Шапка

9.5 Сеть переменного тока и нерегулируемые источники

Регулируемые источники запитываются от силовой сети переменного тока 36 через «нерегулируемый источник питания», который упоминается в §1.6.2 в теме выпрямителей и расчёте амплитуды пульсаций. До настоящего момента разбирались линейные стабилизаторы. Нерегулируемые источники, рассчитанные на работу с ними, используют трансформатор для гальванической развязки выхода ( рис. 9.48 ) от опасного потенциала силовой сети ( 120 V в США и ещё паре мест, 220...240 V во всех прочих странах ) и преобразования входного напряжения, в потенциал, нужный линейному регулятору. Ключевые источники не имеют входного понижающего трансформатора и создают выходное напряжение прямо из выпрямленного сетевого напряжения ( ∼160 Vdc или ∼320 Vdc ). Обязательная гальваническая изоляция 37 обеспечивается в другом трансформаторе, который стоит после схемы ключей 38 .

Рис. 9.48   Сетевые источники питания ( «offline» ) с переменным током на входе и постоянным на выходе. (A) В линейном источнике питания силовой трансформатор обеспечивает гальваническую изоляцию и преобразование входного напряжения. (B) В ключевом преобразователе сетевое напряжение сначала выпрямляется, а затем подаётся на высоковольтный ключевой преобразователь. PFC блок занят коррекцией коэффициента мощности, см. §9.7.1.C

Трансформаторная изоляция в источниках питания используется там, где особая стабильность не требуется, например, в мощных звуковых усилителях. Рассмотрим конструкцию блока питания поподробнее. Начнём тему со схемы 9.49. Это нерегулируемый источник на ±50 V ( номинальная величина ) со средней точкой и на ток 2A , чего достаточно для 100 W линейного звукового усилителя мощности. Разбор схемы пойдёт слева направо. Важные особенности конструкции будут отмечаться особо.

Рис. 9.49   Нерегулируемый источник ±50 V, 2A

9.5.1 Компоненты, относящиеся к силовой сети переменного тока

9.5.1.A Трёхпроводное соединение

Силовую сеть в прибор надо всегда заводить по 3-проводной линии с зелёным ( или желто-зелёным ) проводом заземления, подключаемым к корпусу. Если изоляция трансформатора откажет или одна из входных линий замкнётся на элементы конструкции, на корпус прибора без защитного заземления может попасть смертельный потенциал. При наличии защитного заземления такая неисправность просто выжгет предохранитель. Сейчас ещё можно встретить приборы с жёстко заделанным в корпус шнуром питания, но правильнее использовать рекомендованный Международной Электротехнической Комиссией ( IEC ) монтируемый на корпус трёхножевой соединитель, к которому подключается стандартный сетевой шнур. Такой вариант не только позволяет отсоединять шнур, но даёт возможность использовать нарисованный на схеме «комбинированный сходной силовой модуль», содержащий IEC разъём, держатель предохранителя, входной противопомеховый фильтр и сетевой выключатель. Отметим, что цветовая маркировка проводов не интуитивна: чёрный – «фаза», белый – «нейтраль», зелёный – «земля» ( или «защитная земля» ) 39 .

9.5.1.B Предохранитель

Предохранитель, расцепитель или иное аналогичное устройство должно стоять в каждом электронном изделии. Держатель предохранителя, сетевой фильтр и выключатель часто заключают в единый блок, но, если очень хочется, можно развести каждый элемент отдельно. Мощные рубильники на 15...20 A в квартирном или лабораторном щите не способны защитить электронное оборудование: их рассчитывают на защиту сетевой проводки в стенах. Например, домашняя сеть, разведённая проводом AWG14, снабжается рубильником на 15 A . Если в один прекрасный день в накопительном конденсаторе в блоке питания произойдёт короткое замыкание ( это вполне обычная неисправность ), трансформатор может начать потреблять из сети ток до 10 A , вместо обычных 2...3 A . Рубильник при этом не сработает, а трансформатор, рассеивающий более киловатта, превратит прибор в электроплитку.

Дополнительные замечания о предохранителях

  1. Для цепей, которые находятся под потенциалом сети, лучше использовать «медленные» плавкие вставки, потому что они спокойно относятся к переходным процессам при включении, вызванным быстрой зарядкой конденсаторов в блоке питания.
  2. Вы, возможно, полагаете, что можете посчитать необходимый номинал предохранителя, но это не так. Трансформаторный блок питания такой конструкции 40 имеет очень большое отношение среднеквадратического значения тока к среднему. Оно определяется малым углом проводимости, т.е. той частью цикла сетевой частоты, в течение которой диоды находятся в проводящем состоянии. При попытке увеличить ёмкость фильтра ситуация только ухудшается [* см. §X9.6 ] . В итоге RMS значение тока оказывается заметно большим, чем можно было бы предположить. Самый правильный путь - померить реально потребляемый ток с помощью измерителя среднеквадратического тока, а затем выбрать номинал с 50% запасом ( дабы учесть изменения сетевого напряжения, эффекты «усталости» предохранителя и т.п. ). [* Вот ещё дополнение о пусковых токах трансформатора #47 ] .
  3. При разводке держателя предохранителя цилиндрической формы ( 3AG/AGC/MDL ), используемых повсеместно, подводите «горячий» конец к заднему контакту держателя, чтобы человек, заменяющий предохранитель, не попал под напряжение ( один из авторов вывел этот совет на основании собственного опыта! ). Коммерческие модули подвода напряжения обычно делаются так, чтобы доступ к предохранителю открывался после отсоединения шнура питания.

9.5.1.C Выключатель

На схеме 9.49 выключатель является частью входного блока, что удобно для разработчика и монтажника, но заставляет тянуться к задней стенке каждый раз, когда надо включить устройство. При использовании выключателя на передней панели будет правильно поставить параллельно его выводам конденсатор, нормированный на работу при сетевом напряжении. Такие конденсаторы называют «X1» и «X2». Они предотвращают появление искры. По тем же соображениям стоит повесить конденсатор параллельно первичной обмотке трансформатора, но об этом побеспокоился производитель входного модуля, который уже добавил в него фильтр нижних частот.

9.5.1.D Фильтр нижних частот

Его часто забывают, но ФНЧ на входе позволяет предотвратить передачу в силовую сеть радиочастотных наводок ( RFI ) из прибора и защищает от помех, гуляющих по сети. Обычно ставят «π–секцию» - LC фильтр на связанных катушках индуктивности, показанный на схеме. Фильтры для силовой сети с отличными характеристиками выпускаются многими производителями, в числе которых Corcom, Cornell-Dubilier, Curtis, Delta, Qualtek и Schurter. 41 Исследования показали, что практически нет мест, где в сети не встречались бы импульсы амплитудой 1...5 kV , а броски с меньшей амплитудой встречаются достаточно часто. ФНЧ для силовой линии в сочетании с подавителем переходных процессов ( см. ниже ) достаточно эффективно давят такого рода наводки, а значит, продлевают жизнь блока питания и питаемого оборудования.

9.5.1.E Конденсаторы, нормированные на сетевое напряжение

Конденсаторы, предназначенные для сетевых фильтров, должны соответствовать специальным требованиям пожарной- и электробезопасности. Среди прочих там есть требование самовосстановления, т.е. самостоятельного выхода из состояния внутреннего пробоя 42 . Есть два класса конденсаторов, сертифицированных для работы при сетевом напряжении: «X» конденсаторы ( X1, X2, X3 ) и «Y» ( Y1, Y2, Y3, Y4 ). X-конденсаторы допускается использовать в местах, где авария не вызовет опасность поражения электрическим током, например, поперёк силовой линии. \( C_X\) на рис. 9.49 - это обычный конденсатор X2 , нормированный на 250 Vac и пиковое напряжение 1.2 kV . Y-конденсаторы используются для развязки фазовых линий и земляного потенциала, где пробой может вызвать поражение электрическим током. \( C_Y\) на рис. 9.49 - конденсатор Y2 , нормированный на 250 Vac, с пиковым напряжением 5 kV. X- и Y-конденсаторы бывают дисковые, керамические и плёночные. Последние имеют пламезащитные прямоугольные корпуса. Их очень легко найти на плате: по разнообразным отметкам национальных стандартов безопасности 43 , покрывающим поверхность корпуса ( рис. 9.50 ).

Рис. 9.50   Конденсатор, предназначенный для работы под сетевым напряжением, весь усыпан отметками о стандартах безопасности ( справа ), а обычный плёночный с такими же параметрами - скромен и невзрачен ( слева )

Напутственное слово о сетевых конденсаторах. В момент извлечения сетевой вилки прибора из розетки X-конденсатор может продолжать хранить полное пиковое напряжение сети переменного тока, т.е. 325 V , причём это напряжение будет присутствовать и на клеммах сетевой вилки! Чтобы избежать возможного поражения током или повреждения другой аппаратуры, параллельно X-конденсатору ставят резистор, образующий постоянную времени порядка секунды 44 . В фильтре Qualtek RFI ставят 1 MΩ , в ключевом преобразователе Astrodyne ( §9.8 ) используют 540 kΩ . Последний рассеивает 100 mW всё время, пока к модулю приложены 220 Vac , что составляет большую часть потери энергии в режиме ожидания, допускаемую стандартом «Energy Star». Фирма Power Integrations предлагает решение проблемы - микросхему CAPZero™, которая фиксирует реверс напряжения линии каждые 20 ms или менее и, если напряжение перестаёт меняться, подключает к X-конденсатору разряжающий резистор.

В некоторых устройствах имеются накопительные конденсаторы, работающие при достаточно высоком напряжении, которые тоже надо разряжать при выключении. Большая ёмкость не позволяет использовать ИМС CAPZero™. В такой ситуации надо использовать нормально замкнутые контакты реле и подавать на него питание [* размыкать контакты] , когда есть напряжение сети. Или, если наличие электромеханики не вариант, можно использовать высоковольтный обеднённый МОП транзистор из табл. 3.6 ( стр. 210 ) и фотогальванический драйвер, см. §12.7.5 и рис. 12.91A .

9.5.1.F Подавитель переходных процессов

Во многих случаях очень полезно использовать «подавитель переходных процессов», он же «металл-оксидный варистор» ( MOV ), см. рис. 9.49. Он проводит ток, если напряжение на выводах превышает заданный уровень, чем походит на двухсторонний мощный стабилитрон. Это дешёвые мощные компоненты, способные отводить сотни ампер, попадающих в прибор в виде опасных выбросов сетевого напряжения. Отметим наличие теплового предохранителя. Он спасает положение, когда варистор начинает проводить какой-то ток постоянно ( такая ситуация возможна, если напряжение в сети сильно повышается, или старый и заслуженный варистор сильно сдал по напряжению срабатывания, накопив достаточное количество защитных циклов ). Подавители переходных процессов выпускают Epcos, Littelfuse, Panasonic. Тема подавления разрядов и выбросов достаточно интересна и продолжается в Части X9 .

9.5.1.G Защита от поражения током

Все места в приборе, где может присутствовать напряжение силовой сети, должны быть изолированы. Удобнее всего делать это термоусадочными трубками ( использовать внутри прибора тряпочную или хлорвиниловую изоленту - это жуткий колхоз [* джапы, кстати, активно пользуют тряпичную, вернее, тканную] ). Современные электронные схемы работают при относительно низких напряжениях ( ±15 V и менее ), которые не представляют опасности, поэтому единственной зоной, где можно получить электрический удар, является место ввода сетевого напряжения ( бывают, конечно, и исключения ). Сетевой выключатель на передней панели особенно коварен в этом отношении, потому что находится рядом с низковольтными цепями. Тестовыми щупами или пальцами легко прикоснуться к выводам в ходе отладки.

9.5.2 Трансформатор

Плавно переходим к трансформатору. Никогда не делайте приборы с бестрансформаторным питанием от сети! Это игра с огнём! Такие источники были популярны одно время в потребительской электронике ( радио- и телеприёмники ) из-за дешевизны. Но они создают опасность появления на органах управления смертельного потенциала относительно внешних заземлённых элементов ( водопроводных труб и т.п. ) 45 . Таким схемам не место в оборудовании, которое может подключаться к другим приборам, и подобных решений стоит избегать в любом случае. При работе с бестрансформаторными схемами следует соблюдать особую осторожность: простое прикосновение щупа осциллографа к шасси может обогатить жизненный опыт непередаваемыми ощущениями электрического удара.

Выбор трансформатора чуть более запутанное дело, чем можно было бы ожидать. Найти трансформатор, точно подходящий под имеющиеся требования, бывает достаточно трудно. В этом вопросе приятно выделяется фирма Signal Transformer Company: большой выбор моделей и быстрая доставка. Кроме того, она может помочь с изготовлением заказных трансформаторов, если их нужно достаточно много.

Даже если с самим трансформатором проблем нет, надо выбрать номинальное напряжение и ток. Если нерегулируемый источник питает линейный стабилизатор, то напряжение на регулирующем элементе стоит держать на возможно более низком уровне, чтобы минимизировать рассеиваемую мощность. Однако одновременно надо обеспечить гарантированный запас по напряжению, необходимый для работы регулятора ( где-то на 2V выше, чем выходное напряжение при использовании типового LM317 или от 0.5 до 1V для LDO ). В противном случае на регулируемом выходе появятся пульсации с удвоенной частотой сети. При расчётах надо использовать нижний предел сетевого напряжения - на 10% ниже номинала ( 105 Vac для США или 205 Vac для ЕС) или даже аварийное значение - на 20% ниже номинала. Без некоторых пульсаций на входе стабилизатора здесь не обойдётся, потому что речь идёт о минимальном входном напряжении регулятора, которое, тем не менее, должно быть выше, чем некоторое критическое значение ( см. рис. 1.61 ). А вот рассеиваемая мощность определяется средним значением входного напряжения стабилизатора.

В нашем примере для стабилизированных +5V надо иметь нерегулируемое напряжение +10 V с минимумом пульсаций, которые могут иметь амплитуду Vpp =1..2 V . Требования к нерегулируемому напряжению дают уровень на выходе выпрямителя, потому что пиковое напряжение здесь ( максимальная амплитуда с учётом пульсаций ) в \(\sqrt{2}\) раз больше, чем среднеквадратическое напряжение на вторичной обмотке минус падение напряжения на выпрямителе. Но в любом случае, если нужно сделать блок питания с возможно меньшим падением на регуляторе, то придётся браться за вольтметр, потому что выходное напряжение зависит от плохо документированных параметров трансформатора - сопротивления обмоток и их магнитной связи ( индуктивности потерь ). Обе величины влияют на просадку напряжения под нагрузкой. Измерения надо делать в наихудших условиях: при полной нагрузке и самом низком напряжении сети ( 105 V ). Следует учитывать, что накопительные конденсаторы большой ёмкости имеют допуск номинала –30...+100% . Правильнее всего использовать трансформатор с несколькими отводами первичной обмотки ( скажем, серия Triad F-90X), если таковой найдётся, чтобы иметь возможность подстроить напряжение.

Схема 9.49 должна выдавать ±50 V при полной нагрузке. Добавим два падения на диоде ( выпрямительный мост ), значит, нужен трансформатор с пиковой амплитудой ∼52 V или 37 Vrms . Среди доступных есть модели на 40 Vrms . Возможно, это даже лучше, потому что есть запас на сопротивление обмоток и индуктивность рассеяния, которые вместе чуть уменьшают выходное напряжение.

Важное замечание. Токовые параметры трансформаторов указывают в виде среднеквадратического тока вторичной обмотки. Из-за того, что выпрямитель проводит ток только малую часть периода ( в момент, когда заряжается накопительный конденсатор ), среднеквадратический ток ( и нагрев, пропорциональный I2R ) будет гораздо выше, чем средний ток вторичной обмотки. Поэтому трансформатор надо выбирать с запасом по току ( типовое значение ∼2× ). Увеличение ёмкости накопительного конденсатора только усугубляет ситуацию, хотя снижает пульсации на выходе. Двухполупериодный выпрямитель в такой ситуации лучше, потому что использует несколько большую часть периода сетевой частоты. Для схемы 9.49 реальные измерения среднеквадратического тока показали 3.95 A , при среднем токе нагрузки 2A . Форма тока ( рис. 9.51 ) имеет ярко выраженную импульсную форму с пиками в момент зарядки накопительных конденсаторов.

Неспециалист, вероятно, ожидает, что угол проводимости ( та часть угла, в течение которой через обмотку течёт ток ) можно оценить по двухшаговой схеме:

  1. рассчитать разряд конденсатора за время одного полупериода [* для двухполупериодного выпрямителя] по формуле \(I=C( dV/dt )\) и
  2. вычислить время той части цикла, когда выход выпрямителя превышает потенциал на конденсаторе.

Попытка хорошая, но не учитывает важных эффектов от сопротивления обмоток, индуктивности рассеяния и ESR накопительного конденсатора, каждый из которых увеличивает угол проводимости 46 . Правильнее всего провести прямые измерения, возможно, проведя предварительно моделирование схемы в SPICE. Результаты такого подхода будут показаны в §9.5.4.

9.5.3 Компоненты цепей постоянного тока

9.5.3.A Накопительный конденсатор

Накопительные конденсаторы ( иногда называемые конденсаторами фильтра ) выбираются достаточно большой ёмкости, чтобы снизить величину пульсаций, и с рабочим напряжением, соответствующим наихудшему сочетанию условий: отсутствию нагрузки и высокому сетевому напряжению ( 125...130 Vrms ).

Сейчас полезно вновь взглянуть на §1.6.3.A , где вопрос пульсаций поднимался первый раз. В общем случае их можно рассчитать с достаточной точностью, предположив, что ток нагрузки постоянен и равен средней величине потребления. Здесь следует заметить, что стабилизатор напряжения, на который часто работает нерегулируемый источник, выглядит именно как потребитель постоянного тока ( источник тока ). Такое предположение упрощает расчёты, потому что разряд конденсатора становится линейным, и не надо думать о постоянных времени и экспонентах. Результаты измерений на рис. 9.51, полученные с использованием резистивной нагрузки, показывают, что такое упрощение вполне допустимо.

Для схемы 9.49 требуется снизить пульсации на нагрузке 2A до 1 Vpp . Из уравнения \(I=C( dV/dt )\) , и имея в виду, что \(Δ t\) =8.33 ms , получаем \( C=I(Δ t/Δ V) \) =16700 μF . Ближайшие значения рабочего напряжения 63 и 80 V . Во избежание возможных проблем в будущем взята последняя цифра. Конденсаторы 16000 μF/80 V имеют довольно большие размеры ( 40 mm диаметр и 80 mm длина ), поэтому заменены двумя параллельными 8200 μF ( 35 mm диаметр и 50 mm длина ). Параллельное соединение снижает общую последовательную индуктивность конденсатора. Хорошая инженерная практика диктует необходимость использования накопительных конденсаторов, у которых допустимый ток пульсаций заведомо больше, чем значение, получаемое по среднему потребляемому току и углу проводимости. В схеме 9.49 средний ток равен 2A , из чего получается среднеквадратический ток обмотки и накопительного конденсатора порядка 4A . Выбранные конденсаторы имеют цифры 5.8 Arms при 85°C для каждого, или 11.6 A для параллельного соединения \( C_1 \) и \( C_2\) . На «заведомость» грех жаловаться! Можно подсчитать ещё нагрев по величине ESR ( 0.038 Ω max ) на один конденсатор. Итого, 19 mΩ на каждый, следовательно, мощность \( P=(Irms )^2R_{ESR}\) или ∼0.15 W на один конденсатор.

При выборе конденсаторов фильтра следует проявлять разумную сдержанность: конденсаторы избыточной величины не только занимают дополнительное место, но и увеличивают нагрев трансформатора ( уменьшают угол проводимости, т.е. увеличивают отношение среднеквадратического тока к среднему ) и увеличивают нагрузку на выпрямитель. Кроме того, следует учитывать меньшую точность номинала накопительных конденсаторов –30...+100% против ±20% у обычных электролитов.

Резисторы \(R_2\) и \(R_3\) , замыкающие выходные клеммы, призваны обеспечить минимальную нагрузку на блок питания ( чтобы напряжение на ненагруженный выход не росло ) и гарантировать разряд накопительных конденсаторов после выключения питания. Очень полезные функции, потому что остаточный заряд на конденсаторах может вызвать повреждения схемы, если кто-либо полезет с инструментом внутрь, думая, что напряжение снято.

9.5.3.B Выпрямитель

Первое, что следует отметить, диоды, используемые в источниках питания ( часто называемые «выпрямителями» ) сильно отличаются от малосигнальных собратьев 1N914 и 1N4148. Сигнальные диоды оптимизируются для повышения быстродействия ( несколько наносекунд ), снижения утечек ( единицы наноампер ) и снижения ёмкости ( единицы пикофарад ). Они могут пропускать ток до 100 mA , и напряжение пробоя редко превышает 100 V . Выпрямительные диоды и мосты - внушительные элементы с рабочими токами в диапазоне 1...25 A и с напряжением пробоя часто превышающим 1000 V . У них достаточно высокие токи утечки ( от микроампер до миллиампер ) и большие ёмкости перехода. Выпрямители общего назначения, которые используются в схеме 9.49, имеют низкое быстродействие, которое не требуется для работы на частоте силовой сети. И наоборот, ключевые источники питания требуют использования быстродействующих диодов, потому что их рабочие частоты лежат в диапазоне от десятков килогерц до мегагерц. В таких местах используют диоды с барьером Шоттки и быстрым «временем восстановления» ( или МОП транзисторы в «синхронных выпрямителях» 47 ).

Типичные выпрямители общего назначения популярных серий 1N4001-1N4007 нормируются на ток 1A , а 1N5400-1N5408 - на 3A . Обратное пробивное напряжение от 50 до 1000 V Диоды Шоттки 1N5817-1N5822 с осевыми выводами допускают ток 1...3 A и обратное напряжение 20...40 V . Выпрямители на большие токи требуют теплоотвода и упаковываются в корпуса мощных транзисторов ( DDPAK, TO-220 и т.д. ) или специальные диодные корпуса с резьбовым креплением. Примером являются MBR1545 и 30CTQ045 ( диоды Шоттки в корпусах TO-220 или DDPAK на 15 A и 30 A при напряжении 45 V ) и MUR805-MUR1100 ( TO-220, 6A , напряжение до 1 kV ). Очень популярны уже готовые мосты. Модели с выводными пластиковыми корпусами имеют рабочие токи 1...6A , а с корпусами под монтаж на теплоотвод - более 35 A 48 .

9.5.3.C Демпфирующая цепочка

Последовательную RC цепь, включённую параллельно вторичной обмотке ( рис. 9.49 ) часто опускают, чего делать не стоит. Самый простой линейный нерегулируемый источник постоянного напряжения обладает неожиданными способностями создавать помехи микросекундного диапазона с заметной амплитудой, которые отлично прлезают в первичную сеть и творят всякие непотребства. Оказывается, пара неидеальных компонентов - трансформатор с индуктивностью рассеяния и выпрямитель с временем обратного восстановления могут спеть дуэтом, разбрасывая вокруг иголки амплитудой десятки вольт. Это отвратительное явление легко гасится последовательной RC цепочкой – «снаббером». В данном вопросе есть ещё интересные детали и драматические примеры, см. §X9.6 .

9.5.4 Нерегулируемый источник со средней точкой: реальные параметры

Для того чтобы понять, насколько точно реальное устройство соответствует исходным представлениям о нём, по схеме 9.49 был собран настоящий источник питания. На рис. 9.51 показаны диаграммы напряжения и тока на вторичной обмотке ( нижние лучи ) и постоянное напряжение на выходе при нагрузке 2A ( верхние лучи ). Картина хорошо согласуется с ожиданиями.

  1. Пульсации имеют величину 0.8 Vpp , т.е. чуть ниже ожидаемых 1 Vpp . Расчёты делались с запасом в предположении, что накопительный конденсатор питает нагрузку в течение полного периода сети 1/(2\( f_{ac}\)) или ∼8 ms ), в то время как через 6 ms он начинает заряжаться.
  2. Выходное напряжение 54 V несколько выше расчётного, частично из-за разброса параметров трансформатора, рассчитанного на нагрузку 4A , частично из-за чуть более высокого ( +3% от номинала ) сетевого напряжения в лаборатории. Без нагрузки напряжение увеличивается до 60 V , что характерно для нерегулируемых источников.
  3. Ток трансформатора зажат в довольно малые углы проводимости ( 60° из каждых 180° одного полупериода ), что тоже соответствует ожиданиям. Видно, что в момент протекания тока во вторичной обмотке напряжение на ней выполаживается током нагрузки за счёт совместной работы индуктивности рассеяния и активного сопротивления обмоток 49 .

Для нагрузки 2A среднеквадратическое значение тока обмотки составляет 3.95 Arms , что вызывается уменьшением угла проводимости: средний ток обмотки равен постоянному току нагрузки, а среднеквадратический ток больше [* мощность, снимаемая с трансформатора равна ( без учёна потерь ) мощности в нагрузке, т.е. имеем гладкий «треугольник» половины периода - половину синусоиды при полном угле проводимости. При уменьшении угла основание «треугольника» уменьшается, но площадь остаётся неизменной, значит, начинает расти его высота, она же - среднеквадратический ток] . Иногда это явление описывается как снижение коэффициента мощности ( отношения средней входной мощности к среднеквадратической входной мощности ). Данный эффект имеет большое значение для ключевых источников питания. При некоторой изворотливости ума возможно придумать схему, которая будет выпрямлять входное переменное напряжение с коэффициентом мощности, близким к единице. Для этого используются специальные входные модули, называемые «корректорами коэффициента мощности» ( PFC ). Знакомство с ними произойдёт в §9.7.1.C.

Моделирование блока питания в SPICE. Чтобы понять влияние неидеальностей компонентов ( сопротивления обмоток, индуктивности рассеяния в трансформаторе и паразитного последовательного сопротивления в конденсаторах ) схема была промоделирована в программе SPICE ( см. Приложение _J ). Были измерены параметры, которые можно измерить ( например, сопротивление и индуктивность обмоток ), найдены параметры компонентов в библиотеках SPICE ( зависимости прямого падения на выпрямителях от тока через них ) и сделаны некоторые разумные предположения ( для ESR конденсаторов ). Потребовалось совсем немного настройки проекта, чтобы получить результат, показанный на рис. 9.52 ( представлен в том же масштабе, что и рис. 9.51 ). Степень совпадения впечатляет. Программа, правда, чуть перестраховалась по углу проводимости и получила в итоге чуть больший, чем в реальности, ток во вторичной обмотке 50 .

Рис. 9.51   Результаты измерения параметров нерегулируемого источника постоянного напряжения по схеме 9.49 при нагрузке ±2A . По горизонтали 4 ms/div

Рис. 9.52   Результаты моделирования схемы 9.49 в SPICE. Масштаб соответствует рис. 9.51

[* См. также §X9.6 ].

9.5.5 Линейные регуляторы в сравнении с ключевыми: пульсации и шум

Далее разбираются замечательные штучки - ключевые регуляторы и источники питания. В настоящий момент это наиболее многочисленная группа, отличающаяся сочетанием высокого КПД, малых габаритов, веса и цены. К сожалению, есть и недостатки. Быстрые переходные процессы создают помехи с частотой переключения и её высшими гармониками, которые невероятно сложно сколь-нибудь эффективно отфильтровать. Данный вопрос будет разбираться совсем скоро, но полезно просто взглянуть на рис. 9.53, где сравниваются выходное напряжение двух источников +5V , и упомянутые явления представлены в наглядной форме.

36 Всем известно, что электроэнергия зарождается в розетке на стене, поэтому важно разобраться с электрическими розетками. По американскому стандарту 120 V переменного тока подключаются 3-штыревой вилкой с ножевыми контактами «линия» и «нейтраль» ( нейтральный чуть более широкий: если смотреть на розетку как на рожицу, то нейтраль слева вверху ) и круглым штырём защитного заземления. Электроэнергия подаётся в дом по трёхпроводной линии с 240-вольтового трансформатора со средней точкой ( нейтралью ), подключённой к защитному заземлению в электрощите. В каждой 120-вольтовой электрической розетке присутствует нейтраль ( «neutral» - белый провод ) и фаза ( «live» - чёрный провод ). Розетки в одной комнате могут запитываться с любой из двух имеющихся фаз. Есть розетки на 240 V , в которых присутствуют обе фазы и защитное заземление, но они имеют иной конструктив. В европейском стандарте розетки на 240 V имеют одну фазу, нейтраль и заземление. В стене разводка ведётся плоским кабелем со сплошными медными жилами: AWG14 для 15 A и AWG12 для 20 A . <-

37 Бывают ситуации, когда гальваническая изоляция не нужна. См. Часть X9 , где обсуждаются некоторые маломощные источники питания, включая схемы гашения избыточного напряжения с помощью конденсатора вместо трансформатора или катушки индуктивности. <-

38 Преимуществом такой схемы является сильное снижение габаритов и веса трансформатора, работающего на высокой ( 20 kHz...1 MHz ) частоте. <-

39 В цветовой маркировке IEC коричневый – «фаза», синий – «нейтраль», жёлто-зелёный – «земля». <-

40 Выпрямленное входное напряжение подзаряжает накопительные конденсаторы в каждом периоде на пике сетевого напряжения. Ключевые источники, снабжённые корректором мощности ( PFC ) обходят эту проблему, см. §9.7.1.C .   <-

41 Имейте в виду, что специфицируются такие фильтры при работе с источником и нагрузкой величиной 50 Ω , которые не имеют никакого отношения к реальным величинам. Просто при таких условиях их легче измерить с помощью массы существующего измерительного оборудования [* ищем ключи там, где светлее ] . <-

42 Например, пластиковые плёночные конденсаторы имеют такую конструкцию, что замыкание между обкладками выжигает металлизацию вокруг места пробоя и прекращает тем самым аварию. <-

43 Вот некоторые из них: UL, CSA, SEV, VDE, ENEC, DEMKO, EIMKO, NEMKO, SEMKO, CCEE, CB, EI, CQC. <-

44 Авторы встречали массу разработок, в которых разрядного резистора нет. Это не есть хорошо! <-

45 Неизолированные сетевые источники можно обнаружить в неразборных электронных устройствах: светодиодных лампах, настенных часах, пожарных сигнализаторах дыма, WiFi камерах, тостерах, кофемашинах и т.д. Некоторые из них разбираются в Части X9 .   <-

46 Трансформатор с большой индуктивностью рассеяния может показаться достаточно привлекательным, потому что увеличивает угол проводимости без потерь. К сожалению, неприятным побочным эффектом является ухудшение стабильности напряжения под нагрузкой. Кроме того, он вносит задержку фазы входного тока относительно входного напряжения, т.е. снижает коэффициент мощности. Более того, индуктивность рассеяния является причиной ужасных пиков в выпрямленном напряжении, вызванных временем обратного восстановления диодов, см. §X9.6 .   <-

47 Их иногда называют активными выпрямителями . <-

48 Очень интересным вариантом получения эффективного мостового выпрямителя является использование четырёх МОП транзисторов в качестве синхронных ключей. Для управления затворами можно взять примечательную микросхему LT4320 – «идеальный контроллер для управления диодным мостом», который отлавливает момент перехода через ноль и переключает выводы управления затворами. <-

49 Для получения картинки демпфирующая цепочка \(R_SC_S\) ( рис. 9.49 ) была снята. Видны пики и скачки на переменном напряжении, вызванные неидеальностями компонентов, см. §9.5.3.C и §X9.6 .   <-

50 Основные параметры, использовавшиеся при моделировании: первичная обмотка трансформатора \(R\)=0.467 Ω , \(L_L\)=1.63 μH , \(L_M\)=80 mH ; отношение витков N=0.365 ; вторичная обмотка \(R\)=0.217 Ω , \(L_L(sec)\)=20 μH ; демпфирующая цепь \( C_S\)=0.5 μF , \(R_S\)=30 Ω ; мостовой выпрямитель KBPC806 ( Vishay 8A, 600 V ); накопительный конденсатор \( C \)=14,000 μF , ESR=0.01 Ω ; нагрузочные резисторы 27 Ω с обеих сторон. <-

Previous part:

Next part: