Выбор между схемой С-L-C и схемой L-C для сглаживающего фильтра выпрямителя кажется вопросом одной перестановки деталей, но на деле определяет, сколько часов проработает кенотрон и какое напряжение получит нагрузка. Первый конденсатор на входе фильтра заряжается короткими импульсами тока, которые в разы превышают средний ток нагрузки, а дроссель на входе полностью меняет форму этого тока и характер работы катода. Разница между двумя подходами видна не только в цифрах напряжения, но и в паспортных ограничениях на реальные лампы, которые производители закладывали не случайно.
Как ток заряда конденсатора создаёт пиковую нагрузку на анод кенотрона
В схеме с конденсатором на входе анод кенотрона открывается только в те короткие промежутки времени, когда мгновенное напряжение на вторичной обмотке превышает напряжение, уже накопленное на конденсаторе. Всё остальное время диод заперт, а конденсатор отдаёт энергию в нагрузку самостоятельно, разряжаясь по экспоненте. Чтобы за короткий промежуток проводимости восполнить весь заряд, отданный конденсатором за целый период, мгновенный ток через кенотрон должен быть значительно выше среднего тока нагрузки.
Паспортные данные реального кенотрона показывают это наглядно. Для лампы 5Ц4С при среднем выпрямленном токе 122-125 мА производитель ограничивает наибольшую амплитуду тока анода значением 375 мА, то есть допустимый пиковый ток превышает средний примерно в три раза. Это соотношение и есть коэффициент амплитуды тока, и именно ради его ограничения производитель нормирует ёмкость первого конденсатора всего в 5 мкФ, а паспортный режим измерения тока лампы дополнительно указывает сопротивление полезной нагрузки 4700 Ом, при котором эти цифры и получены на испытательном стенде. При более крупной ёмкости фильтра или при работе на нагрузку с меньшим сопротивлением пиковый ток вырос бы кратно и превысил допустимую для катода величину, поэтому для реального ограничения бросков тока в анодную цепь иногда добавляют отдельный резистор, но номинал такого резистора обычно составляет всего несколько десятков или немногим более сотни Ом, а не единицы килоом.
Почему дроссель на входе фильтра меняет форму тока через выпрямитель
Дроссель включённый сразу после кенотрона не пропускает резких скачков тока, потому что противодействует любому быстрому изменению тока через себя за счёт запасённой в магнитном поле энергии. Пока в дросселе течёт ток выше некоторого минимального значения, называемого критическим, кенотрон проводит ток практически весь период, а не короткими вспышками. Форма тока приближается к трапеции, а не к узкому импульсу, и мгновенный ток анода лишь немного превышает средний, а не втрое или вчетверо, как в схеме с конденсатором на входе.
Это же означает, что действующее значение тока через вторичную обмотку и через кенотрон приближается к среднему значению нагрузки, а не оказывается значительно выше него из-за пиков. Трансформатор и лампа нагружаются мягче при той же отдаваемой в нагрузку мощности, а тепловые потери в обмотках и на аноде снижаются, поскольку они пропорциональны квадрату действующего тока, а не среднего.
Во сколько раз выходное напряжение выпрямителя падает при переходе на дроссель
Разница в напряжении между двумя схемами вытекает напрямую из разной формы тока и не связана с потерями или неисправностью деталей. При лёгкой нагрузке и ёмкостном входе фильтра выходное напряжение приближается к амплитудному значению переменного напряжения на обмотке, то есть к Vrms умноженному на корень из двух, около 1,41 Vrms. При входе с дросселя средних значений тока и напряжения выходное напряжение соответствует среднему значению двухполупериодно выпрямленной синусоиды, то есть 2√2 делённое на пи от Vrms, что даёт коэффициент около 0,9 Vrms.
Возьмём для примера ту же лампу 5Ц4С с паспортным действующим напряжением вторичной обмотки 2х500 В на каждое плечо. При входе с конденсатором и малой нагрузке напряжение на выходе стремится к 500 умножить на 1,41, то есть примерно к 707 В, и заметно проседает под нагрузкой из-за сопротивления обмотки и внутреннего сопротивления самого кенотрона. При входе с дросселем то же напряжение вторичной обмотки даёт на выходе около 500 умножить на 0,9, то есть примерно 450 В, но это значение держится намного стабильнее при изменении тока нагрузки. Разница в 257 В, то есть примерно 36 процентов, это и есть та самая цена, которую разработчик платит за более мягкий режим работы лампы.
Что такое критическая индуктивность и как рассчитать её для сети 50 герц
Дроссель обеспечивает описанный выше режим только при условии, что через него всегда течёт ток не ниже некоторого минимума, который называют критическим током, а соответствующую ему индуктивность, минимально необходимую для непрерывной проводимости при заданном токе нагрузки, называют критической индуктивностью. Если реальный ток нагрузки падает ниже критического значения, дроссель перестаёт держать непрерывный ток, в паузах между импульсами он полностью разряжается, и по факту схема начинает вести себя как обычный ёмкостный вход с соответствующим ростом напряжения и пиковых токов.
Для сети переменного тока частотой 60 Гц и двухполупериодного выпрямления инженерное правило даёт критическую индуктивность в генри примерно равной напряжению нагрузки в вольтах, делённому на ток нагрузки в миллиамперах. Поскольку критическая индуктивность обратно пропорциональна частоте пульсаций, а частота пульсаций для двухполупериодной схемы равна удвоенной частоте сети, для российской сети 50 Гц то же правило даёт значение примерно на 20 процентов больше, то есть критическую индуктивность в генри следует брать равной напряжению нагрузки в вольтах, умноженному на 1,2 и делённому на ток нагрузки в миллиамперах.
Для приведённого выше примера с выходным напряжением 450 В и типичным рабочим током 100 мА критическая индуктивность на частоте 50 Гц составит около 1,2 умножить на 450 и разделить на 100, то есть примерно 5,4 Гн. Это вполне реальное значение для типового дросселя фильтра, а на практике инженеры берут дроссель с некоторым запасом по индуктивности, поскольку минимальный ток нагрузки в реальной схеме не всегда предсказуем и может падать при переключении режимов усилителя. Чтобы гарантированно удерживать ток выше критического значения даже при отключении части нагрузки, параллельно первому конденсатору после дросселя ставят постоянно потребляющий ток резистор, который называют дренажным или гасящим. Практическое правило для его расчёта простое, сопротивление в омах берут равным тысяче, умноженной на индуктивность дросселя в генри, что для дросселя 5,4 Гн даёт около 5,4 кОм.
Чем схема С-L-C отличается от L-C по нагрузке на кенотрон
Здесь кроется главная путаница при выборе между двумя схемами. В схеме L-C дроссель стоит первым сразу после кенотрона, поэтому именно он формирует ток через лампу и обеспечивает описанный выше пологий, почти трапецеидальный ток. В схеме С-L-C первым после кенотрона стоит конденсатор, а дроссель включён уже после него, между двумя ёмкостями фильтра. С точки зрения кенотрона это принципиальная разница, потому что лампа в схеме С-L-C заряжает именно первый конденсатор точно так же короткими импульсами, как в обычном ёмкостном фильтре, а дроссель, стоящий дальше по схеме, лишь дополнительно сглаживает пульсации на выходе, но никак не облегчает режим самого выпрямителя.
Иначе говоря, схема С-L-C даёт такое же по характеру пиковое воздействие на анод кенотрона, как и обычный ёмкостный фильтр без дросселя вовсе, при этом сохраняя более высокое выходное напряжение, близкое к амплитудному значению, а не к 0,9 Vrms. Она хороша, когда нужно получить максимум напряжения при приемлемом уровне пульсаций на выходе, но не приносит никакой пользы для срока службы кенотрона по сравнению с одноконденсаторным фильтром. Только полноценная схема L-C, где дроссель включён первым звеном сразу за выпрямителем, реально снижает пиковый ток через лампу и работает на увеличение её ресурса, жертвуя при этом заметной долей выходного напряжения.
Как пиковый ток анода сокращает срок службы катода и греет трансформатор
Оксидный катод кенотрона излучает электроны с тонкого слоя оксидов щелочноземельных металлов, нанесённого на никелевый керн. При коротких мощных импульсах тока плотность эмиссии на поверхности катода резко возрастает, локальный разогрев и ионная бомбардировка ускоряют рост промежуточного слоя высокого сопротивления между керном и оксидным покрытием, который называют барьерным слоем. Этот слой постепенно снижает эффективную эмиссию катода, и лампа со временем перестаёт выдавать номинальный ток даже при исправном накале, что и ощущается как падение выпрямленного напряжения под нагрузкой при исправной внешне лампе. Именно поэтому для оксидных катодов производители нормируют не только средний ток, но и отдельно амплитуду импульса, а срок службы серийного кенотрона общего применения указывают достаточно скромным, порядка 500 часов при работе на паспортных режимах.
Кенотрон изнашивается не только из-за амплитуды импульса тока, но и из-за его действующего значения, а трансформатор греется именно от действующего тока в обмотке, а вовсе не от среднего. Отношение действующего значения тока к его среднему значению называют коэффициентом формы, и это не то же самое, что пик-фактор, то есть отношение амплитуды импульса к среднему току, о котором шла речь выше. Для схемы с ёмкостным входом фильтра коэффициент формы велик именно из-за узких импульсов большой амплитуды, разделённых долгими паузами полного отсутствия тока, хотя и не дотягивает до самого пик-фактора. Для лампы 5Ц4С из примера выше при пик-факторе около трёх коэффициент формы тока в ёмкостном фильтре обычно составляет от двух до двух с половиной, то есть действующий ток через обмотку и через анод превышает средний потребляемый нагрузкой ток в два-два с половиной раза. В схеме с дросселем на входе, где ток близок к постоянному в течение всего периода проводимости каждого анода, коэффициент формы снижается примерно до полутора, приближаясь к теоретическому пределу для идеально сглаженного двухполупериодного выпрямления. Снижение коэффициента амплитуды тока с трёх до значений, близких к единице с небольшим, при переходе на дроссель на входе фильтра снимает основную часть ускоренной деградации катода, позволяет тому же трансформатору отдавать в нагрузку заметно большую мощность без превышения допустимого нагрева обмотки и на практике продлевает реальный срок службы лампы сверх паспортного минимума, особенно в аппаратуре, работающей многие часы подряд.
Что выбрать на практике при проектировании выпрямителя
Выбор конкретной схемы фильтра стоит делать по чётко определённым критериям, а не по общим соображениям надёжности:
- Если кенотрон работает на пределе паспортного среднего тока и предполагается долгая непрерывная эксплуатация, выбирать схему L-C с дросселем первым звеном, рассчитав его индуктивность с запасом относительно критического значения;
- Если требуется максимальное напряжение при умеренном токе нагрузки и лампа работает с большим запасом по паспортным пиковым токам, применять схему С-L-C или обычный ёмкостный фильтр;
- Всегда ставить дренажный резистор параллельно первому конденсатору после дросселя, рассчитав его номинал по правилу тысячи ом на генри индуктивности;
- Проверять паспортную амплитуду допустимого тока анода конкретного типа кенотрона и сверять её с реальным пиковым током в выбранной схеме, а не полагаться только на средний ток;
- При смене типа кенотрона на лампу с другим внутренним сопротивлением и другой предельной ёмкостью фильтра пересчитывать всю схему заново, поскольку паспортные ограничения у разных типов ламп существенно различаются.
Соотношение между напряжением и ресурсом лампы в итоге определяется не абстрактным выбором топологии, а конкретными цифрами тока и напряжения конкретной схемы. Дроссель на входе фильтра всегда снижает напряжение относительно ёмкостного входа на величину около трети, но взамен даёт кенотрону режим работы, для которого катод и рассчитывался производителем изначально, без избыточных пиковых нагрузок сверх паспортных величин.