Trasformatori con condensatore di zavorra

Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Alimentatori

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Gli alimentatori con condensatore di zavorra e trasformatore di isolamento hanno guadagnato popolarità tra i radioamatori grazie alle loro dimensioni ridotte e al fatto che non sono collegati galvanicamente alla rete. Tuttavia, quando si sviluppano tali dispositivi, è necessario tenere conto di una serie di fattori al fine di eliminare le situazioni di emergenza, a seguito delle quali non solo la fonte di alimentazione, ma anche il carico potrebbero guastarsi. L'autore dell'articolo, dopo aver riassunto l'esperienza nella creazione di tali dispositivi, consiglia a cosa prestare attenzione durante la progettazione e l'installazione.

Nella pratica radioamatoriale, le sorgenti con un condensatore di zavorra e un trasformatore di isolamento hanno trovato un uso diffuso [1-6]. Questa soluzione consente di progettare alimentatori di piccole dimensioni. Consideriamo alcuni problemi di progettazione di tali dispositivi utilizzando l'esempio di una fonte di alimentazione a bassa potenza descritta in [1] (vedi figura).

Il trasformatore T1 svolge la funzione di un trasformatore di isolamento. Funziona a bassa tensione di ingresso e di uscita. Il suo design è molto semplice. Il condensatore C1 è un condensatore di zavorra e il resistore R2 limita l'impulso di corrente quando è acceso. La tensione sull'avvolgimento primario del trasformatore è limitata dai diodi zener VD1 e VD2.

Nel circuito oscillante, costituito dal condensatore C1, dall'induttanza dell'avvolgimento primario del trasformatore L e dalla resistenza di carico RH ridotta all'avvolgimento primario, è possibile la risonanza, che può portare al guasto della fonte di alimentazione.

Supponiamo che in una sorgente caricata la tensione sull'avvolgimento primario sia di 20 V (caso tipico). Ciò significa che la resistenza di carico RH ridotta all'avvolgimento primario è circa 10 volte inferiore alla capacità |XC1| condensatore C1 e forma con esso un partitore di tensione 10:1 (circa), cioè |XC1|=10Dx.

Con un trasformatore correttamente progettato, la reattanza induttiva dell'avvolgimento primario |XL| dovrebbe essere circa 10 volte superiore alla resistenza di carico RH ridotta all'avvolgimento primario, pertanto il fattore di qualità del circuito citato è estremamente basso, non può esserci risonanza.

Una situazione completamente diversa si verifica quando il carico è spento (al minimo). Se le relazioni precedenti |ХC1|=10RH e |XL|=10RH sono soddisfatte, allora |XC1|=|XL| e si verifica la risonanza. Se all'ingresso viene applicata una tensione di 1...2 V invece della tensione di rete, sull'avvolgimento primario di un trasformatore scarico aumenterà 10 volte o più a causa della risonanza; il fattore di qualità del circuito risultante è abbastanza grande, ma quando viene applicata la tensione di rete non si verificherà tale aumento. Con un aumento della tensione sull'avvolgimento superiore al nominale (20 V), il circuito magnetico del trasformatore entra in saturazione, la sua induttanza diminuisce e il circuito cessa di essere sintonizzato sulla risonanza.

Tuttavia, se il trasformatore è progettato con un buon margine per la tensione di ingresso consentita, l’aumento può essere piuttosto significativo. Ciò causerà un aumento della tensione sul condensatore C1 rispetto al funzionamento in modalità nominale e se il condensatore viene selezionato senza riserva, potrebbe verificarsi un guasto. Sono possibili altre conseguenze altrettanto gravi.

Pertanto, come per un alimentatore senza trasformatore con condensatore di zavorra, il funzionamento senza carico nominale è inaccettabile. La soluzione usuale è collegare un diodo zener all'uscita della sorgente o due diodi zener back-to-back (o uno simmetrico) all'avvolgimento primario (vedi figura).

Ecco come viene risolto il problema per gli alimentatori a potenza relativamente bassa. Per dispositivi simili potenti (i caricabatterie per batterie per auto sono molto semplici [2-4]), tali misure non sono sufficienti. Qui è possibile collegare un analogo di un dinistor simmetrico in parallelo all'avvolgimento primario o secondario [7, Fig. 5, a] o fornire protezione relè contro la modalità inattiva [3].

Particolare attenzione deve essere prestata alla scelta del condensatore di zavorra in base alla tensione nominale. Questa è la tensione più alta tra le armature del condensatore alla quale è in grado di funzionare in modo affidabile e per lungo tempo. La maggior parte dei tipi sono regolati da una tensione CC nominale. La tensione CA consentita è sempre inferiore alla tensione nominale, ad eccezione dei condensatori metallo-carta MBGCH, K42-19, polipropilene K78-4 e polietilene tereftalato K73-17 per tensioni nominali fino a 250 V inclusi, per i quali questi parametri sono pari. Pertanto, quando si sceglie il tipo e la tensione nominale, è necessario utilizzare un libro di consultazione sui condensatori elettrici e ricordare che il calcolo viene effettuato per il valore dell'ampiezza della tensione alternata.

Nel momento in cui l'alimentatore viene collegato (o disconnesso) alla rete, nei suoi circuiti si verifica un processo transitorio, che dopo un certo tempo viene sostituito da uno stato stazionario. Senza entrare nei fondamenti teorici dei processi transitori, notiamo due leggi di commutazione:

1. La corrente nell'induttore (un dispositivo con reattanza induttiva) non può cambiare bruscamente, altrimenti la corrente dopo la commutazione ha lo stesso valore che aveva nel momento immediatamente precedente la commutazione.

2. La tensione sul condensatore non può cambiare bruscamente, altrimenti la tensione dopo la commutazione ha lo stesso valore di quella immediatamente prima della commutazione.

Quando l'alimentatore è collegato alla rete, il condensatore non è ancora carico e la caduta di tensione ai suoi capi è zero. La corrente nell'induttanza non può verificarsi istantaneamente, quindi la tensione attraverso il resistore è zero e la tensione di rete è completamente applicata all'avvolgimento primario del trasformatore, progettato per un valore significativamente inferiore. È quando è acceso che c'è un alto rischio di rottura delle spire e il vantaggio nella semplicità della progettazione di un trasformatore con avvolgimento di massa scompare, motivo per cui ha guadagnato ampia popolarità tra i radioamatori. È particolarmente pericoloso collegare l'alimentatore a una rete in cui in quel momento è presente un'ampiezza o una tensione vicina ad essa.

Diventa urgente il compito di limitare la tensione sull'avvolgimento primario al momento della connessione. Un resistore limitatore di corrente non aiuta in una situazione del genere.

Questo ci costringe a cercare un'altra soluzione che ci permetta di prevenire la possibilità di rottura delle spire nel trasformatore e di proteggere gli elementi dell'alimentatore da una tensione aumentata di decine di volte.

Un limitatore di tensione su due diodi zener controserie collegati in parallelo all'avvolgimento primario (vedi figura) consente di risolvere questo problema. Per ogni semiciclo il limitatore funziona come stabilizzatore parametrico di tensione sull'avvolgimento primario del trasformatore. La funzione di zavorra è svolta principalmente dal resistore limitatore di corrente R2. Il resistore deve essere progettato per la corrente di sovraccarico a breve termine e, di norma, i diodi zener la forniscono.

Se nella modalità nominale i diodi zener si aprono e funzionano come stabilizzatori, può verificarsi una differenza nelle ampiezze degli impulsi di corrente raddrizzati delle semionde positive e negative. Questo effetto è spiegato dal fatto che le semionde positive sono stabilizzate da un diodo Zener e le semionde negative da un altro. È noto che la tensione di stabilizzazione di due copie di diodi Zener, anche dello stesso lotto, può differire in modo significativo. Ciò crea una componente aggiuntiva di ripple alla frequenza di 50 Hz, che è più difficile da sopprimere con un filtro anti-aliasing rispetto a uno a 100 Hz.

Per ridurre la componente aggiuntiva di ondulazione derivante dalle differenze nella tensione di stabilizzazione, si può raccomandare, invece di collegare due diodi Zener in serie back-to-back, di includere un diodo Zener nella diagonale del ponte di diodi parallelo a l'avvolgimento primario. Ciò manterrà l'affidabilità dell'alimentazione.

Se non ci sono requisiti più elevati per la stabilità della tensione di uscita, possiamo consigliare una selezione di diodi Zener con una tensione di stabilizzazione minima di 1...3 V maggiore dell'ampiezza massima della tensione sull'avvolgimento primario in stato stazionario. In questo caso lo stabilizzatore parametrico svolgerà solo le funzioni di limitatore di tensione al momento dell'accensione e al minimo. E una volta che l'alimentatore raggiunge uno stato stabile, si spegne automaticamente, aumentando significativamente l'efficienza dell'unità.

Letteratura

1. Pozharinsky L. Alimentazione a bassa potenza. - Radio, 1978, n. 5, p. 56.
2. Kutergin G. Un semplice caricabatterie. - Radio, 1978, n. 5, p.27.
3. Dolin E. Opzione caricatore. - Radio, 1983, n. 5, p.58.
4. Biryukov S. Un semplice caricabatterie. - Radio, 1997, n. 3, p.50.
5. Biryukov S. Calcolo di un alimentatore di rete con un condensatore di spegnimento. - Radio, 1997, n. 5, pp. 48-50.
6. Prokoptsev Yu Maggiori informazioni sugli alimentatori con condensatore di spegnimento. - Radio, 1998, n. 12,0.46.
7. Alekseev S. Dinistori simmetrici - negli alimentatori. - Radio, 1998, n. 10, pp. 70,71.

Autore: B.Sadovskov, Chelyabinsk

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