\главная\р.л. конструкции\источники питания\...

Мягкий старт или много шума… при включении устройств.

Перевод технических статей LX2KLS, расположенных на сайте http://www.kristronic.com/

Включение в сеть устройств, содержащих большие силовые трансформаторы, происходит при больших начальных токах, которые сродни токам короткого замыкания. Этот стартовый бросок тока может превышать номинальный рабочий для данного устройства ток в 20 и более раз и длится около 10 мсек, за которые происходит 30…40 периодов переменного тока, пока ток не спадёт до номинального уровня. У трансформаторов очень большой бросок тока в первую половину периода после включения.

Амплитуда тока включения зависит от качества трансформатора, его конструкции и импеданса питающей сети. Сеть с низким импедансом обеспечит больший бросок тока, чем сеть с высоким импедансом. Индуктивные нагрузки потребляют в момент включения очень большие токи, до тех пор, пока не стабилизируется магнитный поток в сердечнике.

Стартовый ток определяется фазовым углом синусоидального напряжения, приложенного к первичной обмотке, амплитудой и направлением действующего магнитного потока в сердечнике трансформатора. Когда на импульсный источник питания не подано напряжение, его сглаживающие выпрямленный ток конденсаторы разряжены. При включении питания, входной ток резко нарастает, так как разряженные конденсаторы вносят в схему в начальный момент, практически, короткое замыкание, постепенно заряжаясь. Из-за этого импульсные источники питания могут развивать чрезвычайно большие токи включения, в более чем 100 раз, превышающие номинальные рабочие. Ограничивают эти токи различные схемные решения и условия, такие, например, как импеданс линии питания, падение напряжения на выпрямительных диодах и последовательном реактивном сопротивлении конденсаторов фильтра и, поэтому, меньше теоретического максимума.

Ток включения перегружает детали блока питания и может привести к их повреждению, например, оплавлению контактов в выключателях и реле в результате возникающей “дуги”.

Большие стартовые токи можно ограничить использованием устройств “мягкого” включения. Токи включения и “возмущение” питающей сети уменьшаются, а это позволяет избавиться от аварийного срабатывания сетевых автоматов - пускателей (прерывателей).

Ток включения цепей накала ламп.

Нить накала холодной лампы имеет сопротивление, примерно, в 1/10 сопротивления горячей. Поэтому и ток включения накала ламп будет в 10 раз превышать номинальный для цепи накала, пока не уменьшится при прогреве нити. Большой пусковой ток перегружает нить накала, разрушает её структуру, приводит к появлению микротрещин, снижает её эмиссионную способность и долговечность. Чтобы продлить срок службы лампы, пусковой ток её накала должен быть ограничен.

Хорошим выходом из положения является применение отдельного небольшого накального трансформатора, рассчитанного “только-только” на ток накала применённых ламп, без большого запаса. Это снизит ток включения. (Из-за падения напряжения на вторичной обмотке, намотанной на малом сердечнике и, относительно, нетолстым проводом; в первом случае – ограничение магнитного потока из-за насыщения малого сердечника трансформатора, во втором – падение напряжения на сопротивлении провода накальной обмотки). Если используется накальный трансформатор с “запасом” по мощности, можно применить NTC-термистор (ограничитель стартового тока), включив его последовательно в цепь первичной обмотки трансформатора накала. Как ни пляши, а для плавного включения устройств в сеть нужен пошаговый метод, позволяющий уменьшить стартовые токи у силовых трансформаторов, в накальных цепях, устранить перегрузки деталей выпрямителей при заряде фильтрующих конденсаторов, удлинняя время их заряда. В большинстве устройств время пошагового включения занимает не более 0,5…4 секунды. Чтобы уменьшить перегрузки накальных цепей, пусковой ток в них должен быть ограничен величиной в два раза превышающей номинальный рабочий.

Пошаговое включение.

Токоограничивающий резистор включен последовательно в цепь первичной обмотки силового трансформатора и, после того, как будет подано питание, резистор закорачивается, как только закончится время выдержки реле времени (таймера), обеспечивается нормальный рабочий режим питания устройства. Пошаговое включение, использующее токоограничительный резистор, не искажает формы питающего напряжения, что бывает, в некоторых случаях, важным.

“Мягкий старт” - путём управления углом “отсечки” фазы.

Эффективный и часто используемый метод управления мощностью, подаваемой в нагрузку, заключается в применении, управляемых углом “отсечки” фазы твёрдотельных (полупроводниковых) реле (ТТР) или тринисторов (тиристоров, симисторов). Управление углом “отсечки” фазы применимо для всех видов нагрузок: резистивных и индуктивных.

“Мягкий старт”, использующий ТТР, является одним из лучших способов уменьшения токов включения. Управление углом “отсечки” фазы - способ использования ТТР или тринистора в цепи подвода питания к нагрузке на определённое установкой время каждого цикла переменного тока. В этом режиме ТТР или тринистор находится в закрытом состоянии часть положительного и отрицательного полупериодов, затем, открывается на время, определяемое управляющей схемой. Другими словами, угол “отсечки” фазы, определяемый управляющим устройством “мягкого старта” не позволяет получить чистую синусоиду в нагрузке за период действия такого “старта”. ( См. форму напряжения на рисунке).

Устройство “мягкого старта” действует на протяжении многих периодов переменного тока, этим уменьшая стрессовую нагрузку для компонентов блока питания (зачастую, и питаемых устройств) и предотвращает большие токи, приволящие к насыщениям, например, сердечников трансформаторов, дросселей.

Устройство управления фазой, при “мягком старте”, имеет схему управления углом отсечки фазы, которая со времени включения питания, постепенно, увеличивает время состояния “включено” на протяжении ряда периодов и мощность, подаваемая в нагрузку, таким образом, возрастает, достигая рабочей нормы. Если нагрузкой является усилитель, сглаживающие конденсаторы в его фильтре питания заряжаются линейно во время данного периода с “отсечкой”. Также защищены от стресса другие компоненты блока питания и усилителя. Обычным является применения такого метода “мягкого старта” с резистивными (активными) и индуктивными (реактивными) нагрузками, исключение составляют нагрузки, требующие чисто синусоидального входного напряжения питания.

(Следует особо отметить и, не упомянутый автором, вклад в технику “мягкого старта”, включенных в цепь переменного тока последовательно, конденсаторов, ёмкость которых рассчитана на рабочий ток нагрузки. В момент включения, например, холодной нити накала, напряжение, подаваемое на неё будет меньше нормы и, с прогревом, возрастёт до этой нормы, таким образом, ограничивая стартовый ток. Эта - хорошая альтернатива накальному трансформатору, однако, имеет и недостатки, например, не изолирует накальную цепь от сети, хотя, ведь, можно применить и два конденсатора,: по одному в каждый провод сети, увеличив их ёмкость против рассчётной для одного конденсатора вдвое. При больших токах накала габариты конденсатора(ров), рассчитанных на полное напряжение в питающей сети, могут оказаться намного больше, чем у накального трансформатора. Кроме того, следует обратить внимание и на безобрывность нагрузки, так как, включение цепи накала, без лампы в панели или обрыве её нити накала приведет к появлению полного сетевого переменного напряжения и развязывающие конденсаторы фильтра накальной цепи, как правило, рассчитанные на меньшее напряжение, выйдут из строя. Осторожно нужно подходить, в этом случае, и к параллельным нагрузкам: если из включенных параллельно двух нитей накала сгорит одна, то напряжение накала возрастёт и сгорит другая. Отсюда требования: применять конденсаторы фильтра в цепи накала, рассчитанными на полное напряжение сети, а нити накала идентичных ламп включать последовательно. Контакты в цепи накала должны быть безупречными).

Каким выбирать время действия “отсечки ” фазы?

Оптимальное время действия “отсечки” фазы для “мягкого” включения зависит от области применения устройства и для каждого вида нагрузки является индивидуальным: в некоторых случаях может составить несколько секунд. Для двигателей (насосов, например) будет достаточно 0,2…0,7 сек., а, если используется и “мягкое” отключение, то здесь время составит примерно 1 сек. Время действия прямого (при включении) и обратного (при выключении) “усечения” фазы зависит от типа нагрузки и определяется экспериментально.

Твёрдотельные (полупроводниковые) реле (ТТР).

У ТТР нет движущихся частой, а теоретический срок их работоспособности неограничен. Любая их неисправность, как правило, лежит вне их корпуса, поэтому, при эксплуатации ТТР, следует соблюдать некоторые эксплуатационно-технические ограничения. Очень важен при работе ТТР достаточный отвод тепла, так как это сильно влияет на работоспособность ТТР, Большей частью отказ реле происходит, именно, по причине перегрева. Чтобы не снижать надёжность ТТР, не следует, ни в коем случае, превышать 80% мощности, которой максимально может управлять ТТР. Другим важным фактором, влияющим на надёжность ТТР, являются разрушительные токи “прострелов” ( “пробоев” ). Почти во всех нагрузках встречаются как пусковые, так и неуправляемые “пробивные” токи. Выбирайте ТТР с запасом на такие токи, чтобы, в любом случае, ТТР смогли выдержать перегрузки. Обычно пробивной ток ТТР в 10 раз больше максимально допустимого тока нагрузки (по паспорту на ТТР), который является током за время действия одного периода переменного тока.

Фильтрация.

Управляемые по фазе ТТР и тринисторы генерируют РЧ помехи в широком диапазоне частот. Чтобы не превышать норм на электромагнитную совместимость нужно обязательно использовать подходящий подавляющий РЧ помехи фильтр. Обычно фильтрация не нужна, когда нагрузка включается и выключается менее 5 раз в минуту и используется в жилищных массивах и частных домах.

Чтобы защитить нагрузку и ТТР от “гуляющих” по питающей сети высоковольтных импульсов, используйте металл-оксидные варисторы, ставя их между ”фазой” и “нулём”, “фазой” и “землёй” и между “нулём” и “землёй”. Также установите варистор параллельно выходным выводам ТТР, чтобы уберечь его от возникающих в сети высоковольтных импульсов. Для подключения используйте короткие выводы, которые, кстати, находятся конструктивно близко друг от друга, чтобы уменьшить действие наведённого высоковольтного импульса из-за конечной индуктивности выводов и используйте низкие активные сопротивления, включаемые в цепи питания нагрузок (с целью увеличения фильтрации), чтобы уменьшить падение напряжения.

Высокие напряжения могут возникать в самой электрической сети: из-за высоких импедансов или индуктивных нагрузок (генерироваться нагрузкой). Индуктивные нагрузки, такие как: трансформаторы, дроссели и электродвигатели могут создавать значительные уровни высоковольтных “выбросов”, а, значит и большие разрушительные токи. Лучшим выходом из положения может быть выбор ТТР с большим запасом по току, хотя для некоторых устройств это может оказаться делом трудным (радиолюбители осваивают всё более мощную технику).

Чтобы правильно выбрать варистор, нужно знать:

• Максимальное действующее напряжение, питающее устройство.

• Максимальное количество энергии, которое необходимо поглотить варистором (расчёт для худшего случая).

• Выбирайте варистор, который имеет желаемую характеристику ограничения напряжения в районе на 10…25% выше максимального рабочего (с учётом амплитудного его значения и суточного его хода, в зависимости от нагрузки сети) напряжения в питающей сети.

Варисторы.

Металл-оксидный варистор отлично защищает от перенапряжения устройства, поглощая высоковольтные скачки напряжения в сети. В функцию варистора входит закорачивание потенциала, когда он переходит определённый порог. Таким образом, варистор устраняет причину, приводящую к образованию разрушающих токов и защищающих как нагрузку, так и ТТР. Знайте, что варистор не вечен !

После нескольких больших “ударов” или множества небольших, варистор может выйти из строя, он может “испариться”, сгореть (и стать причиной пожара) и (даже) взорваться. … И не будет больше варистора, а, значит, и защиты. (За варисторами нужно присматривать, а проверять и подбирать их по характеристикам поможет высоковольтный тестер, перевод описания которого также размещён на сайте краснодарских радиолюбителей).

NTC – термистор.

NTC-термисторы (ограничители пускового тока) обычно включаются во входные цепи источников питания, последовательно, для ограничения пусковых токов. Их применение в импульсных источниках питания обусловлено желанием защитить конденсаторы фильтра, выпрямительные диоды и другие детали. При включении устройств в сеть, термистор оказывает высокое сопротивление пусковому току, значит, на нём “падает” большое напряжение, которое обусловливает большой ток через термистор, мощность, выделяемая на термисторе быстро разогревает его и приводит к резкому падению его сопротивления, падение напряжения на термисторе стремится к нулевому (но нулевым, при включенной нагрузке никогда не будет, иначе, термистор остынет и процесс “старта” повторится - появится своеобразная “генерация”), термистор, ограничив пусковой ток, отключается. Здесь также есть свои ограничения. Разогретый термистор требует время на остывание после отключения нагрузки перед её повторным включением. В это время происходит повышение сопротивления термистора. Время, необходимое для остывания термистора, около минуты, - это означает, если в сети кратковременно исчезнет энергия, или, если питание будет выключено выключателем вручную и сразу же включено вновь, термистор не “сослужит свою службу”: его сопротивление будет ещё мало и он не сможет ограничить пусковой ток устройства, в котором применён.

Плавкие предохранители.

Чтобы уберечь от выхода из строя ТТР, в некоторых случаях можно применить калиброванные быстродействующие плавкие предохранители “с разрывом”. Однако, лучшим способом защиты ТТР являются быстродействующие полупроводниковые предохранители или, как их ещё называют, - прерыватели (размыкатели) цепей.

Пошаговое включение

В приложениях, таких как РЧ усилитель пошаговое включение уменьшит пусковой ток трансформатора. Оно также уменьшит начальный ток накала ламп, если правильно выбрано время прогрева нитей накала и величина токоограничивающего резистора. Пошаговое включение позволит осуществить постепенный плавный заряд конденсаторов фильтра выпрямителя блока питания, что устранит перегрузку других компонентов блока. Токоограничивающий резистор включен в цепь первичной обмотки силового трансформатора последовательно и исключается из этой цепи, (закорачивается), когда заканчивается время задержки, обусловленное таймером. Имеется встроенная функция автоматического сброса.

В этом примере пошагового включения используются модульные реле (пускатели), часто используемые в электрических цепях (в распределительных щитах квартирной электропроводки, например). Такие реле монтируются (набираются в пакет) в шины специального профиля и крепятся с их помощью. Использованные автором реле ER120 и EZ001 выпускаются (фирмой) “Hager“.

Пошаговое включение можно применять и во многих других случаях. Использование пошагового включения с токоограничительным резистором, как показано на схеме, не искажает форму питающего переменного тока, в отличие от фазоимпульсного способа, а в некоторых случаях это условие является важным.

Чтобы включить устройство пошагового включения нагрузки в сеть, на короткое время нажмите на кнопку S1. Якорь реле К1 притянется и питание будет подано в нагрузку через токоограничивающий резистор R1. Через установленное в таймере время сработает реле К3 и реле К2 закоротит резистор R1, что позволит питать нагрузку полным рабочим током. Чтобы выключить устройство достаточно кратковременно нажать кнопку S2 и К1 отпустит якорь.

Реле таймера задержки К3 имеет переключатель диапазонов времени задержки и установочный потенциометр. В случае применения устройства с РЧ усилителем (РА), используется диапазон задержек 0,5…4,0 секунд. Оптимальное время задержки зависит от схемы усилителя, применённых в нём деталей. Если случится перерыв в подаче питания от сети, функция автосброса позволит избежать включения устройства после появления такового, т. е., не позволит бесконтрольно включится нагрузке. Переключателем S3 выбирается токоограничительный резистор сопротивлением 50 или 100 Ом. Это полезно, так как даёт возможность регулировать пусковые токи в случае применения устройства с другими РА. Оптимальное значение сопротивления токоограничивающего резистора зависит от нагрузки (схемы РА).

Реле (пускатели) К1 и К2 (Hager ER120) работают почти бесшумно. Выбирая другие типы пускателей, убедитесь в их бесшумном срабатывании, если устройство будет применяться в условиях тишины. Некоторые типы реле (пускателей) страдают также акустическими шумами (гудением с частотой сети), связанными с протеканием переменного тока по их обмоткам.

Измерение тока включения и “пошаговое” включение линейного усилителя мощности Drake L-4B.

У усилителя мощности Drake L-4B нет устройства “мягкого” включения, но, используя его, можно ограничить (или избежать их вовсе) нежелательные эффекты и, этим самым, повысить ожидаемую продолжительность “жизни” РА, т. е., его ламп и других деталей. Для технического объяснения сути стартового тока см. раздел “Tech” на моём сайте Soft Start.

L-4B - это 2000 Вт РЕР любительский усилитель мощности на КВ диапазоны 3,5…30 МГц, использующий два мощных триода Eimac 3-500Z с торированными катодами прямого накала. Напряжение накала 5,0 В +/- 0,25 В, ток накала (действующее значение) – 14,6 А на лампу. Нити накала ламп соединены параллельно. Накальный трансформатор отдельный.

Измеренное напряжение, в действительности в РА, оказалось равным 4,85 В при напряжении в сети 230 В. Имея пониженное напряжение накала, можно продлить “жизнь” ламп. (Слишком понижать напряжение накала не следует, так как это ведёт к недогреву катода и вырыванию из его тела “целых кусков”, снижая, таким образом, эмиссию и, также, уменьшая долговечность ламп, следует также учесть и суточные колебания напряжения в питающей сети, чтобы не выскочить за рекомендуемые эксплуатационные рамки).

Тестируемый РА имел потребляемый от сети ток 1,2 А (действующее значение) в режиме CW/”Настройка” – положение “Stand By” ( без подачи на него возбуждения).

Условия испытания: Таблица 1

В Таблице 2 Вы видите данные измерения тока включения трансформатора питания (худший случай) в двух различных местах: в месте А - более высокий импеданс питающей сети, в месте В - очень низкий и поэтому здесь пусковой ток имеет большую величину. Для сравнения также показан ток включения трансформатора РА Dentron MLA-2500B. Для целей большего соответствия применению на практике, для дальнейших экспериментов в этом направлении выбрано место А. Если дополнительно не обозначено, то значения токов в таблице - пиковое.

Таблица 2

Действующее значение токов (по паспорту) для этих РА составляет примерно 10 А

L-4B: Ток включения трансформатора превышает рабочий в 10 раз в месте А, в месте В значение этого тока больше в 14 раз.
MLA-2500B: То же, в месте А - в 12 раз, в месте В – в 16 раз.

Отсюда ясно, что и выходная мощность РА в месте А будет меньше, чем в месте В.

Ток включения силового трансформатора L-4B:

Кривая тока включения в цепи первичной обмотки силового трансформатора. Продолжительность стартового режима примерно 20 мсек и имеет отрицательный выброс.

Ток включения накала:

При включении с холодной нитью накала (при температуре окружающей среды) начальный пик тока составил 117 А (действующее значение 83 А). Это в 2,8 раз больше номинального значения, что, в общем-то, - неплохо и получается благодаря применению накального трансформатора, рассчитанного под лампы (без “запаса”). Тем не менее, чтобы ограничить перегрузку нитей накала (токовый удар), необходимо ещё снизить пусковой ток до, максимально, в два раза превышающего номинальный, рабочий.

Ток включения накала (графический вариант):

Длительность тока включения составляет примерно 2 секунды, пока его значение станет равно номинальному, рабочему. У холодной лампы сопротивление нити накала в 10 раз меньше такового у горячей. Поэтому, при включении питания, стартовый ток может превышать номинальный рабочий до 10 раз, пока температура нити достигнет своей номинальной величины.

Без “мягкого старта”, как видно из результатов измерений, приведённых выше, ток включения может создать следующие проблемы:

• Нежелательное срабатывание “на выключение” пусковых автоматов.

• Мигающее освещение в доме.

• Разрушение контактов выключателей питания, которые не рассчитаны на пропускание таких больших токов, из-за возникающей дуги контакты оплавляются, приходят в негодность.

• Стресс для конденсаторов фильтра выпрямителя и других деталей блока питания.

• Известно, что большинство неисправностей возникает в момент включения.

• Перегрузка нитей накала укорачивает их “жизнь”.

Всех этих проблем можно избежать правильно рассчитав и применив устройство “мягкого старта”. И Ваш РА будет долгожителем.

Устройство „мягкого“ включения может быть изготовлено с использованием:

• Регулируемого (авто)трансформатора (ЛАТРа) достаточной мощности, к которому подключена первичная обмотка силового трансформатора РА. Регулировка напряжения ведётся медленно, вручную, с нуля до номинального напряжения сети.

• Установки в цепь первичной обмотки трансформатора питания последовательно токоограничительного резистора. После заданной реле времени (таймером) выдержки, резистор замыкается накоротко и номинальный рабочий ток проходит к силовому трансформатору РА. Чтобы уменьшить пусковой ток в первичной обмотке накального трансформатора, последовательно с ней включается NTC - термистор (ограничитель пускового тока). Как бы там ни было, а пошаговое включение РА рекомендуется применять всегда. Так как это позволяет избавиться от всех вышеперечисленных проблем.

Пусковой ток цепи накала с 50-омным токоограничительным резистором:

Пиковый ток 63 А (45 А - действующее значение). Это в 1,5 раза превышает номинальное значение. Первоначальное “мягкое” увеличение амплитуды тока накала обусловлено зарядкой фильтровых конденсаторов.

Графическое представление зоны пускового тока с 50-омным токоограничительным резистором:

При пошаговом старте пусковой ток снижается с 83 А до 45 А (по действующим значениям). “Пошаговый старт” длится 2 секунды.

Если использовать меньшую длительность “старта”, то амплитуда пускового тока накала увеличится, когда сработает реле времени (таймер) задержки, а нить накала ещё не достигла нормальной рабочей температуры/ сопротивления (всплеск тока (на рисунке) будет большим). В цепи первичной обмотки трансформатора небыло замечено сколько либо заметного повышения стартового тока.

Хорошим наглядным пособием для представления измерений стартового тока является линейный усилитель Dentron MLA-2500B, так как, он имеет высокий пусковой ток трансформатора питания, который часто “выбивает” автоматы защиты (сетевые прерыватели). Рассмотрим также пусковой ток накала и зарядку фильтровых конденсаторов.

В MLA-2500B не применяется “мягкий старт” в любой его форме и его применение позволит ограничить или избежать последствий жёсткого включения и увеличить продолжительность жизни РА, его ламп и других деталей. Если нужна техническая информация по пусковому току см. “Tech” на моём сайте “Soft Start”.

Усилитель даёт 2000 Вт РЕР и является любительским, работает в полосе 1,8…30 МГц, имеет в своём составе два Eimac 8875 металло-керамических триода, которые имеют оксидированные катоды косвенного накала. У этих ламп такие же характеристики как у 3СХ400А7/8874, кроме системы охлаждения и мощности, рассеиваемой на аноде. Напряжение накала 6,3 В +\- 0,3 В, ток накала по 3 А на лампу (действующее значение). Лампы питаются от вторичной обмотки напряжением 6,3 В, размещённой на высоковольтном трансформаторе. Также интересно знать, что проверяемый РА потребляет ток в 1 А в режиме ожидания (Stand By), после вхождения в нормальный режим (после “старта”).

Условия эксперимента: Таблица 1.

В таблице 2 представлена величина пикового стартового тока в двух местах А и В. В месте А питающая сеть имеет повышенный импеданс (тонкие длинные подводящие провода, маломощный генератор). В месте В – очень низкий импеданс линии ( промышленная линия с толстыми короткими проводами, находится недалеко от электростанции). Последняя линия способна дать больший пусковой ток силового трансформатора РА.

Для сравнения также измерялся пусковой ток силового трансформатора РА - Drake L-4B. Для получения результатов более близких к реально встречающимся на практике, для опытной работы далее использовалось место А. Если в таблице нет специальной отметки, значит указана пиковая величина тока. Реле задержки RL3 было удалено во время измерения пускового тока накальной цепи.

Среднее значение номинального тока для данного усилителя составляет примерно 10 А.

MLA-2500B: В месте А стартовый ток силового трансформатора РА в 12 раз превышал номинальный рабочий, в месте В - в 16 раз.
L-4B: То же, в месте А - в 10 раз, в месте В - в 14 раз.

Характеристика изменения тока после включения, измеренного в цепи первичной обмотки силового трансформатора РА MLA-2500B. Длительность “старта” составляет примерно 70 мсек, характеристика имеет выбросы со снижающейся амплитудой. Изменений в стартовом токе нет, если вторичная высоковольтная обмотка трансформатора отключена от выпрямительных диодов.

Стартовый ток цепи накала:

При включении с холодными (с температурой окружающей среды) нитями накала, начальный пусковой ток цепи накала составил 53 А (37 А - действующее значение) - это примерно в 6 раз больше нормального значения. Обмотка накала расположена на массивном сердечнике высоковольтного трансформатора и выполнена очень толстым проводом. Лучше здесь было бы использовать отдельный небольшой накальный трансформатор, рассчитанный “только-только” под ток накала ламп. Это снизило бы пусковой ток накальной цепи, альтернатива - пошаговое включение. Ток включения в цепи накала должен быть ограничен величиной в два раза превышающей номинальный рабочий ток накала, чтобы не сокращать “жизненный цикл” ламп.

Длительность стартового тока примерно 2 секунды, до тех пор, пока он достигнет стабильного нормального рабочего значения. Сопротивление холодной нити накала примерно в 10 раз меньше, чем горячей, следовательно, начальный стартовый ток будет в 10 раз больше, что действует на нить накала разрушающе. По мере увеличения температуры сопротивление нити накала возрастает и ток уменьшается, приходя к своей нормальной рабочей величине.

Пусковой ток через выпрямительные диоды:

При включении питания разряженные конденсаторы фильтра почти эквивалентны короткому замыканию и обеспечивают соответствующие пусковые токи через выпрямительные диоды. В первый полупериод пусковой пиковый ток достигает 26 А. Используемые диоды допускают прямой пиковый ток до 400 А на полупериод. Провода высоковольтной обмотки трансформатора и идущие от неё (с трансформатора Т1) к диодам, а также от диодов к конденсаторам фильтра - достаточно тонки и длинны и ограничивают максимальную величину пускового тока, вместе с прямыми сопротивлениями диодов, но…”стресса” фильтровым конденсаторам не избежать (как правило, это ведёт, в конце концов, к обрыву выводов обкладок конденсаторов внутри их корпусов, нагреву, изменению ёмкости, связанному с высыханием электролита и, даже, к взрыву.

На рисунке приведена характеристика измеренного высокого напряжения на конденсаторах фильтра. При “мягком старте” время зарядки конденсаторов увеличивается, а возможность появления стрессового разрушительного состояния, пропорционально, уменьшается. Первая ступенька на кривой заряда - это заряд трёх фильтровых конденсаторов во время положительного полупериода напряжения, пришедшего с высоковольтной вторичной обмотки трансформатора РА, вторая ступенька - то же, но, во время отрицательного полупериода - всё это, считая со времени включения, когда конденсаторы разряжены.

Без “мягкого старта”, как указано выше, пусковой ток может создать следующие проблемы:

• Нежелательное срабатывание сетевых автоматов (прерывателей).

• Мигающий свет в Вашем доме.

• Разрушение выключателей питания, их контакты не рассчитаны на большие токи, возникающая дуга плавит эти контакты, выжигает их.

• Разрушение постепенно от включения к включению или сразу (при взрыве) фильтровых конденсаторов и других компонентов блока питания.

• Известно, что большинство выходов аппаратуры из строя происходит, именно, при включении питания.

• Перегрузка нитей накала ламп пусковыми токами сокращает срок их службы.

• (Следует здесь добавить и сброс или частичное повреждение информации в компъютерах при больших пусковых токах устройств, подключенных к этой же сети: холодильников, например).

Всех этих проблем можно избежать использованием правильно рассчитанного устройства “мягкого” включения. И у Вас появится РА - долгожитель.

Существует несколько решений, с помощью которых можно осуществить “мягкий старт”:

• Ручная медленная регулировка напряжения питания с помощью мощного (авто)трансформатора (ЛАТРа) с изменяемым выходным напряжением от нуля до номинальной рабочей величины (220 В, например).

• “Пошаговое” включение с токоограничивающим резистором, включенным последовательно в цепь первичной обмотки трансформатора питания. После включения питания и истечения времени задержки, обусловленного установкой в реле времени (таймере), резистор замыкается накоротко, чем обеспечивается питание нагрузки нормальным рабочим током.

Ниже приведена упрощённая схема питания РА MLA-2500B. Высоковольтный выпрямитель представляет собой двухполупериодный удвоитель напряжения. Отметьте, что и диоды и конденсаторы фильтра, указанные на схеме, - другого типа, нежели в оригинале. Фильтровые конденсаторы, устанавливаемые в этот усилитель, выпускавшиеся фирмой ELNA, больше не производятся. Они были использованы в РА Kenwood TL-922.

Некоторые результаты исследований следует использовать с осторожностью, так как они могут не совпадать с практикой из-за применения других типов фильтровых конденсаторов и нагрузочной способности питающей сети.

Как видно из проведённых ранее исследований, у РА MLA-2500B большие пусковые токи силового трансформатора и цепей накала, которые следует уменьшить. Их можно уменьшить, применив пошаговое включение. Также следует оптимизировать напряжение накала ламп, чтобы увеличить их ожидаемую долговечность.

Условия исследования: Таблица 3.

Измеренное напряжение накала в РА было 6,39 В при напряжении в сети 230 В. Номинальное накальное напряжение для ламп Eimac 8875 - 6,3 В +/- 0,3 В, понижением напряжения накала ламп можно повысить их долговечность. Взяв в расчёт изменение напряжения в моей сети, я решил установить напряжение накала 6,15 В при 230 В в сети. (Сильно снижать напряжение накала не стоит, поскольку это ведёт к недокалу катода, при больших анодных токах происходит отрыв целых кусков его поверхности, что ведёт к потере эмиссии и выходу, таким образом, лампы из строя. При больших изменениях напряжения в питающей сети необходим или переключатель напряжения накала или его стабилизатор с “мягким стартом”). Изолированный провод А22 AWG с тефлоновой .(фторопластовой) изоляцией был впаян вместо имевшегося, последовательно в цепь питания накала ламп: с ламповой панели на шасси. Длина провода подобрана с расчётом получения на лампах напряжения 6,15 В. Длина провода оказалась 0,7 метра, а сопротивление составило 0, 037 Ом. Стартовый ток цепи накала, однако, при этом, не уменьшился.

Примечание: используйте “верный” калиброванный вольтметр, желательно с растянутой шкалой, чтобы не ошибиться в значении устанавливаемого напряжения накала.

В настоящем примере использовано устройство пошагового включения с токоограничивающим резистором, включенным последовательно в цепь первичной обмотки силового трансформатора. После включения питания и окончания времени задержки, резистор закорачивается, обеспечивается нормальный рабочий режим РА. Цель – получение стартового тока, превышающего номинальный не более, чем в 2 раза, т.е., около 12 А (действующее значение). Стартовый ток измерялся с токоограничивающими резисторами сопротивлением в 50, 100 и 150 Ом.

Пусковой ток с токоограничивающим резистором сопротивлением 50 Ом. Пиковый ток 26 А (18 А - действующее значение) - это в 3 раза больше нормальной величины.

Пусковой ток с токоограничивающим резистором сопротивлением 100 Ом. Пиковый ток 21 А (15 А - действующее значение - это в 2,5 раза больше нормальной величины.

Пусковой ток с токоограничивающим резистором сопротивлением 150 Ом. Пиковый ток 19 А (13 А - действующее значение) - это превышает нормальную величину накального рабочего тока примерно в два раза.

Начальнное увеличение амплитуды накального тока (“мягкий старт”) происходит, благодаря повышающейся амплитуде напряжения, приложенного к первичной обмотке трансформатора в момент включения (см. ниже), вызванного уменьшением падения напряжения на токоограничивающем резисторе пошагового включения: спадающая амплитуда тока на первичной обмотке трансформатора вызвана спадающей амплитудой тока зарядки фильтровых конденсаторов высоковольтного выпрямителя.

Другими словами, зарядка фильтровых конденсаторов вносит дополнительный вклад в уменьшение пусковых токов трансформатора питания и накальных цепей. Если усилитель выключить и тут же сразу включить, то конденсаторы фильтра уже будут заряжены. Также не будет высоким и пусковой ток накала, поскольку нити накала уже раскалены.

Напряжение на первичной обмотке трансформатора питания. Приложенное к первичной обмотке трансформатора питания РА напряжение с использованием токоограничивающего резистора сопротивлением 100 Ом.

Выполнив все вышеприведённые измерения я решил установить токоограничительный резистор сопротивлением 100 Ом и продолжительность “старта” 2 секунды.

Графическое представление пускового тока накала с применениемм 100-омного токоограничительного резистора. Как видно, пусковой ток уменьшился с 37 А до 15 А (действующие значения). Продолжительность пошагового включения 2 секунды.

Для сравнения: приведено графическое представление пускового тока в накальных цепях без использования пошагового включения.

Минимально необходимое время для пошагового включения с токоограничительным резистором:

50 Ом - 0,8 сек

100 Ом - 1 сек

150 Ом - 1,6 сек

При этих или меньших задержках включения нормального питания, амплитуда тока накала в момент включения будет расти, поскольку температура разогрева нити накала ещё не достигла своей рабочей величины и её сопротивление, естественно, ниже нормы. Рекомендация: удвойте время задержки, приведённое выше.

Высоковольтное питание.

С пошаговым питанием у фильтровых конденсаторов увеличивается время зарядки. По истечении 2 секунд - времени задержки, токоограничительный резистор закорачивается и полное напряжение поступает на конденcаторы.

Стартовый ток трансформатора питания РА MLA-2500B.

С пошаговым включением и токоограничительным резистором сопротивлением 100 Ом, в первичной обмотке силового трансформатора не было замечено особых всплесков стартового тока.

Ниже приведена упрощённая принципиальная схема пошагового включения. РА MLA-2500B очень компактен и внутри нет достаточно места для размещения дополнительных устройств, так что устройство пошагового включения придётся применять извне как приставку. Детальное описание пошагового включения можно найти на моём сайте “Soft Start”.

В качестве токоограничительного резистора я использовал 100 – ваттный в алюминиевом корпусе. К некоторым измерениям нужно отнестись с вниманием и осторожностью.

Свободный перевод с английского Виктор Беседин (UA9LAQ), ua9laq@mail.ru 
г.Тюмень, март 2002 г.

Глас народа