При конструировании любительских радиостанций часто ставится задача создания аппаратуры небольших размеров, минимального веса и несложной в изготовлении. Уменьшению веса и габаритов в значительной степени может способствовать применение для питания бестрансформаторных выпрямителей.

Выпрямитель, применяемый для питания радиостанции, должен иметь хорошие нагрузочные характеристики (статическую и динамическую) и обеспечивать требуемый уровень пульсаций выпрямленного напряжения . Отсутствие в бестрансформаторном выпрямителе силового трансформатора и дросселя фильтра, обладающих значительной индуктивностью, определяет его высокие динамические свойства, Однако хорошую статическую характеристику при заданном уровне пульсаций можно получить лишь в том случае, если при конструировании выпрямителя правильно рассчитаны величины емкостей, для чего необходимо знать некоторые особенности построения схем выпрямителей с умножением напряжения.

Схемы выпрямителей с умножением напряжения можно разделить на два типа — симметричные и несимметричные.

И те и другие позволяют путем последовательного соединения ряда простых однофазных выпрямителей с емкостным фильтром на выходе получить выпрямленное напряжение, в несколько раз превышающее напряжение питающей сети.

Симметричные схемы образуются из двух одинаковых несимметричных схем.

Несимметричные схемы выпрямителей с умножением напряжения подразделяются на схемы первого (рис. 1) и второго рода (рис. 2).

В один из полупериодов, когда, например, плюс будет в точке в (рис. 1), конденсатор С₁ зарядится через диод Д по цепи вdca до амплитудного значения напряжения питающей сети U_m. В следующий полупериод плюс будет в точке а.

Тогда источник питания и конденсатор С₁ окажутся включенными последовательно для цепи acdfee, по которой потечет ток заряда конденсатора С₂ и конденсатор С₂ зарядится до напряжения 2U_m при условии, что С₁ >С₂.

Если это соотношение не соблюдается, то напряжение на конденсаторе С₂ достигнет значения 2U_m через несколько полупериодов.

Аналогично конденсатор С₃ будет заряжен через диод Д₃ до напряжения 3U_m, а через несколько полупериодов конденсатор Сn окажется заряженным до напряжения nU_m, то есть на выходе выпрямителя постоянное напряжение в n раз превысит амплитуду напряжения сети.

Минимально допустимую величину конденсатора Сn можно подсчитать, исходя из расчета получения заданного уровня пульсации выпрямленного напряжения:

Сn = 5, 7 / Kп *Rн (1)

Rн = Uвых / Iн (2)

гдe Rн — сопротивление нагрузки (ком);

Iн — ток, потребляемый нагрузкой (ма);

Uвых — напряжение на выходе выпрямителя (в);

Кп —допустимый коэффициент пульсации, для усилителей

мощности выбирается в пределах 0,5 – 3 %

Следует отметить, что в один из полупериодов питающего напряжения подзаряжаются все конденсаторы с нечетными номерами (C₁ C₃), а в следующий полупериод — с четными (С₂, С₄), поэтому частота пульсации на выходе выпрямителя равна частоте питающего напряжения.

Для того, чтобы получить, возможно более пологую статическую характеристику, важно не только применять конденсаторы с достаточно большой емкостью, но также соблюдать такое неравенство C₁ > C₂ > C₃…..>Cn, при котором обеспечивается равенство энергий, накапливаемых каждым из конденсаторов во время работы на нагрузку. Наилучшие результаты при этом дает ряд емкостей, составленный по закону

С_i i² = const,

где: i — порядковый номер конденсатора.

Емкость любого из конденсаторов выпрямителя первого рода можно определить:

C,= a * Cn (3)

где Сn — емкость выходного конденсатора, определяемая по формуле 1;

а — коэффициент, определяемый из табл. 1;

 

Таблица 1.

Номер конденсатора по схеме	Кратность умножения напряжения
	5	4	3	2
С1	25	16	9	4
С2	6,25	4	2,25	1
С3	2,78	1,78	1	-
С4	1,56	1	-	-
С5	1	-	-	-

 

Работа несимметричной схемы второго рода (рис. 2) аналогична. Кратность умножения здесь также равна числу звеньев выпрямителя n.

Особенностью работы схемы является то, что конденсатор С₁ заряжается до напряжения U_m, а заряд всех остальных конденсаторов не превышает значения 2 U_m. Для того, чтобы выпрямитель имел пологую статическую характеристику, все конденсаторы в схеме, кроме С₁, должны иметь одинаковую емкость С.

Емкость первого конденсатора должна быть равна 4С. Однако в большинстве случаев можно ограничиться условием С₁ = 2С, при этом минимальную величину емкости С, необходимую для достижения заданного уровня пульсации выходного напряжения, можно определить:

С = 2,85 * n / Kп * Rн (4)

где n — кратность умножения напряжения;

Кп— допустимый коэффициент пульсации

R_H — сопротивление нагрузки, определяемое по формуле(2).

При нечетной кратности умножения выпрямленное напряжение в схемах второго рода следует снимать с последовательно включенных конденсаторов с нечетными номерами, как показано, например, на рис. 2. Если же и четное, то нагрузку подключают к конденсаторам с четными номерами.

Рабочее напряжение конденсаторов и диодов определяется величиной напряжения, до которого заряжается соответствующий конденсатор.

В схемах второго рода при питании от сети напряжением 220В оно не превышает 700 вольт.

Диоды в обоих схемах должны быть рассчитаны на прямой ток Iпр = 2,1 Iн, где Iн — ток, отдаваемый выпрямителем в нагрузку.

Схемы первого и второго рода с кратностью умножения п ~ 2 выглядят одинаково (рис. 3).

Если к несимметричной схеме первого рода подключить (к точкам AB на рис. 1) такую же схему, но с диодами, имеющими обратную полярность, получится симметричная схема выпрямителя первого рода с кратностью умножения, в два раза большей.

В качестве примера на рис. 4 приведена такая схема, составленная из двух несимметричных схем с кратностью умножения n = 1 каждая. В результате получается выпрямитель с кратностью умножения n = 2. Эта схема - получила название двухтактной сxемы Латура.

Симметричные схемы имеют преимущество перед несимметричными, так как обладают лучшими выходными характеристиками и удвоенной частотой пульсации выпрямленного напряжения.

Принцип умножения напряжения давно используется в схемах безтрансформаторных выпрямителей для питания маломощной радиоаппаратуры (приемники, телевизоры, некоторые измерительные приборы, и т. д.). Однако несмотря на преимущества безтрансформаторного питания такие выпрямители не получили широкого распространения.

Объясняется это, в основном, двумя причинами:

Во-первых, наличие гальванической связи между нагрузкой выпрямителя и питающей сетью вызывает определенные трудности при питании аппаратуры, которую необходимо заземлять по соображениям техники безопасности или для соединения с другой аппаратурой.

Во-вторых, в мощных выпрямителях с умножением напряжения необходимо применять высоковольтные конденсаторы емкостью в несколько сот микрофарад, а также высоковольтные вентили на токи в несколько ампер, то есть до недавнего времени сравнительно крупногабаритные детали. И только появление электролитических конденсаторов емкостью до тысячи микрофарад с рабочим напряжением 300 — 350В в сочетании с полупроводниковыми диодами, обладающими обратным пробивным напряжением более 350 в и рабочим током более 1 а, позволило конструировать бестрансформаторные высоковольтные выпрямители мощностью до 1000 Вт.

Каким образом удается решить проблему заземления аппаратуры, работающей с бестрансформаторным выпрямителем, станет ясно при ознакомлении с практическими схемами выпрямителей. Необходимо учитывать, что приведенные ниже схемы рассчитаны на подключение к однофазной сети, один из проводов которой является нулевым. При этом подразумевается, что на радиостанции имеется отдельное электротехническое заземление.

На рис. 5 приведена принципиальная схема бестрансформаторного несимметричного выпрямителя с удвоением напряжения, предназначенного для питания выходного каскада SSB передатчика мощностью 200 вт при анодном напряжении 600 В.

Для питания накальных цепей передатчика применен небольшой накальный трансформатор.

Как уже отмечалось, при бестрансформаторном питании существует гальваническая связь между нагрузкой выпрямителя и питающей сетью, поэтому заземлять корпус передатчика можно только в том случае, если в нулевой провод питающей сети будет включен провод 0, являющийся по схеме общим и соединенный непосредственно с шасси прибора.

Если же при заземленном шасси провод 0 включить в фазный провод питающей сети, то произойдет короткое замыкание сети.

Правда, если заземления не будет, то можно провод О включить в фазный провод сети, а провод Ф — в нулевой и при этом выпрямитель будет работать нормально, но корпус передатчика окажется под высоким напряжением относительно земли, что небезопасно для оператора. Поэтому в данном выпрямителе применена специальная схема автоматической защиты, обеспечивающая полную безопасность.

Схема защиты работает следующим образом. Если выпрямитель включен в сеть правильно, то есть провод 0 включен в нулевой провод питающей сети и корпус передатчика при помощи провода 3 надежно заземлен, то в первый момент, при" включении тумблера BK₁ к стартеру, шунтирующему нормально разомкнутый контакт pi, будет приложено фазное напряжение сети (по цепи: провод Ф — стартер — накальный трансформатор Tp_l — провод 3).

Под воздействием этого напряжения стартер спустя 1—3 сек сработает, и через первичную обмотку трансформатора Тр₁ потечет ток, достаточный для срабатывания реле Р₁ , питаемого от первичной обмотки накального трансформатора. Контакты P1.1; и Р1.2 реле Р₁ замкнутся, и выпрямитель окажется полностью подключенным к сети. Если включить выпрямитель без заземления, то стартер не сработает, так как будет нарушена цепь его питания. Если поменять местами провода 0 и Ф (при заземленном шасси), то короткого замыкания сети не произойдет, так как стартер не сработает, потому что окажется включенным между нулевым проводом сети и заземлением, разность потенциала между которыми равна нулю.

К особенностям схемы рис. 5 следует отнести также последовательное включение в цепь питания выпрямителя балластного сопротивления R₁. Это сопротивление необходимо для того, чтобы предохранить диоды Д₁— Д₄ от перегрузки импульсами тока, возникающими в момент включения выпрямителя.

В качестве диодов Д₁—Д ₄ можно также применить диоды КД202К. Конденсаторы С₁—C₃ каждый составлены из двух электролитических конденсаторов К50-7 150,0+30,ОХ Х350В, включенных параллельно. Реле Р₁ имеет ток срабатывания 15 ма при сопротивлении обмотки 1.6 ком.

Выходное сопротивление выпрямителя не превышает 50 ом, поэтому при токе 300 ма (нагрузка около 200 Вт) напряжение на выходе будет всего лишь на 15В меньше по сравнению с режимом холостого хода.

Так как коэффициент пульсации выпрямителя не превышает 0,02, специального сглаживающего фильтра можно не применять. Этот выпрямитель можно также использовать для питания промежуточных каскадов AM и SSB передатчиков.

 

На рис. 6 приведена схема оконечного усилителя с заземленной сеткой, отличающегося хорошей линейностью и простотой конструкции.

Для питания анодной цепи усилителя использован бестрансформаторный выпрямитель, выполненный но симметричной схеме учетверения напряжения.

Выпрямитель рассчитан на работу от электросети с напряжением 220 в, анодное напряжение на лампе равно 1 200В.

В выпрямителе также применена схема автоматической защиты, исключающая возможность работы на передатчике без заземления и обеспечивающая правильную фазировку при подключении аппаратуры к электросети.

Система защиты состоит из реле Р₁ и Р₂, коммутирующих питающие цепи выпрямителя.

При включении выпрямителя возможны три случая.

Все включено правильно (заземление подключено, провод Ф включен в фазный провод сети, провод 0 — в нулевой); если включить тумблер bk₁, то на обмотку реле Р₂ через нормально замкнутые контакты Р1.1 будет подано сетевое напряжение, реле сработает, нормально разомкнутые контакты реле Р₂ замкнутся и подключат выпрямитель к сети. Реле Р₁ все время находится в обесточенном состоянии.

Нарушена фазировка (провода Ф и 0 перепутаны местами, заземление подключено); в этом случае реле Р₁ окажется включенным между фазным проводом сети и заземлением, поэтому после включения тумблера Вк₁ по обмотке реле Р₁ потечет ток, реле сработает и контакты реле “перефазируют” цепи питания, идущие к реле Р₂. Дальше выпрямитель работает как обычно.

Нет заземления.

В этом случае цепи питания обоих реле будут нарушены, и реле срабатывать не будут. Таким образом, схема защиты избавляет оператора от ошибок при подключении передатчика к электросети.

К особенностям схемы усилителя следует отнести то, что катод лампы не заземлен и находится относительно корпуса передатчика под напряжением. В связи с этим конденсаторы С₁₁—С₁₆ должны быть рассчитаны на рабочее напряжение не менее 600 в. Следует обратить внимание и на качество изоляции между вторичной и первичной обмотками накального трансформатора Тр₁.

Коммутация анодной цепи в режиме прием—передача осуществляется при помощи реле Р₃ и тумблера bk₂. При указанных на схеме номиналах емкостей С₁—С₆ падение напряжения на выходе выпрямителя (по сравнению с режимом холостого хода) не превышает 100 в при токе в нагрузке до 400 ма.

В качестве конденсаторов С₁ С₂ применены конденсаторы типа ЭФ; С₃—С₆— типа К50-7 150,0+30,О X 350В по два параллельно; реле Р₁— Р₃— типа РПТ-100.

Ю. ЗОЛОТОВ (UA3HR)

ЛИТЕРАТУРА:

1. С. Г. Бунимович, Л. П. Яйленко. Техника любительской однополосной радиосвязи. Изд. ДОСААФ, Москва, 1964.

2. Г. С. Векслер, Я. И. Тительбаум. Электропитание радиоустройств. Изд. “Техника”, Киев, 1966.

3. “QST”, 1962, № 5.

4. “Fimkamateur”, 1966, № 5, 8, 12; 1967, № 2; 1968, № 9.

5. “Funktechnik”, 1968, № 13, 21.

РАДИО №3 1969г.

материал подготовил Н. Филенко (UA9XBI)