БП из трансформаторов СВЧ-печей

  Знаете ли вы, что напряжение на электрическом стуле 2 kV?  А напряжения, даваемые описанными ниже устройствами, раза в полтора выше... Современная жизнь создает  иллюзию что всё  поправимо. Увы, нет. Тут не компьютерная игрушка, где в запасе несколько жизней. Одно неверное движение - и объяснять, чего вы хотели, но не так вышло, будете уже архангелу Гавриилу. Или кто там принимает новоприбывших на том свет, не помню...
  Будьте внимательны, собраны и не забывайте семь раз отмерять и проверять. 

   Идея использовать для блока питания мощного лапового PA силовых трансформаторов от бытовых СВЧ-печей (СВЧТ) давно имеет хождение среди радиолюбителей. С первого взгляда она кажется весьма привлекательной. Ведь СВЧТ отдает мощность 1...1,5 kW (при мощности печек 650...900 W, соответственно) и имеет переменное напряжение на вторичной обмотке 1800...2300 V (в зависимости от типа магнетрона). Если к этому добавить малые габариты и невысокую стоимость СВЧТ (из сгоревших печей их можно купить по цене лома, ибо надежность СВЧТ высока и в вышедшей из строя печи СВЧТ практически всегда будет исправен), хорошее качество изготовления и заливки, то кажется что СВЧТ хорошо подойдет для  PA с выходной мощностью 600...900W (при одном СВЧТ) или 1,2...1,8 kW при паре СВЧТ.
   Такой взгляд поддерживается редкими описаниями удачно работающих РА с блоком питания на СВЧТ (например, РА VK4YE).  Описаний  же тех, кто попробовал, но ничего путного не получил почти нет. Но это не значит, что случаи неудач редки. Отнюдь. Просто в таком случае хвастаться нечем и статью писать тоже вроде как не о чем. К примеру, тот же VK4YE в одном из форумов отмечал, что из четырех таких БП  два  у него сгорели в первый же день, третий - через пару месяцев, и лишь четвертый работает 6 лет. 

   Чтобы двигаться дальше разберемся сперва, как устроен СВЧТ.

   Кардинальное различие между СВЧТ и трансформатором БП PA, заключается в том, что первый из них работает на максимальной мощности, но не более 30 минут (за это время любую курицу можно засушить до состояния подошвы) и затем выключается. В РА же трансформатор обязан работать часами и сутками. Не всегда на полной мощности (в режиме приема, например), но всегда длительно.
   Таким образом, СВЧТ изначально спроектирован, чтобы при минимальных габаритах и цене отдавать максимальную мощность, но (увы!) лишь  недолго. 
   Поэтому железо СВЧТ работает в насыщении. Это означает очень высокий ток холостого хода первичной обмотки. Типично 2...4 А. Это слишком много для длительной работы в дежурном режиме. При таком токе трансформатор через 40..60 минут будет недопустимо перегреваться даже при отсутствии нагрузки.
  Если каким-то образом (добавление витков сетевой обмотки или понижением напряжения на ней) снизить этот ток до приемлемых величин (для обычных трансформаторов считается 1 mA на каждый ватт выходной мощности, т.е. в нашем случае до 1 А примерно), то вместе с уменьшением магнитного потока в сердечнике упадет и мощность трансформатора. Исходно, магнитный поток в сердечнике СВЧТ и сделан столь большим (с заходом далеко в область насыщения сердечника), чтобы при малых габаритах передать большую мощность. Уменьшение же этого потока (домоткой сетевой обмотки  или снижением напряжения на ней) соответственно снизит и габаритную мощность. В несколько раз. Выглядеть это будет так, что трансформатор "не держит" нагрузку и напряжение на вторичной обмотке "проседает" почти вдвое уже при нагрузке в 300...400 Вт.
   Но в конце концов и 300..400 Вт с одного трансформатора это неплохо. Можем ли мы использовать СВЧТ со сниженным током холостого хода (с домотанной сетевой обмоткой или с пониженным напряжением на ней) в длительном дежурном режиме? Оказывается, тоже нет.
    В погоне за экономичностью и технологичностью пластины СВЧТ скреплены вместе сваркой. Т.е. электрически они соединены между собой, отрывая прямую дорогу для вихревых токов. В обычном трансформаторе сердечник выполняется из набора пластин, изолированных (слоем окисла) друг от друга. Делается это как раз для того, чтобы разорвать цепь протекания вихревых токов, и тем самым заметно снизить потери в сердечнике и его нагрев. А в СВЧТ эти пластины заботливо соединены сваркой друг с другом, да еще в нескольких местах.
   Поэтому обычная норма  (1 mA на 1 W выходной мощности) холостого тока первичной обмотки для сваренных сердечников СВЧТ не годится. Даже при токах холостого хода 400..500 мА  сердечник СВЧТ через 40...60 минут раскаляется до 700...800, что явно неприемлемо.
   В принципе, любителями описаны случаи, когда путем полной разборки сердечника СВЧТ (удалением сварки), разделения пластин и покрытия их лаком и последующей сборки СВЧТ (на стягивающих винтах) удалось получить приемлемый нагрев сердечника при токе холостого хода 1 А. Но трудоемкость такой переделки столь высока, что я не рискнул бы ее рекомендовать (разве что в самом крайнем случаем - когда трансформатор взять больше негде, иначе как от СВЧ печки). Поэтому вернемся к нашим обычным (сваренным, не переделанным СВЧТ).   
   Приемлемый нагрев (40..450 на холостом ходу через час) сердечника СВЧТ достигается лишь при холостых токах менее 200 mA. Но для этого требуется снижать на первичной обмотке напряжение практически вдвое. Кажется заманчивым включить два одинаковых СВЧТ первичными обмотками последовательно (тогда на каждой будет по 110 V). Требуемый холостой ток и нагрев сердечника при этом действительно достигаются. Но ценой значительного падения мощности (сильная "просадка" напряжения вторичной обмотки, даже при относительно небольшой мощности). Поэтому на практике такой вариант не годится.
    Малая "просадка" выходного напряжения в СВЧТ достигается только при паспортном (или близком к нему) напряжении первичной обмотки.

  Вывод 1: СВЧТ необходимо использовать при номинальном (220 V) напряжении первичной обмотки. Его заметное снижение резко ухудшает нагрузочную способность вторичной обмотки.

  Вывод 2, вытекающий из вывода 1: сердечник СВЧТ будет греться. Сильно греться, даже на холостом ходу. И с этим обязательно надо что-то делать.

   Что именно? Возможны лишь два варианта.
   1. Включить СВЧТ в сеть постоянно и хорошенько обдувать его. Например, заключив в воздуховод и  отдельным вентилятором. Конечно СВЧТ греется. Но при хорошем обдуве можно удержать его температуру в разумных пределах. Обычно СВЧТ залит чем-то вроде эпоксидки, каркасы пропитаны ею же. Поэтому гореть и плавиться в СВЧТ особенно нечему, и даже при температуре 50...600 он может длительно работать. 
   Кроме постоянного шума вентилятора, этот вариант имеет еще и  тот недостаток, что 100...150 W из сети потребляются постоянно и расходуются на нагрев сердечника СВЧТ. Мало того, что эту мощность, рассеиваемую в тепло в сердечнике, надо отводить обдувом, так еще за нее придется и платить. За месяц работы такого СВЧТ даже только в дежурном режиме "нагорит" 100 кВт·ч. А если в БП два СВЧТ (что часто требуется), то все 200 кВт·ч.
   2. Второй вариант не годится любителям долго CQ-лять и делать 500 QSO в сутки. В этом варианте СВЧТ включен в сеть не постоянно, а через нормально разомкнутые контакты мощного реле, управляемого педалью "RX/TX".  Если отношение времени приема к времени передачи  превышает 3 (типично для средней работы), то СВЧТ успевает приемлемо охладиться во время приема и не требует дополнительного обдува.
   Самым крупным недостатком этого решения является невозможность QSK, т.е. быстрого переключения на передачу. Ведь при включении на передачу подается сеть на СВЧТ и происходит заряд конденсатора фильтра питания. Это требует времени - до десятых долей секунды. Кроме того, броски тока при зарядке конденсатора могут быть велики, а применение всякого рода стартовых, токоограничивающих цепей удлиняет время включения на передачу. 
   В принципе, усложнив управление, можно сделать и QSK. Но лишь в пределах тех 30 минут, которые может без перегрева работать СВЧТ. Потом потребуется обязательная пауза на охлаждение (с полным отключением СВЧТ от сети).

   Других вариантов нет. Имеющиеся же два довольно неудобны. Если эти неудобства для вашего случая слишком велики, то выбросите из головы идею применения СВЧТ в РА и займитесь поисками обычных трансформаторов.

   Если же какой-то из вышеописанных двух вариантов вас устраивает, можно приступать к выбору схемы. Он, откровенно говоря, невелик. И зависит не от вашего желания, а от конструкции каркаса высоковольтной обмотки СВЧТ.
   Если изоляция каркаса тонкая (обычно это тонкий картон, пропитанный эпоксидкой), то выбора нет. Схема может быть только такой, как показано на  рис. 1:


Рис. 1

   Дело в том, что в "родном" включении СВЧТ один из выводов высоковольтной обмотки (внутренний) сидит прямо на корпусе (часто это сделано прямо на СВЧТ). Поэтому там нет никакого смысла очень уж качественно изолировать первый слой этой обмотки от сердечника - все равно напряжение там низкое.
   Если же  мы попытаемся нагрузить вторичную обмотку СВЧТ на диодный мост, то ситуация изменится кардинально.  Теперь высокое (полное выходное) напряжение относительно корпуса поочередно  будет оказываться на обоих выводах вторичной обмотки. В том числе - и на внутреннем. Поэтому, если качество изоляции начала обмотки от сердечника вызывает сомнения (выдержит ли она 2,5...3,3 кВ?), то схема выпрямителя может быть только такой, как показано на рис. 1  - внутренние выводы обеих высоковольтных обмоток соединены с корпусом. Конечно, оба СВЧТ должны быть одинаковыми.
 
   Если же каркас высоковольтной обмотки выполнен из толстого и качественного диэлектрика, то можно рискнуть и использовать обычную мостовую схему выпрямителя (рис. 2).  Если мощности одного СВЧТ не хватает, можно включить параллельно два  одинаковых СВЧТ (рис. 3). 


Рис. 2.                                                                               Рис. 3.

  Такая схема более предпочтительна с точки зрения получения максимальной мощности, чем схема рис. 1.
   Дело  в том, что  схема рис. 1 хотя и является двухполупериодной, но имеет одну неприятную особенность. В отличие от такой двухполупериодной схемы, в которой выходная обмотка (с отводом от середины) намотана на одном сердечнике, в схеме рисунка 1 "половинки" вторичной обмотки намотаны на разных сердечниках. Поэтому имеется изрядное подмагничивание каждого из сердечников постоянным током. В обычной схеме (с одной обмоткой  с отводом на одном сердечнике) этого не происходит - подмагничивание в разные полупериоды имеет разные знаки и потому взаимно компенсируется. В схеме же рис. 1, увы, подмагничивание сердечников есть (в каждый полупериод - своего, и компенсации не происходит, потому что сердечников два), и оно снижает (раза в полтора) максимальную мощность.

    Таким образом, схема рис. 2 дает мощность, равную мощности применяемого СВЧТ (выходная мощность той печки, где стоял СВЧТ, умноженная на 1,4..1,6). Схема рис 1 - в полтора раза больше. Схема рис. 3 - в два раза больше.
      
   Ну что, теперь-то можно приступать к изготовлению БП? Еще рано. Сперва надо переделать СВЧТ.
   Во-первых, неплохо бы удалить накальную обмотку магнетрона (несколько витков толстым проводом в хорошей изоляции поверх высоковольтной обмотки). Собственно наличие этой обмотки ничему не мешает и ее можно оставить (обрезав до минимума её выводы). Но уж больно там хороший провод: высоковольтный и не боящийся высокой температуры. Такой очень пригодится при разводке анодных цепей РА, поэтому постарайтесь все-таки смотать накальную обмотку. Но особо не усердствуйте. Если не очень получается и есть риск повредить высоковольтную обмотку, то лучше оставить все как есть.
  Во-вторых, из применяемых СВЧТ надо выбить магнитные шунты. Их два в каждом СВЧТ. Магнитные шунты - это пачки металлических пластин, вставленных в окна сердечника между сетевой и высоковольтной обмотками. Шунты показаны желтым цветом на рис. 4.

 
Рис. 4.

   Исходное назначение шунтов - замкнуть на себя часть магнитного потока и тем ограничить максимальный ток вторичной обмотки. Сделано это для того, чтобы при не допустить "разгон"  магнетрона  на большую мощность, и перегрузки СВЧТ.
  Но в РА от КЗ защищает анодный предохранитель (ведь он же есть у вас?). А ограничение тока вторичной обмотки нам совершенно ни к чему: и мощность снижает и "просадку" под нагрузкой повышает. Поэтому магнитные шунты должны быть удалены.
   Это сделать непросто (они обычно плотно вставлены и хорошо залиты), но весьма желательно. В самом крайнем случае шунты можно и оставить, но это процентов на 20..30 снизит отдаваемую мощность и повысит "просадку" напряжения под полной нагрузкой.
   Выбить шунты проще всего подходящим по размеру прямоугольным стальным бруском, положив СВЧТ на разведенные губки тисков. Сложность  еще и в том, что железо шунтов мягкое, и при сильных ударах торец шунтов расклепывается, и если не полностью заклинивается в окне, то идет очень туго. Можно также попробовать, уперев в губки тисков упомянутый брусок и противоположную стенку сердечника СВЧТ, выдавить шунты сводя губки тисков. Или хотя бы стронуть их  с места, а уж дальше выбивать. 
   В общем, процедура удаления шунтов столь же непроста, сколь и необходима.

   Вот теперь вы можете приступать к изготовлению БП. В завершение еще несколько нюансов.
   1. Даже если вы применяет схему рис. 1, то все равно желательно на СВЧТ оторвать от земли внутренний вывод высоковольтной обмотки, и закрепить его на дополнительном опорном изоляторе (качество последнего  может быть невысоким). Точку соединения высоковольтных обмоток на рис. 1 лучше соединить не прямо с корпусом, а через резистор 0,5...1 Ом. И по падению напряжения на этом резисторе измерять ток нагрузки, т.е. анодный ток.
   2. Если получаемое после выпрямления напряжение слишком велико для используемой лампы, то можно снизить его на 10...15%. Для этого надо соответственно домотать сетевую обмотку, используя место, где ранее были магнитные шунты. Обычно в СВЧТ 1,5 витка на вольт, поэтому надо доматывать 30...40 витков.  Это непросто, но вполне осуществимо. Надо позаботиться о хорошей изоляции, способной выдерживать высокую температуру, ибо в любом случае в СВЧТ довольно жарко. 
  3. Правильность фазировки в схемах 1 и 3 удобно проверять, временно подав на первичные обмотки СВЧТ 5...6 V переменного напряжения от отдельного трансформатора. Но  даже в этом случае соблюдайте осторожность: на высоковольтной обмотке будет около 60 V, а в схеме рис. 1 - около 120 V (между выводами, идущими на диоды). Это конечно не 2...3 kV, но крепко дернуть (а при неудачном стечении обстоятельств даже и убить) вполне может. 
  4. О диодах. В схемах рисунков 2 и 3 обратное напряжение на диодах равно выходному, а в схеме рис.1 - вдвое превышает его.
   Диоды (вернее сборки) можно применять от СВЧ  печей.  По напряжению они имеют большой, запас (его хватает даже для схемы рис. 1), чего к сожалению, не скажешь о токе. Поэтому лучше сделать сборку из обычных выпрямительных диодов, зашунтировав каждый выравнивающими конденсаторами (0,01...0,033 мкФ) и резисторами (300...600 кОм 2 W).  Но это довольно муторно: на каждый диод по резистору с конденсатором. Ведь диодов надо много и получается довольно большой блок.
   Наилучшим решением является применение высоковольтных выпрямительных диодов, которые при небольшом превышении допустимого обратного напряжения переходят в режим стабилитрона. При последовательном включении нескольких таких диодов нет необходимости в  выравнивающих резисторах и конденсаторах. Если в силу каких-то причин на цепочке диодов на одном из них чрезмерно повысится обратное напряжение, то он перейдет в режим стабилитрона и сбросит излишнее напряжение на остальные диоды цепочки. 
   Я бы рекомендовал диоды 1N5408. Их допустимое обратное напряжение  1 kV, при напряжении 1,2 kV они переходят в режим стабилитрона. Ток 3 A (пиковый 200). И при всем том, розничная цена их - 15...20 центов. Учитывая экономию на выравнивающих резисторах и конденсаторах - почти даром.
   4. Конденсатор фильтра.
    Если у вас набор электролитических конденсаторов, то зачем вы читали эту статью? Зачем вам силовой трансформатор? Докупите еще таких же конденсаторов и сделайте бестрансформаторный РА. Если применяются электролитические конденсаторы, то силовой трансформатор - совершенно ненужная деталь.
  Он нужен, если применяется один высоковольтный пленочный конденсатор, который (в отличие от электролитических) может работать без замены многие десятилетия. Но зато к нему нужен повышающий силовой трансформатор.
   Емкость конденсатора фильтра выбирается исходя из тока нагрузки IН и допустимой амплитуды пульсаций выпрямленного напряжения ЕПУЛЬС, по следующей формуле:
                С=5IН /ЕПУЛЬС,
      где:
    С - в мкФ,
    IН - в mA, 
    ЕПУЛЬС - в V. 
   Принято считать, что для РА с общей сеткой ЕПУЛЬС может быть до 10% от анодного напряжения, а для схем с общим катодом - до 5%.
   Следует также учесть, что на величину  ЕПУЛЬС понижается выходное напряжение выпрямителя под нагрузкой. Причем это падение идет дополнительно к снижению выходного напряжения из-за потерь на обмотках и диодах,  а также из-за ограничения мощности сердечником трансформатора. 
   Пример (реальный БП).  Схема рис. 1. СВЧТ (от печек с мощностью 800 W) имеют 2 kV переменного напряжения. На холостом ходу выходное напряжение будет 2,8 kV (просто в 1,4 раза больше). Максимальный ток нагрузки 0,8 А. Мы можем допустить максимальную амплитуду пульсаций 100 V.  По приведенной формуле получаем, что конденсатор должен быть не менее 40 мкФ. Падение напряжения источника под полной нагрузкой сложится из:
   -  ЕПУЛЬС, которая, как мы посчитали-задали составит 100 V. 
   - Падения на активном сопротивлении вторичных обмоток и диодах (в каждом плече использована цепочка из 8 диодов 1N5408) - около 100 V.
   - Падения напряжения из-за потерь в сердечнике 100 V.
Т.е. под током 0,8 А общее падение напряжение будет 300 V, выходное  напряжение будет составлять 2,5 kV с пульсациями 100 V.

   При наладке БП не забывайте разряжать конденсаторы. Хотя бы так. Убойное напряжение на пленочных конденсаторах без цепей разряда может сохраняться сутками.