|
ЭЛЕКТРОННЫЙ ДРОССЕЛЬ ДЛЯ ЛАМПОВОГО УСИЛИТЕЛЯ
Просматривая различные конструкции, автор наткнулся на такой вариант фильтра:
Рис. 1
Количество явных ошибок на один квадратный сантиметр такой простой схемы впечатлило. Поскольку при правильной реализации идея вполне работоспособна, появилось желание довести её до ума. В конце статьи "электронный" дроссель сравнивается с "неэлектронным", используемым в усилителе для наушников.
Итак, что же в данной схеме криминального? Если коротко по пунктам, то: 1) Значение резистора R2 слишком велико. 2) Наличие электролитического конденсатора C1. 3) Отсутствие заданного напряжения на затворе. 4) Нестабильная работа без нагрузки (например, при вынутых или непрогретых лампах).
Рассмотрим этот список подробнее.
Сначала определимся с основными соотношениями. Очевидно, что полевой транзистор VT1 включен по схеме истокового повторителя. В этом случае выходное напряжение повторяет напряжение на затворе за вычетом порогового напряжения, которое для используемого транзистора составляет около 4 В. Размах пульсаций на выходе равен размаху пульсаций на затворе.
Выходное сопротивление повторителя обратно пропорционально крутизне транзистора. Паспорт транзистора говорит о минимальной крутизне 2,5 А/В при токе стока 2,7 А. Если принять, что диапазон анодных токов находится в пределах 5...50 мА, то можно ожидать, что выходное сопротивление будет в пределах соответственно 9...3 Ом.
Собственно, главная задача - это обеспечить небольшой размах пульсаций на затворе и допустимый на стоке. Поскольку цепь затвора имеет большее сопротивление чем непосредственно анодная цепь, то при одинаковом размахе пульсаций величина сглаживающего конденсатора в цепи затвора оказывается небольшой.
Следует отметить, что схема на рис. 1 не обеспечивает стабилизацию выходного напряжения. Её основная задача - избавление от дорогих высоковольтных электролитических конденсаторов большой ёмкости, а также громоздких дросселей со стальным сердечником в случае использования LC фильтров.
По сравнению с RC фильтром, "электронный" обеспечивает, как правило, меньший перепад между входным и выходным напряжением.
В правильно рассчитанном и исправном повторителе будет выполняться следующее простое условие:
т.е. напряжение питания фильтра, с учётом пульсаций, должно быть больше напряжения на затворе транзистора, при этом выходное напряжение окажется меньше напряжения на затворе (рис. 2):
Рис. 2
Теперь разберём ошибки схемы на рис. 1.
1) Резистор R2. Напряжение на стоке имеет пилообразную форму с крутым фронтом и пологим спадом.
Рис. 3
Значительная проходная емкость транзистора и большое сопротивление R2 приводят к тому, что на затворе и истоке появляются короткие выбросы во время нарастания напряжения.
Выходное напряжение имеет неприглядный вид и вполне может стать причиной "транзисторного звучания":
Рис. 4
Для устранения выбросов величину резистора R2 следует уменьшить. Оценить его значение, учитывая амплитуду пульсаций Uc, время нарастания t, проходную ёмкость C и допустимую амплитуду импульсов на затворе Uз, можно следующим образом:
2) Наличие электролитического конденсатора C1. На рис. 1 данный конденсатор фактически включён последовательно с резистором R1 величиной 5 МОм. Известно, что электролитические конденсаторы обладают существенным током утечки. Его можно найти в паспорте на конденсатор. Как правило, ток утечки пропорционален напряжению и емкости, поэтому производители определяют этот параметр формулой подобного вида:
Выражение (3) взято из даташита на конденсаторы Jamicon серии TK и применяется для напряжений более 160 В. Тогда ток утечки конденсатора 4 мкФ при напряжении 300 В будет более 70 микроампер, что эквивалентно резистору 4 МОм!!!
Получается, конденсатор обладает внутренним сопротивлением утечки, сравнимым с резистором R1. Отчасти этот факт и устраняет огрехи пунктов 1 и 3. Но поскольку ток утечки - величина абсолютно нестабильная, то о качестве выходного напряжения не может быть и речи.
Вывод: в данной высокоомной цепи применение электролитических конденсаторов недопустимо. Следует использовать только плёночные конденсаторы. Из доступных можно рекомендовать К73-17, как отечественного, так и импортного производства.
Рис. 5
Поскольку максимальная ёмкость таких конденсаторов не превышает 2,2 мкФ, то придётся набирать нужное значение параллельным включением.
3) В конфигурации рис. 1 наличие диода VD1 приводит к тому, что напряжение на затворе привязано к нижнему уровню пульсаций питающего напряжения. Действительно, как только входное напряжение окажется меньше напряжения на затворе, VD1 откроется и конденсатор C1 начнёт быстро разряжаться до уровня входного напряжения. Точнее: Uвх + 0,7. Проще говоря, напряжение затвора "гуляет" вместе с нижним уровнем питающего напряжения. Выглядит это так:
Рис. 6
Очевидно, резкие снижения напряжения питающей сети будут повторены таким "фильтром" в масштабе 1:1. Для примера ниже показано выходное напряжение, при секундном снижении входного на 1 Вольт:
Рис. 7
Для нормальной работы каскада нужно явно задать напряжение на затворе при помощи делителя. Слишком большая разница между входным и выходным напряжением нежелательна из-за неизбежного нагрева транзистора. Разумным компромиссом будет значение 10...15 В. Если условно принять анодное напряжение равным 300В, то резисторы делителя будут относиться примерно как 1/30.
4) Поскольку возможен случай, когда нагрузка отсутствует (например, проверка анодного напряжения при вынутых лампах), необходимо подгрузить повторитель резистором, для протекания небольшого тока истока.
В итоге исправленная схема фильтра (пульсации показаны для анодного тока 50 мА):
Рис. 8
С одним конденсатором C2 2,2 мкФ размах пульсаций получается около 10 мВ:
Рис. 9
Для сравнения, источник питания использованный в усилителе даёт несколько худшее значение:
Рис. 10
Сравним стоимость двух вариантов:
Электронный дроссель |Ёмкостный фильтр ====================================================== 100 мкФ х 400В - 43р |2 х (220 мкФ х 400В) - 240р IRF830 - 17р | 2.2 мкФ х 400В - 14р | ====================================================== ИТОГО: 74р | 240р
Выигрыш очевиден.
Скорость нарастания выходного напряжения показана на следующем рисунке:
Рис. 11
Увеличить время можно двумя путями: - увеличивая количество конденсаторов С2 (рис. 8); - увеличивая сопротивление делителя R1, R2 (рис. 8).
Если установить десять конденсаторов, т.е. емкость окажется равной 22 мкФ, то получим следующие результаты:
- пульсации:
Рис. 12
- скорость нарастания:
Рис. 13
Если снова сравнивать с простой схемой фильтра на конденсаторах, то аналогичный размах пульсаций получается при использовании конденсаторов емкостью 680 мкФ.
Электронный дроссель |Ёмкостный фильтр ========================================================= 100 мкФ х 400В - 43р |2 х (680 мкФ х 400В) - 520р IRF830 - 17р | 10 х (2.2 мкФ х 400В) - 140р | ========================================================= ИТОГО: 200р | 520р
При сравнении вариантов надо учитывать, что электронный дроссель требует меньшего перепада напряжения между входом и выходом: 15В для электронного и 50В для обычного.
При токе нагрузки 50 мА на транзисторе VT1 выделяется мощность около 0,65 Вт. Паспортное значение теплового сопротивления "корпус транзистора - окружающая среда" - 62 °С/Вт, откуда превышение температуры транзистора над температурой воздуха - 40 градусов. Следовательно, небольшой радиатор или полигон на печатной плате не помешает.
Ссылки к статье
Автор: Олег Иванов
|
; 
