Журнал "Радіо", номер 1, 2000 р.
Автор: Б. Садовського, Челябінськ
Блоки живлення з баластними конденсатором і розділовим трансформатором завоювали популярність у радіоаматорів завдяки малим габаритам і тим, що вони гальванически не пов'язані з мережею. Однак при розробці таких пристроїв необхідно враховувати ряд факторів, щоб виключити аварійні ситуації, в результаті яких можуть вийти з ладу не тільки джерело харчування, але і навантаження. Автор статті, узагальнивши досвід створення подібних пристроїв, рекомендує, на що слід звернути увагу при їх конструюванні та налагодженні.
У радіоаматорського практиці широке застосування знайшли джерела з баластними конденсатором і розділовим трансформатором [ 1 - 6 ]. Подібне рішення дозволяє конструювати малогабаритні блоки живлення. Розглянемо деякі питання проектування таких пристроїв на прикладі малопотужного джерела живлення, описаного в [ 1 ] (Див. Малюнок).
Трансформатор Т1 виконує функцію розділового. Він працює при малому вхідному і вихідному напрузі. Його конструкція дуже проста. Конденсатор С1 - баластний, а резистор R2 обмежує імпульс струму при включенні. Напруга на первинній обмотці трансформатора обмежують стабілітрони VD1 і VD2.
У коливальному контурі, що складається з конденсатора С1, індуктивності первинної обмотки трансформатора L і приведеного до первинної обмотці опору навантаження RH можливий резонанс, який може привести до виходу з ладу джерела живлення.
Припустимо, що в навантаженому джерелі на первинній обмотці напруга дорівнює 20 В (типовий випадок). Це означає, що приведене до первинної обмотці опір навантаження RH приблизно в 10 разів менше ємнісного опору | XC1 | конденсатора С1 і утворює з ним дільник напруги 10: 1 (груба результати), тобто | XC1 | = 10RH.
При правильно розрахованому трансформаторі індуктивний опір первинної обмотки | XL | має приблизно в 10 разів перевищувати приведене до первинної обмотці опір навантаження RH, тому добротність згаданого контуру вкрай низька, ніякого резонансу бути не може.
Зовсім інша ситуація виникає при відключеному навантаженні (на холостому ходу). Якщо виконуються зазначені вище співвідношення | ХC1 | = 10RH і | XL | = 10RH, то | XC1 | = | XL | і виникає резонанс. Якщо на вхід замість мережевого подати напругу 1 ... 2 В, то на первинній обмотці ненагруженного трансформатора воно за рахунок резонансу збільшиться в 10 і більше разів добротність отриманого контуру досить велика, однак при подачі напруги такого підйому не буде. Зі збільшенням напруги на обмотці понад номінальний (20 В) муздрамтеатр трансформатора входить в насичення, його індуктивність зменшується і контур перестає бути налаштованим в резонанс.
Однак, якщо трансформатор виконаний з хорошим запасом по допустимому вхідній напрузі, підйом може бути досить значним. Це викличе збільшення напруги на конденсаторі С1 в порівнянні з роботою в номінальному режимі, і якщо конденсатор обраний без запасу - може статися пробій. Можливі й інші не менш важкі наслідки.
Тому, як і для бестрансформаторного джерела живлення з баластними конденсатором, неприпустима робота без номінального навантаження. Звичайне рішення - підключення стабілітрона до виходу джерела або двох зустрічно-послідовно з'єднаних стабілітронів (або одного симетричного) до первинної обмотці (див. Малюнок).
Так задача вирішується для відносно малопотужних блоків живлення. Для аналогічних потужних пристроїв (дуже простими виходять зарядні пристрої для автомобільних акумуляторних батарей [ 2 - 4 ]) Такими заходами не обійтися. Тут можна підключити паралельно первинної або вторинної обмотці аналог симетричного динистора [ 7 , Рис.5, а] або забезпечити релейний захист від режиму холостого ходу [ 3 ].
Особливу увагу необхідно приділити вибору баластного конденсатора по номінальній напрузі. Це найбільша напруга між обкладками конденсатора, при якому він здатний надійно і довго працювати. Для більшості типів регламентується номінальну напругу постійного струму. Допустима напруга змінного струму завжди менше номінального, за винятком металопаперові конденсаторів МБГЧ, К42-19, поліпропіленових К78-4 і поліетилентерефталатні К73-17 на номінальну напругу до 250 В включно, у яких ці параметри дорівнюють. Тому при виборі типу і номінального напруги необхідно скористатися довідником по електричних конденсаторів і пам'ятати, що розрахунок проводять для амплітудного значення змінної напруги.
У момент підключення (або відключення) блоку живлення до мережі в його ланцюгах відбувається перехідний процес, який через деякий час змінюється сталим режимом. Не вдаючись в теоретичні основи перехідних процесів, відзначимо два закони комутації:
1. Струм в дроселі (приладі з індуктивним опором) не може змінюватися стрибком, або, інакше, ток після комутації має те ж значення, яке він мав у момент, що безпосередньо передує комутації.
2. Напруга на конденсаторі не може змінюватися стрибком, або, інакше, напруга після комутації має те ж значення, що і безпосередньо до комутації.
При підключенні блоку живлення до мережі конденсатор ще не заряджений і падіння напруги на ньому дорівнює нулю. Струм в індуктивності не може виникнути миттєво, тому напруга на резисторі дорівнює нулю і мережеве напруга повністю докладено до первинної обмотці трансформатора, яка розрахована на значно менше значення. Саме при включенні виникає висока небезпека межвиткового пробою і зникає перевага в простоті виконання трансформатора з намотуванням "внавал", ніж він і заслужив широку популярність у радіоаматорів. Особливо небезпечно підключення блоку живлення до мережі, в якій в цей момент діє амплітудне або близьке до нього напруга.
Актуального значення набуває завдання обмеження напруги на первинній обмотці в момент підключення. Токоогранічительний резистор не рятує в такій ситуації.
Це змушує шукати інше рішення, що дозволяє попередити можливість межвиткового пробою в трансформаторі і захистити елементи блоку живлення від підвищеного в десятки разів напруги.
Обмежувач напруги на двох зустрічно-послідовно включених паралельно первинній обмотці стабілітронах (см.рисунок) дозволяє вирішити і цю задачу. Для кожного напівперіоду обмежувач працює як параметричний стабілізатор напруги на первинній обмотці трансформатора. Баластову функцію виконує при цьому в основному токоогранічительний резистор R2. Резистор повинен бути розрахований на короткочасний струм перевантаження, а стабілітрони, як правило, забезпечують його.
Якщо в номінальному режимі стабілітрони відкриваються і працюють як стабілізатори, може виникнути різниця амплітуд імпульсів випрямленої струму позитивної та негативної напівхвиль. Такий ефект пояснюється тим, що позитивні напівхвилі стабілізує один стабілітрон, а негативні - інший. Відомо, що напруга стабілізації двох примірників стабілітронів навіть однієї партії може значно відрізнятися. Це породжує додаткову складову пульсацій частоти 50 Гц, яку важче придушити сглаживающим фільтром, ніж 100 Гц.
Для зменшення додаткової складової пульсації, що виникає через різницю напруги стабілізації, можна рекомендувати замість зустрічно-послідовного з'єднання двох стабілітронів включити один стабілітрон в діагональ діодного моста паралельно первинній обмотці. Це дозволить зберегти надійність блоку живлення.
Якщо не пред'являються підвищені вимоги до стабільності вихідної напруги, можна рекомендувати добірку стабилитронов з мінімальним напругою стабілізації на 1 ... 3 В більше максимального амплітудного напруги на первинній обмотці в сталому режимі. Параметричний стабілізатор в цьому випадку буде виконувати функції тільки обмежувача напруги в момент включення і на холостому ходу. А після виходу блоку живлення на сталий режим він автоматично відключається, значно підвищуючи економічність блоку.
література
1. Пожарінскій Л. Малопотужний блок живлення. - Радіо, 1978, № 5, с. 56.
2. Кутергін Г. Просте зарядний пристрій. - Радіо, 1978, № 5, с.27.
3. Долін Е. Варіант зарядного пристрою. - Радіо, 1983, № 5, с.58.
4. Бірюков С. Просте зарядний пристрій. - Радіо, 1997, # 3, с.50.
5. Бірюков С. Розрахунок мережевого джерела живлення з гасить конденсатором. - Радіо, 1997, № 5, с.48-50.
6. Прокопцев Ю. Ще про джерела живлення з гасить конденсатором. - Радіо, 1998, # 12,0.46.
7. Алексєєв С. Симетричні діністори - в джерелах живлення. - Радіо, 1998, # 10, с.70,71.
Ваш коментар до статті