Бестрансформаторное БП

 

   

Сейчас в  доме имеется много малогабаритной аппаратуры, которой требуется постоянное питание. Это и часы со светодиодной индикацией, и термометры, и малогабаритные приемники, и т.п. В принципе, они рассчитаны на батарейки, но те "садятся" в самый неподходящий момент. Простой выход — за-питать их от сетевых блоков питания. Но даже малогабаритный сетевой (понижающий) трансформатор достаточно тяжел и места занимает не так уж мало. А импульсные источники питания все-таки сложны, требуют для изготовления определенного опыта и недешевой комплектации. 

Решением  данной проблемы при выполнении определенных условий может служить бестрансформаторный блок питания с гасящим конденсатором. Эти условия-.

- полная  автономность питаемого аппарата, т.е. к нему не должны подключаться  никакие внешние устройства (например, к приемнику магнитофон для записи программы);- диэлектрический (непроводящий) корпус и такие же ручки управления у самого блока питания и подключаемого к нему устройства.

Связано это  с тем, что при питании от бестрансформаторного блока устройство находится под  потенциалом сети, и прикосновение к его неизолированным элементам может хорошо "тряхнуть". Нелишне добавить, что при наладке таких блоков питания следует соблюдать правила техники безопасности и осторожность. При необходимости использовать для наладки осциллограф блок питания нужно включать через разделительный трансформатор.

В самом  простом виде схема бестрансформаторного блока питания имеет вид, показанный на рис.1.  

 

Для ограничения броска тока при подключении блока к сети последовательно с конденсатором С1 и выпрямительным мостом VD1 включен резистор R2, а для разрядки конденсатора после отключения — параллельно ему резистор R1.

Бестрансформаторный источник питания в общем случае представляет собой симбиоз выпрямителя и параметрического стабилизатора. Конденсатор С1 для переменного тока представляет собой емкостное (реактивное, т.е. не потребляющее энергию) сопротивление Хс, величина которого определяется по формуле:  

где f— частота  сети (50 Гц); С—емкость конденсатора С1,Ф. Тогда выходной ток источника  можно приблизительно определить так:   

где Uc— напряжение сети (220 В). 

Входная часть  другого блока питания (рис.2а) содержит балластный конденсатор С1 и мостовой выпрямитель из диодов VD1, VD2 и стабилитронов VD3, VD4. Резисторы R1, R2 играют ту же роль, что и в первой схеме. Осциллограмма выходного напряжения блока приведена на рис.2б (когда напряжение на выходе превышает напряжение стабилизации стабилитронов, в противном случае он работает как обычный диод).

От начала положительного полупериода тока через  конденсатор С1 до момента ti стабилитрон VD3 и диод,\Ю2 открыты, а стабилитрон VD4 и диод V01 закрыты. В интервале времени ti...t3 стабилитрон VD3 и диод VD2 остаются открытыми, а через открывшийся стабилитрон VD4 проходит импульс тока стабилизации. Напряжение на выходе ивых и на стабилитроне VD4 равно его напряжению стабилизации UCT.

Импульсный  ток стабилизации, являющийся для  диодно-стабилит-ронного выпрямителя  сквозным, минует нагрузку RH, которая  подключена к выходу моста. В момент t2 ток стабилизации достигает максимума, а в момент 1з равен нулю. До окончания положительного полупериода остаются открытыми стабилитрон VD3 и диод VD2.

В момент t4 завершается положительный и  начинается отрицательный полупериод, от начала которого до момента ts уже  стабилитрон VD4 и диод VD1 открыты, а стабилитрон VD3 и диод VD2 закрыты. В интервале времени ts-.ty стабилитрон VD4 и диод VD1 продолжают оставаться открытыми, а через стабилитрон VD3 при напряжении UCT проходит сквозной импульс тока стабилизации, максимальный в моментte- Начиная от1уидо завершения отрицательного полупериода остаются открытыми стабилитрон VD4 и диод VD1. Рассмотренный цикл работы диодно-стабилит-ронного выпрямителя повторяется в следующие периоды сетевого напряжения. 

Таким образом, через стабилитроны VD3, VD4 от анода  к катоду проходит выпрямленный ток, а в противоположном направлении  — импульсный ток стабилизации. В интервалы времени t-j...ts и tg.^ty напряжение стабилизации изменяется не более чем на единицы процентов. Значение переменного тока на входе моста VD1...VD4 в первом приближении равно отношению напряжения сети к емкостному сопротивлению балластного конденсатора С1.

Работа диодно-стабилитроиного  выпрямителя без балластного конденсатора, ограничивающего сквозной ток, невозможна. В функциональном отношении они неразделимы и образуют единое целое — кон-денсаторно-стабилитронный выпрямитель.

Разброс значений UCT однотипных стабилитронов составляет примерно 10%, что приводит к возникновению дополнительных пульсаций выходного напряжения с частотой питающей сети. Амплитуда напряжения пульсации пропорциональна разнице значений UCT стабилитронов VD3 и VD4.

При использовании  мощных стабилитронов Д815А...Д817Г  их можно установить на общий радиатор, если в обозначении их типа присутствуют буквы "ПП" (стабилитроны Д815АПП...Д817ГПП имеют обратную полярность выводов). В противном случае диоды и стабилитроны необходимо поменять местами. 

Бестрансформаторные источники питания обычно собираются по классической схеме: гасящий конденсатор, выпрямитель переменного напряжения, конденсатор фильтра, стабилизатор. Емкостной фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения. Чем больше емкость конденсаторов фильтра, тем меньше пульсации и, соответственно, больше постоянная составляющая выходного напряжения. Однако в ряде случаев можно обойтись без фильтра, который зачастую является самым громоздким узлом такого источника питания.

Известно, что  конденсатор, включенный в цепь переменного  тока, сдвигает его фазу на 90°. Фазосд-вигающий конденсатор применяют, например, при подключении трехфазного двигателя к однофазной сети. Если в выпрямителе применить фазосдвигающий конденсатор, обеспечивающий взаимное перекрытие полуволн выпрямленного напряжения, во многих случаях можно обойтись без громоздкого емкостного фильтра или существенно уменьшить его емкость. Схема подобного стабилизированного выпрямителя показана на рис.3. 

 

Трехфазный выпрямитель VD1 ...VD6 подключен к источнику переменного напряжения через активное (резистор R1) и емкостное (конденсатор С1) сопротивления.

Выходное  напряжение выпрямителя стабилизирует  стабилитрон VD7. Фазосдвигающий конденсатор  С1 должен быть рассчитан на работу в цепях переменного тока. Здесь, например, подойдут конденсаторы типа К73-17 с рабочим напряжением не ниже 400 В.

Такой выпрямитель  можно применять там, где необходимо уменьшить габариты электронного устройства, поскольку размеры оксидных конденсаторов емкостного фильтра, как правило, гораздо больше, чем фазосдвигающего конденсатора сравнительно небольшой, емкости.

Еще одно преимущество предложенного варианта состоит  в том, что потребляемый ток практически  постоянен (в случае постоянной нагрузки), тогда как в выпрямителях с емкостным фильтром в момент включения пусковой ток значительно превышает установившееся значение (вследствие заряда конденсаторов фильтра), что в некоторых случаях крайне нежелательно.

Описанное устройство можно применять и с последовательными стабилизаторами напряжения, имеющими постоянную нагрузку, а также с нагрузкой, не требующей стабилизации напряжения. 

Совершенно  простенький бестрансформаторный  блок питания (рис.4) можно соорудить "на коленке" буквально за полчаса. В данном варианте схема рассчитана на выходное напряжение 6,8 В и ток 300 мА. Напряжение можно менять заменой стабилитрона VD4 и, при необходимости, VD3. А установив транзисторы на радиаторы, можно увеличить и ток нагрузки. Диодный мост — любой, рассчитаный на обратное напряжение не менее 400 В. Кстати, можно вспомнить и про "древние" диоды Д226Б. 

 

В другом бестрансформаторном  источнике (рис.5) в качестве стабилизатора  применена микросхема КР142ЕН8. Его  выходное напряжение составляет 12 В. Если необходима регулировка выходного  напряжения, то вывод 2 микросхемы DA1 подключают к общему проводу через переменный резистор, например, типа СПО-1 (с линейной характеристикой изменения сопротивления). Тогда выходное напряжение может изменяться в диапазоне 12. ..22 В.

В качестве микросхемы DA1 для получения других выходных напряжений нужно применить соответствующие интегральные стабилизаторы, например, КР142ЕН5, КР1212ЕН5, КР1157ЕН5А и др. Конденсатор С1 должен быть обязательно на рабочее напряжение не ниже 300 В, марки К76-3, К73-17 или аналогичный (неполярный, высоковольтный). Оксидный конденсатор С2 выполняет роль фильтра по питанию и сглаживает пульсации напряжения. Конденсатор СЗ уменьшает помехи по высокой частоте. Резисторы R1, R2 — типа МЛТ-0,25. Диоды VD1...VD4 можно заменить на КД105Б...КД105Г, КД103А, Б, КД202Е. Стабилитрон VD5 с напряжением стабилизации 22...27 В предохраняет микросхему от бросков напряжения в момент включения источника.

Несмотря  на то, что теоретически конденсаторы в цепи переменного тока мрщности не потребляют, реально в них из-за наличия потерь может выделяться некоторое количество тепла. Проверить пригодность конденсатора в качестве гасящего для использования в бестрансформаторном источнике можно просто подключив его к электросети и оценив температуру корпуса через полчаса. Если конденсатор успевает заметно разогреться, он не подходит. Практически не нагреваются специальные конденсаторы для промышленных электроустановок (они рассчитаны на большую реактивную мощность). Такие конденсаторы обычно используются в люминесцентных светильниках, в пуско-регулирующих устройствах асинхронных электродвигателей и т.п. 

 

В 5-вольтовом  источнике (рис.6) с током нагрузки до 0,3 А применен конденсаторный делитель напряжения. Он состоит из бумажного  конденсатора С1 и двух оксидных С2 и  СЗ, образующих нижнее (по схеме) неполярное плечо емкостью 100 мкФ (встречно-последовательное включение конденсаторов). Поляризующими диодами для оксидной пары служат диоды моста. При указанных номиналах элементов ток короткого замыкания на выходе блока питания равен 600 мА, напряжение на конденсаторе С4 в отсутствие нагрузки — 27 В. 

 

Блок для  питания портативного приемника (рис.7) легко помещается в его батарейный отсек. Диодный мост VD1 рассчитывается на рабочий ток, его предельное напряжение определяется напряжением, которое обеспечивает стабилитрон VD2. Элементы R3, VD2, VT1 образуют аналог мощного стабилитрона. Максимальный ток и рассеиваемая мощность такого стабилитрона определяются транзистором VT1. Для него может потребоваться радиатор. Но в любом случае максимальный ток этого транзистора не должен быть меньше тока нагрузки. Элементы R4, VD3 — цепь индикации наличия

выходного напряжения. При малых токах нагрузки необходимо учитывать ток, потребляемый этой цепью. Резистор R5 нагружает цепь питания малым током, чем стабилизирует ее работу. 

 

Гасящие конденсаторы С1 и С2 — типа КБГ или аналогичные. Можно также применить и К73-17 с рабочим напряжением 400 В (подойдут и с 250 В, так как они включены последовательно). Выходное напряжение зависит от сопротивления гасящих конденсаторов переменному току, реального тока нагруз-ки и от напряжения стабилизации стабилитрона.

Для стабилизации напряжения бестрансформаторного блока  питания с гасящим конденсатором  можно использовать симметричные динисторы (рис.8). 

 
 

При зарядке  конденсатора фильтра С2 до напряжения открывания динистора VS1 он включается и шунтирует вход диодного моста. Нагрузка в это время получает питание от конденсатора С2. В начале следующего полупериода С2 вновь  подзаряжается до того же напряжения, и процесс повторяется. Начальное напряжение разрядки конденсатора С2 не зависит от тока нагрузки и напряжения сети, поэтому стабильность выходного напряжения блока достаточно высокая. Падение напряжения на динисторе во включенном состоянии невелико, рассеиваемая мощность, а значит, и нагрев его значительно меньше, чем у стабилитрона. Максимальный ток через динистор составляет около 60 мА. Если для получения необходимого выходного тока этого значения недостаточно, можно "умощнить" динистор симистором или тиристором (рис.9). Недостаток таких источников питания — ограниченный выбор выходных напряжений, определяемый напряжениями включения динисторов.  
 

 

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.