ZASILACZE LAMPOWE - teoria i praktyka

| WSTĘP | ELEMENTY ZASILACZY (1) | ELEMENTY ZASILACZY (2) |
| ELEMENTY ZASILACZY (3) | PROSTOWNIKI | OBLICZANIE PROSTOWNIKÓW |
| FILTRY | TRANSFORMATORY (1) | TRANSFORMATORY (2) | DŁAWIKI |
| STABILIZATORY (1) | STABILIZATORY (2) | ZASTOSOWANIE PRAKTYCZNE |

Uwaga!
Niniejszy artykuł powstał w oparciu o książkę "Zasilacze" Henryka Borowskiego. Celem artykułu jest zapoznanie czytelnika z wiedzą, która powoli odchodzi do lamusa. Cykl pozwoli zainteresowanemu poznać od strony teoretycznej jak i praktycznej tajniki budowy zasilaczy, ze szczególnym naciskiem na rozwiązania lampowe.
Posiadamy zgodę autora i wydawnictwa na zamieszczenie na tej stronie obszernych fragmentów tej książki. Jednocześnie udzielamy zgodę na umieszczenie tej treści na swojej stronie pod warunkiem podania autora i linku do tej strony. Na publikację grafik (w szczególności hotlinkowania) należy uzyskać odrębną zgodę korzystając z zakładki KONTAKT.

WSTĘP

W każdym lampowym urządzeniu audio obwody anodowe są zasilane ze źródeł prądu stałego. W urządzeniach bateryjnych do tego celu służą baterie, a w sieciowych - prostowniki. Prostownik jest urządzeniem, które przekształca prąd zmienny na prąd stały. Aktualnie projektowane zasilacze oparte są o półprzewodniki lub lampy. Te drugie oczywiście znacznie żadziej. W zasadzie tylko w wysokiej klasy urządzeniach audio można spotkać technikę lampową w tym elemencie. W przeszłości budowano zasilacze także w oparciu o prostowniki stykowe (selenowe bądź miedziowe).
Prostowniki mogą pracować w układzie prostowania półokresowego lub pełnookresowego. Prąd uzyskany z prostownika jest pulsujący i jako taki do zasilania urządzeń elektronicznych średnio się nie nadaje. Aby prąd pulsujący "wygładzić", stosuje się filtry.
Włókna lamp żarzonych z sieci mogą być połączone szeregowo lub równolegle. Przy równoległym połączeniu włókien źródłem ich zasilania jest niskonapięciowe uzwojenie na transformatorze. Jak widzimy, do zasilania odbiornika z sieci elektroenergetycznej potrzebne są dwa lub trzy elementy: transformator (nie zawsze), prostownik i filtr. Zespół zbudowany z tych elementów nazywamy zasilaczem.

1.1. OGÓLNE WARUNKI TECHNICZNE

Przez warunki techniczne rozumiemy podawane w katalogach i czasopismach technicznych nominalne i dopuszczalne wartości elektryczne poszczególnych elementów zasilaczy, oraz dane elektryczne układów i elementów zasilanych. Jeżeli lampowy układ zasilający czy zasilany ma dobrze pracować, muszą być spełnione następujące podstawowe warunki:

• zasilacz i układ zasilany powinny mieć odpowiednie lampy o dostatecznej emisji
• lampy zastępcze powinny odpowiadać parametrom elektrycznym właściwych lamp
• napięcia zasilające lampy powinny odpowiadać wartościom katalogowym
• dopuszczalne wahania napięć zasilających nie mogą przekraczać +/-10%, a napięcia żarzenia +/-5%
• części obwodu zasilacza muszą mieć wartości elektryczne zapewniające bezpieczną pracę (kondensatory - odpowiednie napięcie pracy, oporniki - odpowiednią moc itd.)
• dopuszczalne tolerancje wartości elektrycznych użytych elementów powinny być takie, aby nie obciążały zasilacza oraz aby nie doprowadziły do przekroczenia maksymalnych mocy admisyjnych zasilanych lamp
• w urządzeniach bateryjnych napięcia zasilające mogą wahać się od +10% do -30% napięcia nominalnego.

Ogólne warunki techniczne podają poza tym wysokość poszczególnych napięć, graniczne prądy itd.

l.2. MAKSYMALNE GRANICZNE NAPIĘCIA I PRĄDY ŻARZENIA

Dla uzyskania normalnej pracy urządzenia konieczne jest utrzymanie we wszystkich użytych lampach stałej temperatury katody. Osiąga się to przez utrzymywanie nominalnej wartości napięcia lub prądu żarzenia. Nie utrzymanie nominalnego napięcia żarzenia zakłóca pracę, a głównie zagraża żywotności użytych lamp. Zarówno niedożarzenie, jak i przeżarzenie włókna jest szkodliwe. Dotyczy to zwłaszcza lamp żarzonych bezpośrednio. Niedożarzenie powoduje ograniczenie zdolności emisyjnej katody. Przeżarzenie może spowodować uszkodzenie części masy emisyjnej katody. Katalogi podają tolerancje napięcia lub prądu żarzenia. Według sposobu żarzenia lampy podzielone są na trzy grupy: lampy żarzone tylko równolegle, lampy żarzone tylko szeregowo i lampy żarzone równolegle lub szeregowo.

1.2.1. Lampy żarzone równolegle

Do grupy tej należą wszystkie lampy, które przyłącza się równolegle do źródła żarzenia (transformator, bateria akumulatorów). Dozwolona tolerancja nominalnego napięcia żarzenia wynosi w tej grupie +/-5%. Wymieniona tolerancja jest właściwie teoretyczna, gdyż elektrownie praktycznie nigdy nie dostarczają napięcia znamionowego. Tablica 1-1 podaje obliczone wartości dla różnych napięć żarzenia używanych w praktyce, z uwzględnieniem tolerancji +/-5%, która powinna być utrzymana. Jeżeli lampy zasilane są z transformatora sieciowego, napięcie sieci (z której transformator jest zasilany) może wahać się w granicach +/-5% przy napięciach nominalnych 170 do 240V i +/-7% przy napięciach 40 do 170 V. Przy stosowaniu baterii akumulatorów do zasilania włókien żarzenia obowiązują podane wyżej tolerancje.

Tablica 1-1 Graniczne wartości napięć żarzenia

1.2.2. Lampy żarzone szeregowo

Dla szeregowo żarzonych lamp źródłem napięcia jest sieć oświetleniowa prądu zmiennego lub stałego. Zamiast transformatora sieciowego stosuje się tylko opornik redukcyjny. Tolerancja oporności użytych oporników nie może przekraczać +/-5%. Oporników o większej tolerancji oporności nie należy stosować, ponieważ mogą one spowodować przeżarzenie lub niedożarzenie lamp. Tolerancje prądów żarzenia powszechnie używanych lamp podaje tablica 1-2.

Tablica 1-2 Graniczne wartości prądów żarzenia

Opornik redukcyjny dla szeregowego obwodu żarzenia lamp można łatwo obliczyć sposobem graficznym (rys. 1-1). Najpierw należy określić różnicę napięć pomiędzy napięciem, sieci a sumą napięć żarzenia wszystkich użytych lamp, którą należy zredukować opornikiem szeregowym. Wartość różnicy napięcia U1 należy odszukać na poziomej podziałce wykresu. Ze znalezionego punktu, odpowiadającego U1, wyprowadza się prostopadłą aż do przecięcia z krzywą dla odpowiedniego prądu żarzenia Iż. Z punktu przecięcia należy poprowadzić linię prostopadłą do lewej podziałki wykresu, gdzie zostanie odczytana oporność opornika Rs w omach. Obciążalność opornika szeregowego można znaleźć z tego samego wykresu. Na powstałym przecięciu (Uf, If, Rs) można odczytać wartość P, na którą musi być obliczony użyty opnrnik szeregowy.

Rys. 1-1. Obliczanie opornika szeregowego metodą graficzną

Na rysunku 1-2 widzimy trzy różne oporniki indukcyjne.

Rys. 1-2. Drutowe oporniki redukcyjne

Zachodzi czasem potrzeba włączenia zastępczej lampy do szeregowego obwodu żarzenia. Załóżmy, że zastępcza lampa jest o mniejszym prądzie żarzenia. Należy wtedy dołączyć opornik Rp równolegle do włókna lampy pobierającej mniejszy prąd. Oporność tego opornika można łatwo określić za pomocą wykresu z rys. 1-3. Przykłady wykonania oporników redukcyjnych pokazano na rys. 1-4. Sposób posługiwania się wykresem jest następujący. Najpierw należy określić napięcie Up między punktami, do których ma być dołączony opornik równoległy i prąd Ip, który ma płynąć przez opornik. Na podstawie tych dwóch wielkości można określić oporność opornika Rp i moc, jaką można go obciążyć.

Rys. 1-3. Obliczanie opornika równoległego metodą graficzną

Rys. 1-4. Oporniki redukcyjne i bifilarne

1.2.3. Lampy żarzone szeregowo lub równolegle

Do tej grupy należą lampy, które można, zależnie od potrzeby, zasilać równolegle lub szeregowo. Oprócz lamp pośrednio żarzonych należą tu niemal wszystkie lampy bezpośrednio żarzone, w których utrzymanie jednakowych tolerancji, podobnie jak w lampach pośrednio żarzonych, nie jest łatwe ani ekonomiczne. Dlatego też wytwórcy starają się budować lampy bezpośrednio żarzone o większych tolerancjach napięcia żarzenia. Tablica 1-3 podaje nominalne napięcia żarzenia lamp bezpośrednio żarzonych z maksymalnie dopuszczalnym przeżarzeniem lub niedożarzeniem. Włókna żarzenia lamp bezpośrednio żarzonych należy przy szeregowym łączeniu zbocznikować opornikami, przez które odprowadza się prąd anodowy i prąd siatek osłonnych pozostałych lamp (rys. 1-5). Oporność opornika równoległego zależna jest od wartości prądu katodowego (a nie "żarzenia"), płynącego przez włókno żarzenia lampy.

Tablica 1-3 Graniczne wartości napięć żarzenia lamp bezpośrednio żarzonych

Rys. 1-5. Rozkład prądów żarzenia w obwodzie szeregowym

1.3. MAKSYMALNE NAPIĘCIE MIĘDZY KATODĄ A WŁÓKNEM ŻARZENIA

Pośrednio żarzone katody lamp mają wewnątrz rurki katodowej izolowane włókno żarzenia. Izolacja włókna wykonana jest z materiału nie tracącego swych własności izolacyjnych przy wysokiej temperaturze, tj. z cienkiej warstwy trójtlenku glinu (Al2O3 - alundum). Proporcjonalnie do grubości tej warstwy dopuszcza się bądź stałe, maksymalne napięcie między włóknem i katodą, bądź też wartość skuteczną napięcia zmiennego, a czasami sumę obydwu tych napięć. Lampy uniwersalne wymagają lepszej izolacji włókna żarzenia, ponieważ żarzone są wprost z sieci elektrycznej. Izolacja powinna wytrzymać przynajmniej całe napięcie sieciowe. Przekroczenie maksymalnej wartości Ukw może uszkodzić warstwę izolacji, co przejawia się trzaskami lub przydźwiękiem w wyjściowym obwodzie lampy.

1.4. MAKSYMALNA OPORNOŚĆ OPORNIKA KATODOWEGO Rk

W celu wytworzenia ujemnego napięcia siatki w lampach pośrednio żarzonych włącza się do obwodu katodowego opornik (rys. 1-6), na którym wywarza się napięcie proporcjonalne do płynącego prądu katodowego. Oporność opornika katodowego nie może być nigdy tak duża, aby powstałe na nim napięcie było większe od maksymalnego dozwolonego napięcia między katodą i włóknem. Napięcie na oporniku katodowym oblicza się ze wzoru:

Rys. 1-6. Oporność katodowa

Bez względu na dozwolone napięcie Ukw zaleca się, aby napięcie między katodą i włóknem było możliwie najmniejsze, ponieważ ewentualne przypadkowe prądy upływowe mogą spowodować przesunięcia ustawionego punktu pracy lampy.
Wartość oporności opornika katodowego można obliczyć z prawa Ohma albo też metodą graficzną za pomocą wykresu (rys. 1-7). Ujemne napięcie siatki - Us1 w punkcie pracy należy odłożyć na osi odciętych, prąd katodowy Ik - na osi rzędnych. W powstałym przecięciu można odczytać wartość oporności opornika katodowego Rk w Ohmach i jego obciążalność w W.

1.5. GRANICZNE WARTOŚCI NAPIĘĆ DODATNICH NA ELEKTRODACH LAMP

Maksymalne dopuszczalne wartości napięć dodatnich na elektrodach lamp określone są przede wszystkim jakością izolacji między elektrodami, mocą admisyjną elektrod i dobrocią próżni.

Rys. 1-7. Obliczanie opornika katodowego metodą graficzną

1.6. MAKSYMALNE NAPIĘCIE ANODOWE Uamax

Uamax jest często przyjmowane za anodowe napięcie pracy, które jest mniejsze o spadek napięcia na anodowym oporze pracy. Mierzy się je w stosunku do potencjału katody. Jeżeli w obwodzie katodowym umieszczony jest opornik, napięcie anodowe zmniejsza się o spadek napięcia powstały na tym oporniku. Przy przekroczeniu katalogowych wartości Uamax może dojść do przeskoków napięcia i uszkodzenia lampy.

1.7. MAKSYMALNE NAPIĘCIA NA ELEKTRODACH W ZIMNYM STANIE KATODY

W urządzeniach mających lampy żarzone pośrednio napięcie wyprostowane na elektrodach narasta o wiele wcześniej niż ich katody zdążą się nagrzać. Ponieważ lampy z nie nagrzaną katodą nie pobierają prądu, nie obciążają one źródła wyprostowanego napięcia. Źródło pracuje przejściowo bez obciążenia i osiąga większe wartości napięć niż przy obciążeniu.
Przy budowie zasilacza odbiornika należy zwrócić uwagę, aby nie przekroczyć podanego przez wytwórcę napięcia na elektrodach w zimnym stanie katody. Jeżeli napięcie to nie jest podane, przyjmuje się znormalizowaną maksymalną wartość dla odbiorczych lamp sieciowych 500 V, a bateryjnych 200 V.

1.8. GRANICZNE PRĄDY ELEKTROD

Prądy graniczne nie są zwykle podawane w katalogach, ponieważ prądy wszystkich elektrod, z wyjątkiem prądu katodowego, ograniczone są tylko maksymalną mocą admisyjną tych elektrod. Jeśli prądy są podane, stanowią one tylko wartości przybliżone, które można przekroczyć, jeżeli nie zostanie przekroczona graniczna moc admisyjną. Wyjątek stanowi prąd katodowy Ik, którego wartości nie można przekroczyć, gdyż jest to wartość maksymalna.

1.9. GRANICZNE MOCE ADMISYJNE ELEKTROD

Graniczna moc admisyjna poszczególnych elektrod zależna jest od napięcia i prądu anodowego. Jeśli trzeba użyć innych wartości pracy niż podają katalogi, moc admisyjną anody można obliczyć ze wzoru:

W charakterystyce anodowej często wykreśla się specjalną krzywą, określającą maksymalną moc admisyjną anody. Punkt pracy trzeba wybrać z uwzględnieniem danej krzywej. Przebieg krzywej ilustruje (rys. 1-8).

Rys. 1-8. Charakterystyka Ia = f (Ua) z naniesioną krzywą Pa

Napięcie i prądy pracy należy zawsze tak wybrać, aby nawet na chwilę nie przekroczyły maksymalnej mocy admisyjnej elektrod.
Jeżeli zachodzi konieczność przekroczenia granicznych mocy admisyjnych siatki ekranującej, należy równocześnie zwiększyć obciążenie obwodu anodowego. Przerwanie albo odciążenie obwodu anodowego nie powinno nastąpić, ponieważ wzrosłoby obciążenie siatki ekranującej, co mogłoby doprowadzić do uszkodzenia lampy.