Накал лампы РА импульсным БП

... тонкости такого решения.

Постановка задачи

Как показано в статье "Долговечность ламп в HAM PA" накал мощных ламп следует питать от источника стабильного напряжения, снижаемого на 10% ... 15% в режиме обхода РА.

Но в той статье об этом было упомянуто без технических подробностей реализации. Здесь же мы их рассмотрим.

 

Накал: задачи и проблемы

От устройства накала мощной лампы РА требуются три функции:

  1. Стабильность выходного напряжения не хуже +1%. Выход за эти границы существенно снижает срок службы лампы. Не говоря же о том, что понижение напряжения накала сильно (~ кубу изменения напряжения) снижает мощность РА.

  2. Пониженное на 10% ... 15% напряжение (и тоже стабильное) в режиме обхода.

  3. Мягкое включение, предотвращающее аномально большой бросок тока на холодной нити накала. Толстая нить накала мощной лампы не сгорит и без ограничения пускового тока. Но из-за возникающих при резком нагревании механических напряжений отслаиваются частички эмиссионного слоя катода. Что снижает мощность и долговечность лампы.

Решение первой задачи однозначно требует импульсного БП. Линейный стабилизатор при многих десятках ватт, требуемых для накала мощной лампы, и просадках сетевого напряжения более, чем на 10% (а такое, увы, бывает, например когда сеть слабая, а на передачу включился мощный РА) будет очень большим, тяжелым и горячим (т.е. с весьма печальным КПД).

Бояться помех приему от импульсного БП накала в наше время неразумно. Вы же лог пишете не руками? Да и статью эту читаете не на бумаге. Следовательно, компьютер с импульсным блоком питания у вас есть. А если это не laptop, то есть еще один импульсный БП, питающий монитор. Да и трансивер вряд ли питается от линейного источника (хотя такое и встречается, но всё реже). И все современные источники света (каждая лампочка) имеют встроенный импульсный драйвер.

Так что добавка еще одного импульсного БП к нескольким, уже имеющимся вокруг вас, ничего заметного в помеховой обстановке не ухудшит. Конечно, имеется в виду, что импульсный БП накала должен иметь правильную схемотехнику и фильтры и по возможности не быть очень дешевым noname от неизвестного производителя (поговорка про платящего дважды скупого не на пустом месте возникла).

Опасения по поводу питания накала постоянным током беспочвенны для ламп косвенного накала. Катод такой лампы это сковородка, подогреваемая снизу плитой (накалом). И сковородке безразлично чем питается плита. Важны лишь температура и количество передаваемого тепла.

Для ламп прямого накала (где нить накала и катод это одно и то же), питание постоянным током приводит к неравномерной эмиссии с разных половинок катода. А это в перспективе снизит срок службы лампы. Решается эта проблема с помощью автомата, который иногда (раз в несколько часов\дней) измененяет полярность постоянного напряжения накала. Разумно это делать при включении РА в сеть (например, обычный лоигческий триггер без цепей сброса по включению питания оказывается в случайном состоянии, что нам тут и надо).

Импульсных БП, готовых для решения второй и третьй задачи нет. Поэтому придется приложить руки. Этим мы и займёмся ниже.

 

Импульсный БП для накала лампы

Выберем блоки питания фирмы Mean Well. Не реклама, но БП этой фирмы хотя и несколько дороже noname аналогов, но имеют пристойное качество, правильную фильтрацию и множество защит (включая от появления на выходе повышенного напряжения).

Они имеют регулировку выходного напряжения +15% подстроечным резистором, который находится справа от выходных клемм. Подключив БП к своей лампе в РА, хорошим калиброванным тестером измерьте напряжение накала прямо на штырьках лампы (при токах в несколько ампер падение напряжения на соединительных проводах ощутимо) и подстрочным резистором БП установите точное номинальное напряжение накала лампы.

Чтобы снизить напряжение накала в режиме обхода, найдите в своем БП фрагмент схемы, подобной, приведенному на рис. 1, где R3 это подстроечный резистор установки выходного напряжения.


Рис. 1.

И доработайте его примерно так, как показано на рис. 2 (доработки показаны красным).


Рис. 2.

Подбором R4 установите желаемое пониженное выходное напряжение в режиме обхода. Ключ на VT1 (любой ключевой с малым сопротивлением в открытом состоянии) включает полное напряжение накала при переводе РА в рабочий режим.

 

Перейдем к ограничению броска тока при включении. Чтобы понять куда двигаться, рассмотрим способы защиты ИБП от перегрузки по току (overload). Названия способов даны так, как в мануалах, чтобы было проще искать:

  1. Foldback. Ограничение тока короткого замыкания (обычно на уровне 20% от максимального) и восстановление напряжения при снятии КЗ. Для нашей задачи подходит мало, т.к. небольшим током катод не разогреется.

  2. Constant current limiting. Переход в режим oграничения тока на уровне 120%...140% от максимального. Выглядит заманчиво. Но есть два но. Во-первых такие БП существенно дороже, чем с другими защитами. Во-вторых, ограничение тока перегрузки на уровне 120%...140% означает, что в номинальном режиме БП должен отдавать почти всю свою номинальную мощность. Т.е. не иметь запаса по мощности. А это плохо в смысле надежности внутри горячего РА. Т.е. нежелательно для наших целей.

  3. Over power limiting. Поддержание при перегрузке мощности на уровне 120%...140% от максимальной. Вариант предыдущей защиты. С тем же самым выводом.

  4. Shut off. Триггерное отключение при перегрузке. После перегрузки требует последующего ручного запуска. Нам совсем не подходит.

  5. Hiccup current limiting. Импульсное ограничение. При перегрузке коротко (~0,15 с) включается и измеряет ток нагрузки. Если последний больше предельного (этот ток в таком режиме ограничен на уровне 120%...140% от максимального), то БП выключается на ~1,5 с. Затем цикл повторяется до тех пор, пока нагрузка не станет нормальной. Может нам подойти (см. ниже).

Из всего перечисленного для мягкого старта накала нам могут подойти блоки с Constant current limiting (у Mean Well это серия HRP) и с Hiccup current limitin у Mean Well серия LRS).

Для испытаний использвались БП HRP-100-12 и LRS-150-12. Нагреваемая лампа ГУ43Б с номинальным током накала 6 А.

HRP-100-12 давал стартовый ток 11 А, который за ~ 4 с падал до номинального. В установившемся режиме накала этот блок разогревался до +45С (в услових комнатной температуры, БП вне РА, выдержка времени полчаса), что мне показалось чрезмерным (внутри РА температура будет отнюдь не комнатная и нагрев БП там будет больше).

Включение LRS-150-12 показано на рис. 3 (ток накала от времени):


Рис. 3.

Первый импульс тока достигал 17 А, что на первый взгляд выглядит чрезмерным. Но если учесть скважность 10, то средний ток получается меньше 2 А. Т.е. средняя допустимая мощность в нити накала не только превышается, но и значительно меньше номинальной. Это видно и по времени выхода на режим. Оно составило 12 с (против 4 с для постоянного тока HRP-100-12). Т.е. средняя мощность в нити накала не превышается. Поэтому почти нет термических ударов по эмиссионному слою подогревного катода, т.к от короткого (0,15 с) удара большим током массивный катод не успеет перегреться.

В установившемся режиме накала (те же условия, что и для предыдущего блока) температура корпуса LRS-150-12 составила 36С (мне это кажется терпимым).

 

На мой взгляд, если нет дополнительных внешних цепей ограничения броска тока, то для накала разумнее использовать LRS-150-12. Т.к. он по сравнению с менее мощным HRP-100-12 и дешевле (почти вдвое), и легче, и меньше греется в рабочем режиме (т.к. имеет запас по мощности: 150 W против 100 W), и менее резко поднимает температуру катода при старте (на это указывает большее время выхода на режим).

 

Если же найти БП с Hiccup current limiting не получается (или у вас всё же вызывают опасения первые короткие удары большим током по накалу), то можно применить классическую защиту: мощный резистор, включенный в цепь накала, закорачиваетмый реле внешним таймером. Пример схемы таймера показан на рис. 4.


Рис. 4.

Резистор R2 это три резистора 5,1 Ом / 10 Вт в параллель. Для своей лампы выберите номинал резистора таким, чтобы при замыкании БП только этим резистором ток бы не превышал полутора значений рабочего тока накала. Реле, любое с током контактов > 10 А (или больше, смотря по тому какой у на вашей лампе получится ток) и срабатывающее от 12 В.

Зависимость ток накала от времени со схемой рис. 4 показана на рис. 5.


Рис. 5.

Время входа на режим тут самое большое (~20 c), зато ток нигде не превышает 8 А, т.е. 1,3 номинального.


20.01.2022

На главную - Main page