Лекция 51. Нестабилизированные источники питания (Занятие 2.4.4).

 

Вопросы:

1.Компоненты линий переменного тока.

2.Трансформаторы.

3.Элементы схемы, работающие на постоянном токе.

 

 

Вопрос 1.  Компоненты линий переменного тока.

Трехпроводная связь. Всегда используйте трехпроводный шнур с нейтральной зеленой жилой, присоединенной к кожуху прибора. Без заземления прибор может оказаться смертоносным в случае пробоя изоляции трансформатора или случайного контакта одной из шин питания (от сети) с кожухом прибора. Если кожух заземлен, то при такой неисправности просто сгорит предохранитель.

Линейный фильтр и устройство подавления переходных процессов. В этой схеме мы применяем простой сетевой LC -фильтр. Вообще часто обходятся без таких фильтров, но с ними лучше, во-первых, потому, что они препятствуют возможному радиоизлучению из силовых проводов, а во-вторых, потому, что эти фильтры убирают помехи, которые наводятся извне в линии питания. Фильтры для линий питания с великолепными параметрами выпускают несколько фирм, например Corcom, Cornell-Dubilier, Sprague. Эксперименты показали, что большие всплески (от 1 до 5 кВ) иногда случаются в любых линиях сетевого питания, а всплески поменьше встречаются чаще.

Сетевые фильтры довольно эффективно снижают действие таких помех. В многих ситуациях желательно использование «гасителя переходных процессов», показанного на схеме. Это — устройство, которое проводит ток, как только напряжение на его выводах превосходит определенный предел (действует как двусторонний высоковольтный стабилитрон). Устройства эти невелики и дешевы и могут гасить опасные импульсы тока в сотни ампер. Гасители переходных процессов выпускаются многими фирмами, например GE и Siemens.

Плавкий предохранитель. Плавкий предохранитель — существенная деталь любого предмета электронного оборудования. Большие щитовые предохранители на 15–20 А не защитят электронное оборудование, поскольку они срабатывают только в случае превышения общего расчетного тока проводки. Например, если проводка в здании сделана проводами четырнадцатого номера сечения, то предохранители будут рассчитаны на 15 А. Если же замкнется накоротко конденсатор фильтра в только что рассмотренной схеме (довольно обычная неисправность), то ток в первичной обмотке трансформатора может достичь 5 А вместо обычного 0,25 А. Общий предохранитель не сгорит, но ваш прибор превратится в электроплитку или костер, поскольку на трансформаторе будет рассеиваться мощность более 500 Вт!

Несколько замечаний о плавких предохранителях. Во-первых, в блоках питания лучше использовать медленно действующие предохранители, поскольку имеют место большие токи переходных процессов при включении (например, при зарядке конденсаторов фильтра). Во-вторых, вы можете кое-что недоучесть при расчете номинального тока срабатывания предохранителя. Дело в том, что в источнике питания постоянного тока велико отношение эффективного (действующего) значения тока к его среднему значению ввиду малости угла проводимости (части цикла, когда диоды выпрямителя находятся в проводящем состоянии). Проблема усугубляется, когда конденсаторы фильтра имеют большую емкость. В результате эффективное значение тока будет значительно выше, чем вы могли бы предположить. Лучше всего в этой ситуации поступать следующим образом: измерить ток амперметром «истинного действующего значения», а затем выбрать предохранитель с током срабатывания по меньшей мере на 50 % большим измеренной величины (чтобы учесть перенапряжение в сети, эффект «усталости» предохранителя и т. п.).

Подводя провода к держателю предохранителя (к тому, что обычно применяется для предохранителей 3AG, которые почти универсальны для любого электронного оборудования), делайте это таким образом, чтобы человек, меняющий предохранитель, не мог случайно коснуться силовой линии. Для этого нужно «горячий» провод подводить только к заднему выводу предохранителя.

Серийно выпускаемые сетевые коннекторы с встроенным держателем предохранителя сделаны обычно так, что предохранитель нельзя достать, не сняв разъем питания.

Риск электрического удара. Из изложенного следует, что неплохо было бы все места соединений внутри прибора, на которых есть напряжение сети, изолировать тефлоновыми трубками («кембриками»), дающими усадку при нагревании (использование внутри электронных приборов «фрикционной» ленты или электрической изоляционной ленты - это чистая партизанщина). Поскольку большинство транзисторных схем работает на относительно низких постоянных напряжениях — от ±15 до ± 30 В или около, единственное место в большинстве электронных приборов (конечно, есть и исключения), где может стукнуть током, — это провода силового питания. Очень коварен в этом отношении выключатель на передней панели устройства, так как он близок к другой, низковольтной, проводке. Ваш измерительный прибор (в худшем случае — ваши руки) может легко вступить в контакт с этим напряжением при измерительных работах.

Полезные мелочи. Мы предпочитаем использовать «входные силовые модули», включающие в себя 3-контактный разъем IEC (позволяющий вытаскивать шнур сетевого питания) и некоторый набор из сетевого фильтра, держателя предохранителя и сетевого выключателя. Например, разъемы серии FN380 фирмы Schaffner (или серии L фирмы Corcom) имеют все перечисленные компоненты и могут пропускать ток до 2–6 А. Есть модификации разъемов этой серии, позволяющие включать плавкие предохранители и разрывать при выключении одну или обе линии сети, и кроме того, они имеют фильтры нескольких конфигураций. Перечислим еще несколько изготовителей подобного типа разъемов: это фирмы Curtis, Delta и Power Dynamics.

Вопрос 2. Трансформаторы.

Никогда не стройте прибора, работающего от сети переменного тока без трансформатора. Так поступать — это играть с огнем. Бестрансформаторные источники питания, предпочитаемые некоторыми потребителями электронной аппаратуры (радиоприемники, телевизоры и т. д.) за их дешевизну, ставят схему под высокое напряжение по отношению к внешнему заземлению (водопроводные трубы и т. п.). Этого не должно быть в приборах, предназначенных для связи с каким-либо другим оборудованием, и вообще этого следует избегать. Будьте крайне осторожны, работая с подобным оборудованием: даже простое подключение щупа осциллографа к шасси может дать очень неприятный эффект.

Выбор трансформатора — более сложное дело, чем можно было бы ожидать. Одна из причин заключается в том, что изготовители долго раскачивались с выпуском трансформаторов на те значения напряжения и тока, которые подходят для транзисторных схем (каталоги забиты трансформаторами, разработанными еще для электронных ламп), и нужный вам трансформатор часто приходится мотать самому, чего вам совсем не хочется. Отличается от прочих фирма Signal Transformer Company, предлагающая большой выбор трансформаторов и быстро их поставляющая. Не проглядите возможность получить трансформаторы, сделанные на заказ, если вам их требуется больше нескольких штук.

Даже если считать, что у вас есть такой трансформатор, какой вы хотите, все равно еще надо решить, какие величины напряжения и тока будут для вас наилучшими. Чем меньше входное напряжение стабилизатора, тем меньше рассеяние мощности на проходном транзисторе. Но надо быть абсолютно уверенным в том, что входное напряжение стабилизатора не упадет ниже необходимого минимума — обычно от 2 до 3 В над уровнем стабилизированного напряжения, — иначе можно получить провалы стабилизированного уровня с пульсациями на удвоенной частоте сети. Здесь сказываются пульсации нестабилизированного напряжения, поскольку существует минимум входного напряжения для стабилизатора, превышающий некоторое критическое напряжение.

Рассеяние мощности на транзисторе определяется средним значением входного напряжения стабилизатора. Для примера: в стабилизаторе на +5 В можно иметь входное напряжение +10 В при минимуме пульсации, которая сама по себе может легко достигать 1–2 В. Зная напряжение во вторичной обмотке, можно получить довольно точную оценку напряжения постоянного тока, снимаемого с выпрямительного моста: на вершине пульсации это пик выпрямленного напряжения, приблизительно в 1,4 раза больший среднеквадратичного значения напряжения вторичной обмотки, за вычетом падения напряжения на двух диодах. Однако нужно провести и практические измерения, если вы стараетесь построить стабилизатор с минимальным падением напряжения на нем, так как истинное значение выходного напряжения нестабилизированного источника питания зависит также от параметров трансформатора, которые трудно учесть заранее: сопротивление обмотки и магнитная проницаемость сердечника, которые влияют на напряжение под нагрузкой. Удостоверьтесь, что измерения производятся в наихудших условиях: полная нагрузка и минимальное напряжение питающей сети. Помните, что большие конденсаторы фильтра имеют очень большой разброс: от —30 до +100 %. Есть смысл применять трансформаторы с набором входных клемм на первичной обмотке, если они доступны, для окончательной регулировки выходного напряжения. Трансформаторы серий Triad F-90X и Stancor ТР обладают в этом смысле большой гибкостью.

Еще одно замечание о трансформаторах: иногда расчет тока делается для эффективного тока вторичной обмотки, в частности для трансформаторов для работы с омической нагрузкой (например, для трансформаторов накала). Так как схема выпрямителя проводит ток в течение только малой части цикла (в то время, когда конденсатор действительно заряжается), эффективное значение тока и рассеиваемая мощность (I²R) могут превзойти допустимое значение тока нагрузки, соответствующее расчетному среднеэффективному значению. Ситуация усугубится, если увеличить емкость конденсатора для сглаживания пульсаций до стабилизатора, — это просто потребует большей мощности трансформатора. В этом отношении лучше двухполупериодный выпрямитель, поскольку он использует большую часть периода напряжения переменного тока.