Рис. 1
И это мы посчитали только энергию, запасенную в конденсаторе. А ведь основной анодный источник до своего отключения аварийным реле (несколько миллисекунд) тоже успеет отдать в лампу какую-то энергию Wa. Она меньше, чем в конденсаторе и при времени отключении 10 мС (хорошие реле успевают) составляет 1 … 10 Дж (чем более мощный источник по току, тем больше).
Фактически в любом ламповом РА сумма энергии W = Wc + Wa превышает допустимый порог 4 Дж. Поэтому нельзя допускать, чтобы вся W рассеивалась бы в дуге разряда лампы. Большую ее часть необходимо рассеять где-то в другом месте.
Токоограничивающий резистор
Наиболее разумный выход: ограничить ток разряда в лампе мощным проволочным последовательным резистором в цепи анодного источника.
Его номинал выбирают так, чтобы при дуговом разряде в лампе (его типичное напряжение 50 В) ток не превышал бы ~50 А. Т.е. от 20 Ом при 1 кВ до 60 Ом при 3 кВ.
Смысл этого резистора не столько в снижении пикового тока разряда, сколько в значительном снижении энергии, остающейся на долю разряда в лампе.
Пример 3
Допустим у нас источник из предыдущего примера (2 кВ, 40 мкФ, запасенная энергия 80 Дж). Добавим к нему последовательный резистор 51 Ом. Теперь при пробое напряжение 2 кВ распределится так: 50 В на лампе (это типичное напряжение горящей дуги разряда) и 1950 кВ на резисторе. В тех же пропорциях (50/1950) распределится и энергия. Т.е. на лампу останется всего 2,6% от суммы энергий заряженного конденсатора (80 Дж в нашем примере) и отдаваемой анодным источником до его аварийного отключения (возьмем, среднее значение 5 Дж). Т.е. (80+5)*0,026 = 2,2 Дж. Лампа гарантированно останется неповрежденной т.к. порог 4 Дж не превышен. Остальные 77,8 Дж будут рассеяны в токоограничивающем резисторе.
Эта ситуация показана на рис. 2.
Рис. 2
Выбор емкости конденсатора фильтра
Да, конечно, емкость конденсатора фильтра выбирается из допустимого уровня пульсаций выпрямленного напряжения под рабочей нагрузкой.
Но не только. Следует проверить, не слишком ли велика запасаемая конденсатором энергия, чтобы даже при наличии токоограничивающего резистора и триггерного автомата аварийного отключения анодного трансформатора при разряде в лампе не выделилось больше 4 Дж.
Методика вычислений:
Для своего напряжения анодного источника и емкости фильтра вычисляют по формуле (1) энергию Wc, запасенную в конденсаторе.
К ней добавляется энергия, отдаваемая источником до его отключения Wa. Она лежит в пределах 1…10 Дж (чем мощнее источник по току, тем больше).
Затем для полной энергии W = Wc + Wa делается расчет, аналогичный примеру 3, чтобы определить, какая часть энергии W дойдет до лампы во время разряда. Если результат получился больше 4 Дж, то емкость фильтра надо снижать до тех пор, пока результат станет ниже 4 Дж.
Для тех кому считать не хочется, вот готовая таблица 1 (с последовательным резистором ограничивающим ток КЗ до 50 А и реле аварийного отключения анодного трансформатора быстрее, чем за 10 мС).
Табл. 1. Максимальная емкость конденсатора анодного выпрямителя
| Напряжение анода, кВ | 1 | 1,5 | 2 | 2,5 | 3 |
| Емкость, не более, мкФ | 150 | 100 | 75 | 60 | 50 |
Увеличивать емкости фильтра анодного источника выше значений, указанных в табл 1, не надо и вредно. Иначе лампа может выйти и строя при пробое. Невзирая на токоограничивающий резистор и автомат отключения анодного трансформатора.
Чтобы не подходить близко к пределу 4 Дж реальные емкости анодных выпрямителей лучше выбирать не больше 2/3 от указанных в табл. 1. Т.е. от 100 мкФ при 1 кВ до 33мкФ при 3 кВ.
Если выпрямитель или умножитель содержит несколько конденсаторов, то считается общая величина емкости между плюсом и минусом анодного источника.
Например, умножитель сети на 4 с четырьмя последовательно включенными конденсаторами 470 мкФ х 400 B даст общую емкость 470/4 = 118 мкф. А это почти верхний допустимый предел для напряжения 1,2 кВ. Из этого, кстати, следует, что выходная мощность бестрансформаторного РА с учетверением сети не должна превышать 500 Вт (если вы не хотите сжечь лампу\лампы во время прострела).
Дополнение от 29.10.2020.
После выхода статьи получил несколько вопросов, что делать, если по пульсациям требуется ёмкость больше, чем в табл. 1?
Начнем с того, что это уже не радиолюбительская задача. Скажем, источник из последнего столбца таблицы 1 (3 кВ 50 мкФ) при частоте пульсаций 100 Гц (обычный однофазный мост) и токе нагрузки 1 А дает амплитуду пульсаций всего 100 В (размах, понятно, вдвое больше). Т.е. всего 3%. Это обеспечивает качественный сигнал. И подводимую мощность в 3 кВт, т.е. выходную мощность РА никак не ниже 1,5 кВт.
Поэтому не хватать емкости из табл 1. может только для промышленного передатчика с мощностью несколько киловатт и высоким анодным напряжением. Но защищать лампу надо и в таких передатчиках. Способов для этого существует три:
Использовать трехфазную сеть. Частота пульсаций при этом возрастает втрое (до 300 Гц). Конденсатор той же емкости позволяет при той же амплитуде пульсаций получить втрое больший ток нагрузки.
IМHO, это самое простое решение. Ведь все равно одна фаза сети не даст требуемой для промышленного передатчика мощности (грубо считайте: вдвое больше требуемой выходной) и все равно придется тянуть три фазы.
Импульсный источник питания. Частота преобразования намного выше, чем в сети, поэтому большой ток нагрузки можно получить даже при маленьком конденсаторе фильтра. Его можно сделать таким маленьким, чтобы он запасал меньше 4 Дж. Тогда даже не потребуется токоограничивающего резистора. Ахиллесова пята этого решения – надежность (хотя мне встречались вполне надежные двухкиловатные импульсные источники).
Экзотический выход при очень высоких напряжениях и очень больших (неограничено больше, чем в табл. 1) емкостях. Сделать параллельно конденсатору фильтра отдельную разрядную цепь на мощном игнитроне. Её скорость срабатывания должна быть не выше десятой доли миллисекунды (про реле сразу забываем), а цепь поджига игнитрона должна запускаться от датчика превышения анодного тока. Способ дорогостоящий, но в мощных промышленных передатчиках (многие десятки ... сотни кВт) используется.
Выбор токоограничивающего резистора
Ограничение тока разряда именно 50 А не является "священной коровой". Более-менее точное решение системы уравнений, описывающих процесс разряда в схеме с токоограничивающим резистором, показывает что ток может быть ограничен любой величиной от 20 до 150 А.
Меньшее значение тока требует бо́льшего номинала резистора и удлиняет процесс разряда. Бо́льшее – дает меньший номинал резистора и делает разряд короче.
Обычно рекомендуемый ток 50 А является компромиссом между потерями в резисторе при нормальной работе и качеством выполнения цепей, через которые идет разрядный ток (например, через защитные диоды измерителя, см. схему в конце этой статьи).
Казалось бы, ограничение тока разряда на меньшем уровне снижает опасность повреждения лампы. Но это не так. Плавит сетки и прожигает катоды не ток сам по себе, а энергия. А она определяется конденсатором и анодным напряжением, а от номинала резистора не зависит. От него зависит только длительность разряда. А она при любом токе разряда (в указанном диапазоне) миллисекундная, т.е. тепло уйти никуда не успеет.
Как ни странно, но от величины тока разряда в указанном диапазоне) не зависит и максимальная безопасная емкость конденсатора. Она определяется таблицей 2 или формулой C < 150/Ea, где С в мкФ, а Еа в кВ.
Как выбрать необходимую мощность токограничивающего резистора? Обычно приводят рекомендации, что резистор должен быть на мощность 20 … 100 Вт. Но на какую именно? Попытка посчитать мгновенную мощность, выделяемую в резисторе, дает десятки киловатт (~100 кВт в примере 3). Конечно, пик будет коротким. В том же примере 3 постоянная времени разряда конденсатора составит 40 мкФ * 51 Ом =2 мС. Т,е. разряд почти полностью завершится за 2*3 = 6 мС. Поэтому средняя мощность в резисторе будет небольшой.
Но не сгорит ли проволока резистора при коротком ударе током 50А? Маркировка резистора по мощности не дет ответа на этот вопрос. Конечно, иногда приводятся данные по перегрузочной способности резисторов при коротких импульсах. Но там речь идет о десятках раз, а не о нужных нам тысячах (т.е. чтобы резистор 50 Вт выдержал бы наши 100 кВт в пике). Поэтому будем подбирать резистор по другим критериям.
Понятно, что при возникновении разряда в лампе в резисторе будет рассеяна почти вся сумма W энергии запасенной в конденсаторе Wc + энергии Wa, отдаваемой анодным источником до его аварийного отключения. Нам надо, чтобы при этом проволока резистора не перегорела бы, и его керамическое покрытие (если оно есть) не растрескалось бы.
Для нихрома максимальная рабочая температура допустима до 1150С, для керамического покрытия мощных резисторов – до 350С. Теплопередачей можно пренебречь, т.к. за миллисекунды разряда тепло не успеет никуда уйти из проволоки.
Зная среднюю теплоемкость нихрома 450 Дж/(кг•град) можно рассчитать необходимый вес нихрома, чтобы он не нагрелся выше предельных температур при рассеивании нашей энергии W (в джоулях). Он составит (в граммах) W/450 для открытой нихромовой проволоки (например, намотанной на асбестовый каркас) или W/125 для покрытого керамикой резистора.
Исходя из этого веса, по таблице 2 подбираем такой диаметр проволоки и ее длину, чтобы получить требуемое сопротивление при массе не меньше вычисленной.
Табл. 2. Данные нихромового провода.
| Диаметр, мм | Вес 1 метра, гр | Сопротивление 1 м, Ом |
| 0,2 | 0,26 | 35 |
| 0,25 | 0,41 | 22 |
| 0,3 | 0,59 | 15 |
| 0,35 | 0,8 | 11 |
| 0,4 | 1 | 8,5 |
| 0,45 | 1,32 | 7 |
| 0,5 | 1,63 | 5,5 |
Пример 4
Те же 85 Дж в конденсаторе и от источника, что и в предыдущем примере. Для резистора в керамике масса нихромового провода должна быть не меньше 85/125 = 0,68 гр. Из таблицы 2 получаем, что 1 м нихромовой проволоки диаметром 0,25 мм будет иметь вес 0,41 гр и сопротивление 22 Ом. Резистор, намотанный 2,3 метрами такой проволоки будет иметь 51 Ом и массу проволоки 0,94 гр, т.е. хватит с запасом.
Т.к. в паспорте резистора не указывают диаметр провода, которым он намотан, то придется разбить один резистор, измерить диаметр проволоки и ее длину. И, если он подходит по вышеприведенному расчету, то купить еще один такой резистор и поставить его в анодный источник. А если не подходит – купить более мощный резистор и повторить предыдущие шаги.
Таким образом, запасаемая в конденсаторе энергия W определяет минимально необходимый вес нихрома в токоограничивающем резисторе, в котором при простреле безопасно рассеется эта энергия W.
Хорошо набирать токоограничивающий резистор из нескольких последовательно включенных мощных низкоомных (5…20 Ом). Такие резисторы почти всегда мотаются толстой проволокой (см. таблицу 2) и шансы налететь на ”подарок” слишком тонкой проволоки тут меньше.
Нет необходимости включать токоограничивающий резистор именно в плюс анодного источника. Т.к. выводов у источника два и ток течет через оба, то резистор можно включить и в минус. При этом при нормальной работе напряжение на резисторе относительно корпуса будет невелико, что лучше по соображениям безопасности. Однако изоляцию от корпуса выводов резистора надо все равно делать хорошей, т.к. при разряде в лампе на нем выделится почти полное напряжение анодного источника.
На рис. 3 показан фрагмент схемы анодного блока питания лампы ГУ-43Б. Красным на этом рисунке показаны цепи, через которые идет ток прострела. Резисторы R1 – R3 в ограничивают его величину до ~50А. Диоды VD1 – VD3 (с допустимым импульсным током >100А) защищают при простреле цепи датчика перегрузки по току анода и измеритель этого тока.
Рис. 3
Сигнал для датчика перегрузки снимается с резистора R4. Делитель R5, R6 задает порог открывания VT1 (любой транзистор средней мощности), т.е. ток срабатывания защиты. Выход датчика (коллектор VT1) при перегрузке по току анода выдает логический ноль, чем запускает триггер (на рис. 3 не показан) отключения сети от анодного трансформатора. Номинал R4 (точнее суммы R4 + R8) рассчитан на срабатывание при токе от 1,3 А и выше. Если у вас ток меньше, R4 надо соответственно увеличить.
Измеритель анодного тока РА1 (обратите внимание: его полярность на рис. 3 указана правильно: плюс на корпусе) шунтирован низкоомным R8 (отрезок нихромовой проволоки на выводах PA1), устанавливающим требуемый ток максимального отклонения.
Испытание системы защиты
И вот мы выбрали и поставили правильный токоограничивающий резистор, и наш конденсатор не превышает 2/3 емкости таблицы 1. Всё?
Не совсем. Любое собранное устройство надо бы проверить на работоспособность. Будем проверять.
Сначала проверьте срабатывание вашей защиты по превышению анодного тока. Важно, чтобы порог срабатывания был бы в не более чем 1,4…1,5 раза выше номинального тока. Анодный источник при этом тесте можно не включать, просто подайте на ваш измеритель тока (например, на рис. 3 это верхний по схеме вывод R4) ток от внешнего низковольтного блока питания в режиме стабилизации тока.
Следующий тест намного серьезнее. Будем проверять, не превысит ли энергия дуги разряда 4 Дж. Обязательные требования для этого теста:
защита с триггерным отключением анодного источника (которую мы проверили в предыдущем тесте),
токоогграничивающий резистор (из расчета 50 А при КЗ) в анодном источнике,
крепкие нервы,
хорошее знание техники безопасности,
осторожность и еще раз осторожность.
Все это надо потому, что мы будем закорачивать работающий высоковольтный анодный источник на работающем (без входного сигнала, только с начальным током лампы, для того чтобы на сетках были правильные напряжения смещения) РА.
Перед тем как перейти к тесту освежим в памяти, что напряжение на электрическом стуле составляет 2,7 кВ и одно неверное движение при работе с включенным высоковольтным анодным источником может привести к смерти (хлопок закорачиваемого высоковольтного источника громкий, вспышка дуги в воздухе яркая, человек может дернуться). Если не уверены в себе на 146%, то лучше выполнить такое испытание не вручную (конечно, не прямо руками, а длинной диэлектрической штангой!), а дистанционно с помощью высоковольтного реле.
Чтобы оценить, не превышен ли порог в 4 Дж при разряде в лампе, фирма Eimac предлагает следующие два варианта теста [2] замыкания анодного источника на корпус:
Испытание на короткое замыкание путем зажигания дуги в воздухе от провода, подключенного к аноду лампы на поверхность заземленной алюминиевой фольги толщиной 0,025 мм. Если энергия дуги меньше 4 Дж, дыра, прожженная в фольге, будет не более 3 мм в диаметре (но найти такую фольгу сложно, обычная пищевая фольга раза в два тоньше).
Альтернативный вариант – замкнуть анод на корпус испытательной тонкой медной проволокой диаметром 0,08 мм и длиной ~12 см. Если энергия разряда < 4 Дж, то провод не сгорит.
Испытательный провод или алюминиевая фольга должны быть подключены близко к аноду и катоду (или к первой сетке, если это триод и она заземлена), чтобы учесть влияние всех деталей.
Для тетрода аналогичный тест должен быть сделан и от анода к экранной сетке. Это надо, чтобы гарантировать, что лампа и цепи смещения экранной сетки защищены в случае дуги между анодом и экранной сеткой.
Хотя защита цепей смещения экранной сетки и не относится напрямую к теме этой статьи, отмечу, что с этой сетки на корпус очень желательно иметь мощный варистор на напряжение на 20 … 30 В выше номинального напряжения смещения +Ec2 и газовый разрядник, загорающийся при напряжении примерно на 50 В выше +Ec2. Тогда дуга от экранной сетки на корпус пойдет через внешний разрядник, а не через катод (как это случится в отсутствии такого разрядника).
Само собой разумеется, что после этого теста в РА не должно быть никаких разрушений: анодный дроссель, измеритель анодного тока, источники смещения сеток должны остаться исправными.
Тесты эти, конечно, нервные и громкие. Но лучше провести их заранее самому с фольгой или проволочкой (которые можно заменить в случае неудачи), чем ждать результатов, когда лампа ”стрельнет” и сделает тест на пробой сама. А в качестве испытательной проволочки или фольги использует свою сетку или катод (и результат может вам не понравится).
В серьезно сделанном РА такие тесты должен быть обязательны, для уверенности, что лампа не выйдет из строя при разрядах в ней
Заключение
Используя описанный выше метод расчета параметров токоограничивающего резистора и емкости конденсатора анодного выпрямителя, можно гарантировано ограничить энергию дуги в лампе до безопасного уровня. А с помощью описанных тестов проверить корректность работы защиты.
Правильно рассчитанная, сделанная и оттестированная система анодного питания и защиты сохранит лампу РА исправной даже при многократных разрядах.
Литература
1. Vacuum Arcs – Theory and Application, by J.M. Lafferty, John Wiley and Sons, New York. 1980.
2. Eimac Application Bulletin #17 Fault Protection, Jan 1987.
12.10.2020