Проблема импульсных перегрузок
Одной из важнейших проблем, возникающих при конструировании радиоаппаратуры, является проблема обеспечения её надёжности. В основе решения этой проблемы лежат оптимальный расчёт конструкции аппарата и хорошая наладка при его изготовлении. Однако даже в оптимально рассчитанном и налаженном аппарате всегда остаётся опасность выхода его из строя в момент включения сетевого питания. Наиболее велика эта опасность для аппаратуры с высоким энергопотреблением - усилителем мощности звуковой частоты (УМЗЧ).
Дело в том, что в момент включения сетевого литания элементы блока питания УМЗЧ испытывают значительные импульсные перегрузки по току. Наличие в фильтрах выпрямителей разряженных оксидных конденсаторов большой ёмкости (до десятков тысяч микрофарад) вызывает в момент включения питания практически короткое замыкание выхода выпрямителя.
Так, при напряжении питания 45 В и ёмкости фильтрующего конденсатора 10000 мкФ ток зарядки такого конденсатора в момент включения питания может достигать 12 А. Практически в этот момент трансформатор блока питания работает в режиме короткого замыкания. Продолжительность указанного процесса невелика, однако вполне достаточна при определённых условиях для вывода из строя как трансформатора питания, так и диодов выпрямителя
Кроме блока питания, и сам УМЗЧ в момент включения питания испытывает значительные перегрузки Они вызваны возникающими в нем нестационарными процессами из-за установления режимов активных элементов по току и напряжению и замедленного включения в работу встроенных систем обратных связей. И чем выше номинальное напряжение питания УМЗЧ, тем больше амплитуда таких перегрузок н соответственно выше вероятность возникновения повреждений элементов усилителя.
Вниманию предлагается простое и надёжное устройство «мягкого» включения питания УМЗЧ, защищающее от перегрузок как сам УМЗЧ, так и его блок питания Оно доступно д ля изготовления даже начинающему радиоконструктору и может быть использовано как при разработке новых образцов радиоаппаратуры, так и при модернизации существующих, в том числе и промышленного изготовления.
Схема и принцип работы
Принцип работы устройства заключается в двухступенчатой подаче напряжения питания на первичную обмотку трансформатора блока питания УМЗЧ.
В цепь первичной обмотки трансформатора блока питания последовательно включён мощный балластный резистор. Величина его сопротивления рассчитана в соответствии габаритной мощности трансформатора таким образом, чтобы при включении напряжение переменного тока на первичной обмотке составляло примерно половину напряжения сети.
Тогда в момент включения соответственно в два раза будет меньше и переменное напряжение вторичных обмоток трансформатора и напряжение питания УМЗЧ. За счёт этого резко уменьшаются амплитуды импульсов тока и напряжения на элементах выпрямителя и УМЗЧ. Нестационарные процессы при пониженном напряжении литания протекают существенно «мягче».
Затем через несколько секунд после включения питания балластный резистор R1 замыкается контактной группой K1.1 и на первичную обмотку трансформатора питания подаётся полное напряжение сети. Соответственно восстанавливаются до номинальных значений напряжения блока питания.
К этому времени конденсаторы фильтров выпрямителя уже заряжены до половины штатного напряжения, что исключает возникновение мощных импульсов тока через вторичные обмотки трансформатора и диоды выпрямителя. В УМЗЧ к этому времени нестационарные процессы тоже закончены, включены системы обратных связей, и подача полного напряжения питания каких-либо перегрузок в УМЗЧ не вызывает.
При отключении сетевого питания контакты К1.1 размыкаются, балластный резистор снова оказывается подключённым последовательно с первичной обмоткой трансформатора и весь цикл может быть повторен.
Само устройство «мягкого» включения питания состоит из бестрансформаторного блока питания, таймера, нагруженного на электромагнитное реле. Конструкция устройства и режимы его элементов выбраны с учётом максимального запаса надёжности в эксплуатации.
При подаче на блок питания УМЗЧ выключателем SB1 напряжения сети через токоограничивающие элементы R2 н С2 одновременно оно подаётся на мостовой выпрямитель, собранный на диодах VD1…VD4. Выпрямленное напряжение фильтруется конденсатором С3, ограничивается стабилитроном VD5 до величины 36 В и подаётся на таймер, выполненный на транзисторе VT1.
Протекающий через резисторы R4 и R5 ток заряжает конденсатор С4, по достижению на нём напряжения примерно 1,5 В транзистор VT1 переходит в открытое состояние - реле К1 срабатывает и контактами К1.1 шунтирует балластный резистор R1.
Детали
В конструкции устройства использовано герметичное электромагнитное реле РЭН33 исполнения РФ4.510.021 с рабочим напряжением 27 В и током срабатывания 75 мА. Возможно использование к других типов реле, допускающих коммутирование индуктивной нагрузки переменного тока частотой 50 Гц не менее 2 А, например из отечественных это РЭН18, РЭН19, РЭН34.
В качестве VT1 использован транзистор с большим значением параметра коэффициента передачи тока - КТ972А. Возможно применение транзистора КТ972Б. При отсутствии указанных транзисторов подойдут транзисторы со структурой проводимости р-n-р, например, КТ853Б, КТ973А, КТ973Б, но только в этом случае полярность всех диодов и конденсаторов данного устройства следует изменить на противоположную.
При отсутствии транзисторов с большим коэффициентом передачи тока можно использовать схему составного транзистора из двух транзисторов.
В качестве VT1 в этой схеме применимы любые кремниевые транзисторы с допустимым напряжением коллектор- эмиттер не менее 45 В и достаточно большим коэффициентом усиления по току, например, типов КТ503Г, КТ3102Б. В качестве транзистора VT2 - транзисторы средней мощности с такими же параметрами, например, КТ815В, КТ815Г, КТ817В, КТ817Г или аналогичные им. Подключение варианта составного транзистора производится в точках А-Б-В основной схемы устройства.
Кроме диодов КД226Д, в устройстве можно использовать диоды КД226Г, КД105Б, КД105Г.
В качестве конденсатора С2 применён конденсатор типа МБГО с рабочим напряжением не менее 400 В Параметры токоограничивающей цепи R2C2 обеспечивают максимальный переменный ток примерно 145 мА, что вполне достаточно, когда применяется электромагнитное реле с током срабатывания 75 мА. Для реле с током срабатывания 130 мА ёмкость конденсатора С2 потребуется увеличил до 4 мкФ. Во всех вариантах изменения ёмкости конденсатора его рабочее напряжение должно составлять не менее 400 В. Кроме металлобумажных конденсаторов, неплохие результаты могут быть получены при использовании металлопленочных конденсаторов типов К73-11, К73-17, К73-21.
В качестве балластного резистора R1 применён остеклованный проволочный резистор ПЭВ-25. Указанная номинальная мощность резистора рассчитана для использования совместно с трансформатором питания, имеющим габаритную мощность около 400 Вт.
Регулировка устройства сводится к установлению времени срабатывания таймера для задержки включения работы второй ступени. Эго можно сделать подбором ёмкости конденсатора С4.