Обсуждение статьи "Миниатюрный сетевой маломощный БП. Как это было раньше" показало, что у некоторых читателей остались вопросы и сомнения. Сегодня я проиллюстрирую, что этот блок питания действительно работает, и работает правильно. И что описанная мной методика расчета верна.
Еще раз вынужден отметить, что схема этого блока придумана не мной, она появилась в 70-х годах прошлого века. Этот БП изначально позиционировался как "простой миниатюрный сетевой блок питания для карманных радиоприемников". Этот блок был повторен многими, очень многими. Время показало, что он надежен и хорошо подходит как замена дефицитных батареек для питания простых карманных радиоприемников дома. Ему не страшны ни короткие замыкания нагрузки, ни ее отключение. Но методики расчета для этого блока не приводилось, вот я и решил восполнить этот пробел предыдущей статьей.
Два основных режима работы
Приведенная мной методика расчета относилась к работе в установившемся режиме, когда все переходные процессы при включении блока уже завершились Установившийся режим это основной режим работы блока питания.
Но во время включения блока неизбежно возникают переходные процессы. Они довольно кратковременные, но могут доставить не мало неприятностей.
Иллюстрации будут сделаны на основе моделирования в программе Tina-TI версии 9. Просто потому, что у меня нет желания разыскивать подходящий магнитопровод и наматывать разделительный трансформатор. Те, кто не верит в математическое моделирование, могут собрать схему "в железе" и проверить все осциллографом.
Емкостно-индуктивный делитель напряжения
Именно с этого делителя я начал описание методики расчета в предыдущей статье. Вот результаты первого расчета из той статьи
С=0,47 мкФ (значение задано, а не рассчитано)
Входное напряжение (среднеквадратичное) - 230 В
Выходное напряжение (среднеквадратичное) - 7 В
Расчетная индуктивность катушки (первичной обмотки) - 656 мГн
Частота питающей сети - 50 Гц
Амплитуда сетевого напряжения для заданного среднеквадратичного составит 325В.
Здесь и конденсатор, и катушка индуктивности являются идеальными. А вот результат моделирования для случая включения при переходе сетевого напряжения через 0
Здесь золотистым цветом показано входное (сетевое) напряжение. Зеленым цветом показано напряжение на катушке индуктивности. Бордовым цветом показан ток в цепи.
Хорошо виден переходный процесс, который занимает примерно 2 периода. Что бы лучше все разглядеть разделим кривые.
Хорошо видно, что напряжение на катушке индуктивности находится в противофазе (сдвиг на 180 градусов) с сетевым напряжением. А вот ток в цепи сдвинут на 90 градусов. То есть, как я и говорил, основной вклад в работу схемы вносит балластный конденсатор.
Амплитуда выходного напряжения (напряжения на катушке индуктивности) равна 10 В, что соответствует среднеквадратичному значению 7.1 В. Как видим, результат совпал с расчетным.
Амплитуда выходного напряжения в начале переходного процесса достигает примерно 40 В, что существенно выше, чем в установившемся режиме. Частота выходного напряжения определяется частотой резонанса контура из балластного конденсатора и катушки индуктивности. В данном случае это примерно 287 Гц.
Амплитуда тока в цепи, в установившемся режиме, равна примерно 50 мА (по графику тока). Что соответствует 35,5 мА среднеквадратичного значения. Расчетное значение равно 34 мА. Результат довольно точно соответствует расчету.
Переходный процесс для тока в цепи накладывается на синусоидальную форму тока несколько искажая ее, но не вызывая существенных бросков тока.
Теперь давайте посмотрим, что происходит при включении схемы во время максимума сетевого напряжения.
Здесь все выглядит гораздо хуже. Переходный процесс занимает примерно 5 периодов. Амплитуда напряжения на катушке достигает в начале переходного процесса примерно 220 В. При этом частота колебаний осталась равной резонансной частоте контура. Резко увеличилась и амплитуда тока в цепи.
Все так плохо? Но давайте вспомним, что у нас идеальные катушка индуктивности и конденсатор. Поэтому добавим в схему, последовательно с балластным конденсатором резистор 150 Ом, который будет имитировать активное сопротивление катушки, ESR конденсатора, и небольшое сопротивление для уменьшения броска тока.
Переходный процесс стал гораздо короче, теперь он занимает чуть более одного периода. Несколько уменьшились амплитуда напряжения на катушке и ток в цепи.
Насколько это критично? Да, это неприятно. Но вот насколько именно критично, станет видно в дальнейшем. И учтите, что это пока даже не часть схемы блока питания, а всего лишь функциональный аналог первичной цепи.
Обратите внимание, что в установившемся режиме все по прежнему соответствует расчетным значениям.
Емкостно-индуктивный делитель напряжения с разделительным трансформатором и сопротивлением нагрузки
В предыдущей статье я рассматривал подключение нагрузки исходя из минимального напряжения для нагруженного трансформатора. Все расчетные параметры были идентичны предыдущему параграфу, но задавалось минимальное напряжение на нагрузке - 6 В (среднеквалратичное). Исходя из это условия минимальное сопротивление нагрузки, расчетное значение, получилось равным 1260 Ом.
Давайте проверим результаты расчета. Моделировать будем вот такую схему
Причем я снова задал балластный конденсатор и трансформатор идеальными. Схема включается в момент максимума сетевого напряжения. Вот результаты моделирования
Обратите внимание, насколько изменилось поведение схемы. Теперь переходный процесс занимает лишь часть первого полупериода.
Амплитуда напряжения на нагрузке (R2) равна 10 В, что соответствует среднеквадратичному напряжению 7,1 В. Да, здесь не столь точное совпадение с расчетом, но и в расчете использовались округленные значения. Да и 6 В было минимальным напряжением, так что 7 В соответствуют предъявленным требованиям.
Амплитуда тока в первичной цепи равна 50 мА. То есть, по сравнению с предыдущим случаем она не изменилась. Да и не могла измениться. Я уже говорил, что ток в первичной цепи почти полностью определяется балластным конденсатором.
Амплитуда выброса тока в начале переходного процесса равна 170 мА, а амплитуда выброса напряжения на нагрузке 100 В. Ситуация значительно улучшилась. Это лишь подтверждает слова, что без нагрузки такой блок питания включать нельзя? Подождите, ведь это все еще лишь часть схемы.
Добавляем выпрямитель
Да, все в том же порядке, как и в предыдущей статье. Выпрямитель я там не рассчитывал, не буду этого делать и здесь. Просто использую диоды 1N4148, а конденсатор фильтра 500 мкФ. Что бы учесть ESR конденсатора я добавлю последовательно с ним резистор 10 Ом.
А вот результат моделирования этой схемы
Видно, что выброс напряжения напряжения при переходных процессах на выходе блока пропал? Это вопрос к тем, кто утверждал, что при включении блока без нагрузки и без стабилитрона будет большой выброс напряжения, который может повредить нагрузку.
Этот выброс есть, его видно на графике, но его амплитуда лишь 2.8 В! Почему это произошло? Как я уже не раз говорил, в том числе в комментариях, конденсатор фильтра полностью поглотит выброс от переходного процесса. При включении блока у нас разряжен и балластный конденсатор, и конденсатор фильтра. Ток начального заряда балластного конденсатора, протекая через первичную обмотку трансформатора заряжает конденсатор фильтра. Но емкость конденсатора фильтра гораздо больше емкости балластного конденсатора.
Поэтому и приращение напряжения на фильтре будет гораздо меньше, чем на балласте. Даже меньше, что выходное напряжение в установившемся режиме. Что и видно на графике результатов моделирования.
Кроме этого, очень важного момента, видно, что выходное напряжение нарастает очень плавно. Так как ток заряда фильтра ограничен балластным конденсатором. Для тех, кто считает, что напряжение будет расти бесконтрольно, вот результат моделирования за больше время наблюдения.
Хорошо видно, что напряжение на выходе выпрямителя устанавливается на уровне 9 В. Здесь у нас нет нагрузки, а амплитуда напряжения на вторичной обмотке равна 10 В. Это те значения, которые у нас получились для установившегося режима не нагруженного трансформатора. Но у нас теперь есть мостовой выпрямитель, на диодах которого падает при малых токах примерно 0.5 В. То есть, конденсатор зарядится до напряжения 10-2*0.5=9В. Именно это мы и видим по результатам моделирования.
Еще раз обращаю внимание критиков, которые твердят о выброса, переходных процессах, векторных диаграммах, опасности работы без нагрузки... Сейчас у нас нет ни нагрузки, ни каких либо элементов ограничивающих напряжение на выходе блока. Но оно все равно не выходит за пределы расчетных параметров!
Добавляем стабилитрон
При добавлении стабилитрона я использовал балластный конденсатор 1 мкФ. Максимальный ток нагрузки был задан равным 15 мА, а минимальный ток через стабилитрон 5 мА. Для этих данных у нас получилась индуктивность первичной обмотки 732 мГн. При эторм среднеквадратичное значение напряжения на вторичной обмотке должно быть примерно 11 В.
И результаты моделирования
Начальный выброс напряжения на нагрузке равен 5.3 В. То есть нет никаких перенапряжений. Выходное напряжение равно 9.1 В
И немного крупнее графики для установившегося режима
Пульсации выходного напряжения (пик-пик) 0.15 В. Максимальный пиковый ток через стабилитрон немного ниже 90 мА. При этом среднеквадратичный равен 25 мА, что немного превышает расчетное значение. Минимальный ток через стабилитрон равен 6.5 мА.
А теперь подключим нагрузку сопротивлением 600 Ом (что дает ток 15 мА). Я не буду приводить моделируемую схему, так как она отличается от последней только сопротивлением нагрузки. Вот результат моделирования
Результаты моделирования почти не отличаются от работы без нагрузки. Амперметр АМ2 показывает суммарный ток через стабилитрон и нагрузку. Как я и говорил в предыдущей статье, добавление стабилитрона делает режим работы блока питания практически стационарным, если не считать ток стабилитрона.
Вот укрупненный вид установившегося режима.
Пульсации выходного напряжения увеличились и теперь равны 0.22 В (пик-пик). Я более крупно показал ток первичной цепи и на нем стал виден результат работы диодного моста и стабилитрона. Хорошо видно, что форма тока мало отличается от синусоидальной. А это означает гораздо меньший уровень помех, чем от импульсных блоков питания.
Заключение
Я наглядно показал, что разработанный в 70-х годах прошлого века блок питания с балластным конденсатором работает именно так, как он него и ожидается. При его работе на нагрузке нет никаких перенапряжений и выбросов превышающих расчетное напряжение. Даже при переходных процессах при его включении в момент максимального амплитудного значения питающего напряжения.
Блок питания абсолютно безопасен при работе без нагрузки. Более того, даже отключение стабилитрона не приводит не то что к катастрофическим, но даже сколь нибудь неприятным последствиям.
Поскольку ток в первичной, и во вторичной, цепи ограничен балластным конденсатором, блок питания не боится КЗ в нагрузке. Разумеется при условии правильного выбора выпрямительных диодов.
Приведенная мной методика расчета данного блока питания верна и дает результаты хорошо совпадающие с практикой.
