Конденсаторної-стабілітрони випрямляч

Бестрансформаторних малопотужні мережеві блоки живлення з гасять конденсатором отримали широке поширення в першу чергу завдяки простоті кострукції, незважаючи на серйозний недолік (наявність гальванічного зв'язку виходу блоку живлення з мережею). У статті пропонується удосконалити 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.

Мережеві блоки живлення малої потужності з гасять конденсатором застосовуються в сучасній радіоелектронної радіоапаратурі [1,2]. Робота сторінки, з конденсатор, випрямляч і стабілітрон (КВС) за схемою, розглянутої на рис.1, докладно розглянута в [3]. Блок живлення КВС перевершує традиційний трансформаторний і імпульсний з бестрансформаторним входомм блоки по простоті конструкції і використовуваної елементної бази, а також по ремонтнопригодность. 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 харчування містить баластний конденсатор C1 і мостовий випрямляч з діодів VD1, VD2 і стабілітронів VD3, VD4 (рис.2). Осцилограма вихідної напруги діод-стабілітроном випрямляча наведена на рис.2б (коли напруга на виході перевищує перевищує напруга стабілізації стабілітрона, в іншому разі він працює як звичайний діод). Від початку позитивного напівперіоду 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 відкрився стабілітрон VD4 проходить імпульс струму стабілізації. Напруга на стабілітроні VD4 одно його напрузі стабілізації U ст .

Імпульсний струм стабілізації, що є для діод-стабілітроном 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 напівперіоду залишаються відкритими стабілітрон VD3 і діод VD2. У момент t 4 завершується позитивний і починається негативний 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 наскрізною імпульс струму стабілізації, максимальний у момент t 6 . Починаючи від t 7 до завершення негативного напівперіоду, залишаються відкритими стабілітрон VD4 і діод VD1.

На цьому цикл роботи діод-стабілітроном 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 протилежного напрвлений – 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 ємнісний опір баластного конденсатора C1.

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

Для обмеження кидка струму через діоди і стабілітрони мосту у момент включення в мережу послідовно з баластовим конденсатором слід включити струмообмежуючі 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 відмінності 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 складання КВС застосований стабілітрон # 8, а для зборки КСТВ – пара стабілітронів # 6 та # 7. У КСТВ можна також використовувати пари стабілітронів # 1 і # 2 та # 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 навантажувальний резистор та 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 криється у 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 диференціальний опір. 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 стабілітрона # 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 відсутній, 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 прісутсвуєт буква П. В іншому випадку діоди і стабілітрони необхідно поміняти місцями.

Гальванічна зв'язок мережі з виходом блоку харчування, а значить, і з живиться апаратурою, створює реальну опастность поразки електричним струмом. Про це слід пам'ятати при конструюванні та налагодженні блоків з конденсаторним-стабілітроном 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 гасять 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.