Конденсаторно-стабилитронный выпрямитель

Бестрансформаторные маломощные сетевые блоки питания с гасящие конденсатором получили широкое распространение в радиолюбительских конструкциях благодаря простоте своей конструкции, несмотря на такой серьезный недостаток, как наличие гальванической связи блока питания с сетью.

Входная часть блока питания (рис. 6.2) содержит балластный кон­денсатор С1 и мостовой выпрямитель из диодов VD1, VD2 и ста­билитронов VD3, VD4. Для ограничения броска тока через диоды и стабилитроны моста в момент включения в сеть последовательно с балластным конденсатором следует включить токоограничивающий резистор сопротивлением 50... 100 Ом, а для разрядки конденсатора после отключения блока от сети, параллельно ему — резистор со­противлением 150...300 кОм. К выходу блока подключают оксидный конденсатор фильтра емкостью 2000 мкФ на номинальное напря­жение не менее 10 В. В результате получаются функционально законченные блоки питания.
При использовании мощных стабилитронов (Д815А ... Д817Г), их можно установить на общий радиатор, если в обозначении их типа присутствуют буквы ПП (стабилитроны Д815АПП...Д817ГПП имеют обратную полярность выводов). В противном случае диоды и стабилитроны необходимо поменять местами. Гальваническая связь сети с выходом блока питания, а значит, и с питаемой аппаратурой, создает реальную опасность поражения электрическим током. Об этом следует помнить при конструировании и налаживании блоков с конденсаторно-стабилитронным выпрямителем.

Два бестрансформаторных блока питания
Несмотря на то, что теоретически конденсаторы в цепи перемен­ного тока мощности не потребляют, реально в них из-за наличия потерь может выделяться некоторое количество тепла. Проверить заранее пригодность конденсатора для использования в источнике можно, просто подключив его к электросети и оценив темпера­туру корпуса через полчаса. Если конденсатор успевает заметно разогреться, его следует счесть непригодным для использования в источнике. Практически не нагреваются специальные конденса­торы для промышленных электроустановок — они рассчитаны на большую реактивную мощность. Такие конденсаторы используют в люминесцентных светильниках, в пускорегулирующих устройствах асинхронных электродвигателей и т.п.

Ниже представлены две практические схемы источников питания с конденсаторным делителем: пятивольтовый общего назначения на ток нагрузки до 0,3 А (рис. 6.3) и источник бесперебойного питания для кварцованных электронно-механических часов (рис. 6.4). 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 короткого замыкания на выходе блока питания равен 600 мА, напряжение на конденсаторе С4 в отсутствие нагрузки — 27 В.

Широко распостраненные электронно-механические часы-будиль­ники китайского производства обычно питают от одного гальва­нического элемента напряжением 1,5 В. Предлагаемый источник вырабатывает напряжение 1,4 В при среднем токе нагрузки 1 мА.
Напряжение, снятое с делителя CI, С2, выпрямляет узел на эле­ментах VD1, VD2. СЗ. Без нагрузки напряжение на конденсаторе СЗ не превышает 12 В.

Маломощный конденсаторный выпрямитель с ШИМ стабилизатором
Предлагаемый вашему вниманию бестрансформаторный конден­саторный выпрямитель работает с автостабилизацией выходного напряжения во всех возможных режимах работы (от холостого хода до номинальной нагрузки). Это достигнуто за счет карди­нального изменения принципа формирования выходного напря­жения — не за счет падения напряжения от импульсов тока выпрямленных полуволн сетевого напряжения на сопротивлении стабилитрона, как в других подобных устройствах, а за счет из­менения времени подключения диодного моста к накопительному конденсатору.
Схема стабилизированного конденсаторного выпрямителя приве­дена на рис. 6.12. Параллельно выходу диодного моста включен транзистор VT1, работающий в ключевом режиме. База ключево­го транзистора VT1 через пороговый элемент (стабилитрон VD3) соединена с накопительным конденсатором С2, отделенным по постоянному току от выхода моста диодом VD2 для исключения быстрого разряда при открытом VT1. Пока напряжение на С2 меньше напряжения стабилизации VD3, выпрямитель работает известным образом. При увеличении напряжения на С2 и откры­вании VD3 транзистор VT1 также отрывается и шунтирует выход выпрямительного моста. Вследствие этого напряжение на выходе моста скачкообразно уменьшается практически до нуля, что при­водит к уменьшению напряжения на С2 и последующему выклю­чению стабилитрона и ключевого транзистора.

Далее напряжение на конденсаторе С2 снова увеличивается до момента включения стабилитрона и транзистора и т.д. Процесс автостабилизации выходного напряжения очень похож на функ­ционирование импульсного стабилизатора напряжения с широтно-импульсным регулированием. Только в предлагаемом устройстве частота следования импульсов равна частоте пульсации напряже­ния на С2. Ключевой транзистор VT1 для уменьшения потерь должен быть с большим коэффициентом усиления, например, составной КТ972А, КТ829А, КТ827А и др. Увеличить выходное напряжение выпрямителя можно, применив более высоковольтный стабилитрон или два низковольтных, соединенных последователь­но. При двух стабилитронах Д814В и Д814Д и емкости конденсатора С1 2 мкФ выходное напряжение на нагрузке сопротивлени­ем 250 Ом может составлять 23...24 В. По предложенной методике можно застабилизировать выходное напряжение одно-полупериодного диодно-конденсаторного выпрямителя, выпол­ненного, например, по схеме рис. 6.13. Для выпрямителя с плю­совым выходным напряжением параллельно диоду VD1 включен n-p-п транзистор КТ972А или КТ829А, управляемый с выхода выпрямителя через стабилитрон VD3. При достижении на кон­денсаторе С2 напряжения, соответствующего моменту открывания стабилитрона, транзистор VT1 тоже открывается. В результате амплитуда положительной полуволны напряжения, поступающе­го на С2 через диод VD2, уменьшается почти до нуля. При умень­шении же напряжения на С2 транзистор VT1, благодаря стаби­литрону, закрывается, что приводит к увеличению выходного напряжения. Процесс сопровождается широтно-импульсным ре­гулированием длительности импульсов на входе VD2, следовательно, напряжение на конденсаторе С2 остается стабилизированным как на холостом ходу, так и под нагрузкой.
В выпрямителе с отрицательным выходным напряжением парал­лельно диоду VD1 нужно включить p-n-р транзистор КТ973А или КТ825А. Выходное стабилизированное напряжение на нагрузке сопротивлением 470 Ом — около 11 В, напряжение пульсации — 0,3...0,4 В.
В обоих предложенных вариантах бестрансформаторного выпря­мителя стабилитрон работает в импульсном режиме при токе в единицы миллиампер, который никак не связан с током нагруз­ки выпрямителя, с разбросом емкости гасящего конденсатора и колебаниями напряжения сети. Поэтому потери в нем существен­но уменьшены, и теплоотвод ему не требуется. Ключевому тран­зистору радиатор также не требуется.
Резисторы Rl, R2 в этих схемах ограничивают входной ток при переходных процессах в момент включения устройства в сеть. Из-за неизбежного «дребезга» контактов сетевых вилки и розетки, процесс включения сопровождается серией кратковременных за­мыканий и разрывов цепи. При одном из таких замыканий гася­щий конденсатор С1 может зарядиться до полного амплитудного значения напряжения сети, т.е. примерно до 300 В. После разры­ва и последующего замыкания цепи из-за «дребезга» это и сетевое напряжения могут сложиться и составить в сумме около 600 В. Это наихудший случай, который необходимо учитывать для обеспечения надежной работы устройства. Конкретный пример: мак­симальный коллекторный ток транзистора КТ972А равен 4 А, поэтому суммарное сопротивление ограничительных резисторов должно составлять 600 В / 4 А = 150 Ом. С целью уменьшения потерь сопротивление резистора R1 можно выбрать 51 Ом, а ре­зистора R2 — 100 Ом. Их мощность рассеяния — не менее 0,5 Вт. Допустимый коллекторный ток транзистора КТ827А составляет 20 А, поэтому для него резистор R2 необязателен.