Бестрансформаторное БП

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 )