直热管应用的关键点——灯丝供电

出处:gfs0521 发布于:2011-10-14 13:48:50

  设计用于电池供电的直热式电子管(包括1.2V~1.4V的干电池供电管和2V~2.4V蓄电池供电管),为了延长灯丝电池的使用时间,灯丝电流都极小(一般为25mA~200mA)。因此灯丝直径极细,热惰性(热容量)极小,电压稍有改变,灯丝表面温度就明显变化,导致阴极放射电流的变动,必须用稳定的纯直流供给灯丝电压。此类电子管的灯丝电子放射能力不仅对50/60Hz正弦电压极为敏感,即使是持续时间极短的脉冲,也会使灯丝温度瞬间升高,轻则形成电子流的波动,增大输出噪声,重则使灯丝超温而放射效率大减,电子管提前老化报废,严重时灯丝被烧断。所以,用于灯丝供电的稳压器应有较高稳定度和更强的纹波抑制能力。显然,单纯无源LC、RC滤波器是难以达到的。

  另一类直热式电子管,是电子管进入市电应用领域后开发的部分型号,由于旁热式电子管初期制造技术的欠缺,功率较大、电压较高的电子管,如功率放大管、发射机用高压供电功率管,大部分保留了直热式阴极结构。大功耗电子管灯丝放射能力较强,灯丝功耗必然较大,因而灯丝热隋性也大。一旦灯丝加热到电子放射的必需温度,即使灯丝电压、电流有瞬时降低,几乎对灯丝温度无影响。对50Hz/60Hz工频交流电而言,瞬时为零也无影响,这一点为此类直热管允许采用灯丝交流供电的理论根据。事实上2A3、300B等直热功率管在早期胆机中,也广泛采用交流电作为灯丝电源,但此举并非说明交流灯丝供电对电子管板流完全无影响。实际上,由于电子管灯丝电流、本体结构、热惰性的差别,交流电瞬时值的变化对放射电流的影响依然存在,只是程度不同而已。当此类功率管用于输出级,不会有明显的噪声输出,特别是放大系数极低的三极管,由灯丝供电引起的噪声几乎达到可忽视的程度,也是2A3、300B等直热输出管可用交流供电的依据。虽然2A3允许交流灯丝供电,但并非理想应用方式。事实上很难使输出级残留噪声达到8Ω端10mY以下。10mV的噪声加到扬声器音圈上,功率微不足道,对普通音响听音似乎无影响。但是目前的音响Hi-Pi水平大幅提高,还音"声频响"大幅下潜,低频噪声放音灵敏度随之提高,噪声声压的增大,直接破坏听音的细节分辨率。所以近代国外名胆机为了将残留噪声压低至1mV以下,大多采用直热输出管直流供电方式,2A3、300B功放残留噪音可达到8Ω输出端0.2mV的程度。

  简单的供电方式是桥式整流加RC滤波电路,LC滤波效果虽佳,但大电流电感制作困难,故应用极少。常用于2A3、300B灯丝供电的整流滤波电路如图1。全波整流电路可使纹波频率提高一倍,有利于纹波滤除。当采用桥式整流时,整流二极管正向压降增大,如果灯丝绕组电压VAC有效值等于电子管灯丝电压值时,整流电压VDC不会高出VAC很多,如果不重绕电源变压器,则不可能采用较大值滤波电阻R.为了改善滤波效果只有采用容量极大的滤波电容,电路中R除有滤波作用外,还可用于调准VDC的值,使电子管标称灯丝电压值不超出±5%.如果系专用电源变压器,则宁可采用全波整流方式,此日寸VAC应为VDC的2.5倍,如对300B,贝刂VAC=2×7.5V,调整日寸可土曾大R值使VDC=5V。

整流滤波电路

图1 整流滤波电路

  由于灯丝电流较大,R可用电炉丝绕制,并不要求的阻值,而在调整中减小R,使额定负载下有准确的VDC.无论2A3、300B,灯丝电流在1.5A、2.5A以上,除考虑整流二极管额定电流有足够余量外,还必须注意散热,必要时采用金封二极管加适当散热器。根据日本刊物介绍,上述灯丝整流、滤波电路可使2A3单端A类输出级残留噪声,由交流供电的10mVp-p降低到0.6mVVp-p~0.8mVp-p(8Ω负载端测试值)。

  上述RC滤波中,C值越大纹波越低,当输出级用2A3日寸负载电流达2.5A,C需l0000pF以上,如果采用并联A类输出,C还需成倍增大,使滤波器成本、体积大幅增加。目前国外有的机型采用有源电子滤波器,效果更佳。图2为日本一款2A3×2并联输出A类放大器的灯丝直流供电电路。6V电源整流后由达林顿功率管组成电子滤波器,整流输出经2×4700uF电容滤波后输出VDC=6V,纹波峰值为0.52Vp-p,经2SD1895电子滤波后,调整RW使输出VDC=2.5V(5A负载),纹波降低为3,35mVp-p,即纹波抑制比达到近44dB.2SD1895为β=5000~30000/ l60V/8A的达林顿管(也可用常见的BU806/07代用),应选择β值尽量大的管子。此电路中2SD1895功耗仅5W左右,可用较小的铝型材散热器。

灯丝直流供电电路

图2 灯丝直流供电电路

  对于此类功率管,灯丝稳压器采用类似前述的1S5,4PlS的三端可调整稳压电路更为有效,不仅可达到近80dB的纹波抑制比,电路也更简单。必须注意的是,LM3l7电流中只有1.5A,勉强可供300B需要,但LM3l7已近定额运用,散热措施不能马虎。如用于2A3,则必须采用电流更大的LM350才行(注意LM317勿并联运用,加扩流不仅麻烦,也会降低其性能)。LM350可调稳压电路和LM317完全相同,此处不再重画。

  直热管灯丝对供电较敏感,2A3、300B也不例外。上述稳压供电系恒压电路,负载电流取决了负载电阻,因此在灯丝冷态时有较大冲击电流。以2A3为例,工作中灯丝电流2.5A,灯丝电阻值应是2.5V/2.5A=1Ω,此为灯丝达到预定温度时电阻值。实际在室温20℃±5℃时,实测其灯丝电阻仅为0.2Ω(测试电流<100mA),也就是说在2.5V恒定电压加到灯丝时,起始电流为2.5V/0.2Ω=12.5A,超过额定电流五倍,虽然持续时间不超过lO秒,但对2A3灯丝表面发射涂层以及灯丝本身均有不利影响,而使2A3寿命缩短。为此,国外对直热管供电常采用恒流供电方式,一则稳定灯丝电流,二则延长电子管使用寿命,理论上说比恒压供电更有利。图3为日本发表的为300B(单端A类)灯丝恒流供电电路。如用于2A3灯丝供电,则三端稳压器须改用电流更大的LM350,为了防止脉冲纹波影响灯丝电流的恒流供电,仍需较大的输入滤波电容,为进一步改善性能,也可在恒流电路之前加人三端稳压电路。

日本发表的为300B(单端A类)灯丝恒流供电电路

图3 日本发表的为300B(单端A类)灯丝恒流供电电路

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