Стабилизация параметров и защита цепей нагрузки

Аварийные ситуации при работе радиоэлектронного, да и любого другого оборудования, чаще всего возникают при переходных процессах, когда происходят резкие изменения состояния системы. По статистике наиболее часто повреждение оборудования происходит при его включении или выключении. На дестабилизирующее воздействие любая система реагирует с задержкой во времени. Эта инерционность для нагреваемых электрическим током приборов обусловлена массой и теплоемкостью нагреваемого материала. Так, например, разрушение (перегорание) нитей накала электровакуумных приборов происходит преимущественно в момент подачи напряжения на холодную нить. Мощность, выделяющаяся на нити накала в момент ее включения, превышает номинальную в 10 раз для ламп прямого накала и в 2...3 раза для ламп косвенного накала. Помимо возможного перегорания нити накала, мгновенное выделение значительной тепловой энергии в малом объеме способствует возникновению термонапряжений в конструкционных элементах лампы, растрескиванию стекла возле токовводов и т.д. [12.1].
В связи с вышеизложенным, для обеспечения надежной работы аппаратуры и составляющих ее элементов весьма важным представляется вопрос о смягчении ударных нагрузок на критичные к перегрузкам радиоэлектронные компоненты.
Подобные задачи решают чаще всего плавной или ступенчатой подачей питающих напряжений (токов) на защищаемый от перегрузок элемент, обеспечивая тем самым постепенный вывод его на рабочий режим.
Схема плавного включения накала, показанная на рис. 12.1, используется для кинескопов с UH-6,3 В и током накала IH=0,3 А, т.е. для большинства черно-белых кинескопов [12.2].
Через управляющий вывод микросхемы DA1 на общую шину протекает ток в несколько мА, который обеспечивает постоянное

Рис. 12.1. Схема устройства для плавного включения накала кинескопа

Подстроечным резистором R1 выставляют необходимое напряжение накала (7 В), желательно при отключенном конденсаторе СЗ.
Время нарастания напряжения на выходе устройства определяется емкостью конденсатора СЗ. Реально напряжение возрастает более 30 сек (со временем скорость этого процесса замедляется из-за утечки тока через резистор R1).
Микросхема DA1 крепится к радиатору площадью -20 см2.
Стабилизировать тепловой режим катода кинескопа, оптимизировать его на разных этапах эксплуатации, устранить броски тока в нити накала при включении телевизора позволяет устройство по схеме на рис. 12.2 [12.3].
В состав устройства входит регулируемый стабилизатор с плавным нарастанием напряжения, поступающего на подогреватель катода кинескопа, и задержкой подачи высокого напряжения на анод на время, необходимое для полного разогрева катода (около 2 мин).
смещение на резисторе R1. В результате «смещается» на соответствующий уровень и выходное напряжение.
При подключенном электролитическом конденсаторе СЗ, который изначально разряжен, цепочка R1C3 представляет в момент включения короткое замыкание. Напряжение на выходе микросхемы DA1 минимально (порядка 1,3 8). Затем, по мере заряда конденсатора СЗ, напряжение на резисторе R1 плавно нарастает, соответственно, увеличивается и напряжение смещения на управляющем входе микросхемы и, следовательно, выходное напряжение устройства (напряжение на нити накала кинескопа).
Стабилизатор собран на микросхеме DA1. При включении телевизора выпрямленное диодами VD1 — VD4 напряжение поступает на выводы 15 и 8 микросхемы. С выводов 13 и 8 микросхемы через резистор R1 и обмотку реле К1 стабилизированное напряжение поступает на подогреватель кинескопа. Резистор R1 играет роль датчика тока.

Рис. 12.2. Схема устройства стабилизации режима катода кинескопа

Плавное двухминутное нарастание выходного напряжения устройства в момент включения обеспечивается установкой в цепи коррекции и обратной связи микросхемы конденсаторов СЗ и С4.
Обмотка токового реле К1 рассчитывается так, что по достижении номинального тока подогревателя замыкаются контакты, которые включены в цепь питания узла синхронизации телевизора.
Вместо реле К1 можно включить реле напряжения К2, показанное пунктирной линией, например РЭС-9 (паспорт РС4.524.202), с напряжением срабатывания 5,5 В. Последовательно с обмоткой этого реле и подстроечным резистором R4 для более точной установки порога срабатывания можно включить дополнительный под-строечный резистор сопротивлением 10 Ом.
Для питания устройства наматывают на сетевом трансформаторе телевизора поверх имеющихся обмоток дополнительную обмотку в 19...21 виток проводом ПЭВ-1 диаметром 0,74...0,8 мм. Величина переменного напряжения на обмотке 13... 14,5 Б.
Для плавного регулирования тока через лампу накаливания предназначено устройство (рис. 12.3), которое содержит генератор импульсов и ждущий мультивибратор на микросхемах DA1 и DA2 [12.4]. Частота генерации задающего генератора — 40 кГц. На затвор полевого транзистора VT1 подается сигнал с широт-но-импульсной модуляцией. Это позволяет плавно регулировать выходную мощность от 0 до 100% при КПД, близком к 100%. Столь высокая эффективность обусловлена малым сопротивлением исток — сток полевого транзистора.
При разомкнутом переключателе полевой транзистор закрыт, лампа обесточена.

Рис. 12.3. Схема устройства для плавного регулирования тока через лампу накаливания

Рис. 12.4. Схема устройства замедленного включения лампы накаливания

Схема устройства, обеспечивающего «замедленный» режим включения ламп накаливания показана на рис. 12.4 [12.5].
Сетевое напряжение на устройство подается через выключатель SA1, плавкий предохранитель и помехоподавляющий фильтр (R1, С1 — СЗ и L1). Силовая часть схемы состоит из симистора VS1, динисторов VD3, VD4, резисторов R7 — R10, конденсаторов С5 и Сб. В узел управления входят транзистор VT1, диод VD1, стабилитрон VD2, оптрон U1, резисторы R3 -R6, конденсатор С4. Светодиод HL1 предназначен для индикации работы.
Устройство обеспечивает плавное зажигание лампы. Допускается также ручная регулировка яркости и скорости плавного погасания лампы. Плавное ее погасание происходит при размыкании контактов выключателя SA2.
При замыкании контактов выключателя SA1 выпрямленное диодом VD1 напряжение поступает на зарядную цепочку, состоящую из резисторов R3, R4, R5 и конденсатора С4. Контакты выключателя SA2 в это время должны быть разомкнуты. В первый момент полевой транзистор VT1 закрыт, лампа EL1 не горит. Для защиты транзистора от пробоя установлен стабилитрон VD2. Продолжительность заряда конденсатора С4 определяется сопротивлением резисторов R4 и R5, резистор R3 ограничивает падение напряжения на конденсаторе С4.
После замыкания контактов выключателя SA2 напряжение на конденсаторе С4 начинает нарастать, лампа EL1 плавно зажигается, поскольку начинает открываться транзистор VT1, напряжение на выводах 1 и 3 оптрона U1 возрастает, а темновое сопротивление встроенного фоторезистора (выводы 2, 4) уменьшается, что приводит к отпиранию симистора VS1. Конечное напряжение EL1 определяется сопротивлением резистора R7: чем оно больше, тем меньше напряжение на лампе. Яркость лампы после ее включения устанавливают переменным резистором R8. При любом положении движка резистора лампа будет плавно зажигаться или гаснуть. Для того чтобы погасить лампу, надо разомкнуть SA2. При этом напряжение на конденсаторе С4 начинает постепенно уменьшаться, и лампа гаснет полностью. При длительных перерывах следует снимать напряжение выключателем SA1.
Симистор VS1 типа ТС-106-10 или его аналог КУ208Густа-навливают на теплоотвод площадью 10, 16, 25 или 65 ел/ при мощности нагрузки 200, 300, 500 или 1500 Вт, соответственно. Дроссель L1 имеет 215 витков провода ПЭВ-2 0,51 на стержневом сердечнике диаметром 8 и длиной 40 мм из феррита 400НН.
При напряжении сети 220 В ток потребления устройства составляет приблизительно 8 мА.
Устройство «мягкого» бесконтактного включения кинескопа (рис. 12.5) состоит из узла ограничения и задержки на ламповом диоде (кенотроне) VL1 [12.6]. Трансформатор Т1 согласовывает сопротивления цепей накала кинескопа и диода VL1.

Рис. 12.5. Схема устройства «мягкого» бесконтактного включения кинескопа

Первичная обмотка трансформатора Т2 включена в на-кальную цепь кинескопа. К его повышающей обмотке подключен циодный мост VD1 — VD4, нагруженный на кенотрон VL1 и обеспечивающий, пока он закрыт, выходное напряжение 220...240 8 на некоторое время после включения питания. Это напряжение поддерживает в закрытом состоянии электронные прожектора <инескопа на время прогрева его катодов.
При включении телевизора напряжение на нити накала кинескопа уменьшено до 3,25 В (при токе 0,4 А) из-за падения на индуктивном сопротивлении первичной обмотки трансформатора П. В результате постепенного прогрева катода лампы VL1 ток че->ез нее возрастает до 30 мА в течение 18 сек. Кенотрон шунтиру-!Т через диодный мост вторичную обмотку трансформатора Т2. Одновременно напряжение нити накала кинескопа вырастает до те 6,3 В при токе 0,8...0,9 А. Напряжение на выходе диодного моста VD1 — VD4 плавно падает до 5 Б в течение 25 сек из-за шунтирующего действия лампового диода VL1.
Время спада закрывающего кинескоп напряжения зависит от постоянной времени цепи модуляторов кинескопа, т.е. емкости конденсатора С1. Диод VD5 разделяет времязадающие цепи накала и модулятор кинескопа.
В качестве согласующего использован выходной трансформатор звука от телевизора «Радуга-703». Для обеспечения стабилизации необходимо увеличить напряжение на накальной обмотке силового трансформатора до 8,4 В, намотав дополнительную обмотку поверх одной из катушек. Эту обмотку из 5 витков провода ПЭВ-1 0,55 мм включают последовательно-син-фазно с основной.

Рис. 12.6. Схема устройства плавного включения лампы накаливания

Для защиты осветительной лампы накаливания предназначено устройство, схема которого приведена на рис. 12.6 [12.7]. Оно обеспечивает плавную регулировку максимальной мощности лампы. При включении лампы переключателем SA1 геркон, закрепленный на язычке переключателя, включает зарядную цепочку, состоящую из накопительного конденсатора С1 и резистора R3. В процессе заряда конденсатора частота работы генератора импульсов на однопереходном транзисторе VT1 будет повышаться. На нить накала лампы будут поступать нарастающие по амплитуде
1 честоте импульсы питания, а яркость лампы будет плавно орастать.
Максимальную яркость лампы можно устанавливать резитором R5. С лампами повышенной мощности (более 75... 100 Вт) иристор следует установить на теплоотвод, а в выпрямителе исользовать более мощные диоды.
В два этапа позволяет подать напряжение на лампу накали-ания EL1 устройство по схеме на рис. 12.7 [12.8]. При включении стройства в первые секунды ток протекает через гасящее сопро-лвление R1 и нить лампы накаливания. Одновременно через ыпрямитель с бестрансформаторным питанием заряжается кон-енсатор С2. Параллельно этому конденсатору подключена об-отка реле. Через некоторое время (0,2...0,3 сек), определяемое эоизведением сопротивления обмотки реле на величину емко-ги конденсатора С2, реле сработает. Его контакты закоротят юящее сопротивление R1, предварительно разогретая нить наша лампы окажется полностью подключенной к сети.

Рис. 12.7. Схема устройства для ограничения «холодного» тока ламп накаливания

Поскольку на резисторе R1 избыточная мощность выделяя кратковременно, можно использовать резистор, рассчитан-й на мощность 2 Вт. Величина сопротивления этого резистора ч маломощных (до 60...75 Вт) ламп составляет 750 Ом, для бо-э мощных — 400 Ом и менее.
Реле — типа РЭС-15 РС4-591-001. Стоит отметить, что это (боточное реле работает в щадящем режиме, и его хватит.
Принцип действия устройства [12.9], предназначенного для двухступенчатого подключения нити накала кинескопа к источнику питания, ясен из рис. 12.8. При включении устройства ток через нить накала вначале протекает через резистор R5. Одновременно заряжаются конденсаторы двух реле времени — 01 и С2. Постоянная времени этих реле зависит от величины сопротивлений (R1 и R3), через которые заряжаются накопительные конденсаторы.

Рис. 12.8. Схема устройства двухступенчатого подключения нити накала кинескопа к источнику питания

После того как напряжение на конденсаторе С1 (С2) превысит некоторый порог, откроется составной транзистор VT1, VT2 (VT3, VT4). Для этого достаточно 32 и 10 сек, соответственно.
Реле К2 своими контактами шунтирует гасящий резистор R5, на нить накала подается полное напряжение питания. Реле К1 включает ускоряющее напряжение на кинескоп.
В схеме использованы реле РЭС-10, РЭК-43, КУЦ-1 или иные с током срабатывания 18...40 мА при напряжении 10... 15 Б.
Отметим, что схему можно усовершенствовать: если использовать реле К1 с дополнительной контактной группой, можно организовать трехступенчатое включение нити накала.
Для увеличения срока службы мощных дорогостоящих и дефицитных радиоламп (в выходных каскадах передатчиков),
кинескопов, прожекторных, кинопроекционных, осветительных и других ламп, нагревательных элементов используют ступенчатое или плавное включение нити накала на полную мощность [12.1].
Устройство (рис. 12.9) позволяет производить автоматическое пятиступенчатое нарастание тока через нить накала до номинального значения [12.1].
Базовый элемент схемы (элементы 1а — 1d), выполненный на 1/4 части четырехканального коммутатора К561КТЗ, приведен на рис. 12.9 (внизу слева). При включении устройства на нить накала через цепочку последовательно соединенных резисторов R2a — R2d подается напряжение накала. На нити накала выделяется до 20% от номинальной мощности (Рном). На управляющие электроды /ШО/7-коммутаторов и накопительные конденсаторы С элементов 1а — 1d через резисторы R1a — R1d подается постоянное напряжение (рис. 12.9). Постоянную времени срабатывания управляющих ключей определяют значения сопротивлений резисторов (R1d>R1c>R1t»R1a>50 кОм). Когда конденсатор С, подключенный к управляющему электроду коммутатора, зарядится до напряжения срабатывания соответствующего электронного ШО/7-ключа, коммутатор «замкнется», база транзистора через эезистор 10 кОм будет подключена к «плюсовой» шине питания и зеле сработает. После срабатывания первого коммутатора конакты реле К1а замкнут резистор R2a, и нить накала будет по-реблять до 40% Рном. Через некоторое время сработает второй коммутатор, контакты реле К1Ь замкнут резисторы R2a, R2b, и ia нити накала будет выделяться до 60% Рном.
Одновременно, в силу того, что на коллекторе транзистора появится напряжение низкого уровня, через диод (вывод блока 1Ь) конденсатор С блока 1а будет подключен к «ми-усовой» шине питания; напряжение на управляющем входе оммутатора блока 1а снизится до значения логического нуля; /WO/7-коммутатор блока разомкнется, и реле К1а отключится, энтакты К1а разомкнутся.
Через некоторое время сработает коммутатор блока 1с, спючатся контакты реле К1с (80% Рном) и отключится реле блока э (и 1а) и, соответственно, контакты реле К1Ь (и К1а). Затем, на->нец, сработает коммутатор блока 1d, включив нить накала на Ю% мощность и отключив реле предыдущих блоков 1а — 1с.

Рис. 12.9. Схема устройства защиты мощных радиоламп

Мощность, потребляемая устройством, не превышает 1 Вт и определяется, главным образом, типом используемых реле (ток срабатывания до 100 мА).
При необходимости количество управляющих элементов 1а — 1d может быть уменьшено (с ухудшением режима коммутации мощности), либо, напротив, увеличено. Незадействованные , контакты реле могут быть использованы для управления схемой отсроченной подачи высоковольтного напряжения на электроды лампы.
Резисторы R2a — R2d подбирают следующим образом: последовательно с нитью накала включают проводник из нихрома и подбирают отрезки проводника без его разрезания до выделения на нити накала 20, 40, 60, 80% Рном (!ном). Нихромовый провод навивают затем на резистор типа ВС-2 (или керамическую трубку) с дополнительно закрепленными контактами бандажного типа и припаивают с использованием флюса из ацетилсалициловой кислоты (аспирина) к торцевым и промежуточным контактам. Места пайки во избежание коррозии промывают спиртовым раствором.
Выбор соотношения (значений) сопротивлений резисторов R1a — R1d определяет динамику разогрева нити накала. Скорость разогрева нити накала индивидуальна для каждого типа радиолампы и зависит от массы нити накала и подводимой мощности: для ламп прямого накала время выхода на стационарный режим может составлять единицы секунд; для ламп косвенного подогрева — единицы — десятки секунд. В этой связи выбор значений R1a — R1d желательно производить экспериментально по времени выхода на стационарное значение 20, 40, 60, 80,100% Рном.
Поскольку напряжение и ток накала (UH, IH) электровакуумных приборов существенно различаются, например, для ламп ГУ15 4,8 В/0,68 А; ГУ32 6,3 S/1,6 A (12,6 Б/0,8 А); ГУ 19 6,3 В/2 А; ГУ29 6,3 Б/2,25 А; ГИЗО 6,3 Б/2,25 А (12,6 6/1,125 А); ГУ13 10 6/5 А; ГУ50 12,6 6/0,7 А; ГУ80 12,6 6/10,5 А; ГК71 20 6/3 А; нерно-белых кинескопов — 6,3 Б/0,3 А; цветных кинескопов — 5,3 6/0,9 А, то для питания микросхемы К561КТЗ (либо ее аналогов — К564КТЗ, К176КТ1) можно использовать простейший ста-эилизатор напряжения (9... 15 6 для микросхем К561, К564 и 9 Б для К176), либо питание схемы защиты и накальных цепей произ-юдить от раздельных источников.
Тип реле выбирают по надежному срабатыванию при относительно низком напряжении питания, а также по значению предельных токов коммутации.
Большое разнообразие схем защиты нитей накала электровакуумных приборов (ламп, кинескопов и т.п.) сводится к стабилизации питающего напряжения или тока, защите от их превышения на нити накала, к замедленному разогреву нити и отсроченному включению ускоряющих напряжений.
Ряд подобных схемных решений, связанных, например, со стабилизацией напряжения или тока может привести к совершенно противоположному эффекту: при выходе из строя стабилизатора на защищаемую нить накала может поступить повышенное напряжение, и нить перегорит.
Для многоуровневой защиты особо ценных ламп накаливания, кинескопов с трансформаторно-сетевым питанием, мощных радиоламп предназначено устройство (рис. 12.10), которое обеспечивает плавное повышение напряжения на нити накала, стабилизацию выходного напряжения, двойную защиту по току и одинарную — по напряжению [12.10].
В качестве сервисных функций предусмотрен визуальный контроль включения устройства и скорости нарастания напряжения на выходе стабилизатора, а также индикация перегорания предохранителя.
Схема рассчитана на защиту нити накала с питанием переменным током напряжением 6,3 В, но может быть приспособлена для работы и с другими напряжениями.
Напряжение переменного тока, снимаемое с обмотки силового трансформатора, подается на диодный мост — диоды VD1 — VD4. К выходу выпрямителя подключен стабилизатор напряжения с защитой по току нагрузки и плавным нарастанием выходного напряжения с момента включения устройства. Стабилитрон VD5 и светодиод HL1 обеспечивают формирование опорного напряжения. Потенциометр R2, включенный параллельно светодиоду HL1, позволяет плавно регулировать выходное напряжение. Одновременно светодиод HL1 индицирует включенное состояние устройства. RC-цепь (R3, С2) обеспечивает плавное (до 50 сек) нарастание выходного напряжения.

Рис. 12.10. Схема устройства для многоуровневой защиты цепей нагрузки

Рис. 12.11. Схема индикации перегорания предохранителя

Светодиод HL2 является индикатором выходного напряжения и, одновременно, датчиком тока в цепи нагрузки. При увеличении тока нагрузки управляющий транзистор VT2 плавно запирается, ограничивая ток через транзистор VT1. Цепочка, состоящая из мощных германиевого диода VD6 (ДЗОЗ — Д306) и стабилитрона VD7 (Д815Б), ограничивает напряжение на нити накала при повреждении транзистора VT1 (коротком замыкании). Наконец, элементом защиты является плавкий предохранитель FU1, срабатывающий при длительном протекании сверхкритического тока через короткозамкнутый транзистор VT1, диодно-стабилитронную цепочку ограничителя напряжения (VD6, VD7) и нить накала.
Для индикации перегорания предохранителя может быть использована схема на рис. 12.11. При перегорании предохранителя FU1 открывается транзистор VT1 (рис. 12.11), включая параллельно цепочке формирования опорного напряжения (све-тодиод HL1 и стабилитрон VD5) светодиод HL /А/7307 красного свечения. Светодиод HL1 зеленого свечения (индикатор включения) при этом гаснет. Для использования дополнительных уровней защиты — включения ускоряющих напряжений по мере прогрева лампы (кинескопа) — параллельно нити накала может быть подключено реле, срабатывающее при напряжении, например, 5 б.
Транзистор VT1 должен быть установлен на алюминиевом или медном радиаторе с площадью поверхности не менее 40 см2.
Устройство, разработанное О. В. Белоусовым (рис. 12.12), предназначено для облегчения режима эксплуатации кинеско-па [12.11].
Сетевое напряжение подается на трансформатор ТВК-110М, понижается до необходимого уровня, выпрямляется и стабилизируется. На составном транзисторе (полевом VT1 и биполярном VT2) собран генератор линейно нарастающего напряжения. Скорость нарастания напряжения определяется постоянной времени RC-цепи — C2(R3+R4). С выхода генератора это напряжение поступает на базу транзистора VT3, управляющего режимом мощного транзистора VT4. К выходу этого каскада и подключена нить накала кинескопа.
Одновременно к коллектору мощного транзистора VT4 подключены через резисторы (R11 и R12) и стабилитроны (VD7 и VD8) цепи, управляющие работой тиристоров VS1 и VS2. После того как напряжение на коллекторе транзистора VT4 превысит порог включения стабилитрона VD7 (5,2...5,6 В), тиристор VS1 отопрется, сработает реле К1 и своими контактами К1.1 подключит телевизор к сети.
Второй тиристор — VS2 предназначен для защиты нити накала кинескопа от перенапряжения. Такая ситуация возможна при повреждении транзистора VT4. Если напряжение на нити превысит порог срабатывания (включения стабилитрона VD8) защиты (8 В), включится тиристор VS2 и закоротит цепи питания. Одновременно отключится и сам телевизор.
Общий провод устройства не должен быть соединен с общим проводом телевизора.

Рис. 12.12. Схема устройства оптимизации режима эксплуатации кинескопа

Рис. 12.13. Схема задержки подключения нагрузки

Схема задержки подключения нагрузки, опубликованная в одном из зарубежных журналов, содержит тиристорный ключ, последовательно соединенный с нагрузкой (рис. 12.13). При включении питающего напряжения постоянного тока тиристор вначале заперт. После того как конденсатор С через резистор R1 и сопротивление нагрузки зарядится до напряжения переключения дини-стора VD1, он перейдет в проводящее состояние, а конденсатор С разрядится на управляющий переход тиристора. Тиристор переключится в проводящее состояние, когда падение напряжения на нем минимально (обычно единицы вольт) и подключит нагрузку.
Такие устройства могут быть полезны при необходимости поочередно-последовательного включения нагрузок.