Блоки живлення з баластними конденсатором і розділовим трансформатором завоювали популярність у радіоаматорів завдяки малим габаритам і тим, що вони гальванічно не пов'язані з мережею. Однак при розробці таких пристроїв необхідно враховувати ряд чинників, щоб виключити аварійні ситуації, в результаті яких можуть вийти з ладу не тільки джерело живлення, але і навантаження. Автор статті, узагальнивши досвід створення подібних пристроїв, рекомендує, на що слід звернути увагу при їх конструюванні та налагодженні.
У радіоаматорський практиці широке застосування знайшли джерела з баластними конденсатором і розділовим трансформатором [1-6]. Подібне рішення дозволяє конструювати малогабаритні блоки живлення. Розглянемо деякі питання проектування таких пристроїв на прикладі малопотужного джерела живлення, описаного в [1] (див. малюнок).
Трансформатор Т1 виконує функцію розділового. Він працює при малому вхідному і вихідному напрузі. Його конструкція досить проста. Конденсатор С1 - баластний, а резистор R2 обмежує імпульс струму при включенні. Напруга на первинній обмотці трансформатора обмежують стабілітрони VD1 і VD2.
У коливальному контурі, що складається з конденсатора С1, індуктивності первинної обмотки трансформатора L і приведеного до первинної обмотці опору навантаження RH можливий резонанс, який може привести до виходу з ладу джерела живлення.
Припустимо, що в навантаженому джерелі на первинній обмотці напруга дорівнює 20 В (типовий випадок). Це означає, що наведене до первинної обмотки опір навантаження RH приблизно в 10 разів менше ємнісного опору |XC1| конденсатора С1 і утворює з ним дільник напруги 10:1 (наближено), тобто |XC1|=10RH.
При правильно розрахованому трансформаторі індуктивний опір первинної обмотки |XL| має приблизно в 10 разів перевищувати наведене до первинній обмотці опір навантаження RH, тому добротність згаданого контуру вкрай низька, ніякого резонансу бути не може.
Зовсім інша ситуація виникає при відключеній навантаженні (на холостому ходу). Якщо виконуються зазначені вище співвідношення |ХС1|=10RH і |XL|=10RH, то |XC1|=|XL| і виникає резонанс. Якщо на вхід замість мережевого подати напругу 1...2 В, то на первинній обмотці ненавантаженого трансформатора воно за рахунок резонансу збільшиться в 10 і більше разів добротність отриманого контуру досить велика, однак при подачі мережного напруги такого підйому не буде. Зі збільшенням напруги на обмотці понад номінального (20) магнітопровід трансформатора входить до насичення, його індуктивність зменшується і контур перестає бути настроєний у резонанс.
Однак, якщо трансформатор виконаний з гарним запасом допустимого вхідного напрузі, підйом може бути досить значним. Це викличе збільшення напруги на конденсаторі С1 порівняно з роботою в номінальному режимі, і якщо конденсатор обраний без запасу - може статися пробій. Можливі й інші не менш тяжкі наслідки.
Тому, як і для бестрансформаторного джерела живлення з баластними конденсатором, неприпустима робота без номінального навантаження. Звичайне рішення - підключення стабілітрона до виходу джерела або двох зустрічно-послідовно сполучених стабілітронів (або одного симетричного) до первинної обмотки (див. рисунок).
Так задача вирішується для відносно малопотужних блоків живлення. Для аналогічних потужних пристроїв (дуже простими виходять зарядні пристрої для автомобільних акумуляторних батарей [2-4]) такими заходами не обійтися. Тут можна підключити паралельно первинній або вторинній обмотці аналог симетричного динистора [7, рис.5,а] або забезпечити релейну захист від режиму холостого ходу [3].
Особливу увагу необхідно приділити вибору баластного конденсатора за номінальнії напрузі. Це найбільша напруга між обкладками конденсатора, при якому він здатний надійно і тривало працювати. Для більшості типів регламентується номінальна напруга постійного струму. Допустима напруга змінного струму завжди менше номінального, за винятком металлобумажных конденсаторів МБГЧ, К42-19, поліпропіленових К78-4 і поліетилентерефталатні К73-17 на номінальну напругу до 250 В включно, у яких ці параметри рівні. Тому при виборі типу і номінальної напруги необхідно скористатися довідником по електричних конденсаторів і пам'ятати, що розрахунок проводять для амплітудного значення змінної напруги.
У момент підключення (або відключення) блоку живлення до мережі у його ланцюгах відбувається перехідний процес, який через деякий час змінюється сталим режимом. Не вдаючись в теоретичні основи перехідних процесів, відзначимо два закони комутації:
1. Струм в дроселі (приладі з індуктивним опором) не може бути змінена стрибком, або, інакше, струм після комутації має те ж значення, яке він мав у момент, що безпосередньо передує комутації.
2. Напруга на конденсаторі не може змінюватися стрибком, або, інакше, напруга після комутації має те ж значення, що і безпосередньо до комутації.
При підключенні блоку живлення до мережі конденсатор ще не заряджений і падіння напруги на ньому дорівнює нулю. Струм в індуктивності не може виникнути миттєво, тому напруга на резисторі дорівнює нулю і мережеве напруга повністю докладено до первинної обмотки трансформатора, яка розрахована на істотно менше значення. Саме при включенні виникає висока небезпека межвіткового пробою і зникає перевага в простоті виконання трансформатора з намотуванням "внавал", чим він заслужив широку популярність у радіоаматорів. Особливо небезпечно підключення блока живлення до мережі, в якій у цей момент діє амплітудне або близьке до нього напругу.
Актуального значення набуває завдання обмеження напруги на первинній обмотці в момент підключення. Токоограничительный резистор не рятує в такій ситуації.
Це змушує шукати інше рішення, що дозволяє попередити можливість межвіткового пробою в трансформаторі і захистити елементи блока живлення від підвищеного в десятки разів напруги.
Обмежувач напруги на двох зустрічно-послідовно включених паралельно первинній обмотці стабилитронах(див. малюнок) дозволяє вирішити цю задачу. Для кожного напівперіоду обмежувач працює як параметричний стабілізатор напруги на первинній обмотці трансформатора. Баластну функцію виконує при це в основному токоограничительный резистор R2. Резистор повинен бути розрахований на короткочасний струм перевантаження, а стабілітрони, як правило, забезпечують його.
Якщо в номінальному режимі стабілітрони відкриваються і працюють як стабілізатори, може виникнути різниця амплітуд імпульсів випрямленої струму позитивної і негативної півхвиль. Такий ефект пояснюється тим, що позитивні напівхвилі стабілізує один стабілітрон, а негативні - інший. Відомо, що напруга стабілізації двох примірників стабілітронів навіть однієї партії може значно відрізнятися. Це породжує додаткову складову пульсацій частоти 50 Гц, яку важче придушити згладжуючим фільтром, ніж 100 Гц.
Для зменшення додаткової складової пульсації, що виникає через відмінності напруги стабілізації, можна рекомендувати замість зустрічно-послідовного з'єднання двох стабілітронів включити один стабілітрон в діагональ діодного мосту паралельно первинній обмотці. Це дозволить зберегти надійність блоку харчування.
Якщо не пред'являються підвищені вимоги до стабільності вихідної напруги, можна рекомендувати добірку стабілітронів з мінімальним напругою стабілізації на 1...3 більше максимального амплітудного напруги на первинній обмотці в сталому режимі. Параметричний стабілізатор у цьому випадку буде виконувати функції тільки обмежувача напруги в момент включення і на холостому ходу. А після виходу блоку живлення на сталий режим він автоматично відключається, значно підвищуючи економічність блоку.
Література
Автор: Б. Садовсков, р. Челябінськ