Изучаем резонанс. Часть 2. Импульсный БП для лампового усилителя

Следующей темой для моего исследования источника питания LLC resonant converter на микросхеме FAN7621 стала тема питания лампового усилителя.

Все же в кругах радиолюбителей не утихает интерес к лампам, а медных трансформаторов остается все меньше и меньше.
Естественно мной движет чисто исследовательский интерес, и сам усилитель я врядли буду делать – поглядим что вообще получится и как будет работать.

↑ Техзадание

Попробую сформировать техзадание, а заодно поковыряю трансформатор.
Большинство ламповых усилителей для домашнего использования имеют примерно одинаковые энергетические характеристики.
Я возьму за основу РР на 6П3С, смещение автомат, стандартная схема.
Это как правило по 3 баллона в канале – пред/фазик – двойной триод типа 6Н8С и пара 6П3С на выходе.
Нам нужно просто анодное – 250-280В 0.5А-0.8А. И накал – 6.3В 3-4А. Примерно.
Так как большого размера окна, куда можно накрутить много витков вторички у нас нет, то начну с малого, с того, что точно поместится.

↑ Итак, есть схема:

И плата:

В общем то ничего сложного, пересчитать трансформатор и все.

Но когда я сел за расчеты, то понял, что в лоб проблему не решить.

В расчете дано, что вторичное напряжение одно, ток фиксирован, и изменение нагрузки не планируется.
У меня же минимум два напряжения, одно регулируемое, второе прицепом. Мощность тоже различная.
В общем по расчетам, требуемое число витков первички у меня получилось от 24 до 26.5, в зависимости от минимальной рабочей частоты для данного трансформатора.

Расчеты я делал на бумажке, приготовился уже мотать, но решил не заморачиваться, и соблюсти только расчетные данные по резонансной цепи. С напряжениями потом разберемся.
Поэтому намотал я его по аналогии с трансформатором из предыдущего описания – точнее из даташита, с корректировкой вторичных обмоток.

А именно:
Первичка – 36 витков – литц 60×0.1 мм.
Самопитание – 3+3 витка – одножильный 0.4 мм.
Вторичка – 6.3В – 1+1 виток – литц 85×0.1 мм
Вторичка – 250В – 40 витков – 0.4 мм одножильный провод.
Сердечник ER3542, секционирован на две секции.


Порядок намотки:
На  «длинную» секцию наматываю первичку.
Получается примерно 3.5 слоя.
Между слоями прокладка из липкой ленты.
Поверх первички – обмотка самопитания.
На  «короткой» секции мотаю анодную, так-же, с межслойной изоляцией, следом накал.
Все поместилось, крышка одевается с большим зазором.

Собрал – померил:

Стянутый – нормально!

Теперь индуктивность рассеяния – она тут получается повыше – так как на вторичке витков поменьше…
Проверим в работе…

Осталось подобрать зазор и можно запускаться.
Для организации нужной индуктивности в этом трансформаторе оказалось достаточно проложить стандартный лист 80 гр/м² в один слой по центральному керну и с боков.

Ну что? Стартуем? Естественно первое включение через лампочку!

Нагрузка – на накал автомобильная лампа 12В 21+5Вт, на анод лампа от подсветки холодильника 220В 15Вт.

Старт прошел успешно, к сожалению ничего не взорвалось, напруга регулируется, частота тоже.

Ну на лампочку от холодильника любой дурак сможет работать, да и автолампа не нагрузка.
Давай- ка мы тебя подгрузим?

В качестве нагрузки я решил использовать «тяжелые» по накалу лампы, из найденных в запасах – 6Н13С. Ток накала на один баллон – 2.8-3А, почти как у четырех 6П3С. По аноду проблем нет, есть куча лампочек на 220В 40-60Вт.
То есть 100Вт нагрузки хватит в анод – даже с сильным запасом на «средний» домашний push-pull.
Пробую включить – запуск – и тут же останов!

Защита, ктоторая в даташите указана как OVP (Over-Voltage Protection) не дремлет и честно отрабатывает свою функцию!
Как я уже говорил, при работе в резонансном режиме, напряжение пропорционально увеличивается на всех обмотках трансформатора. Поэтому растет и самопитание контроллера.

А теперь надо подумать, как сделать так, чтоб БП тянул нужную мне нагрузку и при этом не падал в OVP.
Может все же намотать транс ближе к моим расчетам? То есть уменьшить число витков в первичке?
Отматываю от первички 6 витков. Откусываю хвост, понимая, что домотать его обратно не получится. Собираю.
Индуктивность уменьшилась, пришлось убрать прокладки с боковых частей магнитопровода.

Пробую через лампочку. Запустилось. Отключаю лампочку, включаю напрямую. Тишина! То есть даже запуска нет! Хотя питание контроллера – 15.4В – в норме для пуска… Ставлю назад лампу в цепь 220В – есть запуск!
Да что за ерунда?

На свой страх и риск, поставив минимальные нагрузки, пробую запустить при закороченной токовой защите.
Есть запуск! Странно…
С меньшим числом витков первички при резком росте питания видимо происходит выброс в цепи токовой, который «лочит» контроллер напрочь…
А через лампу происходит своего рода «софт старт» по высокой стороне, и если и есть какой выброс – то он не достаточен для срабатывания токовой.
Почему это происходит, я не выяснил, может разводка ПП как-то влияет…
Интересно, а прибор его не успевает засечь, как я не пытался…
Но факт есть факт – коротишь токовую – все работает.

А это не нормально!
Значит надо вернуть все назад и домотать тогда накальную обмотку, чтоб получить 6.3В под нужной нагрузкой, и не вылезти за OVP на самопитании.

Перематываю первичку – теперь там снова 36 витков. А на накал мотаю 2×1.5 Витка.
Так как для такого малого напряжения невозможно намотать целое число витков – приходится колхозить вывод средней точки на верх транса.

Запуск с новыми данными – все стартует – отлично!

Нагрузка – лампа 6Н13С и пара ламп — 220В 15Вт и 220В 60Вт.

Подтыкаю еще одну 6Н13С – и опа, снова OVP! …

Да. Для маленького РР усилителя все нормально. Суммарная нагрузка около 100Вт .Но мне же надо понять, где его предел? Когда же сработает токовая не от КЗ, а от нагрузки?
И так уже токоизмерительный резистор состоит из двух резисторов по 0.33 Ома…
Все же придется делать стабилизатор на питание контроллера…
И отказаться от OVP.
Для мощных решений.
Отключаемый стаб, если что. Как то так…

Ну, а пока вешаю сопли… Не люблю макетные платы, и навесной монтаж. Но перед изготовлением новой ПП надо все проверить!
В том числе и тепловой режим стаба. Я использую LM317. Этот стабилизатор легко конфигурить, он достаточно надежен.
Можно было бы повесить резистор и стабилитрон, но это на любителей рискнуть.
Особенно при таком диапазоне входных напряжений на стабилитроне.
Там 15.6 на старте, и на 23.5 отключается БП – значит бывает и будет явно выше!

Я почему думаю про OVP? В принцпие, это полезная фишка. В отличие от OLP (Overload Protection), которая отслеживает ток через силовые ключи, OVP позволяет отследить проблемы в ОС. Ведь если отключить обратную связь, то контроллер начнет снижать частоту, что вызовет рост напряжений на всех вторичках. Хорошо, если это «отловит» токовая? А если нет – первыми полягут электролиты и далее со всеми вытекающими…

Но сдругой стороны, в даташитной схеме стоит стабилизатор изначально и OVP нужна только для защиты контроллера от перенапряжения при питании от собственного транса.

В общем ваяю наколенный стаб на 17-18В и пробую!

И вот оно счастье то!:)
Нагрузка около 40W.

И далее нагрузка 2×6Н13С+ автолампа, 220В 60Вт+40Вт+15Вт.

Теперь при любой нагрузке размах импульсов одинаков, что видно на синей осциллограмме.
Обратите внимание на зависимость частоты от нагрузки – здесь это хорошо видно.

Ну и самое главное, наконец-то добился срабатывания токовой!
Дело в том, что на холодные лампы БП стартует, и через секунду валится в защиту.
Если отключить или лампу 40Вт из анодной или вынуть одну 6Н13С – старт нормальный. Потом, после прогрева накала ламп – можно подтыкать на ходу что угодно – уже не отключается.
Это видно на желтой линии при максимальной нагрузке – размах приближается к расчетным 0.6В для срабатывания токовой защиты.

Но это не беда. В токовую установлены сопротивления 2×0.33Ом, что соответствует току около 4А, при которых может сработать защита. Для современных полевиков это даже еще не рабочий ток, не говоря об аварийном. А «растолкать» холодную лампу не так просто – это самая большая проблема.

Да и в реальной схеме, даже если не использовать задержку подачи анодного, ток через лампу будет течь только после прогрева катодов, и поэтому на момент старта анодная обмотка будет работать только на емкость фильтра, и аварийной ситуации с перегрузкой просто не возникнет.

Ну, а захочется большего – ничего не мешает поставить резисторы меньшего сопротивления.
Но это если уж очень надо…

↑ Итак, окончательная схема:

Так как при внесении изменений в разводку, плата вынужденно увеличилась в ширину – то решил добавить еще и обмотку смещения с выпрямителем. Вдруг пригодится когда?
Запуск с новой платой прошел без эксцессов.

В общем все нормально.
Измерил пульсации под нагрузкой на анодном и накале.

Синий – анод. Желтый – накал.
Что удивило – в аноде стоит один кондер – пленка на 1 мкФ 630В – никаких элетролитов и пульсация всего 1В! Ну ничего, электронный дроссель это вылечит легко!

Единственное, что смущает – тепловой режим диодов выпрямителя накала. Я для этого поставил два сдвоенных STPS3045 в параллель. На 7А тока через 15 минут руку на радиаторе держать уже не комфортно.
Ну оно и понятно, напряжение и так маленькое, а еще и по 0.5В на диодах падает.
Для такого тока – более 3Вт на корпус получается. Выгоднее накал питать от 12В и лампы в послед, но это конечно извращение. Лучше уж, если совсем все плохо, радиатор поставить побольше.

Зато рвет шаблон силовая секция! Радиаторы не нагрелись. Совсем. Как будто БП не работает, а просто лежит на столе.
Даже радиатор стабилизатора на ощупь градусов 35, а эти холодные! Закрадывается мысль о целесообразности применения там радиаторов вообще. Вот что значит мягкое переключение!

Для финального теста я решил все таки приблизить условия к реальным насколько возможно.
Подал накал на 4×6П3С-Е и 2×6Н8С.
А также на коленке собрал электронный дроссель, его видно в правом нижнем углу, нагрузив его на лампы 60Вт и 15Вт в параллель.
Все равно после 20Вт у 6П3С начинает краснеть анод.

Погонял немного, пока под лампой 60Вт не начала тлеть бумага и не повалил дым.
Силовые ключи холодные, Шоттки в накале нагрелись, но уже не так сильно, но зато нагрев стабильный, примерно 60 градусов. Еще прямо на радиатор светила лампа, и это похоже немного исказило картину, но в общем и целом – задача выполнена.

↑ Итоги и выводы

Ну и в заключении немного впечатлений и выводов о работе БП.
Как я уже говорил, при работе резонансной цепи, напряжение меняется на всех обмотках. Это не смертельно, но нужно обращать внимание, например, на рабочее напряжение электролитов.

При запуске, пока нити холодные и ток через них сильно более паспортного, напряжение на анодной обмотке может быть выше процентов на 10-15 от номинала, и потом плавно, с прогревом нитей накала, уменьшается до нормы. Естественно, нужно будет применять плавную подачу анодного, это очевидно для такой организации питания.

Также очень четко работает защита от перегрузки. Иногда просто не понятно, отчего блок не стартует, но контроллер не дремлет и отключается еще до начала генерации.

Поэтому перегрузить его при нормально работающей защите не удастся никак.
Топология LLC resonance требует работы под нагрузкой – тогда эффективность максимальна.
Поэтому питать им лампы – как раз нормальное применение. Только долгий прогрев накала затягивает старт БП в нагруженном режиме, но это не беда, потом все нормализуется.

Класс А, работа на драйверы подсветки экранов, сверхъяркие диоды, любая другая активная и постоянная нагрузка – вот прямые области применения этой топологии.

Из недостатков – относительная сложность намотки трансформатора. Хотя что мешает самому сделать секционирование катушек?
Я не стал – заказал готовые. Не пробовал мотать одножильным проводом первичку – все же законы физики обмануть сложно, и, мне кажется, результат будет предсказуемо плохим.
Требуется измерение индуктивности трансформатора. Без этого никуда – на глаз никак не получится попасть в нужный диапазон.
Хотя может кто-то и попытается.

В остальном – мне очень понравилось — могу рекомендовать к повторению!

На радостях жду доставки FSFR2100 и FSFA2100, последняя, судя по даташиту, тоже интересна, но это уже ШИМ.

↑ PS

Когда статья уже была написана и выложена на портал, я задался рядом вопросов: «Ну и что? Что дальше то? На полку? Под разбор?“
И все же решился. Надо доделать до конца.
И если у нормальных людей выбирается лампа, схема на ней, а вокруг строится питание, трансформаторы, компоновка, то у меня все началось с другого конца. С питания.
Порылся в закромах, нашел пару трансов, перемотал остатками провода.

РР. Гу-17+ ЕСС88. Возможность работы в ультралинейном и пентодном режиме.
Выбор режима перемычками. Смещение — фикс, раз уж во второй версии добавил обмотку смещения.


Выбор ламп не случаен. Мне нужно было вписаться в «свой“ стандартный размер по ширине и глубине, чтоб влезло в стойку и не выпирало в высоту.
Из того, что было — 6Э5П, 6П1П и Гу-17. Последние помощнее — вот они и пошли в дело.
Заодно перемотал накал на 12,6В, так полегче диодам при плотной компоновке.
25Вт лампового звука на 5 Ом с резонансным питанием. В UL. В пентоде побольше.
Я думаю, мне хватит.

В динамиках тихо. Возбудов, а также артефактов с частотой преобразования не замечено.
Вот вам и вариант практического применения.
Схема аналогичная той, что опубликована в моей статье про усилитель на трансформаторах ТАН.
А самое главное — цель достигнута, процесс завершен успешно.

Ну, а пока все.

↑ Файлы

Схемы и платы здесь:
🎁 resonant2.zip  84.4 Kb ⇣ 318
Даташит на FAN7621 и руководство по расчету AN-4151 легко можно найти в сети или в первой части моей статьи.

С уважением, Алексей

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации