Випрямляч для великих струмів при малих втратах
Описуваний незвичайний випрямляч змінного струму призначений для використання там, де потрібні малі регульовані напруги при відносно великих токах і малих втратах. Прикладом застосування може служити харчування елементів Пельтьє, що застосовуються в системах охолодження, де, до того ж, необхідно і регулювати температуру. Гальванічні ванни і низьковольтні паяльники - інші приклади застосування подібного випрямляча.
При отриманні низьких напруг харчування в випрямлячах встає проблема падіння напруги на випрямних напівпровідникових діодах, обумовлена застосованим в діодах напівпровідникових матеріалом (0,6 ... 0,9 В в кремнієвих діодах), яке надає тим більший вплив, ніж нижче випрямлена напруга. Постає проблема відведення тепла при великих токах навантаження. Коли необхідна ще і регулювання вихідної напруги, вдаються до допомоги послідовного стабілізатора напруги, падіння напруги на переході регулюючого транзистора якого становить додатково до падіння на діодах випрямляча ще кілька вольт, що веде до марної розсіюванню потужності, ККД пристрою, при цьому, не перевищує 50%. На малюнку (Bild 1) показана схема випрямляча, взята зі збірки патентів НДР [1], який дозволяє значно зменшити втрати потужності.
Йдеться, в першу чергу, про двопівперіодним випрямлячі з середньою точкою, який характерний і відомий як випрямляч, що має два діода і відведення від середини обмотки трансформатора. Тут випрямні діоди замінені переходами емітер-колектор регулюючих транзисторів (VT1 і VT2). Цим забезпечується перевага перед діодами, так як падіння напруги на переходах емітер-колектор у сучасних потужних планарних транзисторів складає всього 0,1 ... 0,2 В, проти приблизно 0,7 В у більшості випрямних діодів, тому марне розсіювання потужності значімтельно скорочується. Крім того, при використанні транзисторів як керованих елементів, з'являється можливість регулювання вихідного випрямленої напруги, а, саме, - шляхом усічення фази.
Під час позитивного напівперіоду струм тече через VD1, контакти перемикача S (S - спочатку в крайньому правому, по схемі, положенні), резистор R і діод VD4 в ланцюзі база-емітер VT2. VT2, при цьому, управляється, в результаті чого нижня гілка випрямляча відкривається, а конденсатор С заряджається. Під час негативного напівперіоду транзистор VT1 управляється через діод VD2, S, R і VD3, ніж відкривається верхня гілка випрямляча. Оскільки мова йде про двопівперіодним випрямлячі, в якому залишкове падіння напруги на переходах емітер-колектор транзисторів дуже мало, то мала і розсіюється на транзисторах потужність, рівна падінню напруги на переході емітер-колектор помноженому на струм протікає в цьому ланцюзі. Коль мала потужність розсіювання, так невеликим може бути і тепловідвід, а якщо ще й негативний полюс випрямляча може бути з'єднаний з металевим корпусом питомого пристрої, то регулюють транзистори можна прикрутити висновками колекторів прямо на шасі без ізолюючих прокладок.
Тепер розглянемо можливість регулювання вихідної напруги випрямляча за допомогою ланцюжка діодів VD5 ... VDn, комутованих перемикачем S, які здійснюють відсічення фази (Bild 2). Транзистори, при цьому, починають проводити не відразу з початку відповідного полупериода змінної напруги, а через деякий час, коли миттєве значення амплітуди напруги в напівперіоді перевищить суму прямих напруг включених діодів. Відповідно, чим менший час відкриті транзистори, тим до меншого напруги зможе зарядитися конденсатор фільтра С. Звичайно ефект більш пізнього відкривання і більш раннього закривання транзисторів залежить і від прямого падіння напруги на діодах VD1 ... VD4 і від напруги відкривання транзисторів VT1 і VT2. Тут найкраще застосувати германієві діоди через малого прямого падіння напруги на них, наприклад, 0,1 А або 1 А діоди з серії GY. Більш сучасними виявляються тут діоди з бар'єром Шотткі, але результати, одержані за ними нітрохи не краще, а гірше, ніж зі старими добрими германієвими діодами, тим більше, що до сих пір не всі можуть діоди Шотткі дістати.
Слід звернути особливу увагу на максимальне допустиме зворотна напруга переходів база-емітер VT1 і VT2. При перевищенні цього напруги, струм з відповідного зовнішнього кінця вторинної обмотки силового трансформатора потече через замкнений перехід емітер-база (як струм стабілізації (або "лавинний струм пробою") в стабілітроні) і звідти через включений в прямому напрямку проходження струму перехід база - колектор, - прямо на вихід випрямляча. В цьому випадку, звичайно ж, ні про яке регулювання транзисторами не може бути й мови і вони пошкоджуються. Пікове значення напруги на будь-який половині вторинної обмотки не повинно перевищувати допустимої зворотної напруги переходу емітер-база (Ueff * 3 2), яке повинно бути в межах 6 ... 9 В.
Рекомендується до установки транзисторів в схему виміряти допустимий зворотна напруга переходів база-емітер (і, напевно, якщо схема симетрична, підібрати пару транзисторів з однаковими параметрами). Спосіб вимірювання цієї напруги простий: необхідно включити перехід база - емітер в зворотному (замикаючому напрямку проходженню постійного струму) через резистор і виміряти на переході напруга точно також як визначається напруга стабілізації на звичайному стабилитроне. Збільшуємо напруга, що подається на послідовно включені резистор (наприклад, опором 1 кому) і перехід база-емітер ( "плюсом" до емітера, якщо це npn транзистор), на паралельно переходу включеному вольтметрі спостерігаємо значення максимального зворотного напруги, коли таке перестає помітно приростати при збільшенні напруги харчування. Остання обставина (досить низька допустимий зворотна напруга переходу база-емітер) обмежує максимальну вихідну напругу приводиться схеми випрямляча 5 вольт. Величина опору R = 200 ом обрана як компроміс для вихідної напруги до 5 В при струмах навантаження 1 ... 2 А: занадто мала його величина веде до зайвих втрат в самому резисторі (неекономічна), велика ж, - не дозволяє повністю відкриватися транзисторів, з- за чого також збільшуються втрати (тепер на регулюючих транзисторах).
Транзистори повинні мати якомога більшу допустимий зворотна напруга переходу база-емітер і володіти максимально можливим коефіцієнтом посилення по току. Якщо будуть застосовуватися p-n-p транзистори (наприклад, КТ818), все діоди і оксидний фільтровий конденсатор слід "перевернути" і полярність вихідної напруги зміниться.
Можна піти далі і замість дискретного регулювання вихідної напруги застосувати плавну, встановивши замість діодів VD5 ... VDn і перемикача S, тієї ж провідності як VT1 / VT2 (колектором до точки з'єднання діодів VD1 і VD2, емітером до резистору R) і потенціометр, висновок движка якого слід з'єднати з базою додаткового транзистора, а крайні висновки - з колектором і емітером цього транзистора. Можливі також інші включення з падаючої характеристикою (аналог динистора). Для експериментатора тут велике поле діяльності.
- Патент DDR-WP HO2 313189.7
- Dipl.-Ing. M. Franke
- FUNKAMATEUR 1988, № 11, стор. 554.
Переклад: Віктор Бесєдін (UA9LAQ) [email protected], м Тюмень; Публікація: www.cxem.net