Источники питания с конденсаторным делителем напряжения

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ С КОНДЕНСАТОРНЫМ ДЕЛИТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

О. ХОВАИКО, г. Москва

Маломощные сетевые блоки питания с гасящим конденсатором в силу сво­ей предельной простоты получили в последние годы большое распростра­нение несмотря на ряд присущих им серьезных недостатков (таких, напри­мер, как гальваническая связь цепи нагрузки с сетью переменного тока). Конечно, их приходится так или иначе преодолевать. Если нагрузочный ток такого источника меняется в широких пределах, па­раллельно нагрузке необходимо включать стабилитрон, что существенно снижает КПД устройства. Об одном из путей борьбы с указанным недостат­ком рассказывает автор этой статьи.

Сетевой источник питания с гасящим конденсатором (рис. 1), по сути, есть дели­тель напряжения, у которого верхнее пле­чо - конденсатор, а нижнее представляет собой сложную нелинейную диодно-резис-торно-конденсаторную цепь. Этим и опре­делены недостатки (и достоинства, конеч­но) таких устройств.

Для того чтобы источник мог работать в широком интервале тока нагрузки с вы­соким КПД, достаточно входной делитель напряжения выполнить чисто реактивным, например, конденсаторным (рис. 2). Он позволяет дополнительно стабилизиро­вать выходное напряжение источника по­следовательно включенным компенсаци­онным или импульсным стабилизатором, чего нельзя делать в обычном источнике с гасящим конденсатором. Как показано в статье С. Бирюкова "Расчет сетевого ис­точника питания с гасящим конденсато­ром" - "Радио", 1997, № 5, с. 48-50, - по­следовательный стабилизатор можно ис­пользовать только при ограничении на­пряжения на его входе, что опять-таки за­метно снижает КПД.

Источник с конденсаторным делите­лем напряжения целесообразно исполь­зовать для совместной работы с импульс­ными стабилизаторами. Идеально подхо­дит он для устройства, длительно потреб­ляющего малый ток, но требующего в оп-

Рис2

ределенный момент резкого его увеличе­ния. Пример - квартирное сторожевое ус­тройство на микросхемах КМОП с испол­нительным узлом на реле и звуковом сиг­нализаторе.

Ток, потребляемый конденсаторным делителем, будет иметь фазовый сдвиг в 90 град. относительно напряжения сети, поэтому делитель напряжения на реактив­ных элементах не требует охлаждения.

Исходя из вышесказанного, ток через делитель вроде бы можно выбрать сколь угодно большим. Однако неоправданное увеличение тока делителя приведет к ак­тивным потерям в проводах и к увеличе­нию массы и объема устройства. Поэтому целесообразно принять ток через дели­тель напряжения в пределах 0,5...3 от максимального тока нагрузки.

Расчет источника с емкостным делите­лем несложен. Как следует из ф-лы (2) в упомянутой статье, выходное напряжение Uвых и полный выходной ток (стабилитрона и нагрузки Iвых) источника по схеме 1,а связаны следующим образом: Iвых = =4f*C1(2Uc-Uвыx).

Эта формула пригодна и для расчета источника с конденсаторным делителем, в ней просто надо заменить С1 на суммар­ную емкость параллельно соединенных конденсаторов С1 и С2, показанных на рис. 2, a Uc - на Uc2x (напряжение на кон­денсаторе С2 при rн = °°), т. е. Uc2x = = Uс*C1/(C1+C2). Тогда Iвых = 4f(C1+C2)x x[Uc•C*2^¹/2/(C1+C2)-Uвыx] или после очевид­ных преобразований Iвых = 4f*C1 [Uc*2^1/2--Uвых(1+С2/С1)].

Поскольку падение напряжения на дио­дах моста Uд при малых значениях Uвых становится заметным, получим оконча­тельно Iвых = 4f*C1 [Uc*2^1/2- (Uвых + 2Uд) (1 + +С2/С1)].

Из формулы видно, что при Rн=0 (т. е. при Uвых=0) ток 1вых, если пренебречь паде­нием напряжения на диодах, остается та­ким же, как у источника питания, собран­ного по схеме 1 ,а. Напряжение же на вы­ходе без нагрузки уменьшается: Uвых.х = =Uc*C1*2^1/2/(C1+C2)-2Uд.

Емкость и рабочее напряжение конден­сатора С2 выбирают исходя из необходи­мого выходного напряжения - соотноше­ние значений емкости С1/С2 обратно про­порционально значениям падающего на С1

и С2 напряжения. Например, если С1= =1 мкФ, а С2=4 мкФ, то напряжение Uc1 бу­дет равно 4/5 напряжения сети, a Uc2=Uc/5, что при напряжении сети Uc = 220 В соот­ветствует 186 и 44 В. Необходимо учесть, что амплитудное значение напряжения почти в 1,5 раза превышает действующее, и выбрать конденсаторы на соответствую­щее номинальное напряжение.

Несмотря на то, что теоретически кон­денсаторы в цепи переменного тока мощ­ности не потребляют, реально в них из-за наличия потерь может выделяться некото­рое количество тепла. Проверить заранее пригодность конденсатора для использо­вания в источнике можно, просто подклю­чив его к электросети и оценив температу­ру корпуса через полчаса. Если конденса­тор С1 успевает заметно разогреться, его следует счесть непригодным для исполь­зования в источнике.

Практически не нагреваются специаль­ные конденсаторы для промышленных электроустановок - они рассчитаны на большую реактивную мощность. Такие конденсаторы используют в люминесцент­ных светильниках, в пускорегулирующих устройствах асинхронных электродвигате­лей и т. п.

Ниже представлены две практические схемы источников питания с конденсатор­ным делителем: пятивольтный общего на­значения (рис. 3) на ток нагрузки до 0,3 А и источник бесперебойного питания для кварцованных электронно-механических часов (рис. 4).

Рис.4

Делитель напряжения пятивольтного источника состоит из бумажного конден­сатора С1 и двух оксидных С2 и СЗ, обра­зующих нижнее по схеме неполярное пле­чо емкостью 100 мкФ. Поляризующими ди­одами для оксидной пары служат левые по схеме диоды моста. При номиналах эле­ментов, указанных на схеме, ток замыка­ния (при Рн=0) равен 600 мА, напряжение на конденсаторе С4 в отсутствие нагрузки -27В.

Электронно-механические часы обыч­но питают от одного гальванического эле­мента напряжением 1,5 В. Предлагаемый источник вырабатывает напряжение 1,4 В при среднем токе нагрузки 1 мА. Напряже­ние, снятое с делителя С1С2, выпрямляет узел на элементах VD1, VD2, СЗ. Без на­грузки напряжение на конденсаторе СЗ не превышает 12В.

P 11/97-56

Рис.4