ZASILACZE LAMPOWE - teoria i praktyka

Najbardziej dostępne w praktyce są jarzeniowe stabilizatory napięcia (stabiliwolty). Pozostałe typy radioamatorzy stosują bardzo rzadko i dlatego zostaną one omówione bardzo pobieżnie. Zainteresowani czytelnicy znajdą ich opisy i zasady pracy literaturze specjalnej. W rozdziale 5 „filtry i układy stabilizacyjne" zostaną pokazane całe układy stabilizacyjne na lampach elektronowych.

2.5.1. Jarzeniowe stabilizatory napięcia

Jednym z najprostszych i ogólnie dostępnych stabilizatorów, zapewniających stałość napięć anodowych i siatek osłonnych, jest stabilizator jarzeniowy. Stabilizator jarzeniowy (stabiliwolt) jest zamknięty w bańce (rys. 2-18) wypełnionej gazem (argonem, neonem, helem) pod bardzo niskim ciśnieniem. W bańce znajdują się dwie lub więcej koncentrycznie umieszczone żelazne lub niklowe elektrody. Powierzchnia elektrod jest aktywowana, tzn. pokryta cienką warstwą tlenku baru, toru lub cezu. Stabilizatory, które równocześnie mogą być wykorzystane jako dzielniki napięcia, mają większą liczbę takich elektrod (3 do 5). Zewnętrzna elektroda stabilizatora, mająca największą powierzchnię, jest katodą.

Rys. 2-18. Jarzeniowy stabilizator napięcia - widok zewnętrzny

Między źródłem napięcia i stabilizatorem jarzeniowym włącza się zawsze opornik (Rd na rys. 2-19). Opornik ten ochrania stabilizator od tworzenia łuków pomiędzy elektrodami i określa stabilizacyjne własności układu.

Rys. 2-19. Schemat elektryczny włączenia stabilizatora jarzeniowego

W pracującym stabilizatorze powierzchnia świecenia części katody jest proporcjonalna do prądu płynącego przez stabilizator. Napięcie między elektrodami stabilizatora pozostaje prawie stałe i niezależne w pewnych granicach od wahań napięcia zasilającego. Można to wyjaśnić w niżej podany sposób.
Jeśli zwiększy się napięcie wejściowe U, zwiększy się prąd Ist, płynący przez stabilizator, oraz spadek napięcia na oporniku r, tak że napięcie Ust na wyjściu pozostanie prawie nie zmienione. Przy zmniejszeniu napięcia U prąd Ist zmniejszy się, spadek napięcia na oporniku r również zmaleje, a napięcie Ust znowu pozostanie nie zmienione.
Załóżmy teraz, że w wyniku zmniejszenia oporności obciążenia R0 wzrośnie prąd obciążenia I0 i spowoduje zmniejszenie prądu stabilizatora Ist o taką wartość, o jaką zwiększył się prąd obciążenia I0. W wyniku tego nie zmienia się ani spadek napięcia na oporniku r, ani napięcie Ust na wyjściu.
W rzeczywistości jednak napięcie Ust nieco się zmniejszy, co można wyjaśnić zmniejszeniem prądu stabilizatora. Jednak ten spadek napięcia jest bardzo nieznaczny i osiąga przy zmianach prądu obciążenia od 30 do 70% wartości nie większe niż l do 3%. Zmniejszenie prądu obciążenia I0 spowoduje odpowiedni wzrost prądu stabilizatora, tak że napięcie wyjściowe Ust znowu pozostaje nie zmienione. Rozkład prądów i napięć w stabilizatorze i oporniku r pokazuje rys. 2-20.

Rys. 2-20. Rozkład prądów i napięć w Rd. stabilizatorze i Rz

Na rysunku 2-21 pokazany jest stabilizator typu Stv 280/40.

Rys. 2-21. Jarzeniowy stabilizator napięcia typu STV 280/40

Tablica 2-7 Wartości charakterystyczne niektórych typów stabilizatorów jarzeniowych produkcji europ.
Oznaczenia:
Uzapł - napięcie zapłonu, Upr - napięcie pracy, Imax - maksymalny prąd stały (górna granica), Imin - minimalny prąd stały (dolna granica), Ri max - maksymalna oporność wewnętrzna (Wartości elektryczne według Rohrentaschenbuch 1954 oraz "Usmernovace a stabilisatory napeti" 1953)

2.5.1.1. Napięciowo-prądowa charakterystyka stabilizatora jarzeniowego

Własności stabilizatora jarzeniowego ilustruje jego charakterystyka napięciowo-prądowa (rys. 2-22). Charakterystyka pokazuje, jak zmienia się prąd płynący przez stabilizator i napięcie na stabilizatorze. Z wykresu widać, że zapłon stabilizatora jarzeniowego (odcinek charakterystyki przy Ist = 0) następuje przy napięciu nieco większym niż napięcie pracy.

Rys. 2-22. Napięciowo-prądowa charakterystyka stabilizatora

Napięciowo-prądowa charakterystyka stabilizatora pozwala określić wewnętrzną oporność stabilizatora.
Oporność wewnętrzna stabilizatora Rd nazywana jest opornością dynamiczną stabilizatora (opornością dla prądu zmiennego, analogicznie do oporności wewnętrznej lampy elektronowej). Liczbowo oporność ta jest stosunkiem przyrostu napięcia na elektrodach stabilizatora do przyrostu prądu płynącego przez ten stabilizator:

Oporność ta jest wielkością stałą dla odcinka prostolinijnego (roboczego) charakterystyki stabilizatora. Określona w ten sposób oporność wewnętrzna różni się znacznie od tzw. oporności dla prądu stałego, obliczanej według prawa Ohma za pomocą dzielenia wartości napięcia na elektrodach stabilizatora przez wartość prądu przez niego płynącego. Oporność dla prądu stałego zależy od wartości prądu płynącego przez stabilizator i nie jest wartością stałą - jej wartość jest dużo większa od oporności wewnętrznej Rd.

W razie braku charakterystyki napięciowo-prądowej oporność wewnętrzną stabilizatora można określić wtedy, jeśli znana jest zmiana napięcia delta Ust (przy zmianie prądu płynącego przez stabilizator) od wartości minimalnej Istmin, przy której pojawia się jarzenie, do wartości maksymalnej Istmax, dopuszczalnej wymiarami katody. Dla większości stabilizatorów wielkość Rd waha się w granicach od 50 do 300 omów. Oporność dynamiczna jest równoznaczna oporności wewnętrznej źródła zasilania.

Na rysunku 2-23 pokazano typową zależność oporności wewnętrznej jednego ze stabilizatorów od częstotliwości. Z charakterystyki widać, że przy częstotliwości około 4 kHz oporność wewnętrzna jest dwa razy większa niż przy częstotliwości 50 Hz. W celu zmniejszenia Rd w zakresie częstotliwości akustycznych i wyższych poleca się bocznikować stabilizator kondensatorem od 2 do 4uF. Krzywa a na rysunku 2-23 przedstawia zależność oporności wewnętrznej stabilizatora nie zbocznikowanego kondensatorem od częstotliwości, a krzywa b - przy zbocznikowaniu go kondensatorem o pojemności 3uF.

Rys. 2-23. Zależność oporności wewnętrznej stabilizatora od częstotliwości
Krzywa a - stabilizator nie zbocznikowany kondensatorem; krzywa b - stabilizator zbocznikowany kondensatorem o pojemności 3uF

Mała oporność wewnętrzna stabilizatora dla prądu zmiennego zapewnia polepszenie filtracji prostownika, a także zmniejsza niepożądane sprzężenia doprowadzające często do drgań. Właściwość tę można wyjaśnić na następującym przykładzie: stosowanie rosyjskiego stabilizatora CG-226, mającego oporność wewnętrzną około 240 omów dla częstotliwości 50 Hz, odpowiada bocznikowaniu obciążenia kondensatorem o pojemności 13uF. Drgania powstają przy bardzo małych częstotliwościach rzędu 1 do 5 Hz, oporność 240 omów odpowiada setkom, a nawet tysiącom uF.

2.5.1.2. Obliczanie stabilizatora jarzeniowego

Współczynnik stabilizacji kst układu podaje, ile razy procentowa zmiana napięcia wyjściowego Ust jest mniejsza niż procentowa zmiana napięcia wejściowego U.
kst, można obliczyć ze wzoru:

gdzie:

Ust - jest napięciem wyjściowym w V
n = U/Ust - współczynnik, który wybiera się zwykle w granicach od 1,3 do 2
Rd - oporność wewnętrzna (dynamiczna) stabilizatora jarzeniowego w omach
Ist - prąd płynący przez stabilizator w A
I0 - prąd obciążenia w A

Przy stosowaniu kilku stabilizatorów jarzeniowych połączonych szeregowo (rys. 2-24) wypadkowa oporność dynamiczna równa jest sumie oporności dynamicznych wszystkich stabilizatorów. Ze wzoru bowiem widać, że im mniejsza jest Rd, tym większy jest współczynnik stabilizacji.

Rys. 2-24. Dwa stabilizatory jarzeniowe połączone szeregowo

Rys. 2-25. Kaskadowe połączenie stabilizatorów jarzeniowych

Jeżeli znane są: napięcie wejściowe U i prądy Ist oraz I0, można łatwo określić oporność r opornika szeregowego:

Przy obliczaniu układu na rysunku 2-24 i 2-25 należy określić również, czy graniczne wartości prądu stabilizatora nie przekraczają dopuszczalnych granic prądowych, określonych dla stabilizatora danego typu.
Maksymalny prąd stabilizatora przy maksymalnym napięciu wejściowym:

Minimalny prąd przy minimalnym napięciu wejściowym:

We wzorach (2-11) i (2-12):
Ist - prąd neonówki przy nominalnym napięciu wejściowym w A
U - nominalne napięcie wejściowe w V
r - oporność opornika szeregowego w Ohmach, wzór (2-10)
a - spadek napięcia U w % napięcia nominalnego
b - wzrost napięcia U w % napięcia nominalnego

Układ stabilizatora jest odpowiedni dla prądów obciążenia 25 do 30 mA (rys. 21). Dalszy wzrost prądu obciążenia spowoduje szybkie zmniejszenie współczynnika stabilizacji kst, który leży zwykle w granicach 8 do 20.
Aby współczynnik stabilizacji zwiększył się, stosuje się niekiedy tzw. łączenie kaskadowe, składające się z dwu stabilizatorów (rys. 2-24).
Przy małym prądzie obciążenia I02 drugiego stopnia można pobierać ze stabilizatora równocześnie, oprócz bardzo stabilnego napięcia Ust2, również i mniej stabilne napięcia Ust1, jak to pokazano linią kreskowaną na rysunku 2-25.
Współczynnik stabilizacji stabilizatora kaskadowego równy jest iloczynowi współczynników stabilizacji pierwszego i drugiego stopnia:

Obliczenie poszczególnych stopni wykonuje się oddzielnie według podanych wzorów. Napięciem wejściowym dla stopnia drugiego jest przy tym w praktyce zawsze napięcie Ust1, a całkowity prąd obciążenia określony jest wzorem:

Tablica 2-8 Wartości charakterystyczne niektórych typów stabilizatorów jarzeniowych produkcji radz.
(Wartości według K. B. Mazel „Wypriamitieli i stabilizatory napriażienia" - 1951; w nawiasach podane są największe wartości dopuszczalne)

Z a d a n i e    p r z y k ł a d o w e

Obliczyć układ stabilizatora napięcia na 225 V przy obciążeniu prądowym 12 mA. Prostownik, który zasila stabilizator, przyłączony jest do sieci prądu zmiennego, którego napięcie waha się w granicach +/-10%.

Rys. 2-26. Układ stabilizatorów do zadania przykładowego

R o z w i ą z a n i e

a. Wartość prądu obciążającego I0 = 12 mA dopuszcza użycie układu ze stabilizatorami jarzeniowymi typu 150C5-30 i 105C530, połączonymi szeregowo (rys. 2-26).

b. W celu obliczenia współczynnika stabilizacji układu należy wybrać najpierw wartość n, określającą stosunek napięcia wejściowego do napięcia wyjściowego i prąd Ist przy normalnym napięciu sieci zasilającej

Z tablicy 2-8 wynika, że oporność dynamiczna stabilizatora 150C5-30 Rd = 200 Ohm, a stabilizatora 105C5-30 Rd = 100 Ohm. Wtedy współczynnik stabilizacji można obliczyć ze wzoru 2-9

Na podstawie obliczonej wartości łatwo ustalić, że przy zmianie napięcia sieci (lub napięcia wejściowego U), np. o 5%, napięcie na wyjściu zmieni się o

Jeśli wartość ta nie wystarczy, można współczynnik kst zwiększyć przez zwiększenie wartości n.

c. Ze wzoru (2-10) można określić wartość oporności r opornika szeregowego

Moc tracona na oporniku r

d. Napięcie wejściowe U wynosi

Napięcie to (410V) musi dawać prostownik. który zasila stabilozator.

e. Granice zmian prądu stabilizatorów obliczamy ze wzorów (2-11) i (2-12). W zadaniu podano, że procentowe zmiany napięcia sieci wynoszą

Stąd wynika

A więc zmiany prądu stabilizatorów nie przekroczą dopuszczalnych granic (5 do 30 mA, tablica 2-8).

Jeżeli wartość maksymalnego lub minimalnego prądu stabilizatora przekroczy dopuszczalne granice, należy wybrać inną wartość Ist. Jeżeli wartość Istmax jest większa niż 30-40 mA, należy Ist zmniejszyć, jeżeli zaś wartość Istmin jest mniejsza niż 5 do 6 mA, należy Ist zwiększyć. Przy mniejszych zmianach napięcia sieci zasilającej (a i b) zmiany prądu stabilizatora także są mniejsze.

Jeżeli zachodzi potrzeba, można pobierać z układu stabilizatorów na rys. 2-26 równocześnie dwa stabilizowane napięcia (Ust i Ust1). Drugie napięcie (Ust1) może wynosić w tym wypadku +150V lub +105V, zależnie od tego, który z dwu stabilizatorów jest przyłączony do wspólnego ujemnego bieguna obydwu stabilizowanych napięć. Aby przez obydwa stabilizatory przepływał stały (jednakowy) prąd Ist, należy równolegle do górnego stabilizatora przyłączyć opornik Rp, przez który przepływa wtedy prąd obciążenia I01 (połączenie linią przerywaną na rys. 2-26). Obliczenie układu stabilizatorów należy w tym wypadku wykonać na sumę prądów obciążenia I0 + I01. Układ na rys. 2-25 różni się od zwykłego dzielnika napięcia (potencjometru) tym, że przy zmianach prądu drugie obciążenie I01 utrzymuje napięcie stałe.

2.5.1.3. Uwagi końcowe

W celu zwiększenia prądu stabilizowanego nie należy łączyć równolegle stabilizatorów jarzeniowych nawet jednego typu. W stabilizatorach połączonych równolegle nie można bowiem otrzymać identycznego napięcia zapłonu, gdyż zapali się tylko jeden z nich, o mniejszym napięciu zapłonu. Wyjątek stanowią stabilizatory mające dodatkową elektrodę zapłonową.
Stabilizatory natomiast o jednakowym prądzie można łączyć szeregowo w celu podwyższenia napięcia stabilizowanego lub w celu otrzymania stabilizowanego dzielnika napięcia.
Jeśli stabilizatory zasilają urządzenia pracujące impulsowo, to obciążenie stabilizatora należy obliczać na maksymalną, a nie na średnią wartość prądu w impulsie. Jeśli jest to impuls wielkiej częstotliwości, obliczenie wykonuje się dla jego składowej stałej, gdyż składowa wielkiej częstotliwości będzie przepływała przez kondensator równolegle przyłączony do stabilizatora.
Dla stabilizatorów dopuszcza się krótkotrwałe przeciążenia prądowe, nie przekraczające 30% wartości prądu nominalnego.
W stabilizatorach-dzielnikach dopuszczalne obciążenie poszczególnych elektrod jest różne, ponieważ wymiary poszczególnych elektrod są niejednakowe.

Aby w stabilizatorze zapłon następował w chwili włączenia zasilania, napięcie na nim powinno być co najmniej o 15 do 30V wyższe niż nominalne napięcie pracy. Najtrudniej jest uzyskać zapłon stabilizatora, jeśli w chwili doprowadzenia do niego napięcia zasilającego przyłączone jest obciążenie, które pobiera maksymalny dopuszczalny prąd.
W razie użycia stabilizatora-dzielnika lub kilku łączonych szeregowo pojedynczych stabilizatorów poszczególne elektrody poleca się przyłączyć do minusa lub plusa napięcia zasilającego przez opornik od 0,2 do 0,3 MOhm - 0,25 W, jak pokazano na rys. 2-19. Stosowanie tych oporników zabezpiecza elektrody przed dojściem do nich w pierwszym momencie pełnego napięcia.

Dalsza część artykułu: ELEMENTY ZASILACZY (3) już niebawem.

| 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 |