トランスレス電源。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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現在、家の中には常時電力を必要とする小型機器がたくさんあります。 LED表示付きの時計、温度計、小型受信機などがこれにあたります。原則として、それらはバッテリー用に設計されていますが、最も不適切な瞬間にバッテリーが切れてしまいます。簡単な方法は、ネットワーク電源から電力を供給することです。しかし、小型のネットワーク (降圧) 変圧器でさえ非常に重く、かなりのスペースを占有し、スイッチング電源は依然として複雑であり、製造にはある程度の経験と高価な装置が必要です。

この問題の解決策は、特定の条件が満たされている場合、クエンチング コンデンサを備えたトランスレス電源を使用することです。これらの条件:

• 受電装置の完全な自律性、つまり外部デバイスを接続しないでください (たとえば、番組を録画するためにテープレコーダーを受信機に接続する)。
• 誘電体（非導電性）ハウジングと、電源自体とそれに接続されているデバイス用の同じコントロールノブを使用します。

これは、トランスのないユニットから電力が供給されている場合、デバイスがネットワーク電位の下にあり、非絶縁要素に触れるとよく​​「揺れる」可能性があるという事実によるものです。このような電源を設定するときは、安全規則と注意事項に従う必要があることを付け加えておきます。

必要に応じて、セットアップにオシロスコープを使用します。電源は絶縁トランスを介して接続する必要があります。

トランスレス電源の回路は、最も単純な形では図 1 に示す形になります。

ユニットをネットワークに接続する際の突入電流を制限するために、抵抗 R1 がコンデンサ C1 および整流器ブリッジ VD2 と直列に接続され、抵抗 R1 がそれ​​に並列に接続され、切断後にコンデンサを放電します。

一般に、トランスレス電源は、整流器とパラメトリック安定器の共生です。交流用のコンデンサ C1 は容量性 (無効、つまりエネルギーを消費しない) 抵抗 Xc であり、その値は次の式で求められます。

ここで、（-ネットワーク周波数（50 Hz）; C-コンデンサC1、Fの静電容量。

次に、ソースの出力電流は次のように概算できます。

ここで、Uc は電源電圧 (220 V) です。

別の電源の入力部 (図 2a) には、バラスト コンデンサ C1 と、ダイオード VD1、VD2 およびツェナー ダイオード VD3、VD4 で構成されるブリッジ整流器が含まれています。抵抗 R1、R2 は最初の回路と同じ役割を果たします。ブロックの出力電圧のオシログラムを図 2b に示します (出力電圧がツェナー ダイオードの安定化電圧を超える場合、それ以外の場合は通常のダイオードと同様に動作します)。

コンデンサ C1 を流れる電流の正の半サイクルの開始から瞬間 t1 まで、ツェナー ダイオード VD3 とダイオード VD2 は開き、ツェナー ダイオード VD4 とダイオード VD1 は閉じます。時間間隔 t1...t3 では、ツェナー ダイオード VD3 とダイオード VD2 は開いたままとなり、安定化電流パルスが開いたツェナー ダイオード VD4 を通過します。出力 Uout とツェナー ダイオード VD4 の電圧は、安定化電圧 Ust に等しくなります。

ダイオードツェナーダイオード整流器に流れるパルス安定化電流は、ブリッジ出力に接続されている RH 負荷をバイパスします。時間 t2 で安定化電流は最大に達し、時間 t3 でゼロになります。正の半サイクルが終了するまで、ツェナー ダイオード VD3 とダイオード VD2 は開いたままになります。

時点 t4 で正の半サイクルが終了し、負の半サイクルが始まります。その開始時から時点 t5 まで、ツェナー ダイオード VD4 とダイオード VD1 はすでに開いており、ツェナー ダイオード VD3 とダイオード VD2 は閉じています。時間間隔 t5 ～ t7 では、ツェナー ダイオード VD4 とダイオード VD1 は開いたままになり、貫通安定化電流パルスが電圧 UCT でツェナー ダイオード VD3 を通過します。これは時間 t6 で最大になります。 t7 から開始して負の半サイクルが終了するまで、ツェナー ダイオード VD4 とダイオード VD1 は開いたままになります。ダイオードツェナーダイオード整流器の考慮された動作サイクルは、主電源電圧の次の期間で繰り返されます。

したがって、整流された電流がアノードからカソードへツェナー ダイオード VD3、VD4 を通過し、パルス状の安定化電流が逆方向に流れます。時間間隔 t1...t3 および t5...t7 では、安定化電圧は数パーセントしか変化しません。ブリッジ VD1...VD4 の入力における交流の値は、一次近似的に、ネットワーク電圧とバラスト コンデンサ C1 の静電容量の比に等しくなります。

ダイオードツェナーダイオード整流器は、貫通電流を制限するバラストコンデンサなしでは動作できません。機能的には、これらは分離できず、コンデンサーツェナーダイオード整流器という単一の全体を形成します。

同じタイプのツェナー ダイオードの UCT 値のばらつきは約 10% であり、電源ネットワークの周波数に応じて出力電圧に追加のリップルが発生します。リップル電圧の振幅は、周波数の差に比例します。ツェナーダイオードVD3とVD4のUST値。

強力なツェナー ダイオード D815A...D817G を使用する場合、タイプ指定に「PP」の文字が含まれていれば、共通のラジエーターに取り付けることができます (ツェナー ダイオード D815APP...D817GPP は端子の極性が逆です)。それ以外の場合は、ダイオードとツェナーダイオードを交換する必要があります。

トランスレス電源は通常、クエンチング コンデンサ、AC 電圧整流器、フィルタ コンデンサ、スタビライザという古典的なスキームに従って組み立てられます。容量性フィルタは出力電圧リップルを平滑化します。フィルタコンデンサの静電容量が大きいほどリップルは少なくなり、したがって出力電圧の一定成分が大きくなります。ただし、場合によっては、このような電源の最も扱いにくいコンポーネントであるフィルターを使用せずに済むこともあります。

交流回路に接続されたコンデンサは位相が90°ずれることが知られています。移相コンデンサは、たとえば、三相モーターを単相ネットワークに接続する場合に使用されます。整流器に移相コンデンサを使用すると、整流された電圧の半波が相互に重なり合うことが保証され、多くの場合、大きな容量性フィルタを使用せずに済むか、その容量を大幅に減らすことができます。このような安定化整流器の回路を図 3 に示します。

三相整流器 VD1.VD6 は、能動抵抗 (抵抗 R1) と容量抵抗 (コンデンサ C1) を介して交流電圧源に接続されています。

整流器の出力電圧はツェナー ダイオード VD7 を安定させます。移相コンデンサ C1 は、交流回路で動作するように設計する必要があります。ここでは、たとえば、動作電圧が少なくとも 73 V の K17-400 タイプのコンデンサが適しています。

このような整流器は、一般に、容量性フィルタの酸化物コンデンサの寸法が、比較的小さな移相コンデンサの寸法よりもはるかに大きいため、電子デバイスの寸法を縮小する必要がある場合に使用できます。容量。

提案されたオプションのもう 1 つの利点は、消費電流がほぼ一定であるのに対し (一定負荷の場合)、容量性フィルターを備えた整流器では、スイッチオンの瞬間に始動電流が定常値を大幅に超えることです (フィルタコンデンサの電荷による）、これは場合によっては非常に望ましくないことです。

説明したデバイスは、電圧安定化を必要としない負荷だけでなく、一定負荷の直列電圧安定器でも使用できます。

完全にシンプルなトランスレス電源 (図 4) は、文字通り XNUMX 分で「膝の上」に構築できます。

この実施形態では、回路は、６．８Ｖの出力電圧および３００ｍＡの電流用に設計されている。ツェナーダイオードVD6,8、必要に応じてVD300を交換することで電圧を変更したり、ラジエーターにトランジスタを取り付けることで負荷電流を増やすことができます。ダイオードブリッジ - 少なくとも4 Vの逆電圧用に設計されたもの。ところで、「古代の」ダイオードについても思い出すことができます。 D3B。

別のトランスレス電源 (図 5) では、KR142EN8 マイクロ回路がスタビライザーとして使用されます。出力電圧は 12 V です。出力電圧の調整が必要な場合は、DA2 マイクロ回路のピン 1 を可変抵抗器、たとえば SPO-1 型 (抵抗変化の線形特性を持つ) を介して共通線に接続します。 。この場合、出力電圧は 12 ～ 22 V の範囲で変化します。

DA1 マイクロ回路として、他の出力電圧を取得するには、KR142EN5、KR1212EN5、KR1157EN5A などの適切な統合スタビライザーを使用する必要があります。コンデンサ C1 の動作電圧は少なくとも 300 V、ブランド K76-3、K73 である必要があります。 -17 または同様のもの (無極性、高電圧)。酸化物コンデンサ C2 は電源フィルタとして機能し、電圧リップルを平滑化します。コンデンサ C3 は高周波干渉を軽減します。抵抗R1、R2はMLT-0,25タイプです。ダイオード VD1...VD4 は、KD105B...KD105G、KD103A、B、KD202E と置き換えることができます。安定化電圧 5 ～ 22 V のツェナー ダイオード VD27 は、電源がオンになったときの電圧サージから超小型回路を保護します。

AC 回路のコンデンサは理論的には電力を消費しませんが、実際には損失によりある程度の熱が発生する可能性があります。コンデンサを電源に接続し、30分後のケースの温度を評価するだけで、トランスレス電源で使用するダンピングコンデンサとしてのコンデンサの適合性をチェックできます。コンデンサが著しく暖まる場合、それは適切ではありません。産業用電気設備用の特別なコンデンサは実際には発熱しません（高無効電力用に設計されています）。このようなコンデンサは通常、蛍光灯や非同期電動機の安定器などに使用されます。

負荷電流が最大 5 A の 6 ボルト電源 (図 0,3) では、コンデンサ分圧器が使用されます。これは、紙コンデンサ C1 と 2 つの酸化物コンデンサ C3 および C100 で構成され、容量 600 μF の下部 (回路による) 無極性アームを形成します (コンデンサの逆直列接続)。酸化物ペアの分極ダイオードはブリッジ ダイオードです。示されている素子の定格では、電源の出力での短絡電流は 4 mA、負荷がない場合のコンデンサ C27 の電圧は XNUMX V です。

ポータブル受信機の電源ユニット (図 7) は、バッテリー収納部に簡単に収まります。ダイオードブリッジ VD1 は動作電流用に設計されており、その最大電圧はツェナー ダイオード VD2 によって供給される電圧によって決まります。要素 R3、VD2。 VT1 は強力なツェナー ダイオードの類似物を形成します。このようなツェナー ダイオードの最大電流と消費電力は、トランジスタ VT1 によって決まります。ヒートシンクが必要になる場合があります。ただし、いずれの場合でも、このトランジスタの最大電流は負荷電流を下回ってはなりません。要素 R4、VD3 - 出力電圧の存在を示す回路。負荷電流が低い場合、この回路によって消費される電流を考慮する必要があります。抵抗 R5 は電源回路に低電流を負荷し、動作を安定させます。

クエンチングコンデンサ C1 および C2 は、KBG タイプまたは同様のものです。動作電圧 73 V の K17-400 も使用できます (直列に接続されているため、250 V も適しています)。出力電圧は、交流に対するクエンチングコンデンサの抵抗、実際の負荷電流、およびツェナーダイオードの安定化電圧によって決まります。

クエンチングコンデンサを使用してトランスレス電源の電圧を安定させるには、対称ディニスタを使用できます（図8）。

フィルタコンデンサ C2 がダイニスタ VS1 の開放電圧まで充電されると、オンになり、ダイオードブリッジの入力をバイパスします。このとき負荷はコンデンサ C2 から電力を受け取ります。次の半サイクルの開始時に、C2 は再び同じ電圧に再充電され、このプロセスが繰り返されます。コンデンサ C2 の初期放電電圧は負荷電流やネットワーク電圧に依存しないため、ユニットの出力電圧の安定性は非常に高くなります。

オン時のダイニスタ両端の電圧降下は小さく、電力損失、したがってその発熱はツェナー ダイオードよりも大幅に小さくなります。ディニスターを流れる最大電流は約 60 mA です。この値が必要な出力電流を得るのに十分でない場合は、「トライアックまたはサイリスタを使用してジニスタに電力を供給することができます（図9）。このような電源の欠点は、スイッチング電圧によって決まる出力電圧の選択肢が限られていることです。ディニストたちの。

出力電圧を調整できるトランスレス電源を図 10a に示します。

その特徴は、ユニットの出力からダイオードブリッジの出力と並列に接続されたトランジスタ段VT1への調整可能な負帰還を使用することです。このステージは調整要素であり、単段アンプの出力から VT2 への信号によって制御されます。

出力信号 VT2 は、電源の出力と並列に接続された可変抵抗器 R7 とダイオード VD3、VD4 の基準電圧源から供給される電圧差に依存します。基本的に、この回路は調整可能な並列レギュレータです。バラスト抵抗の役割はクエンチングコンデンサC1によって果たされ、並列制御要素はトランジスタVT1によって果たされます。

この電源は次のように動作します。

ネットワークに接続すると、トランジスタ VT1 と VT2 がロックされ、ストレージ コンデンサ C2 がダイオード VD2 を介して充電されます。トランジスタ VT2 のベースがダイオード VD3、VD4 の基準電圧に等しい電圧に達すると、トランジスタ VT2 と VT1 のロックが解除されます。トランジスタ VT1 はダイオード ブリッジの出力を分路し、その出力電圧が低下します。これにより、蓄積コンデンサ C2 の電圧が低下し、トランジスタ VT2 と VT1 がブロックされます。これにより、C2 の電圧が上昇し、VT2、VT1 のロックが解除され、このサイクルが繰り返されます。

このように負のフィードバックが動作するため、出力電圧は負荷 (R9) がオンの場合と負荷なし (アイドル時) の両方で一定 (安定) に保たれます。その値はポテンショメータ R7 の位置によって異なります。

(図によると) エンジンの上部位置は、より高い出力電圧に対応します。指定されたデバイスの最大出力電力は 2 W です。出力電圧調整限界は 16 ～ 26 V で、短絡ダイオード VD4 を使用した場合は 15 ～ 19,5 V です。負荷のリップル レベルは 70 mV 以下です。

トランジスタ VT1 は交流モードで動作します。負荷があるときはリニア モード、アイドル時はコンデンサ C2 の電圧脈動周波数が 100 Hz のパルス幅変調 (PWM) モードです。この場合、VT1 コレクタの電圧パルスのエッジはフラットになります。

静電容量 C1 を正しく選択するための基準は、負荷で必要な最大電圧を取得することです。容量が小さくなると、定格負荷時の最大出力電圧が得られなくなります。 C1 を選択するためのもう 10 つの基準は、ダイオード ブリッジの出力における電圧オシログラムの一定性です (図 XNUMXb)。

電圧オシログラムは、正の半正弦波の制限された（平坦化された）ピークを持つ、主電源電圧の整流された正弦半波のシーケンスの形式を持ち、ピークの振幅は、R7 スライダーの位置に応じて可変値になります。 、回転に応じて直線的に変化します。しかし、各半波は必ずゼロに達する必要があり、一定成分 (図 10b の点線で示す) の存在は許可されません。この場合、安定化レジームに違反します。

リニア モードは軽量で、トランジスタ VT1 の発熱はほとんどなく、実質的にヒートシンクなしで動作できます。 R7 エンジンの下部位置でわずかな発熱が発生します (最小出力電圧時)。アイドル時、R1 エンジンの上部でトランジスタ VT7 の熱状況が悪化する場合、トランジスタ VT1 を小さなラジエーター、たとえば正方形のアルミニウム板で作られた「旗」の形で取り付ける必要があります。一辺30mm、厚さ1～2mm。

調整トランジスタ VT1 は中出力であり、高い伝達係数を備えています。コレクタ電流は最大負荷電流の 2 ～ 3 倍でなければならず、許容コレクタ - エミッタ間電圧は電源の最大出力電圧以上でなければなりません。 VT1としては、トランジスタKT972A、KT829A、KT827Aなどが使用できます。トランジスタ VT2 は低電流モードで動作するため、KT203、KT361 などの低電力 PNP トランジスタが適しています。

抵抗 R1、R2 は保護用です。これらは、ユニットがネットワークに接続されているときの過渡プロセス中の電流過負荷による故障から制御トランジスタ VT1 を保護します。

トランスレスコンデンサ整流器 (図 11) は、出力電圧の自動安定化によって動作します。これは、ダイオードブリッジの蓄積コンデンサへの接続時間を変更することによって実現されます。スイッチ モードで動作するトランジスタ VT1 は、ダイオード ブリッジの出力と並列に接続されます。 VT1 のベースはツェナー ダイオード VD3 を介して蓄積コンデンサ C2 に接続されており、VT2 が開いているときの急速な放電を防ぐためにダイオード VD1 によってブリッジ出力から直流で分離されています。 C2 の電圧が安定化電圧 VD3 より低い限り、整流器は通常どおり動作します。 C2 の電圧が増加して VD3 が開くと、トランジスタ VT1 も開き、整流器ブリッジの出力を分路します。ブリッジ出力の電圧はほぼゼロまで急激に減少し、これにより C2 の電圧も減少し、ツェナー ダイオードとキー トランジスタがオフになります。

次に、ツェナー ダイオードとトランジスタがオンになるまで、コンデンサ C2 の電圧が再び増加します。出力電圧の自動安定化のプロセスは、パルス幅調整機能を備えたパルス電圧安定化装置の動作と非常によく似ています。提案されたデバイスのみで、パルス繰り返し率は C2 での電圧リップル周波数と等しくなります。損失を減らすには、キー トランジスタ VT1 に高いゲインが必要です (KT972A、KT829A、KT827A など)。高電圧ツェナー ダイオード (低電圧ツェナー ダイオードのチェーン) を使用すると、整流器の出力電圧を高めることができます。直列に接続されています）。 814 つのツェナー ダイオード D814V、D1D とコンデンサ C2 の容量が 250 μF の場合、抵抗が 23 オームの負荷の両端の出力電圧は 24 ～ XNUMX V になります。

同様に、半波ダイオードコンデンサ整流器の出力電圧を安定させることができます (図 12)。

正の出力電圧を持つ整流器の場合、n-p-n トランジスタがダイオード VD1 と並列に接続され、ツェナー ダイオード VD3 を介して整流器の出力から制御されます。コンデンサ C2 がツェナー ダイオードが開く瞬間に対応する電圧に達すると、トランジスタ VT1 も開きます。その結果、ダイオードVD2を介してC2に供給される正の半波電圧の振幅はほぼゼロに減少します。 C2 の電圧が低下すると、ツェナー ダイオードのおかげでトランジスタ VT1 が閉じ、出力電圧が増加します。このプロセスには、入力 VD2 でのパルス幅のパルス幅調整が伴うため、コンデンサ C2 の電圧は安定します。

負の出力電圧を持つ整流器では、PNP トランジスタ KT1A または KT973A をダイオード VD825 と並列に接続する必要があります。抵抗が 470 オームの負荷における出力安定化電圧は約 11 V、リップル電圧は 0,3 ～ 0,4 V です。

どちらのオプションでも、ツェナー ダイオードは数ミリアンペアの電流でパルス モードで動作します。これは、整流器の負荷電流、クエンチング コンデンサの静電容量の変化、ネットワーク電圧の変動とはまったく関係ありません。したがって、そこでの損失は大幅に減少し、ヒートシンクは必要ありません。キートランジスタにはラジエーターも必要ありません。

これらの回路の抵抗 R1、R2 は、デバイスがネットワークに接続された瞬間の過渡プロセス中の入力電流を制限します。電源プラグの接点の避けられない「バウンス」により、スイッチングプロセスには一連の短期間の短絡と開回路が伴います。これらの短絡のいずれかが発生している間、クエンチング コンデンサ C1 はネットワーク電圧の全振幅値、つまり最大約 300 V です。「バウンス」による回路の遮断とその後の閉鎖の後、この電圧と主電源電圧が合計され、合計約 600 V になる可能性があります。これは最悪のケースであり、考慮する必要があります。アカウントを使用して、デバイスの信頼性の高い動作を保証します。

主要なトランスレス電源回路の別のバージョンを図 13 に示します。

VD1.VD4 のダイオード ブリッジを通過する主電源電圧は、約 300 V の脈動振幅に変換されます。トランジスタ VT1 はコンパレータ、VT2 はスイッチです。抵抗 R1、R2 は VT1 の分圧器を形成します。 R2を調整することでコンパレータの応答電圧を設定できます。ダイオードブリッジの出力の電圧が設定された閾値に達するまで、トランジスタVT1は閉じられ、ゲートVT2はロック解除電圧を有しており、開いている。コンデンサ C2 は、VT5 とダイオード VD1 を介して充電されます。

設定された動作しきい値に達すると、トランジスタ VT1 が開き、ゲート VT2 をバイパスします。キーは閉じ、ブリッジ出力の電圧がコンパレータの動作しきい値を下回ると再び開きます。したがって、電圧は C1 に設定され、統合された安定器 DA1 によって安定化されます。

図に示されている定格では、ソースは最大 5 mA の電流で 100 V の出力電圧を提供します。設定には、応答しきい値 VT1 の設定が含まれます。代わりに IRF730 を使用できます。 KP752A、IRF720、BUZ60、2N6517 は KT504A に置き換えられます。

低電力デバイス用の小型トランスレス電源は、交流電圧を直流電圧に直接変換する HV-2405E チップ (図 14) 上に構築できます。

IC の入力電圧範囲は -15 ～ 275 V です。出力電圧範囲は 5 ～ 24 V で、最大出力電流は 50 mA です。平坦なプラスチックハウジング DIP-8 で入手可能です。マイクロ回路の構造を図 15a に示し、ピン配置を図 15b に示します。

ソース回路 (図 14) では、抵抗 R1 と R2 に特別な注意を払う必要があります。合計抵抗は約 150 オーム、消費電力は少なくとも 3 W である必要があります。入力高電圧コンデンサ C1 の静電容量は 0,033 ～ 0,1 μF です。バリスタ Rv は、動作電圧 230.250 V のほぼすべてのタイプで使用できます。抵抗 R3 は、必要な出力電圧に応じて選択されます。これがない場合 (出力 5 と 6 が閉じている)、出力電圧は 5 V をわずかに上回ります。20 kΩ の抵抗を使用すると、出力電圧は約 23 V になります。抵抗の代わりに、次のようなツェナー ダイオードをオンにすることができます。必要な安定化電圧 (5 ～ 21 V)。電解コンデンサの動作電圧の選択を除いて、その他の部品には特別な要件はありません（計算式は図に示されています）。

変圧器のない電源の潜在的な危険性を考慮すると、場合によっては、クエンチング コンデンサと変圧器を使用する妥協案が興味深い場合があります (図 16)。

必要な整流電圧はコンデンサ C1 の静電容量を選択することによって設定されるため、ここでは高電圧二次巻線を備えた変圧器が適しています。重要なことは、変圧器の巻線が必要な電流を供給することです。

負荷が切断されたときにデバイスが誤動作するのを防ぐために、D1P ツェナー ダイオードを VD4...VD815 ブリッジの出力に接続する必要があります。通常モードでは、安定化電圧がブリッジ出力の動作電圧よりも高いため、動作しません。ヒューズ FU1 は、コンデンサ C1 が故障した場合にトランスとスタビライザを保護します。

このタイプの電源では、直列接続された容量性 (コンデンサ C1) 抵抗と誘導性 (トランス T1) 抵抗の回路で電圧共振が発生することがあります。それらを設定したり、オシロスコープで電圧を監視したりするときは、このことを覚えておく必要があります。

著者：V.Novikov

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