Cтабилизированный блок питания с выходным напряжением 2400 В.

Взгляните на этот проект: выходное напряжение БП падает всего на 3 В при подключении нагрузки в 1 кВт!

 

A.R. (Al) Williams, VE6AXW. Оригинал статьи опубликован в журнале QEX July/August 1999, pр. 50...55

 

  В недалёком прошлом, любительские высоковольтные блоки питания передатчиков и приёмников строились самым, что ни есть, традиционным образом: силовой трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр. Большие падения напряжений под импульсной нагрузкой приводили даже к изменению тона передатчиков (да, что греха таить - и к  TVI  из-за ухудшения линейности каскадов - UA9LAQ). В приёмниках, с изменением напряжения, сдвигалась частота, передатчики выдавали первый фронт импульса передачи с нормальной мощностью, после чего “сдыхали”, что приводило к неустойчивости радиосвязи – в условиях плохой слышимости терялись отдельные элементы, например, телеграфных знаков.

  Промышленные разработчики соответствующей передающей аппаратуры устремились туда же (последовали за любителями): стали строить БП передающей аппаратуры без стабилизаторов. Некоторые из них, правда, вводили  трансформаторы питания с улучшенными характеристиками, различного рода дроссели для уменьшения колебаний питающих напряжений, но, к сожалению, всё это было не то, и стабильность питающих напряжений оставляла желать лучшего. Основная схема таких БП, практически, не изменилась со времён открытия радио.

  Устройство, описываемое здесь, всё в корне меняет. Оно позволяет получить на выходе БП на холостом ходу 2400 В постоянного напряжения и 2397 В при нагрузке в 1 кВт. Падение всего в 3 В! Измерения проведены цифровым вольтметром Fluke Model 87 с высоковольтным пробником.

  Простого взгляда на Рис. 1 достаточно, чтобы понять, что схема этого БП отличается от любого другого, за исключением, пожалуй, наличия двух встречно- параллельно включенных SCR (тиристоров) в цепи первичной обмотки трансформатора питания. “Минусовой” вывод питания не заземляется. Это находится в соответствии с современной технологией, когда ток сетки ламп(ы) РА измеряется при изолированном от шасси “плавающем” отрицательном полюсе анодного питания. Я затеял весь этот проект для линейного РА с “раскачкой в катод” (с заземлённой сеткой).  Измеритель анодного тока с пределом 1 А, в данном случае, включен в минусовую цепь высокого напряжения. В РА используются две лампы типа 813. Измеритель тока сетки включен между центральным выводом обмотки накала и шасси. Это позволяет измерять ток сетки независимо от анодного тока. БП управляется контроллером, на Рис. 1 показаны лишь немногие его детали, схема контроллера полностью приведена на Рис. 2. На Рис. 1 показаны лишь внешние соединения контроллера, позволяющие судить о системе в целом.

 На Рис. 2 показаны элементы “мягкого старта” (подачи питания не броском, при котором горит всё, что может сгореть, а плавно, пока зарядятся конденсаторы выпрямителя – UA9LAQ). Сразу после включения питания устройства, контроллер остаётся обесточенным.  Включение SCR контроллером полностью зависит от того, что транзистор Q5 быстро открывается после включения питания и обеспечивает напряжение равное 0 В на выводе 3 микросхемы (ОУ) 741. При этом конденсатор ёмкостью 220 мкФ, подключенный к выводу 3 ОУ, разряжается и должен быть снова заряжен (положительным напряжением), прежде, чем может начаться фазовое

Рис. 1. Высоковольтный блок питания. Схема принципиальная электрическая.

 

управление открытием тиристоров. Напряжение на выводе 3 ОУ 741 нарастает медленно в соответствие с постоянной времени заряда RC цепочки, состоящей из конденсатора 220 мкФ и соответствующего резистора. Это позволяет не открывать тиристоры сразу полностью, а открывать их медленно, обеспечивая “мягкий старт” высоковольтного БП РА. А это, в свою очередь, обеспечивает сохранность диодов выпрямителя и фильтровых конденсаторов. (При включении питания, конденсаторы

Рис. 2. Стабилизатор. Схема принципиальная электрическая. ОУ 741 (U1) и

      транзистор 2N3904 (Q4) управляют высотой “пьедестала” в цепи эмиттера

      однопереходного транзистора 2N2646 (Q3), который управляет углом отсечки

      фазы  тиристоров. Характеристика прямо пропорциональна току нагрузки БП.

       Трансформатор Т5 содержит 3 обмотки по 40 витков на сердечнике Т68-2.

       Может быть применён импульсный трансформатор Sprague 11Z13 или

       подобный ему.

       Точками у обмоток обозначена их фазировка.

       * - сменить значение, если изменена ёмкость фильтрового конденсатора.

 

фильтра разряжены, и ток их заряда в начальный момент стремится к бесконечности, постепенно спадая позднее, по мере заряда конденсаторов. Диоды выпрямителя “не железные”, т. е. , не могут выносить проходящих через них токов

 

Рис. 3. Кабель питания от БП к РА (разделка со стороны РА).

 

 

 

Рис. 4. Изменяющийся по косинусоидальному закону “скат” и “пъедестал”.

      Изменяющийся по косинусоидальному закону “скат” всегда происходит по

      одной и той же кривой, а высота “пъедестала” зависит от тока нагрузки БП.

      U1 (ОУ 741) и Q4 (2N3904) управляют высотой “пъедестала” в цепи эмиттера

      однопереходного транзистора Q3 (2N2646), который  управляет углом отсечки

      фазы тиристоров. Характеристика подъёма “пъедестала” прямо

      пропорциональна величине тока нагрузки БП. Усреднённая величина

      первичного переменного напряжения  на Т2 примерно равна 26 В при токе

      нагрузки 2,5 мА и возрастает, примерно, до 105 В при токе нагрузки 560 мА

      при выходном напряжении 2400 В. Стабилизация выходного напряжения

      высокая: изменение составляет всего 3,2 В.

 

выше определённого уровня, определяемого технологией их изготовления. Итак, после включения, диоды пробиваются чрезмерным током зарядки конденсаторов фильтра, переменное напряжение, попадая на полярные конденсаторы фильтра разрушает их, порой со взрывом. Так что необходимость “мягкого старта” подтверждается пиротехнически. - UA9LAQ ).

  Механизм управления напряжением действует в соответствии с описанным в статье “Modified Cosine Ramp and Pedestal Generator” в справочнике по тиристорам фирмы General Electric (GE).

  Если выходное напряжение (БП) попытается уменьшиться, вследствие увеличения нагрузки или изменения напряжения в питающей сети, это сразу же будет отмечено контроллером, который постоянно следит за напряжением на своём входе. Просадка выходного напряжения приведёт к большему времени открывания тиристоров (см. вышеупомянутую статью или справочные материалы по фазовому управлению тиристорами в соответствующих отечественных справочниках - UA9LAQ) и выходное напряжение БП восстановится. Восстановление (стабилизация) выходного напряжения произойдёт и в случае повышения напряжения (на нагрузке, в сети), управляя углом отсечки фазы, контроллер призакроет тиристоры. Мой БП был рассчитан на выходное напряжение 2400 В. Принципиально, выходное напряжение может быть любым.

 В выпрямителе использован мост, состоящий из 20 диодов 1N4007 (по 5 диодов в плече последовательно). Для одинакового распределения обратного напряжения между всеми диодами моста, каждый диод зашунтирован RC цепочкой, состоящей из конденсатора ёмкостью 0,01 мкФ на рабочее напряжение 1000 В и параллельно включенного ему резистора сопротивлением 330 кОм. (Это условие по уравниванию обратных напряжений теперь можно не выполнять. Подробности см. “Rectifiers, Strings or Stacks” в главе об источниках питания последних справочников ARRL – примечание редактора статьи в оригинале).  (Современные кремниевые силовые высоковольтные диоды научились изготавливать идентичными друг другу, значит, не требующими выравнивания обратных напряжений, т. е., например, напряжение 2400 В будет распределено на 5 диодах поровну, по 480 В на диод - UA9LAQ).

  Пробивное напряжение для одно-ваттных резисторов составляет порядка 500 В, поэтому в RC цепочке лучше применить их, а не резисторы с мощностью рассеяния 0,5 Вт, которые я рискнул применить. Пробоев, правда, не было.

  На первый взгляд может показаться, что установка резистора 75 Ом между выпрямителем и конденсаторами фильтра – не лучшее инженерное решение, но контроллер устроен так, что легко компенсирует любое изменение выходного напряжения, вызванного изменением тока нагрузки. Резистор установлен с целью защиты, например, конденсаторов фильтра (а после и диодов) при случайном отключении мощной нагрузки сразу после открытия тиристоров, когда на конденсаторах происходит скачок напряжения. Если в фильтре используются конденсаторы меньшей ёмкости, то сопротивление резистора следует увеличить, чтобы сохранить постоянную времени RC цепи. Применённый автором резистор имел сопротивление 75 Ом и мощность рассеяния 100 Вт. Общая ёмкость фильтра составляет 1500 / 6 = 250 мкФ. Это позволяет применить большее усиление в петле регулирования, которое обеспечивает лучшую стабилизацию. При уменьшении ёмкости фильтра увеличивается сопротивление резистора и его рассеиваемая мощность. В дополнение к этому нужно уменьшить сопротивление  резистора 5,6 Мом у ОУ 741, чтобы снизить усиление микросхемы. Тем, кто будет повторять это

 

Рис. 5. Вид сверху (со стороны расположения деталей) на монтажную плату.

      Расположение деталей относительно друг друга некритично, но помните: в

      системе используется большое усиление, поэтому длина выводов деталей

      должна быть разумно короткой. Для транзистора Q1 (транзистор в корпусе

      ТО-92) использован небольшой радиатор, но, возможно, удастся обойтись и без

      него. Размеры платы, примерно, 3 х 7 дюймов (1 дюйм = 25,2 мм).

      Heat Sink – радиатор. Zener – диод Зенера – стабилитрон. Voltage Control -

      регулировка напряжения.

 

 

Рис. 6. Типичная форма для CW  сигнала.

       Envelope – огибающая. Peak Voltage – пиковое (амплитудное) напряжение

       всплеска. Settled Voltage - установившееся напряжение.

 

устройство, советую, всё-таки, обеспечить максимально возможную величину  сопротивления этого резистора, чтобы получить достаточное усиление, которое, в свою очередь обеспечит лучшую стабилизацию напряжения. Диод D3 в союзе с соответствующей фильтрацией обеспечивает чистое напряжение питания для микросхемы 741, так что она может работать без помех со стороны сигнала синхронизации “SYNC”, который появляется слева (по схеме)  от D3.

  Как только выключатель высокого напряжения размыкается (“HIGH VOLTAGE” на Рис. 3 или S1 - на Рис. 1), транзистор “мягкого старта” Q5 открывается, а на базе транзистора Q4 сохраняется низкий уровень (0 В), как и на выводе 3 ОУ 741. Реле RY1 – находится в неактивном состоянии. Если включить оба вышеупомянутых выключателя, то RY1 активизируется. Ток базы поступает из Q5 и разрешается начать “мягкий старт”. Если оба выключателя разомкнуты, катушка реле RY1

пропускает ток на базу Q5, который приводит схему “мягкого старта” в состояние готовности, однако, её запуск запрещается.
  Использование маломощных тиристоров в качестве буферных для более мощных мало кого удивит. Это является хорошей практикой, тем более, что обеспечивает правильную фазировку силовых тиристоров. Такой вид работы тиристоров ещё и настоятельно рекомендуется специалистами General Electric, потому, что случается, когда один тиристор открывается подряд несколько раз, а другой - ни разу за это время. Поскольку тиристоры являются силовыми мощными компонентами, то упомянутый нештатный вид работы приводит к ухудшению стабилизации напряжения, ударным запускам трансформатора и как следствие, к выходу силового трансформатора из строя. Использование управляющих тиристоров повышает надёжность работы основных, обеспечивает их строгое фазирование.

  На случай непредвиденных обстоятельств, я применил метало-оксидный варистор, включив его в минусовую цепь (между минусом питания и шасси). Он включен параллельно с резистором сопротивлением 47 Ом, оба расположены на конце кабеля, со стороны подключаемого усилителя (Рис. 3). Если Вы измерите сопротивление  между “минусом”  источника высоковольтного питания  и корпусом, то можете получить значение порядка 1,1 Ом. Это происходит из-за того, что шунтирующий резистор включается параллельно измерителю, имеющему внутреннее сопротивление 150 Ом. Сопротивление моего прибора для измерения анодного тока составляет 0,1 Ом. А измерение на приборе со стороны положительного полюса питания  на корпус давало 1 Ом. Разночтение заставило сильно задуматься. Однажды пришло прозрение. Никогда этого не забуду! Хорошо в схеме работает варистор с напряжением 18 В, но ещё лучше применить 10-ти вольтовый.

  На Рис. 4 показаны формы напряжений управления мощностью с помощью тиристоров. Интересующихся проблемой можно отнести к соответствующей литературе, например к вышеупомянутой, - компании General Electric. На Рис. 5 показано расположение деталей на плате контроллера. Никаких особых требований к монтажу не предъявляется, лишь бы всё вошло на предназначенную для этого площадь. Если бы я рискнул повторно собрать этот агрегат, то применил бы соединители АМР или Моlех. В случае ремонта, сборка разборка велась бы быстрее, но обычно этот узел я считаю необслуживаемым (видимо, работает надёжно - UA9LAQ). Бальзам на душу, когда осознаёшь, что имеешь дело с источником питания с таким стабильным выходным напряжением, но тут есть и другие преимущества, о которых нельзя не упомянуть. Выходной CW сигнал моего РА является точной усиленной копией входного. Форма огибающей полностью соответствует получаемой в манипулируемом каскаде. У многих станций сигналы “без РА” и “с РА” сильно различаются. Это происходит из-за различия формы огибающей, которая в свою очередь обусловлена  нестабильностью напряжений питания (См. Рис. 6). Линейный усилитель можно представить как идеальный, не искажающий усиливаемый сигнал, но всё портит нестабильность питающих напряжений. А отсюда искажения, TVI… Причём, искажения гарантируются в любом РА, при усилении как CW  так и SSB сигналов, если отсутствуют стабильные питающие напряжения. У меня обратная картина: искажения отсутствуют, форма усиливаемого сигнала не меняется, тут, правда, нужно рассчитывать свои силы и не перекачивать линейный усилитель.

  Друзья посоветовали назвать разработку БП “Williams”по аналогии со знаменитыми гонками на автомобилях McLaren. Чтоб покупатели спрашивали, мол, есть ли в наличии  БП промышленного образца или БП “Williams”!

 

Регулировка смещения и измерителей.

  Как было отмечено ранее,  в моём РА процветают две лампы типа 813, но нижеследующее относится к любой лампе (лампам), при любом (разумном) напряжении питания. В состоянии покоя, при нулевом смещении на управляющей сетке (схема с заземлённой сеткой), мой РА потребляет 50 мА от источника анодного питания напряжением 2400 В (это 120 Вт – UA9LAQ). При этом генерируется приличный уровень диодного шума, который затрудняет работу QSK. Лампы выделяют большое количество тепла. Зачем же так безрассудно тратить энергию, разумно было бы “ограничить” анодный ток в положении “stand-by” нулевым значением, которое бы сохранялось и в паузе между точками, и в паузах срабатывания системы VOX  при SSB. На Рис. 7 показана схема, которую я использую для этой цели. Соединители в правом нижнем углу, обозначенные как “KEY (ключ)” и  “GRID BLOCKED KEYING – (ключевание с блокированием сетки)” нет необходимости соединять с источником отрицательного напряжения. На своей радиостанции я использую ключевание с блокировкой управляющей сетки. Для этой цели может быть применён транзистор с системой ключевания в цепи базы положительным, по отношению к шасси, напряжением любого полупроводникового трансивера через резистор сопротивлением  220 кОм…470 кОм. Потенциометр установки порога, сопротивлением 1 Мом, должен быть установлен в положение, где полевой транзистор (VFET) полностью закрывается в положении разомкнутого ключа манипуляции (в паузе). Это позволит катодной цепи усилителя быть подключенной к общему проводу при каждом замыкании ключа, при этом усилитель изготавливается к приёму на вход РЧ раскачки. Рис. 7 также показывает возможность в режиме передачи обхода РА с помощью контактов переключающего реле. Если контакты выключателя S2 (Рис. 3) и контакты соединителя  “BYPASS (обход)” замкнуты на корпус, транзистор Q4 – не проводит и реле находится в положении “обход”. Если на контактах S1  и “BYPASS” появляется напряжение (контакты разомкнуты), транзисторы Q4 и Q5  открываются, реле срабатывает и обеспечивает режим передачи с РА, раскачка достигает входа усилителя и выход РА подключается к нагрузке (антенне). Внимание: реле KRP11DG имеет обмотку, рассчитанную на напряжение постоянного тока 12 В и питается от 24- вольтового источника через резистор сопротивлением 300 Ом. Конденсатор С1 имеет ёмкость 25 мкФ, рассчитан на рабочее напряжение 25 В, так как  должен выдерживать это напряжение  при работе реле. Как только реле сработает, напряжение на его обмотке понизится до 12 В. Это напряжение и удерживает  реле в “сработавшем” состоянии. Это даёт уверенность в том, что реле быстро перейдёт из положения “обход” в положение ”передача с РА” и не будет переключений при “гуляющей по цепям” РЧ мощности! Это реле “думает”, что сработало в результате перенапряжения и, в первые несколько миллисекунд, действительно, на его обмотке появляется повышенное напряжение. Некоторые усилители переключаются медленно, и большая доля РЧ мощности приходится на переключающие контакты, которые подгорают. Это создаёт помехи и щелчки, которые присутствуют в широком диапазоне частот  при работе, например, с VOX. Конечно же, не заставишь такое реле работать при QSK. Для этого вида работы необходимо специальное устройство. Оно работает прекрасно с VOX’ом, а для быстрого переключения, я использую быстродействующее реле на входе приёмника, к которому подключена

 

Рис. 7. Схема обеспечения смещения, реле “обхода” и измерение токов.

 

дополнительная антенна, чтобы размыкать антенный вход в паузах при манипуляции передатчика.

 На Рис. 7 также показана измерительная система  Я рекомендую использовать соединитель ”KEY” (Рис. 7), чтобы эффективно использовать питание РА и уменьшить его нагрев в паузе при работе c QSK или с VOX’ом. Это, к тому же, продлит “жизнь” ламп оконечного каскада. Многие местные радиолюбители повторили описываемый БП и имеют, на зависть, отличные сигналы как CW, так и SSB.

 

 

P.S. Загляните на интересный сайт K8CU http://www.realhamradio.com/index.htm  и посмотрите практическое исполнение подобного источника питания (K8CU объединил все рисунки в одну схему, добавив от себя таймер на м/сх и фильтр).

 

Схема хорошего качества в формате PDF

 

 

фотография собранной печатной платы в формате JPG.

 

 

 

Свободный перевод с английского:   Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru

г. Тюмень           январь, 2003 г