Zasilacz anodowy

Przystępując do projektu w pierwszym rzędzie trzeba określić jego założenia, czyli sposób i/lub materiały użyte do jego realizacji oraz parametry budowanego urządzenia. Jeśli zdecydujemy się na konstrukcję lampową i będziemy chcieli, aby wydajność zasilacza przekraczała 300 mA, to pierwsze problemy pojawiają się już przy wyborze diody (w zasadzie duodiody) prostowniczej. Popularne lampy 5U4 lub GZ34 (5AR4) [1, 2] mają zbyt małą wydajność katody, aby sprostać poczynionym założeniom, a zastosowanie ich pary wymagałoby kuriozalnie dużej mocy (19…30 W) przeznaczonej na ich żarzenie. Poza tym, duodiody prostownicze wymagają indywidualnego obwodu żarzenia, ponieważ ich katody są silnie spolaryzowane dodatnio w stosunku do ujemnej masy zasilanych układów, a to stanowi istotne ograniczenie w wyborze dostępnych transformatorów.

W układzie lampowego, szeregowego stabilizatora [3] nie występują trudne do zdobycia elementy, gdyż jako pentodę, na której jest regulowany spadek napięcia, można użyć lamp stosowanych w układach odchylania telewizorów kolorowych CRT, np. EL509 [4] lub bardziej popularną 6П45С [5]. Niestety, również i te lampy wymagają indywidualnego obwodu żarzenia konsumując, odpowiednio: 12,6 i 15,8 W.

Reasumując – regulowany, lampowy zasilacz 330 V/300 mA (100 W) będzie zużywał „na własne potrzeby” 34…48 W i nawet, jeśli będzie źródłem takiej samej energii dostępnej do żarzenia zewnętrznego układu, to i tak 20…25% pozostanie „nieprzydatne” z punktu widzenia jego użytkownika. Ponadto, zastosowany transformator będzie musiał być wyposażony w aż cztery uzwojenia wtórne: uzwojenie anodowe i trzy uzwojenia żarzenia. A przecież podczas uruchamiania urządzeń lampowych zasilacz powinien być w stanie dostarczyć jeszcze co najmniej ujemnego napięcia do ustawiania punktów pracy lamp stosowanych w stopniach mocy oraz napięcia symetrycznego „względem masy” do zasilania układów kaskadowych. Dla zaspokojenia potrzeb „techniki małej częstotliwości” przydałoby się również stałoprądowe źródło napięcia żarzenia dla lamp pracujących w przedwzmacniaczach. Uważam, że listę „potrzeb” trzeba zamknąć w tym miejscu, bowiem można ją dowolnie wydłużać, a jej kolejne, dodane punkty będą wykorzystywane coraz rzadziej i w coraz bardziej wysublimowanych układach.

Biorąc pod uwagę rodzaj i liczbę źródeł napięć, ich wydajność prądową oraz zakres regulacji, racjonalnym wydaje się wykorzystanie elementów półprzewodnikowych do konstrukcji zasilacza anodowego. Zastosowanie lamp byłoby związane ze znacznie niższą sprawnością energetyczną urządzenia oraz wyższymi kosztami budowy i eksploatacji. Poza tym bardzo trudnym byłoby skonstruowanie z ich pomocą niskonapięciowych źródeł posiadających sporą wydajność prądową (ok. 1,5 A).

Zasilacz wysokiego napięcia

Konstrukcja tego fragmentu zasilacza jest ściśle związana z dostępnością możliwie najbardziej uniwersalnych transformatorów o wystarczająco dużej mocy. Wydaje się, że jednym z najlepszych jest TSL180/001 mający dość dużą liczbę uzwojeń wtórnych mających ten sam prąd znamionowy (300 mA), co umożliwia ich szeregowe łączenie, a przez to dobór pożądanego napięcia wyjściowego. W prezentowanym układzie uzwojenia wtórne połączono w taki sposób, aby uzyskać napięcia zmienne 235 V (uzwojenia 205 i 30 V) oraz 135 V (uzwojenia 115 i 20 V), 70 V, 6,3 V i 2 V. Pierwsze i trzecie napięcie, wyprostowano za pomocą mostka Graetza, a drugie z nich w układzie podwajacza napięcia. Do budowy każdego z nich zastosowano diody prostownicze 1N5408 (D1…D10). Do filtrowania napięcia użyto kondensatorów 470 μF/400 V (C1…C4). Równolegle z każdym z kondensatorów zamontowano po dwa rezystory 68 kΩ/2 W jako tzw. „bleedery” służące do rozładowania pojemności po wyłączeniu napięcia zasilania. Ich rolę docenia się dopiero podczas sukcesywnego montażu i uruchamiania urządzeń lampowych, aczkolwiek nawet przy takiej ich oporności czas rozładowania do napięcia bezpiecznego trwa parę minut. Układy prostowania i filtrowania wysokiego napięcia zmontowano na stosunkowo dużej płytce 160 mm×100 mm. Należy zaznaczyć, że każdy z układów dla każdego z napięć nie jest w jakikolwiek sposób połączony elektrycznie z pozostałymi.

Stabilizowanie wysokiego napięcia odbywa się z udziałem dość typowego stabilizatora szeregowego zbudowanego na tranzystorach BUT11A (Q1…Q5) zabezpieczonego przed przeciążeniem parami równolegle połączonych rezystorów 220 Ω (R12…R16) i 7,5-woltową diodą Zenera (D11). Tranzystory zabezpieczone są diodą prostowniczą (D12) przed „cofnięciem się” napięcia, z pojemności zawartych w przyłączonym, zewnętrznym układzie wywołanego wyłączeniem zasilacza.

Wzmacniacz błędu jest zbudowany na dwóch tranzystorach BUT11A w układzie Darlingtona (Q7…Q8), a napięcie odniesienia wytwarza 7,5-woltowa dioda Zenera (D13).

Jedynym nietypowym układem jest źródło prądowe zbudowane na tranzystorze Q6, rezystorach R17 i R18 oraz diodzie Zenera D14. Jego zadaniem jest ograniczanie prądu płynącego przez tranzystory Q1…Q5 oraz Q7. W tym miejscu w układach niskonapięciowych zwykle jest stosowany rezystor, aczkolwiek ze względu na ograniczenie mocy, która byłaby w nim tracona został on zastąpiony źródłem prądowym.

Układ stabilizatora – regulatora wysokiego napięcia zmontowano na płytce o wymiarach 112 mm×32 mm bezpośrednio przykręconej do radiatora za pomocą tranzystorów Q1…Q6. Użycie aż pięciu połączonych równolegle tranzystorów wykonawczych (Q1…Q5) pozwala na utrzymanie stosunkowo niskiej ich temperatury „dzieląc” rozpraszaną moc. Jednak ze względu na maksymalną wartość wytracanej mocy (do 100 W) zastosowano do ich chłodzenia dość duży radiator – 10-centymetrowy A4291. Jak przewidziano na płytce drukowanej, tranzystor Q7 może mieć własny radiator, ale korzystniej jest przykręcić go do dużego radiatora, a przewodami dołączyć jego wyprowadzenia do obwodu drukowanego. Moc wydzielana w tym tranzystorze może przekraczać 6 W.

Warto zauważyć, że dopiero na płytce stabilizatora wysokiego napięcia pojawia się punkt, jaki utożsamia się z masą układu. Tak przyjęte rozwiązanie pozwala na „zgrabne” wprowadzenie układu pomiaru natężenia pobieranego z niego prądu. Z ową masą układu jest połączony ujemny biegun wyjścia zasilacza z regulowanym napięciem anodowym oraz za pośrednictwem rezystora 1,5 Ω (R6) ujemny biegun poprzedzającego go układu prostowania napięcia poddawanego stabilizacji. W efekcie amperomierz mierzy sumę natężeń prądów czerpanych z układów sprzed i po stabilizacji napięcia – zaciski AMPS-meter. Takie rozwiązanie pozwala na wizualną kontrolę maksymalnego prądu pobieranego z uzwojenia ~235 V, a po wyprostowaniu około =330 V.

Pozostałe układy prostowania napięć ~135 V (po wyprostowaniu ±188 V) i ~70 V (po wyprostowaniu =95 V) nie są w jakikolwiek sposób połączone z masą zasilacza. Zatem mogą być one łączone z nią w dowolny sposób stanowiąc „ujemne napięcie” (tzw. „minus”) dla ustawiania punktów pracy lamp w stopniach mocy lub zasilanie symetryczne względem masy albo mogą być łączone szeregowo z biegunem +330 V lub wyjściem napięcia stabilizowanego. Takie rozwiązanie pozwala na bardzo „elastyczne” wykorzystanie prezentowanego zasilacza, a jedynym ograniczeniem jest możliwość przebicia izolacji między uzwojeniami transformatorów o miernej jakości. Należy zaznaczyć, że przy tego rodzaju połączeniach trudno jest mówić o stabilizowaniu tak wytworzonego napięcia, aczkolwiek wciąż realne jest jego regulowanie.

W prezentowanym układzie również napięcia żarzenia lamp nie są w jakikolwiek sposób połączone z masą zasilacza, zatem można je pozostawić niepodłączone lub dowolnie łączyć z wybranymi biegunami w uruchamianym układzie. Cóż, owa dowolność jest ograniczona jedynie napięciem stałym, które może występować pomiędzy żarnikiem i katodą stosowanych lamp. „Środek” napięcia żarzenia ~6,3 V może być łączony z masą lub innym wybranym potencjałem w celu redukcji przydźwięku („brum’u”) spowodowanego sprzężeniami występującymi podczas zmiennoprądowego grzania katod.