Необычный выпрямитель

Описываемый необычный выпрямитель переменного тока предназначен для использования там, где требуются малые регулируемые напряжения при относительно больших токах и малых потерях. Примером применения может служить питание элементов Пельтье, применяемых в системах охлаждения, где, к тому же, необходимо и регулировать температуру. Гальванические ванны и низковольтные паяльники — другие примеры применения подобного выпрямителя.

При получении низких напряжений питания в выпрямителях встаёт проблема падения напряжения на выпрямительных полупроводниковых диодах, обусловленная применённым в диодах полупроводниковым материалом (0,6…0,9 В в кремниевых диодах), которое оказывает тем большее влияние, чем ниже выпрямленное напряжение. Встаёт проблема отвода тепла при больших токах нагрузки. Когда необходима ещё и регулировка выходного напряжения, прибегают к помощи последовательного стабилизатора напряжения, падение напряжения на переходе регулирующего транзистора которого составляет дополнительно к падению на диодах выпрямителя ещё несколько вольт, что ведёт к бесполезному рассеиванию мощности, к.п.д устройства, при этом, не превышает 50%. На рисунке (Bild 1) показана схема выпрямителя, взятая из сборника патентов ГДР [ 1 ], который позволяет значительно уменьшить потери мощности.

Речь идёт, в первую очередь, о 2-хполупериодном выпрямителе со средней точкой, который характерен и известен как выпрямитель, имеющий два диода и отвод от середины обмотки трансформатора. Здесь выпрямительные диоды заменены переходами эмиттер-коллектор регулирующих транзисторов (VT1 и VT2). Этим обеспечивается преимущество перед диодами, потому что падение напряжения на переходах эмиттер-коллектор у современных мощных планарных транзисторов составляет всего 0,1…0,2 В, против примерно 0,7 В у большинства выпрямительных диодов, поэтому бесполезное рассеивание мощности значимтельно сокращается. Кроме того, при использовании транзисторов как управляемых элементов, появляется возможность регулировки выходного выпрямленного напряжения, а, именно, — путём усечения фазы.

Во время положительного полупериода ток течёт через VD1, контакты переключателя S (S — сначала в крайнем правом, по схеме, положении), резистор R и диод VD4 в цепи база-эмиттер VT2. VT2, при этом, управляется, в результате чего нижняя ветвь выпрямителя открывается, а конденсатор С заряжается. Во время отрицательного полупериода транзистор VT1 управляется через диод VD2, S, R и VD3, чем открывается верхняя ветвь выпрямителя. Поскольку речь идёт о 2-хполупериодном выпрямителе, в котором остаточное падение напряжения на переходах эмиттер-коллектор транзисторов очень мало, то мала и рассеиваемая на транзисторах мощность, равная падению напряжения на переходе эмиттер-коллектор умноженному на ток прпотекающий в этой цепи. Коль мала мощность рассеивания, так небольшим может быть и теплоотвод, а если ещё и отрицательный полюс выпрямителя может быть соединён с металлическим корпусом питаемого устройства, то регулирующие транзисторы можно прикрутить выводами коллекторов прямо на шасси без изолирующих прокладок. Теперь рассмотрим возможность регулировки выходного напряжения выпрямителя с помощью цепочки диодов VD5…VDn, коммутируемых переключателем S, осуществляющих отсечку фазы (Bild 2). Транзисторы, при этом, начинают проводить не сразу с начала соответствующего полупериода переменного напряжения, а спустя некоторое время, когда мгновенное значение амплитуды напряжения в полупериоде превысит сумму прямых напряжений включенных диодов. Соответственно, чем меньшее время открыты транзисторы, тем до меньшего напряжения сможет зарядиться конденсатор фильтра С. Конечно эффект более позднего открывания и более раннего закрывания транзисторов зависит и от прямого падения напряжения на диодах VD1…VD4 и от напряжения открывания транзисторов VT1 и VT2. Здесь лучше всего применить германиевые диоды из-за малого прямого падения напряжения на них, например, 0,1 А или 1 А диоды из серии GY. Более современными оказываются здесь диоды с барьером Шоттки, но результаты, получаемые с ними ничуть не лучше, а хуже, чем со старыми добрыми германиевыми диодами, тем более, что до сих пор не все могут диоды Шоттки достать.

Следует обратить особое внимание на максимальное допустимое обратное напряжение переходов база-эмиттер VT1 и VT2. При превышении этого напряжения, ток с соответствующего внешнего конца вторичной обмотки силового трансформатора потечёт через запертый переход эмиттер-база (как ток стабилизации (или “лавинный ток пробоя”) в стабилитроне) и оттуда через включенный в прямом направлении прохождения тока переход база – коллектор, — прямо на выход выпрямителя. В этом случае, конечно же, ни о каком регулировании транзисторами не может быть и речи и они повреждаются. Пиковое значение напряжения на любой половине вторичной обмотки не должно превышать допустимого обратного напряжения перехода эмиттер-база (Ueff * 3 2), которое должно быть в районе 6…9 В. Рекомендуется до установки транзисторов в схему измерить допустимое обратное напряжение переходов база-эмиттер (и, наверное, коль схема симметрична, подобрать пару транзисторов с одинаковыми параметрами). Способ измерения этого напряжения прост: необходимо включить переход база – эмиттер в обратном (запирающем направлении прохождению постоянного тока) через резистор и измерить на переходе напряжение точно также как определяется напряжение стабилизации на обычном стабилитроне. Увеличиваем напряжение подаваемое на последовательно включенные резистор (например, сопротивлением 1 ком) и переход база-эмиттер (“плюсом” к эмиттеру, если это n-p-n транзистор), на параллельно переходу включенном вольтметре наблюдаем значение максимального обратного напряжения, когда таковое перестаёт заметно прирастать при увеличении напряжения питания. Последнее обстоятельство (довольно низкое допустимое обратное напряжение перехода база-эмиттер) ограничивает максимальное выходное напряжение приводимой схемы выпрямителя 5 вольтами. Величина сопротивления R = 200 ом выбрана как компромисс для выходного напряжения до 5 В при токах нагрузки 1…2 А: слишком малая его величина ведёт к излишним потерям в самом резисторе (неэкономична), большая же, — не позволяет полностью открываться транзисторам, из-за чего также увеличиваются потери (теперь на регулирующих транзисторах).

Транзисторы должны иметь как можно большее допустимое обратное напряжение перехода база-эмиттер и обладать максимально возможным коэффициентом усиления по току. Если будут применяться p-n-p транзисторы (например, КТ818), все диоды и оксидный фильтровый конденсатор следует “перевернуть” и полярность выходного напряжения сменится.

Можно пойти дальше и вместо дискретной регулировки выходного напряжения применить плавную, установив вместо диодов VD5…VDn и переключателя S, той же проводимости как VT1/VT2 (коллектором к точке соединения диодов VD1 и VD2, эмиттером к резистору R) и потенциометр, вывод движка которого следует соединить с базой дополнительного транзистора, а крайние выводы — с коллектором и эмиттером этого транзистора. Возможны также другие включения с падающей характеристикой (аналог динистора). Для экспериментатора здесь большое поле деятельности.

Литература: 1. Патент DDR-WP HO2313189.7

Dipl.-Ing. M. Franke Оригинал статьи см. журнал FUNKAMATEUR 1988, № 11, стр. 554.

Свободный перевод с немецкого: Виктор Беседин (UA9LAQ)