Наша сеть партнеров Banwar
В даній статті поговоримо про бестрансформаторних електроживлення.
У радіоаматорського практиці, так і в промисловій апаратурі джерелом електричного струму зазвичай є гальванічні елементи, акумулятори, або промислова мережа 220 вольт. Якщо Радіоприлад переносний (мобільний), то використання батарей харчування себе виправдовує такою необхідністю. Але якщо Радіоприлад використовується стаціонарно, має великий струм споживання, експлуатується в умовах наявності побутової електричної мережі, то харчування його від батарей практично і економічно не вигідно. Для живлення різних пристроїв низьковольтних напругою від побутової мережі 220 вольт існують різні види і типи перетворювачів напруги побутової мережі 220 вольт в знижений. Як правило, це схеми трансформаторного перетворення.
1. «Трансформатор - випрямляч - стабілізатор» - класична схема харчування, що володіє простотою побудови, але великими габаритними розмірами;
2. «Випрямляч - імпульсний генератор - трансформатор - випрямляч - стабілізатор» - схема імпульсного джерела живлення, що володіє малими габаритними розмірами, але має більш складну схему побудови.
Найголовніше гідність зазначених схем живлення - наявність гальванічної розв'язки первинної і вторинної ланцюга харчування. Це знижує небезпеку ураження людини електричним струмом, і запобігає вихід апаратури з ладу через можливе замикання струмоведучих частин пристрою на «нуль». Але іноді, виникає потреба в простій, малогабаритної схемі живлення, в якій наявність гальванічної розв'язки не важливо. І тоді ми можемо зібрати просту конденсаторну схему харчування. Принцип її роботи полягає в «поглинанні зайвої напруги» на конденсаторі. Для того, щоб розібратися в тому, як це поглинання відбувається, розглянемо роботу найпростішого подільника напруги на резисторах .
Дільник напруги складається з двох резисторів R1 і R2. Резистор R1 - обмежувальний, або по іншому називається додатковий. Резистор R2 - навантажувальний (Rн), він же є внутрішнім опором навантаження.
Припустимо, що нам необхідно з напруги 220 вольт отримати напругу 12 вольт. Зазначені U2 = 12 вольт повинні падати на опорі навантаження R2. Це означає, що решта напруга U1 = 220 - 12 = 208 вольт повинно падати на опорі R1.
Припустимо, що в якості опору навантаження ми використовуємо обмотку електромагнітного реле, а активний опір обмотки реле R2 = 80 Ом. Тоді за законом Ома, висока напруга, яка через обмотку реле, буде дорівнює: Iцепі = U2 / R2 = 12/80 = 0,15 ампер. Зазначений ток повинен текти і через резистор R1. Знаючи, що на цьому резистори повинно падати напруга U1 = 208 вольт, згідно із законом Ома визначаємо його опір:
R1 = UR1 / Iцепі = 208 / 0,15 = 1 387 Ом.
Визначимо потужність резистора R1: Р = UR1 * Iцепі = 208 * 0,15 = 31,2 Вт.
Для того, щоб цей резистор НЕ грівся від розсіюється на ньому потужності, реальне значення його потужності необхідно збільшити в рази два, це приблизно складе 60 Вт. Розміри такого резистора досить значні. І ось тут нам стане в нагоді конденсатор!
Ми знаємо, що будь-який конденсатор в колі змінного струму має такий параметром, як «реактивний опір» - опір радіоелементу змінюється в залежності від частоти змінного струму. Реактивний опір конденсатора визначається за формулою:
де п - число ПІ = 3,14, f - частота (Гц), С - ємність конденсатора (фарад).
Замінивши резистор R1 на паперовий конденсатор С, ми «забудемо» що таке резистор значних розмірів.
Реактивний опір конденсатора С має приблизно дорівнювати раніше розрахованим значенням R1 = Хс = 1 387 Ом.
Перетворивши формулу замінивши місцями величини С і Хс, ми визначимо значення ємності конденсатора:
С1 = 1 / (2 * 3,14 * 50
* 1387) = 2,3 * 10-6 Ф = 2,3 мкФ
Це може бути кілька конденсаторів з необхідною загальною ємністю, включених паралельно, або послідовно.
Схема бестрансформаторного (конденсаторного) харчування буде виглядати наступним чином:
Але зображена схема працювати буде, але не так як ми планували! Замінивши масивний резистор R1 на один, або два малогабаритних конденсатора, ми виграли в розмірах, але не врахували одне - конденсатор повинен працювати в колі змінного струму, а обмотка реле - в ланцюзі постійного струму. На виході нашого подільника змінну напругу, і його необхідно перетворити в постійне. Це досягається введенням в схему діодного випрямляча розділяє вхідну і вихідну ланцюг, а так же елементів згладжують пульсацію змінної напруги в вихідний ланцюга.
Остаточно, схема бестрансформаторного (конденсаторного) харчування буде виглядати наступним чином:
Конденсатор С2 - згладжує пульсації. Для виключення небезпеки ураження електричним струмом від накопиченого напруги в конденсаторі С1, в схему введений резистор R1, який шунтує конденсатор своїм опором. При роботі схеми він своїм великим опором не заважає, а після відключення схеми від мережі, протягом часу, що визначається секундами, через резистор R1 відбувається розряд конденсатора. Час розряду визначається звичайної формулою:
Для того, щоб наступного разу не робити всі перераховані вище розрахунки, виведемо остаточну формулу розрахунку ємності конденсатора схеми бестрансформаторного (конденсаторного) харчування. При відомих значеннях вхідної та вихідної напруги, а також опору R2 (воно ж - опір навантаження Rн), значення опору R1 знаходиться у відповідності з пунктом 3 статті « дільник напруги «:
Об'єднавши дві формули, знаходимо кінцеву формулу розрахунку ємності конденсатора схеми бестрансформаторного харчування:
де Rн - опір навантаження, в нашому випадку це - опір обмотки реле Р1.
З огляду на, що при роботі в змінній напрузі в конденсаторі відбуваються перезарядні процеси, а також зсув фази струму по відношенню до фази напруги, необхідно брати конденсатор на напругу в 1,5 ... 2 рази більше тієї напруги, яка подається в ланцюг харчування. При мережі 220 вольт, конденсатор повинен бути розрахований на робочу напругу не менше 400 вольт.
За вказаною вище формулою можна розрахувати значення ємності схеми бестрансформаторного харчування для будь-якого пристрою, що працює в режимі постійного навантаження. Для роботи в умовах змінного навантаження, змінюється також струм і напруга вихідний ланцюга. Для стабілізації вихідної напруги зазвичай застосовують стабілітрони, або еквівалентні транзисторні схеми, що обмежують вихідна напруга на необхідному рівні. Одна з таких схем показана на малюнку нижче.
Вся схема включена в мережу 220 вольт постійно, а реле Р1 включається в ланцюг і вимикається за допомогою вимикача S1. В якості вимикача може бути і напівпровідниковий прилад, наприклад транзистор. Транзисторний каскад VT1 включений паралельно навантаженні, він виключає збільшення напруги у вторинному ланцюзі. Коли навантаження відключена, ток тече через транзисторний каскад. Якби цього каскаду не було, то при відключенні S1 і відсутності іншого навантаження, на виводах конденсатора С2 напруга могло б досягти максимального мережевого - 315 вольт.
Варто відзначити, що при розрахунку схем автоматики з реле, необхідно враховувати, що напруга спрацьовування реле, як правило, так само його номінальному (паспортному) значенню, а напруга утримання реле у включеному стані приблизно в 1,5 рази менше номінального. Тому, розраховуючи схему, зображену вище, оптимально вести розрахунок конденсатора для режиму утримання, а напруга стабілізації зробити рівним номінальному (або трохи вище номінального). Це дозволить працювати всій схемі в режимі менших струмів, що підвищує надійність. Таким чином, для розрахунку ємності конденсатора С1 в схемі з комутованою навантаженням, параметр Uвх ми беремо рівним не 12 вольт, а в півтора рази менше - 8 вольт, а для розрахунку обмежувального (стабілізуючого) транзисторного каскаду - номінальне 12 вольт.
С1 = 1 / (2 * 3,14 * 50 * ((220 * 80) / 8 - 80)) = 1,5 мкФ В якості стабілізуючого елементу при малих токах можна використовувати стабілітрон. При великих токах стабілітрон не годиться - занадто мала у нього розсіює потужність. Тому в такому випадку оптимально використовувати транзисторную схему стабілізації напруги. Розрахунок стабілізуючого транзисторного каскаду заснований на використанні порога відкриття біполярного транзистора, при досягненні напруги база-емітер 0,65 вольта (на кристалі кремнію). Але врахуйте, що для різних транзисторів це напруга коливається в межах 0,1 вольта, не тільки за типами, але і по екземплярам транзисторів. Тому напруга стабілізації на практиці може трохи відрізнятися від розрахованого значення.
Розрахунок дільника зміщення каскаду стабілізації проводиться все за тими ж формулами подільника напруги, при відомих Uвх.дел. = 12 вольт, Uвих.дел. = 0,65 вольт і струмі транзисторного подільника, який повинен бути приблизно в двадцять разів менше струму що протікає через ємність С1. Цей струм легко знайти: Iдел. = Uвх.дел. / (20 * Rн) = 12 / (20 * 80) = 0,0075 ампер,
де Rн - опір навантаження, в нашому випадку це - опір обмотки реле Р1, рівне 80 Ом.
Номінали резисторів R1 і R2 визначаються за формулами, раніше опублікованими в статті « дільник напруги «:
, 
де Rобщ - загальний опір резисторів подільника зміщення транзистора VT1, яке знаходиться за законом Ома:
Отже: Rобщ = 12 / 0,0075 = 1600 Ом;
R3 = 0,65 * 1600/12 = 86,6 Ом, по номінальному ряду, найближчий номінал - 82 Ом;
R2 = 1600. - 86,6 = 1513,4 Ом, по номінальному ряду, найближчий номінал - 1,5 кОм.
Знаючи падіння напруги на резисторах і струм дільника, не забудьте розрахувати їх габаритну потужність. З запасом, габаритну потужність R2 вибираємо в 0,25 Вт, а R3 - в 0,125 Вт. Взагалі, замість резистора R2 краще поставити стабілітрон, в даному випадку це може бути Д814Г, КС211 (з будь-яким індексом), Д815Д, або КС212 (з будь-яким індексом). Я навчив вас розраховувати резистор навмисно.
Транзистор вибирається також з запасом падаючої на його переході потужності. Як вибирати транзистор в подібних стабілізуючих каскадах, добре описано в статті « Компенсаційний стабілізатор напруги «. Для кращої стабілізації, можливе використання схеми «складеного транзистора».
Думаю, що стаття своєї мети досягла, «розжовано» все до кожної дрібниці.