Чем заменить дроссель в блоке питания лампового усилителя

Ламповый усилитель. Дроссели в блоке питания

Ламповый усилитель. Дроссели в БП и моделирование. Дроссель Др5-0,08 безусловно годится для усилителей с одиночными лампами 6п14п, 6п6с, 6п3с, поскольку допустимый ток невелик, всего 0,08А. Пара 6П3С в плече может потреблять ток более 120мА. Поэтому за неимением лучшего годится и дроссель Др0,4-0,34, хотя индуктивность меньше 1 генри маловата. Дело в том, что П-образный CLC-фильтр, кроме индуктивности имеет в активе ещё и ёмкости. Так вот, при большом динамическом токопотреблении, чрезмерно большая продольная индуктивность даже вредит. Это характерно для режима АВ1. При пиках сигнала на дросселе с большой индуктивностью возникает просадка напряжения и никакая выходная ёмкость фильтра просадку не удержит. В режиме АВ1 применять Др0,4-0,34 можно даже с увеличенной входной буферной емкостью, например 2,2-4,7мФ 450В. А выходную ёмкость можно поставить поменьше. При таких параметрах источник питания в динамике отрабатывает наброс нагрузки лучше, а переходная колебательность оказывается меньше. Следует напомнить, что для заряда большой ёмкости при включении усилителя надо ограничивать пусковой ток специальными мерам, например плавным пуском, задержкой и т.п. Зарядный ток такой ёмкости велик, а длительность заряда сильно увеличена. Следовательно, надо принимать специальные меры для аккуратного (плавного и безаварийного) заряда ёмкости.

А вот для А-режима усиления лошадиные индуктивности 10 Гн применять можно, но эти индуктивности должны быть рассчитаны на сквозные токи мощных ламп. Например, для двухтакта на 6С33С нужен ток дросселя 300-500мА, для сдвоенных 6П3С в каждом плече одного канала желателен допустимый ток дросселя 150-250мА, сдвоенный каскад на 6П44С потребует ток дросселя 300мА. При большой продольной индуктивности фильтра поперечные ёмкости должны быть существенно меньше, поскольку они не только избыточны, но и повышают переходную колебательность источника. Проводники для раздачи анодного питания мощного усилителя должны быть 0,5-0,75 кв.мм, безо всякого посеребрения. Плохим следствием электромагнитных дросселей значительной индуктивности является большое резистивное сопротивление обмотки. Например, Др5-0,08 имеет в пассиве 270 Ом. При токе 0,1 ампера балластом теряется 27 вольт анодного напряжения, при соответствующем нагреве. Гораздо больше мне нравятся парные ЭМ-дроссели от осветительного обрудования, с индуктивностью 1,4-2,5 генри. Именно о применении таких дросселей и написана эта заметка. Как показала практика, среди наиболее распространённых дросселей нет экземпляров с сопротивлением больше 72 Ом и меньше 18 Ом. Значит, в худшем случае потеря напряжения при токе 0,2 ампера не превысит 14 вольт. Это вполне допустимо, ибо чудес в энергетике нет. На такие жертвы приходится идти, ради снижения пульсаций напряжения в 20-40 мВ.

Существенным общим недостатком всех дросселей с железом следует считать большую массу. Именно поэтому при построении БП лампового УНЧ можно рекомендовать другие средства фильтрации, например применение электронного дросселя на высоковольтном МОП-транзисторе. Кроме того, сам блок питания с силовыми трансформаторами на 50Гц также можно заменить импульсным источником малой массы, вследствие высокой частоты модулятора, например 120 кГц. Другим недостатком можно считать корявую форму типовых дросселей и их большие габаритные размеры. Про компактность блока питания лампового усилителя с дросселями на трансформаторном железе, как правило, приходится забыть. Неудобно их размещать в закрытые короба. Собственно поэтому нередко их ставят на шасси.

Очень неплохим выходом из положения является применение в системе электропитания электромагнитных дросселей от бытовых осветительных приборов. Описываемый здесь материал из разряда личного опыта. Чтобы не расширять продажи осветительных ДРЛ-дросселей, много лет такие штучки приходится скрывать от публичного распространения. Совершено очевидно, что в активе многих умельцев есть технические решения и опыт, которые им не хочется показывать. Поэтому публикуемые авторские или типовые схемы обыкновенному телезрителю не всегда удаётся довести до состояния, которое можно отнести к высокому классу. Нужно заметить, что искусство создания высококачественных ламповых усилителей во многом включает в себя личный опыт и авторские умения, которые обоснованно приходится скрывать. Применение дросселей можно отнести к разряду недорогих и эффективных решений для системы электропитания. Но есть в таком решении и ограничения в виде необходимости применения оч’умелых ручек. Дело в том, что осветительные дроссели изначально имеют повышенные габариты, за счёт подошвы. Кроме того крайне неудобным оказался способ крепления проводов на зажимах. Поэтому для доработки приходится применять болгарку и тонкий диск по металлу. А проводники из разрезанного клеммника или из пластиковой скорлупы торцевых крышек приходится извлекать крайне аккуратно и удлинять при помощи обыкновенного МГШВ-провода на клею. Таким образом, удаётся достигнуть результирующего эффекта и повысить компактность дросселя процентов на 30. А без доработки, с громоздкими осветительными дросселями, получается обыкновенная, столь же корявая конструкция, как с трансформаторными. Ниже показаны картинки с дросселями разных габаритов и индуктивности от различных производителей. Это уже доработанные и готовые к применению изделия, как польского, так и французского производства, а также обыкновенный совдеп. Практика показала, что никакой разницы в производителе нет. Видимо выработан стандарт конфигурации.

У всех дросселей примерно одинаковые конструктивные решения и одинаковые по свойствам материалы, которые не могут противостоять болгарке. Вначале показаны обрезки дросселей отечественного изготовления. Первый комплект дросселей, показанный слева имеет довольно значительную индуктивность, около 2,5 Генри при резистивном сопротивлении 75 Ом. Это очень хорошие параметры для среднего источника питания лампового усилителя. Справа дроссели индуктивностью 1,5 Генри и сопротивлением 42 Ом. Допустимые токи практически всех дросселей из осветительного оборудования ДРЛ светильников могут достигать 300 мА. А степень симметрии двух произвольно выбранных из большой кучи дросселей просто замечательная и не бывает хуже 1%. В простейшем случае можно приближенно оценить индуктивность дросселя с применением миллиамперметра и вольтметра переменного тока, путём подключения дросселя к Латру и бытовой сети. Установив предельное возможное напряжение при допустимом токе (например 0,2 ампера), делят измеренное напряжение на измеренный ток, а затем на угловую частоту 314 радиан в секунду. Полученное значение даёт индуктивность, если пренебречь резистивной составляющей, которая и в самом деле оказывается пренебрежимо малой. Как видно по картинкам выигрышными выглядят размеры дросселей и их форма. И по массе эти железки также выгодны в сравнении с трансформаторными дросселями традиционной конструкции. Ниже показаны дроссели более аккуратного изготовления по внешнему виду, это отечественные дроссели по конструктиву зарубежного проекта, а также дроссели маде ин франс. Комплект первый имеет на борту 1,7 Генри при резистивном сопротивлении 66 Ом. Допустимый сквозной ток может достигать 0,3 ампер. Второй комплект имеет индуктивность поменьше, около 1,4 Генри и меньшее резистивное сопротивление, величиной всего 38 Ом.

Чем меньше резистивное сопротивление обмотки дросселя, тем меньше окажется падение напряжения на нём и соответственно меньше будет рассеиваемая в дросселе мощность. Следовательно, в более мощном усилителе выгоднее применить дроссель с обмоткой в 38 Ом. При токе потребления 300 мА просадка постоянного напряжения окажется всего 11 вольт. А это очень неплохой результат при такой здоровенной индуктивности. Пульсации переменного напряжения в анодном источнике с таким дросселем можно уменьшить до 20 мВ. А потраченные габариты по блоку питания останутся очень скромными. Ниже показана ещё одна картинка с дросселями сравнительно небольшой индуктивности. Слева очень компактные дроссели с индуктивностью 1,5 Генри и резистивным сопротивлением 52 Ома. Это отличные штуковины, пригодные для довольно мощного усилителя. А вот справа размещены дроссели большенького габарита и веса. Индуктивность их поменьше – всего около 1 Генри, зато резистивное сопротивление всего 18 Ом. Это довольно крутой результат, ведь падение напряжения при допустимом токе 0,5 ампера всего 9 вольт. Крупные дроссели с картинки имеют обмотку из более толстого провода, и пригодны они для мощного токового усилителя на 6С33С, а также для выходного каскада на сдвоенных токовых телевизионных лампах.

Кроме практических рекомендаций и примеров применения железок, здесь же можно показать иллюстрации по моделированию режимов работы разных дросселей в цепях электропитания лампового усилителя. Подобные результаты, наряду с физическим экспериментом позволяют подтвердить пригодность такого железа к применению. Многие применяют для моделирования специализированные среды – симуляторы, например EWB. Наиболее продвинутые специалисты работают в системах более высокого уровня, например AnsysMultiphysics. Ansys лучше годится для решения «тяжёлых» задач. А для простеньких примеров, мне больше нравится применение собственного программного обеспечения. Оно было разработано более 25 лет назад, давно устарело морально, поскольку выполнено с применением софта для 16-разрядной математики. Некоторыми вспомогательными средствами 32-разрядной операционной системы моё старинное программное обеспечение удалось освежить, однако оно всё равно устарело. Тем не менее, бывает удобно применять его для сравнительно небольших задач, требующих ускоренного ответа. А удобно это только по причине хорошо закрепленных навыков. Жаль, что и здесь многое уже забыто. Для описываемого софта характерно полное отсутствие интерфейса. Все модели для анализа режимов приходится писать прямо в текстовом формате в ASCII-коде. Для задач повышенного размера приходится рисовать модель на бумаге. Такая визуализация существенно облегчает представление. Нужно заметить, что для серьёзных сред математического моделирования математическую модель также приходится писать в виде текста (Ansys), поэтому изначальное неудобство отсутствия у меня интерфейса в некотором роде универсально.

Для специалистов понятно, что построение корректной и работоспособной дискретной модели для дросселя довольно непростая задача, особенно учитывая необходимость динамического, автоматического управления выбором метода численного интегрирования. В моих программных модулях предпочтение отдаётся неявным методам. Учитывая кратко изложенные здесь сведения, любой уверенный пользователь симуляторов вроде MicroCAP, может составить представление, насколько мне не интересны, ни интерфейс, ни математика, ни примеры применения подобных систем фирменной буржуйской разработки. Ниже показано несколько иллюстраций исследования режимов выпрямителей в моей собственной программной среде математического моделирования. Вначале показаны исходные схемы двухполупериодных мостовых выпрямителей, которые применяют в ламповой и в транзисторной технике. В каждой из представленных схем при построении макромоделей в математическом описании применены дискретные модели индуктивностей, интегрируемые по методу трапеций.

Две другие схемы двухполупериодного выпрямления показаны ниже, причём схема с нейтральной точкой нашла более широкое распространение. Для всех схем на этапе машинного анализа генерируются численные модели в текстовом формате. Для адаптации к применению без графического интерфейса их переводят к схемотехническому формату. Подобное упрощение вполне объяснимо, поскольку любому наблюдателю гораздо более понятна схемотехническая интерпретация. В то время как текстовый формат пригоден только для машинного представления.

Для математического моделирования пригодны вовсе не картинки схем. Нужны математические модели, численные модели, системы уравнений и их цифровое кодирование. В решении задач моделирования нужен инструментарий узловых уравнений, а также соответствующая автоматизированная идентификация и нумерация. Основным машинным средством в большинстве программных сред служит гибридный алгоритм расширенного узлового анализа. Инструментом реализации метода расширенных узловых уравнений служит матричная арифметика. В результате применения методов теории цепей, математика ПО формирует системы алгебраических уравнений. Как правило, это нелинейные системы. Нередко они ещё и нестационарные, но в ряде случаев их приходится считать квазистационарными. Порядок систем алгебраических уравнений может быть чрезвычайно высоким. Искусство построения эффективного программного обеспечения заключается в тонком сопряжении всевозможных граничных условий и в преодолении многочисленных некорректностей, как математического, так и технологического характера. Системы уравнений в многомерном пространстве решают, только численно, итерационно, без вариантов. И в результате получается некоторая совокупность рабочих точек, соответствующих формализованной задаче. Примеры двух крайне упрощенных схемных моделей для выпрямителя блока питания показаны ниже. В первой модели применён разделительный управляемый источник ЭДС EU. Это источник напряжения, управляемый напряжением, ИНУН. Во второй схемной модели корректность коммутации обеспечена применением модели диода обратного тока VD3.

Результаты моделирования нескольких таких моделей выпрямителей с индуктивными дросселями показаны ниже. На левом графике снизу зеленым цветом показана кривая выпрямленного напряжения, а желтым – обратного напряжения на выпрямительном диоде (мостового выпрямителя). На правом графике показана кривая напряжения источника питания с учётом потерь напряжения в выпрямительных диодах моста. Красным цветом показана кривая выпрямленного напряжения для реального маломощного источника при слабой батарее выпрямительных конденсаторов 200мкФ и относительно небольшой индуктивности фильтрующего дросселя 50мГн. В результате большого внутреннего сопротивления, падение напряжения внутри источника оказывается около сотни вольт относительно амплитуды, а пульсации выпрямленного напряжения крайне велики и достигают значения в 50 вольт.

При изменении параметров текстовой модели легко получить динамические характеристики любого выпрямителя. Важно, чтобы макромодели всех компонентов были адекватными реальным условиям эксплуатации. Ниже показано семейство динамических характеристик, полученных при изменении параметров модели. Наглядно продемонстрирована фильтрующая способность индуктивной катушки, поскольку при двукратном увеличении индуктивность наблюдается переход в порядке чередования кривых 1-2-3-4-5. В качестве нагрузки использован резистивный эквивалент.

Далее показаны характеристики другого выпрямителя, рассчитанного на более высокое напряжение, при сравнительно небольшом токе нагрузки. Емкость выбрана сравнительно небольшой – 200мкФ, а вот индуктивность приближена к реальным значениям источника питания лампового усилителя. При значении 0,8 генри пульсации напряжения приходят к приемлемым значениям, но разгон по характеристике происходит сравнительно медленно. Внизу слева показаны кривые для синусоидального напряжения на выходе силового трансформатора, а также выпрямленного напряжения с учётом потерь напряжения в диодах. Справа, показаны характеристики на выходе БП. Красным цветом выделена кривая выходного напряжения, а сиреневым – масштабированные пульсации напряжения на дросселе.

При необходимости проведения более тщательного моделирования, путём варьирования параметров в модели источника, можно задать любой спектральный состав высших гармоник, в соответствии со степенью насыщения трансформатора. Совершенно аналогично можно регулировать параметры электромагнитных дросселей. Нужно заметить, что практическое значение имеют только модели, в которых с заданной точностью запрограммированы однозначно нелинейные характеристики стали. Модели с неоднозначными нелинейностями вебер-амперных характеристик, а также параметрические модели высоких порядков для практического анализа малопригодны. Довольно удобным оказалось применение в программной оболочке динамических моделей резисторов. Они представляют собой некие прототипы резистивных матриц, с динамическими ключами, обеспечивающими определенные законы управления. В качестве закономерностей коммутации использованы двоичные законы кодо-импульсного (КИУ) управления. Такие макромодели допустимо применять в качестве нагрузочных элементов для тех же исследуемых блоков питания, в которых нужно запрограммировать сброс и наброс нагрузки по ходу работы источника, в заданные интервалы времени, преодолевая конфликты при совпадении этих интервалов.

Вполне вероятно, что мне удастся представить в отдельном цикле статей более подробную информацию о математическом и схемотехническом моделировании электронной схемотехники. Ведь это материалы, сравнительно легко извлекаемые из готовых моделей, приведенных в стандартные цифровые форматы документации. Исходников накопилось очень много, нужно лишь выдернуть фрагменты материалов их архива и адаптировать к сети. Количество разработанных и тестированных мною моделей транзисторов, тиристоров, симисторов, ОУ, а также пассивных компонентов и цифровых устройств довольно велико, а их качество очень разное. Моделей для электронных ламп у меня нет, 20 лет назад тема эта была не актуальна. Писать их сейчас, особенно для устаревшей программной оболочки у меня никакого желания тоже нет. Поэтому, скорее всего, в изложении придется ограничиться иллюстрациями общеобразовательного характера. Дополнительно нужно непременно сказать, что вопрос о необходимости тщательного исследования динамики блоков питания ламповых усилителей отнюдь не праздный. В нынешней ситуации возникли технологические подвижки, следствием которых стало появления новых элементов в базисе электронных устройств, а также резкое увеличение энергетического ресурса, например ёмкостных элементов электронных цепей. В связи с этим нередко приходится наблюдать, как в схемотехнике ламповых блоков питания появляются ёмкости в несколько миллифарад. А это совсем не безобидно. Если раньше была тенденция применения конских индуктивностей в 10 и более генри, то теперь другая крайность, применение электролитов чудовищных ёмкостей. Совершенно обоснованно могу сказать, любые крайности по соображениям здравого смысла неприемлемы. Если в моих схемах появляются такие ёмкости-монстры, то для их применения есть некоторые основания и приняты специальные меры ограничительного характера. Для подтверждения высказанных соображений могу привести графические иллюстрации по результатам численных экспериментов с фильтрующими дросселями и ёмкостями для блока питания. При плохом демпфировании ёмкостей и неудачном выборе сочетания L и C, довольно нетрудно привести систему электропитания к продолжительным колебаниям, перенапряжениям и аварии. На рисунке показан переходный процесс при пуске БП с разными значениями емкости в 100-200-400 мкФ и неизменной индуктивностью дросселя в 0,5 генри. В ходе разгона кодоимпульсная модель резистивной нагрузки производит наброс и сброс нагрузки (на 30-60%) в произвольные моменты времени. Об этом свидетельствуют небольшие выбросы напряжения в момент коммутации и участки с просадкой напряжения на 3-6%.

Примечательно, что с увеличением емкости БП, явно прослеживается уменьшение уровня пульсаций, улучшение сглаживания, однако существенно возрастает колебательность характеристики и продолжительность перехода в установившееся состояние. А это вполне может оказаться причиной появления в усилителе различных барабашек в звуке, а также всякого рода призвуков, которые так любят оценивать удифилы на слух. Но гораздо худшим последствием бездумного выбора ёмкости, можно считать величину пускового перенапряжения. И если не принимать специальных мер, то электролиты могут не выдержать и бабахнут. Ниже показаны характеристики того же БП при дискретном регулировании индуктивности и неизменной ёмкости 100мкФ. В модели поочередно использованы три значения индуктивности дросселя 0,5-1,0-2,0 генри. В результате получается, что при увеличении индуктивности, существенно сниженным оказывается уровень пульсаций выпрямленного напряжения (почти четырёхкратно), но разгон по характеристике естественно замедляется. Увеличение индуктивности приводит к снижению выброса пускового напряжения, радикальному снижению. Но не нужно думать, что его нет совсем.

Желательно понимать, что если в одном месте убыло, то в другом месте прибыло. Значительные напряжения могут возникать на самой индуктивности. В достигнутом установившемся режиме колебательность системы при увеличенной индуктивности дросселя не велика, зато отчётливо видны продолжительные участки с просадкой напряжения при набросе и сбросе нагрузки. Демонстрация физических принципов работы выпрямителя имеет характер обучалки. Для количественной же оценки очень существенное значение имеют сами модели. От их корректности зависит не только само соответствие, но и точность получаемого результата. При наличии свободного времени постараюсь подготовить отдельную публикацию, где можно рассмотреть наиболее актуальные вопросы построения эффективных и безопасных классических блоков питания. Там же можно сформулировать совокупность требований и рекомендаций по выбору фильтрующих компонентов. Весьма важно понять, что путём машинного моделирования можно получить конкретные значения номиналов фильтрующих элементов и конфигурацию схемы источника питания, пригодные для практического повторения. И чем выше соответствие результата практике, те корректнее написана модель и правильнее работает математика ПО.

Ниже показана картинка с готовым БП для лампового усилителя, в котором использованы беленькие электромагнитные дроссели. Этот вариант сконструирован для питания усилителя на 8 лампочках 6П18П. Конструкция показанного БП питает вариант двухканального двухтактного усилителя со сдвоенными лампочками по схеме, описанной в другой статье. Как видно по картинке реализовано компактное размещение всех компонентов в двухэтажной конфигурации и применены плоские прямоугольные дроссели. Пара анодно-накальных трансформаторов обеспечивает питание двух низковольтных оконечных каскадов при отдаваемой мощности до 108Вт. Для питания предварительного каскада применен мелкий тороидальный трансформатор мощностью около 20Вт, с обмоткой из тонкого провода, размещенный с торца. Там же есть ещё немного места для монтажа релейного модуля задержки подачи анодного питания. Однако подгонку такого модуля в нишу ограниченного размера сделать не так просто. Поэтому на этапе конструирования скелета нужно заранее тщательно продумывать компоновку блока питания и всех систем, его составляющих. При проектировании нужно понимать, что важнейшим критерием для конфигурирования блока питания всегда является правильная оценка потребляемой лампами и нагрузкой мощности и выбор соответствующих трансформаторов.

Довольно любопытными мне показались соображения, изложенные в статье Евгения Карпова, которая попалась мне случайно. В белорусском журнале Радиолюбитель за 2011 год опубликована заметка по применению в качестве дросселей электронных модулей, на MOSFET-транзисторах. Это довольно популярная на форумах тема. В сети даже встречаются специальные штучки, которые некоторые оригиналы предлагают применять в цепях анодного питания, как панацею для фильтрации высших гармоник. Совершенно очевидный для меня ответ Карпова. Евгений действительно поставил точку в досужих рассуждениях. Достоинства ЭД есть, но они минимальны, а потому заниматься этой темой не стоит. Как-то интуитивно мне было понятно и без статьи, что достоинства электронных дросселей (ЭД) ориентированы на сравнительно узкий диапазон применения. И действительно, если не городить сложную систему фильтрации пульсаций, со следящими ОС, то при изменении нагрузки лампового усилителя эффективность электронного дросселя будет меняться. Поэтому Е.Карпов справедливо отметил, что применение электронных дросселей предпочтительно в А-режиме. Для усилителей в режиме АВ диапазон изменения тока нагрузки в динамике слишком велик, что снижает эффективность ЭД в фильтрации. И в отношении габаритов, сомнительность достоинств ЭД также подтвердилась, поскольку для рассеивания мощности на транзисторе приходится устанавливать радиатор. Только по массе ЭД выигрывает перед электромагнитными дросселями. Но и здесь применение сравнительно компактных осветительных дросселей делает преимущество ЭД минимальным. Зато в отношении кошерности никаких шансов у ЭД перед ЭМ-дросселем нет. Именно поэтому применение электромагнитных дросселей из медного провода на стальном сердечнике и остаётся незыблемым как классика.

В статье показаны практические сведения из личного опыта, пригодные для ознакомления и научения. Кроме того, они годятся для тупого и меркантильного воспроизведения, и применения плоских и удобных беленьких дроссельных железок в блоках питания ламповых усилителей, вместо традиционных серийных дросселей типов Д или Др. Лучше бы не расценивать мою публикацию как рекламу дросселей от осветительного оборудования. Во всех публикациях мне свойственно исключать указание конкретных сведений о торговых марках оборудования и комплектующих, использованных для практических конструкций. Желательно отчётливо понимать, что рекламировать фирменные железяки не следует.

Евгений Бортник, Красноярск, Россия, февраль 2018

Источник