|
Ламповые стабилизаторы напряжения всегда довольно редко использовались для практического применения, причина этого станет
ясной из нижеследующего изложения.
Приведенная на рис. 6.37 схема очень напоминает схему двухтранзисторного стабилизатора напряжения и отличается только
применением электронных ламп и более высоких напряжений. Полупроводниковый стабилитрон заменен в схеме неоновым газоразрядным
стабилитроном, который загорается при напряжении 85 В, что поддерживает напряжение на катоде лампы EF86 постоянным. Напряжение
на сетке лампы задается с использованием делителя напряжения. Последовательно включенным проходным элементом является двойной
триод типа 6080 (максимальная рассеиваемая мощность на аноде Pa(max)= 13 Вт), который специально разрабатывался
для
Рис. 6.37 Принципиальная схема лампового стабилизатора напряжения
применения в последовательных стабилизаторах и способен пропускать значительные токи при низких значениях анодных напряжений.
В схеме используется ламповый выпрямитель, и в противовес его очень слабой способности ограничивать токи пульсаций в
качестве накопительного конденсатора используется бумажно-фольговый конденсатор с емкостью 8 мкФ, хотя использование полипропиленового
конденсатора (с емкостью порядка 60 мкФ для данного конкретного типа выпрямителя) было бы гораздо целесообразнее с точки
зрения происходящих физических процессов. В результате, использование упомянутого бумажного конденсатора приводит к значительным
напряжениям пульсирующих токов, которые должны отфильтровываться с использованием следующего за выпрямителем LC-фильтра.
Если только величина резисторов цепи питания цепи экранирующей сетки не подобрана самым тщательным образом, работа стабилизатора
может оказываться в некоторой степени зависящей от напряжения на этой сетке лампы EF86 (в случае ее питания от несовершенного
источника), однако, в случае ее питания от стабилизированного источника питания (то есть с выхода стабилизатора) будет существовать
опасность, что схема стабилизации просто не будет включаться. Коэффициент усиления лампы EF86 равен примерно 100, а для
области частот, превышающей 100 Гц, этого усиления оказывается достаточным для снижения выходного сопротивления лампы типа
6080, для которой значение крутизны gm ≈ 7 мА/В. В силу этого величина сопротивления rk
оказывается равной примерно 200 Ом, с учетом эффекта, который вносит внешнее сопротивление Ra, равное
100 Ом. Выходное сопротивление стабилизатора напряжения составит при этом величину порядка 2 Ом. Лампа EF86 является достаточно
малошумящей (напряжение шума порядка 2 мкВ), однако, это значение перекрывается шумом лампы-стабилитрона 85А2, которое составляет
60 мкВ.
Газоразрядные лампы-стабилитроны, такие, например, как 85А2, пользуются дурной славой за присущие им скачки напряжения,
эффекта, когда эталонное постоянное напряжение изменяется скачком в пределах характерного значения 5 мВ при изменении величины
рабочего тока. Максимальная устойчивость лампы достигается
путем ее стабилизации при том значении рабочего тока, которое указано ее производителем, однако в случае, если величина
тока изменяется, даже при возвращении к ее исходному значению, для лампы понадобится некоторое время для восстановления исходного
стабильного состояния. Более того, эти лампы со временем «привыкают» к величине протекающего через них тока, а потому нежелательно
переставлять бывшие в употреблении газоразрядные лампы-стабилитроны из одной аппаратуры в другую. За это свойство иногда
такие лампы называют приборами «однократного использования». К счастью в магазинах существует огромный запас ламп 85А2 серии
NOS, поэтому не возникает никаких проблем для использования каждый раз новой лампы для каждой новой схемы.
Так как каждая лампа имеет свой собственный плавающий относительно земли катод, необходимы три отдельных источника питания
подогревателей катодов (газоразрядный стабилитрон 85А2 имеет холодный катод). Лампа EF86 может питаться от заземленного источника
питания подогревателей, однако, в таком случае возникают дополнительные требования на изоляцию между катодом и подогревателем.
В паспортных данных на лампу 6080 указывается что максимальное значение напряжения между катодом и подогревателем Vhk(max)
составляет 300 В, поэтому в тех случаях, когда стабилизированное напряжение не превышает значения 300 В, подогреватели
катода лампы 6080 также могут питаться от заземленного источника питания. Предельные напряженности поля, воздействующего
на изоляцию катод-подогреватель, снижают ожидаемый срок службы лампы и увеличивают напряжения шумов, поэтому они не могут
быть рекомендованы при ее эксплуатации.
Однажды автору довелось собрать гораздо более сложную схему лампового стабилизатора с рабочим напряжением 420 В, в которой
использовались плавающие источники питания цепей подогревателей, а также усилитель рассогласования, построенный на двух
каскадно включенных дифференциальных усилителях с использованием ламп типа ЕСС81. Схема обладала пропорционально низким выходным
сопротивлением, а измеряемый уровень шумов и помех составлял 400 мкВ двойного амплитудного (пик-пикового) значения. Источник
питания был огромен. Он был очень массивный и тяжелый. Он к тому же еще оказался нестабилен. Исследования на осциллографе,
подключенном с использованием емкостной связи по переменной составляющей, показали, что выходное напряжение медленно дрейфовало
взад и вперед относительно значения 420 В из-за изменений напряжения питания цепей подогревателей катодов (для накала использовался
нестабилизированный низковольтный источник переменного тока — то есть накал осуществлялся непосредственно от обмотки силового
трансформатора). Стабилизатор же на интегральной микросхеме 317 серии оказался непоколебимым, как скала.
Пути совершенствования схемы лампового стабилизатора напряжения
Нижеследующая идея улучшения стабилизатора была заимствована из осциллографа. В схемах осциллографов присутствует большое
количество интересных находок. Это связано со многими причинами, например с тем, что так для них требуется ширина
полосы пропускания, простирающаяся от постоянного тока до частот, по крайней мере, в 20 МГц. Для осциллографов требуются
высокостабильные и малошумящие источники высоковольтного напряжения, в силу чего стабилизаторы напряжения потребовали особо
тщательной разработки и оптимизации характеристик применяемых схем. Особое внимание было уделено стабилизации напряжений
питания подогревателей катодов, особенно защите от нестабильности напряжения сетевого питания с использованием цепей управления,
в которых применяются индуктивные катушки с насыщением, включенные последовательно с сетевой обмоткой накального трансформатора.
Характеристики любого стабилизатора напряжения могут быть улучшены за счет увеличения коэффициента усиления используемого
в схеме усилителя рассогласования. Наименьшим коэффициентом усиления характеризуется схема на одиночном триоде, однако, схема
на пентоде (или каскоде) имеет более высокое усиление. В случаях, когда требуется еще более высокое значение коэффициента
усиления, может использоваться последовательное включение пары усилительных каскадов (использование более, чем двух каскадов
усиления нецелесообразно с практической точки зрения, так как возникающие в каждом из них паразитные сдвиги фазы практически
неминуемо перевели бы стабилизатор в режим автогенерации). Так как в усилителе рассогласования усиливается сигнал постоянного
тока, дрейф усилителя должен быть сведен к минимуму, поэтому в качестве первого каскада стабилизатора напряжения с высоким
коэффициентом усиления обязательно должен быть дифференциальный усилитель, для чего наиболее всего подходит двойной триод.
Ко второму каскаду предъявляются менее жесткие требования, и в нем может использоваться другой триодный дифференциальный
усилитель, либо каскад с несимметричным выходом, в котором могут применяться либо триод, либо пентод.
Применение схемы с входной экранирующей сеткой для нейтрализации фонового шума переменного тока
В тех случаях, когда во втором каскаде используется пентод, его экранирующая сетка g2 может рассматриваться
в качестве инвертирующего входа. Если в эту точку схемы подать определенную часть несглаженного (необработанного) высоковольтного
пульсирующего сигнала, то он будет нейтрализован в анодной цепи, в результате чего будет реализована схема стабилизатора
напряжения, на выходе которой полностью отсутствует фоновый шум. Однако на практике реализация такого подхода имеет свои
собственные подводные камни:
• для нормального режима работы пентода на его экранирующей сетке должно быть задано соответствующее постоянное смещение.
Оно обычно берется с делителя напряжения, подключенного параллельно выходу источника питания (обязательное требование, чтобы
источник питания был без шума). Затем, при помощи резистора с высоким значением сопротивления, на нее нужно подавать необработанный
сигнала высоковольтного источника, причем подбор
значения сопротивления ведется до тех пор, пока не будет нейтрализован фон переменного тока;
• основная проблема заключается в том, что значение сопротивления этого резистора
рассчитать практически невозможно, так как совершенно неизвестна величина статического усиления по сетке второй
μ(g2-a)
поэтому величину сопротивления приходится подбирать экспериментально. Значение сопротивления может варьироваться от 150 кОм
до 1,5 МОм;
• несмотря на то, что производители ламп указывают их параметры достаточно
точно, в настоящий момент приходится иметь дело с параметром, не входящим в спецификацию лампы. Поэтому нет никакой уверенности,
что для ламп, изготовленных различными производителями и для которых точно совпадают все параметры, указанные в паспортных
данных, точно также будут совпадать и параметры, которые не входят в ее спецификацию. В качестве примера возникающей проблемы
можно привести ламповый фотоприемник цветного изображения EMI2001, в котором ток электронного луча управлялся экранирующей
сеткой g2. Когда была заказана новая лампа (всего-навсего каких-то 1500 фунтов стерлингов, по курсу 1986
г.), оказалось необходимым провести дополнительные исследования с целью точно восстановить необходимый режим работы указанной
лампы в данном фотоприемнике. Аналогично этому компания Tektronix продает ограниченную номенклатуру специальных электронных
ламп не потому, что их характеристики лучше по сравнению с лампами других производителей, а только затем, чтобы гарантировать
их безупречную работу в составе своих собственных схем;
• различия в характеристиках ламп означают, что нейтрализация фона переменного
тока не окажется идеальной, однако, от всех остающихся пульсаций можно достаточно просто избавиться за счет коэффициента
усиления замкнутой петли усилителя рассогласования.
|
