Баристоры AC DC

Баристоры AC DC — базовый модуль для блоков питания, в промышленной и бытовой электронике известно, что использование тиристоров и симисторов в определённой степени искажает напряжение питающей сети из-за гармоник, шума, всплесков и переходных процессов, накладывающихся на то, что вы считали чистой синусоидой из розетки.

Не так давно разработанный составной электронный прибор под названием баристор помогает поддерживать напряжение в линии чистым, одновременно обеспечивая хорошие регулировочные свойства.

В этой статье описывается принцип работы  баристоры AC DC, а также три практических варианта исполнения «AC-in, DC-out» на печатных платах.

Барьерно-резистивный элемент (barrier + resistor = баристор) — это переключающий элемент для силовой и аналоговой электроники, электрическое «вход-выходное» сопротивление которого скачкообразно изменяется от проводящего к непроводящему и наоборот. Требуемое «состояние» достигается при достижении заранее заданного порогового значения («барьера») входного сигнала.

Симбаристоры — это симметричные баристоры, предназначенные для работы на переменном токе (AC).

Баристор против тиристора

В силовой электронике тиристоры, такие как собственно тиристоры и симисторы, известны как коммутационные элементы. Способные переключаться из закрытого состояния в открытое при подаче напряжения на их управляющий электрод.

Они выключаются, когда их мгновенное анодное напряжение приближается к нулю. Тиристоры и симисторы позволяют отсекать практически любую нужную часть синусоидального сигнала переменного тока и тем самым управлять эффективной мощностью, подаваемой в нагрузку.

Но у них есть некоторые недостатки:

• низкое быстродействие переключения;
• невозможность выключения без прерывания тока через прибор;
• искажение синусоиды питающей сети;
• снижение коэффициента мощности;
• низкая экономическая эффективность.

Указанные недостатки в значительной степени можно преодолеть с помощью баристоров и симбаристоров, которые:

• позволяют разделять сигнал переменного тока на сегменты регулируемой ширины и использовать их в соответствии с требованиями пользователя;
• позволяют легко регулировать нагреватели и лампы с помощью схем на тиристорах или симисторах;
• подходят для использования в блоках питания для формирования различных выходных напряжений.

В качестве радикальной мысли можно рассмотреть, что переключение в тиристорах и симисторах происходит по «горизонтальной» оси (то есть во времени), тогда как в баристорах переключение происходит по «вертикальной» оси (то есть по напряжению).

Эта особенность баристора открывает принципиально новые возможности для его использования в телекоммуникационном оборудовании и силовой электронике. Баристоры предназначены для разделения сигналов, амплитуда которых выше или ниже заранее заданного порогового значения (барьера), устанавливаемого пользователем.

Типы Баристоры AC DC и их применение

Баристоры можно классифицировать следующим образом:

• Управляемые и неуправляемые (то есть с управляемым или неуправляемым пороговым значением);
• Переменного или постоянного тока (асимметричные и симметричные баристоры — симбаристоры);
• Одноканальные или многоканальные (многоуровневые, многопороговые баристоры);
• Переключатели типа: вкл/выкл/переключатель.

Ниже приведены названия баристоры AC DC.

Баристор высокого уровня, напряжение на выходе появляется только в том случае, когда уровень входного напряжения превышает определённое пороговое значение.

Баристор низкого уровня, напряжение на его выходе присутствует до тех пор, пока уровень входного напряжения превышает определённое пороговое значение. После этого баристор изменяет своё состояние и отключает нагрузку.

Переключающий однопороговый баристор: по мере постепенного роста входное напряжение сначала присутствует на выходе низкоуровневого сигнала. После превышения определённого порогового значения входной сигнал автоматически переключается на высокоуровневый выход.

Переключающий многопороговый баристор, при непрерывном увеличении/уменьшении входного напряжения происходит последовательное переключение выходов баристора, и таким образом входной сигнал передаётся на выходы баристора. При этом проходящий входной сигнал указывает на соответствующий диапазон напряжения.

Использование баристоров и симбаристоров позволяет распределять или перераспределять мощность переменного тока между потребителями электроэнергии. Подавлять высшие гармоники напряжения сети, повышать (то есть корректировать) коэффициент мощности, рационально использовать ту часть синусоиды, которую тиристоры «обрезают».

Все эти особенности должны помочь значительно повысить эффективность использования электроэнергии, а также улучшить экономическую эффективность. Барьерно-резистивные элементы могут применяться в следующих областях:

• миниатюрные экономичные блоки питания с низкими потерями;
• преобразователи напряжения и стабилизаторы напряжения;
• защита электронных компонентов и схем, а также электроэнергетического оборудования и линий связи.
• системы многоканального дистанционного управления и системы связи, включая ВЧ-сигнал, наложенный на двухпроводную линию;
• измерительные приборы и датчики;
• устройства импульсной техники;
• изоляция, разделение или генерация сигналов;
• аналоговая электроника для разделения сигнала на составляющие с использованием порогового значения, заданного пользователем.

Баристор №1, базовый

Переходя к практическим воплощениям баристоры AC DC, на рисунке ниже показана схема однопорогового баристора.

Пока напряжение на выходе мостового выпрямителя D1–D4 (в данном случае используется около 16 В переменного тока) остаётся ниже порога, заданного T1/T2, «составной транзистор» T3/T4 проводит ток.

Фактический уровень напряжения с D1–D4 за вычетом падения напряжения на транзисторе T4 запасается в буферном конденсаторе C1. Если входное напряжение превышает заданный порог, T4 закрывается, и выходное напряжение больше не растёт.

Таким образом, в зависимости от уровня порога, заданного T1/T2, выходное напряжение постоянного тока можно устанавливать с помощью потенциометра P1. Замена потенциометра P1 на оптрон или JFET позволяет управлять выходным напряжением с помощью другой схемы.

Если подаваемое переменное напряжение выше примерно 16 В, резисторы R3 и R4 следует изменить соответствующим образом. В зависимости от значений R3 и R4 и других условий, вольтамперная характеристика схемы T1/T2 изменяется от «тиристорной» до «стабилитронной».

Проблема в том, что это на самом деле не стабилитрон. Когда T1 и T2 закрыты, ток всё равно течёт через R2-P1-R1-R3. Так что, если потенциометр P1 имеет слишком низкое значение или сопротивление R3 слишком велико, T3 может включаться или выключаться, то есть реального порога нет, и выходное напряжение будет меняться вместе с входным переменным напряжением.

Кроме того, при определённых настройках потенциометра P1 в сочетании с различными входными переменными напряжениями может возникать некоторая нестабильность на очень низких частотах.

Хуже того, выходное сопротивление трансформатора влияет на работу и стабильность схемы. Конденсатор 10 мкФ от базы T4 к земле может улучшить стабильность схемы. Изменение сопротивления нагрузки изменит выходное напряжение.

Улучшенный однопороговый баристор

Схема на рисунке основана на наброске, найденном в книге «Electronic Circuits for All».

Её цель и назначение — не столько полностью рабочее устройство, сколько схема, которую можно модифицировать под собственные нужды, либо просто источник новых идей или часть решения для других задач.

Конечно, печатная плата, разработанная для этой схемы, облегчает тестирование и эксперименты, но схема достаточно проста, чтобы её можно было испытать на макетной плате.

Была добавлена цепь положительной обратной связи R7–C5 для подавления ошибочных переключений и улучшения переключения выходных каскадов. Это заставляет базу транзистора T1 вести себя как вход триггера Шмитта.

Из-за гистерезиса, который зависит от переменного напряжения, подаваемого на K1, фаза, установленная на P1, изменяется с уровнем входного напряжения. В зависимости от применения и используемого переменного напряжения значения некоторых компонентов подлежат настройке.

Для этого пригодится программное обеспечение для моделирования, такое как LTspice. Использование источника напряжения вместо «реального» трансформатора в моделировании даст ложные результаты.

Каждый трансформатор имеет комплексное выходное сопротивление, состоящее в основном из комбинации сопротивления и индуктивности. В результате в момент переключения баристора входное напряжение изменяется и может вызывать нестабильность, особенно когда усиление T1 велико.

В оригинальной схеме, использовались высоковольтные транзисторы Дарлингтона типа BC373, которые, к сожалению, оказались труднодоступными.

Но будьте осторожны, используя транзистор в корпусе TO92 T3 и T6 — из-за ограниченной рассеиваемой мощности этого корпуса разумнее использовать более крупный типоразмер. В итоге использовались старые BD139 в сочетании со стандартным BC547C, чтобы сделать дискретный дарлингтоновский заменитель первоначально использовавшегося BC373.

BD139 имеет корпус SOT32 (TO126) и допускает максимальную рассеиваемую мощность 1,25 Вт без дополнительного охлаждения (то есть переход будет 150 °C при комнатной температуре 25 °C).

Никогда не работайте с транзистором при температуре перехода 150 °C, держите её значительно ниже 70 °C, если не хотите сократить срок его службы. А почему бы не использовать транзистор BD679, чтобы уменьшить количество деталей, — можете спросить вы? Что ж, почти все мощные дарлингтоны имеют внутренние резисторы, параллельные переходам база-эмиттер обоих транзисторов.

Они неизбежно приводят к тому, что усиление транзистора изменяется с током коллектора, а при малых токах усиление намного ниже, чем у дарлингтонов без внутренних резисторов.

Возвращаясь к схеме, максимальное падение напряжения от K1 до K2 или K3 составляет около 4 В при 100 мА. Это обусловлено D1–D4 и небольшим падением напряжения на R4 и R6, а также напряжениями база-эмиттер T2/T3 и T5/T6. Следовательно, без дополнительного охлаждения T3/T6 максимальный выходной ток следует ограничить несколькими сотнями мА.

Удаление D5 увеличит диапазон P1 и сильнее сказывается при низких входных напряжениях. Чтобы изменить диапазон потенциометра P1 при высоких входных напряжениях, можно рассмотреть также изменение R1 и R3, а возможно, и рабочего напряжения D5.

Но из-за малого тока, протекающего через D5, падение напряжения на нём меньше номинального рабочего напряжения.

Испытательная установка использовала регулируемый автотрансформатор. Он используется для изменения первичного напряжения «разделительного трансформатора» типа FL30/12 от Block. Он имеет две первичные обмотки по 115 В и две вторичные обмотки по 12 В, способные обеспечить по 1,25 А каждая.

Такой способ гарантирует безопасность. Максимальное выходное напряжение автотрансформатора обычно выше входного. В лаборатории использовали такой, который всё ещё рассчитан на использование с напряжением сети 220 В. Выход рассчитан максимум на 250 В / 2 А.

В настоящее время, когда напряжение сети номинально повышено до 230 В, выходное напряжение холостого хода будет ещё выше, например, 261 В. Но ещё хуже, когда измеряешь фактическое выходное напряжение, было обнаружено целых 274 В при напряжении сети, достигающем 239 В в месте испытаний.

В любом случае никогда не устанавливайте автотрансформатор на максимальное напряжение. Это почти наверняка может уничтожит разделительный трансформатор, подключённый к нему.

В первом тесте использовался небольшой трансформатор, и R7/C5 было достаточно, чтобы избавиться от ошибочных переключений. Но при использовании описанной выше испытательной установки этого оказалось недостаточно. Четыре диода выпрямителя пришлось зашунтировать четырьмя конденсаторами по 47 нФ.

Сокращение числа деталей, повышение стабильности

Чтобы дать представление о дальнейших улучшениях и оптимизациях, легко достижимых, была разработана компактная схема баристора, которая даёт выходное напряжение постоянного тока, менее зависимое от нагрузки и входного переменного напряжения, при минимальном числе деталей.

Принцип баристоры AC DC прост. Выходной каскад работает как переключатель и должен выключаться, как только входное напряжение превысит определённый порог. Последний задаётся главным образом стабилитроном D5.

Здесь R1 ограничивает ток при более высоких входных напряжениях, а R2 обеспечивает протекание некоторого тока через стабилитрон до того, как откроется дискретный дарлингтон T1/T2. T1/T2 подтягивает базу составного транзистора T3/T4 к земле, тем самым выключая выходной переключатель.

Чтобы минимизировать падение на T4, используется комбинация маломощного NPN и мощного PNP транзистора, что экономит несколько десятых вольта. Чтобы сделать падение из-за базового тока через R3 ещё меньше, номинал R3 составляет всего 1 кОм.

Последнее означает, что резистор мощностью 0,25 Вт будет рассеивать свою максимально допустимую мощность при входном напряжении 21 В. Любые измерения при входных напряжениях выше 21 В превысят безопасные характеристики для резистора R3.

В этом случае используйте резистор на 0,5 Вт вместо 0,25 Вт. Существуют также типы с номиналом 1 Вт в этом корпусе. Устанавливайте такие резисторы немного выше печатной платы. Рассеиваемая мощность будет наибольшей без нагрузки.

Поскольку T3/T4 будут выключены постоянно, напряжение на R3 — это почти всё входное напряжение минус потери на мостовом выпрямителе. Тот факт, что T1/T2 открываются выше определённого напряжения, мало что меняет.

Со стабилитроном на 4,7 В (0,5 Вт) выходное напряжение составляет примерно 4,4 В при нагрузке 150 Ом. Нагрузка 10 Ом снижает выходное напряжение чуть ниже 4 В. Напряжение холостого хода — около 4,67 В.

Изначально использовали старый добрый BD140, и при малом выходном токе он работал хорошо. Но при большей нагрузке, например, резисторе 10 Ом, он почти сразу закоротил. Испытательная установка способна выдавать номинальный переменный ток 1,25 А RMS, то есть пиковый ещё больше. BD140 может выдерживать пиковые токи 1,5 А, чего особенно при большом конденсаторе на выходе недостаточно.

Он был заменён на BD440 из старых запасов, но этот тип всё ещё можно найти. BD440 — это PNP мощный транзистор 60 В / 4 А (7 А импульсный). Есть и другие подходящие кандидаты в корпусе TO-126 (SOT-32) для замены T4, например 2N5195 (PNP, 80 В, 4 А), BD438 (45 В, 4 А) или BD442G (80 В, 4 А).

Выходное напряжение можно сделать регулируемым, заменив R2 на потенциометр. Тогда выход действительно регулируется, но при более высоких напряжениях он становится всё более зависимым от входного напряжения.

Напряжение на R1 будет увеличиваться сильнее при меньшем значении потенциометра P1 и станет более доминирующим, чем напряжение стабилитрона. Чтобы задать другое выходное напряжение, лучше всего изменить напряжение стабилитрона. Если на мостовом выпрямителе возникают выбросы, их можно уменьшить, вставив диод между D5 и R3.