Рис. 5.15.Источник питания с конденсаторным делителем напряжения
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 определенный 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° 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. Выходное напряжение Uвых и полный выходной ток (стабилитрона и нагрузки Iвых) источника по схеме рис. 5.14, а связаны следующим образом: (Iвых = 4∙f∙C1(2Uc - Uвых).
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. 5.15, a Uc - на Uc21 (напряжение на конденсаторе С2 при Rн = 1), т. е. Uc21 ч = Uc∙С1/(С1 + С2). Тогда Iвых = 4∙f∙(C1 + C2)∙[UcC1∙√2/(C1 + С2) - Uвых или после очевидных преобразований Iвых = 4f∙C1[Uc∙√2 - Uвых(1 + С2/С1)].
Поскольку падение напряжения на диодах моста Uд при малых значениях Uвых становится заметным, получим окончательно Iвых = 4∙f∙C1[Uc∙√2 - (Uвых + 2Uд)(1 + С2/С1)].
Из формулы видно, что при Rн = 0 (т. е. при Uвых = 0) ток Iвых, если пренебречь падением напряжения на диодах, остается таким же, как у источника питания, собранного по схеме рис. 5.14, а. Напряжение же на выходе без нагрузки уменьшается: Uвых = [UcC1∙√2/(C1 + С2] - 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 C1 = 1 мкФ, а С2 = 4 мкФ, то напряжение Uc, будет равно 4/5 напряжения сети, a Uc2 = Uc/5, что при напряжении сети Uc = 220 В соответствует 176 и 44 В. Необходимо учесть, что амплитудное значение напряжения почти в 1,5 раза превышает действующее, и надо 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. 5.16) на ток нагрузки до 0,3 А и источник бесперебойного питания для кварцевых электронно-механических часов (рис. 5.17).
Рис. 5.16.Схема пятивольтного источника питания общего назначения с конденсаторным делителем напряжения
Рис. 5.17.Схема источника бесперебойного питания для кварцевых электронно-механических часов с конденсаторным делителем напряжения
Делитель напряжения пятивольтного источника состоит из бумажного конденсатора С1 и двух оксидных С2 и С3, 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 Rн = 0) равен 600 мА, напряжение на конденсаторе С4 в отсутствие нагрузки - 27 В.
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, С3. Без нагрузки напряжение на конденсаторе С3 не превышает 12В.
5.5.6. Блок питания с регулируемым выходным напряжением
Это устройство может применяться как переносной источник стабилизированного напряжения при налаживании и испытании различных устройств на транзисторах. Блок питания обеспечивает получение стабилизированного постоянного напряжения до 12 В при силе тока через нагрузку до 250…300 мА. Принципиальная схема блока питания приведена на рис. 5.18, а.
Рис. 5.18,а) схема блока питания с регулируемым стабилизированным напряжением
Он состоит из сетевого трансформатора TV1, двухполупериодного мостового выпрямителя на диодах VD1-VD4 и конденсатора С1, сглаживающего пульсации выпрямленного напряжения, стабилизатора напряжения на стабилитроне и транзисторах VT1, VT2. Выходное напряжение плавно регулируется переменным резистором R2 от долей вольта до 12 В. При увеличении силы тока нагрузки до 250…300 мА величина выходного напряжения остается практически постоянной. Трансформатор TV1 понижает напряжение сети до 12… 14 В, после выпрямления напряжение на конденсаторе С1 равно 16…18 В. Особенность двухполупериодного мостового выпрямителя с конденсатором на выходе состоит в том, что с изменением емкости конденсатора С1 или сопротивления нагрузки Rн изменяется значение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения, т. е. изменяется переменное напряжение с удвоенной частотой основной гармоники. При τразр >= 10Т коэффициент пульсаций равен: