Заметки обо всем. Простые и опасные источники питания / Habr
О чем эта статья
В этой статье рассказано о принципах построения простейших бестрансформаторных источников питания.Тема не новая, но, как показал опыт, не всем известная и понятная. И даже, некоторым, интересная.
Прошу желающих и интересующихся читать, критиковать, уточнять и дополнять на почту [email protected] или на мой сайт в раздел «Контакты».
Вступление
Не так давно один мой знакомый влез пальцами в некую схему, которую собирался починить (проводок отвалился — так что просто припаять его надо было на место). И его ударило током. Не сильно ударило, но ему хватило, чтобы удивиться: «как так — тут микроконтроллер стоит, что тут может стукнуть? Он же от 5 вольт питается!».
Его удивление быстро разъяснилось: схема оказалась с бестрансформаторным питанием и без гальванической развязки от сети.
Далее последовали вопросы уже в мою сторону. Сводились они к двум вещам: «А чё? Так можно делать?!» и «А как оно работает?».
Хотя я и не считаю себя экспертом в электронике, но делать подобные блоки питания мне приходилось. Так что пришлось взять ручку и листок и объяснить как оно работает. Благо это совсем не сложно.
Возможно, что и вам покажется интересной тема «бестрансформаторных» источников питания или, сокращённо, БИП. Кому-то для общего развития, а кому-то и для практического применения.
Источники питания от бытовой сети переменного тока
Сразу предупреждаю: я намеренно не коснусь тут импульсных источников питания. Это тема для другого разговора.
Вообще говоря, функции источника питания низковольтной электронной аппаратуры обычно состоят в следующем: обеспечить на выходе источника питания заданное напряжение при заданном диапазоне потребляемого тока. То есть, если выразиться формально, источник питания — это источник постоянного напряжения
В «классическом» линейном источнике питания это происходит обычно так: входное сетевое напряжение понижается с помощью трансформатора, затем это напряжение выпрямляется и, наконец, стабилизируется с помощью линейного стабилизатора.
Структурная схема «классического» линейного источника питания показана на рисунке ниже. Одной из самых «неудобных» деталей такого источника питания является трансформатор: он дорогой и громоздкий.
Поэтому, радиолюбители и радиопрофессионалы искали способы — как отказаться от этот громоздкой и дорогой детали — трансформатора или хотя бы уменьшить его габариты и стоимость.
И такое решение нашлось: стали использовать реактивное сопротивление конденсатора Rc для того, чтобы «гасить» лишнее напряжение. Структурная схема «бестрансформаторного» источника питания (БИП) показана ниже.
Как видим, структура БИП почти не отличается от классического линейного источника питания. Разве что вместо трансформатора поставили гасящий конденсатор. Пусть вас не смущает и не обманывает сходство структуры этих источников питания на рисунке: внутри отличий масса.
Достоинства БИП: он относительно компактен, надёжен, дёшев, не боится короткого замыкания по выходу.
Но есть и существенные недостатки: он опасен с точки зрения прикосновения человека к элементам питаемого устройства. Да и максимальный ток, который может обеспечить такой источник питания — всего несколько сот миллиампер. При большем токе габариты конденсаторов велики и проще поставить трансформатор или вообще поставить импульсник.
Исходя из достоинств и недостатков БИП, область его применения — это хорошо изолированные маломощные устройства с питанием от бытовой электрической сети: одиноко стоящие датчики, устройства управления освещением, устройства включения вентиляции и обогрева и другие устройства малой мощности, работающие автономно.
Попробуем понять — как работает реальная схема
Теория практики и практика теории
Пример простейшей практической схемы
Так как раньше, до появления дешёвых «импульсников», БИП были наверное самым доступным способом уменьшить габариты и цену источника питания, то схем БИП в книгах и интернете — вагон и маленькая тележка. Но принцип работы почти у всех схем примерно одинаковый: один или несколько гасящих конденсаторов на входе, выпрямитель и выходной стабилизатор постоянного напряжения.
Давайте рассмотрим одну из простейших рабочих схем БИП, что показана на рисунке ниже.
Сразу видны все основные части схемы: гасящий конденсатор С1; двухполупериодный выпрямитель — диодный мост VD1 и сглаживающий конденсатор C2; стабилизатор напряжения — стабилитрон
Забудем о «лишних элементах» или «основная формула БИП»
Для простоты забудем пока о существовании резисторов R1 и R2: будем считать, что R2 отсутствует вообще, а R1 заменён на перемычку. Для всех расчётов это не существенно, а о назначении этих резисторов мы поговорим позже. То есть, временно, схема для нас будет выглядеть так, как на следующем рисунке.
Переменный ток сети питания, ограниченный гасящим конденсатором С1, протекает через точки 1 и 2 диодного моста VD1.
Постоянный ток, получаемый после выпрямления переменного диодным мостом VD1, протекает через стабилитрон и «нагрузку»
На схеме показано, как протекают все токи: Ic — переменный ток сети, Iн — постоянный ток нагрузки и Iст — постоянный ток стабилитрона.
Хоть я и написал «постоянный» и «переменный» токи — на самом деле это один и тот же ток. Просто диодный мост заставляет его течь через стабилитрон и нагрузку всегда в одну и ту же сторону.
Если считать, что мы измеряем действующее значение тока , то можно записать основную формулу работы нашей схемы БИП:
Это следует из первого закона Кирхгофа, который гласит, что сумма втекающих в любой узел токов равна сумме вытекающих из него токов и по сути является частной формулировкой закона сохранения массы/энергии.
Из этой формулы следует простой, но важный вывод: при неизменном напряжении сети , ток, потребляемый от питающей сети практически не изменяется при изменении сопротивления Rн в рабочем диапазоне токов — это ключевое отличие БИП от линейного источника питания с трансформатором.
Несмотря на то, что блок-схемы источников питания, приведённые в начале статьи очень похожи — работают очень по-разному: понижающий трансформатор в первой блок-схеме является источником напряжения, а гасящий конденсатор во второй блок-схеме является источником тока!Но вернёмся к нашей схеме. Из последней формулы становится также ясно, что схема стабилизатора по сути является делителем тока между нагрузкой
Если нагрузку Rн оторвать совсем — то весь ток потечёт через стабилитрон. Если нагрузку Rн «закоротить» — весь ток потечёт через нагрузку, в обход стабилитрона.
А вот «отрывать» стабилитрон VS1 от схемы ни в коем случае нельзя! Если его оторвать, то все сетевое напряжение может податься на нагрузку Rн. Последствия будут, скорее всего, печальные.
Когда педантичность не нужна
В любом варианте — от полного отключения Rн до его «закоротки» — ток Ic, текущий через гасящий конденсатор C1 будет примерно равен ; где — напряжение сети, а — сопротивление конденсатора
Педанты и прочие любители точности могут меня упрекнуть, дескать я не учёл напряжение на диодном мосту (между точками 1 и 2). Поэтому напряжение на конденсаторе C1 будет несколько меньше, чем — напряжение в розетке.
Разумеется, строго формально, товарищи педанты будут правы. Но смею заметить, что если нагрузка у нас — маломощное устройство с питанием 5В или 12В, а напряжение «в розетке» около 220В, то падением напряжения на нагрузке можно смело пренебречь: разница в «точных» и «приблизительных» расчётах будет не более нескольких процентов.
Что такое сопротивление гасящего конденсатора ? Это реактивное сопротивление конденсатора: оно зависит от частоты напряжения, подаваемого на конденсатор и вычисляется по формуле: , где
Исходя из вышеприведённых формул, можно вычислить ёмкость конденсатора C1: . Напряжение сети нам известно. А ток можно посчитать, зная максимальный ток нагрузки и минимальный ток стабилизации стабилитрона VS1 (это справочный параметр).
Это теория. Попробую описать что-то вроде методики расчёта БИП «на пальцах».
Нужен ли нам БИП вообще?
Для начала решим вопрос — а надо ли вообще использовать в конкретном случае БИП?
Если ток нагрузки Rн больше 0.3-0.5А, то лучше БИП не использовать: мороки много, а выигрыша по габаритам и стоимости обычно мизер или нет вообще. Также обычно не стоит полагаться на БИП, если напряжение питания устройства больше, чем 24-27В. И не стоит забывать о безопасности!
Предположим, что нам надо питать простенькую схему на микроконтроллере, которая кушает умеренный ток миллиампер этак 100 при умеренном напряжении 3-6В. Схема изолирована и поэтому безопасна.
Как прикинуть ёмкость С1 и выбрать стабилитрон VS1?
Прежде всего, необходимо уточнить максимальный ток нагрузки Iнmax: рассчитать или измерить.
Затем, надо залезть в справочник и найти там стабилитрон. Да не абы какой, а на нужное напряжение Uвых.
При поиске стабилитрона надо учитывать, что его максимальный ток стабилизации Iстmax должен быть не меньше, чем (Iстmin+Iнmax). Почему так? Да чтобы, если вы оторвали нагрузку Rн, стабилитрон не сгорел. И наоборот — если нагрузка потребляет максимальный ток, то через стабилитрон течёт минимальный ток стабилизации Iстmin. Практически надо выбирать стабилитрон, чтобы его максимальный ток стабилизации Iстmax был больше, чем сумма токов (Iстmin+Iнmax) как минимум на 20%. Не забывайте, что в сети далеко не всегда 220В. Может быть и 250В запросто. Поэтому запас по току — не излишество, а разумная предосторожность.
Далее рассчитываем ёмкость гасящего конденсатора С1. Его реактивное сопротивление будет равно примерно: , а его ёмкость, соответственно, равна для сетевого напряжения с частотой 50Гц.
Не забывайте, что предельно допустимое напряжение конденсатора С1 должно быть не меньше 400В для бытовой сети в 220В. И, разумеется, конденсатор С1 не должен быть электролитическим: он работает в сети переменного тока.
Собственно, это самое важное — подбор стабилитрона и расчёт ёмкости конденсатора.
Тем, кому не ясно, что такое Iстmax и Iстmin, поясню подробнее.
Максимальный ток стабилизации стабилитрона Iстmax — это такой ток через стабилитрон, при превышении которого, стабилитрон выходит из строя.
Минимальный ток стабилизации стабилитрона Iстmin — это такой минимальный ток через стабилитрон, при котором напряжение на стабилитроне соответствует паспортным характеристикам.
То есть стабилитрон должен работать в таких условиях, что ток стабилизации Iст, протекающий через него, лежит в диапазоне .
Значения Iстmin и Iстmax для конкретного стабилитрона можно найти в справочнике и они всегда указаны в описании стабилитрона.
Итак, ещё раз, по пунктам, о том как рассчитать C1 и выбрать стабилитрон VS1.
- Определяем напряжение нагрузки Uвых. Оно нам, как правило, известно.
- Определяем максимальный ток нагрузки Iнmax. Можно измерить или рассчитать.
- Лезем в справочник и ищем стабилитрон на напряжение Uвых, такой, что выполняется условие . (0.8 — потому что мы хотим 20% запаса по току).
- Рассчитываем ёмкость гасящего конденсатора С1 по формуле
Пример расчёта
Предположим, что напряжение питания нагрузки будет Uвых=5В и максимальный ток потребления нагрузки будет Iнmax=100мА.
Лезем в справочник и находим там такой стабилитрон: КС447А. Напряжение стабилизации около 5В. Iстmin=3мА, Iстmax=160мА.
Проверяем. Неравенство — выполняется, значит стабилитрон подходит по току.
Рассчитываем конденсатор С1: . Не забываем, что для бытовой сети 220В конденсатор С1 должен быть на напряжение 400В.
Фильтр или конденсатор С2
Диодный мост, как известно, не даёт выпрямленного напряжения: на его выходе напряжение пульсирующее.
Чтобы сгладить пульсации применяется фильтрующий конденсатор С2. Как рассчитать его ёмкость?
Как обычно, можно применить два метода — точный и упрощённый. Точный метод учитывает, что конденсатор разряжается по экспоненте и прочие нюансы. Но помня о том, что конденсаторы выбрать точно на нужную ёмкость нельзя (разброс ёмкости в 10-15% это норма), мы допустим некоторые упрощения, которые на результат практически не повлияют.
Чтобы понять, как рассчитать ёмкость конденсатора С2, вспомним, что такое выпрямитель. Посмотрим на рисунок ниже. Примерно так выглядят графики зависимости напряжений от времени в нашей схеме, использующей в качестве выпрямителя диодный мост.
Синяя линяя, обозначенная цифрой 1 — это переменное напряжение на входе диодного моста (точки 1 и 2 на схеме БИП).
Красная линия, обозначенная цифрой 2 — это напряжение на стабилитроне VS1, в отсутствие сглаживающего конденсатора С2 или пульсирующее напряжение (представим, что С2 временно «откусили» от схемы). И, наконец, зелёная линия, обозначенная цифрой 3 — это сглаженное выпрямленное напряжение, когда конденсатор С2 подключён.
Нефильтрованное (пульсирующее) напряжение на выходе выпрямителя (линия 2) по амплитуде чуть меньше, чем напряжение на входе выпрямителя (линия 1). Это объясняется просто: на диодах падает несколько десятых долей вольта.
Зелёная линия 3 показывает процесс заряда и разряда конденсатора С2. Максимальное напряжение, на которое способен зарядиться в нашей схеме — это напряжение на стабилитроне VS1. Затем конденсатор начинает разряжаться до тех пор, пока в следующем периоде не начнёт заряжаться вновь.
Амплитуда пульсаций — это напряжение, на которое успел разрядиться конденсатор С2 за один период пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя (линия 2).
Посчитать приближенно амплитуду пульсаций несложно, если принять ток разряда за константу — это будет максимальный ток потребления нагрузки Rн, который мы обозначили Iнmax.
По основной формуле конденсатора можно приблизительно посчитать, что: , где — это амплитуда пульсаций, a — период времени один период пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя (линия 2).
На рисунке наглядно видно, что период равен половине периода напряжения питающей сети, или , где f — частота напряжения питающей сети (50Гц).
Таким образом, подставив одну формулу в другую, получим: или .
Теперь самое сложное — выбрать, а какая же амплитуда пульсаций нас устроит? Если в нагрузке есть свой линейный стабилизатор, то в принципе достаточно, чтобы амплитуда пульсаций была на уровне 10-20%. Например, часто в самой нагрузке Rн есть какой-то стабилизатор — 7805 или AMS1117 или ещё что-то подобное.
Если же предполагается питать цифровую схему прямо от нашего БИП без дополнительной стабилизации — то коэффициент пульсаций более 5% лучше не задавать.
Предположим, что схема у нас питается от 5В и имеет максимальный ток потребления 100мА. Коэффициент пульсаций задан 5%. Это значит, что будет равна 5% от 5В или 0.25В. Частота сети — 50Гц.
Отсюда находим ёмкость конденсатора С2 — . Нехилая такая ёмкость! Тем более, что ближайшая бОльшая ёмкость 4700мкФ. Это довольно габаритный конденсатор даже на напряжение 10В.
Если же схема имеет внутри линейный стабилизатор, например AMS1117, то уровень пульсаций можно выбрать в 20%, при этом ёмкость конденсатора С2 будет всего около 1000мкФ.
Резисторы R1 и R2 — нужные и важные
Вернёмся к резисторам R1 и R2, о которых мы временно забыли.
С резистором R2 всё просто — он нужен для безопасности человека. То есть для того, чтобы конденсатор C1 разряжался после отключения схемы от питания. Иначе, если R2 не поставить, то конденсатор C1 будет довольно долго сохранять свой заряд после отключения питания от схемы. И если к нему прикоснуться — то вас ударит током. Очень неприятно. Резистор R2 можно не рассчитывать, а просто поставить любой сопротивлением 0.5 — 1 МОм. При таком сопротивлении ток через этот резистор будет мизерным и на работу схемы не повлияет.
С резистором R1 все сложнее. В процессе работы БИП он вроде бы не нужен. И это действительно так.
Но есть ещё момент включения БИП в сеть. И если в этот момент напряжение сети близко к амплитудному значению — то схема может сгореть. Даже почти наверняка сгорит.
Дело в том, что в момент включения, конденсатор С1 разряжен. А разряженный конденсатор на какое-то время (пока достаточно не зарядится) является по сути проводником. То есть все сетевое напряжение окажется на диодном мосту, нагрузке, стабилитроне и токи при этом будут просто огромны.
Поэтому и ставят резистор R1, функция которого — ограничить ток в момент включения. Например, если поставить R1 сопротивлением всего 10 Ом, то ток включения будет ограничен в самом худшем случае величиной около 30А. А такой ток в течении нескольких микросекунд уже вполне под силу выдержать большинству стабилитронов, не говоря уж о выпрямительных диодах диодного моста.
Обычно этот резистор так выбирают в пределах 10-30 Ом. Только имейте ввиду, что его мощность должна быть не меньше, чем . Например, если общий ток, потребления схемы 150мА, то мощность резистора R1 сопротивлением 27 Ом должна быть не менее .
Рекомендуется ставить резистор R1 не «впритык» по мощности, а с запасом. Например, в нашем случае — это 1.5 — 2Вт. Греться будет меньше.Кроме того, заметьте, что резисторы R1 и R2 должны быть рассчитаны на пиковое напряжение не менее 400В: напряжение сети в момент включения полностью подается на R1, в рабочем режиме почти все напряжение сети подается на R2, подключенный параллельно конденсатору C1.
Заключение
Надеюсь, что после прочтения, у читателей появилось понимание, что такое БИП и как оно работает.
Статья получилась несколько длиннее того, что хотелось бы. Но на самом деле тут рассмотрены только азы из азов. Если расписывать дальнейшие модификации БИП — то выйдет, наверное, брошюра или даже книга.
Прошу извинить за некоторые неточности и упрощения, которые, несомненно, бросятся в глаза опытным электронщикам.
Те, кто увидит ошибки или что-то, что стоит исправить и дополнить в разумных пределах — прошу не стесняться и писать в комментарии, на почту [email protected] или на мой
сайт в раздел «Контакты».
Заранее спасибо за отклики.
Бестрансформаторное питание. Принцип работы. Ч.1
Устройства на микроконтроллерах требуют для своей работы постоянного стабилизированного напряжения величиной 3.3 — 5 Вольт. Как правило, такое напряжение получают из переменного сетевого напряжения с помощью трансформаторного источника питания и в простейшем случае он представляет собой следующую схему.
Понижающий трансформатор, диодный мост, сглаживающий конденсатор и линейный/импульсный стабилизатор. Дополнительно такой источник может содержать в себе предохранитель, цепи фильтрации, схему плавного включения, схему защиты от перегрузки и т.д.
Данный источник питания (при соответствующем выборе компонентов) позволяет получать большие токи и имеет гальваническую развязку от сети переменного тока, что немаловажно для безопасной работы с устройством. Однако, такой источник может иметь большие габариты, благодаря трансформатору и фильтрующим конденсаторам.
В некоторых устройствах на микроконтроллерах гальванической развязки от сети не требуется. Например, если устройство представляет собой герметичный блок, с которым конечный пользователь никак не контактирует. В этом случае, если схема потребляет относительно невысокий ток (десятки миллиампер), ее можно запитать от сети 220 В с помощью бестрансформаторного источника питания.
В этой статье мы рассмотрим принцип работы такого источника питания, последовательность его расчета и практический пример использования.
Резистор R1 разряжает конденсатор C1, когда схема отключена от сети. Это нужно для того, чтобы источник питания не ударил тебя током при прикосновении к входным контактам.
При подключении источника питания к сети, разряженный конденсатор C1 представляет из себя, грубо говоря, проводник и через стабилитрон VD1 кратковременно протекает огромный ток, способный вывести его из строя. Резистор R2 ограничивает бросок тока в момент включения устройства.
«Бросок тока» в начальный момент включения схемы. Синим цветом нарисовано сетевое напряжение, красным ток потребляемый источником питания. Для наглядности график тока увеличен в несколько раз.
Если ты подключишь схему к сети в момент перехода напряжения через ноль, броска тока не будет. Но какова вероятность, что у тебя это получится?
Любой конденсатор оказывает сопротивление протеканию переменного тока. (По постоянному току конденсатор представляет собой обрыв.) Величина этого сопротивления зависит от частоты входного напряжения и емкости конденсатора и может быть вычислена по формуле. Конденсатор С1 выполняет роль балластного сопротивления, на котором будет падать большая часть входного напряжения сети.
У тебя может возникнуть резонный вопрос: а почему нельзя поставить вместо C1 обычный резистор? Можно, но на нем будет рассеиваться мощность, в результате чего он будет греться. С конденсатором этого не происходит — активная мощность выделяемая на нем за один период сетевого напряжения равна нулю. В расчетах мы коснемся этого момента.
Итак, на конденсаторе C1 упадет часть входного напряжения. (Падение напряжения на резисторе R2 можно не учитывать, так как он имеет маленькое сопротивление.) Оставшееся напряжение окажется приложенным к стабилитрону VD1.
В положительный полупериод входное напряжение будет ограничиваться стабилитроном на уровне его номинального напряжения стабилизации. В отрицательный полупериод входное напряжение будет прикладываться к стабилитрону в прямом направлении и на стабилитроне будет напряжение примерно минус 0.7 Вольт.
Естественно такое пульсирующее напряжение не годится для запитывания микроконтроллера, поэтому после стабилитрона стоит цепочка из полупроводникового диода VD2 и электролитического конденсатора C2. Когда напряжение на стабилитроне положительное, через диод VD2 протекает ток. В этот момент заряжается конденсатор C2 и запитывается нагрузка. Когда напряжение на стабилитроне падает, диод VD2 запирается и конденсатор C2 отдает запасенную энергию в нагрузку.
Напряжение на конденсаторе C2 будет колебаться (пульсировать). В положительный полупериод сетевого напряжения оно будет расти до значения Uст минус напряжение на VD2, в отрицательный полупериод падать вследствие разряда на нагрузку. Амплитуда колебаний напряжения на C2 будет зависеть от его емкости и тока потребляемого нагрузкой. Чем больше емкость конденсатора C2 и чем меньше ток нагрузки, тем меньшей величины будут эти пульсации.
Если ток нагрузки и пульсации небольшие, то после конденсатора C2 уже можно ставить нагрузку, но для устройств на микроконтроллерах лучше все-таки использовать схему со стабилизатором. Если мы правильно рассчитаем номиналы всех компонентов, то на выходе стабилизатора получим постоянное напряжение.
Схему можно улучшить, добавив в нее диодный мост. Тогда источник питания будет использовать оба полупериода входного напряжения – и положительный, и отрицательный. Это позволит при меньшей емкости конденсатора C2 получить лучшие параметры по пульсациям. Диод между стабилитроном и конденсатором из этой схеме можно исключить.
Продолжение следует…
⚡️Бестрансформаторный блок питания — простые схемы
В последние годы вновь пробудился интерес радиолюбителей к бестрансформаторным блокам питания (БТБП). При надежной изоляции питаемого устройства (пластмассовый корпус, отсутствие наружных токонесущих деталей) такие БП можно применить взамен трансформаторных, причем по масса габаритным показателям бестрансформаторный блок питания имеют заметные преимущества.
Кроме экономической целесообразности, бестрансформаторным БП присущи и другие достоинства — большая надежность при правильном выборе элементов, нечувствительность к коротким замыканиям на выходе выпрямителя.
Описание работы бестрансформаторного блока питания и его инженерный расчет можно найти в [1…3]. Кроме ценных рекомендаций, в статье В.Банникова приведена очень полезная радиолюбителям таблица для выбора емкости гасящего конденсатора в зависимости от заданного тока нагрузки.
В дополнение к сведениям, изложенным в [1…5], из собственного опыта добавлю следующее:
- При выборе схемы бестрансформаторного блока питания следует отдавать безусловное предпочтение мостовому выпрямителю (рис.1). Эффективное значение переменного напряжения в данной схеме, приложенное к диодному мосту VD1, не превышает выпрямленного — Uo. Это позволяет использовать любые малогабаритные универсальные диоды с относительно низким максимально допустимым обратным напряжением — 50…100 В. например, широко распространенные Д219…Д223 с любыми буквенными индексами, а также многие другие.
- В качестве балластного (С1) мною используются бескорпусные полиэтилентерефталатные конденсаторы типа К73-17 и полипропиленовые К78-2, применяемые в схемах строчной развертки отечественных телевизоров и мониторов. Оба типа конденсаторов специально предназначены для работы в цепях переменного, пульсирующего и импульсного токов. Допустимая амплитуда переменного напряжения или переменная составляющая пульсирующего при частоте 50 Гц лежит в пределах 55…70% от номинального напряжения Uн (6). Таким образом, в схемах бестрансформаторного блока питания можно применять указанные конденсаторы с Uн = 400, 630 и 1000 В. Еще одно достоинство конденсаторов с пленочным (синтетическим) диэлектриком — весьма малые потери и, следовательно, ничтожный нагрев при работе в цепях переменного тока. Благодаря бескорпусному прямоугольному исполнению, они занимают небольшой объем при значительной емкости и высоком рабочем напряжении. Поэтому, в отличие от рекомендуемых в [2] бумажных конденсаторов МБГЧ и КГБ, пленочные К73-17, К78-2 легко помещаются в корпусах малогабаритных блоков питания — адаптерах.
- Рекомендую добавлять в фирменные и самодельные адаптеры (как трансформаторные, так и БТБП) плавкие предохранители. Если из-за малого объема корпуса в блоке питания невозможно установить держатель предохранителя, малогабаритные вставки ПМ и ВП следует впаивать на весу между штырем вилки и выводом первичной обмотки. Радиопромышленность выпускает также модификацию керамических предохранителей ВП с гибкими выводами для пайки. Как правило, для защиты БП малой мощности достаточно предохранителя на ток 0,25 А. Чтобы исключить возможность замыканий внутри адаптера, на припаянный с одной стороны предохранитель натягивается небольшой отрезок хлорвиниловой трубочки, а затем впаивается второй конец.
- На выходе выпрямителя бестрансформаторного блока питания, даже еспи он работает на постоянную (по силе тока) не отключаемую нагрузку, следует устанавливать стабилитрон или предложенный в [4] транзисторный стабилизатор напряжения. В этом случае при обрыве цепи нагрузки не произойдет аварийного повышения напряжения на диодах выпрямительного моста и конденсаторе фильтра С2. Чтобы повысить надежность БП, советую применять не маломощные стабилитроны Д808…Д813, Д814А…Д. а приборы средней мощности — Д815А…Ж, Д816А…Д, Д817А…Г. Выход из строя более мощных стабилитронов гораздо менее вероятен. Так как конденсатор С1 на переменном токе играет роль ограничительного сопротивления, дополнительного балластного резистора к стабилитрону VD2 не требуется.
- Если БП предназначен для работы с достаточно дорогим устройством, для которого опасно повышение питающего напряжения (например, пейджером), следует установить на выходе адаптера дополнительную ступень защиты. Такая мера применяется иногда в зарубежной РЭА для защиты ИМС процессоров и микроконтроллеров.
На рис.2 приведена схема простого тиристорного устройства, срабатывающего только при аварийном повышении напряжения на выходе выпрямителя или стабилизатора. При. этом по цепи управления открывается маломощный тиристор VS1, который шунтирует выход выпрямителя и вызывает форсированное сгорание плавкого предохранителя FU2.
Резистор R2 задает кратность перегрузки. При отношении аварийного тока перегрузки Iав к номинальному току Iн от 10 до 20, время плавления предохранителей ВП1-1 составляет 2…5 мс. Кроме бестрансформаторных выпрямителей, гасящие конденсаторы могут применяться в комбинированных блок питания [5], где первичная обмотка сетевого (разделительного) трансформатора не рассчитана на полное напряжение питающей электросети (рис.3).
На этом принципе основан успешно применяемый мною способ переделки маломощных блоков питания, предназначенных для 120-вольтовой сети, или ремонта перегоревших например, при обрыве одного из выводов первичной обмотки трансформатора на 220 В.
В подавляющем большинстве зарубежных, да и во многих отечественных адаптерах отсутствуют плавкие предохранители, защищающие первичную обмотку сетевого трансформатора. При аварийных замыканиях на выходе выпрямителя (в нагрузке), а также пробое диодов выпрямителя или конденсаторов фильтра, вместо дешевого, легко заменяемого предохранителя перегорает тонкий провод первичной обмотки.
Нередко из-за технологических нарушений, допущенных при изготовлении трансформатора, со временем происходит разрыв провода вследствие его окисления в месте пайки вывода. Если трансформатор был рассчитан на два питающих напряжения — 127/220 В, как правило, остается целой часть сетевой обмотки на напряжение 93…127 В.
В этом случае, а также при переделке 120-вольтового импортного адаптера, можно восстановить блок питания для сети 220 В без замены трансформатора. Последовательно с первичной обмоткой трансформатора включается гасящий конденсатор, и подбором его емкости добиваются необходимого распределения переменных напряжений на конденсаторе и первичной обмотке. Чем меньше емкость этого конденсатора, тем меньшая часть сетевого напряжения приложена к обмотке трансформатора.
Интересный вариант последней схемы с симметричным ограничением переменного напряжения на первичной обмотке трансформатора был описан Л. Пожаринским в журнале “Радио”. Стабилитроны-ограничители VD4. VD5 типа Д815Г показаны пунктиром на рис.3.
Все эксперименты по подбору емкости конденсатора и налаживанию бестрансформаторного блока питания должны проводиться от источника регулируемого переменного напряжения (лабораторного автотрансформатора — ЛАТРа), начиная от нуля и до Uc = 220 В с постоянным контролем тока, потребляемого блоком питания, и при строгом соблюдении правил электробезопасности.
Бестрансформаторные блоки питания_окончание. CAVR.ru
Рассказать в:Бестрансформаторные блоки питания
(окончание)
Бестрансформаторный блок питания с регулируемым выходным напряжением показан на рис.10а. Его особенность заключается в использовании регулируемой отрицательной обратной связи с выхода блока на транзисторный каскад VT1, включенный параллельно выходу диодного моста. Этот каскад является регулирующим элементом и управляется сигналом с выхода од-нокаскадного усилителя на VT2. Выходной сигнал VT2 зависит от разности напряжений, подаваемых с переменного резистора R7, включенного параллельно выходу блока питания, и источника опорного напряжения на диодах VD3, VD4. По существу, схема представляет собой регулируемый параллельный стабилизатор. Роль балластного резистора играет гасящий конденсатор С1, параллельного управляемого элемента — транзистор VT1.
Работает этот блок питания следующим образом. При включении в сеть транзисторы VT1 и VT2 заперты, а через диод VD2 происходит заряд накопительного конденсатора С2. При достижении на базе транзистора VT2 напряжения, равного опорному на диодах VD3, VD4, транзисторы VT2 и VT1 отпираются. Транзистор VT1 шунтирует выход диодного моста, и его выходное напряжение падает, что Приводит к уменьшению напряжения на накопительном конденсаторе С2 и к запиранию транзисторов VT2 и VT1. Это, в свою очередь, вызывает увеличение напряжения на С2, отпирание VT2, VT1 и повторение цикла.
За счет действующей таким образом отрицательной обратной связи выходное напряжение остается постоянным (стабилизированным) как при включенной нагрузке (R9), так и без нее (на холостом ходу). Его величина зависит от положения движка потенциометра R7. Верхнему (по схеме) положению движка соответствует большее выходное напряжение. Максимальная выходная мощность приведенного устройства равна 2 Вт. Пределы регулировки выходного напряжения — от 16 до 26 В, а при закороченном диоде VD4 — от 15 до 19,5 В, Уровень пульсаций на нагрузке — не более 70 мВ.
Транзистор VT1 работает в переменном режиме: при наличии нагрузки — в линейном режиме, на холостом ходу — в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с частотой пульсации напряжения на конденсаторе С2 100 Гц. При этом импульсы напряжения на коллекторе VT1 имеют пологие фронты.
Критерием правильности выбора емкости С1 является получение на нагрузке требуемого максимального напряжения. Если его емкость уменьшена, то максимальное выходное напряжение на номинальной нагрузке не достигается. Другим критерием выбора С1 является неизменность осциллограммы напряжения на выходе диодного моста (рис.10 6). Осциллограмма напряжения имеет вид последовательности выпрямленных синусоидальных . полуволн сетевого напряжения с ограниченными (уплощенными) вершинами положительных полусинусоид. Амплитуда вершин является переменной величиной, зависящей от положения движка R7, и меняется линейно при его вращении. Но каждая полуволна должна обязательно доходить до нуля, наличие постоянной составляющей (как показано на рис. 10 б пунктиром) не допускается, т.к. при этом нарушается режим стабилизации.
Линейный режим является облегченным, транзистор VT1 нагревается мало и может работать практически без радиатора. Небольшой нагрев имеет место в нижнем положении движка R7 (при минимальном выходном напряжении). На холостом ходу тепловой режим транзистора VT1 ухудшается в верхнем положении движка R7. В этом случае транзистор VT1 должен быть установлен на небольшой радиатор, например, в виде «флажка» из алюминиевой пластинки квадратной формы со стороной 30 мм и толщиной 1…2 мм.
Регулирующий транзистор VT1 — средней мощности, с большим коэффициентом передачи. Его коллекторный ток должен быть в 2…3 раза больше максимального тока нагрузки, допустимое напряжение коллектор-эмиттер — не меньше максимального выходного напряжения блока питания, В качестве VT1 могут быть использованы транзисторы КТ972А, КТ829А, КТ827А и т.п. Транзистор VT2 работает в режиме малых токов, поэтому годится любой маломощный р-п-р-транзистор — КТ203, КТ361 и пр.
Резисторы R1, R2 — защитные. Они предохраняют регулирующий транзистор VT1 от выхода из строя вследствие перегрузки по току при переходных процессах в момент включения блока в сеть.
Бестрансформаторный конденсаторный выпрямитель (рис.11) работает с автостабилизацией выходного напряжения. Это достигнуто за счет изменения времени подключения диодного моста к накопительному конденсатору. Параллельно выходу диодного моста включен транзистор VT1, работающий в ключевом режиме. База VT1 через стабилитрон VD3 соединена с накопительным конденсатором С2, отделенным по постоянному току от выхода моста диодом VD2 для исключения быстрого разряда при открытом VT1. Пока напряжение на С2 меньше напряжения стабилизации VD3, выпрямитель работает как обычно. При увеличении напряжения на С2 и открывании VD3 транзистор VT1 также открывается и шунтирует выход выпрямительного моста. Напряжение на выходе моста скачкообразно уменьшается практически до нуля, что приводит к уменьшению напряжения на С2 и выключению стабилитрона и ключевого транзистора.
Далее напряжение на конденсаторе С2 снова увеличивается до момента включения стабилитрона и транзистора и т.д. Процесс автостабилизации выходного напряжения очень похож на работу импульсного стабилизатора напряжения с широтно-им-пульсным регулированием. Только в предлагаемом устройстве частота следования импульсов равна частоте пульсаций напряжения на С2. Ключевой транзистор VT1 для уменьшения потерь должен быть с большим коэффициентом усиления, например, КТ972А, КТ829А, КТ827А и др.
Увеличить выходное напряжение выпрямителя можно, применив более высоковольтный стабилитрон (цепочку низковольтных, соединенных последовательно). При двух стабилитронах Д814В, Д814Д и емкости конденсатора С1 2 мкФ выходное напряжение на нагрузке сопротивлением 250 Ом может составлять 23.„24 В.
Аналогично можно стабилизировать выходное напряжение однопо-лупериодного диодно-конденсаторного выпрямителя (рис.12). Для выпрямителя с плюсовым выходным напряжением параллельно диоду VD1 включен п-р-п-транзистор, управляемый с выхода выпрямителя через стабилитрон VD3. При достижении на конденсаторе С2 напряжения, соответствующего моменту открывания стабилитрона, транзистор VT1 тоже открывается. В результате, амплитуда положительной полуволны напряжения, поступающего на С2 через диод VD2, уменьшается почти до нуля. При уменьшении же напряжения на С2 транзистор VT1 благодаря стабилитрону закрывается, что приводит к увеличению выходного напряжения. Процесс сопровождается широтно-импульсным регулированием длительности импульсов на входе VD2, следовательно, напряжение на конденсаторе С2 стабилизировано,
В выпрямителе с отрицательным выходным напряжением параллельно диоду VD1 нужно включить р-п-р-транзистор КТ973А или КТ825А. Выходное стабилизированное напряжение на нагрузке сопротивлением 470 Ом — около 11В, напряжение пульсаций — 0,3…0,4 В
В обоих вариантах стабилитрон работает в импульсном режиме при токе в единицы миллиампер, который никак не связан с током нагрузки выпрямителя, разбросом емкости гасящего конденсатора и колебаниями напряжения сети. Поэтому потери в нем существенно уменьшены, и теплоотвод ему не требуется. Ключевому транзистору радиатор также не требуется.
Резисторы R1, R2 в этих схемах ограничивают входной ток при переходных процессах в момент включения устройства в сеть. Из-за неизбежного «дребезга» контактов сетевой вилки процесс включения сопровождается серией кратковременных замыканий и разрывов цепи. При одном из таких замыканий гасящий конденсатор С1 может зарядиться до полного амплитудного значения напряжения сети, т.е. примерно до 300 В. После разрыва и последующего замыкания цепи из-за «дребезга» это и сетевое напряжения могут сложиться и составить в сумме около 600 В. Это наихудший случай, который необходимо учитывать для обеспечения надежной работы устройства
Другой вариант ключевой бестрансформаторной схемы источника питания представлен на рис.13. Сетевое напряжение, проходя через диодный мост на VD1.. .VD4, преобразуется в пульсирующее амплитудой около 300 В. Транзистор VT1 — компаратор, VT2 — ключ. Резисторы R1, R2 образуют делитель напряжения для VT1. Подстройкой R2 можно установить напряжение срабатывания компаратора. Пока напряжение на выходе диодного моста не достигнет.установленного порога, транзистор VT1 закрыт, на затворе VT2 — отпирающее напряжение и он открыт. ЧерезЛ/Т2 и диод VD5 заряжается конденсатор С1. При достижении установленного порога срабатывания транзистор VT1 открывается и шунтирует затвор VT2. Ключ закрывается и снова откроется тогда, когда напряжение на выходе моста станет меньше порога срабатывания компаратора. Таким образом, на С1 устанавливается напряжение, которое стабилизируется интегральным стабилизатором DA1.
С приведенными на схеме номиналами источник обеспечивает выходное напряжение 5 В при токе до 100 мА. Настройка заключается в установке порога срабатывания VT1. Вместо IRF730 можно использовать КП752А, IRF720, BUZ60, 2N6517 заменяется на КТ504А.
Миниатюрный бестрансформаторный блок питания для малопотребпя-ющих устройств можно построить на микросхеме HV-2405E (рис.14), которая осуществляет прямое преобразование переменного напряжения в постоянное. Диапазон входного напряжения ИМС—15…275 В, выходного — 5.. .24 В при максимальном выходном токе до 50 мА. Выпускается в плоском пластмассовом корпусе DIP-8. Структура микросхемы приведена на рис.15а, цоколевка — на рис.156.
В схеме источника (рис. 14) особое внимание нужно уделить резисторам R1 и R2. Их общее сопротивление должно быть в районе 150 Ом, а рассеиваемая мощность — не менее 3 Вт. Входной высоковольтный конденсатор С1 может иметь емкость от 0,033 до 0,1 мкФ. Варистор Rv можно применить практически любой с рабочим напряжением 230…250 В. Резистор R3 выбирается в зависимости от требуемого выходного на пряжения. При его отсутствии (выходы 5 и 6 замкнуты) выходное напряжение чуть более 5 В, при сопротивлении 20 кОм выходное напряжение — около 23 В. Вместо резистора можно включить стабилитрон с необходимым напряжением стабилизации (от 5 до 21 В). К остальным деталям особых требований нет, за исключением выбора рабочего напряжения электролитических конденсаторов (формулы для расчета приведены на схеме).
Учитывая потенциальную опасность бестрансформаторных источников, в ряде случаев может представлять интерес компромиссный вариант: с гасящим конденсатором и трансформатором (рис.16). Здесь подойдет трансформатор с высоковольтной вторичной обмоткой, поскольку необходимое выпрямленное напряжение устанавливается подбором емкости конденсатора С1. Главное, чтобы обмотки трансформатора обеспечивали требуемый ток.
Чтобы устройство не вышло из строя при отключении нагрузки, к выходу моста VD1…VD4 следует подключить стабилитрон Д815Г. В нормальном режиме он не работает, поскольку его напряжение стабилизации выше рабочего на выходе моста. Предохранитель FU1 защищает трансформатор и стабилизатор при пробое конденсатора С1
В источниках такого вида в цепи последовательно соединенных емкостного (конденсатор С1) и индуктивного (трансформатор Т1) сопротивлений , может возникать резонанс напряжения. Об этом следует помнить при их налаживании и контролировать напряжения осциллографом. ( В.Новиков )
Раздел: [Блоки питания (бестрансформаторные)]
Сохрани статью в:
Оставь свой комментарий или вопрос:
Как работает бестрансформаторный блок питания
Блоки питания многих электронных устройств строятся на бестрансформаторных платах. Такие источники питания характеризуются высоким показателем КПД, малыми габаритами и массой. Они наиболее надежны, так как не имеют намоточных катушек. Область применения бестрансформаторного блока питания – маломощная аппаратура типа зарядных устройств, датчиков охранной сигнализации, бытовых ламповых переключателей, основанных на датчиках движения и иных промышленных и радио — конструкциях.
Бестрансформаторному источнику питания не страшны выходные замыкания и сетевые перепады напряжения. Работает такой блок питания бесшумно, так как лишен трансформатора, и вполне стабильно. Его несложно повторить, так как состоит он из минимального количества используемых деталей. Но основное достоинство бестрансформаторного БП схемы заключается в том, что номинал тока на выходе можно регулировать самостоятельным подбором необходимой емкости конденсатора.
Существенный недостаток бестрансформаторных блоков питания — импульсные помехи, негативно влияющие на соседние схемы устройства. В связи с этим каждый такой источник питания тщательно тестируется на электромагнитную совместимость с другим оборудованием. Кроме того данный источник питания не имеет сетевой гальванической развязки от питающего напряжения, что требует предельно внимательного соблюдения мер безопасности во время работы с данным оборудованием.
Бестрансформаторные блоки питания предназначены для стабилизации напряжения с малым выходным током, обеспечивающие достаточным питанием автономные маломощные устройства.
При отключении бестрансформаторного блока питания из сети входного переменного тока, конденсатор на входе разряжается посредством параллельно подключенного входного резистора. Это происходит чтобы источник питания не ударил человека током при случайном прикосновении к входным контактам. При последующем включении переменное напряжение сети в 220 Вольт поступает и гасится конденсатором через резистор, далее выпрямляясь диодным мостом поступает на стабилитрон. Затем после сглаживания пульсаций и стабилизации конденсаторами — на выходе блока питания получают требуемое стабилизирующее напряжение в 12 вольт. Таким образом, переоценить роль и значение бестрансформаторных блоков питания сложно.
1.2. Принципы построения бестрансформаторных источников питания
1.2. Принципы построения бестрансформаторных источников питания
Прежде чем перейти к обсуждению практических схем источников питания рассмотрим несколько возможных вариантов построения отдельных функциональных узлов импульсных источников питания. Это позволит читателям лучше понять, почему при проектировании реальных схем предпочтение отдается тому или иному схемотехническому решению.
1.2.1. Автогенераторные каскады ВЧ преобразователей
Как видно из рисунков структурных схем ИБП (см. рис. 1.1 и 1.2) основным узлом, обязательно входящим в состав каждого подобного источника питания, является ВЧ преобразователь. Его назначение состоит в формировании на обмотке трансформатора из выпрямленного напряжения первичной сети импульсного напряжения требуемой формы. Вид получаемого импульсного напряжения определяется типом используемого трансформатора, с помощью которого происходит передача энергии в нагрузку и обеспечивается гальваническая развязка от источника первичного напряжения. Собственно группа элементов формирователя напряжения специальной формы вместе с трансформатором и составляют ВЧ преобразователь. Его параметры и надежность работы являются определяющим фактором функционирования источника питания и, конечно, блоков нагрузки. Работа всех ИБП основана на том же принципе преобразования энергии, а схемотехнические решения различаются способами подключения ВЧ трансформаторов к активной части преобразователей и методами стабилизации выходного напряжения.
В данной книге рассмотрены преобразователи напряжения первичной сети 220 В, 50 Гц с номинальной мощностью до 500 Вт, поэтому особое внимание при описании ВЧ преобразователей уделено применению высоковольтных активных компонентов – транзисторов и диодов, – элементов для фильтрации выпрямленного напряжения, а также критериям их подбора для использования в импульсных источниках питания.
В настоящее время в ИБП применяются два основных типа ВЧ преобразователей – одно– и двухтактные. Оба типа используются как в схемах с автогенератором на силовых элементах (транзисторах), так и в схемах с внешним управлением. Во втором случае силовые активные элементы работают в режиме усилителей мощности.
Пример силового каскада, выполненного по автогенераторной схеме, представлен на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Схема однотактного автогенераторного преобразователя с обратным включением диода
Каскад выполнен на транзисторе по схеме релаксационного импульсного генератора. Схема содержит один трансформатор TV, на котором размещены все обмотки. Входное напряжение питания Uп поступает на коллектор транзистора VT через первичную обмотку W1 трансформатора TV. Сигнал обратной связи подается на базу транзистора VT с обмотки W3. Начало каждой обмотки обозначено точкой. Ко вторичной обмотке W2 последовательно подключены выпрямительный диод VD, конденсатор С и условная нагрузка Кн. Важной особенностью выполнения однотактных преобразователей является способ подключения выпрямительного диода во вторичной цепи. Способ подключения диода, согласно рис. 1.3, называется обратным, так как диод VD открывается при закрытом транзисторе VT и закрывается при открывании транзистора VT. Ток коллектора транзистора VT при этом имеет форму, показанную на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Форма тока коллектора транзистора в схеме автогенераторного преобразователя с обратным включением диодаАвтогенераторный преобразователь работает следующим образом. В начальный момент времени при подаче напряжения питания Uп на схему через резистор Ксм на базу транзистора VT поступает отпирающий положительный потенциал. Транзистор начинает открываться, через него и первичную обмотку W1 трансформатора TV протекает нарастающий ток, который вызывает увеличение магнитного потока в сердечнике трансформатора. При этом в обмотке обратной связи W3 наводится ЭДС самоиндукции. Обмотки W1 и W3 подключаются к элементам схемы таким образом, что наведенная в обмотке W3 ЭДС способствует отпиранию транзистора VT. Резистор Rб определяет ток, протекающий через базовый переход транзистора VT. Когда ток коллектора транзистора VT достигает максимального значения, нарастание магнитного потока в сердечнике трансформатора TV прекращается. Полярность напряжения на обмотке обратной связи W3 меняется на противоположную, и транзистор VT запирается.
В зависимости от полярности подключения выпрямительного диода VD во вторичной цепи изменяется способ передачи энергии в нагрузку. В ВЧ преобразователе, собранном согласно рис. 1.3, при открытом транзисторе VT к первичной обмотке приложено напряжение Uп – Uк.нас. Во вторичную обмотку происходит передача импульса длительностью tи (см. рис. 1.4.). В этот момент положительное напряжение оказывается приложенным к закрытому диоду VD, который отключает вторичную обмотку от нагрузки.
В течение времени tп (время паузы), то есть когда транзистор VT закрыт, полярность напряжения во всех обмотках меняется на противоположную, диод VD открывается и напряжение с обмотки W2 поступает на фильтр (конденсатор С) и нагрузку, при этом конденсатор С заряжается. Конденсатором С накапливается энергия, расходуемая во время следующего цикла, когда транзистор снова открывается, а выпрямляющий диод VD запирается. Таким образом обеспечивается протекание через нагрузку постоянного тока. Сглаживающий фильтр образуется конденсатором C и индуктивностью вторичной обмотки W2 трансформатора TV.
На рис. 1.5 представлена схема подключения нагрузки с прямым включением выпрямительного диода (рис. 1.5а) и форма коллекторного тока (рис. 1.5б), соответствующая данной схеме.
Рис. 1.5. Схема включения нагрузки с прямым включением диода (а) и форма тока коллектора транзистора преобразователя (б)В схеме (см. рис. 1.5а) энергия передается в нагрузку синхронно с открыванием силового транзистора – интервал tи (см. рис. 1.5б).
Эквивалентные схемы, поясняющие процессы, протекающие в каскаде с прямым включением диода, изображены на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Эквивалентные схемы вторичной цепи каскада с прямым включением диодаНа рис. 1.6 транзистор представлен в виде ключа SW1, который включается и выключается в определенные моменты времени (стрелками указано направление протекания тока).
В момент открывания транзистора и передачи энергии во вторичную цепь (как показано на эквивалентной схеме рис. 1.6а, где LC фильтр и нагрузка подключены к источнику напряжения Uп) ток Iн, протекая в нагрузку Rн через дроссель Lф, входящий в состав фильтра, запасает в нем энергию. Величину накопленной энергии можно вычислить по формуле:
W = 0,5 Lф Iн2 tи
Конденсатор сглаживающего фильтра C в течение действия импульса tи (при замкнутом ключе SW1) заряжается до напряжения Uн.
Во время паузы tп, когда энергия от первичного источника не подается (см. рис. 1.6б, ключ SW1 разомкнут), запасенная в дросселе Lф энергия поступает в нагрузку Rн. Замкнутый контур (протекание тока нагрузки Iн) образуется цепью из дросселя Lф (нагрузки Rн) блокирующего диода VD2.
Длительности импульсов (времени открытого состояния силового транзистора) и пауз в однотактных преобразователях определяются напряжением питания сети, индуктивными параметрами обмоток высокочастотного трансформатора и могут быть рассчитаны по формулам:
tи = Ik max L1 / Uп (1.1)
tп = Ik max L2W1 / UнW2 (1.2)
Из приведенных соотношений видно, что в общем случае длительности импульса tи и паузы tп не равны. В течение всего цикла работы ВЧ преобразователя через обмотки трансформатора в противоположных направлениях протекают токи, которые воздействуют на сердечник трансформатора, перемагничивая его. Так как длительности действия импульса и паузы не совпадают, не происходит и полной взаимной компенсации магнитных потоков, и сердечник постепенно намагничивается посредством наиболее длительного сигнала. Снижаются его магнитная проницаемость, уменьшается индуктивность трансформатора, эффективность работы преобразователя падает. В этом случае нужно применять либо магнитопроводы с заведомо увеличенной мощностью рассеяния, что приведет к неоправданному возрастанию габаритов источника питания, либо, что более правильно, специальные меры по устранению или компенсации эффекта подмагничивания.
На практике используется несколько вариантов принудительного компенсационного подмагничивания сердечника с помощью технологических приемов или дополнительно установленных элементов. Одним из способов является выполнение сердечника трансформатора на магнитопроводе с небольшим воздушным зазором. Однако это не всегда удобно и технологично, особенно в трансформаторах на кольцевых сердечниках. В качестве элемента для дополнительного перемагничивания может служить блокировочный конденсатор, устанавливаемый параллельно первичной обмотке трансформатора. Во время паузы, когда транзистор закрывается, конденсатор постепенно разряжается через первичную обмотку трансформатора. Разрядный ток создает магнитный поток, который перемагничивает сердечник. Величина этого конденсатора должна быть такой, чтобы длительность паузы составляла не менее четверти периода колебаний контура, образованного индуктивностью первичной обмотки трансформатора L1 и емкостью блокировочного конденсатора Сбл.
В преобразователях с прямым включением диода для устранения намагничивания сердечника трансформатора может быть использована дополнительная цепь, состоящая из диода и обмотки, намотанной на тот же сердечник. Фрагмент принципиальной схемы силовой цепи такого ВЧ преобразователя представлен на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Схема силового каскада ВЧ преобразователя с размагничивающей обмоткой силового трансформатораВ данном случае размагничивающая обмотка включена последовательно с диодом VD3. Обязательно обратите внимание на ее подключение к элементам схемы, обозначенное точками у начала обмотки.
В момент закрывания силового транзистора часть накопленной в трансформаторе энергии возвращается в источник питания через диод VD3. Величина тока, проходящего через возвратный диод VD3, обратно пропорциональна числу витков подключенной к нему компенсационной обмотки. Поэтому для снижения импульсного тока, протекающего через этот диод, можно увеличивать число ее витков. Однако при этом должно выполняться следующее соотношение чисел витков компенсационной и коллекторной обмоток:
W12 / W11 ? tп / tи (1.3)
Завершая описание и сравнение схем однотактных преобразователей с прямым и обратным включением выпрямительного диода в цепи нагрузки, приведем выражение для определения величин соответственно максимального импульсного тока коллектора Iки силового транзистора и тока, протекающего через первичную обмотку импульсного трансформатора. Для преобразователя с прямым включением диода оно имеет вид:
Максимальный импульсный ток транзистора для каскада с обратным включением диода рассчитывают по соотношению:
Коэффициенты в приведенных формулах имеют следующие значения:
?max – коэффициент заполнения; определяет степень использования транзистора по току и вычисляется по формуле:
?п – КПД преобразователя;
Uп – напряжение питания преобразователя;
Pн – мощность, выделяемая в нагрузке.
Из приведенных соотношений видно, что величины токов в преобразователях отличаются практически в два раза. Это предъявляет более жесткие требования к подбору транзисторов для источника питания с обратным включением диода. Сечение провода первичной обмотки трансформатора также должно быть различным. Следует отметить, что выбросы коллекторного напряжения на силовом транзисторе с индуктивной нагрузкой (в данном случае – первичной обмоткой импульсного трансформатора) могут достигать значения 4Uп. Для устранения перенапряжения на коллекторе транзистора в схемы вводятся дополнительные защитные (демпфирующие) цепи. Граничные параметры по максимальным значениям импульсного тока и напряжения на коллекторе транзистора являются определяющими при подборе элементов для замены неисправных.
Передача энергии в нагрузку (или ее накопление) в однотактных преобразователях производится только в течение интервала времени tи – открытого состояния силового транзистора. Более равномерное поступление энергии обеспечивают двухтактные преобразователи. Рассмотрим принципы их функционирования на примерах автогенераторных схем с насыщающимся трансформатором питания и переключающим трансформатором.
Схема двухтактного преобразователя с насыщающимся трансформатором представлена на рис. 1.8. Силовой каскад образуют два транзистора VT1 и VT2, трансформатор TV и элементы смещения – резисторы Rсм и Rб. Обмотки трансформатора Wб1 и Wб2 включены в базовые цепи транзисторов. Коллекторы транзисторов подсоединены к положительному полюсу источника питания через обмотки Wк, что определяется только типом проводимости транзисторов, используемых в данном примере. Вторичная цепь образована двумя бифилярно намотанными обмотками W2 и W2′, нагруженными на двухполупериодный выпрямитель (диоды VD1 и VD2), к которому подключены конденсатор фильтра С и условное сопротивление нагрузки Rн.
Рис. 1.8. Схема двухтактного преобразователя с насыщающимся трансформаторомДля нормальной работы преобразователя (см. рис. 1.8) сердечник трансформатора должен быть выполнен из материала с прямоугольной петлей гистерезиса (пермаллой, термостабильный феррит). Обмотки трансформатора TV включаются таким образом, чтобы обеспечивать положительную обратную связь и поддерживать режим автоколебаний. Поэтому начала обмоток на рис. 1.8 обозначены точками. Работа автогенератора начинается после подачи на него напряжения питания. Из-за различия характеристик транзисторов в начальный момент времени один из них начинает открываться, в данном случае пусть это будет транзистор VT1. Через транзистор VT1 и, следовательно, через обмотку Wк1 начинает протекать ток. При этом во всех обмотках трансформатора TV наводится ЭДС, полярность которой определяется направлением их намотки. Полярность ЭДС, наводимой в обмотках Wб1 и Wк1 совпадает, и наведенная в обмотке Wб1 ЭДС полностью открывает транзистор VT1. Транзистор VT2 при этом закрывается. Данный процесс продолжается до насыщения сердечника, после чего наведенная в обмотках ЭДС уменьшается до нуля и меняет свою полярность. Теперь закрывается транзистор VT1, а VT2 начинает открываться. Процесс продолжается до момента, когда VT2 полностью откроется, а VT1 – закроется, после чего цикл повторяется. Таким образом, напряжение питания поочередно оказывается приложенным то к обмотке Wк1, то к Wк2. На вторичной обмотке трансформатора формируется переменный сигнал из прямоугольных импульсов, которые после выпрямления поступают в нагрузку. При открытом транзисторе VT1 полярность вторичного напряжения должна быть такова, чтобы диод VD2 оказывался смещенным в прямом направлении, а диод VD1 – в обратном. Через диод VD2 протекает ток, которым заряжается конденсатор фильтра C. После закрытия транзистора VT1 и открытия VT2 на вторичной обмотке полярность напряжения меняется и в этом случае диоды выпрямителя VD1 и VD2 также меняют свое состояние на противоположное. Диод VD2 оказывается запертым, а диод VD1 – открытым. Теперь конденсатор заряжается током, протекающим через диод VD1. Таким образом, при использовании двухтактного преобразователя и двухполупериодного выпрямителя поступление энергии во вторичную цепь происходит равномерно в течение всего цикла работы преобразователя.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.Читать книгу целиком
Поделитесь на страничкеСледующая глава >
