УМЕНЬШЕНИЕ ПОТЕРЬ В БЕСТРАНСФОРМАТОРНОМ ВЫПРЯМИТЕЛЕ
Н.ЦЕСАРУК, г.Тула.
Описанные в [1, 2] бестрансформаторные конденсаторные выпрямители содержат в своем составе коммутирующий транзистор, шунтирующий выход диодного моста и работающий в режиме ШИМ.
При некоторых значениях выходного напряжения этот транзистор работает в промежуточном режиме, и на нем рассеивается некоторая (небольшая) мощность. Существенно уменьшить ее позволяет предлагаемое устройство (рис.1). Это также регулируемый конденсаторный выпрямитель. Отличие его заключается в использовании тиристора вместо транзистора. Работает оно аналогично транзисторному варианту, но, благодаря присущим тиристору ключевым свойствам, характер процессов немного отличается.
Рис. 1
Включение тиристора происходит при увеличении напряжения на накопительном конденсаторе С2 до уровня пробоя транзисторного аналога стабилитрона на транзисторах VT1, VT2, а выключение - при нулевом напряжении на выходе диодного моста. После включения тиристора уменьшается потребление тока по цепи управления. В транзисторном варианте потребление тока по базовой цепи происходит в течение всего времени включенного состояния ключа.
Поддержание стабильности выходного напряжения осуществляется с помощью ШИМ. Диапазон регулировки выходного напряжения равен 4,15...25,0 В на нагрузке 680 Ом. На холостом ходу и под нагрузкой выходные напряжения отличаются не более чем на 1%. Уровень пульсации на нагрузке не превышает 30...40 мВ, на холостом ходу - примерно в три раза меньше.
Осциллограммы напряжений на аноде тиристора VS1 приведены на рис.2 для четырех значений выходного напряжения: рис.2а - для Uвых=4 В и рис.26 - для Uвых=15,5 В на нагрузке 680 Ом; рис.2в - для режима холостого хода при максимальном выходном напряжении и рис.2г - для иллюстрации режима срыва стабилизации. Как видно из рисунков, осциллограмма на рис.2а представляет собой последовательность прямоугольных импульсов малой длительности (около 3 мс).
Рис.2
Большую часть полупериода тиристор открыт, напряжение на нем мало, и на накопительный конденсатор С2 через диод VD2 проходят малые "порции" напряжения. При стабилизации выходного напряжения, равного примерно середине диапазона регулировки, происходит чередование участков открытого состояния тиристора в течение 7 мс, затем закрытого состояния в течение полного полупериода и 3 мс из последующего полупериода сетевого напряжения (рис.26). В эти два отрезка времени происходит подзарядка накопительного конденсатора С2. Амплитуда импульсов равна выходному напряжению на С2.
В режиме холостого хода осциллограмма представляет собой последовательность прямоугольных импульсов с длительностью 2,5 мс и паузой 7,5 мс. Амплитуда импульсов также равна выходному напряжению. Приведенные осциллограммы подтверждают наличие ШИМ-процессов в устройстве.
Установленное выходное напряжение в указанном выше диапазоне остается постоянным при увеличении напряжения сети до 250 В и выше как при включенной нагрузке, так и без нее.
Если в питающей сети наблюдаются глубокие провалы, следует обеспечить требуемый режим по выходному напряжению при заданной нагрузке для заведомо заниженного напряжения. Тогда при увеличении напряжения сети выходное напряжение остается постоянным как на нагрузке, так и на холостом ходу. Этого можно достичь увеличением емкости гасящего конденсатора С1 на 20...50%. Для приведенного устройства можно выбрать С1 =1,5 мкФ. В этом случае при неизменных остальных параметрах схемы максимальное стабилизированное выходное напряжение при Uc=220 В увеличивается до 28,35 В. Но зато при изменении напряжения сети от 150 до 250 В и выше любое установленное значение выходного напряжения остается неизменным.
Границу стабилизации точнее всего можно определить по осциллографу, наблюдая форму напряжения на коммутирующем тиристоре VS1. При всех значениях напряжения сети, выходного напряжения и нагрузки, остроконечные участки осциллограммы (рис.2г, точки "0"), не должны отрываться от горизонтальной оси. Если отрыв имеет место, это свидетельствует об отсутствии стабилизации. Для ее восстановления следует увеличить емкость конденсатора С1 до исключения отрыва точек от оси. Эта методика справедлива и для транзисторного варианта устройства.
Если регулировка выходного напряжения не требуется, может быть применен обычный стабилитрон. Для схемы на рис.3 выходное напряжение фиксировано и равно 12,78 В. Оно также остается постоянным как на нагрузке, так и на холостом ходу при изменении напряжения сети от 150 до 250 В. Если потребуется другое напряжение, следует использовать стабилитрон VD3 на другое напряжение стабилизации.
Puc.3
Когда требуется наличие общего провода между выходом стабилизированного выпрямителя и сетью, может быть применен однополупериодный диодно-конденсаторный выпрямитель, дополненный тиристорным ключевым элементом и регулируемым транзисторным аналогом стабилитрона (рис.4) или обычным стабилитроном.
Puc.4
Как видно из рисунка, параллельно диоду VD1 включен в обратной полярности тиристор VS1, управляемый через аналог стабилитрона с выхода выпрямителя. Работает это устройство аналогично. Когда напряжение на конденсаторе С2 достигает величины пробоя аналога стабилитрона, включается тиристор VS1, шунтируя диод VD1 и уменьшая таким образом длительность импульса положительной полуволны, поступающей через VD2 на С2 и далее на нагрузку. На холостом ходу длительность этого импульса минимальна, а при включении нагрузки увеличивается. Здесь также используется автоматическое ШИМ-регулирование. Для этой схемы максимальное напряжение на нагрузке составляет 18,5 В, минимальное - 2,8 В. При отключении нагрузки выходное напряжение практически не изменяется.
Схему на рис.1 можно использовать при выходном токе до 0,4 А (Rн=30 Ом). Величина С1 в этом случае составляет 10 мкФ, С2 - 4000 мкФ .Резистор R1 - 5,1 Ом (1 Вт). В выпрямительном мосте (VD1) лучше использовать диоды типа КД202Р и КД202В вместо Д237А (VD2). Выходное напряжение- 2,25...12 В. Разница между выходными напряжениями на нагрузке и на холостом ходу - не более 3 %. Максимальное напряжение пульсации на нагрузке - не более 200 мВ, на холостом ходу - не более 4 мВ. Эти параметры также сохраняются при изменениях напряжения сети от 170 до 250 В.
Так как тиристор является почти идеальным коммутирующим элементом, потери на нем практически отсутствуют. Стабилитрон или его транзисторный аналог также работают в импульсном режиме. Поэтому радиаторы устройству не требуются. В качестве VS1 могут быть применены также тиристоры типа КУ202В...Н, Т122-10-1 и подобные. Следует обратить внимание на то, что более мощные тиристоры имеют меньший порог включения по управляющему электроду, поэтому минимальное значение регулируемого напряжения будет меньше.
В качестве гасящего конденсатора С1, наряду с типами, рекомендованными в опубликованной литературе по конденсаторным источникам питания, можно применять конденсаторы К78-17, разработанные для использования в качестве пусковых и моторных конденсаторов для однофазных двигателей переменного тока, а также для улучшения коэффициента мощности флюоресцентных, ртутных и натриевых осветительных систем. Их рабочие напряжения - 250 В и 450 В, рабочая частота - 50 Гц. Номинальные значения емкости - от 0,7 до 50 мкФ, 24 типономинала. Выпускает их Северо-Задонский конденсаторный завод (Тульская область).
Литература
1. Цесарук Н. Стабилизация Uвых конденсаторного выпрямителя. - Радиолюбитель, 1999, N3, С.22-23.
2. Цесарук Н. Регулировка Uвых. бестрансформаторного блока питания. - Радиолюбитель, 1999, N5, С.26;
РЛ 8/2000, С.23.
РЛ 1/2000, с.18-19.