Незвичайний випрямляч

Dipl.-Ing. M. Franke

Оригінал статті див. журнал FUNKAMATEUR 1988, № 11, стор 554.

Описуваний незвичайний випрямляч змінного струму призначений для використання там, де потрібні малі регульовані напруги при відносно великих струмах і малих втратах. Прикладом застосування може служити харчування елементів Пелт, застосовуваних у системах охолодження, де, до того ж, необхідно і регулювати температуру. Гальванічні ванни і низьковольтні паяльники – інші приклади застосування подібного випрямляча.

При отриманні низьких напруг живлення в випрямлячах встає проблема падіння напруги на випрямних напівпровідникових діодах, обумовлена застосованим в діодах напівпровідниковим матеріалом (0,6 … 0,9 В в кремнієвих діодах), яке надає тим більший вплив, чим нижче випрямлена напруга. Встає проблема відведення тепла при великих струмах навантаження. Коли необхідна ще і регулювання вихідного напруги, вдаються до допомоги послідовного стабілізатора напруги, падіння напруги на переході регулюючого транзистора якого становить додатково до падіння на діодах випрямляча ще кілька вольт, що веде до марної розсіюванню потужності, к.п.д пристрою, при цьому, не перевищує 50%. На малюнку (Bild 1) показана схема випрямляча, взята зі збірника патентів НДР [1 ], Який дозволяє значно зменшити втрати потужності.


Рис. 1.

Мова йде, в першу чергу, про двухполуперіодном випрямлячі з середньою точкою, який характерний і відомий як випрямляч, що має два діоди і відвід від середини обмотки трансформатора. Тут випрямні діоди замінені переходами емітер-колектор регулюючих транзисторів (VT1 і VT2). Цим забезпечується перевага перед діодами, так як падіння напруги на переходах емітер-колектор у сучасних потужних планарних транзисторів складає всього 0,1 … 0,2 В, проти приблизно 0,7 В у більшості випрямних діодів, тому марне розсіювання потужності значімтельно скорочується. Крім того, при використанні транзисторів як керованих елементів, з'являється можливість регулювання вихідного випрямленої напруги, а, саме, – шляхом усікання фази.


Рис. 2.

Під час позитивного напівперіод струм тече через VD1, контакти перемикача S (S – спочатку в крайньому правому, за схемою, положенні), резистор R і діод VD4 в ланцюзі база-емітер VT2. VT2, при цьому, управляється, в результаті чого нижня гілка випрямляча відкривається, а конденсатор З заряджається. Під час негативного напівперіод транзистор VT1 управляється через діод VD2, S, R і VD3, ніж відкривається верхня гілка випрямляча. Оскільки мова йде про двухполуперіодном випрямлячі, в якому залишковий падіння напруги на переходах емітер-колектор транзисторів дуже мало, то мала і розсіюється на транзисторах потужність, рівна падінню напруги на переході емітером-колектор помноженому на ток прпотекающій в цьому ланцюзі. Коль мала потужність розсіювання, так невеликим може бути і тепловідвід, а якщо ще й негативний полюс випрямляча може бути з'єднаний з металевим корпусом питомого пристрою, то регулюючі транзистори можна прикрутити висновками колекторів прямо на шасі без ізолюючих прокладок. Тепер розглянемо можливість регулювання вихідної напруги випрямляча за допомогою ланцюжка діодів VD5 … VDn, комутованих перемикачем S, що здійснюють відсічення фази (Bild 2). Транзистори, при цьому, починають проводити не відразу з початку відповідного напівперіод змінного напруги, а через деякий час, коли миттєве значення амплітуди напруги в напівперіод перевищить суму прямих напруг включених діодів. Відповідно, чим менший час відкриті транзистори, тим до меншого напруги зможе зарядитися конденсатор фільтра С. Звичайно ефект більш пізнього відкривання і більш раннього закривання транзисторів залежить і від прямого падіння напруги на діодах VD1 … VD4 і від напруги відкривання транзисторів VT1 і VT2. Тут найкраще застосувати германієвого діоди з-за малого прямого падіння напруги на них, наприклад, 0,1 А або 1 А діоди із серії GY. Більш сучасними виявляються тут діоди з бар'єром Шотткі, але результати, одержані за ними анітрохи не краще, а гірше, ніж зі старими добрими германієвого діодами, тим більше, що до цих пір не всі можуть діоди Шотткі дістати.

Слід звернути особливу увагу на максимальне допустиме зворотне напруга переходів база-емітер VT1 і VT2. При перевищенні цієї напруги, струм з відповідного зовнішнього кінця вторинної обмотки силового трансформатора потече через замкнений перехід емітер-база (як струм стабілізації (або "лавинний струм пробою") у стабілітрон) і звідти через що входить у прямому напрямку проходження струму перехід база – колектор, – прямо на вихід випрямляча. У цьому випадку, звичайно ж, ні про яке регулювання транзисторами не може бути і мови і вони пошкоджуються. Пікове значення напруги на будь-який половині вторинної обмотки не повинно перевищувати допустимого зворотного напруги переходу емітер-база (Ueff * 3 2), яке повинне бути в межах 6 … 9 В. Рекомендується до встановлення транзисторів у схему виміряти допустимий зворотне напруга переходів база-емітер (і, напевно, коли схема симетрична, підібрати пару транзисторів з однаковими параметрами). Спосіб вимірювання цієї напруги простий: необхідно включити перехід база – емітер в зворотному (замикаючому напрямку проходженню постійного струму) через резистор і виміряти на переході напруга точно також як визначається напруга стабілізації на звичайному стабілітрон. Збільшуємо напруга подається на послідовно включені резистор (наприклад, опором 1 ком) і перехід база-емітер ("плюсом" до емітера, якщо це npn транзистор), на паралельно переходу включеному вольтметри спостерігаємо значення максимального зворотного напруги, коли таке перестає помітно приростатиме при збільшенні напруги живлення. Остання обставина (Досить низька допустимий зворотне напруга переходу база-емітер) обмежує максимальне вихідна напруга, що приводиться, схеми випрямляча 5 вольт. Величина опору R = 200 ом обрана як компроміс для вихідної напруги до 5 В при струмах навантаження 1 … 2 А: занадто мала його величина веде до зайвих втрат в самому резистори (неекономічна), велика ж, – не дозволяє повністю відкриватися транзисторам, через що також збільшуються втрати (тепер на регулюючих транзисторах).

Транзистори повинні мати як можна більшу допустимий зворотне напруга переходу база-емітер і володіти максимально можливим коефіцієнтом посилення по струму. Якщо будуть застосовуватися pnp транзистори (Наприклад, КТ818), всі діоди і оксидний фільтровані конденсатор слід "перевернути" і полярність вихідної напруги зміниться.

Можна піти далі і замість дискретного регулювання вихідної напруги застосувати плавну, встановивши замість діодів VD5 … VDn і перемикача S, тієї ж провідності як VT1/VT2 (колектором до точки з'єднання діодів VD1 і VD2, емітером до резистора R) і потенціометр, висновок движка якого слід поєднати з базою додаткового транзистора, а крайні висновки – з колектором і емітером транзистора цього. Можливі також інші включення з падаючої характеристикою (аналог діністора). Для експериментатора тут велике поле діяльності.

Література: 1. Патент DDR-WP HO2 313189.7

Вільний переклад з німецької: Віктор Бесєдін (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru  
м. Тюмень, травень 2002 р

Джерело матеріалу