СЕТЕВОЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ С ГАСЯЩИМ КОНДЕНСАТОРОМ
Во многих из описанных выше устройств использовались бестрансформаторные источники питания с гасящим конденсатором. Они удобны своей простотой, малыми габаритами и массой, но не всегда применимы из-за гальванической связи выходной цепи с сетью 220 В. О том, как правильно рассчитать такой источник, рассказывается в данном разделе.
В бестрансформаторном источнике питания к сети переменного напряжения подключены последовательно соединенные конденсатор и нагрузка. Рассмотрим вначале работу источника с чисто резистивной нагрузкой (рис. 123,а).
В радиолюбительской практике часто используют источник, в котором гасящий конденсатор включен в сеть последовательно с
диодным мостом, а нагрузка, зашунтированная другим конденсатором, питается от выходной диагонали моста (рис. 124). В этом случае цепь становится резко нелинейной и форма тока, протекающего через мост и гасящий конденсатор, будет отличаться от
синусоидальной. Из-за этого представленный выше расчет оказывается неверным.
Каковы процессы, происходящие в источнике со сглаживающим конденсатором С2 емкостью, достаточной для того, чтобы считать пульсации выходного напряжения пренебрежимо малыми? Для гасящего конденсатора С1 диодный мост (вместе с С2 и Rн) в установившемся режиме представляет собой некий эквивалент симметричного стабилитрона. При напряжении на этом эквиваленте, меньшем некоторого значения (оно практически равно напряжению Uвых на конденсаторе С2), мост закрыт и ток через него не проходит, при большем - через открытый мост течет ток, не давая увеличиваться напряжению на входе моста.
Рассмотрение начнем с момента t1, когда напряжение сети максимально (рис. 125). Конденсатор С1 заряжен до амплитудного напряжения сети Uс.амп за вычетом напряжения на диодном мосте Uм , примерно равного Uвых. Ток через конденсатор С1 и закрытый мост равен нулю. Напряжение в сети уменьшается по косинусоидальному закону (график 1), на мосте также уменьшается (график 2), а напряжение на конденсаторе С1 не меняется.
Ток конденсатора останется нулевым до тех пор, пока напряжение на диодном мосте, сменив знак на противоположный, не достигнет значения -Uвых (момент t2).
В этот момент появится скачком ток Ic1 через конденсатор С1 и мост. Начиная с момента t2, напряжение на мосте не меняется, а ток определяется скоростью изменения напряжения сети и, следовательно, будет точно таким же, как если бы к сети был подключен только конденсатор С1 (график 3). Когда напряжение сети достигнет отрицательного амплитудного значения (момент tз), ток через конденсатор С1 снова станет равным нулю. Далее процесс повторяется каждый полупериод. Ток через мост протекает лишь в интервале времени t2-t3, его среднее значение может быть рассчитано как площадь заштрихованной части
При отсутствии стабилитрона на необходимое напряжение Uвых; допускающего рассчитанный максимальный ток стабилизации, можно соединить несколько стабилитронов на меньшее напряжение последовательно. Подставлять в формулу (4) минимальный ток нагрузки Iн nun следует лишь тогда, когда этот ток длителен - единицы секунд и более. При кратковременном минимальном токе нагрузки (доли секунды) его надо заменить средним (по времени) током нагрузки. Если стабилитрон допускает ток, больший рассчитанного по формуле (4), целесообразно использовать гасящий конденсатор несколько
источника по схеме рис. 124 зарядка этого конденсатора длится четверть периода напряжения сети, и столько же - разрядка. При таком приближении двойное напряжение пульсации 2Uп (размах ) равно: 2ип=0,25Iн mах/fС. Аналогично можно считать, что для источника по схеме рис. 126 зарядка длится то же время, а разрядка - три четверти периода: 2Uп=0,75Iнmax/fC. Для выходного напряжения менее 100 В реально зарядка длится большее время, разрядка - меньшее, и эти выражения дают заметно завышенный результат, поэтому расчет емкости сглаживающего конденсатора по полученным из них формулам обеспечивает некоторый запас: С=5Iнmax/2Uп (для рис. 124); С= 15Iнmax/2Uп (для рис. 126), где ток - в миллиамперах, емкость - в микрофарадах, напряжение - в вольтах. Хотя стабилитрон и уменьшает напряжение пульсации, использовать сглаживающий конденсатор емкостью, менее рассчитанной, не рекомендуется.
В ранее рассмотренном примере при размахе пульсации 0,2 В емкость сглаживающего конденсатора равна: С2=5*15/0,2=375 мкФ. Для ограничения броска тока через диоды выпрямительного моста в момент включения источника в сеть последовательно с гасящим конденсатором необходимо включать токоограничивающий резистор. Чем меньше сопротивление этого резистора, тем меньше потери в нем. Для диодного моста КЦ407А или моста из диодов КД103А достаточно резистора сопротивлением 36 Ом. Рассеиваемую на нем среднюю мощность Р можно определить по формуле: Р= 5,6С1^2R, где емкость - в микрофарадах, сопротивление -в омах, мощность - в милливаттах. Для рассмотренного выше примера P=5,6*0,39^236=30 мВт. Для надежности (ведь в момент включения к резистору может быть приложено амплитудное напряжение сети) рекомендуется использовать резистор мощностью не менее 0,5 Вт. Для того, чтобы исключить возможность поражения электротоком при налаживании устройств с рассматриваемыми источниками, питать их следует не от сети, а от сетевого лабораторного низковольтного блока питания через токоограничительный резистор. Выходное напряжение лабораторного блока устанавливают больше напряжения питания налаживаемого устройства настолько, чтобы ток через токоограничительный резистор был близок к Iст min+ Iнmax. Иногда удобно использовать в роли токоограничительного резистор источника, ограничивающий бросок тока через диоды выпрямительного моста. В этом случае достаточно замкнуть выводы
(рис. 130) на ток нагрузки до 0,3 А и источник бесперебойного питания для электронно-механических часов (рис. 131). Делитель напряжения пятивольтового источника состоит из бумажного конденсатора С1 и двух оксидных С2 и СЗ, образующих нижнее по схеме неполярное плечо емкостью 100 мкф. Поляризующими диодами для оксидной пары служат левые по схеме диоды моста. При номиналах элементов, указанных на схеме, ток замыкания (при Rн=O) равен 600 мА, напряжение на конденсаторе С4 в отсутствие нагрузки - 27 В. Электронно-механические часы обычно питают от одного гальва нического элемента напряжением 1,5 В.
Предлагаемый источник вырабатывает напряжение 1,4 В при среднем токе нагрузки 1 мА. Напряжение, снятое с делителя С1С2, выпрямляет узел на элементах VD1, VD2, СЗ. Без нагрузки напряжение на конденсаторе СЗ не превышает 12 В. Транзистор VT1, включенный эмиттерным повторителем, и гальванический элемент G1 составляют стабилизатор напряжения. На выходе источника будет напряжение элемента минус падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора. Ток, потребляемый от элемента G1 при наличии сетевого напряжения, меньше тока нагрузки в h21э раз, что существенно продлевает срок службы элемента. Практически это означает, что элемент приходится заменять не из-за его разрядки током нагрузки, а вследствие других причин - саморазрядки, высыхания электролита и т. п. В случае пропадания напряжения в сети транзистор выходит из режима эмиттерного повторителя и нагрузку питает гальванический .элемент G1 через открытый эмиттерный переход. После появления сетевого напряжения транзистор возвращается в режим эмиттерного повторителя и нагрузка переходит на питание от сети. Конденсатор С4 обеспечивает нормальную работу часов при глубокой разрядке элемента G1. Диоды Д223 можно заменить на любые другие, транзистор МП41А - на любой германиевый структуры р-n-р. Элемент G1 лучше использовать алкалиновый, например, Duracell, Energizer. Реальный срок эксплуатации такого элемента в блоке питания может достигать 10 лет. И последнее. Конструкция бестрансформаторных источников и устройств, питающихся от них, должна исключать возможность прикосновения к любым проводникам в процессе эксплуатации. Особое внимание нужно уделить изоляции органов управления.
