Сетевой выпрямитель - стабилизатор напряжения и тока

Одна из основных проблем при разработке сетевого выпрямителя - ограничение амплитуды тока зарядки сглаживающего конденсатора в момент включения в сеть. В маломощных выпрямителях для этого на входе устанавливают токоограничивающий резистор или термистор. В более мощных устройствах для повышения КПД ограничивающий резистор шунтируют контактом реле или тринистором, когда напряжение на сглаживающем конденсаторе достигает значения, при котором амплитуда импульсов тока дальнейшей зарядки уже не превысит допустимой.

Схема предлагаемого устройства показана на рис. 1. Управляемый выпрямительный мост собран на двух тринисторах VS1, VS2 и двух диодах VD2, VD4. Конденсатор С5 - сглаживающий. Резистор R16 - датчик тока нагрузки. Диоды VD1 и VD3 вместе с диодами VD2 и VD4 образуют неуправляемый выпрямительный мост, используемый для питания узла управления тринисторами, в который входят остальные элементы. Открывающее напряжение на управляющие электроды тринисторов поступает поочередно через диоды VD1, VD5 или VD3, VD6, в зависимости от полярности полуволны напряжения сети, когда аналог тринистора, собранный на транзисторах VT2 и VT3 открывается напряжением, поступающим на базу транзистора VT3 через резистор R9 при закрытом транзисторе VT1.

Конденсатор С1 заряжается на вершинах полуволн до напряжения UC1:
Uc1 = Um - Uvd8.
где Um - амплитуда напряжения сети; Uvd8 - напряжение стабилизации стабилитрона VD8 (около 7,5 В).
В паузах между импульсами тока зарядки напряжение на конденсаторе С1 уменьшается на величину dUc1 в результате разрядки через резистор R2. Конденсатор СЗ заряжается до напряжения Uvd8, когда мгновенное выпрямленное напряжение сети U превышает Um - (Uvd8 - Uc1). Разряжается конденсатор СЗ через диод VD10 при открывании аналога тринистора VT2VT3.

Пренебрегая падением напряжения на открытых р-n переходах, можно сказать, что на резисторный делитель R4-R6 поступает разность напряжений U-Uc5. При уменьшении этой разности до установленного значения dU транзистор VT1 закрывается, разрешая включение аналога тринистора VT2VT3 и тринисторов VS1 и VS2. Регулировка значения dU осуществляется изменением положения движка подстроечного резистора R5.
Сопротивление резистора R2 влияет на положение момента начала зарядки конденсатора СЗ относительно начала полупериода напряжения сети и совместно с напряжением Uvd8 определяет максимально возможный угол открывания тринисторов, а также максимальный уровень пульсаций выходного напряжения.

Конденсатор С2 устраняет возможность преждевременного открывания тринисторов после момента включения в сеть до тех пор, пока на конденсаторе С1 не установится необходимое напряжение. Резистор R3 разряжает конденсатор С2 после выключения устройства. От его номинала зависит минимальный интервал времени (около 5 с) до повторного включения.

Каскад на транзисторе VT4 обеспечивает стабилизацию выходного напряжения и тока, уменьшая при необходимости значение dU, определяемое положением движка резистора R5. Выходное напряжение регулируют перемещением движка подстроечного резистора R14 в интервале от нуля до максимума Um - Uvd8 - dUc1 - dU (около 250 В).

Когда напряжение на датчике тока нагрузки - резисторе R16 - превышает 0,6 В, транзистор VT4 открывается, в результате чего выходное напряжение снижается, что обеспечивает ограничение и стабилизацию тока нагрузки. Если эта функция не нужна, резистор R16 заменяют перемычкой.

Большинство элементов смонтированы на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой показан на рис. 2. Элементы выпрямительного моста (VS1, VS2, VD2, VD4) выбирают с обратным напряжением не ниже 300 В и не менее чем с двукратным запасом максимального прямого тока по отношению к максимальному току нагрузки. У большинства мощных диодов корпус соединен с катодом, а у тринисторов - с анодом, поэтому диод VD2 и тринистор VS1 удобно смонтировать на одном теплоотводе (аналогично VD4 и VS2).

Конденсаторы С1 и С6 - К73 -17, СЗ и С4 - любые керамические или пленочные. Оксидный конденсатор С2 - К50 -29 или аналогичный импортный. Сглаживающий конденсатор С5 - К50 -17, его емкость выбирают, как для обычного мостового выпрямителя, так, чтобы пульсации выходного напряжения не превышали допустимого для используемой нагрузки значения.

Стабилитроны VD8 и VD13 - микромощные, с напряжением стабилизации 7...10 В при минимальном токе 0,1 мА. Пригодны стабилитроны КС175Ц, КС182Ц, КС191Ц, 2С175Ц, 2С182Ц, 2С191Ц. В крайнем случае, их можно заменить транзисторами серии КТ315 с любым буквенным индексом (базу включают как анод, эмиттер - как катод, коллектор оставляют свободным).

Сначала на плату монтируют все элементы, кроме резистора R8 и конденсатора С5. К выходу подключают нагрузку, например, лампу накаливания мощностью 100...200 Вт. Включают устройство в сеть через разделительный трансформатор и осциллографом проверяют наличие на нагрузке остроконечных импульсов напряжения со спадом, совпадающим с окончанием полуволны напряжения сети. Проверяют, что амплитуда импульсов поддается регулировке перемещением движка подстроечного резистора R5. Устанавливают этот движок в нижнее по схеме положение и подключают конденсатор С5, соединенный последовательно с дополнительным резистором сопротивлением 10...20 Ом, мощностью не менее 10 Вт. Напряжение на конденсаторе С5 должно плавно возрастать за несколько секунд примерно до 290 В с характерным скачком в конце. Если это так, конденсатор С5 подключают, непосредственно удалив дополнительный резистор, и устанавливают резистор R8. Подбирают сопротивление резистора R16 для требуемого уровня ограничения выходного тока.

Поскольку порог срабатывания защиты и максимальную амплитуду пульсаций выходного напряжения определяют оба напряжения dU и dUc1 то при уменьшении сопротивления резистора R2 увеличиваются порог и "резкость" срабатывания защиты. Экспериментально подбирая сопротивление резистора, можно изменить отношение этих напряжений и добиться требуемой нагрузочной характеристики устройства.

Радио №2, 2007г.