Конденсаторної-стабілітрони випрямляч

Бестрансформаторних малопотужні мережеві блоки живлення з гасить конденсатором отримали широке поширення в першу чергу завдяки простоті кострукцій, незважаючи на серйозний недолік (Наявність гальванічної зв'язку виходу блоку живлення з мережею).

У статті пропонується вдосконалити традиційний мостовий випрямляч такого блоку заміною двох діодів стабілітронвмі. Це дозволяє зменшити число напівпровідникових приладів, а також використовувати стабілітрони не тільки для стабілізації напруги, але і його випрямлення.
Схема КВС (конденсатор, випрямляч, стабілітрон)

Мережеві блоки живлення малої потужності з гасить конденсатором використовуються в сучасній радіоелектронної радіоапаратурі [1,2]. Робота сайту, що містить конденсатор, випрямляч і стабілітрон (КВС) за схемою, розглянутої на мал.1, докладно розглянута в [3]. Блок живлення КВС перевершує традиційний трансформаторний і імпульсний з безтрансформаторним входомм блоки по простоті конструкції і використовуваної елементної бази, а також по ремонтнопригодности. І все ж, як не простий блок живлення КВС, але і його конструкція потребує вдосконалення, не знижуючи при цьому наявних переваг. Навпаки, можна додатково отримати ряд корисних експлуатаційних властивостей.

Вхідна частина блоку живлення містить баластний конденсатор C1 і мостовий випрямляч з діодів VD1, VD2 і стабілітронів VD3, VD4 (мал.2а). Осцилограми вихідної напруги діод-стабілітронів випрямляча наведена на ріс.2б (коли напруга на виході перевищує перевищує напруга стабілізації стабілітрон; в іншому випадку він працює як звичайний діод). Від початку позитивного напівперіод струму через конденсатор C1 до моменту t 1 стабілітрон VD3 і діод VD2 відкриті, а стабілітрон VD4 і діод VD1 закриті. В інтервалі часу t 1 …t 3 стабілітрон VD3 і діод VD2 залишаються відкритими, а через що відкрився стабілітрон VD4 проходить імпульс струму стабілізації. Напруга на стабілітрон VD4 одно його напрузі стабілізації U ст .
Схема КСТВ (конденсаторної-стабілітронів випрямляча і тимчасова діаграма його роботи

Імпульсний струм стабілізації, що є для діод-стабілітронів випрямляча наскрізним, мине навантаження, яка підключена до виходу мосту. У момент t 2 струм стабілізації досягає максимуму, а в момент t 3 дорівнює нулю. До закінчення позитивного напівперіод залишаються відкритими стабілітрон VD3 і діод VD2. У момент t 4 завершується позитивний і негативний починається напівперіод, від початку якого до моменту t 5 вже стабілітрон VD4 і діод VD1 відкриті, а стабілітрон VD3 і діод VD2 закриті. В інтервалі часу t 5 …t 7 стабілітрон VD4 і діод VD1 продовжують залишатися відкритими, а через стабілітрон VD3 при напрузі U ст проходить наскрізний імпульс струму стабілізації, максимальний у момент t 6 . Починаючи від t 7 до завершення негативного напівперіод, залишаються відкритими стабілітрон VD4 і діод VD1.

На цьому цикл роботи діод-стабілітронів випрямляча завершується і розглянутий процес повторюється протягом наступного електричного періоду в мережі.

Таким чином, через стабілітрони VD3, VD4 від анода до катода проходить випрямлений струм, а в протівополжном напрями – імпульсний струм стабілізації. У інтервали часу t 1 …t 3 і t 5 …t 7 миттєве значення напруги стабілізації змінюється не більше ніж на одиниці відсотків. Значення змінного струму на вході мосту VD1-VD4 в першому наближенні дорівнює відношенню напруги мережі до ємнісного опору баластового конденсатора C1.

Робота діод-стабілітронів випрямляча без баластного елемента (конденсатор), що обмежує значення наскрізного струму, неможлива. У функціональному відношенні вони нероздільні й утворюють єдине ціле – конденсаторні-стабілітрони випрямляч (КСТВ).

Для обмеження кидка струму через діоди і стабілітрони мосту у момент включення в мережу послідовно з баластними конденсатором слід включити струмообмежувальним резистор опором кілька десятків Ом, а для розрядки конденсатора після відключення від мережі паралельно – резистор опором сотні кОм [3].

Розкид значень U ст однотипних стабілітронів становить приблизно 10%, що призводить до виникнення додаткової пульсації вихідної напруги з частотою мережі живлення. Амплітуда напруги пульсації пропорційна розходженню значень U ст стабілітронів VD3, VD4.

З метою експериментальної перевірки випадковим чином обрана партія з восьми стабілітронів Д814Б, напруга стабілізації яких наведено в табл.1.

Таблиця 1
# 1 2 3 4 5 6 7 8
U ст, У

8.5 8.5 8.8 8.8 8.9 9.1 9.1 9.2

Для збирання КВС застосований стабілітрон # 8, а для збирання КСТВ – пара стабілітронів # 6 та # 7. У КСТВ можна також використовувати пари стабілітронів # 1 і # 2 або # 3 та # 4. До виходу КВС і КСТВ підключають оксидний конденсатор фільтра ємністю 2000 мкФ на номінальну напругу не менше 10В. У результаті виходять функціонально закінчені блоки живлення. Для вимірювання їх параметрів і зняття зовнішніх характеристик до виходу підключають витримку навантаження резистор і вимірювальні прилади: міліамперметр і вольтметр.

Результати експерименту, наведені в табл. 2, свідчать про перевагу КСТВ перед КВС за рівнем пульсацій вихідної напруги при сумірних значеннях струму навантаження.

Таблиця 2
Блок живлення Струм навантаження, мА Вихідна напруга, В Амплітуда вбрана пульсацій, мВ
КВС (C1 = 0.5 мкФ)
3
15
30
9.2
9.1
9
70
70
70
КСТВ (C1 = 0.5 мкФ)
3
15
30
8.8
8.7
8.5
10
25
40
КВС (C1 = 1 мкФ)
3
30
60
8.9
8.8
8.6
15(20)
70(150)
100(250)

Причина цього полягає в тому, в КСТВ конденсатор фільтра, заряджений до значення напруги U ст , Розряджається у інтервалі часу t 3 …t 5 тільки через навантаження. У КВС конденсатор в цей період розряджається через сполучені паралельно навантаження і стабілітрон, що має мале диференційна провідність. Зниження амплітуди напруги пульсацій на виході КСТВ при зменшенні струму навантаження позитивно впливає на якість роботи живиться апаратури. Наприклад, рівень фону живлячої напруги на виході звуковідтворювальної апаратури знижується у звукових паузах.

Вплив нерівності значень U ст стабілітронів VD3, VD4 на амплітуду пульсації вихідної напруги ілюструють значення в дужках з табл.2, які отримані в результаті заміни стабілітрон # 7 (VD3) на # 1 (див. табл. 1). Так як значення напруги стабілізації примірників стабілітронів відрізняються на 0.6 В (близько 7% від U ст ), Амплітуда пульсацій вихідної напруги зросла, проте залишилася менше, ніж у КВС при малих струмах навантаження. При максимальному струмі в напрузі пульсації поряд з частотою 100 Гц з'явилася складова 50 Гц. У міру зменшення струму навантаження амплітуда пульсацій також зменшується, частка складової частотою 50 Гц зростає, а частотою 100 Гц – зменшується. Під навантаженням не більше 10% від номінальної складова 100 Гц відсутня, частота напруги пульсації -50 Гц.

За значеннями з табл.2 розраховане внутрішній опір блоків живлення: КВС – 7 Ом, КСТВ (C1 = 0.5 мкФ) – 10 Ом, КСТВ (C1 = 1 мкФ) – 5 Ом. Приблизно такі ж значення внутрішнього опору характерні для батареї, складеної з шести свіжих гальванічних елементів 316 або частково розряджених гальванічних елементів більшої ємності.

При використанні потужних стабілітронів (Д815А. .. Д817ГП), мають на корпусі шпильку кріплення, їх можна встановити на загальний радіатор, якщо в позначенні їх типу присутнє буква П. В іншому випадку діоди і стабілітрони необхідно поміняти місцями.

Гальванічна зв'язок мережі з виходом блока живлення, а значить, і з живиться апаратурою, створює реальну небезпечних ураження електричним струмом. Про це слід пам'ятати при конструюванні та налагодженні блоків з конденсаторної-стабілітрони випрямлячем. Запобігання електротравматизму можливо шляхом застосування подвійної ізоляції, а також швидкодіючого автоматичного пристрою захисного відключення .

Література

Сергєєв Б. Дослідження можливості застосування конденсаторних ІВЕП. – Електрозв'язок, 1994, # 6, с.25-27.

Сергєєв Б. Граничні можливості застосування конденсаторних джерел вторинного електроживлення. – Електрозв'язок, 1996, # 2, С.38-40.

Бірюков С. Розрахунок мережевого джерела живлення з гасить конденсатором. – Радіо, 1997, # 5, с.48-50.

Водяницький Ю. Захистить автомат. – Моделіст-конструктор, 1994, # 10, с.14, 15.

Кузнєцов А. Пристрій захисту від ураження електрострумом. – Радіо, 1997, # 4, с.47-49.