Конденсаторно-стабилитронный выпрямитель

Конденсаторно-стабилитронный выпрямитель

Бестрансформаторные маломощные сетевые блоки питания с гасящим конденсатором получили широкое распространение в первую очередь благодаря простоте кострукции, несмотря на серьезный недостаток (наличие гальванической связи выхода блока питания с сетью).

В статье предлагается усовершенствовать традиционный мостовой выпрямитель такого блока заменой двух диодов стабилитронвми. Это позволяет уменьшить число полупроводниковых приборов, а также использовать стабилитроны не только для стабилизации напряжения, но и его выпрямления.

Сетевые блоки питания малой мощности с гасящим конденсатором применяются в современной радиоэлектронной радиоаппаратуре [1,2]. Работа узла, содержащего конденсатор, выпрямитель и стабилитрон (КВС) по схеме, рассмотренной на рис.1, подробно рассмотрена в [3]. Блок питания КВС превосходит традиционный трансформаторный и импульсный с бестрансформаторным входомм блоки по простоте конструкции и используемой элементной базы, а также по ремонтнопригодности. И все же, как ни прост блок питания КВС, но и его конструкция нуждается в усовершенствовании, не снижая при этом имеющихся преимуществ. Наоборот, можно дополнительно получить ряд полезных эксплуатационных свойств.

Входная часть блока питания содержит балластный конденсатор C1 и мостовой выпрямитель из диодов VD1, VD2 и стабилитронов VD3, VD4 (рис.2а). Осциллограмма выходного напряжения диодно-стабилитронного выпрямителя приведена на рис.2б (когда напряжение на выходе превышает превышает напряжение стабилизации стабилитрона; в противном случае он работает как обычный диод). От начала положительного полупериода тока через конденсатор C1 до момента t1 стабилитрон VD3 и диод VD2 открыты, а стабилитрон VD4 и диод VD1 закрыты. В интервале времени t1...t3 стабилитрон VD3 и диод VD2 остаются открытыми, а через открывшийся стабилитрон VD4 проходит импульс тока стабилизации. Напряжение на стабилитроне VD4 равно его напряжению стабилизации Uст.

     Импульсный ток стабилизации, являющийся для диодно-стабилитронного выпрямителя сквозным, минует нагрузку, которая подключена к выходу моста. В момент t2 ток стабилизации достигает максимума, а в момент t3 равен нулю. До окончания положительного полупериода остаются открытыми стабилитрон VD3 и диод VD2. В момент t4 завершается положительный и начинается отрицательный полупериод, от начала которого до момента t5 уже стабилитрон VD4 и диод VD1 открыты, а стабилитрон VD3 и диод VD2 закрыты. В интервале времени t5...t7 стабилитрон VD4 и диод VD1 продолжают оставаться открытыми, а через стабилитрон VD3 при напряжении Uст проходит сквозной импульс тока стабилизации, максимальный в момент t6. Начиная от t7 до завершения отрицательного полупериода, остаются открытыми стабилитрон VD4 и диод VD1.

    На этом цикл работы диодно-стабилитронного выпрямителя завершается и рассмотренный процесс повторяется в течение следующего электрического периода в сети.

    Таким образом, через стабилитроны VD3, VD4 от анода к катоду проходит выпрямленный ток, а в противополжном напрвлении - импульсный ток стабилизации. В интервалы времени t1...t3 и t5...t7 мгновенное значение напряжения стабилизации изменяется не более чем на единицы процентов. Значение переменного тока на входе моста VD1-VD4 в первом приближении равно отношению напряжения сети к емкостному сопротивлению балластного конденсатора C1.

    Работа диодно-стабилитронного выпрямителя без балластного элемента (Конденсатора), ограничивающего значение сквозного тока, невозможна. В функциональном отношении они неразделимы и образуют единое целое - конденсаторно-стабилитронный выпрямитель (КСТВ).

    Для ограничения броска тока через диоды и стабилитроны моста в момент включения в сеть последовательно с балластным конденсатором следует включить токоограничивающий резистор сопротивлением несколько десятков Ом, а для разрядки конденсатора после отключения от сети параллельно - резистор сопротивлением сотни кОм [3].

     Разброс значений Uст однотипных стабилитронов составляет примерно 10%, что приводит к возникновению дополнительной пульсации выходного напряжения с частотой питающей сети. Амплитуда напряжения пульсации пропорциональна различию значений Uст стабилитронов VD3, VD4.     С целью экспериментальной проверки случайным образом выбрана партия из восьми стабилитронов Д814Б, напряжение стабилизации которых приведено в табл.1.

# 1 2 3 4 5 6 7 8 Uст,В 8.5 8.5 8.8 8.8 8.9 9.1 9.1 9.2

Таблица 1

Для сборки КВС применен стабилитрон #8, а для сборки КСТВ - пара стабилитронов #6 и #7. В КСТВ можно также использовать пары стабилитронов #1 и #2 или #3 и #4. К выходу КВС и КСТВ подключают оксидный конденсатор фильтра емкостью 2000 мкФ на номинальное напряжение не менее 10В. В результате получаются функционально законченные блоки питания. Для измерения их параметров и снятия внешних характеристик к выходу подключают нагрузочный резистор и измерительные приборы: миллиамперметр и вольтметр.

Результаты эксперимента, приведеные в табл. 2, свидетельствуют о преимуществе КСТВ перед КВС по уровню пульсаций выходного напряжения при соизмеримых значениях тока нагрузки.

Блок питания Ток нагрузки, мА Выходное напряжение, В Амплитуда наряжения пульсаций, 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)

Таблица 2

Причина этого заключена в том, в КСТВ конденсатор фильтра, заряженный до значения напряжения Uст, разряжается в интервале времени t3...t5 только через нагрузку. В КВС конденсатор в этот период разряжается через соединенные параллельно нагрузку и стабилитрон, имеющий малое дифференциальное сопротивление. Снижение амплитуды напряжения пульсаций на выходе КСТВ при уменьшении тока нагрузки положительно влияет на качество работы питаемой аппаратуры. Например, уровень фона питающего напряжения на выходе звуковоспроизводящей аппаратуры снижается в звуковых паузах.

     Влияние неравенства значений Uст стабилитронов VD3,VD4 на амплитуду пульсации выходного напряжения иллюстрируют значения в скобках из табл.2, которые получены в результате замены стабилитрона #7 (VD3) на #1 (см. табл. 1). Так как значения напряжения стабилизации экземпляров стабилитронов отличаются на 0.6 В (около 7% от Uст), амплитуда пульсаций выходного напряжения возросла, однако осталась меньше, чем у КВС при малых токах нагрузки. При максимальном токе в напряжении пульсации наряду с частотой 100 Гц появилась составляющая 50 Гц. По мере уменьшения тока нагрузки амплитуда пульсаций также уменьшается, доля составляющей частотой 50 Гц растет, а частотой 100 Гц - уменьшается. Под нагрузкой не более 10% от номинальной составляющая 100 Гц отсутсвует, частота напряжения пульсации -50 Гц.

    По значениям из табл.2 рассчитано внутреннее сопротивление блоков питания: КВС - 7 Ом, КСТВ (C1= 0.5 мкФ) - 10 Ом, КСТВ (C1=1 мкФ) - 5 Ом. Примерно такие же значения внутреннего сопротивления характерны для батареи, составленной из шести свежих гальванических элементов 316 или частично разряженных гальванических элементов большей емкости.

    При использовании мощных стабилитронов (Д815А...Д817ГП), имеющих на корпусе шпильку крепления, их можно установить на общий радиатор, если в обозначении их типа присутсвует буква П. В противном случае диоды и стабилитроны необходимо поменять местами.

    Гальваническая связь сети с выходом блока питания, а значит, и с питаемой аппаратурой, создает реальную опастность поражения электрическим током. Об этом следует помнить при конструировании и налаживании блоков с конденсаторно-стабилитронным выпрямителем. Предотвращение электротравматизма возможно путем применения двойной изоляции, а также быстродействующего автоматического устройства защитного отключения [4,5].

Литература

Сергеев Б. Исследование возможности применения конденсаторных ИВЭП. - Электросвязь, 1994, #6, с.25-27.

Сергеев Б. Предельные возможности применения конденсаторных источников вторичного электропитания. - Электросвязь, 1996, #2, с.38-40.

Бирюков С. Рассчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором. - Радио, 1997, #5, с.48-50.

Водяницкий Ю. Защитит автомат. - Моделист-конструктор, 1994, #10, с.14,15.

Кузнецов А. Устройство защиты от поражения электротоком. - Радио, 1997, #4, с.47-49.

Содержание раздела