Уравнения трансформатора без ферромагнитного сердечника. Преобразователь напряжения повышающий без трансформатора Принцип работы схемы

Трансформатор – устройство для передачи энергии из одной цепи в другую посредством электрической индукции. Он предназначен для преобразования величин токов и напряжений, для гальванического разделения электрических цепей, для преобразования сопротивлений по величине и для других целей.

Трансформатор может состоять из двух и более обмоток. Мы будем рассматривать трансформатор из двух разделенных обмоток без ферромагнитного сердечника (воздушный трансформатор), схема которого представлена на рис. 5.12.

Обмотка с зажимами 1-1’, присоединенная к источнику питания, – первичная, обмотка, к которой подключается сопротивление нагрузки , – вторичная. Сопротивление первичной обмотки , сопротивление вторичной – .

Уравнения трансформатора при принятой полярности катушек и направлении токов имеют вид:

- для первичной обмотки

Для вторичной обмотки

Входное сопротивление трансформатора

Обозначим активное сопротивление вторичной цепи

тогда уравнения можно переписать

(5.22)

Входное сопротивление трансформатора . Учитывая, что и подставляя в первое уравнение (5.21), получим, что

Таким образом, входное сопротивление трансформатора со стороны первичных зажимов состоит из двух слагаемых: – сопротивление первичной обмотки без учета взаимоиндукции, , которое появляется за счет явления взаимоиндукции. Сопротивление как бы добавляется (вносится) из вторичной катушки и поэтому называется вносимым сопротивлением.

Входное сопротивление идеального трансформатора.

Идеальным трансформатором (теоретическое понятие) называют такой трансформатор, в котором выполняются условия

(5.24)

При этом С определенной погрешностью такие условия можно выполнить в трансформаторе с сердечником с высокой магнитной проницаемостью, на который намотаны провода с малым активным сопротивлением.

Входное сопротивление этого трансформатора

(5.25)

Следовательно, идеальный трансформатор, включенный между нагрузкой и источником энергии, изменяет сопротивление нагрузки пропорционально квадрату коэффициента трансформации n.

Свойство трансформа­тора преобразовывать вели­чины сопротивлений широко используется в различных об­ластях электротехники, связи, радиотехники, автоматики и прежде всего с целью согласо­вания сопротивлений источ­ника и нагрузки.

Схема замещения трансформатора

Схема двухобмоточного трансформатора без ферромагнитного сердечника может быть изображена так, как это представлено на рис. 5.14. Токораспределение в ней такое же, что и в схеме на рис. 5.12 без общей точки между обмотками.

Произведем в схеме на рис. 5.14 развязку индуктивных связей. При этом получим схему замещения трансформатора (рис. 5.15), в которой отсутствуют магнитные связи.

Энергетические процессы в индуктивно связанных катушках

Дифференциальные уравнения воздушного трансформатора (рис. 5.15):

(5.25)

Умножим первое уравнение на , а второе – на :

(5.26)

Сложив эти уравнения, получим суммарную мгновенную мощность, которая потребляется от источника и расходуется в первичной и в вторичной обмотках трансформатора и в нагрузке

(5.27)

где – мгновенная мощность на нагрузке, ;

– мгновенная мощность, расходуемая на тепло в обмотках трансформатора, ;

– энергия магнитного поля обмоток трансформатора, .

Трехфазные генераторы.

Под трехфазной цепью (системой) понимают совокупность трехфазного источника (генератора), нагрузки и соединительных проводов.

Известно, что при вращении проводника в равномерном магнитном поле в нем наводится ЭДС

. (1.1)

Закрепим жестко на одной оси три одинаковые катушки (обмотки), смещенные относительно друг друга в пространстве на (120°) и начнем их вращать в равномерном магнитном поле с угловой скоростью w (рис. 1.1).

При этом в катушке A будет наводиться

Такие же значения ЭДС возникнут в катушках B и C, но соответственно через 120° и 240° после начала вращения, т.е.

(1.3)

Совокупность трех катушек (обмоток), вращающихся на одной оси с угловой скоростью w, в которых наводятся ЭДС, равные по модулю и сдвинутые друг от друга на угол 120° называют симметричным трехфазным генератором. Каждая катушка генератора – это фаза генератора. В генераторе на рис. 1.1 фаза B «следует» за фазой A, фаза C – за фазой B. Такая последовательность чередования фаз называется прямой последовательностью. При изменении направления вращения генератора будет иметь место обратная последовательность чередования фаз. Прямой последовательности на основании соотношений (1.2, 1.3) соответствует векторная диаграмма ЭДС, изображенная на рис. 1.2, а, для обратной – векторная диаграмма ЭДС на рис. 1.2, б.

В дальнейшем все рассуждения по расчету трехфазных цепей будут касаться только трехфазных систем с прямой последовательностью следования генераторных ЭДС.

График изменения мгновенных значений ЭДС при y = 90° представлен на рис. 1.3. В каждое мгновение алгебраическая сумма ЭДС равна нулю.

Крайним точкам катушек (обмоток) дают название конец и начало. Начала катушек обозначают A, B, C, концы соответственно X, Y, Z (рис. 1.4, а).

Фазные обмотки трехфазного генератора могут быть изображены в виде источников ЭДС (рис. 1.4, б).

Данная статья является дальнейшим развитием идеи бестрансформаторного питания .

Во всех приведенных ниже схемах нумерация элементов, выполняющих одно и то же назначение, сохранена от схемы к схеме. Дополнительные новые элементы схем имеют сквозную нумерацию. Если нет какого-то очередного номера элемента, это значит, что он был в предыдущей схеме (а на данной этого номера просто нет). 1.Усилитель низкой частоты

Схема УНЧ (рис.1) известна как трансформаторная. Особенность ее - в отсутствии силового трансформатора. Питание анодов ламп осуществляется от сети 220 В по схеме удвоения напряжения и Ua-к=620 В. Накал ламп - от сети 220 В через токоограничивающий конденсатор С6. В качестве Тр1, Тр2 можно использовать силовые трансформаторы от старых ламповых радиоприемников со средней точкой во вторичной обмотке (как правило, в них устанавливали кенотроны типа 5Ц4С, 5ЦЗС и т.д.). Сетевая обмотка этих трансформаторов используется как высокомный выход при работе в линию на абонентов, накальная обмотка - как низкоомный выход.

Рис.1

В любительских условиях в качестве выходного трансформатора может использоваться силовой от ламповых радиоприемников без средней точки на вторичной обмотке (например от "Рекордов"), но для этого нужно сетевую и повышающую обмотки включить последовательно, а точка соединения и будет средней.

В качестве входного трансформатора, в любительских условиях может использоваться выходной трансформатор от ламповых усилителей старых радиоприемников с двухтактным выходным каскадом (две лампы 6П14П, две 6П6С и т.д.).

Данный усилитель обеспечивает при Рвх=20...30 Вт на выходе Рвых=120... 130 Вт. Конденсаторы С4, С5 ограничивают анодный ток ламп, пропорционально своей емкости, например если С4=С5=20 мкФ каждый, то анодный ток ламп ограничен на уровне 400 мА.

Использовать С4, С5 большей емкости нет смысла, т.к. анодный ток двух ламп не превышает 350 мА. К тому же, чем больше емкость этих конденсаторов, тем больше бросок тока при первом включении в сеть 220 В и возможен пробой диодов. В качестве диодов могут быть использованы Д226 или им подобные, включенные попарно параллельно. 2. Широкополосный усилитель мощности KB

Схемотехника усилителя (рис.2) практически ничем не отличается от УНЧ, только трансформаторы выполнены на ферритовых кольцах. Причем до частот 7 МГц с успехом можно применять кольца 2000НН, но лучше - 400...600НН; при работе до 28 МГц - 50 ВЧ, при этом обеспечивается минимальный завал АЧХ на ВЧ диапазонах. Должна быть хорошая изоляция между первичной и вторичной обмотками. Обмотки содержат по 12...15 витков каждая.

Рис.2 (нажмите для увеличения)

Выходной трансформатор - типоразмера К40х25х25 или близкий к нему. Входной трансформатор - К16х8х6 или близкий к нему. Типоразмеры могут быть обеспечены за счет набора из нескольких колец. При Рвх=30 Вт ток анодов ламп составлял 250 мА при Uа-к=620B. 3. Усилитель мощности KB с общим катодом

Как известно, схема включения ламп с общим катодом требует полного набора питающих напряжений: анодного, экранной сетки, управляющей сетки, накального (рис.3).

Обычная схема удвоения сети (220В) дает источник для питания анодно-экранных цепей ламп (+620В +310 В). Для питания накалов ламп используется конденсатор С6, который ограничивает ток накалов.

Рис.3 (нажмите для увеличения)

Источник отрицательного напряжения собран на Tp1, V9...V12, С20. В качестве Тр1 используется малогабаритный трансформатор, т.к. потребление по управляющим сеткам очень мало.

Хочу заострить внимание на том, что подобные схемы имеют два "общих провода". Один -для схемы по постоянному току, это минусовая обкладка конденсатора С5, обозначенная 0В. Относительно этой точки нужно производить измерения по постоянному току. Причем при этих измерениях надо соблюдать технику безопасности, т.к. такие цели не имеют гальванической развязки от сети. Например, чтобы измерить анодное и экранное напряжения, нужно "-" вольтметра подключить к точке 0В, а "+" вольтметра - на ножку 3 V5 либо V6. Это и есть напряжение на экранных сетках. Если на ножку 6 V5 либо V6 - это и будет анодное напряжение.

Чтобы измерить "-" на управляющей сетке, нужно поменять полярность вольтметра, т.е."+" вольтметра подать в точку 0В, а "-" - на ножку 2 V5 либо V6 и резистором R1 выставить ток покоя ламп в режиме ТХ - передача (без сигнала на входе). В режиме приема (RX) на управляющих сетках - максимальный "-" и лампы закрыты, ток через них равен нулю. Режим ламп выставляется резистором R1 в режиме несущей по прибору РА1. Двигая R1 в сторону контакта реле Р2, уменьшают "-" на управляющих сетках до тех пор, пока идет линейный прирост показаний РА1. Как только линейный прирост прекратился, R1 слегка возвращают назад и фиксируют лаком.

Вторым общим проводом является корпус усилителя - это общий провод для радиочастотного сигнала. И все измерения ВЧ-напряжений; если в этом есть необходимость, производятся относительно корпуса. Большинство элементов усилителя некритичны и могут значительно отличаться по номиналам. Например емкости С1, С2, С7, С8, С19, С1б могут колебаться в пределах 1000 ПФ...10000 пФ. Главное, чтобы они выдерживали напряжения схемы, т.е. С1, С2 - не менее 250 В, С8 - не менее 1000 В (он может быть набран из двух на 500 В), С7 - не менее 500 В, С19 - не менее 250 В, С16 - любой. С 14 - 80...200 пФ.

Критичен только один элемент - С9. Он должен иметь значительный запас по напряжению - не менее 1000 В, а главное, емкость его не должна быть более 3000 пФ. С9 - это та "изюминка" схемы, которая обеспечивает безопасность при бестрансформаторном питании. В случае обрыва общего заземления ток между корпусом и общим заземлением не достигает величины, поражающей организм человека, т.к. ограничен емкостью С9< 3000 пФ на уровне 250...300 мкА в самом неблагоприятном случае. Еще одна особенность- вместо дросселя в управляющей сетке используется резистор R5. Как показал опыт, использование резистора значительно попытает устойчивость каскада к самовозбуждению.

Также достаточно удачно решен вопрос использования контуров L7, L8, L9, L10, L11, L12. Они используются реверсивно, т.е. при приеме (RX) являются входными узкополосными с подстройкой входа С18, а при передаче (ТХ) - согласующими низкое выходное сопротивление трансивера (как правило, 50...75 Ом) с высоким входным сопротивлением лампового усилителя по схеме с общим катодом.

При передаче (ТХ) С 17 подключается параллельно C18, но т.к. емкость С17 мала (2пФ), она почти не влияет на настройку контуров L7, L8, L9, L10, L11, L12, аналогично Ссв подключается параллельно С12 и также не влияет на настройку контура. Ссв выполнен в виде одного-двух витков вокруг монтажного провода, соединяющего С10 с С12. Этот кусочек монтажного провода выполнен из высоковольтного провода, либо из коаксиального кабеля, с которого снята внешняя оплетка, а витки намотаны поверх толстого капронового наполнителя. Такой конденсатор связи выдерживает большие реактивные напряжения и токи и может применяться в более мощных усилителях. После малой емкости (Ссв) - и малые напряжения, поэтому Р1 не очень критично к зазору между контактами.

Данная схема коммутации антенны с RX на ТХ с реверсивным использованием элементов П-контура и входного "узкополосного" контура позволяет производить "холодную" настройку на корреспондента - по максимальной громкости, ручками С12, С13, С18, без излучения "несущей" в эфир, что значительно сокращает взаимные помехи и настройку на частоте ДХ-ов. Вместо L7, L8, L9, L10, L11, L12 можно обойтись всего двумя катушками: одна настраивается на ВЧ-диапазонах - на 28 МГц минимум С18, другая - на 7,0 МГц с минимумом С18, но максимальная емкость С18 должна быть до 500 пФ (чтобы перекрывать оставшиеся диапазоны).

Отводы у катушек L7, L8, L9, L10, L11, L12 делают приблизительно от 1/З витков (от заземленного конца), но лучше подобрать на каждом диапазоне по максимальному ВЧ напряжению на управляющих сетках ламп.

Катушки выполняются на любых каркасах с сердечниками (и даже без них). Главное - их нужно настроить по максимальной громкости принимаемых станции (при отсутствии приборов), возможно, придется немного изменить емкости, подключенные параллельно им.

Лампы V5, V6 включены на сложение мощностей в диапазоне 28 МГц; L5 и L6 настраиваются на максимум выходной мощности на 28 МГц сдвигая и раздвигая витки. При этом нужно помнить, что L5, L6, L4 находятся под анодным напряжением и нужно соблюдать все меры предосторожности.

L4 для снижения габаритов П-контура и удобства механического крепления выполнена на тороидальном кольце из текстолита, гетинакса, фторопласта и т.д., крепится прямо на галете. Отводы на L4 подбираются экспериментально, в зависимости от входного сопротивления антенны.

L5, L6 - бескаркасные, они намотаны на оправе диаметром 15 мм и содержат б витков провода ПЭВ-1 1,5мм, длина намотки - 25 мм.

L4 - 60 витков, намотка - виток к витку, отводы - ориентировочно от 4, 18, 32 витков, первые 4 витка - проводом 1 мм, остальные-0,6мм.

Дроссель L3 намотан на любом изоляционном материале и содержит приблизительно 160 витков провода 0,25...0,27 мм, часть витков намотана виток к витку, остальные-внавал.Намотка виток к витку соединена cL4 ("горячий" конец L3).

Катушки L7, L8, L9, L10, L11, L12 - на каркасе не менее 6 мм с сердечником СЦР-1.
L7 - 10 витков ПЭЛ 0,51, отвод от 3-го снизу;
L8 - 12 витков ПЭЛ 0,51, отвод от 4-го снизу;
L9 - 16 витков ПЭЛ 0,25, отвод от 5-го снизу;
L10 - 25 витков ПЭЛ 0,25, отвод от 8-го снизу;
L11 - 35 витков ПЭЛ 0.25, отвод от 10-го снизу;
L12 - 45 витков ПЭЛ 0,25, отвод от 12-го снизу;

С21 -10пФ; С22-15пФ; С23-- 68 пФ; С24 - 120 пФ; С25 - 200 пФ; С26-430пФ.

P1, P2 могут соединяться как по схеме рис.З, так и параллельно, может быть применено одно реле с несколькими группами контактов, например РЭС-9, РЭС-22 и т.д. Тип реле также зависит от Uупр. приходящего с трансивера. 4. Гибридный усилитель мощности

Гибридные усилители известны многим радиолюбителям. На рис.4. представлены некоторые подробности состыковки данных усилителей с бестрансформагорным источником питания.

На транзисторе VI 4 и резисторе R7 собран регулятор напряжения для экранных сеток ламп. Резисторы R4 и R6 являются токоограничивающими (своего рода защита) при крайних положениях R7, а также и в аварийных ситуациях. R5 создает ток утечки с перехода база-эмиттер для нормальной работы регулятора напряжения. Резистором R1 выставляется отрицательное напряжение на управляющих сетках ламп, при приеме (RX) лампы заперты максимальным напряжением (отрицательным). R2-защита от "перекачки" усилителя и создает частичное автоматическое смещение на управляющих сетках ламп.

R8, R9, R10, R11 - нагрузка для трансивера. Эти же резисторы определяют входное сопротивление усилителя.

Схема рис.4 имеют общий провод по постоянному току, изолированный от корпуса. Им является минусовая обкладка конденсатора С5 (обозначена точкой 0В). Относительно этой точки нужно производить все замеры по постоянному току в схеме.

Рис.4 (нажмите для увеличения)

Способы и методика настройки сводятся к правильному выбору начального тока через V 13, который должен быть не меньше начального тока (в начале прямолинейного участка характеристики V13). Такой же ток через лампы должен быть выставлен резисторами R1, R7. Хорошие результаты получаются при использовании ламп 6П45С.

С14 должен быть высоковольтным, как и С9.

Хочу предостеречь радиолюбителей от ошибки, которую многие совершают при повторении подобных схем. Многие, контролируя анодный ток ламп, пытаются получить максимально возможный ток. Это неправильно, потому что подобные схемы способны обеспечить большие анодные токи, но выходная мощность при этом им (токам) не соответствует. Так, мне через одну ГУ-50 (по данной схеме) удавалось получить ток до 450 мА (Uак=620 В), но выходной мощности в 200 Вт не было, что значительно сокращало срок службы (быстро терялась эмиссия катода), вызывало TVI, т.е. схема работала как усилитель постоянного тока.

Учитывая сказанное, нужно "выжимать" не максимально возможные анодные токи (они только косвенно связаны с выходной мощностью), а максимальное ВЧ -напряжение на эквиваленте, либо на антенне по индикатору выхода. При приросте ВЧ-напряжения также нужно использовать только прямолинейный участок и не заводить в зону "насыщения". Лампы включены на сложение мощностей, параметры П-контура - типовые (изложены в предыдущем разделе). Можно вместо КП904 использовать биполярный КТ907. Эмиттер включается вместо истока, коллектор - вместо стока. Необходимое смещение на базу подается через мощный резистор 500м сдвижка потенциометра 3,3 к, включенного между"-" выпрямителя и нижним выводом R7, который соответственно отключается от "-" выпрямителя. Этим потенциометром устанавливают начальный ток каскада. Между движком потенциометра и "-" выпрямителя включают блокировочный конденсатор на небольшое (<100В) напряжение, 5. Усилитель на ГУ74Б

На схеме рис.5 представлен усилитель мощности на лампе ГУ74Б, которой на аноде нужно 1200В. Это напряжение получается за счет сложения напряжений двух источников. Первый собран по схеме удвоения напряжения без трансформатора от сети 220 В и выдает два напряжения (относительно точки 0В): +310 В и +620 В. Этих напряжений вполне достаточно для питания экранных сеток большинства ламп с высоким анодным напряжением.

Рис.5 (нажмите для увеличения)

Второй источник (его можно условно назвать"вольтдобавкой") собран на трансформаторе (ТС-270). Для того чтобы, получить суммарное напряжение 1200 В, на вторичной обмотке трансформатора должно быть приблизительно 400 В переменного напряжения. После выпрямления диодами V10...V17 и фильтрации конденсаторами С27, С28 постоянное напряжение получается где-то на 1/3 больше - в сумме с первым (+620 В) достигается напряжение, необходимое для работы лампы. Так как эти источники работают на сложение напряжений и мощностей, то и мощность потребления распределяется приблизительно пропорционально их напряжениям,а это значит, что можно смело использовать трансформатор с габаритной мощностью меньше как минимум вдвое, чем при обычной трансформаторной схеме. Источник отрицательного напряжения собран на диоде V9 и конденсаторе С20. Так как схема однополупериодная, емкость С20 должна быть достаточно большой - 200 мкФ.

Вместо дросселя в управляющей сетке применен резистор R5, что делает каскад более устойчивым к самовозбуждению.

Применено последовательное питание лампы через элементы П-контура. Это имеет свои недостатки - элементы П-контура находятся под высоким напряжением, и свои достоинства - при последовательном питании КПД на ВЧ диапазонах несколько выше, а требования к дросселю L3 на электрическую прочность несколько ниже, т.к. он стоит после элементов П-контура (L5, L4).

П-контур может быть выполнен и по типовой схеме параллельного питания.

Несколько повышенные требования к конденсаторам С12, С13 - они должны иметь достаточный зазор между пластинами. С12 при заведенных роторных пластинах должен иметь зазор не менее 1,5мм.С10, С11 должны выдерживать большие реактивные мощности при напряжении не менее 2,5 кВ. Конденсатор С9 обеспечивает технику безопасности, и его емкость не должна быть более 3000 пФ. С4, С5, С27, С28 - 180 мкФ х 350 В каждый.

Ввод усилителя мощности в работу производится в следующей последовательности.

1. Включается S1 (все остальные должны быть выключены). Начинает работать мотор обдува лампы, вся схема включается на пониженное напряжение через конденсаторы С, С". Они предотвращают бросок тока на заряд конденсаторов С4, С5, С27, С28.

2. Через несколько секунд включается S1 -он подает в схему полное напряжение, при этом появляется максимальное отрицательное напряжение на управляющей сетке лампы и полное накальное напряжение - идет прогрев лампы.

3. Через несколько минут, когда накал прогрел лампу, включается тумблер ВК2. Если в схеме нет аварийных режимов, включается ВК1. При работе в эфире коммутацию с приема на передачу осуществляет реле P1.

Отключение усилителя осуществляется в обратном порядке.

Установка режима осуществляется резистором R1. Линейный прирост мощности контролируют по индикатору выхода РА1. Если прирост мощности прекратился или идет слишком медленно (зона насыщения), нужно R1 немножко вернуть назад и зафиксировать.

S2, S1, S1", ВК1, ВК2 должны иметь рычажки переключения из изоляционного материала. Кроме того, желательно их установить на изоляционной декоративной подкладке(изолировать от корпуса) из толстого оргстекла, текстолита и т.д.

L4 с целью уменьшения габаритов и удобства крепления крепится прямо на S2. Желательно выполнить его на тороидальном кольце из фторопласта, гетинакса и т.д.

Контура L7, L8, L9, L10, L11, L12 - такие же как в разделе 3.

Если ваш трансивер не "раскачивает" данный усилитель, не огорчайтесь -в него можно установить еще один каскад усиления по схеме рис.6. Это лампы типа 6П15П,6П18П,6П9 (или любая другая лампа-триод достаточной мощности), включенные триодом.

Рис.6

Накал берется с ТС-270 (-6,3 В). Общий провод подключается в точку 0В -это "-" конденсатора С5. Анодное напряжение берется с "+" С4 (+620 В). Отрицательное напряжение берется с R1 (рис.5а) параллельным подключением. Вход-выход каскада подключается в точку разрыва (на рис.5 помечено "х") конденсатора С14. Данные контуров - такие же как в разделе 3.

L1,L2 мотаются на феррите более толстым проводом - 0,37...0,4 мм, 25...30 витков.

Используя данную схемотехнику, можно получить усилители малых габаритов (настольные вместе с источником) с хорошей энергетикой.

Литература

1. В.Кулагин. Усилитель мощности КВ "Ретро". РЛ, 8/95, с.26.

Читайте и пишите полезные

Сейчас в доме имеется много малогабаритной аппаратуры, которой требуется постоянное питание. Это и часы со светодиодной индикацией, и термометры, и малогабаритные приемники, и т.п. В принципе, они рассчитаны на батарейки, но те "садятся" в самый неподходящий момент. Простой выход - запитать их от сетевых блоков питания. Но даже малогабаритный сетевой (понижающий) трансформатор достаточно тяжел и места занимает не так уж мало, а импульсные источники питания все-таки сложны, требуют для изготовления определенного опыта и недешевой комплектации.

Решением данной проблемы при выполнении определенных условий может служить бестрансформаторный блок питания с гасящим конденсатором. Эти условия:

• полная автономность питаемого аппарата, т.е. к нему не должны подключаться никакие внешние устройства (например, к приемнику магнитофон для записи программы);
• диэлектрический (непроводящий) корпус и такие же ручки управления у самого блока питания и подключаемого к нему устройства.

Связано это с тем, что при питании от бестрансформаторного блока устройство находится под потенциалом сети, и прикосновение к его неизолированным элементам может хорошо "тряхнуть". Нелишне добавить, что при наладке таких блоков питания следует соблюдать правила техники безопасности и осторожность.

При необходимости использовать для наладки осциллограф блок питания нужно включать через разделительный трансформатор.

В самом простом виде схема бестрансформаторного блока питания имеет вид, показанный на рис.1.

Для ограничения броска тока при подключении блока к сети последовательно с конденсатором С1 и выпрямительным мостом VD1 включен резистор R2,а для разрядки конденсатора после отключения - параллельно ему резистор R1.

Бестрансформаторный источник питания в общем случае представляет собой симбиоз выпрямителя и параметрического стабилизатора. Конденсатор С1 для переменного тока представляет собой емкостное (реактивное, т.е. не потребляющее энергию) сопротивление Хс, величина которого определяется по формуле:

где (- частота сети (50 Гц); С-емкость конденсатора С1, Ф.

Тогда выходной ток источника можно приблизительно определить так:

где Uc - напряжение сети (220 В).

Входная часть другого блока питания (рис.2а) содержит балластный конденсатор С1 и мостовойвыпрямитель из диодов VD1, VD2и стабилитронов VD3, VD4. Резисторы R1, R2 играют ту же роль, что и в первой схеме. Осциллограмма выходного напряжения блока приведена на рис.2б (когда напряжение на выходе превышает напряжение стабилизации стабилитронов, в противном случае он работает как обычный диод).

От начала положительного полупериода тока через конденсатор С1 до момента t1 стабилитрон VD3 и диод,VD2 открыты, а стабилитрон VD4 и диод VD1 закрыты. В интервале времени t1...t3 стабилитрон VD3 и диод VD2 остаются открытыми, а через открывшийся стабилитрон VD4 проходит импульс тока стабилизации. Напряжение на выходе Uвых и на стабилитроне VD4 равно его напряжению стабилизации Uст.

Импульсный ток стабилизации, являющийся для диодно-стабилитронного выпрямителя сквозным, минует нагрузку RH, которая подключена к выходу моста. В момент t2 ток стабилизации достигает максимума, а в момент t3 равен нулю. До окончания положительного полупериода остаются открытыми стабилитрон VD3 и диод VD2.

В момент t4 завершается положительный и начинается отрицательный полупериод, от начала которого до момента t5 уже стабилитрон VD4 и диод VD1 открыты, а стабилитрон VD3 и диод VD2 закрыты. В интервале времени t5-t7 стабилитрон VD4 и диод VD1 продолжают оставаться открытыми, а через стабилитрон VD3 при напряжении UCT проходит сквозной импульс тока стабилизации, максимальный в момент t6. Начиная от t7 и до завершения отрицательного полупериода остаются открытыми стабилитрон VD4 и диод VD1. Рассмотренный цикл работы диодно-стабилитронного выпрямителя повторяется в следующие периоды сетевого напряжения.

Таким образом, через стабилитроны VD3, VD4 от анода к катоду проходит выпрямленный ток, а в противоположном направлении - импульсный ток стабилизации. В интервалы времени t1...t3 и t5...t7 напряжение стабилизации изменяется не более чем на единицы процентов. Значение переменного тока на входе моста VD1...VD4 в первом приближении равно отношению напряжения сети к емкостному сопротивлению балластного конденсатора С1.

Работа диодно-стабилитронного выпрямителя без балластного конденсатора, ограничивающего сквозной ток, невозможна. В функциональном отношении они неразделимы и образуют единое целое - конденсаторно-стабилитронный выпрямитель.

Разброс значений UCT однотипных стабилитронов составляет примерно 10%, что приводит к возникновению дополнительных пульсаций выходного напряжения с частотой питающей сети, амплитуда напряжения пульсации пропорциональна разнице значений Uст стабилитронов VD3 и VD4.

При использовании мощных стабилитронов Д815А...Д817Г их можно установить на общий радиатор, если в обозначении их типа присутствуют буквы "ПП (стабилитроны Д815АПП...Д817ГПП имеют обратную полярность выводов). В противном случае диоды и стабилитроны необходимо поменять местами.

Бестрансформаторные источники питания обычно собираются по классической схеме: гасящий конденсатор, выпрямитель переменного напряжения, конденсатор фильтра, стабилизатор. Емкостной фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения. Чем больше емкость конденсаторов фильтра, тем меньше пульсации и, соответственно, больше постоянная составляющая выходного напряжения. Однако в ряде случаев можно обойтись без фильтра, который зачастую является самым громоздким узлом такого источника питания.

Известно, что конденсатор, включенный в цепь переменного тока, сдвигает его фазу на 90°. Фазосдвигающий конденсатор применяют, например, при подключении трехфазного двигателя к однофазной сети. Если в выпрямителе применить фазосдвигающий конденсатор, обеспечивающий взаимное перекрытие полуволн выпрямленного напряжения, во многих случаях можно обойтись без громоздкого емкостного фильтра или существенно уменьшить его емкость. Схема подобного стабилизированного выпрямителя показана на рис.3.

Трехфазный выпрямитель VD1.VD6 подключен к источнику переменного напряжения через активное (резистор R1) и емкостное (конденсатор С1) сопротивления.

Выходное напряжение выпрямителя стабилизирует стабилитрон VD7. Фазосдвигающий конденсатор С1 должен быть рассчитан на работу в цепях переменного тока. Здесь, например, подойдут конденсаторы типа К73-17 с рабочим напряжением не ниже 400 В.

Такой выпрямитель можно применять там, где необходимо уменьшить габариты электронного устройства, поскольку размеры оксидных конденсаторов емкостного фильтра, как правило, гораздо больше, чем фазосдвигающего конденсатора сравнительно небольшой емкости.

Еще одно преимущество предложенного варианта состоит в том, что потребляемый ток практически постоянен (в случае постоянной нагрузки), тогда как в выпрямителях с емкостным фильтром в момент включения пусковой ток значительно превышает установившееся значение (вследствие заряда конденсаторов фильтра), что в некоторых случаях крайне нежелательно.

Описанное устройство можно применять и с последовательными стабилизаторами напряжения, имеющими постоянную нагрузку, а также с нагрузкой, не требующей стабилизации напряжения.

Совершенно простенький бестрансформаторный блок питания (рис.4) можно соорудить "на коленке" буквально за полчаса.

В данном варианте схема рассчитана на выходное напряжение 6,8 В и ток 300 мА. Напряжение можно менять заменой стабилитрона VD4 и, при необходимости, VD3 А установив транзисторы на радиаторы, можно увеличить и ток нагрузки. Диодный мост - любой, рассчитанный на обратное напряжение не менее 400 В. Кстати, можно вспомнить и про "древние" диоды. Д226Б.

В другом бестрансформаторном источнике (рис.5) в качестве стабилизатора применена микросхема КР142ЕН8. Его выходное напряжение составляет 12 В. Если необходима регулировка выходного напряжения, то вывод 2 микросхемы DA1 подключают к общему проводу через переменный резистор, например, типа СПО-1 (с линейной характеристикой изменения сопротивления). Тогда выходное напряжение может изменяться в диапазоне 12...22 В.

В качестве микросхемы DA1 для получения других выходных напряжений нужно применить соответствующие интегральные стабилизаторы, например, КР142ЕН5, КР1212ЕН5,КР1157ЕН5А и др. Конденсатор С1 должен быть обязательно на рабочее напряжение не ниже 300 В, марки К76-3, К73-17 или аналогичный (неполярный, высоковольтный). Оксидный конденсатор С2 выполняет роль фильтра по питанию и сглаживает пульсации напряжения. Конденсатор С3 уменьшает помехи по высокой частоте. Резисторы R1, R2 - типа МЛТ-0,25. Диоды VD1...VD4 можно заменить на КД105Б...КД105Г, КД103А, Б, КД202Е. Стабилитрон VD5 с напряжением стабилизации 22...27 В предохраняет микросхему от бросков напряжения в момент включения источника.

Несмотря на то, что теоретически конденсаторы в цепи переменного тока мощности не потребляют, реально в них из-за наличия потерь может выделяться некоторое количество тепла. Проверить пригодность конденсатора в качестве гасящего для использования в бестрансформаторном источнике можно просто подключив его к электросети и оценив температуру корпуса через полчаса. Если конденсатор успевает заметно разогреться, он не подходит. Практически не нагреваются специальные конденсаторы для промышленных электроустановок (они рассчитаны на большую реактивную мощность). Такие конденсаторы обычно используются в люминесцентных светильниках, в пускорегулирующих устройствах асинхронных электродвигателей и т.п.

В 5-вольтовом источнике (рис.6) с током нагрузки до 0,3 А применен конденсаторный делитель напряжения. Он состоит из бумажного конденсатора С1 и двух оксидных С2 и С3, образующих нижнее (по схеме) неполярное плечо емкостью 100 мкФ (встречно-последовательное включение конденсаторов). Поляризующими диодами для оксидной пары служат диоды моста. При указанных номиналах элементов ток короткого замыкания на выходе блока питания равен 600 мА, напряжение на конденсаторе С4 в отсутствие нагрузки - 27 В.

Блок для питания портативного приемника (рис.7) легко помещается в его батарейный отсек. Диодный мост VD1рассчитывается на рабочий ток, его предельное напряжение определяется напряжением, которое обеспечивает стабилитрон VD2. Элементы R3, VD2. VT1 образуют аналог мощного стабилитрона. Максимальный ток и рассеиваемая мощность такого стабилитрона определяются транзистором VT1. Для него может потребоваться радиатор. Но в любом случае максимальный ток этого транзистора не должен быть меньше тока нагрузки. Элементы R4, VD3 - цепь индикации наличия выходного напряжения. При малых токах нагрузки необходимо учитывать ток, потребляемый этой цепью. Резистор R5 нагружает цепь питания малым током, чем стабилизирует ее работу.

Гасящие конденсаторы С1 и С2 - типа КБГ или аналогичные. Можно также применить и К73-17 с рабочим напряжением 400 В (подойдут и с 250 В, так как они включены последовательно). Выходное напряжение зависит от сопротивления гасящих конденсаторов переменному току, реального тока нагрузки и от напряжения стабилизации стабилитрона.

Для стабилизации напряжения бестрансформаторного блока питания с гасящим конденсатором можно использовать симметричные динисторы (рис.8).

При зарядке конденсатора фильтра С2 до напряжения открывания динистора VS1 он включается и шунтирует вход диодного моста. Нагрузка в это время получает питание от конденсатора С2 В начале следующего полупериода С2 вновь подзаряжается до того же напряжения, и процесс повторяется. Начальное напряжение разрядки конденсатора С2 не зависит от тока нагрузки и напряжения сети, поэтому стабильность выходного напряжения блока достаточно высокая.

Падение напряжения на динисторе во включенном состоянии невелико, рассеиваемая мощность, а значит, и нагрев его значительно меньше, чем у стабилитрона. Максимальный ток через динистор составляет около 60 мА. Если для получения необходимого выходного тока этого значения недостаточно, можно "умощнить динистор симистором или тиристором (рис.9). Недостаток таких источников питания - ограниченный выбор выходных напряжений, определяемый напряжениями включения динисторов.

Бестрансформаторный блок питания с регулируемым выходным напряжением показан на рис.10а.

Его особенность заключается в использовании регулируемой отрицательной обратной связи с выхода блока на транзисторный каскад VT1,включенный параллельно выходу диодного моста. Этот каскад является регулирующим элементом и управляется сигналом с выхода однокаскадного усилителя на VT2.

Выходной сигнал VT2 зависит от разности напряжений, подаваемых с переменного резистора R7, включенного параллельно выходу блока питания, и источника опорного напряжения на диодах VD3, VD4. По существу, схема представляет собой регулируемый параллельный стабилизатор. Роль балластного резистора играет гасящий конденсатор С1, параллельного управляемого элемента - транзистор VT1.

Работает этот блок питания следующим образом.

При включении в сеть транзисторы VT1 и VT2 заперты, а через диод VD2 происходит заряд накопительного конденсатора С2. При достижении на базе транзистора VT2 напряжения, равного опорному на диодах VD3, VD4, транзисторы VT2 и VT1отпираются. Транзистор VT1 шунтирует выход диодного моста, и его выходное напряжение падает, что приводит к уменьшению напряжения на накопительном конденсаторе С2 и к запиранию транзисторов VT2 и VT1. Это, в свою очередь, вызывает увеличение напряжения на С2, отпирание VT2, VT1 и повторение цикла.

За счет действующей таким образом отрицательной обратной связи выходное напряжение остается постоянным (стабилизированным) как при включенной нагрузке (R9), так и без нее (на холостом ходу). Его величина зависит от положения движка потенциометра R7.

Верхнему (по схеме) положению движка соответствует большее выходное напряжение. Максимальная выходная мощность приведенного устройства равна 2 Вт. Пределы регулировки выходного напряжения - от 16 до 26 В, а при закороченном диодеVD4 - от 15 до 19,5 В. Уровень пульсаций на нагрузке - не более 70 мВ.

Транзистор VT1 работает в переменном режиме: при наличии нагрузки - в линейном режиме, на холостом ходу - в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с частотой пульсации напряжения на конденсаторе С2 100 Гц. При этом импульсы напряжения на коллекторе VT1 имеют пологие фронты.

Критерием правильности выбора емкости С1 является получение на нагрузке требуемого максимального напряжения. Если его емкость уменьшена, то максимальное выходное напряжение на номинальной нагрузке не достигается. Другим критерием выбора С1 является неизменность осциллограммы напряжения на выходе диодного моста (рис.10б).

Осциллограмма напряжения имеет вид последовательности выпрямленных синусоидальных полуволн сетевого напряжения с ограниченными (уплощенными) вершинами положительных полусинусоид, амплитуда вершин является переменной величиной, зависящей от положения движка R7, и меняется линейно при его вращении. Но каждая полуволна должна обязательно доходить до нуля, наличие постоянной составляющей (как показано на рис.10б пунктиром) не допускается, т.к. при этом нарушается режим стабилизации.

Линейный режим является облегченным, транзистор VT1 нагревается мало и может работать практически без радиатора. Небольшой нагрев имеет место в нижнем положении движка R7 (при минимальном выходном напряжении). На холостом ходу тепловой режим транзистора VT1 ухудшается в верхнем положении движка R7 В этом случае транзистор VT1 должен быть установлен на небольшой радиатор, например, в виде "флажка" из алюминиевой пластинки квадратной формы со стороной 30 мм и толщиной 1...2 мм.

Регулирующий транзистор VT1 - средней мощности, с большим коэффициентом передачи. Его коллекторный ток должен быть в 2...3 раза больше максимального тока нагрузки, допустимое напряжение коллектор-эмиттер - не меньше максимального выходного напряжения блока питания. В качестве VT1 могут быть использованы транзисторы КТ972А, КТ829А, КТ827А и т.п. Транзистор VT2работает в режиме малых токов, поэтому годится любой маломощный p-n-р-транзистор - КТ203, КТ361 и др.

Резисторы R1, R2 - защитные. Они предохраняют регулирующий транзистор VT1 от выхода из строя вследствие перегрузки по току при переходных процессах в момент включения блока в сеть.

Бестрансформаторный конденсаторный выпрямитель (рис.11) работает с автостабилизацией выходного напряжения. Это достигнуто за счет изменения времени подключения диодного моста к накопительному конденсатору. Параллельно выходу диодного моста включен транзистор VT1, работающий в ключевом режиме. База VT1 через стабилитрон VD3 соединена с накопительным конденсатором С2, отделенным по постоянному току от выхода моста диодом VD2 для исключения быстрого разряда при открытом VT1. Пока напряжение на С2 меньше напряжения стабилизации VD3, выпрямитель работает как обычно. При увеличении напряжения на С2 и открывании VD3 транзистор VT1 также открывается и шунтирует выход выпрямительного моста. Напряжение на выходе моста скачкообразно уменьшается практически до нуля, что приводит к уменьшению напряжения на С2 и выключению стабилитрона и ключевого транзистора.

Далее напряжение на конденсаторе С2 снова увеличивается до момента включения стабилитрона и транзистора и т.д. Процесс автостабилизации выходного напряжения очень похож на работу импульсного стабилизатора напряжения с широтно-импульсным регулированием. Только в предлагаемом устройстве частота следования импульсов равна частоте пульсаций напряжения на С2. Ключевой транзистор VT1 для уменьшения потерь должен быть с большим коэффициентом усиления, например, КТ972А, КТ829А, КТ827А и др. Увеличить выходное напряжение выпрямителя можно, применив более высоковольтный стабилитрон (цепочку низковольтных, соединенных последовательно). При двух стабилитронах Д814В, Д814Д и емкости конденсатора С1 2 мкФ выходное напряжение на нагрузке сопротивлением 250 Ом может составлять 23...24 В.

Аналогично можно стабилизировать выходное напряжение однополупериодного диодно-конденсаторного выпрямителя (рис.12).

Для выпрямителя с плюсовым выходным напряжением параллельно диоду VD1 включен n-p-n транзистор, управляемый с выхода выпрямителя через стабилитрон VD3. При достижении на конденсаторе С2 напряжения, соответствующего моменту открывания стабилитрона, транзистор VT1 тоже открывается. В результате, амплитуда положительной полуволны напряжения, поступающего на С2 через диод VD2, уменьшается почти до нуля. При уменьшении же напряжения на С2 транзистор VT1 благодаря стабилитрону закрывается, что приводит к увеличению выходного напряжения. Процесс сопровождается широтно-импульсным регулированием длительности импульсов на входе VD2, следовательно, напряжение на конденсаторе С2 стабилизировано.

В выпрямителе с отрицательным выходным напряжением параллельно диоду VD1 нужно включить p-n-p-транзистор КТ973А или КТ825А. Выходное стабилизированное напряжение на нагрузке сопротивлением 470 Ом - около 11 В, напряжение пульсаций - 0,3...0,4 В.

В обоих вариантах стабилитрон работает в импульсном режиме при токе в единицы миллиампер, который никак не связан с током нагрузки выпрямителя, разбросом емкости гасящего конденсатора и колебаниями напряжения сети. Поэтому потери в нем существенно уменьшены, и теплоотвод ему не требуется. Ключевому транзистору радиатор также не требуется.

Резисторы R1, R2 в этих схемах ограничивают входной ток при переходных процессах в момент включения устройства в сеть. Из-за неизбежного "дребезга" контактов сетевой вилки процесс включения сопровождается серией кратковременных замыканий и разрывов цепи. При одном из таких замыканий гасящий конденсатор С1 может зарядиться до полного амплитудного значения напряжения сети, т.е. примерно до 300 В. После разрыва и последующего замыкания цепи из-за "дребезга" это и сетевое напряжения могут сложиться и составить в сумме около 600 В. Это наихудший случай, который необходимо учитывать для обеспечения надежной работы устройства.

Другой вариант ключевой бестрансформаторной схемы источника питания представлен на рис.13.

Сетевое напряжение, проходя через диодный мост наVD1.VD4, преобразуется в пульсирующее амплитудой около 300 В. Транзистор VT1 - компаратор, VT2 - ключ. Резисторы R1, R2 образуют делитель напряжения для VT1. Подстройкой R2 можно установить напряжение срабатывания компаратора. Пока напряжение на выходе диодного моста не достигнет установленного порога, транзистор VT1 закрыт, на затворе VT2 - отпирающее напряжение и он открыт. Через VТ2 и диод VD5 заряжается конденсатор С1.

При достижении установленного порога срабатывания транзистор VT1 открывается и шунтирует затвор VT2. Ключ закрывается и снова откроется тогда, когда напряжение на выходе моста станет меньше порога срабатывания компаратора. Таким образом, на С1 устанавливается напряжение, которое стабилизируется интегральным стабилизатором DA1.

С приведенными на схеме номиналами источник обеспечивает выходное напряжение 5 В при токе до 100 мА. Настройка заключается в установке порога срабатывания VT1. Вместо IRF730 можно использовать. КП752А, IRF720, BUZ60, 2N6517заменяется на КТ504А.

Миниатюрный бестрансформаторный блок питания для малопотребляющих устройств можно построить на микросхеме HV-2405E (рис.14), которая осуществляет прямое преобразование переменного напряжения в постоянное.

Диапазон входного напряжения ИМС -15...275 В. выходного - 5...24 В при максимальном выходном токе до 50 мА. Выпускается в плоском пластмассовом корпусе DIP-8. Структура микросхемы приведена на рис.15а, цоколевка - на рис.15б.

В схеме источника (рис. 14) особое внимание нужно уделить резисторам R1 и R2. Их общее сопротивление должно быть в районе 150 Ом, а рассеиваемая мощность - не менее 3 Вт. Входной высоковольтный конденсатор С1 может иметь емкость от 0,033 до 0,1 мкФ. Варистор Rv можно применить практически любой с рабочим напряжением 230.250 В. Резистор R3выбирается в зависимости от требуемого выходного напряжения. При его отсутствии (выходы 5 и 6 замкнуты) выходное напряжение чуть более 5 В, при сопротивлении 20 кОм выходное напряжение - около 23 В. Вместо резистора можно включить стабилитрон с необходимым напряжением стабилизации (от 5 до 21 В). К остальным деталям особых требований нет, за исключением выбора рабочего напряжения электролитических конденсаторов (формулы для расчета приведены на схеме).

Учитывая потенциальную опасность бестрансформаторных источников, в ряде случаев может представлять интерес компромиссный вариант: с гасящим конденсатором и трансформатором (рис.16).

Здесь подойдет трансформатор с высоковольтной вторичной обмоткой, поскольку необходимое выпрямленное напряжение устанавливается подбором емкости конденсатора С1. Главное, чтобы обмотки трансформатора обеспечивали требуемый ток.

Чтобы устройство не вышло из строя при отключении нагрузки, к выходу моста VD1...VD4 следует подключить стабилитрон Д815П. В нормальном режиме он не работает, поскольку его напряжение стабилизации выше рабочего на выходе моста. Предохранитель FU1 защищает трансформатор и стабилизатор при пробое конденсатора С1.

В источниках такого вида в цепи последовательно соединенных емкостного (конденсатор С1) и индуктивного (трансформатор Т1) сопротивлений может возникать резонанс напряжения. Об этом следует помнить при их налаживании и контролировать напряжения осциллографом.

Смотрите другие статьи раздела .

В данной статье поговорим про бестрансформаторное электропитание.

В радиолюбительской практике, да и в промышленной аппаратуре источником электрического тока обычно являются гальванические элементы, аккумуляторы, или промышленная сеть 220 вольт. Если радиоприбор переносной (мобильный), то использование батарей питания себя оправдывает такой необходимостью. Но если радиоприбор используется стационарно, имеет большой ток потребления, эксплуатируется в условиях наличия бытовой электрической сети, то питание его от батарей практически и экономически не выгодно. Для питания различных устройств низковольтным напряжением от бытовой сети 220 вольт существуют различные виды и типы преобразователей напряжения бытовой сети 220 вольт в пониженное. Как правило, это схемы трансформаторного преобразования.

Схемы трансформаторного питания строятся по двум вариантам

1. «Трансформатор – выпрямитель — стабилизатор» — классическая схема питания, обладающая простотой построения, но большими габаритными размерами;

2. «Выпрямитель — импульсный генератор – трансформатор – выпрямитель – стабилизатор» — схема импульсного источника питания, обладающая малыми габаритными размерами, но имеющая более сложную схему построения.

Самое главное достоинство указанных схем питания – наличие гальванической развязки первичной и вторичной цепи питания. Это снижает опасность поражения человека электрическим током, и предотвращает выход аппаратуры из строя по причине возможного замыкания токоведущих частей устройства на «ноль». Но иногда, возникает потребность в простой, малогабаритной схеме питания, в которой наличие гальванической развязки не важно. И тогда мы можем собрать простую конденсаторную схему питания . Принцип её работы заключается в «поглощении лишнего напряжения» на конденсаторе. Для того, чтобы разобраться в том, как это поглощение происходит, рассмотрим работу простейшего делителя напряжения на резисторах .

Делитель напряжения состоит из двух резисторов R1 и R2 . Резистор R1 – ограничительный, или по другому называется добавочный. Резистор R2 – нагрузочный (Rн ), он же является внутренним сопротивлением нагрузки.

Предположим, что нам необходимо из напряжения 220 вольт получить напряжение 12 вольт. Указанные U2 = 12 вольт должны падать на сопротивлении нагрузки R2 . Это означает, что остальное напряжение U1 = 220 – 12 = 208 вольт должно падать на сопротивлении R1 .

Допустим, что в качестве сопротивления нагрузки мы используем обмотку электромагнитного реле, а активное сопротивление обмотки реле R2 = 80 Ом . Тогда по закону Ома, ток, протекающий через обмотку реле, будет равен: Iцепи = U2/R2 = 12/80 = 0,15 ампер . Указанный ток должен течь и через резистор R1 . Зная, что на этом резисторе должно падать напряжение U1 = 208 вольт , по закону Ома определяем его сопротивление:

R1 = UR1 / Iцепи = 208/0,15 = 1 387 Ом .

Определим мощность резистора R1: Р = UR1 * Iцепи = 208 * 0,15 = 31,2 Вт .

Для того, чтобы этот резистор не грелся от рассеиваемой на нём мощности, реальное значение его мощности необходимо увеличить в раза два, это приблизительно составит 60 Вт . Размеры такого резистора довольно внушительны. И вот здесь нам пригодится конденсатор!

Мы знаем, что любой конденсатор в цепи переменного тока обладает таким параметром, как «реактивное сопротивление» — сопротивление радиоэлемента изменяющееся в зависимости от частоты переменного тока. Реактивное сопротивление конденсатора определяется по формуле:

где п – число ПИ = 3,14, f – частота (Гц), С – ёмкость конденсатора (фарад).

Заменив резистор R1 на бумажный конденсатор С , мы «забудем» что такое резистор внушительных размеров.

Реактивное сопротивление конденсатора С должно приблизительно равняться ранее рассчитанному значению R1 = Хс = 1 387 Ом .

Преобразовав формулу заменив местами величины С и Хс , мы определим значение ёмкости конденсатора:

С1 = 1 / (2*3,14*50*1387) = 2,3*10 -6 Ф = 2,3 мкФ

Это может быть несколько конденсаторов с требуемой общей ёмкостью, включенных параллельно, или последовательно.

Схема бестрансформаторного (конденсаторного) питания будет выглядеть следующим образом:

Но изображённая схема работать будет, но не так как мы планировали! Заменив массивный резистор R1 на один, или два малогабаритных конденсатора, мы выиграли в размерах, но не учли одно — конденсатор должен работать в цепи переменного тока, а обмотка реле – в цепи постоянного тока. На выходе нашего делителя переменное напряжение, и его необходимо преобразовать в постоянное. Это достигается вводом в схему диодного выпрямителя разделяющего входную и выходную цепь, а так же элементов сглаживающих пульсацию переменного напряжения в выходной цепи.

Окончательно, схема бестрансформаторного (конденсаторного) питания будет выглядеть следующим образом:

Конденсатор С2 — сглаживающий пульсации. Для исключения опасности поражения электрическим током от накопленного напряжения в конденсаторе С1 , в схему введен резистор R1 , который шунтирует конденсатор своим сопротивлением. При работе схемы он своим большим сопротивлением не мешает, а после отключения схемы от сети, в течение времени, определяемого секундами, через резистор R1 происходит разряд конденсатора. Время разряда определяется обыкновенной формулой:

Для того, чтобы следующий раз не делать все вышеперечисленные расчёты, выведем окончательную формулу расчёта ёмкости конденсатора схемы бестрансформаторного (конденсаторного) питания. При известных значениях входного и выходного напряжения, а также сопротивления R2 (оно же — сопротивление нагрузки Rн ), значение сопротивления R1 находится в соответствии с пунктом 3 статьи «Делитель напряжения «:

Объединив две формулы, находим конечную формулу расчета ёмкости конденсатора схемы бестрансформаторного питания:

где Rн Р1 .

Учитывая, что при работе в переменном напряжении в конденсаторе происходят перезарядные процессы, а также сдвиг фазы тока по отношению к фазе напряжения, необходимо брать конденсатор на напряжение в 1,5…2 раза больше того напряжения, которое подаётся в цепь питания. При сети 220 вольт, конденсатор должен быть рассчитан на рабочее напряжение не менее 400 вольт .

По указанной выше формуле можно рассчитать значение ёмкости схемы бестрансформаторного питания для любого устройства, работающего в режиме постоянной нагрузки. Для работы в условиях переменной нагрузки, меняется также ток и напряжение выходной цепи. Для стабилизации выходного напряжения обычно применяют стабилитроны, или эквивалентные транзисторные схемы, ограничивающие выходное напряжение на необходимом уровне. Одна из таких схем показана на рисунке ниже.

Вся схема включена в сеть 220 вольт постоянно, а реле Р1 включается в цепь и выключается с помощью выключателя S1 . В качестве выключателя может быть и полупроводниковый прибор, например транзистор. Транзисторный каскад VT1 включен параллельно нагрузке, он исключает увеличение напряжения во вторичной цепи. Когда нагрузка отключена, ток течёт через транзисторный каскад. Если бы этого каскада не было, то при отключении S1 и отсутствии другой нагрузки, на выводах конденсатора С2 напряжение могло бы достигнуть максимального сетевого – 315 вольт.

Стоит отметить, что при расчёте схем автоматики с реле, необходимо учитывать, что напряжение срабатывания реле, как правило, равно его номинальному (паспортному) значению, а напряжение удержания реле во включенном состоянии приблизительно в 1,5 раза меньше номинального. Поэтому, рассчитывая схему, изображённую выше, оптимально вести расчёт конденсатора для режима удержания, а напряжение стабилизации сделать равным номинальному (или чуть выше номинального). Это позволит работать всей схеме в режиме меньших токов, что повышает надёжность. Таким образом, для расчета емкости конденсатора С1 в схеме с коммутируемой нагрузкой, параметр Uвх мы берём равным не 12 вольт, а в полтора раза меньше – 8 вольт, а для расчёта ограничительного (стабилизирующего) транзисторного каскада – номинальное 12 вольт.

С1 = 1 / (2 * 3,14 * 50 * ((220 * 80) / 8 – 80)) = 1,5 мкФ
В качестве стабилизирующего элемента при малых токах можно использовать стабилитрон. При больших токах стабилитрон не годится – слишком малая у него рассеиваемая мощность. Поэтому в таком случае оптимально использовать транзисторную схему стабилизации напряжения. Расчёт стабилизирующего транзисторного каскада основан на использовании порога открытия биполярного транзистора, при достижении напряжения база-эмиттер 0,65 вольта (на кристалле кремния). Но учтите, что для разных транзисторов это напряжение колеблется в пределах 0,1 вольта, не только по типам, но и по экземплярам транзисторов. Поэтому напряжение стабилизации на практике может немного отличаться от рассчитанного значения.
Расчёт делителя смещения каскада стабилизации проводится всё по тем же формулам делителя напряжения, при известных Uвх.дел. = 12 вольт , Uвых.дел. = 0,65 вольт и токе транзисторного делителя, который должен быть приблизительно в двадцать раз меньше тока протекающего через ёмкость С1 . Этот ток легко найти:

Iдел. = Uвх.дел. / (20*Rн) = 12 / (20 * 80) = 0,0075 ампер ,
где Rн – сопротивление нагрузки, в нашем случае это – сопротивление обмотки реле Р1 , равное 80 Ом .

Номиналы резисторов R1 и R2 определяются по формулам, ранее опубликованным в статье «Делитель напряжения «:

,

где Rобщ – общее сопротивление резисторов делителя смещения транзистора VT1 , которое находится по закону Ома:

Итак: Rобщ = 12 / 0,0075 = 1600 Ом ;

R3 = 0,65 * 1600 / 12 = 86,6 Ом 82 Ом ;

R2 = 1600 – 86,6 = 1513,4 Ом , по номинальному ряду, ближайший номинал – 1,5 кОм .

Зная падение напряжения на резисторах и ток делителя, не забудьте рассчитать их габаритную мощность. С запасом, габаритную мощность R2 выбираем в 0,25 Вт, а R3 – в 0,125 Вт. Вообще, вместо резистора R2 лучше поставить стабилитрон, в данном случае это может быть Д814Г, КС211(с любым индексом), Д815Д, или КС212(с любым индексом). Я научил вас рассчитывать резистор намеренно.

Транзистор выбирается также с запасом падающей на его переходе мощности. Как выбирать транзистор в подобных стабилизирующих каскадах, хорошо описано в статье «Компенсационный стабилизатор напряжения «. Для лучшей стабилизации, возможно использование схемы «составного транзистора».

Думаю, что статья своей цели достигла, «разжёвано» всё до каждой мелочи.

Трансформатор — это устройство, которое представляет собой сердечник с двумя обмотками. На них должно быть одинаковое количество витков, а сам сердечник набирается из электротехнической стали.

На входе устройства подаётся напряжение, в обмотке появляется электродвижущая сила, которая создаёт магнитное поле. Через это поле проходят витки одной из катушек, благодаря чему возникает сила самоиндукции. В другой же возникает напряжение, отличающееся от первичного на столько раз, на сколько отличается число витков обеих обмоток.

Действие трансформатора происходит так:

• Ток проходит по первичной катушке, которая создаёт магнитное поле .
• Все силовые линии замыкаются возле проводников катушки. Некоторые из этих силовых линий замыкаются возле проводников другой катушки. Получается, что обе связаны между собой при помощи магнитных линий .
• Чем дальше расположены обмотки друг от друга, тем с меньшей силой возникает между ними магнитная связь, так как меньшее количество силовых линий первой цепляется за силовые линии второй.
• Через первую проходит переменный ток (который меняется во времени и по определённому закону), значит, магнитное поле, которое создаётся, тоже будет переменным, то есть меняться во времени и по закону.
• Из-за изменения тока в первой в обе катушки поступает магнитный поток, который меняет величину и направление .
  Происходит индукция переменной электродвижущей силы. Об этом говорится в законе электромагнитной индукции.
• Если концы второй соединить с приёмниками электроэнергии, то в цепочке приёмников появится ток. К первой от генератора будет поступать энергия которая равная энергии, отдаваемой в цепочку второй. Энергия передаётся посредством переменного магнитного потока .

Понижающий трансформатор необходим для преобразования электроэнергии, а именно для понижения её показателей, чтобы можно было предотвратить сгорание электротехники.

Порядок сборки и подключение

Несмотря на то, что данный прибор кажется на первый взгляд сложным устройством, его можно собрать самостоятельно. Для этого надо выполнить такие шаги:

Пример схемы подключения понижающего трансформатора 220 на 12 В:

Чтобы было легче наматывать катушки (на заводах для этого используют специальное оборудование), можно использовать две деревянные стойки, закреплённые на доске, и ось из металла, продетую между отверстиями в стойках. На одном конце следует металлический прутик изогнуть в виде рукоятки.

Простые советы о том, на работоспособность, читайте в следующем обзоре.

В 1891 г Никола Тесла разработал трансформатор (катушку), при помощи которого он ставил эксперименты с электрическими разрядами высоких напряжений. Как сделать трансформатор Тесла своими руками, узнайте .

Полезная и интересная информация о подключении галогенных ламп через трансформатор — .

Итоги

• Трансформатором называется прибор с сердечником и двумя катушками-обмотками . На входе прибора подаётся электроэнергия, которая понижается до необходимых показателей.
• Принцип работы понижающего трансформатора заключается в создании электродвижущей силы, которая создаёт магнитное поле . Витки одной из катушек проходят через это поле, и появляется сила самоиндукции. Ток изменяется, меняется его величина и направление. Энергия подаётся при помощи переменного магнитного поля.
• Такой прибор нужен для преобразования энергии, благодаря чему предотвращается сгорание электротехники и выход её из строя.
• Порядок сборки подобного устройства очень простой . Сначала следует сделать некоторые расчёты и можно приступать к работе. Чтобы можно было быстро и просто производить намотку катушек, необходимо сделать простое приспособление из доски, стоек и рукоятки.

В заключение предлагаем вашему вниманию ещё один способ сборки и подключения понижающего трансформатора с 220 на 12 Вольт: