Электронный фильтр на IRF840 в анодном питании лампового усилителя

Есть вещи, которые в ламповой технике существуют десятилетиями и при этом продолжают удивлять своей элегантностью. Электронный фильтр питания - именно такая вещь. Его называют по-разному: "умножитель ёмкости", "виртуальная батарея", "электронный дроссель, "устройство задержки и фильтрации". За каждым из этих названий скрывается одна и та же простая, но поразительно эффективная идея - заставить небольшой конденсатор работать так, словно он в десятки, а то и в сотни раз больше своей реальной ёмкости. Применительно к анодному питанию лампового усилителя на полевом транзисторе IRF840 эта схема превращается в нечто большее, чем просто фильтр. Она решает сразу несколько задач, которые традиционными методами требуют значительно более громоздких решений.

Почему анодное питание так требовательно к качеству

Ламповый усилитель - это устройство, где питание буквально "слышно". Не метафорически, а в самом прямом смысле: малейшие пульсации на анодном напряжении немедленно проникают в звуковой тракт и превращаются в низкочастотный фон. Полупроводниковый мост, работающий с двухполупериодным выпрямлением, формирует на выходе пульсации с частотой 100 Гц - вдвое выше сетевых 50 Гц. Именно этот гул, глухой и настойчивый, портит звучание даже тщательно собранного усилителя.

Одной из основных причин появления фона в ламповых УНЧ являются пульсации выпрямленного напряжения, питающего цепи анодов и экранных сеток ламп. При этом традиционные методы борьбы с пульсациями - увеличение ёмкости сглаживающих конденсаторов и применение LC-фильтров с дросселями - имеют очевидные ограничения. Конденсаторы большой ёмкости для высокого анодного напряжения (300-400 В и выше) стоят дорого, занимают место и создают чудовищный бросок тока при включении. Конденсаторы большой ёмкости будут занимать слишком много места, если конструкция компактна, стоить дороже, чем вся конструкция в целом, и перегружать маломощный анодный трансформатор в момент заряда.

Дроссели же, хотя и фильтруют превосходно, тяжелы, дороги, склонны к насыщению и нередко сами являются источником помех. Что касается интегральных стабилизаторов - высоковольтное анодное питание просто вне их досягаемости. Выбор оказывается очень ограниченным. И тут на сцену выходит схема, которую в зарубежной литературе принято называть Capacitance Multiplier.

Принцип работы и схемотехника фильтра

Хороший результат даёт применение активного фильтра типа умножителя ёмкости. Пассивные RC-фильтры применимы только в слаботочных цепях. Суть умножителя ёмкости - в применении транзистора, включённого по схеме истокового повторителя. На затвор транзистора подаётся напряжение через интегрирующую RC-цепочку, а выходное напряжение снимается с истока. Поскольку истоковый повторитель обеспечивает высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление и коэффициент усиления, близкий к единице, пульсации на его входе делятся на коэффициент, определяемый произведением крутизны транзистора на сопротивление нагрузки. Фактически небольшой конденсатор в цепи затвора начинает "видеться" нагрузке как конденсатор, умноженный на этот коэффициент.

На практике это означает следующее: конденсатор ёмкостью 47 мкФ в цепи затвора при усилении каскада 100 эквивалентен фильтровому конденсатору 4700 мкФ - без каких-либо огромных электролитических банок на высокое напряжение, без массивного дросселя и без подбора дефицитных компонентов. Фильтр сглаживания транзистора с последовательным включением транзистора и нагрузкой в цепи истока эквивалентен П-образному LC-фильтру. Принцип его работы основан на том, что токи транзистора в режиме усиления практически не зависят от напряжения.

Для анодного питания с напряжением от 250 до 450 В необходим транзистор, способный выдерживать полное анодное напряжение плюс запас. IRF840 - N-канальный силовой транзистор с изолированным затвором с напряжением 500 В, сопротивлением канала в открытом состоянии 0,85 Ом, максимальным током стока 8 А и максимальной рассеиваемой мощностью при температуре корпуса 25 градусов 125 Вт. Он выпускается в корпусе TO-220AB, хорошо знакомом каждому, кто хоть раз разбирал электронный балласт для галогеновых ламп. Сделать фильтр на полевых транзисторах с напряжением 600-800 В и током от 3 А гораздо проще, чем реализовать аналогичные характеристики на биполярных транзисторах в высоковольтных цепях.

Базовая схема выглядит так: после выпрямительного моста и первого сглаживающего конденсатора включается резистор (или небольшой дроссель без сердечника с активным сопротивлением 10-20 Ом), далее - параллельная RC-цепь на затвор IRF840. Сток транзистора подключён к входному питанию, исток - к нагрузке (анодам ламп) и выходному конденсатору. Резистор на затворе вместе с конденсатором образует интегрирующую цепь, которая сглаживает пульсации на управляющем входе транзистора. Транзистор, следуя за медленно меняющимся постоянным напряжением и подавляя быстрые пульсации, выдаёт на выходе чистое питание.

Плавный пуск как врождённое свойство схемы

Вот здесь начинается самое интересное. Многие, кто строит ламповый усилитель впервые, узнают о задержке подачи анодного напряжения лишь после того, как лампы уже несколько раз включены без прогрева катодов. В блоках питания ламповых усилителей любой мощности необходимо обеспечить задержку подачи высокого анодного напряжения до прогрева ламп, чтобы избежать преждевременного обеднения катода и существенного сокращения ресурса лампы.

Электронный фильтр на полевом транзисторе решает эту задачу элегантно и без дополнительных схем задержки. При включении питания конденсатор в цепи затвора разряжен. Транзистор закрыт. Анодное напряжение на выходе отсутствует. По мере того как конденсатор заряжается через резистор, транзистор постепенно открывается, и напряжение на истоке плавно нарастает. По мере заряда конденсатора, транзистор открывается, его ток увеличивается - это эквивалентно снижению сопротивления транзистора. В конце концов, конденсатор зарядится, транзистор максимально откроется, и его сопротивление будет маленьким, практически не влияя на работу цепи.

Время нарастания анодного напряжения определяется произведением R*C в цепи затвора. При резисторе 100 кОм и конденсаторе 100 мкФ постоянная времени составит 10 секунд - вполне достаточно для прогрева катодов большинства ламп. При желании это время легко изменить подбором номиналов. Никакого реле, никакой отдельной схемы задержки, никаких дополнительных трансформаторных обмоток. Плавный пуск получается сам собой, как врождённое свойство схемы. УЗФ позволяет осуществить задержку подачи анодного напряжения с задержкой от 30 секунд и более.

Что происходит с фоном 100 Гц

Именно здесь умножитель ёмкости раскрывает свои лучшие качества. Коэффициент подавления пульсаций при применении активного фильтра совместно с RC-цепью достигает 69-74 дБ. Для понимания масштаба: 74 дБ - это подавление пульсаций примерно в 5000 раз по напряжению. Если на входе фильтра пульсации составляют 5 В размахом (что вполне типично для мостового выпрямителя без дросселя), то на выходе они окажутся менее 1 мВ. Ни один высококачественный наушник при такой остаточной пульсации не поймает никакого фона.

Усилитель с виртуальной батареей обладал весьма почётным уровнем подавления пульсаций напряжения питания (PSRR - Power Supply Rejection Ratio). Уровень "гудежа" 100 Гц по идее ниже всех слышимых пределов. Практика подтверждает: правильно собранный фильтр на IRF840 даже в чувствительных схемах с высокоомными наушниками обеспечивает полную тишину в паузах. Это то, чего сложно добиться пассивными методами без значительных затрат на дроссели и высоковольтные конденсаторы большой ёмкости.

Частота пульсаций двухполупериодного выпрямителя равна 100 Гц. По питанию идёт 100 Гц, так как выпрямитель двухполупериодный. Для эффективного подавления этой частоты RC-цепь в затворном делителе должна иметь постоянную времени существенно больше периода пульсаций, то есть значительно больше 10 мс. На практике применяют постоянные времени от 0,1 до нескольких секунд - это одновременно обеспечивает и хорошее подавление 100 Гц, и достаточную задержку при включении.

Тепловой режим и защита транзистора

IRF840 работает в активном режиме, рассеивая на себе разницу между входным и выходным напряжениями, умноженную на ток нагрузки. Если фильтр питает каскад с током 100 мА при падении 30 В на транзисторе - это уже 3 Вт рассеивания. При токе 200 мА и падении 50 В - 10 Вт. Корпус TO-220AB универсален для всех коммерческих и промышленных применений при рассеивании мощности до 125 Вт. Тем не менее без радиатора IRF840 при таких режимах долго не протянет. Транзистор следует крепить к радиатору через изолирующую прокладку: сток соединён с металлическим фланцем корпуса и находится под высоким напряжением.

При неудачном стечении обстоятельств на повторителе может рассеиваться мгновенная мощность в сотни ватт - любой, даже непомерно большой транзистор разлетается в пыль. Речь идёт о ситуации короткого замыкания в нагрузке или аварийного разряда конденсаторов через транзистор. Для защиты в цепь истока полезно включить два последовательных диода, ограничивающих максимальное падение напряжения сток-исток в аварийной ситуации. Это несколько усложняет схему, зато транзистор становится защищён от разрушения при любых неправильных режимах нагрузки.

Хорошей практикой является также включение на входе фильтра небольшого резистора (47-100 Ом) или упомянутого выше дросселя без сердечника. Этот элемент ограничивает ток при первоначальном заряде конденсаторов и снижает нагрузку на диодный мост в момент включения.

Практические результаты и область применения

Полезно понимать, где умножитель ёмкости на IRF840 работает лучше всего, а где имеет смысл поискать иное решение. Наилучший результат достигается в предусилителях, фонокорректорах, усилителях для наушников и входных каскадах усилителей мощности, где ток анода невелик - от единиц до 200-300 мА. Именно в таких конструкциях:

• традиционные конденсаторы большой ёмкости становятся несоразмерно дорогими и громоздкими,
• дроссели трудно вписать в компактный корпус,
• требования к тишине в паузах наиболее строги,
• мощность, рассеиваемая на транзисторе, остаётся в разумных пределах.

В мощных оконечных каскадах с токами анода свыше 500 мА рассеиваемая мощность на IRF840 начинает требовать уже серьёзного радиатора, а падение напряжения на фильтре нужно учитывать при проектировании блока питания. Тем не менее и здесь схема вполне применима, особенно если питать через отдельный фильтр каждый канал.

Желательно использовать два фильтра для каждого канала для уменьшения проникновения сигнала из канала в канал. Это особенно актуально в стереофонических конструкциях: общее анодное питание без развязки между каналами создаёт условия для взаимопроникновения сигналов через общий импеданс источника.

Схема прекрасно масштабируется. IRF840 с его 500-вольтовым потолком уверенно работает в цепях с анодным напряжением до 400-420 В с запасом. Для напряжений 450-500 В стоит рассмотреть IRF840 в связке с дополнительной защитой по затвору стабилитроном на 15-18 В. Если анодное напряжение достигает 600 В и более, потребуется транзистор с более высоким напряжением пробоя - например, из серий с VDSS 800 В и выше.

Что стоит за кажущейся простотой

Схема умножителя ёмкости выглядит обманчиво простой - три-четыре компонента, и всё. Но за этой простотой стоит элегантное использование свойств полевого транзистора в активном режиме. Никаких коммутационных помех переключения - транзистор не переключается, а работает как плавно управляемый резистор с огромным коэффициентом усиления по мощности. Никакого дополнительного источника питания для схемы управления - цепь затвора питается от того же анодного напряжения. Никаких специфических высоковольтных компонентов помимо самого IRF840 - стандартные детали, доступные в любом магазине.

Честно говоря, ни один пассивный LC-фильтр разумных размеров и стоимости не обеспечит одновременно такого же подавления пульсаций, плавного пуска и стабильности выходного напряжения. Электронный фильтр на IRF840 - это редкий случай, когда простое схемотехническое решение оказывается объективно лучше сложного. В мире ламповой техники, где принято доверять проверенным десятилетиями решениям, этот фильтр заслуженно занял прочное место среди тех схем, которые просто работают - тихо, надёжно и без лишних слов.