А. Черномырдин - Семь шагов в электронику
Нельзя, нельзя проверять работу ШИМ без нагрузки, потому что будет вранье. Ну что же, настало, значит, время подключить к блоку питания реальный ламповый усилитель! Восстанавливаем все соединения, подключаем усилитель, подаем питание, нажимаем кнопку «Вкл.»…
Поиск ошибок. Катастрофа
… и вновь получаем взрыв и ядерный грибок! Ну, тут даже рассуждать особенно нечего — виноват усилитель! Берем омметр и проверяем цепи накала.
Как говорилось в одной советской кинокомедии, «диагноз товарища Саахова полностью подтверждается». КЗ! Сопротивление цепи питания едва дотягивает до 0,25 Ом.
Как же так? Ведь усилитель совсем недавно прекрасно работал от обычного трансформатора. Теперь нужно срочно закупать попаленные микросхемы и транзисторы, но сначала нужно найти это КЗ!
Поиск предельно прост — сначала нужно выдернуть из усилителя все лампы. Выдергиваем лампы, замеряем сопротивление, и — о чудо! — короткого замыкания нет! Выходит, замкнули цепи накала какой-то из ламп. Замеряем по очереди цепи накала ламп — и ничего не понимаем! У всех ламп сопротивление нити накала в районе 1 Ом.
Разделив 6,3 В на 1 Ом получаем почти 6 ампер — а где же обещанные 0,75 А? Не могут же все 4 лампы замкнуть одновременно…
И вот тут откуда-то из глубин памяти начинает потихоньку просачиваться смутное, но очень нехорошее подозрение. Холодная нить…
Горячая нить… При нагревании металла сопротивление его увеличивается…
Чтобы проверить это подозрение, подключаем накал лампы к источнику напряжения 6,3 В, ждем, когда она разогреется, и затем быстренько, пока она еще не остыла, измеряем сопротивление нити накала.
Ну конечно — около 10 Ом! Почти на порядок больше! Стало быть, в момент включения блока питания усилитель «выжрал» с него почти 200 Вт мощности вместо обещанных 20 Вт. Ничего удивительного, что блок питания так бурно отреагировал на такую нагрузку! Вот еще одна наша ошибка, которую мы допустили при разработке.
Кто виноват, и что делать
Виноватых мы уже нашли — запредельный пусковой ток цепей накала, о котором нам даже в голову не пришло подумать. А вот что делать — вопрос в высшей степени интересный. Вариантов решения, по большому счету два:
♦ ограничить пусковой ток;
♦ увеличить мощность блока питания, чтобы он был в состоянии «прожевать» начальный бросок тока.
От второго варианта, по здравому размышления, приходится отказаться — слишком большой запас мощности нужен для нормальной работы блока питания. Лампа 6П14П в плане накала — одна из самых экономичных, а ведь есть и другие лампы, куда более прожорливые, например пентод 6П45С (2,5 А) или триод 6С33С (6 А).
Примечание.
Если в схеме окажется четыре триода 6С33С, то блок питания должен иметь запас более киловатта мощности!
Это даже не утюг — это стиральная машина! К тому же в этом случае нам придется вместо транзисторов в сравнительно «легком» корпусе ТО220 использовать более «тяжелые» ТО247. Причина очевидна — тепловое сопротивление: тепло от кристалла не может быть отведено мгновенно, и, к какому бы большому радиатору не был прикручен транзистор в корпусе ТО220, локальный перегрев кристалла со всеми последствиями ему обеспечен.
Что нужно, чтобы ограничить пусковой ток? Нужно включить в цепь накала датчик тока (обычный резистор) и следить за тем, чтобы падение напряжение на нем не превышало некоторого предела. Внешне все выглядит достаточно просто, однако некоторое количество шишек мы уже набили.
Если мы, к примеру, собираемся ограничить ток величиной 3 А, а сопротивление «холодной» цепи накала всего 0,25 Ом, то для поддержания такого тока напряжение на накальной обмотке должно быть всего 0,75 В. А чем же мы, в таком случае, собираемся питать саму цепь контроля тока? Какие компоненты в состоянии заработать от напряжения в 0,75 В, которое надо еще, как минимум, выпрямить!
Нужно сделать дополнительную обмотку? Она после выхода на рабочий режим в десять раз увеличит напряжение питания? Сделать ограничение по току на стороне высокого напряжения тоже не получится: драйвер UC3843 имеет цепь токовой защиты, но это именно токовая защита, а не регулятор тока. К тому же, установив датчик тока в исток нижнего плеча конвертора (как у нас и сделано), мы в принципе защитим только нижнее плечо конвертора, а делать «полноценную» защиту — значит существенно усложнить ту схему, что у нас уже есть.
Кажется, это конец…
У разбитого корыта
Итак, теоретически безупречная, почти готовая, и даже худо-бедно заработавшая конструкция на поверку оказалась полностью неработоспособной, а как ее привести в рабочий вид — пока непонятно. Впрочем, нет, понятно — нужно менять сам принцип построения устройства.
Подведем первые неутешительные итоги. Стабилизация напряжения накала у нас, по большому счету, провалилась. Схема управления получилась достаточно сложной, а, кроме того, не учитывает бросок тока накала при включении блока питания. Как исправить ситуацию простыми доработками, не совсем понятно. И вот тут-то мы снова возвращаемся к той идее, которую отбросили в самом начале — дать определенный запас по напряжению накала, а излишки погасить стабилизатором.
Хорошо, предположим, что у нас есть какой-то стабилизатор напряжения накала и наша задача — всего лишь обеспечить его нужным входным напряжением, скажем, вольт 8—10. Тогда, возможно, мы сможем, застабилизировать анодное напряжение?
Увы, похоже, что от этой идеи тоже придется отказаться. Потому что характер нагрузки в анодной и накальной цепи различен. Если потребление тока в анодной цепи пропорционально мощности выходного сигнала (минимально при полной тишине, и максимально при самых громких звуках), то потребление тока в накальной цепи после первоначального броска тока вообще не изменяется.
Если мы попытаемся застабилизировать напряжение накала, у нас будут проблемы с анодным напряжением, а если попытаемся застабилизировать анодное напряжение — начнутся проблемы с напряжением накала. Даже отдельный стабилизатор накала не спасет, потому что потребление тока по анодной цепи может изменяться почти в пять раз (от 0,25 до 1,25 выходной мощности), и такой же запас по напряжению нам потребуется для питания накала. 30 вольт — не много ли?
Каков же вывод? Вывод прост — делать стабилизацию какого-то одного из выходных напряжений нельзя, потому что критерии стабилизации анодного и накального напряжения между собой несовместимы. А, значит, импульсный конвертор, использованный в нашем блоке питания, должен быть нерегулируемым. Но ведь в таком случае наш блок питания будет «следить» за всеми провалами сетевого напряжения! Чем это лучше обычного блока питания с «железным» трансформатором? Можно ли, в таком случае, как-то застабилизировать первичное напряжение питания? Да, можно! Потому что на свете существует такое устройство, как корректор коэффициента мощности.
Новые идеи
Итак, понемногу наклевывается новая функциональная схема блока питания (рис. 8.9).
Рис. 8.9. Новая функциональная схема блока питания
Несколько очевидных пояснений:
♦ входной фильтр (I) нужен для того, чтобы защитить как наш блок питания от помех по сети, так и сеть от помех, создаваемых нашим блоком питания;
♦ выпрямитель (II) нужен для того, чтобы преобразовать переменное напряжение сети в постоянное;
♦ корректор (III) коэффициента мощности нужен для стабилизации первичного напряжения;
♦ импульсный конвертор (IV) нужен для преобразования постоянное напряжение сети в высокочастотное переменное;
♦ трансформатор (V) нужен для получения необходимых выходных напряжений;
♦ выпрямитель вторичного напряжения (VI) нужен для получения постоянного анодного напряжения;
♦ реле времени (VII) нужно для задержки подачи анодного напряжения на усилитель;
♦ выпрямитель низкого напряжения (VIII) нужен для питания стабилизаторов цепей накала ламп.
Новая принципиальная схема
После изучения документации на новые микросхемы наклевывается вот такая принципиальная схема (рис. 8.10).
Рис. 8.10. Новая принципиальная схема блока питания
Конвертор у нас теперь нерегулируемый, поэтому в нем можно применить полумостовой автогенератор. Корректор коэффициента мощности вообще выполнен по типовой схеме, приведенной в документации на МС34262. Величина первичного напряжения выбрана не 310 В, как обычно, а 400 В. Разумеется, пересчитана первичная обмотка трансформатора — она теперь содержит 90 витков. Двухобмоточный дроссель для корректора мощности, рассчитанный согласно документации на микросхему МС34262, имеет следующие параметры:
