Для понижения сетевого напряжения есть множество способов, но в БРЭА чаще всего используют следующие:
Самый простой и дешёвый – использование высоковольтного делителя напряжения. Может быть реализован как на резисторах так и в реактивном исполнении, с балластным конденсатором. Зачастую в таких схемах присутствуют элементы стабилизации напряжения.
1.1. Бестрансформаторный источник питания с гасящим резистором
Пример схемы с балластным (гасящим) резистором:
Сетевое напряжение 220В выпрямляется диодом VD2 и поступает на резистор R1. При этом ток вызванный сетевым напряжением, протекающий по цепи VD2->R1->VD1, вызывает на резисторе R1 падение напряжения, в результате чего напряжение на стабилитроне VD2 остаётся постоянным и равным напряжению стабилизации стабилитрона.
Если входное напряжение увеличится, то увеличится и ток, что приведет к росту падения напряжения на R1, если же входное напряжение уменьшится – то ток уменьшится и уменьшится падение на R1.
Благодаря простоте и надёжности, такие источники питания ранее применялись достаточно часто. Но, есть у них и ряд недостатков практически полностью вытеснившие эту схему из применения:
- малая мощность нагрузки.
- отсутствует гальваническая развязка от сети
- очень низкий КПД
- большая мощность балластного резистора, а это и вопрос стоимости и вопрос большого тепловыделения.
1.2 Бестрансформаторный источник питания с гасящим конденсатором
Заменив активное сопротивление резистора R1 из схемы рис1, на реактивное сопротивление конденсатора эквивалентной величины для частоты питающей сети 50Гц, удалось значительно уменьшить два последних негативных свойства, однако схема получилась заметно сложней, но всё так же не требует индуктивных, т.е. намоточных элементов, рис.2:
В этой схеме основной балластный (гасящий) элемент — это конденсатор C1, его емкостное сопротивление XC так же само «балансирует» падением напряжения для стабилизации напряжения. А поскольку его сопротивление “реактивное”, то и тепла на конденсаторе практически не выделяется, что уменьшает тепловыделение, увеличивает КПД и в общем то удешевляет конструкцию. Такое изменение характеристик, определило массовость использования такой схемы питания в относительно не сложной и не дорогой электронной аппаратуре, с низким потреблением электропитания блоком электроники. Это различные утюги, плойки, электрические духовки и прочие электроприборы, встречаются даже в некоторых стиральных машинах.
Но из за некоторых особенностей пришлось ввести дополнительные элементы:
– Резистор R1 обеспечивает ограничение начального тока конденсатора в момент включения в сеть. Этот ток может дать недопустимо большой стартовый импульс, который выведет из строя стабилитрон VD2.
– Резистор R2 обеспечивает сброс несимметричности заряда-разряда балластного конденсатора C1 в разных полупериодах из-за разности напряжений на выпрямителе в разных полупериодах, что может привести к однополярному заряду конденсатора и не корректной работе схемы.
– Диод VD1.1 обеспечивает перезаряд конденсатора C1 в отрицательном полупериоде. При этом в положительном ток протекает через VD1.2
Стоит отметить, что VD1.1 можно исключить из схемы, поставив на его место стабилитрон VD2 с увеличенным на 0,6В напряжением стабилизации относительно исходного, что компенсирует падение напряжения на VD1.2. Однако такое упрощение увеличит ударную токовую нагрузку на стабилитрон, т.к. в оригинальном включении при скачке напряжения, импульс тока разделяется в начале на заряд конденсаторов и ток стабилитрона, к тому же при питании индуктивной нагрузки, стабилитрон будет отрабатывать броски напряжения приходящие из самой нагрузки.
Отдельного внимания заслуживает один, самый распространённый, дефект таких источников питания – это потеря ёмкости у балластного конденсатора. Что приводит к увеличению реактивного сопротивления XC что равносильно увеличению сопротивления верхнего плеча делителя, из-за чего выходное напряжение при номинальном токе нагрузки, становится ниже расчётного.
На практике это часто выливается в то, что питаемое устройство, например электрическая духовка, при включении в сеть подаёт признаки жизни, можно войти в режим настройки, но как только включается какое либо реле, то повышение тока в нагрузке источника питания устройства, приводит к критическому понижению напряжения и сбою в работе. При этом с течением времени дефект прогрессирует в связи с постепенной потерей ёмкости. Часто проявляется зависимость от сетевого напряжения – когда оно в норме или повышено, устройство работает, а когда понижено – наступают сбои в работе. Что интересно, учитывая суточные колебания сетевого напряжения, в часы пиковой нагрузки (утро и вечер) дефект будет проявляться, а в дневное и ночное время устройство может работать корректно.
Так же может проявляться в виде зависимости от включения каких либо других мощных устройств. Например если включаешь электрический чайник, сетевое напряжение проседает на 5…10 В и та же духовка перестаёт работать… В общем на первый взгляд можно и не понять причинно-следственные связи в проявлении дефекта.
1.3 Трансформаторный источник питания с выпрямителем на диодном мосте
Некогда самый распространённый способ понижения и повышения сетевого напряжения — это применение сетевого трансформатора. Ранее мы рассматривали схемы диодных выпрямителей, поэтому в них углубляться не будем.
Трансформаторы позволяют реализовать понижающий блок питания на большой диапазон напряжений и мощностей в нагрузке, дают возможность реализовать несколько напряжений питания сразу и при этом осуществить гальваническую развязку каналов между собой и сетью. При этом обладают высоким КПД – до 98%, и высокой перегрузочной способностью.
Но, как это обычно бывает, есть и ряд недостатков:
– Высокая сложность изготовления, и как следствие высокая цена.
– Высокая материалоёмкость (провод, сердечник, изоляторы) и как следствие снова высокая цена.
– Большая масса на единицу мощности, причина — низкая рабочая частота (50Гц)
На рисунке 4 представлена схема трансформаторного источника питания микроволновки LG, обеспечивает она три напряжения питания от двух обмоток трансформатора. Это напряжение питания 12В для реле – 12Vry, из него путём понижения линейным параметрическим стабилизатором на Q01, получается 5V. И со второй обмотки, стабилизируясь стабилизатором на Q07 – V_disp(5V), то же напряжение 5В только для питания дисплея.
До середины 80-х годов 20-го века, трансформаторные источники питания на сетевых трансформаторах, полностью доминировали в БРЭА.
Подробней о схемах выпрямителей в трансформаторных источниках питания, можно почитать в статье:
1.4 Импульсный источник питания
Высокая стоимость трансформаторных источников питания, наряду с большой массой и габаритами, стимулировали инженеров искать пути решения этих проблем. Выход был найден в переносе рабочей частоты трансформатора, в более высокочастотную область. С заменой стальных сердечников на ферритовые. Это позволило в разы снизить массу и габариты трансформаторов, но потребовало создания вокруг трансформатора схемы высокочастотного инвертора, работающего в импульсном режиме (усилитель класса D). Так появились импульсные блоки питания (ИБП), или импульсные источники питания (ИИП).
В отечественной технике в БРЭА первыми массово перешли на ИБП схемы телевизоров, начиная с телевизоров третьего поколения (3УСЦТ) в них стали применяться импульсные модули питания такие как МП-3-3:
Не смотря на сложность схемы, относительно трансформаторного источника питания, этот модуль весил раз в 5 меньше чем трансформатор ЧБ телевизора ТС-180.
Как не странно, хоть КПД всего ИИП заметно ниже чем обычного трансформатора и для при ведённой схемы составляло 70-80% (для современных достигает 95…98%) но из за наличия групповой стабилизации выходных напряжений, в схемах стабилизаторов не требовалось делать запас на понижение сетевого напряжения, что заметно снизило потребление всего устройства в целом.
Современные ИБП строятся на базе ИМС, коих многое количество. Да и сами схемы немного отличаются по принципу работы. Вот некоторые разновидности:
– Обратноходовые однотактные ИИП (к ним относится МП-3-3), это такие ИИП в которых энергия во вторичную цепь передаётся когда силовой транзистор закрыт.
– Двухтактные полу мостовые
– Двухтактные со средней точкой
– Step-down понижающие
– Резонансные
– Квазирезонансные
И много каких других, часть из них мы подробно рассмотрим в лекции про ИИП.