Fontes de alimentação sem transformador. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Hoje em dia existem muitos equipamentos de pequeno porte em casa que requerem energia constante. Isso inclui relógios com telas LED, termômetros, receptores de pequeno porte, etc. Em princípio, são concebidos para baterias, mas esgotam-se no momento mais inoportuno. Uma saída simples é alimentá-los com fontes de alimentação de rede. Mas mesmo um transformador de rede de pequeno porte (rebaixador) é bastante pesado e ocupa muito espaço, e a comutação de fontes de alimentação ainda é complexa, exigindo certa experiência e equipamentos caros para fabricar.

Uma solução para este problema, se certas condições forem atendidas, pode ser uma fonte de alimentação sem transformador com capacitor de extinção. Estas condições:

• autonomia completa do dispositivo alimentado, ou seja, nenhum dispositivo externo deve ser conectado a ele (por exemplo, um gravador ao receptor para gravar um programa);
• caixa dielétrica (não condutora) e os mesmos botões de controle para a própria fonte de alimentação e o dispositivo conectado a ela.

Isso se deve ao fato de que quando alimentado por uma unidade sem transformador, o dispositivo fica sob potencial de rede e tocar em seus elementos não isolados pode “tremer” bem. Vale acrescentar que ao configurar tais fontes de alimentação, você deve seguir regras de segurança e cautela.

Se necessário, utilize um osciloscópio para configuração, a fonte de alimentação deve ser conectada através de um transformador de isolamento.

Na sua forma mais simples, o circuito de uma fonte de alimentação sem transformador tem a forma mostrada na Fig.

Para limitar a corrente de partida ao conectar a unidade à rede, o resistor R1 é conectado em série com o capacitor C1 e a ponte retificadora VD2, e o resistor R1 é conectado em paralelo a ele para descarregar o capacitor após a desconexão.

Em geral, uma fonte de alimentação sem transformador é uma simbiose de um retificador e um estabilizador paramétrico. O capacitor C1 para corrente alternada é uma resistência capacitiva (reativa, ou seja, que não consome energia) Xc, cujo valor é determinado pela fórmula:

onde (- frequência da rede (50 Hz); C-capacitância do capacitor C1, F.

Então a corrente de saída da fonte pode ser determinada aproximadamente como segue:

onde Uc é a tensão da rede (220 V).

A parte de entrada de outra fonte de alimentação (Fig. 2a) contém um capacitor de lastro C1 e uma ponte retificadora composta por diodos VD1, VD2 e diodos zener VD3, VD4. Os resistores R1, R2 desempenham a mesma função do primeiro circuito. O oscilograma da tensão de saída do bloco é mostrado na Fig. 2b (quando a tensão de saída excede a tensão de estabilização dos diodos zener, caso contrário funciona como um diodo normal).

Desde o início do semiciclo positivo da corrente através do capacitor C1 até o momento t1, o diodo zener VD3 e o diodo VD2 estão abertos, e o diodo zener VD4 e o diodo VD1 estão fechados. No intervalo de tempo t1...t3, o diodo zener VD3 e o diodo VD2 permanecem abertos, e um pulso de corrente de estabilização passa através do diodo zener VD4 aberto. A tensão na saída Uout e no diodo zener VD4 é igual à sua tensão de estabilização Ust.

A corrente de estabilização de pulso, que passa por um retificador de diodo-díodo zener, desvia a carga RH, que está conectada à saída da ponte. No instante t2 a corrente de estabilização atinge o seu máximo e no instante t3 é zero. Até o final do semiciclo positivo, o diodo zener VD3 e o diodo VD2 permanecem abertos.

No momento t4 termina o semiciclo positivo e começa o semiciclo negativo, do início até o momento t5 o diodo zener VD4 e o diodo VD1 já estão abertos, e o diodo zener VD3 e o diodo VD2 estão fechados. No intervalo de tempo t5-t7, o diodo zener VD4 e o diodo VD1 continuam abertos, e um pulso de corrente de estabilização passa através do diodo zener VD3 na tensão UCT, o máximo no tempo t6. A partir de t7 e até o final do semiciclo negativo, o diodo zener VD4 e o diodo VD1 permanecem abertos. O ciclo de operação considerado do retificador diodo-díodo zener é repetido nos próximos períodos de tensão da rede.

Assim, uma corrente retificada passa pelos diodos zener VD3, VD4 do ânodo para o cátodo, e uma corrente de estabilização pulsada passa na direção oposta. Nos intervalos de tempo t1...t3 e t5...t7, a tensão de estabilização muda não mais do que alguns por cento. O valor da corrente alternada na entrada da ponte VD1...VD4 é, numa primeira aproximação, igual à razão entre a tensão da rede e a capacitância do capacitor de lastro C1.

A operação de um retificador diodo-díodo zener sem capacitor de reator, que limita a corrente de passagem, é impossível. Funcionalmente, eles são inseparáveis ​​​​e formam um único todo - um retificador capacitor-diodo zener.

A dispersão nos valores UCT dos diodos zener do mesmo tipo é de aproximadamente 10%, o que leva a ondulações adicionais na tensão de saída com a frequência da rede de alimentação; a amplitude da tensão de ondulação é proporcional à diferença no Valores ust dos diodos zener VD3 e VD4.

Ao usar diodos zener potentes D815A...D817G, eles podem ser instalados em um radiador comum se sua designação de tipo contiver as letras "PP (diodos zener D815APP...D817GPP possuem polaridade reversa dos terminais). Caso contrário, os diodos e zener os diodos devem ser trocados.

As fontes de alimentação sem transformador são geralmente montadas de acordo com o esquema clássico: capacitor de extinção, retificador de tensão CA, capacitor de filtro, estabilizador. Um filtro capacitivo suaviza as ondulações da tensão de saída. Quanto maior for a capacitância dos capacitores do filtro, menor será a ondulação e, consequentemente, maior será o componente constante da tensão de saída. No entanto, em alguns casos, você pode ficar sem um filtro, que geralmente é o componente mais complicado dessa fonte de alimentação.

Sabe-se que um capacitor conectado a um circuito de corrente alternada muda sua fase em 90°. Um capacitor de mudança de fase é usado, por exemplo, ao conectar um motor trifásico a uma rede monofásica. Se você usar um capacitor de mudança de fase no retificador, que garante a sobreposição mútua de meias ondas da tensão retificada, em muitos casos você poderá prescindir de um filtro capacitivo volumoso ou reduzir significativamente sua capacitância. O circuito desse retificador estabilizado é mostrado na Fig.

O retificador trifásico VD1.VD6 é conectado a uma fonte de tensão alternada através de resistências ativas (resistor R1) e capacitivas (capacitor C1).

A tensão de saída do retificador estabiliza o diodo zener VD7. O capacitor de mudança de fase C1 deve ser projetado para operação em circuitos de corrente alternada. Aqui, por exemplo, capacitores do tipo K73-17 com tensão operacional de pelo menos 400 V são adequados.

Tal retificador pode ser utilizado quando for necessário reduzir as dimensões de um dispositivo eletrônico, uma vez que as dimensões dos capacitores de óxido de um filtro capacitivo são, via de regra, muito maiores que as de um capacitor de mudança de fase de tamanho relativamente pequeno. capacidade.

Outra vantagem da opção proposta é que o consumo de corrente é quase constante (no caso de carga constante), enquanto nos retificadores com filtro capacitivo, no momento da ligação, a corrente de partida ultrapassa significativamente o valor de regime permanente ( devido à carga dos capacitores do filtro), o que em alguns casos é extremamente indesejável.

O dispositivo descrito também pode ser usado com estabilizadores de tensão em série com carga constante, bem como com carga que não requer estabilização de tensão.

Uma fonte de alimentação sem transformador completamente simples (Fig. 4) pode ser construída “no joelho” em literalmente meia hora.

Nesta modalidade, o circuito é projetado para uma tensão de saída de 6,8 V e uma corrente de 300 mA. A tensão pode ser alterada substituindo o diodo zener VD4 e, se necessário, VD3, e instalando transistores nos radiadores, você pode aumentar a corrente de carga. Ponte de diodo - qualquer uma projetada para uma tensão reversa de pelo menos 400 V. Aliás, você também pode se lembrar dos diodos “antigos”. D226B.

Em outra fonte sem transformador (Fig. 5), o microcircuito KR142EN8 é utilizado como estabilizador. Sua tensão de saída é de 12 V. Caso seja necessário ajustar a tensão de saída, o pino 2 do microcircuito DA1 é conectado ao fio comum através de um resistor variável, por exemplo, tipo SPO-1 (com característica linear de mudança de resistência) . Então a tensão de saída pode variar na faixa de 12...22 V.

Como microcircuito DA1, para obter outras tensões de saída, é necessário utilizar os estabilizadores integrados apropriados, por exemplo, KR142EN5, KR1212EN5, KR1157EN5A, etc. O capacitor C1 deve ter uma tensão de operação de pelo menos 300 V, marca K76-3, K73 -17 ou similar (não polar, alta tensão). O capacitor de óxido C2 atua como um filtro da fonte de alimentação e suaviza as ondulações de tensão. O capacitor C3 reduz a interferência de alta frequência. Os resistores R1, R2 são do tipo MLT-0,25. Os diodos VD1...VD4 podem ser substituídos por KD105B...KD105G, KD103A, B, KD202E. O diodo Zener VD5 com tensão de estabilização de 22...27 V protege o microcircuito de picos de tensão quando a fonte é ligada.

Apesar de teoricamente os capacitores em um circuito CA não consumirem energia, na realidade eles podem gerar algum calor devido às perdas. Você pode verificar a adequação de um capacitor como capacitor de amortecimento para uso em uma fonte sem transformador simplesmente conectando-o à rede elétrica e avaliando a temperatura do gabinete após meia hora. Se o capacitor conseguir aquecer visivelmente, ele não é adequado. Capacitores especiais para instalações elétricas industriais praticamente não aquecem (são projetados para alta potência reativa). Tais capacitores são normalmente utilizados em lâmpadas fluorescentes, em reatores de motores elétricos assíncronos, etc.

Em uma fonte de 5 volts (Fig. 6) com corrente de carga de até 0,3 A, é utilizado um divisor de tensão de capacitor. É composto por um capacitor de papel C1 e dois capacitores de óxido C2 e C3, formando o braço apolar inferior (de acordo com o circuito) com capacidade de 100 μF (conexão contra-série de capacitores). Os diodos polarizadores para o par de óxido são diodos de ponte. Com as classificações indicadas dos elementos, a corrente de curto-circuito na saída da fonte de alimentação é de 600 mA, a tensão no capacitor C4 na ausência de carga é de 27 V.

A fonte de alimentação do receptor portátil (Fig. 7) cabe facilmente no compartimento da bateria. A ponte de diodos VD1 é projetada para corrente de operação, sua tensão máxima é determinada pela tensão fornecida pelo diodo zener VD2. Elementos R3, VD2. VT1 forma um análogo de um poderoso diodo zener. A corrente máxima e a dissipação de potência de tal diodo zener são determinadas pelo transistor VT1. Pode exigir um dissipador de calor. Mas em qualquer caso, a corrente máxima deste transistor não deve ser menor que a corrente de carga. Elementos R4, VD3 - circuito que indica a presença de tensão de saída. Em baixas correntes de carga, é necessário levar em consideração a corrente consumida por este circuito. O resistor R5 carrega o circuito de potência com baixa corrente, o que estabiliza seu funcionamento.

Os capacitores de extinção C1 e C2 são do tipo KBG ou similares. Você também pode usar K73-17 com tensão operacional de 400 V (250 V também é adequado, pois estão conectados em série). A tensão de saída depende da resistência dos capacitores de extinção à corrente alternada, da corrente de carga real e da tensão de estabilização do diodo zener.

Para estabilizar a tensão de uma fonte de alimentação sem transformador com capacitor de extinção, você pode usar dinistores simétricos (Fig. 8).

Quando o capacitor do filtro C2 é carregado com a tensão de abertura do dinistor VS1, ele liga e desvia a entrada da ponte de diodos. A carga neste momento recebe energia do capacitor C2. No início do próximo meio ciclo, C2 é novamente recarregado na mesma tensão e o processo é repetido. A tensão de descarga inicial do capacitor C2 não depende da corrente de carga e da tensão da rede, portanto a estabilidade da tensão de saída da unidade é bastante elevada.

A queda de tensão no dinistor quando ligado é pequena, a dissipação de energia e, portanto, seu aquecimento, é significativamente menor que a de um diodo zener. A corrente máxima através do dinistor é de cerca de 60 mA. Se este valor não for suficiente para obter a corrente de saída necessária, você pode "alimentar o dinistor com um triac ou tiristor (Fig. 9). A desvantagem de tais fontes de alimentação é a escolha limitada de tensões de saída, determinadas pelas tensões de comutação dos dinistores.

Uma fonte de alimentação sem transformador com tensão de saída ajustável é mostrada na Fig.

Sua característica é a utilização de feedback negativo ajustável da saída da unidade ao estágio de transistor VT1, conectado em paralelo com a saída da ponte de diodos. Este estágio é um elemento regulador e é controlado por um sinal da saída de um amplificador de estágio único para o VT2.

O sinal de saída VT2 depende da diferença de tensão fornecida pelo resistor variável R7, conectado em paralelo com a saída da fonte de alimentação, e pela fonte de tensão de referência nos diodos VD3, VD4. Essencialmente, o circuito é um regulador paralelo ajustável. O papel do resistor de lastro é desempenhado pelo capacitor de extinção C1, o elemento controlado em paralelo é desempenhado pelo transistor VT1.

Esta fonte de alimentação funciona da seguinte maneira.

Quando conectados à rede, os transistores VT1 e VT2 são bloqueados e o capacitor de armazenamento C2 é carregado através do diodo VD2. Quando a base do transistor VT2 atinge uma tensão igual à tensão de referência nos diodos VD3, VD4, os transistores VT2 e VT1 são desbloqueados. O transistor VT1 desvia a saída da ponte de diodos e sua tensão de saída cai, o que leva a uma diminuição da tensão no capacitor de armazenamento C2 e ao bloqueio dos transistores VT2 e VT1. Isso, por sua vez, provoca um aumento de tensão em C2, destravando VT2, VT1 e repetindo o ciclo.

Devido à realimentação negativa operando desta forma, a tensão de saída permanece constante (estabilizada) tanto com carga ligada (R9) quanto sem ela (em marcha lenta). Seu valor depende da posição do potenciômetro R7.

A posição superior (de acordo com o diagrama) do motor corresponde a uma tensão de saída mais elevada. A potência máxima de saída deste dispositivo é de 2 W. Os limites de ajuste da tensão de saída são de 16 a 26 V, e com diodo VD4 em curto-circuito - de 15 a 19,5 V. O nível de ondulação na carga não é superior a 70 mV.

O transistor VT1 opera em modo alternado: quando há carga - em modo linear, em modo inativo - em modo de modulação por largura de pulso (PWM) com frequência de pulsação de tensão no capacitor C2 de 100 Hz. Neste caso, os pulsos de tensão no coletor VT1 possuem bordas planas.

O critério para a escolha correta da capacitância C1 é obter a tensão máxima necessária na carga. Se sua capacidade for reduzida, a tensão máxima de saída na carga nominal não será alcançada. Outro critério para escolha de C1 é a constância do oscilograma de tensão na saída da ponte de diodos (Fig. 10b).

O oscilograma de tensão tem a forma de uma sequência de meias ondas senoidais retificadas da tensão da rede com picos limitados (achatados) de ondas semi-senoidais positivas; a amplitude dos picos é um valor variável, dependendo da posição do controle deslizante R7 , e muda linearmente à medida que gira. Mas cada meia onda deve necessariamente chegar a zero, a presença de uma componente constante (como mostrado na Fig. 10b pela linha pontilhada) não é permitida, porque neste caso, o regime de estabilização é violado.

O modo linear é leve, o transistor VT1 aquece pouco e pode operar praticamente sem dissipador de calor. Ocorre um ligeiro aquecimento na posição inferior do motor R7 (na tensão de saída mínima). Em marcha lenta, o regime térmico do transistor VT1 piora na posição superior do motor R7. Neste caso, o transistor VT1 deve ser instalado em um pequeno radiador, por exemplo, em forma de “bandeira” feita de uma placa quadrada de alumínio com lado de 30 mm e espessura de 1...2 mm.

O transistor regulador VT1 é de média potência, com alto coeficiente de transmissão. Sua corrente de coletor deve ser 2...3 vezes maior que a corrente máxima de carga, a tensão coletor-emissor permitida não deve ser inferior à tensão máxima de saída da fonte de alimentação. Os transistores KT1A, KT972A, KT829A, etc. podem ser usados ​​como VT827. O transistor VT2 opera no modo de baixa corrente, portanto, qualquer transistor pn-p de baixa potência é adequado - KT203, KT361, etc.

Os resistores R1, R2 são de proteção. Eles protegem o transistor de controle VT1 contra falhas devido a sobrecarga de corrente durante processos transitórios quando a unidade está conectada à rede.

O capacitor retificador sem transformador (Fig. 11) opera com autoestabilização da tensão de saída. Isto é conseguido alterando o tempo de conexão da ponte de diodos ao capacitor de armazenamento. O transistor VT1, operando em modo chaveado, é conectado paralelamente à saída da ponte de diodos. A base VT1 é conectada através de um diodo zener VD3 a um capacitor de armazenamento C2, separado por corrente contínua da saída da ponte por um diodo VD2 para evitar descarga rápida quando VT1 está aberto. Contanto que a tensão em C2 seja menor que a tensão de estabilização VD3, o retificador opera normalmente. Quando a tensão em C2 aumenta e VD3 abre, o transistor VT1 também abre e desvia a saída da ponte retificadora. A tensão na saída da ponte diminui abruptamente para quase zero, o que leva a uma diminuição da tensão em C2 e o diodo zener e o transistor chave são desligados.

Em seguida, a tensão no capacitor C2 aumenta novamente até que o diodo zener e o transistor sejam ligados, etc. O processo de autoestabilização da tensão de saída é muito semelhante à operação de um estabilizador de tensão de pulso com regulação de largura de pulso. Somente no dispositivo proposto a taxa de repetição do pulso é igual à frequência de ondulação da tensão em C2. Para reduzir perdas, o transistor chave VT1 deve ter um alto ganho, por exemplo, KT972A, KT829A, KT827A, etc. Você pode aumentar a tensão de saída do retificador usando um diodo zener de alta tensão (uma cadeia de baixa tensão conectado em série). Com dois diodos zener D814V, D814D e uma capacitância do capacitor C1 de 2 μF, a tensão de saída através de uma carga com resistência de 250 Ohms pode ser de 23...24 V.

Da mesma forma, você pode estabilizar a tensão de saída de um retificador de diodo-capacitor de meia onda (Fig. 12).

Para um retificador com tensão de saída positiva, um transistor npn é conectado em paralelo com o diodo VD1, controlado a partir da saída do retificador através de um diodo zener VD3. Quando o capacitor C2 atinge uma tensão correspondente ao momento de abertura do diodo zener, o transistor VT1 também abre. Como resultado, a amplitude da tensão positiva de meia onda fornecida a C2 através do diodo VD2 é reduzida a quase zero. Quando a tensão em C2 diminui, o transistor VT1 fecha graças ao diodo zener, o que leva a um aumento na tensão de saída. O processo é acompanhado pela regulação da largura do pulso e da duração do pulso na entrada VD2, portanto, a tensão no capacitor C2 é estabilizada.

Em um retificador com tensão de saída negativa, um transistor pnp KT1A ou KT973A deve ser conectado em paralelo com o diodo VD825. A tensão estabilizada de saída em uma carga com resistência de 470 Ohms é de cerca de 11 V, a tensão de ondulação é de 0,3...0,4 V.

Em ambas as opções, o diodo zener opera em modo pulsado com uma corrente de alguns miliamperes, o que não está de forma alguma relacionado à corrente de carga do retificador, à variação da capacitância do capacitor de extinção e às flutuações na tensão da rede. Portanto, as perdas são significativamente reduzidas e não requer dissipador de calor. O transistor chave também não requer radiador.

Os resistores R1, R2 nesses circuitos limitam a corrente de entrada durante processos transitórios no momento em que o dispositivo é conectado à rede. Devido ao inevitável “salto” dos contatos do plugue de alimentação, o processo de comutação é acompanhado por uma série de curtos-circuitos e circuitos abertos de curto prazo. Durante um desses curtos-circuitos, o capacitor de extinção C1 pode ser carregado com o valor de amplitude total da tensão da rede, ou seja, até aproximadamente 300 V. Após uma interrupção e subsequente fechamento do circuito devido a “saltos”, esta e a tensão da rede podem somar e totalizar cerca de 600 V. Este é o pior caso, que deve ser levado em consideração conta para garantir a operação confiável do dispositivo.

Outra versão do circuito chave da fonte de alimentação sem transformador é mostrada na Fig.

A tensão da rede, passando pela ponte de diodos em VD1.VD4, é convertida em uma amplitude pulsante de cerca de 300 V. O transistor VT1 é um comparador, VT2 é uma chave. Os resistores R1, R2 formam um divisor de tensão para VT1. Ajustando R2 você pode definir a tensão de resposta do comparador. Até que a tensão na saída da ponte de diodos atinja o limite definido, o transistor VT1 está fechado, a porta VT2 tem uma tensão de desbloqueio e está aberta. O capacitor C2 é carregado através de VT5 e diodo VD1.

Quando o limite operacional definido é atingido, o transistor VT1 abre e contorna a porta VT2. A chave fecha e abrirá novamente quando a tensão na saída da ponte for menor que o limite operacional do comparador. Assim, é definida uma tensão em C1, que é estabilizada pelo estabilizador integrado DA1.

Com as classificações mostradas no diagrama, a fonte fornece uma tensão de saída de 5 V a uma corrente de até 100 mA. A configuração consiste em definir o limite de resposta VT1. Você pode usar o IRF730. KP752A, IRF720, BUZ60, 2N6517 é substituído por KT504A.

Uma fonte de alimentação em miniatura sem transformador para dispositivos de baixa potência pode ser construída no chip HV-2405E (Fig. 14), que converte diretamente tensão alternada em tensão contínua.

A faixa de tensão de entrada do IC é de -15...275 V. A faixa de tensão de saída é de 5...24 V com uma corrente de saída máxima de até 50 mA. Disponível em caixa plástica plana DIP-8. A estrutura do microcircuito é mostrada na Fig. 15a, a pinagem é mostrada na Fig.

No circuito fonte (Fig. 14), atenção especial deve ser dada aos resistores R1 e R2. Sua resistência total deve estar em torno de 150 Ohms e a potência dissipada deve ser de pelo menos 3 W. O capacitor de entrada de alta tensão C1 pode ter uma capacitância de 0,033 a 0,1 μF. O varistor Rv pode ser usado em quase qualquer tipo com uma tensão operacional de 230.250 V. O resistor R3 é selecionado dependendo da tensão de saída necessária. Na sua ausência (as saídas 5 e 6 estão fechadas), a tensão de saída é ligeiramente superior a 5 V; com uma resistência de 20 kOhm, a tensão de saída é de cerca de 23 V. Em vez de um resistor, você pode ligar um diodo zener com a tensão de estabilização necessária (de 5 a 21 V). Não há requisitos especiais para outras peças, com exceção da escolha da tensão de operação dos capacitores eletrolíticos (as fórmulas de cálculo são mostradas no diagrama).

Considerando o perigo potencial das fontes sem transformador, em alguns casos uma opção de compromisso pode ser interessante: com um capacitor de extinção e um transformador (Fig. 16).

Um transformador com enrolamento secundário de alta tensão é adequado aqui, uma vez que a tensão retificada necessária é definida selecionando a capacitância do capacitor C1. O principal é que os enrolamentos do transformador forneçam a corrente necessária.

Para evitar mau funcionamento do dispositivo quando a carga é desconectada, um diodo zener D1P deve ser conectado à saída da ponte VD4...VD815. No modo normal não funciona, pois sua tensão de estabilização é superior à tensão de operação na saída da ponte. O fusível FU1 protege o transformador e o estabilizador em caso de quebra do capacitor C1.

Em fontes deste tipo, a ressonância de tensão pode ocorrer em um circuito de resistências capacitivas (capacitor C1) e indutivas (transformador T1) conectadas em série. Isto deve ser lembrado ao configurá-los e monitorar as tensões com um osciloscópio.

Autor: V.Novikov

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