Наши партнеры ArtmMisto
Прагнучи до зменшення габаритів конструюється радіоапаратури, радіоаматори приділяють важливе місце мініатюризації блоку живлення. Зазвичай це завдання вирішують за допомогою імпульсного перетворювача напруги. Тим часом істотний прогрес в області електронних компонентів дозволяє створювати малогабаритні блоки живлення, що не містять трансформатора. Відносна простота конструкції і доступність компонентів роблять їх привабливими і для радіоаматорів.
Вперше подібне технічне рішення запропонував Л. М. Браславський з Новосибірського електротехнічного інституту ще в 1972 р, подавши заявку на винахід. Воно виявилося настільки оригінальним і неочевидним для фахівців, що ВНІІГПЕ проводив експертизу за заявкою цілих шість років і тільки в 1978 р видав авторське свідоцтво. Пізніше були запатентовані і інші рішення, що дозволяють реалізовувати конденсаторні блоки живлення. з декількома вихідними напругами і їх стабілізацію.
Ці рішення мають багато спільного з пристроями, що використовують перемикаються конденсатори, досить популярними в зарубіжній схемотехніки. Подальшим розвитком цього напрямку в нашій країні слід вважати перетворювач змінного струму в постійний зі зниженням напруги.
Принцип роботи
Спрощена схема такого пристрою зображена на малюнку №1.
Рис. 1. Перетворювач змінного струму в постійний зі зниженням напруги.
Принцип його дії полягає в наступному. У початковий момент часу ланцюжок конденсаторів С1 - Сn (однаковою ємності) пристрої розряджена. При позитивній напівхвилі мережевої напруги діоди VD1, VD6-VD8 і VD2 відкриваються, а діоди VD3-VD5 ... VDn закриваються.
При цьому всі конденсатори блоку виявляютьсявключеними послідовно і заряджаються напругою мережі до його амплітудного значення. Причому напруга на кожному з N конденсаторів в силу рівності їх ємності в N раз менше амплітудного напруги мережі і еквівалентна ємність, підключена до мережі, також в N раз менше емкості одного конденсатора.
У другій половині позитивного напівперіоду діоди VD1, VD6-VD8 і VD2 закриваються і на конденсаторах зберігається накопичений ними електричний заряд.
При негативному напівперіоді закриваються діоди VD1 і VD2, в результаті чого конденсаторний блок виявляється відключеним від мережі. У цей момент до виходу блоку можливе підключення низьковольтної навантаження Rн шляхом замикання контактів електронного перемикача S1.
Тепер діоди VD3-VDn, VD9-VD11 відкриваються і всі заряджені конденсатори виявляються підключеними до низьковольтної навантаженні паралельно, що дозволяє отримувати від блоку середнє значення струму розрядки істотно вище зарядного. Таким чином, блок здійснює зменшення напруги при одночасному збільшенні вихідного струму.
Так як в першій половині напівперіоду відбувається накопичення енергії на конденсаторах, а в другій - її віддача, то робота конденсаторного блоку носить явно виражений двотактний характер. Для згладжування пульсацій і збільшення середнього значення струму ємність фільтруючого конденсатора Сф повинна бути досить великою або застосований ще один такий же конденсаторний блок, що працює на ту ж навантаження, але в протифазі з першим.
У розглянутому нижче пристрої замикання контактів перемикача S1 відбувається з частотою мережі живлення, що істотно зменшує комутаційні втрати на них в порівнянні з імпульсними блоками живлення і, крім того, не пред'являє вимог до діодів по швидкодії. Проте вимоги за величиною зворотної напруги залишаються. Так, наприклад, діоди VD1, VD2, VD3 - VDn і VD9 - VD11 повинні бути на зворотне напруга вище амплітудного напруги мережі і на середній струм в 2N раз менше вихідного струму. Всі інші діоди можуть бути на зворотне напруга в N раз менше амплітудного мережевого.
Недоліки пристрою - відсутність гальванічної розв'язки від мережі і високу робочу напругу транзистора, що виконує функцію електронного перемикача S1. Але можливість застосування малогабаритних низьковольтних оксидних конденсаторів і сучасних високовольтних транзисторів забезпечує порівнянність потужних показників конденсаторних блоків живлення з імпульсними блоками і робить перспективним використання їх для різноманітного застосування.
Принципова схема пристрою
Описуваний конденсаторний перетворювач напруги призначений для зарядки автомобільних акумуляторних батарей ємністю до 70 Ач, тому максимальний середній вихідний струм пристрою повинен бути 7 А. Ця величина узгоджена з обмеженням змінної складової на рівні 20 ... 30% від номінальної напруги для застосованих оксидних конденсаторів.
Випрямний діод VD38, конденсатор С13 і стабілітрони VD39, VD40 формують напруга живлення вузла управління, що здійснює синхронізацію роботи комутуючих транзисторів VT2 і VT3 з полярністю напруги мережі і стабілізацію вихідного струму.
Працює наступним чином. При позитивній напівхвилі напруги мережі заряджаються блок конденсаторів С1 ... С12 і накопичувальний конденсатор харчування С13. При негативній напівхвиль включається світлодіод оптрона U1, а його фототранзистор, відкриваючись, шунтирует емітерний перехід VT1. Транзистор VT1 закривається і через резистор R5 підключає неінвертуючий вхід ОП DA1 до виходу конденсаторного блоку.
Рис. 2. Принципова схема конденсаторного бестрансформаторного зарядного пристрою.
Сам же ОУ при цьому переключається і відкриває транзистори VT3, VT2 і світлодіод оптрона U2. ОУ DA1 працює в Компарія-Торном режимі, тому його вихідний сигнал може приймати тільки два значення - близьке до напруги харчування і до нуля. Якщо напруга на його інвертується вході більше, ніж на неінвертуючий, вихідна напруга буде близьким до йулю і транзистор VT3 виявиться в закритому стані. В іншому випадку напруга на виході ОУ близько до напруги харчування, транзистор VT3 відкривається, а через резистор R10 - транзистор VT2 і оптрон U2.
Вхідним сигналом для стабілізації вихідного струму служить напруга на конденсаторному блоці. Таким чином, зміна напруги на конденсаторному блоці (його зменшення) прямо пропорційно відданому в навантаження заряду, тому, стабілізуючи віддають конденсаторним блоком заряд за час одиничного циклу розрядки, пристрій стабілізує вихідний струм. Його значення регулюють резистором R7.
Після закривання транзистора VT1 напруга з конденсаторного блоку надходить на неінверті-ючий вхід ОУ DA1 і порівнюється із зразковою, що надходять на інвертується вхід з дільника R6 ... R8. Коли напруга на конденсаторному блоці стає менше зразкового, ОУ DA1 перемикається в нульовий стан і закриває транзистор VT3, а через нього (ц навантаження пристрою) - і фотодіністор оптрона U2.
Якщо з яких-небудь причин напруга на конденсаторному блоці не знизилася до зразкового (тобто в навантаження не втік заряд, який визначається положенням движка резистора R7), а час, відведений на розрядку, закінчилося, робота блоку для запобігання попадання напруги на вихід пристрою організована так. Напруга негативної напівхвилі мережі знижується до виключення світлодіода оптрона U1 і, отже, закривання його фототранзистор.
Це призводить до відкривання транзистора VT1, шунтування їм неинвертирующего входу і переключення компаратора DA1 і, як наслідок, закривання транзисторів VT3, VT2 ще до появи позитивної напівхвилі мережевої напруги. Таким чином, відбувається примусова синхронізація вузла стабілізації струму з полярністю напруги мережі. Оптрон U2 необхідний лише як поліпшує безпеку і у вбудованих блоках харчування може бути відсутнім.
Зарядка акумуляторної батареї триває порівняно довго і вимагає певного контролю. Тому в пристрої передбачена можливість автоматичного відключення батарей для зарядки при напрузі на ній 14,2 ... 14,4 В. Функцію порогового елемента відключення повністю зарядженої батареї виконує електромагнітне реле К1 (РЕС10), що спрацьовує при напрузі близько 14,5 В.
Реле підключено до вихідних затискачів Х2 і ХЗ через дротяний підлаштування резистор R11. Цей резистор разом з конденсатором С14 утворюють фільтр, що пригнічує змінну складову пульсуючого зарядної напруги, але пропускає повільно наростаючу постійну складову напруги акумуляторної батареї.
Тому при досягненні порогового напруги реле К1 спрацьовує і контактами, що розмикаються К1.1 відключає харчування конденсаторного блоку і системи управління. Сама ж обмотка реле залишається під напругою батарей для зарядки і завдяки наявності гістерезису вимикається при зниженні напруги до 11,8 В. Після чого відбувається автоматична підзарядка батареї акумуляторів. Включення / вимикання режиму автоматичного закінчення зарядки здійснюють перемикачем SA2.
Деталі й компоненти
Застосування реле серії РЕС10 обумовлено його малим струмом споживання і, отже, малим струмом розряду батареї в режимі припинення зарядки. Малопотужні контакти використовуваного реле відображають і особливості описуваного пристрою, пов'язані з ємнісним характером навантаження. Тому розрив ланцюга харчування конденсаторного блоку відбувається без іскріння. Застосування двох мережевих запобіжників (FU1, FU2) і двохсекційного вимикача SA1 пов'язано з підвищеними вимогами електробезпеки через відсутність гальванічної розв'язки пристрої від мережі.
У конденсаторному блоці можливе застосування будь-яких оксидних конденсаторів, але бажано одного типу. У разі використання імпортних конденсаторів габарити цього блоку можна істотно зменшити. Діоди блоку також можуть бути будь-якими, розрахованими на такий же струм і зворотна напруга - підійдуть навіть діоди Д226Б і Д7Ж, але при цьому габарити блоку і його маса істотно збільшаться.
Оптрон Т0325-12,5-4 замінимо на оптрон Т0125-10 або Т0125-12,5 не нижче 4-го класу. Замість КП706Б (VT3) можливе застосування аналогічних вітчизняних польових транзисторів або імпортного IGBT на такий же струм і напруга, причому бажано з мінімальним опором каналу.
При виборі електромагнітного реле (K1) необхідно враховувати, що паспортне номінальну напругу приблизно в 1,5 ... 1,7 рази вище напруги спрацьовування і що напруга спрацьовування може бути кілька різним навіть для реле з однієї партії. Можливе застосування реле РЕС9, РЕС22, РЕС32 та інших, що володіють досить малим споживаним струмом, на напругу спрацьовування в межах 8 ... 12 В. При цьому, можливо, доведеться підібрати резистор R11 і конденсатор С14 з метою ефективного придушення змінної складової, запобігання « брязкоту »контактів реле і помилкових спрацьовувань.
налагодження пристрою
Налагодження пристрою проводите тільки при наявності мережевих запобіжників. Перш ніж почати користуватися обов'язково перевірте правильність монтажу і з'єднань, оскільки помилки можуть привести до виходу з ладу здебільшого деталей і навіть вибуху конденсаторів. В порядку страховки конденсаторний блок можна прикрити коробкою з щільного картону або фанери.
Правильно зібраний пристрій починає працювати відразу. Буде потрібно в основному лише добірка резисторів R6 і R8 для коригування діапазону регулювання струму зарядки. Для цього до виходу блоку підключіть виряджену батарею акумуляторів і добіркою резисторів R6 і R8 встановіть по амперметрі РА1 діапазон регулювання зарядного струму резистором R7.
Якщо при початковому положенні движка резистора R7 струм буде відмінний від нуля, то потрібно зменшити опір резистора R8. Якщо ж струм зарядки стає рівним нулю не в крайньому положенні движка R7, опір цього резистора слід збільшити. Далі движок резистора R7 встановіть в кінцеве положення. Якщо тепер ток зарядки виявиться менше максимального, опір резистора R6 доведеться зменшити, а якщо перевищує - збільшити.
Рис. 3. Вид готового пристрою.
Після цього, встановивши перемикач SA2 в положення "Ручний режим", доведіть батарею до повної зарядки, контролюючи напруга на ньому вольтметром постійного струму. Потім вимкніть пристрій від мережі, переведіть тумблер SA2 в режим "Авт.", А движок резистора R11 - в положення максимального опору. Знову підключіть пристрій до мережі і зменшенням опору резистора R11 добийтеся чіткого спрацьовування реле К1 - пристрій готовий до експлуатації.
Увага! При налагодженні та експлуатації зарядного пристрою необхідно пам'ятати про відсутність гальванічної розв'язки від мережі. Отже, підключати та відключати його від акумуляторної батареї можна тільки при відключеному від мережі вилці шнура живлення.
Література: Радіо 1999/1. стр. 41.
