Глава 13

СЕТЕВОЕ ПИТАНИЕ РАДИОАППАРАТУРЫ

Требования к питающему устройству

При наличии сети переменного тока удобно электропитание радиоустройств осуществлять от сети.

Однако только накал подогревных ламп и некоторые вспомогательные цепи (электродвигатели, освещение шкал и т. п.) могут питаться переменным током, да и то обычно после его трансформирования.. Питание анодных и сеточных цепей электронных ламп и всех цепей ..транзисторов может производиться только хорошо сглаженным постоянным током.

Подавляющее большинство радиоустройств в настоящее время питается от сетей переменного тока. Для этого приходится нужные переменные напряжения получать при помощи трансформаторов, а превращать переменный ток в постоянный по направлению и сглаживать его при помощи выпрямителя и сглаживающего фильтра.

Для аппаратуры, питающейся от сети, узел питания часто бывает самой дорогой и тяжелой частью схемы. Поэтому для радиолюбителя особенно важно уметь правильно выбрать детали силового устройства, чтобы аппарат хорошо работал и -не был слишком тяжелым и дорогим.

Схемы выпрямления

Практически применяется множество различных схем выпрямления. Мы рассмотрим только те из них, которые используются в маломощных аппаратах с однофазным (т. е. по д-вум проводам) питанием от сети и наиболее часто применяются радиолюбителями.

Однополупериодная схема, показанная на рис. 163, состоит из силового трансформатора, вентиля - кенотрона и сопротивления нагрузки. Источник переменного тока дает напряжение, графически показанное на рис. 164, а, но ток в цепи выпрямителя

о о

протекает только в ту половину периода, когда на аноде кенотрона положительное напряжение, так как лишь при такой полярности вентиль пропускает ток. Когда полярность напряжения переменится, вентиль запрется и по сопротивлению нагрузки ток протекать не будет (рис. 164,6).

Следовательно, однополупе-риодная схема позволяет использовать только половину полупериодов переменного тока, и пульсации выпрямленного тока получаются большими, а это значит, что для сглаживания выпрямленного тока понадобится большой (и поэтому* дорогой) фильтр. Применять однополупериодные схемы выпрямления оказывается выгодно в тех случаях, кОгда от выпрямителя берется очень малый ток (например, для питания анодов электронно-лучевых трубок) или общая мощность выпрямителя не превышает 10-25 вт..

Рис. 163. Схема однополупериодного кенотронного выпрямителя

дДС даваемая, . обмоткой трансформатора

Ток через нагр1/зку

Рис. 164. Графическое изображение работы однополупериодного выпрямителя

Вентилями в однополупериодной схеме могут быть плоскостные германиевые диоды Д7 или ДГ-Ц21-ДГ-Ц27, селеновые столбики или кенотроны с параллельным включением анодов у двуханодных кенотронов. Германиевые диоды имеют самое маленькое внутреннее сопротивление из перечисленных вентилей, и поэтому при их применении получается большее выпрямленное напряжение.

Силовой трансформатор кенотронного выпрямителя должен иметь обмотку для накала катода кенотрона. Если подогревный кенотрон специально приспособлен для питания от общей обмотки накала, т. е. имеет улучшенную изоляцию между катодом и нитью накала, то эту нить можно питать вместе с нитями накала других л^мп. На рис. 165 показаны два способа включения кенотрона по однополупериодной схеме. Стрелками на схемах показано прохоЖ дение тока; электроны движутся в обратном направлении. Во

Всех схемах выпрямителя с кенотронами плюс выпрямленного напрй-жения всегда получается на катоде,а минус - на аноде кенотрона.

о Накал ламп

Е

Накал дамп

Г

Рис. 165. Два способа включения кенотрона в однополупериодном

выпрямителе

Двухполупериодную схему выпрямления можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных схем (рис. 166).

Совместим две схемы однополупериодных выпрямителей так, чтобы их сопротивления нагрузки соединились параллельно, а токи от обоих выпрямителей во вновь образовавшейся нагрузке текли в одном направлении. Как видно из рис. 166, схема двух-полупериодного выпрямителя должна иметь два вентиля, но их катоды могут соединяться между собой.

Повышающая обмотка силового трансформатора для схемы двухполупериодного выпрямления имеет вдвое -больше витков, чем обмотка для однополупериодной схемы (а следовательно, на ней и вдвое больше напряжение), и имеет отвод от половины витков - средней точки.

о

Рис. 166. Составление двухполупериодной схемы выпрямителя из двух однополупериодных

Рассмотрим процесс выпрямления в двухполупериодной схеме. На рис. 167 показана двухполупериодная схема кенотронного выпрямителя, собранная надвуханодном кенотроне. Для упрощения на схеме не показаны обмотки накала кенотрона и других ламп. На первой схеме показан момент времени, когда на верхнем аноде кенотрона действует положительное напряжение. В это время работает верхнее плечо выпрямителя, и ток в нагрузке это тот же ток, который протекает в верхней половине обмотки трансформа-

тора. Напряжение на нижнем плече трансформатора в этот полупериод отрицательное, и нижняя половина кенотрона ток не проводит. В следующий полупериод (нижняя схема рис. 167) напряжение на повыщающей обмотке изменяет свой знак, и теперь положительное напряжение действует на нижний анод кенотрона, ток проходит через нижнюю половину обмотки, но на нагрузочном сопротивлении он проходит в том же натравлении, что и в первый полупериод.

z£X

Рис. 167. Два такта работы двухполупериодного выпрямителя на активное сопротивление

На графиках показана временная зависимость напряжения на каждой половине обмотки, токов в каждом плече и тока в нагрузке. Ток в каждой половине обмотки соответствует току в обмотке при однополупериодной схеме выпрямления, но в нагрузке ток проходит непрерывно и только в отдельные моменты становится равным нулю. Сгладить ток такой формы до постоянного значительно проще, чем ток, получающийся после однополупериодного выпрямления.

Работа схемы и графики не изменятся, если вместо двуханод-НОГО кенотрона поставить другие подходящие по своим данным вентили: селеновые столбики или плоскостные германиевые диоды.

Двухполупериодная схема, хотя и дает лучшее качество выпрямления по сравнению с однополупериодной, требует обязатель-

ного применения силового трансформатора со средней точкой повышающей обмотки и двух вентилей или двойного кенотрона. Это является недостатком такой схемы.

При применении полупроводниковых вентилей можно собрать мостиковую схему р^ jes. Мостиковая схе-выпрямленгия, которая, обеспечивая двух- а выпрямителя полупериодное выпрямление, не требует применения сложного трансформатора.

Мостиковая схема выпрямителя, показанная на рис. 168, состоит из соединенных мостиком вентилей. В одну из диагоналей мостика включается переменное напряжение, а в другую - сопротивле1ТЙе нагрузки. Порядок включения вентилей следует запомнить, так как при любой ошибке в.составлении мостика вентиль неизбежно будет испорчен, К обмотке трансформатора вентили подключаются попарно разными полюсами, а оставшиеся свободными выводы вентилей соединяются между собой одинаковыми полюсами, причем, как и в схемах с кенотронами, на катодных выводах вентилей получается плюс выпрямленного напряжения.

Чтобы пояснить правило включения вентилей, приведем две монтажные схемы мостиков из диодов ДГ-Ц21 (рис. 169).

+0

Рис. 169. Монтажные схемы мостиков из диодов ДГ-Ц21

Рассмотрим токопрохождение в схеме мостикового выпрямителя, показанное для двух полупериодов на рис. 170. Как видно из рисунка, в каждый полупериод ток проходит последовательно через два вентиля (направление указано стрелками), а два других вентиля в это время находятся под обратным напряжением.

Рис. 170. Два такта работы мостиковой схемы выпрямления

13 Ю, в. Костыков, Л. Н. Ермолаев

Графическое изображение напряжения и токОв в мостиковой схеме точно такое же, как и для двухполупериодного выпрямителя.

Требования к фильтру после мостиковой схемы аналогичны требованиям к фильтру после двухполупериодной схемы. Но напряжение на повышающей обмотке трансформатора вдвое меньше, чем в двухполупериодной схеме. Схема часто применяется без трансформатора для выпрямления напряжения сети переменного тока. Недостаток мостиковой схемы - необходимость применения четырех вентилей, что практически ограничивает ее применение только с полупроводниковыми вентилями.

Сравнительно реже, чем описанные выше схемы, в любительской практике применяются схемы выпрямителей с умножением напряжения (с удвоением, учетверением и т. д.).

Схема выпрямителя с удвоением напряжения позволяет получить от сети без трансформатора выпрямленное напряжение, почти вдвое превышающее напряжение сети. С трансформатором, рассчитанным на двухполупериодную схему выпрямления, от схемы с удвоением напряжения можно получить в четыре раза более высокое напряжение, чем от двухполупериодной схемы. Понятно, что речь идет только о повышении напряжения, но не мощности.

Известны две схемы удвоения напряжения: однополупериодная (последовательная) и двухполупериодная (параллельная).

Однополупериодная (последовательная) схема удвоения показана на рис. 171 в первый полупериод (такт) ее работы, когда на верхнем конце вторичной обмотки напряжение положительное

- >

5-Г I

-*- - ri

Рис. 171. Однополупериодная (последовательная) схема выпрямителя с удвоением напряжения (первый такт работы)

Рис. 172. Второй такт работы однополупериодной схемы выпрямителя с удвоением напряжения

относительно нижнего конца обмотки. В это время вентиль Лх отперт и проходящий через него ток заряжает конденсатор С\ до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки. Вентиль Дг при такой полярности напряжения на вторичной обмотке не пропускает тока, так как при отпертом вентиле R\ все напряжение практически падает на конденсаторе Си

В следующий полупериод, когда полярность напряжения на бторичной обмотке изменится, а конденсатор С\ будет заряжен, ток в схеме пойдет, как показано на рис. 172. Суммарное напряжение вторичной обмотки и конденсатора С\ окажется приложенным в проводящем направлении к вентилю Дг и конденсатору С%\ конденсатор Сг при отсутствии нагрузки зарядится до двойного амплитудного значения напряжения сети, а конденсатор С\ раз-

рядится. Вентиль Д{ окажется включенным в запирающем направлении, на него будет действовать напряжение, дбстигающее двойного амплитудного значения напряжения вторичной обмотки.

Таким образом, конденсатор Сг, к которому подключается сглаживающий фильтр и нагрузка, заряжается, как и в простой однополупериодной схеме, в течение одного полупериода.

Двухполупериодная (параллельная) схема выпрямителя с удвоением напряжения (рис. 173) представляет собой по существу две

Рис. 173. Двухполупериодная (параллельная) схема выпрямителя с удвоением напряжения (два такта работы)

простые од,нополупериодные схемы выпрямления, включенные по выходному напряжению последовательно, а по входному параллельно.

В первый полупериод работы напряжение на верхнем конце вторичной обмотки положительное, и ток проходит через вентиль Ди заряжад конденсатор Ci. Когда полярность напряжения изменяется на обратную, как показано на второй схеме, вентиль Д\ оказывается включенным в запорном направлении, а вентиль Дг пропускает ток, заряжающий конденсатор Сз. Сглаживающий фильтр, а через него и нагрузка подключаются к последовательно соединенным конденсаторам С\ и С2, напряжения на которых складываются. Рассматриваемая схема, как и обычная двухполупериодная, дает меньший коэффициент пульсаций, чем однополупериодная схема.

Кроме меньших пульсаций, параллельная схема имеет перед последовательной то преимущество, что конденсаторы Ci и Сг в параллельной схеме рассчитываются на вдвое меньшее напряжение.

Большое достоинство схем выпрямителей с удвоением заключается в том, что они дают возможность собирать выпрямители без трансформаторов или с простыми авттрансформаторами. Недостаток их по сравнению с простыми схемами - необходимость применять в качестве накопительных емкостей С\ и Сг конденсаторы с весьма большими емкостями. Так, например, для выпрямителя на 300 в и 70-100 ма конденсаторы С\ и Сг должны иметь емкость по 150-200 мкф.

Схема выпрямителя с умножением напряжения, приведенная на рис. 174, позволяет получить небольшой ток высокого напряжения без специального высоковольтного трансформатора и при применении полупроводниковых диодов типа ДГ-Ц или селеновых стол-

13* 195

Рис. 174. Схема выпрямителя с умножением напряжения

биков малого диаметра. Работа схемы аналогична работе последовательной схемы выпрямителя с удвоением напряжения. Интересной особенностью схемы является то, что любой из вентилей и любой из конденсаторов ее должен выдерживать только двойную амплитуду напряжения на обмотке трансформатора.

Сглаживающий фильтр

Выпрямленным переменным током еще нельзя питать электронные приборы, так как он имеет большую пульсацию. Поэтому выпрямленный ток надо предварительно хорошо сгладить. Эту задачу и выполняет сглаживающий фильтр.

Сглаживающийфильтр включается между выпрямителем и собственно приемником или усилителем (довольно часто в литературе для радиолюбителей под словом, выпрямитель подразумевают выпрямитель и сглаживающий фильтр).

Все описанные выше схемы выпрямителей, как правило, работают на емкость. К выходу собственно выпрямителя подключается конденсатор большой емкости, который заряжается импульсом тока от выпрямителя за короткое время, а затем до следующего импульса отдает свой заряд полезной нагрузке. Правда, к следующему импульсу зарядного тока напряжение на конденсаторе уменьшается,0 даже один конденсатор уже фильтрует выпрямленный пульсирующий ток и часто может оказаться достаточным для того, чтобы в нужной степени сгладить пульсацию выпрямленного тока. В простых приемниках нередко анод выходной лампы питают именно от конденсатора, стоящего на выходе выпрямителя.

Однако в большинстве случаев фильтрации, которую дает один конденсатор, все же оказывается недостаточно, так как для чувствительных усилителей необходимо уменьшить коэффициент пульсации до 0,001%.

Коэффициентом пульсации выпрямленного напряжения называется выраженное в процентах отношение переменного напряжения (переменной составляющей) к постоянному напряжению (постоянной составляющей).

Для сглаживания остаточной пульсации напряжения на конденсаторе, включенном на выхдде выпрямителя, к нему подключается одна или несколько ячеек сглаживающего фильтра. Каждая из ячеек может состоять из сопротивления и конденсатора или из дросселя и конденсатора (рис. 175).

Пульсирующий ток выпрямителя можно считать состоящим из двух toikob: переменного и постоянного.

Как известно, конденсатор тем лучше пропускает переменный ток, чем больше его емкость. Конденсатор большой емкости, включенный после выпрямителя до первой ячейки фильтра, пропускает основную часть переменного тока. Сопротивление или дроссель в фильтрующей ячейке затрудняет прохождение переменного тока

0----

Г/7Д J-C

0----

Iff

-0

-\ЛШ.г I

I

-0--

Рис. 175. Схемы ячеек сглаживающих фильтров: а - с сопротивлением; б - с дросселем

и тем самым усиливает фильтрующее действие первого конденсатора. Часть переменного тока, все же прошедшая через сопротивление или дроссель ко второму конденсатору, замыкается во втором конденсаторе, который должен представлять для переменной составляющей значительно меньшее сопротивление, чем сопротивление нагрузки (рис. 176).

Постоянная составляющая тока проходит через сопротивление фильтра или дроссель с некоторыми потерями. Теряемая при этом мощность вызывает нагревание сопротивления и дросселя.

Рис. 176. Схемы фильтров из сопротивлений и емкостей: а - однозвенный фильтр; б - двухзвенный фильтр

Дроссель обеспечивает лучшую фильтрацию, чем сопротивление; его сопротивление переменному току (индуктивное) значительно превышает сопротивление постоянному току (активное сопротивление). Казалось бы, если так, то надо применять дроссели, а не сопротивления. Но дроссели в последние годы все больше вытесняются из схем даже довольно сложной аппаратуры. Причина здесь чисто экономическая: дроссель - дорогая и тяжелая деталь, и часто бывает выгоднее поставить лишний легкий и дешевый электролитический конденсатор, чем использовать дроссель.

Для удешевления и облегчения фильтра часто уменьшают фон в выходном каскаде низкой частоты при помощи отрицательной (негативной) обратной связи. При этом основной потребитель - выходной каскад - питается прямо со входа сглаживающего фильтра, а остальные цепи питаются через фильтр из сопротивлений и конденсаторов. Выгоднее даже применить отдельную фильтрующую цепочку в экранирующей сетке выходной лампы, чем питать ее вместе с анодом через более сложный сглаживающий фильтр.

Для уменьшения фона переменного тока полезно увеличивать емкость конденсаторов, бло'кирующих экранирующие сетки детекторной и высокочастотных ламп, до 0,5 мкф.

Сетевой трансформатор

Сетевой (или силовой) трансформатор предназначен для получения необходимых для радиоаппаратуры питающих напряжений

от сети переменного тока. Ламповая панель \-ч Первичная (сетевая)

обмотка трансформатора выполняется либо в виде одной обмотки с отводами, которые включаются в зависимости от напряжения сети (рис. 177), либо в виде двух обмоток с отводами, которые переключаются параллельно или последовательно специальными переключателями (рис. 178),.

Количество вторичных обмоток сетевого транс-формато'ра, их напряжение и сечение проводов зависят от назначения трансформатора и схемы выпрямителя. Так, например, трансформатор для

Переключающая квлодпа

Рис. 177. Переключ£ние отв©д®в от одной сетевой обмотки трансф©рматора

Ламповая панель

Переключающие молодки.

ШПОв Haim Ш220в

Рис. 178. Переключение двух первичных обмоток трансформатора на разные напряжения сети