Stabilizacja prądu anodowego lamp mocy

110 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 3/2011 NOTATNIK KONSTRUKTORA Walka z tym zjawiskiem jest prowadzona różnymi metodami: od kompensacji przy- czyn zmian prądu anodowego (EP 12/2010, str. 118) do jego stabilizacji prądu za pomocą różnych elementów półprzewodnikowych, takich jak 3-końcówkowe stabilizatory regu- lowane typu LM317, LM337 i inne. Często są również stosowane elementy, w których do stabilizacji natężenia prądu anodowego wy- korzystuje się ich nieliniowe charakterystyki Stabilizacja prądu anodowego lamp mocy Podstawowe zasady funkcjonowania układów lampowych zostały sformułowane w  dziewięćdziesięciu kilku procentach do końca lat 30. ubiegłego wieku. Nawet współcześnie budowane układy lampowe niewiele różnią się od swoich protoplastów. W  większości przypadków zmiany wprowadzane w  obwodach polegają na zamianie elementów lampowych (np. diod w  zasilaczu) na ich odpowiedniki półprzewodnikowe. Jednocześnie niektórzy konstruktorzy niejako ?prześlizgują się? nad istotnymi bolączkami układów lampowych. Jednym z  nich jest niestabilność prądu anodowego lamp mocy. W  artykule podano propozycję rozwiązania tego problemu. oraz specjalizowane układy scalone, jak np. regulator prądu typu IXCP10M45. Wewnątrz struktury zawiera on tranzystor MOSFET pracujący jako element wykonawczy-regu- lator w  obwodzie parametrycznego źródła prądowego. Firma IXYS produkuje takie ele- menty przeznaczone dla prądu o natężeniu od 2 do 100 mA. Nie jestem ortodoksyjnym ?lampow- cem? i dopuszczam używanie półprzewod- ników w blokach zasilania czy urządzeniach sterowania, kontroli i  diagnostyki. Jednak w  wypadku użycia wyżej wymienionych elementów, cały anodowy prąd lampy mocy (równoważny prądowi katodowemu) prze- pływa przez element półprzewodnikowy, co czyni dany układ nie tyle wzmacniaczem lampowym, co swego rodzaju hybrydą. Jest to osobna grupa wzmacniaczy i  raczej nie może być ona uważana za czyste, klasyczne rozwiązania lampowe. Propozycja układu stabilizacji prądu katodowego Podczas konstrukcji wzmacniacza lam- powego wysokiej jakości napotkałem opi- sane wyżej problemy. Doprowadziło to do konieczności opracowania własnego układu stabilizującego prąd anodowy lamp mocy, którym chciałbym się podzielić. Jego schemat blokowy zaprezentowałem na rysunku 1. Rolę czujnika prądu pełni rezystor ka- todowy R1. Spadek napięcia Uk na R1 jest NOTATNIK KONSTRUKTORA 111ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 3/2011 Stabilizacja prądu anodowego lamp mocy R E K L A M A a samo sterowanie lampy odbywa się przy przepływie prądu siatki o pomijalnym natę- żeniu. Do bezpośredniej regulacji natężenia prądu anodowego służy sama lampa i to jej parametry decydują o  jego maksymalnej wartości. Opis działania układu Głównymi elementami układu są: peł- niący rolę czujnika prądu rezystor kato- dowy R13, komparator ze wzmacniaczem IC2, 3-końcówkowy regulator napięcia IC1, transoptor OK1. Rezystor katodowy R13 ma rezystan- cję wynoszącą 1  V. Prąd katodowy pły- nący przez rezystor o  natężeniu wynika- jącym z  wybranego punktu pracy, wyno- si 300  mA. Wywoła on spadek napięcia przez jakikolwiek element półprzewodniko- wy, więc tak zbudowany wzmacniacz może być nadal traktowany jako klasyczny układ lampowy. Na rysunku  2 zamieszczono schemat ideowy układu stabilizacji natężenia prądu anodowego lampy mocy. Lampą wyjścio- wą jest trioda dużej mocy 6S33S pracu- jąca w  układzie wzmacniacza w  klasie A. Punkt pracy lampy ustalono na Ia=300 mA i  Ua=180  V. Należy zaznaczyć, że układ nie ma ograniczenia maksymalnej war- tości natężenia prądu anodowego, jak to jest w  przypadku wykorzystania np. IXCP100M45, w którym maksymalny prąd stabilizacji nie przekracza 100 mA. Jest to możliwe dzięki temu, że układ sterowa- nia wypracowuje napięcie sterujące U(t), wprost proporcjonalny do natężenia prądu katodowego (Uk=Ik×R1). Jest on porówny- wany z  napięciem zadanym Uz. Napięcie błędu DU=Uk-Uz oddziałuje na element regulujący REG, który zmienia napięcie sterujące U(t) na siatce lampy, tak aby prąd katody (a  tym samym anody) pozostawał niezmienny. Napięcie U(t) jest generowane przez źródło napięcia polaryzującego Up, które jest podawane na drugie wejście regulatora. Zmieniając wielkość napięcia Uz możemy praktycznie dowolnie zmieniać wartość prądu anodowego lampy. Przepływa on tylko przez rezystor katodowy i nie płynie Tabela 1. Wyniki pomiarów natężenia prądu Ia i  napięcia siatki Us w  funkcji czasu t [s] Ia [mA] Us [V] t [s] Ia [mA] Us [V] 0 0 -12,6 90 299 -56,1 20 4 -12,6 100 299 -56,0 25 90 -12,6 110 299 -57,1 30 254 -23 120 299 -57,5 35 273 -41 130 299 -57,9 40 282 -49 140 299 -58,0 45 287 -51,8 150 299 -58,8 50 289 -53,2 180 299 -60,1 55 291 -53,9 210 299 -60,9 60 293 -54,3 240 299 -61,2 70 295 -55,1 1200 299 -61,2 80 296 -55,6 2400 297 -64,2 Rysunek 1. Schemat blokowy układu sta- bilizującego natężenie prądu anodowego lamp mocy Rysunek 2. Schemat ideowy układu stabilizującego natężenie prądu anodowego lamp mocy Wykaz elementów użytych w układzie: R1: 10 kV/0,5 W R4, R6: 10 kV/0,25 W R2: 100 V/0,25 W R3: 3 kV/0,25 W R5: 20 kV/0,5 W R7: 40 kV/0,25 W R8: 2 kV/0,25 W R9, R11: 1 kV/0,25 W R10: 10 V potencjometr R12: 200 kV/1 W R13: 1 V/1 W R14: 1 kV/1 W C1: 100 mF/16 V C2: 0,5 mF/400 V IC1: TL083 IC2: LM358 OK1: CNY17 T1: BD243 D1: BZD23C10 (dioda Zenera 10 V) V1: 6S33S 112 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 3/2011 NOTATNIK KONSTRUKTORA Ia=0 mA, a napięcie sterujące na siatce lampy jest maksymalne (algebraicznie) i a priori wia- domo, że lampa będzie otwarta. Około minu- ty trwa proces dość gwałtownego narastania prądu anodowego (do 293  mA) i  jednocze- śnie zmniejszania się napięcia na siatce (do -54,3 V). Dalej lampa rozgrzewa się, więc prąd anodowy ma tendencję do wzrostu natężenia, lecz dzięki układowi stabilizacji napięcie ste- rowania na siatce utrzymuje jego ustaloną war- tość. Po 4 minutach natężenie prądu osiągnęło wartość 299  mA, a  napięcie na siatce U(t)= -61,2  V. Podobne wartości były utrzymywa- ne po około 40 minutach pracy układu. Błąd regulacji natężenia prądu wynosił około 1%. Należy pamiętać o tym, że w ciągu tego czasu na układ działało szereg czynników zakłócają- cych: rozgrzewanie się lampy, zmiana napięć zasilających, zmiana temperatury elementów itd. Następnie zamie- niłem lampę na inny egzemplarz wybrany losowo z  przysłowiowej szuflady. Nie wiem czy jego parametry dużo różniły się od sprawdzanej wcześniej. Po około 40 minutach od włą- czenia napięcia zasilania prąd anodowy ustabilizował się. Jego wartość wynosiła 298  mA przy na- pięciu sterowania doprowadzonym do siatki wynoszącym -66,5 V. Jak można wywnioskować z  poda- nych wyżej wyników pomiarów oraz z za- stosowania innej lampy, układ stabilizacji prądu anodowego pracuje prawidłowo, jednak jest on tylko wycinkiem schematu kompletnego wzmacniacza, który aktualnie buduję i  musi być jeszcze przetestowany w rzeczywistych warunkach pracy. Jerzy Granderjan jurekl4@gazeta.pl gulowane, które następnie jest podawane na siatkę lampy. Transoptor OK1 (CNY17) nie jest prze- znaczony do odizolowania niskonapięcio- wych obwodów układu komparatora od re- gulatora napięcia, ale dopasowania wartości napięcia bazy tranzystora T1 (które może wynosić około 100  V) do napięcia wyjścia operacyjnego wzmacniacza (rzędu kilku V). Należy zaznaczyć, że wejściowe napię- cie polaryzacji (120 V) nie jest stabilizowa- ne tylko dobrze filtrowane, dlatego do stabi- lizacji napięcia zasilania OK1 służą elemen- ty R5 i D1 (dioda Zenera 10 V). Podsumowanie Układ z rys. 2 wypróbowa- no w praktyce, a wyniki pomiarów zamieszczono w  tabeli  1. Woltomierzami zmierzono napięcie na katodzie lampy (czy- li pośrednio prąd anodowy) i  na jej siatce (napięcie sterujące). Badano zmiany prądu anodowego w funkcji czasu. W  momencie podania napięcia zasila- nia układu (w  chwili t=0  s) prąd anodowy 300  mV i  spowoduje straty mocy równe 0,09 W. Zastosowałem rezystor o dopusz- czalnej mocy strat 1  W, co jest wartością o  wiele wyższą o  wymaganej. Jak można zauważyć przepływ prądu katodowego wywołuje niewielką stratę mocy i  dzięki temu nie ma problemu z odprowadzaniem ciepła czy gabarytami samego rezystora. Również wielkość ujemnego sprzężenia zwrotnego, które zawsze jest wywoływa- ne obecnością niezbocznikowanego przez kondensator rezystora katodowego, jest znikoma. Aby do układu nie przenikał sygnał zmienny, zastosowano filtr dolno- przepustowy zbudowany z  rezystora R14 i kondensatora C1. Komparator wykonano z  zastosowa- niem wzmacniacza operacyjnego typu LM358 (IC2), który może być zasilany z napięcia niesymetrycznego. Komparator porównuje wejściowe spa- dek napięcia na R13 z napię- ciem zadanym otrzymywa- nym z suwaka potencjometru R10. Wzmacniacz operacyjny jest zasilany ze stabilizowanego źródła napięcia zasilania +12  V, które można otrzymane na przykład z napięcia przemiennego 12,6 V służącego zasilania żarnika lampy wyjściowej. Regulator napięcia serującego lampę jest zbudowany z użyciem 3-końcówkowe- go stabilizatora TL783 (IC1). Funkcjonalnie jest on podobny do LM317, jednak pozwa- la na stabilizowanie napięcia o  wartości do 120 V. Napięcie wyjściowe jest ustala- ne za pomocą dzielnika R1 i równoległego połączenia R2 i T1 z tym, że rezystory R1 i R2 określają maksymalne wyjściowe na- pięcie przy nieprzewodzącym tranzysto- rze T1. Wyjście stabilizatora (nóżka 2) jest dołączone do masy, dzięki czemu na jego nóżce 1 otrzymuje się ujemne napięcie re-