В далеком 1996 году я прочел интервью с Владимиром Шушуриным из Lamm Audio в журнале «Аудиомагазин», и в нём запомнилось упоминание о запуске усилителя мощности без аварийных токов при заряде огромных емкостей. Идея заряда банок через балластный резистор, шунтируемый реле, оказалась востребована совсем недавно: занявшись сочинением транзисторных схем в классе А с емкостями в десятки и сотни тысяч мкФ, я столкнулся с огромными пусковыми токами, при которых в полный рост возникает проблема надежности и безопасности.
Смакетив несколько схем, я вышел на три варианта, с которыми мы сейчас и познакомимся.
СОФТ-СТАРТ – ПОЛОВИНА ДЕЛА
Принцип всех трёх схем один: при пуске зарядный ток конденсаторов фильтра питания ограничивается балластным резистором, и они плавно заряжаются до некоторого уровня, после чего балластный резистор перемыкается контактами реле и конденсаторы быстро дозаряжаются до полного значения уже небольшим током.
Напряжение в точке срабатывания реле выбирается исходя из напряжения питания и рабочего напряжения реле. Например, реле на 24 В срабатывает при 17 В, отпускает при 5 В. И 17 — 20 В достаточно для дозаряда емкостей без токовых ударов. Затем напряжение питания возрастает до нормы, реле получает свое нормальное напряжение на катушке, лишний ток ограничен гасящим резистором.
Схема №1
Питающая емкость С1 заряжается от выпрямителя Br1 через балластный резистор R1, шунтированный лампой накаливания, служащей индикатором нормального включения либо аварии на выходе выпрямителя.
После заряда емкостей до уровня срабатывания реле Rel1 его контакты шунтируют балластный резистор, и напряжение на емкости достигает расчетного. Бросок тока при включении в сеть задан мощностью трансформатора и берется с обычным запасом, соответствующим этой мощности. Предохранитель на входе моста исключает повреждение силового трансформатора при выходе из строя диодного моста.
В норме заряд емкости в 33 — 47 тыс. мкФ происходит за 2 — 3 секунды. Лампочка при этом коротко вспыхивает и гаснет, а её свечение может говорить об аварии на выходе выпрямителя, скажем, коротком замыкании или резко завышенном токе потребления.
Приступим к реализации идеи софт-старта по замыслу Владимира Шушурина (схема №2).
Схема №2
Резистор R1 750 Ом 10 Вт ограничивает пусковой ток по сети до 100 — 200 мА, что в пересчете на ток вторичной обмотки составит примерно 1 — 2 А.
Резистор R3 в нагрузке выпрямителя имитирует ток покоя усилителя мощности, примерно 100 мА, для подбора реле по уверенному срабатыванию в точке переключения и уточнению номинала балластного резистора R1.
Т.е. мы грузим выпрямитель на резистор, отбирая небольшой ток, а напряжение на выходе при этом ниже нормы, и реле обязано четко срабатывать на замыкание. В макете реле на 24 вольта срабатывало при напряжении выпрямителя 15 — 17 В, отпускало при 5 В. Дозаряд емкостей фильтра от 15 — 17 В до полных 30 — 32 В происходит совершенно спокойно, самый тяжелый момент разряженных емкостей пройден.
Как показали измерения, стартовое напряжение на первичной обмотке силового трансформатора плавно нарастает от нуля до 200 В за пару секунд и остается на этом уровне без срабатывания реле. Напряжение на выходе питания 28 В. Ток первичной обмотки в начале заряда — 100 мА, в конце заряда 40 мА. Бросок тока при срабатывании реле не более 100 мА.
Для полноты картины в цепь первичной обмотки ставились предохранители на 160, 250 и 300 мА, при срабатывании реле не было и намека на разогрев их нити. Это означает, что теперь бросок тока через первичную обмотку не зависит от случайностей типа остаточной намагниченности тороидального сердечника, приводящей к мощным броскам тока через первичку. Тревожно мигающие лампы освещения тому свидетели.
Теперь можно ограничиться предохранителем в первичной цепи, рассчитанным лишь на ток максимального отбора по питанию, пересчитанный в первичную обмотку. Для этого измерен её ток при кратковременной нагрузке вторичной обмотки током в 7 А. Тестер в первичной обмотке показал ток 0,7 А. Можно ставить предохранитель на 1 А, а по вторичной обмотке аварийный ампер на 5 — 7, в зависимости от мощности усилителя. И с безопасностью выпрямителя у нас вроде бы получилось, да и сетевой тумблер теперь можно применить без особых требований к контактам.
Осталось решить проблему плавной подачи тока в катушку реле в обеих схемах, что не вполне идейно правильно, затягивание времени срабатывания увеличивает нагрузку на контакты реле, особенно стоящего по сети. Такое решение мы сейчас рассмотрим.
Завершим поиск хорошей схемы софт-старта, подсказанной Владимиром Шушуриным в далеком 1996 году, несложным узлом, позволяющим исключить участок нечеткого срабатывания реле при плавном нарастании напряжения на его катушке (Схема 3).
Схема №3
По сути, это триггер Шмитта с гистерезисом, уменьшающим порог неопределенности срабатывания до мизерных значений, и позволяющий выставить напряжение срабатывания реле в широких пределах. Зачем — скажу позже. Схема эта есть в книге Хоровица и Хилла «Искусство схемотехники», заработала сразу и без сюрпризов.
С питанием 30 В, как указано на схеме, порог срабатывания транзистора Т1, измеренный на его базе относительно общего минуса, составляет 10 В, порог отпускания реле 7, 8 В. Гистерезис (разница между напряжением срабатывания и отпускания) составляет 2,5 В. Емкость С1 в базе входного транзистора устраняет дребезг при плавном нарастании измеряемого напряжения.
Резистором R1 можно настраивать точку срабатывания реле примерно от 10 до 30 В, что очень удобно. Но есть одна неприятность.
Представим, что мы включаем в сеть усилитель класса А с током покоя в канале, скажем, 2 А и емкостями питания по 100 — 200 тыс. мкФ. Балластный резистор по сети, ограничив ток на выходе выпрямителя, изрядно просадит само питание, и для срабатывания реле его уже не хватит. Выхода два. Либо применить заведомо низковольтное реле, вольт на 12, запитав его от стабилизатора, либо сделать отдельный блок с индивидуальным маломощным выпрямителем вольт на 30, применив данную схему. без изменений. Реле лучше всего применить из бесперебойников, его особенность, как подсказали бывалые, большой разнос между контактами, исключающий возникновение дуги. Для большей надежности, в каждый провод первичной обмотки силового трансформатора включается свой отдельный контакт реле, их там обычно две отдельные группы.
В макете было использовано реле на 24 В от ИБП с омическим сопротивлением катушки 1,2 кОм и током 20 мА. В настоящее время собирается макет на базе 12-вольтового реле Takamisawa на 60 мА чтобы обойтись без отдельного питания триггера. Данное устройство будет применено в уже работающем усилителе А класса и позволит изящно решить проблему пускового тока.
Вот как выглядит итоговая, универсальная схема плавного пуска, которая была опробована на макете и показала отличные результаты.
Успехов!
Комментарии [13]
Дмитрий
Спасибо за интересную статью. А для чего на итоговой схеме конденсатор С4 на 220 нФ ?
Может стоило бы в эту схему добавить классический диод параллельно обмотке реле (для гашения выбросов напряжения самоиндукции обратной полярности) ?
и еще может стоит добавить защитную DZ цепочку в затвор-исток ключа-мосфета ?
АБ
По памяти, без емкости 220нф при подходе триггера к переключению сетевые пульсации что-то портили в его поведении. Для четкости срабатывания. короче.
Защитный диод от выбросов на катушке реле уже встроен в полевик, а зенер в затворе не нужен по причине небольшого напряжения, подаваемого в затвор.
Дмитрий
Спасибо за ответ.
Я не спец в схемотехнике, прошу пояснить, но мне кажется, что в начальный момент времени (при включении питания), биполяр Т2 и полевик Т3 будут соревноваться, кто из них раньше откроется ? Т.к. у них обычные резистивные делители в цепи базы и затвора соответственно. Причем у полевика напряжение на затворе будет стремиться к уровню примерно 7-8 вольт, т.е. к напряжению открытия полевика (ему хватит и 4-5 вольт) и сразу же замыкания реле (раньше чем хотелось бы). Успеет ли Т2 открыться раньше, чем полевик Т3, чтобы реле не замкнуло раньше положенного времени ?
Все это время биполяр Т1 еще закрыт, т.к. напруга на его базе через RC цепочку еще не наросла для его открытия.
АБ
А в этом нам и поможет С4, откроющий транзистор Т2 вперед полевика. И он своим током эмиттера прикроет дополнительно Т1, откроясь насовсем до сработки реле.
Возился долго. схемка рабочая. Хочется верить, что сюрпризов не будет.
Дмитрий
Да, не сомневаюсь, что схемка рабочая.
У меня есть еще одна схемка триггера (защелка), всего на 2 транзисторах биполярах, разного типа проводимости (pnp и npn). Там используется ПОС через резистор 100 кОм, для быстрого, резкого перехода из одного состояние в другое — чтобы не подгорали контакты реле при больших задержках таймера RC (медленный подьем напруги). Для лампачей это пригодится. Первый транзистор — пороговый элемент, а второй транзистор — ключ реле и ускоритель переключения триггера (через ПОС).
АБ
Вариантов триггера Шмидта много, но эта схема сразу заработала и решил не усложнять.
АБ
Итак, схема софт-старта в варианте рисунка номер 2 работает в реальном устройстве, можно рассказать про особенности поведения. Во-первых, включение в сеть совершенно бесшумное и не сопровождается миганием комнатного освещения и рыком силовика.Время включения около трех секунд с тихим щелчком реле.По сети стоит предохранитель, хватает любого от половины ампера и выше.Ток включения составляет 220 ма,ток рабочий 450 ма.Но есть тонкость.Пропадание сетевого напряжения с частичным разрядом банок питания и повторное включение сети ведет к сгоранию предохранителя , даже заведомо более мощного, чем нужно для рабочего режима.
Нечеткий контакт в сетевой вилке может вызвать подобную ситуацию.Со временем придумаю,как обойти это.
Коротко о схеме.Усилитель класса А с питанием 33 вольта и током потребления 2,4 ампера.Резистор в первичной обмотке силовика 430 ом 10 ватт, реле от бесперебойника на 12 вольт Такамисава, омическое катушки 200 ом, к нему гасящий резистор на 330 ом .С резистором в первичной обмотке напряжение на выпрямителе составляет 19-20 вольт, что достаточно для срабатывания реле и шунтирования балластного резистора.Процесс появления питания усилителя по тестеру выглядит так:после включения напряжение за пару секунд возрастает до 15-17 вольт, потом щелчок реле и за секунду устанавливается полное питание .Разряд при выключении происходит гораздо медленнее, реле держит контакты до последнего.И это тема для будущей лабораторной работы.Хотя все и так работает совершенно нормально. АБ.
АБ
В процессе отладки схемы измерил падение и мощность на балластном резисторе.На 430 омах падает 70 вольт, на первичной обмотке остается 150, подьем напряжения на первичке плавный.Мощность ,рассеиваемая резистором, составила 11 ватт , что при мощности резистора 10 ватт не создаст аварийной ситуации при несработке реле.Добавлю, что попытка применить так называемое сетевое реле с целью запитывания его от напряжения в первичной обмотке не удалась, выход на режим сопровождается громким неприятным жужжанием и дребезгом самого реле.Поэтому взят вариант с
питанием реле от выпрямителя .
Хотя, при желании можно заменить сетевое реле обычным , добавив выпрямитель и ограничитель напряжения на обмотке реле.
АБ
Прогулки по радиорынку помогли найти еще одну полезную и важную деталь, термоотбойник , принцип регулятора из утюга, биметаллическая пластина и электроконтакт с ним совмещенный.Осталось обеспечить тепловой контакт его с нашим балластным резистором и теперь при аварии в питании или в самой схеме усилителя ,не приводящей к сработке реле софт-старта , резистор вскипает, термоотбойник отключает сеть на время .Остывший термоконтакт включит питание снова, цикл повторится без аварийных токов , устройство не сгорит.Параллельно термоконтакту можно включить аварийную лампочку.
А.Б.
На рынке видел красивое сетевое реле Омрон с прозрачной крышкой. Заберу и опробую четвертый вариант плавного пуска, который может оказаться проще остальных. Еще будет случай применить защиту контактов от искры, импортная деталь готовая, емкость плюс резистор в корпусе.
А.Б.
Сложился и некий четвертый вариант, проще предыдущих. Смысл таков.
Напряжение на первичной обмотке силовика через балластный резистор в процессе заряда емкостей выпрямителя плавно растет до некоторого значения, скажем, 180-200 вольт. Что позволяет включить параллельно первичной обмотке так называемое сетевое реле, рассчитанное на 220 в переменного тока, но через резистор или лучше, через нелинейный прибор типа варистора, чтобы реле не сработало раньше нужного напряжения.В итоге у нас три детали в схеме. И если в схеме авария и напряжение на первичке не растет, реле не включится вообще.
А.Б.
Добавлю, что в макете с третьим вариантом схемы, отслеживающим невысокие напряжения на выходе питания , в сетевые провода первички врезал два резистора по 750 Ом , суммарно 1, 5 ком, увеличив время зарядки емкостей вдвое, мощность рассеивания гасящих резисторов снизилась до применения обычных двухваттных МЛТ-2, они не успевали закипеть до срабатывания реле, а в случае аварии могут сыграть роль предохранителя. Была идея совместить эти резисторы с термоотбойником от микроволновки на биметаллическом контакте. При первой возможности сделаем.
А.Б.
Во-первых, мои слова признательности Сергею Юрьевичу Торопову за его помощь в оформлении схем и доведении их до стандарта.
Схема в финальном 3-м варианте легко управляема, можно снизить порог срабатывания до 2-3 вольт, уменьшив резистор 6 в эмиттерах Т1-Т2 с 750 Ом до 430 Ом.
Диоды в коллекторах транзисторов- разного цвета, зеленый загорается при зарядке банок до нормы.
И последнее.
За кадром осталась одна мелочь, а именно цепочка искрогашения контактов сетевого реле, продлевающая им жизнь. Защитить контакты можно RC цепью, скажем, 0,1 мкф на 1000в и резистор 200 Ом 1 ватт. Успеха!