Świat wysokich napięć

Wszyscy, którzy znają urządzenia oparte na tranzystorach, zwykle kojarzą je z czymś bezpiecznym. Typowy wzmacniacz tranzystorowy audio na kilkadziesiąt watt można bez problemu zasilić z bezpiecznego napięcia stałego poniżej 50V. Czyli można w układ wsadzić palec i nic się nie stanie (teoretycznie rzecz jasna). Pod tym względem układy lampowe to zupełnie inna czasoprzestrzeń. Ze względu na konstrukcję przestrzenną i wymierną odległość pomiędzy elementami, potrzebne są wysokie napięcia do wymuszenia przepływu elektronów oraz sterowania nim. We wzmacniaczu audio zbudowanym na lampach o mocy powiedzmy… 10-15W, należy się spodziewać, że lampy będą zasilane z napięcia 200-300V. Zatem rozkręcając taki wzmacniacz, przede wszystkim należy go wyłączyć i odstawić najlepiej na kilka minut, aby wysokie napięcie zdążyło zejść z kondensatorów…

Jesteśmy już przyzwyczajeni, że przez tranzystory bez problemu płyną prądy kilkanaście, czy nawet kilkadziesiąt amper. Przez lampy niestety nie jesteśmy w stanie przepuścić takiego prądu. Lampy małej mocy, to prądy rzędu pojedynczych miliamperów, lampy dużej mocy (nadawcze) to prądy rzędu kilku amperów – nie więcej. Popularna lampa małej mocy w audio, pentoda EL84 ma typowy prąd anody pomiędzy 30 mA a 40 mA i napięcie anody 250W. Dzięki temu zyskujemy moc wyjściową około 6W w klasie A. Dla porównania tetroda nadawcza GU-43B, ma dopuszczalny prąd anody 3A i napięcie anody 3.3kV (maksymalne dopuszczalne wartości).

Jak to zasilić? Biorąc pod uwagę teorię – nie ma problemu. Jest wiele sposobów na wygenerowanie wysokiego napięcia i czysto teoretyzując można wybrać dowolny. Gdy jednak zacznie się to rozważać realnie, pojawia się problem, gdyż.

Sposób pierwszy, przetwornica impulsowa.
Wyobrażam sobie przetwornicę podnoszącą napięcie. Jeżeli chodzi o zastosowania audio i nadawcze, chyba w zupełności wykluczone, że względu na sporą ilość zakłóceń generowanych na wyjściu takiej przetwornicy. Niewątpliwą zaletą takiej przetwornicy są rozmiary. Istnieje jednak pewna trudność związana z dławikiem (w wersji nieizolowanej, trochę niebezpiecznie) i transformatora w wersji izolowanej. Nie wiem czy znajdzie się w Polsce wielu producentów transformatorów impulsowych, którzy będą w stanie nawinąć taki transformator na duże moce. Prawdopodobnie trzeba będzie nawijać taki transformator metodą chałupniczą – co nie jest proste. Oto przykład topologi podnoszącej napięcie.

O czym należy jeszcze pamiętać w takim układzie? Na wejściu takiej przetwornicy płyną bardzo duże prądy. Powiedzmy, gdy ktoś sobie wymyśli przetwornicę zasilaną z akumulatora, to musi pamiętać, że przy mocy 1,2kW na wejściu będzie płynął prąd ponad 100A i wszystkie komponenty muszą być w stanie „udźwignąć” takie obciążenie. Takie rozwiązania raczej powinno się robić z wyższego napięcia, typu 230V wyprostowane (czyli c.a. 320V DC).

Sposób drugi, powielacz napięcia.
Powielacz napięcia to też taka pseudo-przetwornica, ale ze względu na sposób swojej pracy, praktycznie nie generująca zakłóceń. Zalety? Można wykorzystać transformator separujący z rynku 230V/230V.  Powielacz napięcia wygląda ogólnie tak:

Jest to kombinacja diod i kondensatorów – stosunkowo proste rozwiązanie. Nie mniej jednak nie nadaje się on do poboru dużej mocy. Kondensatory muszą być sporej pojemności, na wysokie napięcie, a to generuje koszt i kubaturę.

Sposób trzeci, transformator sieciowy.
Transformatory obniżające napięcie można kupić „z półki”. Transformatory podwyższające napięcie trzeba nawinąć na zamówienie. Według mnie jest to najlepsze rozwiązanie, gdyż po pierwsze świat do perfekcji opanował technikę nawijania transformatorów sieciowych. W Polsce bez problemu da się znaleźć małą „rodzinną” firmę, która podejmie się jednostkowego zamówienia bez kręcenia nosem. Oczywiście taki transformator będzie droższy niż rynkowy, ale samodzielne nawinięcie będzie jeszcze droższe i jakość nawinięcia będzie dyskusyjna, szczególnie gdy chcemy mieć odczepy lub kilka uzwojeń. Transformator oczywiście będzie duży i ciężki, ale będzie wymagał najmniej zewnętrznych elementów. Tylko prostownik na wysokie napięcie – bez problemu dostępne diody na napięcie 1-2kV oraz kondensator filtrujący – rzędu 100 mikrofaradów, do złożenia z kilku kondensatorów połączonych szeregowo, by uzyskać wysokie napięcie pracy.

Do projektu wybrałem sposób trzeci, jak najbardziej rozsądny według mnie.