Zdvojující symetrický zdroj pro transformátory s jediným sekundárním vinutím

Popis zapojení

Pokud máte transformátor s jediným sekundárním vinutím a potřebujete napájet zařízení požadující symetrický zdroj, pak nejsnadnější cestou je použít jednocestné usměrnění, přičemž z kladné půlvlny vytvoříte kladné napětí a ze záporné půlvlny záporné napětí. Zaplatíte za to většími kapacitami ve filtrech za usměrňovačem, případně větším zvlněním, nicméně jiné problémy takové zapojení nemá, tedy za předpokladu, že symetrický zdroj je také symetricky zatížen. Pokud toto z nějakého důvodu nemůže být splněno, je transformátor zatěžován jen v jedné půlvlně, tj. výstupní proud začne mít nějakou stejnosměrnou úroveň, což má pochopitelně nepříjemné důsledky. Rozhodla jsem se tento problém potlačit níže uvedeným zapojením:

Řešení tkví ve zdvojování výstupního napětí transformátoru. Zdvojovač sám pracuje tak, že se v záporné (případně kladné pro záporné výstupní napětí) půlperiodě nabíjí pomocný kondenzátor C1 (respektive C2) přes diodu D1 (respektive D2), který se v kladné půlperiodě řadí seriově k výstupnímu napětí transformátoru a přes D3 (D4) nabíjí výstupní filtr C3 (C4). K odběru z ztransformátoru tedy dochází v obou půlperiodách. Pokud toto zapojení zdvojím do symetrického provedení, pak v jedné půlperiodě nabíjím v jedné (kladné nebo záporné) větvi pomocný kondenzátor a v té obrácené výstupní filtr. Pokud je takový zdroj zatížen symetricky, dochází současně k nabíjení jednoho pomocného kondenzátoru a jednoho kondenzátoru výstupního filtru. Pokud je zatížena jen jeho polovina (coby nejhorší možný případ nesymetrie) je v každé půlperiodě nabíjen buď pomocný kondenzátor, nebo kondenzátor výstupního filtru. V obou případech je ze sekundáru transformátoru odebírán alespoň nějaký proud. V praxi to vypadá asi takto:

Takto vypadá vstupní proud (kanál 2) snímaný na rezistoru 1.5Ω v serii s vinutím transformátoru v závislosti na výstupním napětí transformátru (kanál 1) při symetricky zatíženém zdroji. Na náběžné straně je nejprve vidět nabíjení pomocného kondenzátoru, další schod potom ukazuje otevření D3/D4 a nabíjení výstupního filtru. Kanál 2 vypadá invertovaný vůči kanálu 1, lépe řečeno kladný směr proudu ukazuje ven z usměrňovače. Výpočet RMS i střední hodnoty se provádí na rozsahu ohraničeném hnědými kurzory, který je v tomto případě nastaven na dvě periody síťového napětí (8 dílků při 5ms na dílek, tedy 40ms, tedy 25Hz). Je třeba vždy použít nějaký celý násobek periody signálu, v opačném případě se nedobereme užitečných dat. Střední hodnota kanálu 1 je -15mV, čili nějaká nesymetrie přichází už z transformátoru samotného, nicméně vzhledem amplitudě cca 6V je to zanedbatelné. Střední hodnota proudu snímaného proudu odpovídá indikovaným -0.7mV, tedy po přepočtu -0.46mA, což je vzhledem k indikovaným 88.1mV rms, tedy 59mA zanedbatelné. Nicméně zde je zdroj zatížen symetricky, zde je takový výsledek předpokládán, podobných výsledků dosáhnete i s prostým jednocestným usměrněním.

Takto vypadají průběhy při zatížení pouze jedné (záporné) poloviny zdroje. Hrb na náběžné zmizel, pochopitelně, nabíjí se buď filtr, nebo pomocný kondenzátor. Nicméně povšimněte si prosím posunu náběžné hrany vůči počátku půlperiody. Střední hodnota proudu stále odpovídá indikovaným -0.7mV, tedy -0.46mA, to se nezměnilo, rms hodnota proudu spadla na 35mA (indikováno 52.1mV), což je očekávané, je zatížena jen polovina zdroje.

A takto to vypadá při zatížení opačné větve zdroje (v tomto případě kladné), přičemž záporná zůstává nezatížená. Situace se prakticky opakuje, střední hodnota proudu je stále blízká nule, čili transformátor je stále zatěžován symetricky. Povšimněte si prosím opět posunu náběžných proti začátkům půlperiod. Ano, jsou prohozené. Tento posun má pochopitelně vliv i na zvlnění výstupního napětí, které je nezbytné odstranit v následujících obvodech.

Zvlnění v kladné větvi je fázově posunuto proti zvlnění v záporné větvi, což může následně způsobovat nemalé problémy. V tomto případě jsou pochopitelně zatíženy obě větve. Jev bude patrnější zobrazíme-li toliko střídavou složku zvlnění.

popřípadě

Zde je jasně vidět proč je nezbytné zvlnění potlačit. Existuje mnoho řešení, avšak nejlépe bude (i s ohledem na jiné věci) zvolit nějakou formu napěťové stabilizace. Na tomto místě varuji před použitím stabilizátorů řady 78××/79××, které na zvlnění nemusí reagovat příliš dobře.

Závěrem zbývá vysvětlit účel diod D5, D6. Jejich smyslem je zabránit zničení pomocných kondenzátorů nabitím do záporného napětí. Předně. Zdroj začíná pracovat s vybitými pomocnými kondenzátory, čili minimálně jedna půlperioda by je namáhala záporným napětím. Na kondenzátoru by bylo nulové napětí a řadil by se do serie s transformátorem a kondenzátorem filtru. Daleko horším případem je přetížení výstupu zdroje. V tomto případě by se filtrační kondenzátory vybily až k nule, kapacita pomocných kondenzátorů by měla být větší než kapacita filtračních, jenže krom nabíjejících se kondenzátorů máme ještě odběr do připojené zátěže. Tímto způsobem by se opět pomocné kondenzátory nabíjely záporným napětím. Tomu brání svým otevřením právě diody D5 popřípadě D6, které omezí záporné napětí na pomocných kondenzátorech na cca 700mV, což už je pro kondenzátory bezpečné.

Pozor, úroveň nuly je posunuta na hodnotu jednoho dílku od spodní hrany (indikováno žlutou 1). Nejmenší napětí na kondenzátorech je tedy 0.8V, což odpovídá úbytku na použité diodě.

Realizace

V zapojení byly použity kondenzátory malých kapacit na poměrně vysoká napětí. Jistě, cílem je dostat se na cca ±70V, přičemž odebírané proudy budou řádově v jednotkách mA, bohužel však nikoliv symetricky. V podstatě byly dvě možnosti — buď dostupný transformátor rozebrat a převinout celou sekundární stranu, nebo jen lehce upravit počet závitů sekundáru, což jde zvládnout bez většího rozebírání transformátoru, no a použít výše popsaný obvod. Druhá varianta byla výrazně snadnější, proto jsem se pro ni rozhodla. Funkce obvodu byla pro potřeby článku předvedena na nízkém napětí, kde pochopitelně vznikají menší problémy při měření, kupříkladu při stejném proudovém zatížení pálíte menší výkon atd. Hodnoty filtračních kondenzátorů odpovídají jednocestnému usměrnění, pomocné kondenzátory by měly být minimálně dvojnásobné kapacity, avšak vystačí na poloviční napětí. Též je třeba věnovat pozornost proudovému zatížení použitých kondenzátorů a nepřekračovat výrobcem doporučené hodnoty.