Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором, страница 2

С1 =7(I_{ст min}+I_{н max})/(U_{c min}—0,35U_выx);

i_{ст max}=(Uc mах-0,35Uвых)С₁/7- Iн min.

Рассчитаем в качестве практического примера источник питания по схеме рис. 2 (со стабилитроном, разумеется), обеспечивающий выходное напряжение 9 В при токе нагрузки, изменяющемся от Iн mах=15 мА до Iн min=5 мА; напряжение се­

ти может изменяться от Uc max=240 В до Uc min=200 В.

Принимаем Iст min=5 мА. По формуле (3) находим емкость гасящего конденса­тора: С1 =3,5(5+15)/(200-0,7*9)=0,361 мкФ. Выбираем номинальное значение емкос­ти 0,39 мкФ и по формуле (4) проверяем максимальный ток через стабилитрон:

Iст max=(240 - 0,79)0,39/3,5 - 5 = 21 мА. По справочнику  выберем  стабилитрон Д814Б, имеющий необходимое напряже­ние стабилизации.

Рассмотрим здесь типичную ошибку, когда вместо стабилитрона используют последовательный стабилизатор напря­жения (рис. 5). Рассчитаем источник при тех же исходных параметрах, но будем считать, что для обеспечения выходного напряжения 9 В напряжение на входе стабилизатора Uвx ст должно быть не ме­нее 12В. Ток, потребляемый собственно стабилизатором DA1, будем считать рав­ным: Iпот=10 мА.

C1=3,5(lпoт+lн max)/(Uc min - 0,7Uвx ст).   (5);

С1 =3,5(10+15)/(200 - 0,712) = 0,457 мкФ. Выбираем С1=4,7 мкФ.

При увеличении напряжения сети и

Рис. 4

уменьшении тока нагрузки входное на­пряжение стабилизатора Uex ст будет, ра­зумеется, увеличиваться. Для его расче­та преобразуем формулу (5) к необходи­мому виду:

u_{вх ст max}=U_{c mах}/0,7—5(Iпот+Iн min)/C1.

Вычислим

u_{bx ct max} = 240/0,7 - 5(10+5)/0,47=183 В. Такое напряжение конечно же не выдер­жит ни один низковольтный микросхем­ный стабилизатор. Итак, стабилитрон не­обходим и в этом случае.

Для оценки емкости конденсатора С2, обеспечивающей заданную амплитуду пульсаций выходного напряжения, будем считать, что для источника по схеме рис. 2 зарядка этого конденсатора длит­ся четверть периода напряжения сети, и столько же - разрядка. При таком при­ближении двойное напряжение пульса­ций 2Uпyл (размах) равно:

2U_пул=0,25I_{н max}/t*C2.

Аналогично можно считать, что для источника по схеме рис. 4 зарядка длится то же время, а разрядка - три четверти периода:

2U_пул = 0,75l_{н max}/f*C2.

Для выходного напряжения менее 100 В реально зарядка длится большее время, разрядка - меньшее, и эти выра­жения дают заметно завышенный ре­зультат, поэтому расчет емкости сглажи­вающего конденсатора по полученным из них формулам обеспечивает некоторый запас: С2=5I_{н max}/2Uпyл (для рис. 2) и С2= =15I_{н max}/2Uпyл (для рис. 4), где ток - в миллиамперах, емкость - в микрофара­дах, напряжение - в вольтах.

Хотя стабилитрон и уменьшает напря­жение пульсаций, использовать сглажи­вающий конденсатор емкостью менее рассчитанной не рекомендуется. В ранее рассмотренном примере при размахе

Рис.5

пульсаций 0,2 В емкость сглаживающего конденсатора равна:

С2=515/0,2=375 мкФ.

Для ограничения броска тока через диоды выпрямительного моста в момент включения источника в сеть последова­тельно с гасящим конденсатором необхо­димо включать токоограничивающий ре­зистор. Чем меньше сопротивление этого резистора, тем меньше потери в нем. Для диодного моста КЦ407А или моста из ди­одов КД103А достаточно резистора со­противлением 36 Ом.

Рассеиваемую на нем среднюю мощ­ность Р можно определить по формуле:

P=5,6CI²R, где емкость - в микрофара­дах, сопротивление - в омах, мощность -в милливаттах. Для рассмотренного вы­ше примера P=5,6•0,39²•36=30 мВт. Для надежности (ведь в момент включения к резистору может быть приложено ампли­тудное напряжение сети) рекомендуется использовать резистор мощностью не менее 0,5 Вт.

Для того, чтобы исключить возмож­ность поражения электротоком при нала­живании устройств с рассматриваемыми источниками, питать их следует не от се­ти, а от сетевого лабораторного низко­вольтного блока питания через токоогра-ничительный резистор. Выходное напря­жение лабораторного блока устанавли­вают большим напряжения питания на­лаживаемого устройства настолько, что­бы ток через токоограничительный рези­стор бЫЛ бЛИЗОК К  I_{ст min} + l_{н max}.

Иногда удобно использовать в роли токоограничительного резистор источ­ника, ограничивающий бросок тока че­рез диоды выпрямительного моста. В этом случае достаточно замкнуть выво­ды гасящего конденсатора проволочной перемычкой. Не забудьте удалить эту перемычку или дополнительный резис­тор перед включением устройства в сеть!

Интерес представляют также источ­ники питания, в которых гасящий кон­денсатор включен в цепь первичной об­мотки трансформатора, как это реали­зовано в [2]. Основное назначение трансформатора - гальванически раз­вязать нагрузку от сети. Стремиться уменьшать коэффициент трансформа­ции не следует, это поведет к необходи­мости увеличивать емкость гасящего конденсатора. Нет особого смысла и во включении двух стабилитронов до мос­та вместо одного за мостом, как обыч­но.

В устройствах для зарядки аккумуля­торных батарей такой источник обеспе­чивает весьма стабильный выходной (за­рядный) ток при минимальной габарит­ной мощности трансформатора и пре­дельной схемной простоте [З]. Формулы для расчета источника отличаются от ра­нее полученных лишь учетом коэффици­ента трансформации п трансформатора (Сг - емкость гасящего конденсатора):

lcp=4f*Cг*n(Uc амп -n*Uвыx)=

=4f*Cг*n(Uc*2^^1/2 - n*Uвыx).

Для зарядного устройства не нужен стабилитрон и сглаживающий конденса­тор. Формулу для расчета емкости гася­щего конденсатора нетрудно получить из предыдущей:

Cг = lcp/4f*n(Uc*2^{^1/2} - n*Uвыx).

Каждому значению выходного напря­жения соответствует оптимальное зна­чение коэффициента трансформации n_опт, при котором емкость гасящего кон­денсатора минимальна: n_опт = Uс/U_вых*2^{^1/2}. При этом амплитудное значение напря­жения на первичной обмотке трансфор­матора (оно имеет форму, показанную на графике 2, рис. 3) равно

U_laмn=Uc/(2)^^1/2=155B.

На рис. 6 представлена зависимость емкости гасящего конденсатора Сг от амплитудного значения напряжения на первичной обмотке трансформатора

U_laмn для получения на вторичной обмот­ке мощности I_ср*U_вых=80 Вт без учета по­терь в трансформаторе:

Cг=lcp*Uвыx/4f*U_Iaмп(U_c*2^{^1/2} -U_laмn)= =80/200U_laмn(310-U_laмn).

Характер кривой показывает, что расчетное напряжение первичной об­мотки трансформатора некритично. Уве­личение требуемой емкости гасящего конденсатора при уменьшении этого на­пряжения от оптимального значения 155 В до, например, стандартного для одного из вариантов включения первич­ной обмотки серийных трансформаторов ТПП, ТН значения 127 В, не превышает нескольких процентов.

Напомним здесь, что не все конденса­торы могут работать в качестве гася­щих. Из опыта автора следует, что кон­денсаторы К73-16 и К73-17 на рабочее напряжение 250 В и более работают в таких устройствах вполне надежно. Ес­ли нужны конденсаторы большой емкос­ти, следует использовать МБГЧ или К42-19 на то же рабочее напряжение или другие конденсаторы на напряжение не менее 500 В.

И последнее. Конструкция источника и устройства, питающегося от него, должна исключать возможность прикос­новения к любым его проводникам в процессе эксплуатации. Особое внима­ние нужно уделить изоляции органов уп­равления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Курский И. Аналог мощного стабилитро­на. - Радио, 1989, № 9,с.88.

2. Пожаринский Л. Маломощный блок пи­тания. - Радио, 1978, № 5, с.56.

3. Бирюков С. Простое зарядное устройст­во. - Радио, 1997, № 3, с. 50.

                                                 P 5/97-48