Зараз в будинку є багато малогабаритної апаратури, якої вимагається постійне харчування. Це і годинник зі світлодіодним індикацією, і термометри, і малогабаритні приймачі, і т.п. В принципі, вони розраховані на батарейки, але ті "сідають" в самий невідповідний момент. Простий вихід - живити їх від мережевих блоків живлення. Але навіть малогабаритний мережевий (знижуючий) трансформатор досить важкий і місця займає не так вже й мало, а імпульсні джерела живлення все-таки складні, вимагають для виготовлення певного досвіду і недешевої комплектації.
Рішенням даної проблеми при виконанні певних умов може служити бестрансформаторный блок живлення з гасить конденсатором. Ці умови:
- повна автономність питомого апарату, тобто до нього не повинні підключатися ніякі зовнішні пристрої (наприклад, до приймача магнітофон для запису програми);
- діелектричний (непровідний) корпус і такі ж ручки управління у самого блоку живлення і підключається до нього пристрої.
Пов'язано це з тим, що при живленні від бестрансформаторного блоку пристрій перебуває під потенціалом мережі, і дотик до його неизолированным елементів може добре "потрусити". Не зайве додати, що при налагодженні таких блоків живлення слід дотримуватися правила техніки безпеки і обережність.
При необхідності використовувати для налагодження осцилограф блок живлення потрібно включати через розділовий трансформатор.
У найпростішому вигляді схема бестрансформаторного блоку живлення має вигляд, показаний на рис.1.
Для обмеження кидка струму при підключенні блоку до мережі послідовно з конденсатором С1 і выпрямительным мостом VD1 включений резистор R2,а для розрядки конденсатора після відключення - паралельно йому резистор R1.
Бестрансформаторный джерело живлення в загальному випадку являє собою симбіоз випрямляча і параметричного стабілізатора. Конденсатор С1 для змінного струму являє собою ємнісний (реактивне, тобто не споживає енергію) опір Хс, величина якого визначається за формулою:
де (- частота мережі (50 Гц); С-ємність конденсатора С1, Ф.
Тоді вихідний струм джерела можна приблизно визначити так:
де Uc - напруга мережі (220 В).
Вхідна частина іншого блока живлення (рис.2а) містить конденсатор баластний С1 і мостовий випрямляч з діодів VD1, VD2 і стабілітронів VD3, VD4. Резистори R1, R2 грають ту ж роль, що і в першій схемою. Осцилограма вихідної напруги блоку наведена на рис.2б (коли напруга на виході перевищує напруга стабілізації стабілітронів, в іншому випадку він працює як звичайний діод).
Від початку позитивного напівперіоду струму через конденсатор С1 до моменту t1 стабілітрон VD3 і діод,VD2 відкриті, а стабілітрон VD4 і діод VD1 закриті. В інтервалі часу t1 t3...стабілітрон VD3 і діод VD2 залишаються відкритими, а через відкрився стабілітрон VD4 проходить імпульс струму стабілізації. Напруга на виході Uвих і на стабілітроні VD4 одно його напрузі стабілізації Uст.
Імпульсний струм стабілізації, що є для діодно-стабилитронного випрямляча наскрізним, мине навантаження RH, яка підключена до виходу мосту. У момент t2 струм стабілізації досягає максимуму, а в момент t3 дорівнює нулю. До закінчення позитивного напівперіоду залишаються відкритими стабілітрон VD3 і діод VD2.
В момент t4 завершується позитивний і починається негативний напівперіод, від початку якого до моменту t5 вже стабілітрон VD4 і діод VD1 відкриті, а стабілітрон VD3 і діод VD2 закриті. В інтервалі часу t5-t7 стабілітрон VD4 і діод VD1 продовжують залишатися відкритими, а через стабілітрон VD3 при напрузі UCT проходить наскрізною імпульс струму стабілізації, максимальний в момент t6. Починаючи від t7 і до завершення негативного напівперіоду залишаються відкритими стабілітрон VD4 і діод VD1. Розглянутий цикл роботи діодно-стабилитронного випрямляча повторюється в наступні періоди мережевої напруги.
Таким чином, через стабілітрони VD3, VD4 від анода до катода проходить випрямлений струм, а в протилежному напрямку - імпульсний струм стабілізації. В інтервали часу t1 t3...і t5...t7 напруга стабілізації не змінюється більш ніж на одиниці відсотків. Значення змінного струму на вході мосту VD1...VD4 в першому наближенні дорівнює відношенню напруги мережі до ємнісного опору баластного конденсатора С1.
Робота діодно-стабилитронного випрямляча без баластного конденсатора, обмежує наскрізний струм, неможлива. У функціональному стосовно вони нероздільні й утворюють єдине ціле - конденсаторно-стабилитронный випрямляч.
Розкид значень UCT однотипних стабілітронів становить приблизно 10%, що призводить до виникнення додаткових пульсацій вихідної напруги з частотою живлячої мережі, амплітуда пульсації напруги пропорційна різниці значень Uст стабілітронів VD3 і VD4.
При використанні потужних стабілітронів Д815А...Д817Г їх можна встановити на загальний радіатор, якщо в позначенні типу присутні букви "ПП (стабілітрони Д815АПП...Д817ГПП мають зворотну полярність висновків). В іншому випадку діоди і стабілітрони необхідно поміняти місцями.
Бестрансформаторные джерела живлення зазвичай збираються за класичною схемою: гасить конденсатор, випрямляч змінної напруги, конденсатор фільтра, стабілізатор. Ємнісний фільтр, що згладжує пульсації вихідної напруги. Ніж більше ємність конденсаторів фільтра, тим менше пульсації і, відповідно, більше постійна складова вихідного напруги. Однак у ряді випадків можна обійтися без фільтра, який часто є найбільш громіздким вузлом такого джерела живлення.
Відомо, що конденсатор, включений в ланцюг змінного струму, зрушує його фазу на 90°. Фазосдвігающій конденсатор застосовують, наприклад, при підключенні трифазного двигуна до однофазної мережі. Якщо у випрямлячі застосувати фазосдвігающій конденсатор, що забезпечує взаємне перекриття півхвиль випрямленої напруги, у багатьох випадках можна обійтися без громіздкого ємнісного фільтра або істотно зменшити його ємність. Схема подібного стабілізованого випрямляча показана на рис.3.
Трифазний випрямляч VD1.VD6 підключений до джерела змінної напруги через активне (резистор R1) і ємнісне (конденсатор С1) опору.
Вихідна напруга випрямляча стабілізує стабілітрон VD7. Фазосдвігающій конденсатор С1 повинен бути розрахований на роботу в ланцюгах змінного струму. Тут, наприклад, підійдуть конденсатори типу К73-17 з робочою напругою не нижче 400 Ст.
Такий випрямляч можна застосовувати там, де необхідно зменшити габарити електронного пристрою, оскільки розміри оксидних конденсаторів ємнісного фільтра, як правило, набагато більше, ніж фазосдвигающей конденсатора порівняно невеликої ємності.
Ще одна перевага запропонованого варіанту полягає в тому, що споживаний струм практично постійний (у разі постійного навантаження), тоді як в випрямлячах з ємнісним фільтром в момент включення пусковий струм значно перевищує стале значення (внаслідок заряду конденсаторів фільтра), що в деяких випадках вкрай небажано.
Описаний пристрій можна застосовувати і з послідовними стабілізаторами напруги, що мають постійне навантаження, а також з навантаженням, що не вимагає стабілізації напруги.
Зовсім простенький бестрансформаторный блок живлення (рис.4) можна спорудити "на коліні" буквально за півгодини.
В даному варіанті схема розрахована на вихідну напругу 6,8 В і струм 300 мА. Напругу можна змінювати заміною стабілітрона VD4 і, при необхідності, VD3 А встановивши транзистори радіатори, можна збільшити і струм навантаження. Діодний міст - будь-який, розрахований на зворотне напруга не менше 400 Ст. до Речі, можна згадати і про "давні" діоди. Д226Б.
В іншому бестрансформаторном джерелі (рис.5) в якості стабілізатора застосована мікросхема КР142ЕН8. Його вихідна напруга становить 12 В. Якщо необхідна регулювання вихідної напруги, то висновок 2 мікросхеми DA1 підключають до загального проводу через змінний резистор, наприклад, типу СПО-1 (з лінійною характеристикою зміни опору). Тоді вихідна напруга може змінюватися в діапазоні 12...22 Ст.
В якості мікросхеми DA1 для отримання інших вихідних напруг потрібно застосувати відповідні інтегральні стабілізатори, наприклад, КР142ЕН5, КР1212ЕН5,КР1157ЕН5А та ін. Конденсатор С1 повинен бути обов'язково на робочу напругу не нижче 300 В, марки К76-3, К73-17 або аналогічний (неполярний, високовольтний). Оксидний конденсатор С2 виконує роль фільтра по харчуванню та згладжує пульсації напруги. Конденсатор С3 зменшує перешкоди по високій частоті. Резистори R1, R2 - типу МЛТ-0,25. Діоди VD1...VD4 можна замінити на КД105Б...КД105Г, КД103А, Б, КД202Е. Стабілітрон VD5 з напругою стабілізації 22...27 захищає мікросхему від кидків напруги у момент включення джерела.
Незважаючи на те, що теоретично конденсатори в ланцюзі змінного струму потужності не споживають, реально в них через наявність втрат може виділятися деякий кількість тепла. Перевірити придатність конденсатора в якості гасить для використання в бестрансформаторном джерелі можна просто підключивши його до електромережі та оцінивши температуру корпусу через півгодини. Якщо конденсатор встигає помітно розігрітися, він не підходить. Практично не нагріваються спеціальні конденсатори для промислових електроустановок (вони розраховані на велику реактивну потужність). Такі конденсатори зазвичай використовуються в люмінесцентних світильниках, пускорегулювальних пристроях асинхронних електродвигунів і т. п.
В 5-вольта джерела (рис.6) зі струмом навантаження до 0,3 А застосовано конденсаторний дільник напруги. Він складається з паперового конденсатора С1 і двох оксидних С2 і С3, утворюють нижнє (за схемою) неполярні плече ємністю 100 мкФ (зустрічно-послідовне включення конденсаторів). Поляризующими діодами для оксидної пари служать діоди мосту. При зазначених номіналах елементів струм короткого замикання на виході блоку живлення становить 600 мА, напруга на конденсаторі С4 в відсутність навантаження - 27 Ст.
Блок для харчування портативного приймача (рис.7) легко поміщається в його батарейний відсік. Діодний міст VD1рассчитывается на робочий струм, його граничне напруга визначається напругою, яке забезпечує стабілітрон VD2. Елементи R3, VD2. VT1 утворюють аналог потужного стабілітрона. Максимальний струм і розсіюється потужність такого стабілітрона визначаються транзистором VT1. Для нього може знадобитися радіатор. Але в будь-якому випадку максимальний струм цього транзистора не повинна бути менше струму навантаження. Елементи R4, VD3 - ланцюг індикації наявності вихідної напруги. При малих струмах навантаження необхідно враховувати струм, споживаний цієї ланцюгом. Резистор R5 навантажує ланцюг живлення малим струмом, чим стабілізує її роботу.
Гасять конденсатори С1 і С2 - типу КБГ або аналогічні. Можна також застосувати і К73-17 з робочою напругою 400 В (підійдуть і до 250 В, так як вони включені послідовно). Вихідна напруга залежить від опору гасять конденсаторів змінному струму, реального струму навантаження та від напруги стабілізації стабілітрона.
Для стабілізації напруги бестрансформаторного блоку живлення з гасить конденсатором можна використовувати симетричні діністори (рис.8).
При зарядці конденсатора фільтра С2 до напруги відкривання динистора VS1 він включається і шунтує вхід діодного моста. Навантаження в цей час отримує живлення від конденсатора С2 На початку наступного напівперіоду С2 знову заряджається до напруги, і процес повторюється. Початкова напруга розрядки конденсатора С2 не залежить від струму навантаження і напруги мережі, тому стабільність вихідної напруги блоку досить висока.
Падіння напруги на динисторе у включеному стані невелика, розсіює потужність, а значить, і нагрівання його значно менше, ніж у стабілітрона. Максимальний струм через діністор становить близько 60 мА. Якщо для отримання необхідного вихідного струму цього значення недостатньо, можна "умощнить діністор сімістором або тиристором (рис.9). Недолік таких джерел живлення - обмежений вибір вихідних напруги, що визначається напругою включення динисторов.
Бестрансформаторный блок живлення з регульованим вихідним напругою показаний на рис.10а.
Його особливість полягає у використанні регульованою негативного зворотного зв'язку з виходу блоку на транзисторний каскад VT1,включений паралельно виходу діодного моста. Цей каскад є регулюючим елементом і управляється сигналом з виходу однокаскадного підсилювача на VT2.
Вихідний сигнал VT2 залежить від різниці напруг, що подаються з змінного резистора R7, включеного паралельно виходу блоку живлення, джерела опорного напруги на діодах VD3, VD4. По суті, схема являє собою регульований паралельний стабілізатор. Роль баластного резистора грає гасить конденсатор С1, паралельного керованого елемент - транзистор VT1.
Працює цей блок харчування наступним чином.
При включенні в мережу транзистори VT1 і VT2 замкнені, а через діод VD2 відбувається заряд накопичувального конденсатора С2. При досягненні на базі транзистора VT2 напруги, рівного опорного на діодах VD3, VD4, транзистори VT2 і VT1отпираются. Транзистор VT1 шунтує вихід діодного моста, і його вихідна напруга падає, що призводить до зменшення напруги на накопичувальному конденсаторі С2 і до замикання транзисторів VT2 і VT1. Це, у свою чергу, викликає збільшення напруги на С2, відмикання VT2, VT1 і повторення циклу.
За рахунок діючої таким чином негативного зворотного зв'язку вихідна напруга залишається постійним (стабілізованою) як при включеній навантаженні (R9), так і без неї (на холостому ходу). Його величина залежить від положення движка потенціометра R7.
Верхній (за схемою) положення движка відповідає більша вихідна напруга. Максимальна вихідна потужність наведеного пристрою дорівнює 2 Вт. Межі регулювання вихідної напруги - від 16 до 26, а при закороченном диодеVD4 - від 15 до 19,5 Ст. Рівень пульсацій на навантаженні - не більше 70 мВ.
Транзистор VT1 працює у змінному режимі: при наявності навантаження - в лінійному режимі, на холостому ходу - в режимі широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) з частотою пульсації напруги на конденсаторі С2 100 Гц. При цьому імпульси напруги на колекторі VT1 мають пологі фронти.
Критерієм правильності вибору ємності С1 є отримання на навантаженні необхідного максимального напруги. Якщо його ємність зменшена, то максимальна вихідна напруга на номінальної навантаженні не досягається. Іншим критерієм вибору є С1 незмінність осцилограми напруги на виході діодного моста (рис.10б).
Осцилограма напруги має вигляд послідовності випрямлених синусоїдальних напівхвиль напруги з обмеженими (сплощеним) вершинами позитивних полусинусоид, амплітуда вершин є змінною величиною, яка залежить від положення движка R7, і змінюється лінійно при його обертанні. Але кожна полуволна повинна обов'язково доходити до нуля, наявність постійної складової (як показано на рис.10б пунктиром) не допускається, оскільки при цьому порушується режим стабілізації.
Лінійний режим є полегшеним, транзистор VT1 мало нагрівається і може працювати практично без радіатора. Невеликий нагрів має місце в нижньому положенні движка R7 (при мінімальній вихідній напрузі). На холостому ходу тепловий режим транзистора VT1 погіршується у верхньому положенні движка R7 В цьому випадку транзистор VT1 повинен бути встановлений на невеликий радіатор, наприклад, у вигляді "прапорця" з алюмінієвої пластинки квадратної форми зі стороною 30 мм і товщиною 1...2 мм.
Регулюючий транзистор VT1 - середньої потужності, з великим коефіцієнтом передачі. Його колекторний струм повинен бути в 2...3 рази більше максимального струму навантаження, допустима напруга колектор-емітер - не менше максимальної вихідної напруги блоку харчування. В як VT1 можуть бути використані транзистори КТ972А, КТ829А, КТ827А і т. п. Транзистор VT2работает у режимі малих струмів, тому годиться будь-який малопотужний p-n-p-транзистор - КТ203, КТ361 та ін.
Резистори R1, R2 - захисні. Вони оберігають регулюючий транзистор VT1 від виходу з ладу внаслідок перевантаження по струму при перехідних процесах в момент включення блоку в мережу.
Бестрансформаторный конденсаторний випрямляч (рис.11) працює з автостабилизацией вихідної напруги. Це досягнуто за рахунок зміни часу підключення діодного моста до накопичувального конденсатора. Паралельно виходу діодного моста включений транзистор VT1, що працює в ключовому режимі. База VT1 через стабілітрон VD3 з'єднана з накопичувальним конденсатором С2, відокремленим по постійному струму від виходу мосту діодом VD2 для виключення швидкого розряду при відкритому VT1. Поки напруга на С2 менше напруги стабілізації VD3, випрямляч працює як звичайно. При збільшенні напруги на С2 і відкриванні VD3 транзистор VT1 також відкривається і шунтує вихід випрямного моста. Напруга на виході мосту стрибкоподібно зменшується практично до нуля, що призводить до зменшення напруги на С2 і виключенню стабілітрона і ключового транзистора.
Далі напруга на конденсаторі С2 знову збільшується до моменту включення стабілітрона і транзистора і т. д. Процес автостабілізаціі вихідної напруги дуже схожий на роботу імпульсного стабілізатора напруги з широтно-імпульсним регулюванням. Тільки в пропонованому пристрої частота проходження імпульсів дорівнює частоті пульсацій напруги на С2. Ключовий транзистор VT1 для зменшення втрат повинен бути з великим коефіцієнтом підсилення, наприклад, КТ972А, КТ829А, КТ827А та ін. Збільшити вихідну напругу випрямляча можна, застосувавши більш високовольтний стабілітрон (ланцюжок низьковольтних, сполучених послідовно). При двох стабилитронах Д814В, Д814Д і ємності конденсатора С1 2 мкФ вихідна напруга на навантаженні опором 250 Ом може становити 23...24 Ст.
Аналогічно можна стабілізувати вихідну напругу однопівперіодного діодно-конденсаторного випрямляча (рис.12).
Для випрямляча з плюсовим вихідним напругою паралельно диоду VD1 включений n-p-n транзистор, керований з виходу випрямляча через стабілітрон VD3. При досягненні на конденсаторі С2 напруги, відповідного моменту відкривання стабілітрона, транзистор VT1 теж відкривається. В результаті, амплітуда позитивної напівхвилі напруги, надходить на С2 через діод VD2, зменшується майже до нуля. При зменшенні напруги на С2 транзистор VT1 завдяки стабилитрону закривається, що призводить до збільшення вихідної напруги. Процес супроводжується широтно-імпульсним регулюванням тривалості імпульсів на вході VD2, отже, напруга на конденсаторі С2 стабілізоване.
У випрямлячі з негативним вихідним напругою паралельно диоду VD1 потрібно включити p-n-p-транзистор КТ973А або КТ825А. Вихідну стабілізовану напругу на навантаженні опором 470 Ом - близько 11 В, напруга пульсацій - 0,3...0,4 Ст.
В обох варіантах стабілітрон працює в імпульсному режимі при струмі в одиниці міліампер, який ніяк не пов'язаний зі струмом навантаження випрямляча, розкидом ємності гасить конденсатора і коливаннями напруги мережі. Тому втрати в ньому істотно зменшені, і тепловідвід йому не потрібно. Ключового транзистора радіатор також не вимагається.
Резистори R1, R2 в цих схемах обмежують вхідний струм при перехідних процесах у момент включення пристрою в мережу. З-за неминучого "брязкоту контактів мережевої вилки процес включення супроводжується серією коротких замикань і розривів ланцюга. При одному з таких замикань гасить конденсатор С1 може зарядитися до повного амплітудного значення напруги мережі, тобто приблизно до 300 Ст. Після розриву і подальшого замикання ланцюга з-за "брязкоту" це і мережеве напруги можуть скластися і скласти в сумі близько 600 Ст. Це найгірший випадок, який необхідно враховувати для забезпечення надійної роботи пристрою.
Інший варіант ключовий бестрансформаторной схеми джерела живлення представлений на рис.13.
Мережеве напруга, проходячи через діодний міст наVD1.VD4, перетворюється в пульсуюче амплітудою близько 300 Ст. Транзистор VT1 - компаратор, VT2 - ключ. Резистори R1, R2 утворюють дільник напруги для VT1. Підстроюванням R2 встановити напругу спрацьовування компаратора. Поки напруга на виході діодного моста не досягне встановленого порогу, транзистор VT1 закритий, на затворі VT2 - отпирающее напруга і він відкритий. Через VТ2 і діод VD5 заряджається конденсатор С1.
При досягненні встановленого порогу спрацьовування, транзистор VT1 відкривається і шунтує затвор VT2. Ключ закривається і знову відкриється тоді, коли напруга на виході мосту стане менше порога спрацьовування компаратора. Таким чином, на С1 встановлюється напруга, яка стабілізується інтегральним стабілізатором DA1.
З наведеними на схемі номіналами джерело забезпечує вихідну напругу 5 В при струмі до 100 мА. Налаштування полягає в установці порога спрацьовування VT1. Замість IRF730 можна використовувати. КП752А, IRF720, BUZ60, 2N6517заменяется на КТ504А.
Мініатюрний бестрансформаторный блок живлення для малопотребляющих пристроїв можна побудувати на мікросхемі HV-2405E (рис.14), яка здійснює пряме перетворення змінної напруги в постійне.
Діапазон вхідної напруги ІМС -15...275 Ст. вихідного - 5...24 В при максимальному вихідному струмі до 50 мА. Випускається в плоскому пластмасовому корпусі DIP-8. Структура мікросхеми наведена на рис.15а, цокольовка - на рис.15б.
У схемі джерела (рис. 14) особливу увагу потрібно приділити резистори R1 і R2. Їх загальний опір має бути в районі 150 Ом, а розсіює потужність - не менше 3 Вт. Вхідний високовольтний конденсатор С1 може мати ємність від 0,033 до 0,1 мкФ. Варистор Rv можна використовувати практично будь-який з робочою напругою 230.250 Ст. Резистор R3выбирается в залежності від необхідної вихідної напруги. При його відсутності (5 і виходи 6 замкнуті) вихідна напруга трохи більше 5 В, при опорі 20 кОм вихідна напруга - близько 23 Ст. Замість резистора можна включити стабілітрон з необхідною напругою стабілізації (від 5 до 21). До решти деталей особливих вимог немає, за винятком вибору робочого напруги електролітичних конденсаторів (формули для розрахунку наведено на схемою).
Враховуючи потенційну небезпека бестрансформаторных джерел, у ряді випадків може представляти інтерес компромісний варіант: з гасить конденсатором і трансформатором (рис.16).
Тут підійде трансформатор з високовольтної вторинною обмоткою, оскільки необхідне випрямлена напруга встановлюється підбором ємності конденсатора С1. Головне, щоб обмотки трансформатора забезпечували необхідний струм.
Щоб пристрій не вийшло з ладу при відключенні навантаження, до виходу мосту VD1...VD4 слід підключити стабілітрон Д815П. У нормальному режимі він не працює, оскільки його напруга стабілізації вище робочого на виході моста. Запобіжник FU1 захищає трансформатор і стабілізатор при пробої конденсатора С1.
У джерелах такого виду в ланцюзі послідовно сполучених ємнісного (конденсатор С1) і індуктивного (трансформатор Т1) опорів може виникати резонанс напруги. Про це слід пам'ятати при їх налагодженні і контролювати напруги осцилографом.
Автор: Ст. Новіков