Незвичайний випрямляч

Описаний незвичайний випрямляч змінного струму призначений для використання там, де потрібні малі регульовані напруги при відносно великих струмах і малих втрат. Прикладом застосування може бути живлення елементів Пельтьє, що використовуються в системах охолодження, де також необхідно регулювати температуру. Гальванічні ванни та низьковольтні паяльники - інші приклади застосування подібного випрямляча.

При отриманні низьких напруг живлення у випрямлячах постає проблема падіння напруги на випрямляючих напівпровідникових діодах, обумовлена використаним у діодах напівпровідниковим матеріалом (0,6…0,9 В у кремнієвих діодах), яке має тим більший вплив, чим нижче випрямлене напруга. Постає проблема відведення тепла при великих струмах навантаження. Коли необхідна ще й регулювання вихідної напруги, вдаються до допомоги послідовного стабілізатора напруги, падіння напруги на переході регулюючого транзистора якого складає додатково до падіння на діодах випрямляча ще кілька вольт, що призводить до безкорисного розсіювання потужності, к.п.д. пристрою при цьому не перевищує 50%. На малюнку (Bild 1) показана схема випрямляча, взята з збірника патентів НДР [ 1 ], який дозволяє значно зменшити втрати потужності.

Рис. 1.

Йдеться, в першу чергу, про двопівперіодний випрямляч із середньою точкою, який характерний і відомий як випрямляч, що має два діоди і відвід від середини обмотки трансформатора. Тут випрямляючі діоди замінені переходами еміттер-колектор регулюючих транзисторів (VT1 і VT2). Цим забезпечується перевага перед діодами, оскільки падіння напруги на переходах еміттер-колектор у сучасних потужних планарних транзисторів складає всього 0,1…0,2 В, проти приблизно 0,7 В у більшості випрямляючих діодів, тому безкорисне розсіювання потужності значно скорочується. Крім того, при використанні транзисторів як керованих елементів з'являється можливість регулювання вихідної випрямленої напруги, а саме, - шляхом усічення фази.

Рис. 2.

Під час позитивного півперіоду ток протікає через VD1, контакти перемикача S (S - спочатку в крайньому правому, за схемою, положенні), резистор R і діод VD4 в ланцюзі база-еміттер VT2. VT2, при цьому, керується, в результаті чого нижня гілка випрямляча відкривається, а конденсатор С заряджається. Під час негативного півперіоду транзистор VT1 керується через діод VD2, S, R і VD3, чим відкривається верхня гілка випрямляча. Оскільки йдеться про двопівперіодний випрямляч, в якому залишкове падіння напруги на переходах еміттер-колектор транзисторів дуже мало, то малим є й розсіювана на транзисторах потужність, що дорівнює падінню напруги на переході еміттер-колектор, помноженому на струм, що протікає в цій ланцюзі. Оскільки мале розсіювання потужності, то невеликим може бути й теплоотвод, а якщо ще й негативний полюс випрямляча може бути з'єднаний з металевим корпусом живленого пристрою, то регулюючі транзистори можна прикрутити виводами колекторів прямо на шасі без ізолюючих прокладок. Тепер розглянемо можливість регулювання вихідної напруги випрямляча за допомогою ланцюга діодів VD5…VDn, комутованих перемикачем S, які здійснюють відсічення фази (Bild 2). Транзистори, при цьому, починають проводити не відразу з початку відповідного півперіоду змінного напруги, а через деякий час, коли миттєве значення амплітуди напруги в півперіоді перевищить суму прямих напруг включених діодів. Відповідно, чим менше часу відкриті транзистори, тим до меншого напруги зможе зарядитися конденсатор фільтра С. Звичайно, ефект більш пізнього відкриття і більш раннього закриття транзисторів залежить і від прямого падіння напруги на діодах VD1…VD4 і від напруги відкриття транзисторів VT1 і VT2. Тут найкраще використовувати германієві діоди через мале пряме 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, отримувані з ними, ні трохи не кращі, а гірші, ніж зі старими добрими германієвими діодами, тим більше, що досі не всі можуть діоди Шотткі дістати.

Слід звернути особливу увагу на максимальне допустиме зворотне напруга переходів база-еміттер VT1 і VT2. При перевищенні цього напруги, ток з відповідного зовнішнього кінця вторинної обмотки силового трансформатора потече через замкнутий перехід еміттер-база (як ток стабілізації (або “лавинний ток пробою”) у стабілітроні) і звідти через включений у прямому напрямку перехід база – колектор, - прямо на вихід випрямляча. У цьому випадку, звичайно ж, ні про яке регулювання транзисторами не може бути й мови і вони пошкоджуються. Пікове значення напруги на будь-якій половині вторинної обмотки не повинно перевищувати допустимого зворотного напруги переходу еміттер-база (Ueff * 3 2), яке повинно бути в межах 6…9 В. Рекомендується до установки транзисторів у схему виміряти допустиме зворотне напруга переходів база-еміттер (і, напевно, оскільки схема симетрична, підібрати пару транзисторів з однаковими параметрами). Спосіб вимірювання цього напруги прост: необхідно включити перехід база – еміттер в зворотному (замикаючому напрямку проходженню постійного струму) через резистор і виміряти на переході напругу так само, як визначається напруга стабілізації на звичайному стабілітроні. Збільшуємо напругу, яке подається на послідовно включений резистор (наприклад, з опором 1 ком) і перехід база-еміттер (“плюсом” до еміттера, якщо це n-p-n транзистор), на паралельно переходу включеному вольтметрі спостерігаємо значення максимального зворотного напруги, коли таке перестає помітно зростати при збільшенні напруги живлення. Останнє обставина (досить низьке допустиме зворотне напруга переходу база-еміттер) обмежує максимальне вихідне напруга приводимої схеми випрямляча 5 вольтами. Величина опору R = 200 Ом обрана як компроміс для вихідного напруги до 5 В при струмах навантаження 1…2 А: занадто мала його величина призводить до зайвих втрат у самому резисторі (неекономічна), велика ж, - не дозволяє повністю відкриватися транзисторам, через що також збільшуються втрати (тепер на регулюючих транзисторах).

Транзистори повинні мати якомога більше допустиме зворотне напруга переходу база-еміттер і мати максимально можливий коефіцієнт посилення за струмом. Якщо будуть застосовуватися p-n-p транзистори (наприклад, КТ818), всі діоди і оксидний фільтровий конденсатор слід “перевернути” і полярність вихідного напруги зміниться.

Можна піти далі і замість дискретної регулювання вихідного 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, еміттером до резистору R) і потенціометр, вивід рухомого контакту якого слід з'єднати з базою додаткового транзистора, а крайні виводи - з колектором і еміттером цього транзистора. Можливі також інші включення з падаючою характеристикою (аналог динистора). Для експериментатора тут велике поле діяльності.

Література: 1. Патент DDR-WP HO2313189.7

Dipl.-Ing. M. Franke
Оригінал статті см. журнал FUNKAMATEUR 1988, № 11, стр. 554.

Вільний переклад з німецької: Віктор Беседин (UA9LAQ)

Список радіоелементів