Стабилизированный по току блокинг-генератор для питания неоновой лампы

Автор: Evgenij
Опубликовано 18.09.2017
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2017!"

Дорогой Кот!

Поздравляю тебя с 12 Днем рождения! Желаю твоему сайту больше качественных публикаций и продвинутых радиолюбителей!

В настоящее время известно достаточно большое число схем преобразователей низкого напряжения в высокое. Однако с точки зрения простой и доступной каждому радиолюбителю схемотехники свою нишу уверенно занимают схемы, построенные на основе блокинг-генератора. В данной публикации пойдет речь о стабилизированном по току блокинг-генераторе для питания неоновой лампы.

Введение

Известно, что одной из важных задач в спектроскопии видимого диапазона является калибровка спектрометров для получения точных и надежных результатов измерений. По этой причине появляется необходимость в калибровочных источниках света, к которым предъявляется ряд требований:

1) Источник света должен обладать стабильным линейчатым спектром с точно известным положением излучаемых (эмиссионных) линий;

2) Линии должны быть узкие и изолированные;

3) Желательно, чтобы линии равномерно располагались по всей ширине спектра;

4) Желательно, чтобы линии имели постоянную интенсивность (высоту) для упрощения процедуры обработки спектра.

Как правило, подобным требованиям отвечают различные газоразрядные лампы низкого давления, излучение света в которых осуществляется в условиях тлеющего разряда.

Для спектрометров, работающих в видимом диапазоне длин волн, наиболее доступным источником для калибровки является ртутные энергосберегающие лампы [1], которые помимо излучения люминофора содержат эмиссионные линии паров ртути (рисунок 1).

Рисунок 1. Спектр излучения энергосберегающей флуоресцентной лампы.

Спектр флуоресцентной лампы характеризуется наличием линий, равномерно распределенных по всему спектру. Имеются как одиночные пики (405, 436 нм), так наложенные (546, 612 нм). Однако данные лампы, несмотря на доступность и пригодность для калибровки, имеют ряд недостатков таких как:

1) Ощутимый нагрев лампы, как следствие изменение интенсивности линий, их уширение, и снижение надежности источника света;

2) Большая потребляемая мощность, не позволяющая питать лампу, вмонтированную в спектрометр, через слаботочные источники питания;

3) Большие габариты;

4) Хрупкость колбы;

5) Наличие паров ртути в лампе, что противоречит современному представлению об охране природы и принципам зеленой химии;

6) Необходимость прогрева лампы;

7) Относительно небольшой срок службы (несмотря на указанные 12000 ч, на практике они редко работают в течение указанного срока).

Указанное выше привело к размышлению, какие альтернативные источники света могли бы быть использованы для калибровки длины волны. Так возникла идея применения неоновых индикаторных ламп.

Неоновая лампа самой простой конструкции представляет собой герметичный стеклянный баллон, в котором размещены 2 электрода, а пространство заполнено инертным газом – неоном – при низком давлении. При приложении напряжения к электродам возникает ионизация атомов неона, и газ становится электропроводным. При контакте иона газа с отрицательно заряженным электродом (катодом) положительно заряженный ион газа принимает электрон, переходя в нейтрально заряженный атом с избыточной энергией, которая высвобождается при его переходе в основное состояние с излучением характеристических квантов света. По энергии они соответствуют определенным электронным переходам, в случае неона излучается свет в красно-оранжевой области спектра.

К достоинствам подобных источников света можно отнести следующее:

1) Наличие узких линий, принадлежащих преимущественно неону;

2) Низкая потребляемая мощность при достаточном световом потоке, позволяющая питать лампу от слаботочных источников;

3) Практически отсутствует нагрев;

4) Большой срок службы (25000 ч);

5) Простая конструкция лампы и как следствие высокая надежность;

6) Малые габариты;

7) Экологичность.

Несмотря на большое количество достоинств, данные лампы требуют относительно высокого напряжения для зажигания (120-160 В в зависимости от модели лампы) и горения (60-120 В). В результате чего возникает необходимость в соответствующем источнике питания. Последний должен иметь ограничение или стабилизацию по току, т.к. после зажигания сопротивление лампы резко падает, а значительное превышение тока приведет к преждевременному выходу лампы из строя.

Как правило, неоновые лампы используют для индикации сетевого напряжения 220 В, и в этом случае достаточно последовательно с лампой поставить резистор. Однако для низковольтного преобразователя это решение не самое оптимальное, поскольку часть преобразуемой мощности будет рассеиваться на ограничительном резисторе. Для повышения эффективности работы системы в целом и стабилизации плотности тока через электроды лампы был спроектирован низковольтный преобразователь со стабилизацией по току.

Разработка схемы преобразователя

Для питания лампы был разработан источник со следующими характеристиками:

1) Выходной ток: 1 мА со стабилизацией;

2) Максимальное выходное напряжение: 160 В;

3) Напряжение питания: 8 В;

4) Потребляемый ток: зависит от марки примененной лампы, в данном варианте 16 мА.

За основу была взята схема блокинг-генератора из блока дежурного питания ATX Codegen CG-11[2] и переделана под низковольтное питание. Прототип цепи обратной связи по току был заимствован из [3].

Рисунок 2. Разработанная схема преобразователя.

Работа схемы

В начальный момент времени сопротивление лампы велико. При подаче питания на преобразователь, напряжение на выходе блока начинает нарастать. Как только его величина достигает величины зажигания лампы (120-160 В), возникает тлеющий разряд в лампе, ее сопротивление резко падает, а схема переходит в режим стабилизации по току и остается в таком состоянии до прекращения подачи питания.

Как уже было указано выше, основой схемы является блокинг-генератор, реализованный на полевом транзисторе. В начальный момент времени транзистор закрыт, и ток через него не течет. При подаче питания начинает заряжаться конденсатор C4 через резистор R6. Как только напряжение на затворе транзистора превышает напряжение открытия (в данном случае около 3,5 В), транзистор открывается. Это приводит к появлению тока в стоковой обмотке трансформатора T1 (Primary), следствием чего является возникновение в ней ЭДС, а также возникновению ЭДС в обмотке обратной связи (Bias). Последнее приводит к разряду конденсатора C4, постепенно закрывая транзистор Q3. Однако ввиду индуктивного характера нагрузки Q3, ток через стоковую обмотку некоторое время сохраняется. Как только напряжение на C4 становится ниже напряжение открытия Q3, транзистор закрывается, ток стока падает до нуля, и в это же время происходит выброс ЭДС самоиндукции, окончательно разряжая C4 и запирая Q3. Одновременно происходит передача запасенной энергии трансформатора во вторичную цепь через диод D5 и заряд C5. Далее процесс повторяется.

После поджига лампы ток через нее резко возрастает. Он стабилизируется цепью обратной связи, реализованной на элементах R4, R7-R9, Q2, Q4 и оптроне U1. При протекании тока через цепь, на резисторе R7 возникает напряжение, пропорциональное току. Как только эта величина превышает напряжение открытия транзистора Q4 (0,6 В), последний открывается, пропуская ток через диод оптопары U1. Это приводит к отпиранию оптотранзистора U1 и Q2, приводя к запрещению работы преобразователя. Ток стабилизации равен 0,6 В/R7 и в данной схеме составляет около 1 мА.

На элементах C1, L1 и C6, L2 реализованы соответственно входной и выходной фильтры с целью уменьшения пульсаций тока и электромагнитных импульсных помех.

Полевой транзистор Q1 служит для экономичного включения и выключения схемы с помощью логического уровня микроконтроллера (5 В). Для разряда затворной емкости используется резистор R1.

Компоненты, используемые в схеме

Особенностью данной схемы является абсолютная нетребовательность схемы к применяемым деталям. Последние были взяты из балластов энергосберегаек (каркас, высоковольные конденсаторы), китайских зарядников для мобильных (трансформатор, сердечник с каркасом, диоды), блоков питания ATX (биполярные транзисторы, диоды и конденсаторы) и материнских плат ПК (полевые транзисторы).

Главным требованием к деталям является запас по предельному току и напряжению для полупроводниковых приборов, а также по напряжению для электролитических конденсаторов. Так, например, для вторичной цепи использовались конденсаторы на 2,2 мкФ 400 В. В качестве трансформаторов могут быть использованы как готовые изделия (из китайских зарядных для мобильников, блоков дежурного питания ATX), так и ручного изготовления. В данном случае трансформатор из китайской зарядки был сломан, поэтому пришлось мотать новый. Он содержит по 16 витков для первичной обмотки и обмотки связи, и 330 витков для вторичной. Каркас был взят от энергосберегайки, а сердечник от сломанного трансформатора китайской зарядки. Зазор между половинками сердечника был сделан из ПЭТ пленки от фоторезиста, он составил в сумме около 0,05 мм. Изоляция выполнялась с помощью пергаментной бумаги для выпечки с последующей пропиткой акриловым электроизоляционным лаком. После сборки сердечника на трансформатор надевается короткозамкнутый виток медной ленты, подключенный на минусовую шину. Это необходимо для уменьшения помех, генерируемых трансформатором.

В качестве Q3 помимо полевого транзистора также могут быть с успехом применены биполярные, однако с последними схема работала менее эффективно, поэтому от них было решено отказаться в пользу полевых.

Диод D5 служит для уменьшения величины обратной ЭДС, возникающей вследствие индуктивного характера нагрузки Q3. Однако на практике было решено его не устанавливать в схеме ввиду сильного понижения эффективности и достаточного запаса по напряжению пробоя транзистора.

Наладка схемы

Первый вариант схемы был разработан и отлажен на макете, смонтированном навесным монтажом. Как правило, правильно собранный блок начинает работать сразу. Если он не запускается, то следует проверить фазировку обмотки обратной связи. Если блок запустился, то имеет место уточнить номиналы компонентов для получения максимальной эффективности. Прежде всего, следует подключить нагрузку и, не меняя номиналов других компонентов, поварьировать емкость конденсатора C4, подбирая его до получения минимального тока потребления. В случае данного блока зависимость тока потребления от емкости C4 имела зависимость с минимумом в диапазонах C4 от 1 до 22 нФ, а наиболее оптимальный вариант составил 2,2 нФ. Далее можно поварьировать номинал R6. Резистор R6 определяет напряжение запуска преобразователя. При его уменьшении ниже 4,7 к наблюдает резкий рост ток потребления. В тоже время увеличение R6 свыше 11 к приводит к неработоспособности блока, поэтому был выбран оптимальный вариант 6,8 к.

Рисунок 3: а – макет, б – готовая плата преобразователя.

Конечный вариант преобразователя был собран на односторонней печатной плате, изготовленной с использованием фоторезиста. В процессе проектирования были учтены требования по разводке плат для импульсных преобразователей, такие как минимальная длина силовых дорожек, при их максимальной ширине, и разводка земляной линии звездой, центром которой является конденсатор питания [4]. Разводка платы была осуществлена в DipTrace. Следует обратить внимание, что нумерация деталей на плате и на рисунке 2 частично не соответствует друг другу. Это связано с тем, что схема для работы и схема для разводки платы рисовались в разных редакторах. В конце статьи есть ссылка на рисунок платы и соответствующую ей схему.

Для удобства сборки с обратной стороны платы была нанесена маркировка элементов лазерно-утюжной технологией.

Рисунок 4. Печатная плата преобразователя: а - вид со стороны компонентов, б - вид со стороны проводников.

На рисунке 5 приведены осциллограммы работающего нагруженного преобразователя. На рисунке 5 (а) представлена зависимость напряжения на затворе Q3 при напряжении питания 5 В. В этом режиме схема еще не стабилизирует выходной ток, и ее работа прибора не прерывается цепью стабилизации тока. Период импульсов составляет 5,52 мкс, что соответствует частоте преобразования 181 кГц.

На рисунках 5 (б, в) также показаны осциллограммы напряжений на затворе Q3 при напряжении 8 В. Как видно, при номинальном питающем напряжении работает цепь обратной связи, импульсы на затворе транзистора частично пропускаются, и тем самым достигается стабилизация тока через лампу. Частота следования импульсов составляет 1,855 кГц. Кроме того имеются паразитные колебания.

На рисунке 5 (г) показана осциллограмма напряжения на шунте R7, по его значению можно сделать вывод, что амплитуда пульсации выходного тока составляет 40 мкА, или 4%.

Рисунок 5. Осциллограммы: а – на затворе Q3 при питании 5 В, б – на затворе Q3 при питании 8 В, в - б – на затворе Q3 при питании 8 В в более высоком разрешении, г – на R7. При измерениях была подключена неоновая лампа ТН-0,3-3.

Итоги

Для подведения итогов были зарегистрированы спектры излучения разработанного калибровочного источника света. Как можно видеть из графика (рисунок 6), спектр характеризуется наличием узких линий в диапазоне от зеленой до красной области, причем по сравнению с энергосберегающей ртутной лампой линии намного уже. Некоторые из них перекрываются, однако для неона положения эмиссионных линий точно известно [5], а современное программное обеспечение позволяет обрабатывать суперпозицию узких пиков в спектре. Поэтому обработка спектра не составляет трудностей. При изменении напряжения питания от 7 до 9 В все же наблюдается некоторое изменение постоянной величины тока стабилизации (плюс/минус 40 мкА), однако спектры демонстрируют отсутствие каких-либо изменений при варьировании напряжения питания в данном диапазоне. Кроме того, относительно низкий ток потребления делает возможным питание данной схемы с помощью гальванического элемента на 9 В, что может быть использовано для конструирования автономных, малогабаритных и в тоже время точных калибровочных приборов.

Рисунок 6. Спектр излучения неоновой лампы. На вставке фотография готовового прибора в работе.

Иными словами поставленная задача стабильного источника питания для калибровки длин волн успешно решена, и блок работает!

В заключение хотелось бы поблагодарить читателей за уделенное моей статье время. Буду рад выслушать и обсудить любые конструктивные предложения по поводу улучшения собранного прибора.

P.S. Корпус к данному прибору не изготавливался, т.к. он изначально предназначался в качестве дополнительного модуля для спектрометра.

P.P.S. В данном устройстве указанная неоновая лампа ТН-0,3-3 питается завышенным током (1 мА против максимального 0,3 мА). Эта модель лампы применялась только для наладки и проверки блока, и в будущем будет заменена на более мощный аналог.

Использованные источники

1) Theremino spectrometer construction [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Theremino_Spectrometer_Construction_ENG.pdf. – Дата доступа 11.08.2017.

2) Источник дежурного напряжения. Схемы. Принцип работы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.rom.by/node/16596. – Дата доступа 11.08.2017.

3) Сетевой драйвер мощного светодиода [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://radiokot.ru/circuit/power/converter/51. – Дата доступа 11.08.2017.

4) Рекомендации по разводке печатных плат для ИИП [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.tehnari.ru/attachments/f119/158845d1383633546-dhaeiiaiaeaoee-ii-dhacaiaeea-ia-aoiie-ieaou-aeey-eei_.pdf. – Дата доступа 11.08.2017.

5) Saloman E. B., Sansonetti C. J. Wavelengths, energy level classifications, and energy levels for the spectrum of neutral neon //Journal of physical and chemical reference data. – 2004. – Vol. 33. – №. 4. – P. 1113-1158.

Файлы:
Плата и схема

Все вопросы в Форум.