电源供应器 (三) 二极真空管整流【转帖】

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电源供应器 (三) 二极真空管整流【转帖】

摘自：www.diyzone.net  作者：孙恩宏
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电源供应器 (三) 二极真空管整流

孙恩宏/Steve Sun

1. 真空管整流
让我们现在来研究最简单的真空管: 二极管. 二极管只有两个电极: 屏极 (plate) 与阴极 (cathode)。



现在来看一下两种不同的情况:



如果屏极电压为正, 这时屏极会吸引在阴极附近因热游离的电子. 电子会由阴极附近流到屏极. 也就是说电流会从屏极流向阴极. 如果屏极电压为负, 这时屏极会排斥在阴极附近因热游离的电子. 也不会有电流产生。

这是不是和二极管的行为一样呢? 只有一点与二极管不同的是: 真空管多了个灯丝. 所以就需要多一组电源, 供应灯丝的需求。

和二极管相同, 二极管可以架设成各式各样的整流器：

半波整流




全波并联整流




全波桥式整流




这几种整流架构以双二极管架设成全波并联整流器最常见到。

2. 二极管特性
使用二极管整流, 有些地方和二极管并不完全相同。

假设使用一个中央抽头, 次级 300-0-300 伏特的变压器和两只二极管架设成全波并联整流. 基本上, 滤波器可以使用 L-C 或是 C-R-C 或是 C-L-C… 根据 “滤波概论” 的公式, 如果滤波器的第一段是电容的话, 整流器的输出电压会小于峰值电压, 也就是说, 电压会小于 1.4 x 300 = 420 伏特. 如果滤波器的第一段是电感的话, 整流器的输出电压会 “略” 小于标示电压, 约为 0.9 x 300 = 270 伏特. 这点与二极管整流 一样。

二极管与二极管最大的不同点是: 二极管几乎没有电阻, 而二极管的内阻一般而言都在几十奥姆至几百奥姆之间, 最麻烦的是同一只二极管输出电流越大, 内阻越高 (也就是说压差越大)!

但是您并不用担心. 您不需要作任何计算或是公式. 只要在真空管特性手册中查出既可。

从最简单的数据看起: 5V4 的特性. 5V4 是双二极管. 一只 5V4 中有两个相同的二极管, 而且这两个相同的二极管共享一个阴极. 假设 5V4 与 300-0-300 中央抽头变压器架设成全波并联整流:




RCA Receiving Tube Manual RC-19 的 5V4 特性如下:




5V4 灯丝电压 5 伏特, 灯丝电流 2 安培. (请您注意散热的问题!) 请您看一下上面的图. 图中有三种曲线:

实线是全波并联整流, 第一级使用 8 mf 电容滤波。
点线是全波并联整流, 第一级使用 4 mf 电容滤波。
段线是全波并联整流, 第一级使用 4 H 电感 (就是扼流圈) 滤波。

实线在每个屏极电压 300 V, 负载电流是25 mA 时, 输出电压是 400 V. (小于 425 V 理论值.) 负载电流是 150 mA 时, 输出电压约是 320 V。

点线在每个屏极电压 300 V, 负载电流是25 mA 时, 输出电压是 400 V. 负载电流是 150 mA 时, 输出电压约是 300 V。

点线在每个屏极电压 300 V, 负载电流是25 mA 时, 输出电压是 260 V. (小于 270 V 理论值.) 负载电流是 150 mA 时, 输出电压约是 240 V。

从这三条线, 我们可以看到:

第一级使用扼流圈滤波, 输出电压较稳定. 受负载电流影响较小。
第一级使用电容滤波, 输出电压较不稳定. 受负载电流影响较大。

所以, 第一级使用电容滤波适用于负载电流小的情况. 对于需要大电流, 或是负载电流动态较大时, 第一级使用扼流圈滤波为宜。

通常较常使用的整流管, 列表如下:

最大负载电流 > 175 mA: 5U4-GB, 5R4-GY
最大负载电流介于 125 mA – 175 mA: 5V4G
最大负载电流 < 75 mA: 6X4, 6X5-GT



您当然应该做一些实验, 找出一些较容易买到, 质量较佳, 满足需求的整流管. 请您注意: 需要 “发烧管” (如 Mullard 的 5AR4…) 才能达到要求的电路并不是一个好的设计. 设计时也应该以较易取得的真空管为主. 好的设计师绝对不会迷信 「发烧管」。

接下来, 让我们来看一个比较复杂的特性表: 5U4G 双二极管. 5U4G(B) 的特性表较为复杂, 原因是 5U4G 可以输出较多的电流, 供应不同的负载。

第一部分: 特性, 及常用的模式:





5U4G 灯丝电压 5 伏特, 灯丝电流 3 安培. 最高逆向承受电压 1550 V, 也就是说, 变压器次级电压不要超过 1100-0-1100 (1550/1.414 = 1100). 每个屏极最大通过电流 1 A。

应用时, 特性表列出建议使用的第一级滤波电容或是电感的值. 建议您起步时依照手册的建议使用适当的电容或是电感. 您有没有注意到: * 的部分? “…可以 (may) 使用较大的电容, 但是, 您应增加有效屏极阻抗, 使得峰值电流小于屏极最大通过电流…”! (下一次我会详细解释不宜使用 “大水缸” 的原因.)

第二部分: Rating



请注意: 边界并不是直线. 以第一级使用电容滤波为例, 屏极电压 48 V 时, 屏极最大直流电流输出是 175 mA. 屏极电压 450 V 时, 屏极最大直流电流输出降低至 137.5 mA. 屏极电压 550 V 时, 屏极最大直流电流输出只有 81 mA. 第一级使用扼流圈时, 屏极电压在 450 V 以下时, 屏极最大直流电流输出都稳定保持在 175 mA. 屏极电压在 550 V 时, 屏极最大直流电流输出仍有 137.5 mA。

第三部分: 应用曲线



左边的图是第一级使用电容滤波时, 在第一个电容的实际电压与负载电流的关系. DEA 是 5U4 的极限。

右边的图较为复杂, 也需要稍加解释. 第一条线是实线, 实线告诉我们在不同的屏压之下, 负载电流与输出电压的关系. CBA是 5U4 的极限. 请您看一下: L = 2H 的点线, L = 2 的段线与 550 实线相交于 200mA, 450 V. 点线是所谓的 regulation line. 从 200 mA, 450 V 出发延着 regulation line 向左上移动, 当负载电流降至 100 mA 时, 输出电压会升高至 550 V. 如果负载电流再降至 50 mA 时, 输出电压会升高至 600 V。 请您回想一下公式: 550 V 屏压, 第一级使用电容滤波理论最大输出电压是 1.414 x 550 = 778 V 第一级使用电容滤波理论最大输出电压是 0.9 x 550 = 495 V. 如果二极管屏压 550 V, 架设成全波并联整流, 使用 2H 的扼流圈, 负载电流 50 mA 时, 输出电压是 600 V。负载电流越小时, 输出电压越接近第一级使用电容滤波的理论最大输出电压 778 V。看一下图: 当负载电流为 0 mA 时, 点线全都经过 780 V。

这种现象说明了一件事: 负载电流越小, 扼流圈越没有作用, 可以看成没有扼流圈 (短路), 第一级使用电容滤波. 段线就是可以容忍的极限. 更准确的说, 5U4 屏压 550 V, 架设成全波并联整流, 使用 2H 的扼流圈, 如果负载电流是 250 mA, 这个 2H 的扼流圈的输出是 450 V 如果负载电流是 200 mA, 的扼流圈的输出略高于 450 V 一旦负载电流降至 200 mA 之下, 扼流圈的输出电压将会急遽升高, 呈现短路的现象!

也就是说, 使用2H 的扼流圈时, 负载电流应该保持在 L = 2H 段线的右方. 例如, 2H 扼流圈, 屏压 550V, 工作时, 负载电流应该保持在 200 mA 至 275 mA 之间. 如果不符合实际电路的需求, 可以考虑用不同数值的扼流圈, 或是使用不同的整流管。

经验可以使您更能有效地使用这些组件. 请您注意: 二极管整流, 直接使用 L-C 滤波时, 扼流圈同样有最低负载电流的限制: