальный выходной ток, мА . . . . . . . . . .200
Уровень фона (на частоте 100 Гц), дБ, не более . . . . . . . . . . -98*
Время выхода на установившийся режим, мин . . . . . . . . . .3**
*В установившемся режиме при номинальном напряжении полезного сигнала 3 мВ на первой сетке входной лампы УЗЧ.
**При уровне выходного напряжения 1,05 В.
Как известно, стержневые лампы [1-3] при использовании во входных каскадах имеют ряд преимуществ перед обычными сеточными лампами:
-малый ток накала при номинальном напряжении 1,2/2,4 В (типовые значения - десятки мА);
-сравнительно невысокая рабочая температура баллона лампы (для 1П24Б - не более +85 оС при температуре окружающей среды +20 оС и +30...45 оС - для большинства ламп);
-небольшие массогабаритные показатели (диаметр баллона - 8...10 мм, масса - 4...5,5 г);
-наличие гибких выводов для монтажа под пайку, что исключает влияние переходного сопротивления в контактах, характерных для штыревых ламп;
-длительный срок эксплуатации (2000...5000 ч);
-устойчивость к вибрациям и существенно меньшее проявление микрофонного эффекта из-за большей жёсткости конструкции, что обусловлено отсутствием сеток;
-высокая эффективность использования катодного тока (0,9...0,98 против 0,65...0,85 у обычных сеточных ламп);
-сравнительно небольшое напряжение перегиба пентодной АЧХ (+20...30 В), что даёт возможность нормальной работы при небольших анодных напряжениях;
-низкий уровень шума, обусловленный малыми токами вторых электродов. Зависимость уровня шума от напряжения второго электрода имеет явно выраженный минимум при напряжении +30...50 В. Зависимость уровня шума от напряжения управляющего электрода выражена слабо;
-крутизна характеристики имеет наибольшее значение при напряжении на экранирующем электроде, близком по значению к анодному напряжению, и мало изменяется при изменении анодно-экранного напряжения;
-малые междуэлектродные ёмкости (особенно проходная, что позволяет свести к минимуму проявление эффекта Миллера), высокие типовые входное и выходное сопротивления.
При использовании стержневых ламп в триодном режиме обязательным является соединение защитного электрода с катодом. Также не допускается подача на этот электрод положительного напряжения в пентодном режиме. Невыполнение этого условия приводит к нарушению фокусировки электронного потока.
Конструкция стержневых ламп предполагает наличие исключительно катодов прямого накала, что предъявляет достаточно высокие требования к уровню пульсаций напряжения накала при работе в высокочувствительных каскадах УЗЧ. Классическим решением, обеспечивающим максимальное практически достижимое отношение сигнал/фон, является, естественно, батарейное питание. Хороших результатов по обеспечению низкого уровня фона при использовании трансформаторного источника позволяет достичь применение ионисторов в качестве основных фильтрующих элементов [4, 5]. Однако такое решение, в общем случае, имеет ряд важных особенностей [6]. Поскольку принцип действия ионисторов основан на переносе заряда с помощью ионов, а не электронов, быстродействие этих приборов невысокое, и они оказываются неработоспособны уже на частотах порядка единиц килогерц. Вторым существенным фактором, ограничивающим непосредственное применение ионисторов в выпрямителях, является сравнительно большое ESR (доли или даже единицы ом), что приводит к заметному падению напряжения на их внутреннем сопротивлении при больших токах нагрузки и ухудшает подавление пульсаций. В-третьих, малое номинальное напряжение ионисторов обусловливает необходимость их последовательного соединения в случае работы в интервале напряжений 10...20 В и более. Это, в свою очередь, пропорционально снижает общую ёмкость такой батареи и ещё более увеличивает её внутреннее сопротивление. Впрочем, данный фактор не является критичным в БП накала стержневых ламп, для которых номинальное напряжение накала составляет 1,2/2,4 В, и наиболее целесообразно применить один ионистор или параллельное их соединение для уменьшения эквивалентного ESR. Нагрев ионистора выше +70 оС, как и превышение номинального напряжения, является недопустимым, поскольку приводит к разрушению его электрохимической структуры. А при токах в несколько ампер и более нагрев физически неизбежен вследствие повышенного ESR. В то же время неоспоримым преимуществом ионисторов является исключительно высокая удельная ёмкость.
Что касается материальной стороны вопроса, ионисторы в последнее время демонстрируют практически одинаковые доступность и стоимость в сравнении с оксидными конденсаторами ёмкостью 22000 мкФ и более. Малые габариты ионисторов в сравнении с оксидными конденсаторами большой ёмкости также являются преимуществом. Как показали эксперименты, использование одиночного ионистора ёмкостью 10 Ф в схеме одно- или двух-полупериодного выпрямителя при напряжении до 2,5 В эквивалентно применению одного конденсатора ёмкостью 100 000....150 000 мкФ по величине пульсаций выходного напряжения. По стоимости в этом случае применение ионистора представляется более предпочтительным.
По указанным причинам коэффициент подавления пульсаций на выходе Бп с ионистором оказывается ниже теоретически ожидаемого и позволяет получить реальный уровень фона не хуже -54 дБ в зависимости от суммарного тока накала ламп, ёмкости и типа ионистора. Такие значения, в общем, являются довольно типичными для конструкций на электронных лампах, однако не рекомендуются для звуковоспроизводящих устройств высокого класса.
Кратное уменьшение уровня фона можно получить параллельным соединением ионисторов за счёт увеличения ёмкости и уменьшения эквивалентного ESR. Но при этом пропорционально возрастают массогабаритные показатели, стоимость комплектующих и время готовности. Наиболее эффективным и целесообразным способом, позволяющим добиться существенного качественного улучшения показателей БП, является его дополнение интегральным стабилизатором (ИС) с малой величиной выходного напряжения (1,2...2,5 В) и достаточной нагрузочной способностью, например, распространёнными ИС последовательного типа LM317 [7], MCP1702 [8] или TL431, TL432 параллельного типа [9]. ИС, как таковые, обеспечивают высокий коэффициент подавления пульсаций. В частности, для LM317 типовое значение этого параметра составляет не менее 65 дБ. Совместное использование ИС и ионис-тора позволяет получить качество питания, сопоставимое на практике с батарейным по уровню пульсаций и обладающее более высокой долговременной стабильностью.
Рис. 1. Схема БП для питания накала стержневых ламп
Схема БП для питания накала стержневых ламп приведена на рис. 1. Выпрямленное напряжение +5,5 В с двухпо-лупериодного выпрямителя VD1VD2C1 поступает на вход ИС DA1 (LM317T), включённой по типовой схеме. Выходное стабилизированное напряжение ИС определяется выражением
Uo = Uref (1 + R1/R2) + Iadj R1,
где Uref = 1,25 В, а Iadj - ток управляющего электрода (типовое значение - 50 мкА). Минимальное выходное напряжение - 1,25 В, что практически соответствует номинальному напряжению накала. Конденсаторы C2, C4 предназначены для предотвращения самовозбуждения ИС на ВЧ. Конденсатор C3 обеспечивает дополнительную фильтрацию пульсаций. Его применение позволяет получить выигрыш по коэффициенту подавления пульсаций до 15 дБ при ёмкости 10 мкФ и более. Диоды VD3, VD4 предназначены для разрядки конденсаторов C3-C6 в обход внутренних цепей ИС при выключении питания. С выхода ИС напряжение поступает на резистор R3, включённый последовательно с сопротивлением нагрузки (нитей накала). Назначение этого резистора заключается в ограничении тока зарядки ионистора при включении устройства и выходного тока ИС на уровне, безопасном для неё и не вызывающем срабатывания встроенной защиты от КЗ (не более 1,5 А для LM317, в данном случае - около 0,4 А).
Следует учитывать, что трансформатор питания T1 и выпрямитель VD1VD2C1 должны обеспечивать продолжительную работу устройства на резистор R3 в качестве нагрузки при выбранной величине тока ограничения, средневыпрямленном напряжении не менее +5 В и амплитуде пульсаций на конденсаторе C1 не более 0,25 В. По мере зарядки ионистора напряжение на нагрузке возрастает до номинального +1,2 В. Также примерно вдвое уменьшается напряжение пульсаций на конденсаторе C1. Во избежание повреждения ионистора при случайном отключении нагрузки выходное напряжение ИС ограничено максимальным значением +2,5 В. Это определяется приведённым выше соотношением. Как правило, УЗЧ на стержневых лампах любого типа работоспособен в смысле минимально допустимого отклонения от заданных эксплуатационных параметров уже при напряжении накала 0,95...1,05 В. По этому уровню и определяется время готовности, которое при указанных номиналах резистора R3 и конденсаторов C5, C6 составляет 2...3 мин. Плавный прогрев нитей накала ламп и отсутствие бросков тока при включении способствуют увеличению их рабочего ресурса.
Налаживание правильно собранного БП заключается в установке напряжения на нагрузке при известном её сопротивлении (определяемом типом и числом подключаемых ламп). Предварительно отключают ионистор C6 и устанавливают движок подстроечного резистора R1 в верхнее по схеме положение, что соответствует выходному напряжению ИС +1,25 В. Подключив нагрузку или её эквивалент, подают сетевое напряжение и, перемещением движка R1, устанавливают номинальное напряжение накала +1,2 В. При необходимости допустимо изменить сопротивления резисторов R2 и R3, однако следует помнить, что ни при каких условиях выходное напряжение ИС не должно превышать номинального напряжения ионистора. По завершении настройки нагрузку закорачивают (правый по схеме вывод резистора R3 временно соединяют с общим проводом) и контролируют напряжение непосредственно на выходе ИС (выв. 2 DA1). Допустимым считают его изменение не более чем на 0,1 В.
Затем восстанавливают подключение ионистора и после включения с нагрузкой контролируют процесс нарастания выходного напряжения до номинального. В ходе этого с помощью осциллографа, подключённого между выв. 2 DA1 и общим проводом, необходимо также убедиться в отсутствии самовозбуждения стабилизатора во всём интервале выходных напряжений. Как правило, проблем с этим не возникает. В случае возникновения самовоз-буждения следует произвести подбор ёмкости конденсатора C2 или изменить его тип.
Этот БП может быть применён также для питания ламп с номинальным напряжением накала 2,4 В или двух одинаковых ламп с последовательным включением цепей накала, как это сделано, например, в [10]. При этом рекомендуется увеличить выходное напряжение выпрямителя до +6,3...9 В, а выходное напряжение ИС - до +4,5...5 В, изменив номинал резистора R2 на 330 Ом, и применить последовательное соединение двух ионисторов с подключением параллельно каждому из них выравнивающего резистора сопротивлением 1...10 кОм. Методика налаживания в этом случае сохраняется.
Если БП предполагается использовать для питания ламп выходных каскадов, например, усилителей для головных телефонов или резонансных каскадов УВЧ, элементы R3, C5, C6 могут быть исключены. К слову, исключение ионистора с сохранением остальных элементов фильтра приводит к ухудшению отношения сигнал/фон на 16 дБ, т. е. значение этого параметра составит около -82 дБ при номинальном напряжении полезного сигнала 3 мВ на первой сетке входной лампы УЗЧ. Такой уровень также является приемлемым для звуковоспроизводящей аппаратуры высокого класса, так как находится на уровне шумов высококачественного винилового проигрывателя.
Детали. Все диоды - серий 1N4001 - 1N4007 или отечественные КД243, КД237 с любым буквенным индексом или аналогичные выпрямительные с допустимым прямым током не менее 1 А. Конденсаторы C1, C3, C5 - К50-35, К50-68, Panasonic NHG-A, GRP, JRB, JTK или аналогичные, C2, C4 - керамические К10-17б, танталовые (Kemet Т494) или танталово-полимер-ные конденсаторы (Kemet Т520), предпочтительно Low ESR, но можно использовать и стандартные (Kemet Т491). Допустимое напряжение танталовых конденсаторов должно не менее чем в два раза превосходить выходное напряжение ИС. C4 может быть оксидный алюминиевый ёмкостью 10...22 мкФ на напряжение не менее 10 В. На практике на месте конденсаторов C2, C4 удовлетворительно работают также металлоплёночные полипропиленовые MKP, MFP, К78-2, ПЭТФК73-11, К73-17 и аналогичные. Ионистор C6 - VEC3R0106QG или аналогичный, ёмкостью 10...15 Ф с номинальным напряжением 2,7 В и ESR не более 0,1 Ом на частоте 100 Гц. Подстроечный резистор R1 - многооборотный для печатного монтажа серии 3296. Постоянные резисторы R2, R3 - МЛТ, С2-33Н или аналогичные импортные соответствующей мощнос-те Резистор R3 и эквивалент нагрузки при налаживании - цементные резисторы CR-L, SQP, PRW мощностью 5 Вт, которые обладают большими запасом мощности и тепловой инерционностью. Трансформатор T1 - любой малогабаритный понижающий с номинальными напряжениями вторичной обмотки 2x4,5 В и допустимым током вторичной обмотки не менее 0,5 А.
Конструкция. Исполнение устройства бескорпусное, оно предназначено для размещения внутри корпуса лампового УЗЧ. Печатная плата БП не разрабатывалась, он собран на монтажной печатной плате размерами 100x50 мм с шагом отверстий 2,54 мм. Внешний вид платы с размещёнными на ней компонентами показан на рис. 2. Трансформатор T1 может быть расположен непосредственно на плате или отдельно. В силу того что расчётное отношение сигнал/фон, как чисто электрического параметра, весьма высоко (-100 дБ), выполнение требований, предъявляемых к монтажу, становится основным фактором, определяющим реальный уровень фона [7]. В частности, резистор обратной связи R2 должен быть размещён возможно ближе к выводам ИС, а "земляные" выводы резистора R1 - к точке подключения нагрузки. Подключение всех общих проводников на схеме следует выполнить по топологии "звезда", физически соединив их в одной точке. Подключение конденсаторов C2, C4 также рекомендуется производить непосредственно к выводам ИС. Если мощность, рассеиваемая на ИС в корпусе TO-220-3, в любой период времени превышает 1 Вт, необходимо принять меры по дополнительному отведению тепла, установив его на теплоотвод с достаточной площадью охлаждающей поверхности.
Рис. 2. Внешний вид платы с размещёнными на ней компонентами
В авторском варианте в качестве превентивной меры при возможных доработках устройства применён теплоотвод размерами 20x14,5x9 мм с площадью поверхности около 20 см2. Соединение выхода БП с цепями накала ламп следует выполнять витой парой, выполненной из многожильного монтажного провода с площадью поперечного сечения не менее 0,3 мм2, например МГТФ-0,35. Проводники должны иметь возможно меньшую длину и располагаться под углом 45...90 градусов к слабосигнальным цепям и на максимально возможном удалении от них.
Литература
1.Суханов В., Киреев А. Стержневые лампы. Принцип работы и конструкция. - Радио, 1960, № 7, с. 34-38.
2.Азатьян А., Пароль Н. Параметры стержневых ламп. - Радио, 1960, № 7, с. 38.
3.Суханов В., Киреев А. Стержневые лампы. Особенности применения. - Радио, 1960, № 10, с. 49-52.
4.Панкратьев Д. Фонокорректор на стержневых лампах. - Радио, 2022, № 5, с. 22-25.
5.Панкратьев Д. Гибридный УМЗЧ на лампах 1П24Б. - Радио, 2020, № 8, с. 12-17.
6.Панкратьев Д. Бестрансформаторный гибридный УМЗЧ. - Радио, 2023, № 4, с. 37- 45.
7.LM317 3-Terminal Adjustable Regulator. - URL: https://clck.ru/38rVED (13.02.24).
8.MCP1702. 250 mA Low Quiescent Current
LDO Regulator. - URL: https://clck.ru/38rVcd (13.02.24).
9.TL431/TL432 Precision Programmable Reference. - URL: https://clck.ru/38rVox (13.02.24).
10.Панкратьев Д. Беспроводные ТДС-4 со встроенным ламповым УЗЧ. - Радио, 2019, № 8, с. 36-39.