Cупрессор с Али в нетиповом применении. Разбор и доработка "электронного дросселя Крыницкого".

Это статья для начинающих, профессионалам тут не будет интересно.

Супрессор. Не очень популярная в народе деталь- из-за её «узкой специализации». Но иногда весьма полезная и даже незаменимая. Супрессору найдется место даже в ламповом усилителе- ниже я покажу где именно.

Он-же защитный диод, он-же TVS-диод. У него много имен… ;) «Впервые был создан в 1968 году, в США, с целью защитить промышленное оборудование от электрических импульсов природного характера (молний)»
Деталь очень дешевая и продается буквально везде, где вообще продаются радиодетали. На любой торговой площадке, в любом радиомагазине. Я лично покупал на Алиэкспрессе.
С виду как диод. Только в жирном корпусе и с толстыми выводами. Иногда с полоской, иногда без полоски. И проводит в прямом направлении тоже как диод… либо не проводит ни в каком направлении- если полоски нету. В чем отличие?
У прибора крайне интересная вольт-амперная характеристика. Она очень похожа на ВАХ стабилитрона. Супрессор, как и стабилитрон, работает на лавинном пробое и в обратном включении. Но есть разница.
Стабилитрон предназначен для поддержания определенного падения напряжения на своем переходе, слабо зависящего от тока, протекающего через стабилитрон.
Супрессор предназначен для пропускания через себя просто чудовищного тока в течении очень короткого времени, величина падения на переходе при этом может существенно изменяться.

Вот картиночка из даташита.
Слева- ВАХ однонаправленного супрессора (который с полосочкой и звонится как диод), слева- двунаправленного (без полоски и не звонится). Двунаправленный можно включать в цепь как угодно- он вообще презназначен для работы на переменном токе, однонаправленный- согласно полярности (полоска традиционно обозначает катод).

Параметры супрессора, которые помогут сделать правильный выбор:
Pppd — Peak Pulse Power Dissipation — максимальная мощность в импульсе, которую супрессор способен рассеять без последствий. От сотен ватт и до единиц киловатт.
Vr — Stand-off Voltage — максимальное обратное приложенное к супрессору напряжение, ниже которого ничего не происходит. Супрессор остается запертым и условно никакой ток через него не течет, пока величина приложенного напряжения не превысит Vr. А вот как только превысило- в полупроводнике супрессора возникает пробой, и супрессор начинает пропускать через себя ток, но пока слабенький.
Vbr — Breakdown Voltage — напряжение, которое будет падать на супрессоре при определенном протекающем через него токе. Перевожу на человеческий: «при токе в 1 мА на супрессоре будет именно столько падать». Этот параметр называется также «напряжением пробоя». Начиная с этой точки с ростом приложенного напряжения рабочий импеданс супрессора падает до очень низких значений, ток через супрессор увеличивается по экспоненте. Если совсем грубо- супрессор будто «замыкается накоротко».
Vс — Clamping Voltage — максимальное падение напряжения на супрессоре при максимальном импульсном токе. Поскольку сопротивление даже полностью открытого супрессора все-таки не ноль, хотя и близко- полупроводник нагревается. Чем больше ток- тем сильнее нагрев. Его свойства от этого меняются- и падение на переходе увеличивается. Достаточно существенно: Vc и Vbr могут отличаться на единицы и даже десятки вольт, чего не бывает у стабилитронов.
Ir — Reverse Leakage Current — ток, который все-таки протекает через запертый супрессор. Обычно до десятка микроампер, но кого волнуют такие мелочи…
Vf — Forward Voltage Drop — падение на переходе в прямом включении. Как у диода. Имеет смысл только для однонаправленных супрессоров.

То есть фактически супрессор работает как клапан аварийного сброса давления на паровом котле. Превысили напряжение пробоя- супрессор открылся и все излишки через себя стравил. Напряжение упало- супрессор закрылся обратно и делает вид будто ничего не произошло. Сидит себе и остывает… В достаточно коротком импульсе супрессор способен пропустить через себя ток в десятки, и даже сотни ампер.

Недостаток этих устройств: габариты. Поскольку супрессоры должны рассеивать большие мощности- размеры у них приличные. Полуторакиловаттные обычно в DO-201, шестисотваттные в DO-15. SMD-версии в корпусах SMA и SMB. В прочих корпусах тоже бывают, но нечасто.

Нуок, это теория, а надо практикой проверить. Поскольку супрессор у меня с полоской, и звонится только как диод, да и то в одну сторону- собрал простенькую схемку: трансформатор, выпрямитель, токоограничивающий резистор, и супрессор в обратном включении- как положено. Резистор выбрал таким, чтоб ток через открытый супрессор был где-то 5-6 мА. Достаточный чтоб превышать ток нормирования Vbr, но не сильно большой, чтоб лишний раз не мучать животное. У меня супрессор 1.5КЕ20А- выдерживает в пике до полутора киловатт (потому цифра 1.5 в начале). Напряжение пробоя- около 20 вольт (потому 20 ближе к концу). Максимальное падение- почти 28 вольт, но мне это сейчас не важно. А вот максимальный ток, который он через себя пропускает- аж целых 55 ампер в импульсе. Притом стоит он хоть и дороже спичек, но дешевле пирожка. В этой схеме на нем должно падать 20 вольт (если верить даташиту), или что-то около того.
Практически идеальное попадание. Причем тут на супрессоре не постоянное напряжение, а пульсирующее, а прибор показывает «что-то близкосреднее»- так что попадание вполне можно считать совсем идеальным.

А вот «как применяется супрессор» я писать не буду. Во-первых и без меня уже изрядно понаписано, а во-вторых это сбивает с толку. Если прибор традиционно применяется для защиты цепей от импульсных помех- это еще не означает что больше он ни на что не годен. Я также не буду мучать зверей запредельными воздействиями. Не буду разбирать их на атомы. Это diy-статья, а не обзорная. ;)

Если кто дочёл до этого места- далее напишу зачем мне это чудо понадобилось. Будет очень многа букаф!

Вздумалось мне со скуки все-таки сделать ламповый усилитель- в основном для красоты. Ну и чтоб звучал… хоть как-нибудь. А качественный звук (как и качественная жизнь в целом) начинается с хорошего питания. Поскольку излишним аудиофилизмом я не страдаю, и лишний раз ставить громоздкие, дорогущие, а иногда еще и трещащие железяки в конструкцию мне не хочется- выбор пал на так называемый «электронный дроссель», который является транзисторным сглаживающим фильтром. Схем таковых полный интернет, но все оказалось не так просто… Сначала я сделал классическую конструкцию на составном биполярном транзисторе, которая успешно работала. Но в один прекрасный момент, включив макет, я услышал из колонок явственный фон переменного тока, которого быть никак не должно. Полез разбираться. Выяснилось неприятное: транзистор сгорел «с замыканием» и функции фильтрации анодного напряжения, естественно, не выполнял. Из чистого любопытства я решил на этот раз попробовать сделать фильтр на мосфете. Не потому что мосфет «похож на лампы»- mosfet, в отличие от Jfet, на лампу совершенно не похож, а просто из интересу.

За основу была взята понятная, простая, а следовательно- надежная схема Павла Крыницкого. Привожу ее с номиналами элементов, указанными автором. От себя добавил: диодный мостик, конденсатор на входе фильтра (С1), конденсатор на выходе фильтра (С3), и сопротивление нагрузки (Rн- это и есть мой усилитель).
Ярым противникам полупроводников в ламповых конструкциях напоминаю- звуковой сигнал не проходит через фильтр. ;) Он проходит через конденсатор С3.
Теперь разберу «на пальцах» как эта штука работает. И почему у некоторых она не работает. И почему сгорел мой транзистор. И как сделать, чтоб больше ничего не сгорало.

Которые знают как работает мосфет- переходим к самой схеме.
После подачи питания от трансформатора через диодный мост заряжается входной конденсатор С1. Поскольку «с другого конца» висит нагрузка- заряд с конденсатора туда стекает. Конденсатор заряжается не постоянным напряжением, а пульсирующим (гуглим «как работает выпрямитель»)- с частотой пульсаций 100 герц (удвоенная частота сети). В итоге форма напряжения на его обкладках имеет такой вот вид:
Напряжение меняется от минимального значения Vmin до максимального Vmax. Эти пульсации прекрасно прослушиваются в колонках как «фон», особенно если у вас однотактный усилитель. Размах пульсаций зависит от емкости конденсатора и сопротивления нагрузки (то есть потребляемого усилителем тока). Чем меньше емкость и чем больше потребляемый ток- тем больше размах пульсаций (и громче фон). Можно, конечно, поставить огромную банку на стопицот тыщ микрофарад, но полностью пульсации все равно не пропадут, а большая банка стоит дорого (и место занимает).
Потому и были придуманы транзисторные фильтры. Задача фильтра- убрать эти пульсации. Чтоб вместо зубастой пилы получилась ровная горизонтальная линия.

У нас есть мосфет- управляемый переменный резистор. Включить его тут истоком к конденсатору С1 нельзя- потому что все пульсации пойдут в нагрузку через технологический диод. Потому сток- это «вход», а исток- «выход».
Допустим, на затворе есть какое-то напряжение, оно постоянно, и оно таково, что Vgs>Vgs(th). Мосфет открыт- ток течет через него в С3 и нагрузку. Его канал обладает некоторым сопротивлением. Вместе с сопротивлением нагрузки образуется делитель напряжения. Если напряжение на С3 упало- Vgs становится больше, сопротивление мосфета уменьшается- С3 подзаряжается шибче. Как только напряжение на С3 подросло- Vgs становится меньше- сопротивление мосфета увеличивается, С3 подзаряжается слабше. То есть сопротивление мосфета меняется синхронно с пульсациями, а напряжение на нагрузке остается постоянным.

Постоянное и стабильное напряжение на затворе означает постоянное и стабильное напряжение на нагрузке — что нам и надо!

До какой величины можно зарядить С3?
Максимально- до Vmin. То есть до нижней границы пульсаций на С1. Потому что если напряжение на С3 станет выше- «излишек» стечет обратно в С1 через внутренний диод мосфета. Условно будем считать что на этом диоде ничего не падает- поскольку падение на диодах, вообще говоря, вовсе не «0.7 вольта», а напрямую зависит от тока через диод (чем меньше ток- тем меньше падение).
Таким образом задача фильтра- «обрезать всё, что выше Vmin».

Каким должно быть напряжение на затворе относительно «земли»?
Напряжение на С1 меняется от Vmin. до Vmax- пульсирует. Через мосфет в нагрузку протекает ток- по закону Ома на мосфете создается некоторое падение напряжения, в зависимости от сопротивления канала и величины протекающего тока. Поскольку сопротивление канала меняется синхронно с пульсациями- падение также меняется синхронно с пульсациями- от Vds.min до Vds.max. И вот если Vmin+Vds.max получится меньше Vmax- пульсации спокойно полезут в нагрузку. Потому максимальное падение на мосфете должно быть больше или равно размаху пульсаций. Если напряжение на затворе будет слишком велико- сопротивление мосфета окажется слишком маленьким, а Vds.max недостаточным.
Есть еще один момент: напряжение на истоке (а значит на С3 и нагрузке) никогда не превысит напряжения на затворе, а совсем наоборот- будет меньше на величину порогового напряжения (иначе мосфет просто не откроется).
Итого: напряжение на затворе не должно превышать Vmin+Vgs(th)- тогда все получится. Меньше- можно (многие так и делают), больше- нельзя.

Стабильное и постоянное напряжение на затворе обеспечивается конденсатором С2, который может быть небольшим по сравнению с остальными банками. Этот самый С2 заряжается через резистор R1 до определенного напряжения. И вот по задумке Крыницкого, как только это напряжение станет больше Vmin- излишек «стечет» в конденсатор С1 через диод D1- таким образом напряжение на С2, а следовательно и затворе, будет поддерживаться на уровне Vmin (условие «меньше Vmin+Vgs(th)» выполнено), а значит и пульсации в нагрузку не полезут! В этом и гениальность схемы- она универсальна и работает для любых нагрузок, с любыми конденсаторами С1 и С3, а значит с любым размахом пульсаций, не требуя никакой настройки.

Прочие элементы схемы: R2- «антизвонный», запаивается максимально близко к ноге затвора, предотвращает реакцию мосфета на какую-нибудь наводку извне, образуя RC-фильтр с емкостью затвора (она маленькая, но есть). Стабилитрон D2- защитный, с напряжением стабилизации меньше максимально допустимого напряжения затвор-исток. В некоторых мосфетах он уже встроенный, но лучше уточнить по даташиту. Зачем он нужен: допустим, по какой-то причине напряжение на С3 резко упало, либо наоборот- напряжение на С2 резко скакнуло вверх. Тогда «излишек» напряжения с С2 стечет в С3 через этот стабилитрон- и затвор мосфета не выгорит.

Почему схема Крыницкого у многих не работает?
Такие схемы обычно даются без пояснений- в расчете на то, что самодельщик умный. Автор оригинальной схемы даже банки на вход и выход не рисовал, подразумевая что они по умолчанию. Это фатальная ошибка. Я, например, не очень умный…

Если конденсаторы на входе и выходе отсутствуют, либо величина конденсаторов недостаточна- схема работать не будет!

Отдельно хочу упомянуть конденсатор в затворе. Типичная картина: «Ну зачем в затворе электролит? Через затвор не утекает же ничего. А давайте маленькую пленку поставим- пленка лучше!» Далее очень многие жалуются, что «с хорошим пленочным конденсатором» схема не работает, а вот с «плохим электролитическим»- еще как работает. Из этого обычно следует ошибочное объяснение: «ну, это потому что у электролита утечка большая». Многие выбрасывают диод, а С2 шунтируют резистором, чтобы гарантировано «придавить» затвор ниже Vmin- и получают на транзисторе ненужные потери бонусом. Не спорю- решение логичное. Раз через затвор ничего не утекает- «просится» маленькая емкость. Только вот для схемы Крыницкого это «логичное решение» не годится.

Давайте посмотрим что происходит на «идеальных» моделях емкостей в MicroCap 12- то есть гарантировано без утечек. Два конденсатора разной емкости при одинаковом R1 (я взял 1МОм- наиболее «популярную» величину).
Поставили конденсатор С2 малой емкости («пленочный»)- получили пульсации. Потому что он быстро заряжается когда напряжение на С1 достигает максимума (емкость-то маленькая) и быстро разряжается пока оно падет до минимума (потому что диод). А большая емкость инертна- она за половинку периода просто не успевает подзарядиться настолько, чтоб потом разряжаться. А маленькая успевает, даже через «огромное» с виду сопротивление. У Крыницкого емкость «аж» 4 мкф указана не просто так! Небольшие пульсации присутствуют даже на емкости 0.1 мкф- посему конденсаторы малой емкости сюда никак не годятся. Даже самые лучшие и максимально пленочные. Дело-то не в том какой тут конденсатор, а в том, какой он величины. Хотели как лучше- получилось как всегда. ;)

Почему же сгорел мой транзистор?
У схемы Крыницкого и всех подобных есть одно достоинство. Или один очень крупный недостаток- это смотря как посмотреть.
Включили питание, С1 быстро зарядился. И пошел переходной процесс… R1- большое. Следовательно, С2 заряжается медленно. Мееееедленно… Несколько секунд, или даже несколько десятков секунд. Напряжение на С3 и нагрузке тоже растет медленно. Анодное напряжение подается на лампы с большой задержкой- что очень многим шибко нравится.

Пока лампы холодные- все хорошо. Анодное медленно растет, лампа медленно прогревается. Сопротивление нагрузки достигает минимального значения как раз примерно в тот момент, когда напряжение на С3 уже достигло максимума. Транзистор включается в свою нормальную работу, рассеивая некоторую мощность в виде тепла. Небольшую. Пару-тройку ватт всего.
А теперь представим ситуацию- мы выключили только что работавший усилитель, а через 10 секунд включили обратно- анодное с банок уже «стекло», а лампы еще горячие. А то и вовсе, убоявшись отравления катодов, подаем анодное на загодя прогретые лампы.

Что в этот момент происходит с транзистором?
А ничего хорошего. Лампы горячие- электроны спокойно улетают с катода, ток зависит только от величины смещения. Сопротивление нагрузки уже минимально- значит ток через мосфет уже максимален. А напряжение на нагрузке растет медленно. Следовательно- все «лишнее» напряжение падает на мосфете- и рассеивается в виде тепла. Происходит кратковременный, но очень существенный скачок рассеиваемой транзистором мощности.
Вот график этого скачка для нагрузки 2 Ком (например, две лампы 6п3с при анодном 300 вольт и токах катодов по 70 мА- вполне реальная картина).
Чем больше R1 или С2- тем более «пологим» будет этот горбик, но заодно- тем более долгим. Существенно значение рассеиваемой мощности не снизится. Этот график справедлив для R1- 360 КОм, С2 — 10 мкф. При номиналах Крыницкого «вершинка» графика составляет 9.5 ватт. Вот это- цена «задержки». Для биполярных транзисторов картина будет такой же, только еще хуже.
То есть- в течении нескольких секунд (или даже десятков секунд) транзистор должен рассеивать очень приличную мощность, и при том как-то умудриться не помереть от перегрева. Без хорошего теплоотвода это нереально, даже в течении «всего» 20 секунд.

Я не очень дальновидный- и установил транзистор на небольшой теплоотдвод, который спокойно позволял рассеивать «рабочие» два-три ватта. Но однажды включил макет с горячими лампами… Естественно, транзистор такого издевательства не выдержал. :(
Схем таких фильтров в разных вариантах полным-полно, но нигде нет четкого совета по выбору теплоотвода. Всё сводится к «ну поставьте побольше». Для рассеивания моих почти 12 ватт надо примерно 300 квадратных сантиметров поверхности радиатора- это достаточно большой теплоотвод. Вот и выходит, что придется опять ставить здоровенную «железяку», которая 99% времени еще и не работает.

Как этого можно избежать?
Я подумал- а зачем мне эта «задержка» вообще? Завсегда можно просто повесить отдельный тумблер для анодного, либо ввести эту задержку еще каким-нибудь способом… В общем- задержка в этой схеме мне не нужна, а только вредит. Избавиться от нее очень просто, с помощью той самой волшебной детали- супрессора. Конечно, в первую очередь мне пришел в голову стабилитрон, но он сюда не годится. Недорогой стабилитрон средней мощности не способен пропускать через себя большие импульсные токи- он просто сгорит. А вот супрессор- способен, его для того и создавали.

Окончательная схема получила такой вид.
Супрессора я выбирал с пороговым напряжением гарантировано бОльшим, чем максимальное падение на мосфете, но не слишком большим.

Как эта штука работает: в момент подачи питания С3 заряжается одновременно с С1 через открытый супрессор. Одновременно С2 заряжается через «защитный» стабилитрон D2, который работает в режиме прямой проводимости (как диод), а также антизвонный резистор R2- который теперь выполняет функцию ограничителя тока стабилитрона D2, посему поставить его надо! При достижении на С3 определенного напряжения супрессор запирается- и мосфет начинает свою фильтрационную работу.

Что мне это всё дало:
Проблема перегрева полностью решена- рассеиваемая транзистором мощность уже не превышает пары ватт в любой момент времени.

А что происходит с анодным?
За пару секунд мосфет выходит на режим, мягко «дожимая» анодное до рабочего уровня, и никаких бросков тока в цепи питания не происходит.


Достоинства доработаного варианта:
-больше не нужен большой радиатор для транзистора.
-высоковольтный мосфет тоже уже не нужен- потому что напряжение сток-исток никогда не превысит порогового значения супрессора.
-подача анодного остается «мягкой»- посему схему можно применять с заранее прогретыми лампами.

Кстати говоря, вместо стабилитрона D2 тоже идеально подошел бы супрессор, но деталь слишком крупногабаритная, а ток в цепи невелик- потому я решил все-таки не ставить. Но супрессоры вместо «защитных стабилитронов» применять можно и годно.

Практическая реализация получилась весьма компактной:
Для сравнения размеров я обозначил цоколя ламп. Транзистор стоит на маленьком «бульонном кубике»- и ему хоть бы хны! Радиатор во время работы наощупь теплее окружающей среды (25 С), но холоднее кота (38 С)- так что выше 30...35 градусов эта штука не нагревается.
«Доработаный Крыницкий» работает идеально. Никакого даже намека на сетевой фон в колонках не прослушивается. При этом я включал схему хоть с холодными лампами, хоть с горячими- схеме абсолютно все равно.

Примечание: если «такая схема уже была там-то и там-то»- приношу извинения, я не гугол чтоб знать всё. Наверняка была! Решение-то очевидное. Но если я не видел- то мобыть и остальные не видели…

Примечание 2: очень умные и опытные мужики с форума мне сообщили Великий Секрет Древних: достаточно многие диоды обладают склонностью к лавинному пробою в обратном включении, и способны выдерживать приличные токи в таком режиме. Иными словами: встроенный диод мосфета (Body Diod) сам по себе может работать как супрессор. Однако- эта функция «недокументированая», и как расчитывать «пригодность» диода к такому режиму- я пока не понял. Тем не менее- делай я фильтр сразу на мосфете, не исключено что с проблемой «выгорания на работе» я бы не столкнулся.