Введение
Прежде чем начать, следует сделать несколько важных отступлений.
- Обозначенная тема подразумевает работу с цепями накала лампового аудиоустройства, но на самом деле предлагаемый модуль стабилизаторов напряжения универсальный и может использоваться в очень широком диапазоне применений, например, в качестве блока питания. В нем применяется классическая схемотехника "трехногого" интегрального стабилизатора напряжения, который может питать что угодно, и выходное напряжение может быть установлено в очень широком диапазоне, а не ограничено типовыми напряжениями накала 5, 6.3 и 12.6 В.
- Термин ламповое аудиоустройство подразумевает собой целую группу устройств, в составе которых применяются радиолампы, которые в свою очередь требуют накала. Это могут быть ламповые фонокорректоры, буферы, предусилители, усилители мощности и так далее. К контексте данной публикации это не имеет значения.
- Обязательно найдутся читатели, которые убеждены, что накалы ламп можно и нужно питать напрямую с обмотки трансформатора переменным током. Да, можно, и иногда это действительно правильное и разумное решение. К примеру, если речь идет о цепях накала кенотрона или в крайнем случае выходных ламп оконечного усилителя (хотя тут уже стоит задуматься о правомерности такого решения). Бывают различные схемы включения прямонакальных триодов, где питание накала осуществляется напрямую от обмотки трансформатора и минимальный уровень фона устанавливается с помощью балансировочного резистора (как видите, фраза "минимальный уровень фона" свидетельствует о том, что отчетлива видна проблема и необходимость перехода на питание накала постоянным, а не переменным током для ее устранения).
Я убежден, что накалы ламп, установленных в чувствительных каскадах предварительного усиления слабых сигналов, должны питаться постоянным током с минимальным количеством пульсаций переменного тока, это обсуждению и сомнению не подлежит.
Накалы ламп предварительных каскадов должны быть стабилизированы или, если стабилизации напряжения накала нет, должны быть отфильтрованы и лишены пульсаций переменного сигнала, в противном случае переменный сигнал некоторой своей частью обязательно "пролезет" на выход устройства и испортит все его музыкальные характеристики.
Проверено многократно!
Часть 1. Полная схема связей и схема сборки
Я почти всегда разрабатываю модули универсальными. Это удобно при производстве, потому что можно применить детали различных форм-факторов, производителей, с разной цоколевкой и так далее.
Особенно сейчас, когда некогда обыденные детали исчезают со складов поставщиков и становятся недоступными для заказа, и спасает только тот факт, что на плате предусмотрены посадочные места под альтернативные схемотехнические решения.
Поэтому рождается как минимум две схемы:
- полная схема связей;
- схема сборки.
Что значит полная схема связей?
Это схема по которой разводилась печатная плата! Некоторые элементы, указанные на этой схеме, дублируют друг друга. Это делается для того, чтобы в зависимости от поставленной задачи можно было применить различные элементы (разной мощности, цоколёвки, размеров и так далее). Это значит, что в реальной схеме (в схеме сборки) устанавливаются не все элементы, а только некоторая часть, которая обеспечивает решение поставленной задачи, но разработчик заложил на плату множество вариантов и реализовал их с помощью дублирования.
Полная схема связей модуля представлена на фото ниже.
Представленный модуль накала двухканальный. Каналы гальванически развязаны между собой и абсолютно идентичны. В зависимости от технического задания можно использовать один (любой) или оба канала.
Для облегчения восприятия я сократил представленную схему до одного канала, по которому и продолжу пояснения. Второй канал реализован и работает точно так же.
Разделение по каналам сделано для возможности равномерного распределения рассеиваемой мощности, питания от двух независимых обмоток трансформатора, также выходные напряжения могут иметь разный "подъем накала" - напряжение смещения, которое подается с части анодного напряжения на обмотку накала для снижения уровня шумов.
Это весьма актуально, например, для схемотехники SRPP, где катоды нижнего и верхнего триодов находятся под разными потенциалами.
Разделение по каналам также оценят адепты концепции "двойное моно" или балансной схемотехники - там двухканальный стабилизатор накала придется как нельзя кстати!
Таким образом мы постепенно от схемы связей переходим к схеме сборки.
Что значит схема сборки?
Это принципиальная схема, по которой собирается модуль под конкретную техническую задачу! Сборщик знает, какое выходное напряжение и ток ему требуются для проекта. Параметры сборки определяются в том числе уровнем входного напряжения и степенью его нестабильности. Поэтому схема сборки может меняться в зависимости от проекта, и вас не должно смущать и пугать, что на модуле устанавливаются не все элементы, которые заложены на печатную плату для универсальности применения.
Часть 2. Назначение элементов схемы
Для упрощения восприятия полная схема связей будет разбита на фрагменты, каждый из которых мы обсудим отдельно.
- Разъем J2 - клеммник винтовой, предназначен для подключения вторичной обмотки трансформатора, от которой происходит питание одного канала модуля стабилизатора. Для надежности под разъемом сделан пропил безопасности, исключающий случайное замыкание контактов, которое может быть вызвано различными факторами.
- Резисторы R3, R4 - это балластные резисторы, которые выполняют несколько задач. Гасят избыточное входное напряжение с трансформатора, если такое есть. В этом случае тепловой баланс лучше распределяется между резисторами и интегральным стабилизатором, нежели передать на стабилизатор всю рассеиваемую мощность. Форм-фактор посадочных мест позволяет разместить радиальный керамический резистор с рассеиваемой мощностью 5 Вт.
На фото ниже можно увидеть применение таких резисторов, правда в другом проекте.
Как вариант, могут быть использованы выводные аксиальные металлопленочные резисторы мощностью 2 Вт, соединенные последовательно и установленные вертикально.
Также балластные резисторы снижают импульсные токи, протекающие через вторичную обмотку трансформатора, и делают его работу более комфортной. Для лучшего распределения тепла и улучшения конвекции под каждым балластным резистором предусмотрено вентиляционное отверстие.
В случае, если балластные резисторы не требуются (ведь это не обязательный элемент схемы), они могут быть заменены перемычкой или ферритовыми бусинами, снижающими высокочастотный мусор, который проходит по цепям питания. Последнее решение пригодится для аудио применений.
- Демпфирующие (снабберные) цепи С2, R6 - необязательные элементы схемы, ставятся в основном для аудио применений, где важно убрать паразитные резонансы и шумы переключения выпрямительных диодов.
На фото ниже показаны места, где возникает помеха переключения диодов.
Вот так эти места выглядят при близком рассмотрении (при условии, что демпфирующие цепи не установлены).
А вот так выглядит то же самое место, если демпфирующая цепь установлена.
Устанавливать демпфирующие цепи или нет - каждый решает сам в зависимости от поставленной задачи и качества подключаемой нагрузки.
- Выпрямительный диодный мост D2 - в проект заложен достаточно мощный диодный мост GBJ2510 (25 А, 1000 В).
Диодный мост размещен с края печатной платы для реализации двух функциональных особенностей:
Во-первых, у сборщика есть выбор, как разместить диодный мост (вертикальное размещение как на фото выше или горизонтальное размещение). В случае горизонтального размещения, корпус диодного моста крепится к шасси, а выводы моста заводятся в плату с нижней стороны как на фото ниже.
Фото другого моего проекта (мощный линейный блок питания с выходом Кельвина - четырехконтактная схема подключения с полной компенсацией паразитного сопротивления соединительных проводов), сути это не меняет, главное заложенный в проекте функционал.
Во-вторых, в случае с вертикальным размещением диодного моста, при необходимости может быть установлен радиатор охлаждения для снижения температуры корпуса диодной сборки.
Приблизительно как на фото ниже (проект другой, но принцип такой же).
Для лучшего распределения тепла и улучшения конвекции под каждым диодным мостом предусмотрены вентиляционные отверстия.
- Фильтрующие емкости С4, С6, С8, С10, С12, С14, С16, С18 - для снижения уровня пульсаций до необходимого значения. Ставится сборка электролитических конденсаторов (С4, С8, С12, С16), зашунтированная керамическими SMD-элементами (С6, С10, С14, С18). Уровень пульсаций на входе интегрального стабилизатора напряжения определяет суммарная емкость электролитических конденсаторов.
Четыре установочных места позволят разместить столько конденсаторов, сколько сочтете нужным.
Шунтирующие керамические SMD-конденсаторы не являются обязательными элементами схемы и ставятся при необходимости в зависимости от технической задачи.
Лично я не очень люблю электролиты и всегда отдаю предпочтение быстрым ёмкостям (пленка, керамика, тантал) если есть такая возможность, но, к сожалению, без электролитических конденсаторов тоже не получается, поэтому приходится искать компромиссы и мириться с этим.
Следующий фрагмент схемы - это стабилизатор напряжения и его обвязка.
- Стабилизатор напряжения U1/VR5 (дублирование) - выполнен на интегральном стабилизаторе LM338T с выходным током до 5А. Также может быть применен LD1084V. На принципиальной схеме для упрощения показан стабилизатор LM317T, который также может быть использован как "pin to pin" совместимый.
Схемотехника стабилизатора напряжения во многом схожа с примененной здесь
и здесь.
В зависимости от способа сборки модуля используется одно из установочных мест (U1 или VR5) для размещения интегрального стабилизатора напряжения:
- установочное место U1 - предназначено для размещения интегрального стабилизатора горизонтально на шасси корпуса прибора, в этом случае выводы микросхемы заводятся в плату с нижней стороны, как это делалось ранее при горизонтальном размещении диодной сборки D2.
Такой способ сборки позволяет сделать модуль "низкопрофильным", а шасси корпуса прибора использовать в качестве эффективного радиатора охлаждения.
- установочное место VR5 - предназначено для размещения интегрального стабилизатора вертикально с использованием внешнего независимого радиатора охлаждения. Для лучшего распределения тепла и улучшения конвекции под каждым радиатором предусмотрены вентиляционные отверстия.
Я применяю радиаторы фирмы AAVID THERMALLOY (не реклама).
Установочное место под каждый радиатор сделано универсальным и позволяет размещать радиаторы с межосевым расстоянием крепежных выводов 25.4 мм и 17.4 мм. Весьма удобно и эффективно!
Микросхема интегрального стабилизатора крепится к радиатору через изолирующую прокладку типа "Номакон".
Под монтажные выводы радиатора необходимо установить изолирующую подкладку, которая обеспечит зазор безопасности между дорожками печатной платы и металлическим корпусом радиатора.
Выходные характеристики модуля стабилизатора напряжения определяются схемотехнически! Для надежной работы я рекомендую не превышать порог рассеиваемой мощности на радиаторе в 15 Вт на каждый канал.
Выходное напряжение модуля стабилизаторов задается с помощью цепей смещения, которые могут быть выполнены различными способами (резистивный делитель напряжения, интегральный параллельный стабилизатор, например, TL431 и др.).
На фрагменте ниже представлен участок схемы, который показывает, как задается выходное напряжение с помощью резистивного делителя напряжения.
Это простой, понятный, можно сказать классический способ включения "трехногого" интегрального стабилизатора. Подстроечным резистором R7 выставляется необходимое выходное напряжение.
Такой способ задания выходного напряжения имеет как достоинства, так и недостатки. К примеру, он простой, удобно скорректировать выходное напряжение с помощью подстроечного резистора. Из недостатков - такое напряжение "плавает" от температуры. Выходные напряжения прогретого устройства будут отличаться от холодного. Чаще всего это вообще не имеет никакого значения, но бывают случаи, когда требуется хорошая стабильность, в этом случае лучше сделать фиксированную активную опору.
На фрагменте ниже представлен участок схемы, который показывает, как задается выходное напряжение с фиксированной активной опоры.
- Резисторы R11, R12 - резисторы обратной связи активной фиксированной опоры (указанные на схеме номиналы формируют напряжение смещения приблизительно 5.12 В, что в сочетании с опорным напряжением интегрального стабилизатора 1.25 В дает выходное напряжение 5.12+1.25 = 6,37 В).
Необходимо другое выходное напряжение? Просто пересчитайте делитель напряжения R11, R12.
- Активные элементы фиксированной опоры:
- VR1- TL432 SMD в корпусе SOT-23-3 (аналог TL431, только с перепутанными местами выводами катода и референсного напряжения);
- VR3- TL431 SMD в корпусе SOT-23-3;
- U3- TL431 выводной в корпусе TO-92.
Разумеется, на модуль устанавливается только один активный элемент, задающий напряжение смещения.
Завершающий фрагмент схемы - плавный пуск и выходные цепи.
В модуле предусмотрено плавное нарастание выходного напряжения в течение приблизительно 30-35 секунд.
Это очень благотворно сказывается на жизни радиоламп и устраняет импульсный ток, который способен вывести из строя интегральный стабилизатор напряжения в момент включения.
Если модуль используется в качестве блока питания устройства (не блок накала радиоламп), то плавное нарастание выходного напряжения может быть неприемлемым для устройства. В этом случае "плавный пуск" делать не нужно!
Элементы, отвечающие за плавную подачу выходного напряжения обведены на схеме соответствующей рамкой (не являются обязательными элементами схемы и устанавливаются при необходимости).
- Регулирующие транзисторы Q1 (выводной BC556 в корпусе TO-92) и Q3 (SMD BC857C в корпусе SOT-23-3) являются дублирующими элементами. Устанавливается только один.
- Индикация работы канала модуля на светодиоде D7 (можете установить выводной 3 мм светодиод или SMD в корпусе 1206). Для индикации цепей накала я рекомендую оранжевый цвет.
- Фильтрующие емкости С25, С27, С29, С31, С33 - для обеспечения стабильности работы интегрального стабилизатора напряжения и снижения уровня шумов. Выходное сопротивление модуля накала определяется в большей степени интегральным стабилизатором, поэтому электролитического конденсатора достаточно одного или он не требуется совсем (С25). Шунтирующие керамические SMD-элементы (С27, С29, С31) не являются обязательными элементами схемы и ставятся при необходимости в зависимости от технической задачи.
- Разъемы J3-J5 - клеммники винтовые, предназначены для подключения цепей нагрузки (цепей накала радиоламп если мыслить в контексте обозначенной публикации). Для надежности под всеми разъемами также сделаны пропилы безопасности, исключающие случайное замыкание контактов, которое может быть вызвано различными факторами.
Три запараллеленных клеммника сделаны для удобства коммутации цепей нагрузки. При сборке ставится минимально необходимое количество клеммников, требующихся для удобного подключения нагрузки.
Часть 3. Внешний вид собранного модуля стабилизаторов
Схема сборки, по которой был собран представленный модуль стабилизаторов напряжения (один канал).
Модуль стабилизаторов напряжения пришел на замену устаревшей модели, которую я успешно использовал во множестве проектов, например, в ламповом SRPP-фонокорректоре (на фото ниже).
Схемотехника модуля многократно проверена, отлажена и успешно работает во многих проектах. Я разрабатываю эти модули для своих радиолюбительских и инженерных задач, но если вы горите желанием собрать собственное устройство и для этих целей использовать мои наработки - я могу предложить вашему вниманию печатные платы и принципиальные схемы для самостоятельной сборки.
Возможно, вам также будут интересны сопутствующие темы по вопросу питания накалов радиоламп.