Нестабильное напряжение электросети как проблема любителя лампового звука

Так уж исторически сложилось, что многоквартирный дом, в котором я живу, с двумя лифтами, кучей электрических лампочек и прочих электроприборов, второй десяток лет запитан по временной схеме электроснабжения с использованием кабеля длиной более 200 метров. В связи с этим, вечерами, когда жители дома отдыхают и принимают гостей, в моменты включения нагрузок, например лифта, напряжение в сети весьма заметно проваливается.
В звуке моего лампового однотактного усилителя это проявляется как кратковременное (несколько секунд) появление фона переменного тока. Применённый мной электронный фильтр питания, так же называемый «электронным дросселем» в этом случае не спасает.
Считаю, будет полезно разобраться в том, что происходит и что же делать.

↑ Суть проблемы

Начать следует с анализа схемы электронного фильтра и процессов, которые происходят в этой схеме при изменении напряжения питающей сети.
Типичная схема электронного фильтра и имитатора сети приведена на рис. 1 .

Кратко о работе схемы:
— Элементы R4 и C2 определяют скорость нарастания выходного напряжения и, с указанными на схеме значениями, время нарастания составляет Т=23 сек;
— Резисторы R2 и R3 образуют делитель напряжения, задающий рабочую точку транзистора VT1. Выбор этой рабочей точки осуществляется из условия, что мгновенное напряжение на стоке транзистора VT1 ни при каких значениях напряжения питающей сети не должно быть меньше, чем значение напряжения на затворе транзистора VT1.
А так как в установившемся режиме работы схемы ток, протекающий через резисторы R4 и R5 ничтожно мал и, практически, определяется только током утечки конденсатора C2, то напряжение на затворе равно напряжению в точке соединения R2 и R3.

Почему так? Да потому что при напряжении на стоке меньше чем напряжении на затворе на величину напряжения насыщения полевого транзистора этот транзистор переходит в состояние насыщенного ключа и перестает выполнять функцию истокового повторителя. Напряжение на нагрузке становится равным входному напряжению фильтра. Фильтр исчезает, как будто его и не было, до тех пор, пока или не повысится входное напряжение или пока не разрядится конденсатор C2 через резистор R4 за время Т=23 сек.

↑ Исследование электросети

Решил я собрать приборчик — регистратор сетевого напряжения, чтобы посмотреть, что же творится в моей питающей сети 220 В.
Чтобы поменьше возиться, решил реализовать задумку на модулях ARDUINO. Приобрел ARDUINO UNO как вычислительный контроллер и модуль регистрации и хранения данных с часами реального времени Data Logging shield. Пришлось разработать и изготовить первичный преобразователь, т. к. покупных модулей, выполняющих эту функцию, даже не искал.

Алгоритм работы примерно следующий: слежу за сетевым напряжением, интегрируя каждую отрицательную полуволну. При переходе через НОЛЬ от минуса к плюсу, компаратор ФАЗЫ вырабатывает прерывание для контроллера, который запускает АЦП на измерение. После готовности АЦП интегратор сбрасывается в НОЛЬ до нового цикла интегрирования. В зависимости от выбранного режима работы приборчик делает усреднение измерений или за 1 секунду (т.е. каждые 50 измерений) или за 1 минуту (т.е. каждые 3000 измерений). Попутно за цикл измерений вычисляется МИНИМАЛЬНОЕ значение сетевого напряжения и МАКСИМАЛЬНОЕ значение сетевого напряжения.

Результаты измерения Среднее, Минимальное и Максимальное записывается в память SD-карты. После окончания измерения данные с SD-карты можно прочитать на компе и как-то их обработать. При этом одновременно фиксируется время начала регистрации и время окончания регистрации.

При апробации понял, что проводить регистрацию сетевого напряжения с записью результата один раз в секунду бесперспективно, т. к. обработать колоссальный объем полученных данных вручную нереально! Более-менее удобоваримо работать с данными поминутной регистрации. Результат такого опыта я привожу в экселевском файле.

Получилась довольно любопытная картина. Запустил запись дома примерно на 2 суток вечером с пятницы на субботу и выключил в воскресенье вечером. По графикам видно, что наименее подвержены колебаниям сетевого напряжения ночные периоды, но, в моем случае, в это время наблюдается завышенное сетевое напряжение. Когда начинается активное потребление, напряжение падает, но не ниже 220 В, а Колебания с Отклонениями растут. У меня в доме!

Я тарировал мой регистратор несколькими промышленными вольтметрами, показания расходились в пределах 1-2 Вольт.

А на работе наблюдалась обратная картина: в обеденный перерыв, когда потребление снижалось, сетевое напряжение даже слегка падало и в любом случае честно находилось в диапазоне 220-230 В.

↑ Выводы

Однако «регистратор сетевого напряжения», это только средство, используя которое и, анализируя результаты регистрации, я сделал некоторые заключения.

1) Не факт, что у всех в сети завышенное напряжение. В моем случае бывает и за 240В. Вполне вероятно, что среднее напряжение может быть и намного ниже нормального значения 220 В, где–то в районе 190 В.

2) Размах напряжения от пика до пика, т. е. от Максимального до Минимального за период (поминутной) регистрации, достигает 14 В. Значит надо иметь запас падения напряжения на полевом транзисторе «электронного дросселя» не менее 20 В (при выпрямленном выходном анодном напряжении порядка 310 В).
Практически это означает, что при большой постоянной времени в цепи затвора полевого регулирующего транзистора, т. е. «постоянного» напряжения, снижение напряжения сети на 14 В (а, с учетом коэффициента трансформации на анодное напряжение, может быть и больше) транзистор «превращается» в насыщенный ключ и все пульсации сетевого напряжения без ослабления проходят на выход «электронного дросселя». Соответственно и наблюдается фон переменного тока в колонках при работе с использованием в цепи анодного питания «электронного дросселя» в усилителе класса «А».

3) Усилитель с «электронным дросселем» скорее всего будет привязан к месту использования с учетом особенности местной сети (большее или меньшее среднее напряжение).

4) Классическая трансформаторная схема питания при таком качестве бытовой электросети в России бесперспективна.

Нет нужды подробно разъяснять, что при использовании сетевого трансформатора, например, для анодного питания, анодное напряжение также будет меняться в диапазоне ± 20%, справедливости ради при использовании полупроводниковых диодов в выпрямителе, при использовании кенотронов отклонение выходного напряжения будет несколько меньше. И всё равно, мы тщательно выставляем режимы работы ламп при, например, 300В анодного питания, а в процессе работы оно может быть 270В или 330В, и даже кратковременно 240В или 360В. Понятно, что лампы будут работать в режимах, про которые мы и не мыслили!

↑ Мысли об использовании электронного дросселя

Какие выводы из этого можно сделать применительно к «электронному дросселю»?
1) «Электронный дроссель» не может поддерживать выходное напряжение на определенном уровне, он повторяет, со своей постоянной времени, входное напряжение.
2) Для «электронного дросселя» отклонение напряжения от номинального не имеет существенного значения т. к. медленное изменение сетевого напряжения не приводит к ситуации, когда транзистор фильтра уходит в насыщение. При этом на транзисторе выделяется постоянная мощность, не зависящая от питающего напряжения.
3) «Электронный дроссель» хорошо справляется с ситуацией, когда происходит колебание напряжения сети в сторону повышения.
4) Делитель напряжения «электронного дросселя» должен иметь коэффициент передачи не более 0,9 плюс падение напряжения затвор-исток (от 2 до 5 Вольт) для нормальной работы транзистора в режиме истокового повторителя.

Как следствие, на мой взгляд, использование «электронного дросселя» в схемах с низким напряжением порядка 30 В энергетически не выгодно, т. к. учет того самого падения напряжения затвор-исток (до 5 В) приводит к тому, что на транзисторе необходимо обеспечить достаточно большое падение напряжения до 30% от напряжения питания схемы, и, при больших рабочих токах, без хорошего теплоотвода не обойтись. В итоге простота схемного решения (3 резистора, конденсатор и транзистор) нивелируется и замена его на стабилизатор напряжения (м.б. даже с возможностью регулировки) кажется оправданным шагом.

↑ Стабилизатор анодного напряжения

При сборке и запуске моего проекта гибридного драйвера, как я и писал, усилитель всё-таки пришлось собирать. При этом я столкнулся с проблемой периодического появления 100 Гц фона на несколько секунд.
Посоображал, провел моделирование происходящих процессов и пришел к выводу, что надо застабилизировать напряжение на затворе полевого транзистора. При этом я не отказался от идеи электронного фильтра (он вдобавок отлично решает функцию задержки подачи анодного питания)!
Еще одним стимулом было то, что появляется возможность регулировать анодное напряжение, что в моих условиях долгого отсутствия практики «лампостроения» весьма полезно.

В итоге родилась сначала модель схемы стабилизатора анодного напряжения, показанная на рисунке.

А потом появилась и рабочая схема, которая отличается от модели тем, что резистор R8 подстроечный, а также я еще ввел в схему каскад регулируемого питания экранных сеток выходных ламп (пентодов или тетродов).

↑ Принципиальная схема регулируемого стабилизатора анодного напряжения

Вот что получилось практически.
Принципиальная схема регулируемого стабилизатора анодного напряжения приведена на рисунке.

Схема содержит следующие функциональные узлы:
 — выпрямитель с емкостным фильтром: диодный мост DVD1, электролитические конденсаторы С1, С2, резисторы R1, R2 для разряда конденсаторов фильтра, резистор R3 и конденсатор С3, образующий дополнительный фильтр;
 — регулируемый высоковольтный стабилизатор параллельного (шунтового) типа выполненный с использованием микросхемы DA1 (TL431), подключенного в цепь эмиттера транзистора VT1, база которого подключена к источнику опорного напряжения +30В, выполненного на элементах R4,C4,VD1. Каскодное включение транзистора VT1 позволяет просто перейти в область высоких напряжений. Нагрузкой транзистора VT1 служит резистор R5. Цепь обратной связи выполнена на резисторах R6…R8 и позволяет при помощи резистора R8 регулировать напряжение на коллекторе транзистора VT1 в диапазоне от 200В до 350В. Конденсатор С5 обеспечивает частотную коррекцию для устойчивой работы каскада;
 — «электронный фильтр» анодного напряжения выполнен по известной схеме на элементах R9, R10, C6, C7, VT2, VD2. Постоянная времени нарастания выходного напряжения определяется Т=R9*C6 и для данной схемы составляет Т=7с;
 — регулируемый каскад питания экранных сеток выполнен на элементах R11, R12, C8, VT3. При выбранных номиналах резисторов R11 и R12 обеспечивает регулировку напряжения в пределах от Ua (при верхнем положении движка подстроечного резистора R11) до 2/3Ua (при нижнем положении движка резистора R11).

Особенностью схемы является то, что можно выпрямитель использовать в мостовом включении, при этом входное напряжение подается на контакты 1 и 3 соединителя XS1 или по схеме удвоения напряжения, входное напряжение подается на контакт 1(или 3) и контакт 2 соединителя.

↑ BOM — список деталей

Перечень используемых деталей приведен в таблице на рис. 4.

↑ Лирическое отступление о конструкции

Уважаемый Игорь (Datagor), после того как я послал на его суд первый вариант данной статьи, справедливо заметил, мол вот ты критикуешь «электронный фильтр» и утверждаешь, что у тебя есть решение, так давай его на портал с рабочей схемой и реальной конструкцией.
А я бы и рад был это сделать, так как для своего гибридного усилителя разработал печатную плату, подобрал детали, изготовил модуль стабилизатора анодного напряжения и установил его в усилитель. Однако…


Однако конструкция показалась мне неудачной по следующей причине: используемый теплоотвод явно не справляется с 6 Вт выделяемой силовым транзистором мощности. Что делать? Пришлось разработать и изготовить прибор с названием «Тестер теплоотводов», описание конструкции которого выложил на Датагоре. А потом и упрощенный вариант тестера. Тут, как говорил Василий Иванович в известном анекдоте, масть и пошла! Испытал несколько теплоотводов и остановился на самом простом теплоотводе от процессора.
Испытания показали, что без вентилятора при температуре воздуха +27°С и температуре корпуса теплоотвода +60°С, на нем рассеивается 10 Вт тепла. Наверное, в зависимости от конкретной формы (геометрии) подобные теплоотводы могут рассеивать несколько большую или меньшую мощность, но меня устроил и этот.

↑ Печатная плата стабилизатора

Так как схемотехнику я уже отработал на, скажем так, макетном образце, то здесь привожу чертеж печатной платы стабилизатора анодного напряжения, в опережение, не собрав живой образец. Надеюсь, что проблем не будет. После изготовления обязательно отпишусь о результатах!
Есть один момент, который надо пояснить. Это установка силовых транзисторов на теплоотвод. На теплоотводе размечаем отверстия под транзисторы и стойки крепления теплоотвода к плате. Я использую четыре стойки высотой 5 мм латунные типа, как пишут китайцы, «мама-папа».
Использую транзисторы в неизолированном корпусе ТО-220. Следовательно, ставлю на теплоотвод через теплопроводные изолирующие прокладки КПТД-2 (Номакон) с использованием изолирующих втулок, шайб и винтов на М3. При этом винты, крепящие транзисторы, сильно не затягиваем, формуем ноги транзисторов под отверстия в печатной плате, теплоотвод устанавливаем на плату (в последнюю очередь после монтажа более мелких деталей) совмещаем выводы транзисторов с отверстиями для них, крепим теплоотвод, запаиваем транзисторы и через отверстия в печатной плате диаметром примерно 8-10 мм (обозначены на плате тонкими линиями слоя Ф2) окончательно затягиваем крепежные винты.

Вид печатной платы приведен на рисунке. Плата разведена под шаг 5 мм.


Можно заметить, что на плате предусмотрена установка конденсаторов С9 и С10, шунтирующих диоды выпрямительного моста, которые отсутствуют в перечне элементов. Про них могу сказать, что кто-то их ставит, а кто-то нет, и ставят разных номиналов и напряжений. Оставляю выбор за пользователем, ну, а дорожки и дырочки предусмотрел.

Кстати теплоотвод мне попался высотой 40 мм, и я сам для себя решил, что используемые детали (электролитические конденсаторы) будут не выше. Поэтому в перечне элементов в примечании я указал их фактические размеры — конденсаторы уже куплены.

↑ Файлы

🎁Лог исследования электросети и гафики в Excel  219.33 Kb ⇣ 28
🎁Схема и плата стабилизатора в .lay  51.24 Kb ⇣ 101

На текущий момент мне добавить нечего.
Спасибо за внимание.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации