Как рассчитать бестрансформаторный блок питания

#1

Как рассчитать бестрансформаторный блок питания
[j]Питать низковольтную электро- и радиоаппаратуру выгоднее и проще от сети. Для этого наиболее приемлемы трансформаторные блоки питания, поскольку они безопасны в эксплуатации. Однако интерес к бестрансформаторным блокам питания (БТБП) со стабилизированным выходным напряжением не ослабевает. Одна из причин — сложность изготовления трансформатора. А вот для БТБП он не нужен — необходим лишь правильный расчет, но как раз это и пугает малоопытных начинающих электриков. Эта статья поможет сделать расчет и облегчит конструирование бестрансформаторного блока питания.[/j]

Упрощенная схема БПТП приведена на рис. 1. Диодный мост VD1 подключен к сети через гасящий конденсатор С_гас, включенный последовательно с одной из диагоналей моста. Другая диагональ моста работает на нагрузку блока — резистор R_н. Параллельно нагрузке подключены фильтрующий конденсатор С_ф и стабилитрон VD2.

[attachment=0]2898298.jpg[/attachment]Рис. 1. Упрощенная схема БПТП
[j]Расчет блока питания начинают с задания напряжения U_н на нагрузке и силы тока I_н. потребляемого нагрузкой. Чем больше будет емкость конденсатора С_гас, тем выше энергетические возможности БПТП.[/j]

[c]Расчет емкостного сопротивления[/c][/color][/b]
В таблице приведены данные по емкостному сопротивлению Х_с конденсатора С_гас на частоте 50 Гц и среднему значению тока I_ср, пропускаемого конденсатором С_гас, вычисленные для случая, когда R_н=0, то есть при коротком замыкании нагрузки. (Ведь к этому аномальному режиму работы БТБП не чувствителен, и в этом еще одно огромное преимущество перед трансформаторными блоками питания.)
Иные значения емкостного сопротивления Х_с (в килоомах) и среднего значения тока I_ср (в миллиамперах) можно вычислить по формулам:
[c][attachment=1]5083468.jpg[/attachment][/c][/color]
С_гас — емкость гасящего конденсатора в микрофарадах.

Если исключить стабилитрон VD2, то напряжение U_н на нагрузке и ток I_н через нее будет зависеть от нагрузки R_н. Подсчитать эти параметры легко по формулам:
[c][attachment=2]1900921.jpg[/attachment][/c][/color]

U_н — в вольтах, R_н и Х_н — в килоомах, I_н — в миллиамперах, С_гас — в микрофарадах. (Далее в формулах используются те же единицы измерения.)

С уменьшением сопротивления нагрузки напряжение на ней тоже уменьшается, причем по нелинейной зависимости. А вот ток, проходящий через нагрузку возрастает, правда, весьма незначительно. Так, например, уменьшение R_н с 1 до 0,1 кОм (ровно в 10 раз) ведет к тому, что U_н снижается в 9,53 раза, а ток через нагрузку увеличивается всего лишь в 1,05 раза. Эта "автоматическая" стабилизация тока выгодно отличает БТБП .от трансформаторных источников питания.

Мощность Р_н на нагрузке, вычисляемая по формуле:
[c][attachment=3]6182414.jpg[/attachment]с[/c] уменьшением R_н снижается почти столь же интенсивно, как и U_н. Для того же примера потребляемая нагрузкой мощность уменьшается в 9,1 раза.

Поскольку ток I_н нагрузки при сравнительно небольших значениях сопротивления R_н и напряжения U_н на ней меняется крайне мало, на практике вполне допустимо пользоваться приближенными формулами:
[c][attachment=4]6067008.jpg[/attachment][/c]Восстановив стабилитрон VD2, получим стабилизацию напряжения U_н на уровне U_ст — значения практически постоянного для каждого конкретного стабилитрона. И при небольшой нагрузке (большом сопротивлении R_н) станет выполняться равенство U_н=U_ст.

Расчет сопротивления нагрузки

До каких же пределов можно уменьшать R_н, чтобы равенство U_н=U_ст было справедливо? До тех, пока выполняется неравенство:

Следовательно, если сопротивление нагрузки окажется меньше рассчитанного R_н, напряжение на нагрузке уже не будет равно напряжению стабилизации, а окажется несколько меньше, поскольку ток через стабилитрон VD2 прекратится.

#2

Расчет допустимого тока через стабилитрон

А теперь определим, какой ток I_н будет течь через нагрузку R_н и какой ток — через стабилитрон VD2. Понятно, что

По мере уменьшения сопротивления нагрузки потребляемая ею мощность P_н=I_нU_н=U²_ст/R_нвозрастает. А вот средняя потребляемая БПТП мощность, равная

остается неизменной. Объясняется это тем, что ток I_ср разветвляется на два — I_н и I_ст — и, в зависимости от сопротивления нагрузки, перераспределяется между R_н и стабилитроном VD2, причем так, что чем меньше сопротивление нагрузки R_н, тем меньший ток идет через стабилитрон, и наоборот. Значит, если нагрузка мала (или вовсе отсутствует), стабилитрон VD2 будет находиться в наиболее тяжелых условиях. Вот почему снимать нагрузку с БПТП не рекомендуется, иначе весь ток пойдет через стабилитрон, что может привести к выходу его из строя.

Амплитудное значение напряжения сети равно 220·√2=311(B). Импульсное значение тока в цепи, если условно пренебречь конденсатором С_ф, может достигать

Соответственно, стабилитрон VD2 должен надежно выдерживать этот импульсный ток при случайном отключении нагрузки. Не следует забывать и о возможных перегрузках по напряжению в осветительной сети, составляющих 20...25% от номинала, и рассчитывать ток, проходящий через стабилитрон при отключенной нагрузке с учетом поправочного коэффициента 1,2...1,25.

Если нет мощного стабилитрона

Когда стабилитрона подходящей мощности нет, его полноценно удается заменить диодно-транзисторным аналогом. Но тогда БТБП следует строить по схеме, показанной на рис. 2. Здесь ток, протекающий через стабилитрон VD2, уменьшается пропорционально статическому коэффициенту передачи тока базы мощного n-p-n транзистора VT1. Напряжение UCT аналога будет примерно на 0,7В превышать U_ст самого маломощного стабилитрона VD2, если транзистор VT1 кремниевый, или на 0,3В — если он германиевый.

Здесь применим и транзистор структуры p-n-p. Однако тогда используют схему, показанную на рис. 3.

[c]Расчет однополупериодного блока[/c]
Наряду с двухполупериодным выпрямителем в БТБП иногда применяют и простейший однополупериодный (рис. 4). В таком случае его нагрузка R_н питается лишь положительными полупериодами переменного тока, а отрицательные проходят через диод VD3, минуя нагрузку.

Рис. 3. Двухполупериодный выпрямитель БТБП

Поэтому средний ток I_ср через диод VD1 будет вдвое меньше. Значит при расчете блока вместо Х_сследует брать в 2 раза большее сопротивление, равное

а средний ток при замкнутой накоротко нагрузке будет равен 9,9·πС_гас=31,1 С_гас. Дальнейший расчет такого варианта БПТП ведут совершенно аналогично предыдущим случаям.

Рис. 4. Простейший однополупериодный БТБП

Расчет напряжения на гасящем конденсаторе

Принято считать, что при напряжении сети 220В номинальное напряжение гасящего конденсатора С_гас должно быть не менее 400В, то есть примерно с 30-процентным запасом по отношению к амплитудному сетевому, поскольку 1,3·311=404(В). Однако в некоторых наиболее ответственных случаях его номинальное напряжение должно быть 500 и даже 600В.

И еще. Подбирая подходящий конденсатор С_гас, следует учитывать, что применять в БТБП конденсаторы типа МБМ, МБПО, МБГП, МБГЦ-1, МБГЦ-2 нельзя, так как они не рассчитаны на работу в цепях переменного тока с амплитудным значением напряжения, превышающим 150В.

Наиболее надежно в БТБП работают конденсаторы МБГЧ-1, МБГЧ-2 на номинальное напряжение 500В (от старых стиральных машин, люминесцентных светильников и т.п.) или КБГ-МН, КБГ-МП, но на номинальное напряжение 1000В.

#3

Фильтрующий конденсатор

Емкость Фильтрующего конденсатора С_ф аналитическим путем рассчитать затруднительно. Поэтому ее подбирают экспериментально. Ориентировочно следует считать, что на каждый миллиампер среднего потребляемого тока требуется брать как минимум 3...10 мкФ этой емкости, если выпрямитель БТБП двухполупериодный, или 10...30 мкФ, если он однополупериодный.

Номинальное напряжение используемого оксидного конденсатора С_ф должно быть не менее U_ст·А если стабилитрона в БТБП нет, а нагрузка включена постоянно, номинальное напряжение фильтрующего конденсатора должно превышать значение:

Если нагрузка не может быть включена постоянно, а стабилитрон отсутствует, номинальное напряжение фильтрующего конденсатора должно составлять более 450В, что вряд ли приемлемо из-за больших размеров конденсатора С_ф. Кстати, в этом случае снова подключать нагрузку следовало бы лишь после отключения БТБП от сети.

И это еще не все

Любой из возможных вариантов БТБП желательно дополнить еще двумя вспомогательными резисторами. Один из них, сопротивление которого может быть в пределах 300кОм...1МОм, включают параллельно конденсатору С_гас. Этот резистор нужен для ускорения разрядки конденсатора С_гас после отключения устройства от сети. Другой — балластный — сопротивлением 10...51 Ом включают в разрыв одного из сетевых проводов, например, последовательно с конденсатором С_гас. Этот резистор будет ограничивать ток через диоды моста VD1 в момент подключения БТБП к сети. Мощность рассеяния обоих резисторов должна быть не менее 0,5 Вт, что нужно для гарантии от возможных поверхностных пробоев этих резисторов высоким напряжением. За счет балластного резистора стабилитрон будет нагружен несколько меньше, но вот средняя потребляемая БТБП мощность заметно увеличится.

Какие взять диоды

Функцию двухполупериодного выпрямителя БТБП по схемам на рис. 1...3 могут выполнять диодные сборки серии КЦ405 или КЦ402 с буквенными индексами Ж или И, если средний ток не превышает 600 мА, либо с индексами А, Б, если значение тока достигает 1 А. Пригодны также четыре отдельных диода, включенных по схеме моста, например серий КД105 с индексами Б, В или Г, Д226 Б или В - до 300 мА, КД209 А, Б или В - до 500...700 мА, КД226 В, Г или Д - до 1,7 А.

Диоды VD1 и VD3 в БТБП по схеме на рис. 4 могут быть любыми из перечисленных выше. Допустимо также использовать две диодные сборки КД205К В,Г или Д в расчете на ток до 300 мА либо КД205 А,В,Ж или И — до 500 мА.

И последнее. Бестрансформаторный блок питания, а также аппаратура, подключенная к нему, подключены в сеть переменного тока непосредственно! Поэтому они должны быть надежно за-изолированы снаружи, скажем, размещены в пластмассовом корпусе. Кроме того, категорически запрещается "заземлять" какой-либо из их выводов, а также вскрывать корпус при включенном устройстве.

Предлагаемая методика расчета БПТП опробована автором на практике в течение ряда лет. Весь расчет ведется, исходя из того, что БПТП — это по существу параметрический стабилизатор напряжения, в котором роль ограничителя тока выполняет гасящий конденсатор.

Журнал «САМ» №5, 1998 год