Regulowany zasilacz uniwersalny
RADIO Miesięcznik dla techników i amatorów, Rok IV, Maj - Grudzień 1949, Nr 12
Inż. J. Kroszczyński
W praktyce laboratoryjnej i amatorskiej w wielu wypadkach niezbędne jest posiadanie zasilacza, pozwalającego na regulację napięcia anodowego w dużych granicach, możliwie w ciągły sposób. Przyrząd tego rodzaju w znacznym stopniu ułatwia pracę przy eksperymentowaniu z nowymi układami, ponadto jest niezastąpiony, jeżeli trzeba na przykład zdjąć charakterystykę lampy. Większość amatorów używa jednak zwykłych prostowników nieregulowanych, odczuwając w całej pełni wszystkie braki tego rodzaju urządzeń. W poniższym artykule zostanie opisana prosta metoda regulacji napięcia stałego, dzięki której każdy normalny prostownik anodowy przekształcić można na zasilacz regulowany, nie zmieniając układu samego prostownika, a jedynie przez dobudowanie niewielu elementów.
Na wstępie pokrótce wymienię stosowane metody regulacji napięcia stałego. Najprostszym sposobem jest obniżenie napięcia przez włączenie oporu szereg zasilanym urządzeniem (Rys. 1).
Rys. 1
W ten sposób zwiększamy jednak opór wewnętrzny źródła o wielkości R, wskutek czego każda zmiana obciążenia powoduje znaczne wahania napięcia U; utrudnia to pracę, a nagły wzrost napięcia U może być nawet czasem niebezpieczny dla zasilanego aparatu (ze względu na przykład na możliwość przebicia kondensatorów elektrolitycznych). Powyższej niedogodności można uniknąć stosując regulację potencjometrem, którego opór jest kilkakrotnie mniejszy od oporu obciążenia R0 (Rys. 2). Inaczej mówiąc, prąd I0 i musi być mały w stosunku do całkowitego prądu I, dostarczonego przez prostownik, co przekreśla użyteczność tego systemu dla amatora, który z reguły rozporządza prostownikiem niezbyt wielkim. Należy jeszcze dodać że trudno jest odpowiednie potencjometry.
Rys. 2
Inną możliwością jest regulacja prostowanego napięcia zmiennego (Rys. 3 i 4). Wymaga to zastosowania transformatora z wieloma odczepami i przełącznika (Rys. 3), względnie tak zwanego "wariaka" (Rys. 4), to jest transformatora o zmiennej przekładni.
Rys. 3
Rys. 4
Wadą pierwszego systemu jest nieciągłość regulacji, natomiast drugi sposób jest powszechnie stosowany w zasilaczach laboratoryjnych. Obydwa systemy wymagają zastosowania specjalnych transformatorów. Stosunkowo najwygodniejszym dla amatorskiego wykonania składającym się z łatwo dostępnych elementów, a jednocześnie oznaczającym się łatwością regulowania i małym oporem wewnętrznym jest układ szkicowo przedstawiony na Rys. 5.
Rys. 5
Na pierwszy rzut oka wydaje się że jest to układ identyczny jak na Rys. 1, jedynie z zastosowaniem lampy elektronowej zamiast oporu zmiennego. W rzeczywistości układ z Rys. 5 przedstawia zasadnicze korzyści w stosunku do schematu 1, ze względu na swe własności stabilizacyjne. Jak widać z rysunku, jeżeli na przykład przez zmniejszenie oporu obciążenia R0 spadnie chwilowo napięcie U, to automatycznie zwiększy się napięcie siatki względem katody lampy, przez lampę popłynie większy prąd i napięcie na oporze obciążenia podniesie się do wartości zbliżonej do poprzedniej. Odwrotnie, jeżeli napięcie U chwilowo nagle wzrośnie, tym samym zmniejszy się napięcie siatki względem katody, co w rezultacie spowoduje zmalenie napięcia U prawie do poprzedniej wielkości.
Aby zorientować się co do wielkości tego działania stabilizacyjnego i innych własności układu należy przeprowadzić dokładniejszą analizę posługując się Rys. 6.
Rys. 6
Właściwy prostownik przedstawiony został jako siła elektromotoryczna U0 (napięcie biegu luzem) w szereg zastępczych oporem wewnętrznym prostownika r. Charakterystyka lampy regulacyjnej określona jest przez wpółczynnik wzmocnienia µ, nachylenie charakterystyki S i opór wewnętrzny ρ. Zakładając, że charakterystyka lampy jest prostoliniowa, mamy następującą znaną zależność:
Z rysunku 6 wynika bezpośrednio, że:
oraz:
gdzie k = U2/U1. Prąd pobierany przez potencjometr świadkowy pomijamy. Podstawiając (2)) i (3) w (1) otrzymamy zasadniczy wzór:
Jeżeli przekręcamy potencjometr regulacyjny to k zmienia się od 0 do 1. Jak widać ze wzoru (4), napięcie U zmienia się proporcjonalnie do k, przy czym teoretycznie
Jak widać w tym schemacie nie można zmniejszyć napięcia U do zera. W wykonanym praktycznie zasilaczu dodatkowo wprowadzono źródła napięcia ujemnego o wartości około U0/µ (patrz rysunek 7). Odpowiada to zmianie k nie od zera do jedności ale od -1/µ do 1, co umożliwia regulację napięcia U począwszy od zera jak widać ze wzoru 4. Ten dodatkowy prostownik został ponadto wykorzystany jako regulowane źródło ujemnych napięć siatkowych; ponieważ w obwodzie siatki w większości wypadków prąd nie płynie, można było zastosować zwykłą regulację potencjometrem. Jeżeli nie zależy na możliwości regulacji napięcia anodowego do zera, a raczej na prostocie układu, oczywiście najlepiej zastosować zwykły układ jak na Rys. 6.
Jeżeli chodzi o zachowanie się układu przy zmianie obciążenia to ze wzoru (4) uzyskać można wzór na zastępczy opór wewnętrzny całości układu:
Wyniku tego zapewnie spodziewali się ci spośród Czytelników, którzy znają działanie wtórnika katodowego. Praktycznie ze wzoru (5) wynika że przy zastosowaniu do regulacji AD1 (s = 4mA/V do 6mA/V) opór wewnętrzny regulatora wyniesie tylko około 200Ω, a w wyniku zastosowania lampy LV13 zaledwie około 34Ω. Rys. 8 przedstawia wyniki pomiarów laboratoryjnych regulatora z lampą LS50 w układzie triody gdzie:
Wskazówki praktyczne
Jako lampy regulacyjne nadają się typy o dużym prądzie emisyjnym, dużym nachyleniu charakterystyki oraz znacznej mocy admisyjnej. Ten ostatni warunek wynika jak łatwo zauważyć z faktu że moc tracona na anodzie lampy regulacyjnej wynosi Pa =(U0-U)I. Stąd niebezpieczeństwo zniszczenia lampy zachodzi przy małych napięciach U, o czym należy pamiętać przy używaniu zasilacza. Z dostępnych na rynku typów, doskonale nadają się lampy AD1, LV13, RL12P35, względnie LS50, którą zastosowano w modelu; oczywiście pentody należy stosować w układzie triodowym zawierając siatkę drugą z anodą. Katoda lampy regulacyjnej znajduje się na wysokim potencjale wskutek, czego należy przewidzieć specjalne uzwojenie żarzenia na transformatorze.
Jeżeli chodzi o inne elementy, to pewne trudności sprawia potencjometr P1, który zasadniczo powinien mieć wartość około 50kΩ. Jeżeli U0 wynosi 500 V i więcej, potencjometr ten musi wytrzymywać obciążenie rzędu kilku watów. W razie braku takiego potencjometra ostatecznie zastosować można zwykły potencjometr 1MΩ o dobrej izolacji. Zastosowanie tak dużego oporu w siatce lampy regulacyjnej ma jednak swoje wady i daje się we znaki szczególnie w zakresie wysokich napięć i dużych prądów pogarszając stabilizację wskutek ograniczającego działania prądu siatkowego.
Rys. 7
Rys. 8
Układ dodatkowego prostownika dostarczającego napięć ujemnych jest zupełnie konwencjonalne; należy jedynie pamiętać o biegunowości w wypadku zastosowania kondensatorów elektronicznych. Jeżeli zostaną użyte elektrolity w metalowej obudowie, muszą one być umocowane na płytce z materiału izolacyjnego, ponieważ plus jest uziemiony. Zamiast selenu można oczywiście zastosować lampę prostowniczą; ze względu na małe prąd pobierany w tym obwodzie, można zastosować jakąś starą lampę o częściowo wyczerpanej emisji. Napięcie na uzwojeniu transformatora dla prostownika dostarczającego napięć ujemnych powinno wynosić 200-300V∼. Opór R6 należy dobrać stosownie do użytej lampy regulacyjnej tak aby napięcie na C5 było nieco większe niż U0/µ; w modelu napięcie to wynosiło około 140V. Ponieważ na ogół nie zachodzi potrzeba pobierania na zewnątrz większych napięć siatkowych niż -50V, zastosowano opór redukcyjny R7 w szereg z potencjometrem P2; tym sposobem uzyskuje się lepszą regulację w zakresie małych ujemnych napięć siatkowych.
Reszta układu nie wymaga bliższego wyjaśnienia, podam jedynie wartości zastosowane w modelu, przy czym wielkości nie są w żadnym wypadku krytyczne:
- Transformatory:
- 220/4V, 2x500V
- 220/12V, 250V, 4V, 6.3V, 12.6V
- Kondensatory: C1, C2, C3 8µF 750V, C4, C5 16µF 350V elektrolityczne, C6 100µF 70V elektrolityczne
- Opory: R1 25k 25W, R2 20kΩ 0,5W, R3 50kΩ 5W, R4 i R5 w zależności od miernika, R7 10kΩ 2W
- P1 1MΩ
- P2 5kΩ drutowy
- Lampy AZ4, LS50
- Dławik 17H przy 150mA.
Dla projektowanego wyżej opisanego rodzaju zasilacza oczywiście zasadniczą kwestią jest sprawa posiadanego przez amatora sprzętu, względnie możliwości jego zdobycia; do większości prac amatorskich zupełnie wystarczający jest zasilacz mniejszy, regulowany od zera do 300V, przy zastosowaniu lamp AZ1 i AD1. Przypuszczam, że podane wyżej wskazówki powinny wystarczyć każdemu amatorowi do skonstruowania z posiadanych części regulowanego zasilacza anodowego.
