В статье рассмотрены конденсаторные источники вторичного электропитания (КИВЭП), известные с 1930-х гг. Выполнен анализ работы КИВЭП и определены области их возможного применения.

 

Конденсатор, с точки зрения формирования тока через нагрузку, функционально аналогичен резистору. Это утверждение oтносится только к переменным токам и напряжениям. Однако конденсаторный формирователь тока радикально отличается от резистивного тем, что он - теоретически -не обусловливает активную мощность потерь. Это определяет перспективы использования конденсатора в источниках электропитания [1, 2].

На рисунке 1 приведены схема простейшего КИВЭП и временные диаграммы его работы. Если входное переменное напряжение схемы представляет собой синусоиду ec(t) = UMsinωct, то среднее значение напряжения на нагрузке определяется как:

Uн=√2Uc - Iн/4fcCo     (1)

где Uc = Uм/√2 - действующее значение переменного напряжения ec(f) с

Схема конденсаторного источника электропитания

Рис. 1. Схема конденсаторного источника электропитания (а) и временные диаграммы его работы (б)

 

частотой fс = 2ωс/2π. Амплитуда импульсов тока, протекающих через диоды выпрямительного моста VD (см. рис. 1а), находится из выражения:

Iм = 2πfcUM,    (2)

которое показывает, что ток Iм не зависит от ёмкости конденсатора С0.

Как видно из выражения (1), напряжение на нагрузке UH зависит от тока нагрузки Iн, следовательно, подобная схема не является классическим источником напряжения, что определяет особенности её применения в источниках электропитания и некоторые функциональные ограничения. Пример графического решения выражения (1) для напряжения Uc= 220 В и частоты fс=50 Гц при различных значениях ёмкости конденсатора Со приведён на рисунке 2.

Графики, показанные на рисунке 2, демонстрируют зависимость снижения напряжения UH при увеличении тока нагрузки Iн. Другими словами, схема рис. 1 является классическим источником тока, где при Iн = 0 (холостой ход) UH = UM. В режиме короткого замыкания (Uн = 0) величина выходного тока зависит от ёмкости конденсатора С0 и описывается формулой:

Iнкз=4√2Uc fcCo                     (3)

Рис. 2. Зависимость выходного напряжения КИВЭП от тока нагрузки

зарядное устройство на основе КИВЭП

Рис. 3. Схема зарядного устройства на основе КИВЭП

 


В этом режиме показанные на временной диаграмме рис. 1б импульсы тока iв превращаются в полусинусоиды. а форма тока через конденсатор С0 будет иметь вид синусоиды, сдвинутой относительно напряжения ес на 90°; входное сопротивление устройства имеет чисто ёмкостной характер, с потреблением реактивного тока от сети. Это эквивалентно подключению к сети переменного напряжения компенсирующего конденсатора, повышающего cosφ при индуктивном характере нагрузки.

Рассмотрим практические возможности применения подобного источника тока в электронных устройствах различного типа.

Известно, что заряд аккумуляторных батарей должен производиться от источника тока. Реализация КИВЭП в зарядном устройстве приведена на рисунке 3, где трансформатор TV служит для гальванической развязки выхода схемы КИВЭП от переменного напряжения ес промышленной сети 220 В [3]. При необходимости изменения тока заряда Iзар аккумулятора GB можно подключать конденсаторы различной ёмкости (Со1 или Со2) при помощи ключа S. При больших токах заряда Iзар, составляющих единицы-десятки ампер, могут использоваться конденсаторы типа ДПС или ЛПС с номинальной ёмкостью от 1 до 120 мкФ. Рабочее напряжение конденсаторов составляет 250, 450 и 600 В, и они предназначены для работы на частоте питающей сети  fс = 50...60 Гц.

Очевидно, что зарядные устройства на основе КИВЭП являются простыми в реализации и рассеивают малую мощность потерь. Однако применение КИВЭП ими не ограничивается. Источники тока требуются для схем питания светодиодов или светодиодных матриц, в которых в настоящее время используются активные резисторы, что снижает энергетическую эффективность светодиодных устройств. Потери возрастают при больших размерах излучающих экранов, т.е. при большом количестве светодиодов в устройствах отображения информации или подсветки ЖКИ (вместо люминесцентных ламп).

Два варианта схем формирования токов через группы светодиодов приведены на рисунке 4. Первый не требует пояснений - схема функционально аналогична схеме зарядного устройства (см. рис. 3). Но второй схеме роль выпрямительного моста выполняют сами светодиоды. При этом обратное напряжение, прикладываемое к каждому из светодиодов, не превышает величины прямого падения напряжения на соответствующем встречно параллельном светодиоде [5]. Для уменьшения ёмкости конденсатора С0 и снижения стоимости устройства, в качестве источника ес может быть использовано высокочастотное переменное напряжение, форма которого должна оставаться синусоидальной.

Подобный принцип питания светодиодов может быть использован при разработке больших светодиодных панелей. Пример схемы такого устройства показан на рисунке 5. Здесь для наглядности изображена простая светодиодная матрица 3 х 3, управляемая ключами SY1, Sy2, Sy3 и SX1, SX2, SX3 по соответствующим осям координат. На практике количество элементов матрицы по осям X и Y может быть значительно больше. В качестве ключей могут использоваться ти-ристоры или транзисторы, включенные через мостовые выпрямители. Если необходимо уменьшить массу, объём и стоимость конденсаторов С0, частота fс должна составлять несколько десятков килогерц.

В последнее время в связи с появлением сверхярких светодиодов появляется возможность их применения в источниках освещения. В частности, известны настольные лампы с использованием подобных светодиодов и конденсаторным формированием тока. Существенным недостатком, снижающим безопасность таких ламп, является появление высокого напряжения на выводах светодиодов (UCB = Uм) при обрыве цепи питания.

Вариант схемы КИВЭП (см. рис. 6), в котором устранён этот недостаток, основан на том, что ток короткого замыкания Iн,кз конденсаторного источника питания, в соответствии с выражением (3), является строго нормированным. При наличии тока в цепи излучающих светодиодов VDизл транзистор VTynp открыт и шунтирует управляющий электрод тиристора Vs, предотвращая его включение. При обрыве цени падение напряжения на токоизмерительном резисторе RT становится равным нулю, транзистор VTупр запирается, и появляется ток управляющего электрода тиристора Vs. Последний включается и шунтирует выход выпрямительного моста VD, исключая появление высокого напряжения на выводах светодиодных излучателей VDизл .

Рис. 4. Схемы формирования токов через группы светодиодов


Схема светодиодной матрицы 3x3

Рис. 5. Схема светодиодной матрицы 3x3

Не исключено применение рассматриваемых КИВЭП в качестве преобразователей переменного напряжения в постоянное со стабилизацией выходного напряжения. Пример схемы такого преобразователя приведён на рисунке 7 [6]. Здесь стабилизация напряжения Uн осуществляется путём изменения угла отсечки θ (см. временную диаграмму тока iв на рисунке 1). Синхронизация моментов выключения транзистора VT осуществляется инвертором DD1, когда напряжение на выходе мостового выпрямителя VD становится равным нулю. Момент включения транзистора VT определяется схемой сравнения, выполненной на компараторе DA. Включенное состояние VT продолжается до тех пор, пока напряжение на выходе моста VD не станет равным нулю. Это обеспечивается триггером DD2. На том интервале времени, когда транзистор VT находится во включенном состоянии, нагрузка обеспечивается энергией, накопленной конденсатором Сф в предыдущем цикле.

Схема настольной светодиодной лампы

Рис. 6. Схема настольной светодиодной лампы


Схема преобразователя переменного напряжения в постоянное

Рис. 7. Схема преобразователя переменного напряжения в постоянное со стабилизацией выходного напряжения

Разумеется, рассматриваемые с КИВЭП не обладают функциональной универсальностью, которую имеют традиционные, в том числе импульсные, источники вторичного электропитания. КИВЭП имеют определённые недостатки, важнейшим из которых является отсутствие гальванической развязки выходного напряжения от входного. Однако, как показывают рассмотренные в статье примеры, КИВЭП могут занять определённую нишу в современной силовой электронике.

Борис Сергеев

Литература

1. Сергеев Б.С. Исследование возможности применения конденсаторных ИВЭП. Электросвязь. 1994. № 6.

2. Курченкова Н.Б., Сергеев Б.С. Конденсаторные источники вторичного электропитания. Электричество. 1999. № 2.

3. Сергеев Б.С. Заряд конденсаторов через ограничивающий конденсатор. Электронные компоненты. 2007. № 7.

4. Пат. РФ № 2250846. Конденсаторный светодиодный светофор. Б.С. Сергеев, Е.О. Савельев. Опубл. 27.04.2005.

5. Пат. РФ № 2245003. Устройство отображения информации. Б.С. Сергеев, Е.О. Савельев. Опубл. 20.01.2005.

6. Пат. РФ № 2138113- Источник вторичного электропитания. Н.Б. Курченкова, Б.С. Сергеев.