Выпрямление тока при помощи диода и транзистора: преимущества и недостатки
Речь пойдет о схеме выпрямителя с применением транзисторов с изолированным затвором, англ. сокращённо Mosfet.
В схеме применён самый распространённый Mosfet с индуцированным каналом N-проводимости. Главным преимуществом из за которого широко применяются такие ключи в современных электронных устройствах в схемах питания — это малое сопротивление и падение напряжения в открытом состоянии (не более 0.1 В).
Самодельный светодиодный светильник на старом балласте от КЛЛ
Вот классическая схема включения для проверки и изучения работы транзистора с N-каналом:
Схема включения для проверки транзистора Mosfet
Открытие ключа с N-каналом происходит когда приложить (зарядить затвор) положительное напряжение к затвору (Gate) относительно истока (Source), соответственно чтобы закрыть транзистор, нужно разрядить затвор, то есть потенциал на нём должен быть ниже напряжения открывания перехода. В открытом состоянии ключ проводит ток в обе стороны.
Напоминаю, что схема такого транзистора и цоколевка выводов такая:
Транзистор Mosfet
Есть особенности, которые нужно учитывать при выпрямлении тока при помощи такого транзистора:
- наличие паразитного диода между стоком и истоком.
- затвор имеет емкость, что влияет на скорость срабатывания при повышении частоты.
Возникает вопрос: в чём заключается эффективность выпрямителя на этих транзисторах и зачем все эти сложности? Давно придуманы диоды Шоттки, прямое падение на переходе металл-полупроводник которых в два раза меньше чем на P-N переходе у обычного кремниевого диода, но когда необходимо питание с низким напряжением и большим током потребления, потери КПД даже на диодах Шоттки уже значительные!
Таблица потерь мощности на диодах Шоттки в при работе на разных напряжениях:
| Напряжение блока питания | Падение на выпрямительном диоде Шоттки | Мощность рассеиваемая на диоде | Потери |
|---|---|---|---|
| 12 В* 1 А=12 Ватт | 0.4 В 1 А | 0.4 Ватт | 4,8 % |
| 5 В* 2 А=10 Ватт | 0.4 В 2 А | 0.8 Ватт | 8 % |
| 3.1 В* 3 А=9,3 Ватт | 0.4 В 3 А | 1.2 Ватт | 11 % |
В современной компьютерной технике, где напряжения питания процессоров могут быть в пределах 1 В, блок питания всего компьютера делается на более высокое напряжение, при этом не страдает КПД из за потерь на выпрямителе, а уже в самой схеме напряжение блока питания преобразуется импульсными понижающими преобразователями с использованием схем синхронных выпрямителей на Mosfet.
Ниже приведена известная схема блока питания с низким выходным напряжением и с использованием Mosfet в качестве выпрямителя.
Выпрямитель с низким выходным напряжением с использованием Mosfet транзистора
Верхняя обмотка трансформатора — обмотка управления транзистора, нижняя — силовая, количеством её витков определяется выходное напряжение такого выпрямителя, а площадью сечения — ток. Подробности разберём ниже.
Вторая жизнь электронных балластов КЛЛ
Радиолюбители давно широко используют платы сгоревших «экономок» (КЛЛ) со схемой электронного балласта, а также похожих по схеме электронных трансформаторов для питания галогенных ламп в своих проектах. Сейчас это актуально из за перехода на более эффективное освещение на светодиодах, такие электронные трансформаторы и балласты становятся не нужны, а их можно применить как источник питания для других целей после несложной переделки.
Электронный балласт энергосберегающих ламп можно отремонтировать, об этом есть статья «Ремонт энергосберегающих ламп».
В схеме стандартного балласта от КЛЛ, переделка состоит в том, чтобы поставить перемычку как показано по схеме:
Переделка схемы энергосберегающей лампы
По схемам электронных балластов КЛЛ есть отдельная статья, там приведены много вариантов таких схем к лампам различных мощностей и производителей.
Теперь вместо лиминесцентной колбы на выход балласта подключаем высокочастотный выпрямитель, схема которого была показана выше.
Блок питания из электронного балласта люминесцентной лампы
В результате получаем блок питания. Вторичную обмотку наматываем любым обмоточным проводом сложенным в несколько раз, чтобы суммарное сечение было достаточным для выбранного тока, один провод отмечаем (например облуживаем), он будет обмоткой для управления. Мотаем на катушку L 2 по верху существующей обмотки, количество витков подбирается опытным путем, обычно это 1 виток на 1 Вольт.
Обмотку для управления Mosfet нужно правильно сфазировать и напряжение на ней не должно быть более чем указано в спецификации на транзистор, это не менее 3-4 В и не более 10 В. Напряжение управляющей обмотки рассчитывается по количеству витков.
Mosfet взят из старой материнской платы, который стоял в цепи питания процессора, но его можно взять из видеокарты или другой цепи питания платы, или купить.
Транзистор из материнской платы
Любой такой транзистор спокойно работает на токах 10 А и более без существенного нагрева. Для примера: падение напряжения на открытом транзисторе PHB108N при токе 10 А составит всего 0.06 В, выделение тепла 0.6 ватт для постоянного тока, учесть что в нашем случае это импульсы, то нагрев будет ещё меньше.
К сожалению, синхронный выпрямитель по такой схеме годится только для схемы полумостового мультивибратора, где есть трансформатор для положительной обратной связи. Главная проблема — это вовремя открыть ключ и вовремя закрыть, наверно именно поэтому схема называется «синхронный выпрямитель».
Так как в открытом состоянии ключ проводит ток в обе стороны, настаёт момент, когда ключ еще не закрыт, а ток (напряжение) уже пошёл на спад, происходит разрядка фильтрующего конденсатора обратно на обмотку трансформатора, в таком случае никакого выигрыша в КПД не произойдет, а даже наоборот. Для других блоков питания схема синхронного выпрямителя гораздо сложнее, в них сделаны временные задержки и опережения для корректного управления. Существуют микросхемы «драйверы синхронного выпрямителя», предназначенные для таких целей, но пока редко встречаются и имеют много деталей обвязки. Очень надеюсь на прогресс и появление специализированных микросхем, где всё в одном, и их просто будет использовать там, где сейчас используются выпрямители на диодах.
Схема полумостового мультивибратора, такая как в электронном балласте, прекрасно работает с данной схемой синхронного выпрямителя.
В теории, в момент переключения транзисторов VT1 и VT2 мультивибратора в токовой обмотке трансформатора TV1 происходит перемагничивание и смена полярности сигнала, эффект от переходного процесса в момент закрытия полевого транзистора выпрямителя совсем не мешает работе мультивибратора, а даже наоборот, сокращает время переключения транзисторов VT1,VT2 в противоположное состояние, а также наводится ток в обмотке управления, тем самым ускоряя закрытие полевого транзистора выпрямителя.
Специально для измерений была сделана ещё одна обмотка на трансформаторе TV1, которая состоит из двух витков провода.
Осциллограммы работы выпрямителя на транзисторе
В начале измерим сигнал при подключенной пассивной нагрузке (резисторе), чтобы знать как работает мультивибратор электронного балласта.
Синий луч осциллографа показывает форму сигнала на этой дополнительной обмотке токового трансформатора TV1, а жёлтый луч показывает сигнал на выходе силового трансформатора, нагрузка в этот момент проволочный резистор 1 Ом.
На картинке ниже форма сигнала с выхода трансформатора уже с подключенным выпрямителем, нагрузкой выхода выпрямителя является тот же резистор 1 Ом. На практике оказалось, обратный ток который возникает в момент, когда Mosfet должен закрываться, очень мал.
Измерения, схема подключения и осциллограммы
Падение напряжения (синий луч) на транзисторе выпрямителя в момент когда он открыт около 0.05 В. В начале периода в момент открытия транзистора и в момент закрытия-видно переходные процессы в виде острого пика. На резисторе (жёлтый луч) 0.01 Ом датчике тока напряжение 0.07 В, максимальный ток в цепи можно рассчитать- получим 7А.
Большого обратного тока в момент закрытия транзистора не наблюдается из за высокой индуктивности трансформатора и дополнительного фильтра на катушке L, которая сделана из ферритового кольца взятого от трансформатора подобного электронного балласта. Продеваем провод который идет от транзистора на фильтрующий конденсатор через кольцо, получается 0.5 витка.
Преимущества данного схематического решения выпрямителя:
- простота
- доступность
- хороший КПД выпрямителя
- малые размеры
Недостатки:
- схема полумостового автогенератора с трансформатором тока в обратной связи рассчитана только для работы под нагрузкой;
- отсутствие защиты от короткого замыкания.
Применение блока питания на электронном балласте и выпрямителе
Одно из применений — питание светодиодов, где соединение параллельное.
Такое соединение светодиодов упрощает их монтаж и повышает надежность всего светильника. Применение светодиодов в корпусе 5730 (могут быть любые другие) позволяет обойтись без отдельного радиатора, благодаря множеству источников тепловыделения небольшой мощности по большой площади. Тот же принцип охлаждения у светодиодных лент.
Светодиоды в таком включении питаются не совсем по феншую — правильное питание для светодиодов это стабилизированный ток. Ввиду дешевизны таких светодиодов, их можно применить гораздо больше чем нужно, таким образом средний ток через каждый светодиод получается меньше номинального, что хорошо сказывается на светоотдаче от каждого светодиода, повышении общей надежности и улучшает тепловой режим и охлаждение.
Самодельный светодиодный светильник
С этой схемой для питания светодиодов было сделано несколько светильников на лестничную клетку из жестяных коробок от печенья.
Приведу несколько фото светодиодного светильника, сделанного своими руками.
Вырезаем отверстие в крышке банки
Готовим прозрачный пластик
Монтируем электронику светильника
Готовый светильник
Вариант монтажа с датчиком освещенности
Другой вариант самодельного светильника. Плата (основание) для монтажа светодиодов — это кусок толщиной 1 мм из анодированного алюминия, вырезанного из cломаной крышки от ноутбука:
Монтаж светодиодов
Сломанная крышка осталась после замены на новую. Алюминий крышки матрицы имеет прочное оксидное покрытие чёрного цвета, которое выступает изолятором, медную самоклеющуюся ленту наклеил непосредственно на пластину и припаял светодиоды на паяльную пасту, разогрев с низу феном. Получилась PCB плата и одновременно радиатор для охлаждения.
Медная лента и припой-крем можно купить в радиотоварах, или заказать на «Али-Экспресс».
Монтаж светодиодов и электронного балласта, в процессе испытаний
Тот же вид, в включенным питанием, показан на фото в начале статьи.
Ещё был переделан светильник для люминесцентной лампы в светодиодный.
Переделка люминесцентного светильника в светодиодный
Как я монтировал светодиоды
Для монтажа светодиодов использована медная самоклеющаяся лента, которая после пайки светодиодов приклеивается на корпус светильника.
Пайка светодиодов на медную ленту
Для монтажа светодиодов использована медная самоклеющаяся лента, которая после пайки светодиодов приклеивается на корпус светильника
Медная самоклеющаяся лента после пайки светодиодов приклеивается на корпус светильника
Светодиоды для этих светильников покупал на Али. Проверенный продавец, покупал в этом магазине светодиоды 5730 и 5630.
Измерение КПД блока питания из балласта и зависимость КПД от нагрузки
Для данного светильника я применил электронный балласт от светильника 13 ватт.
Для исследования применял вольтамперметр и измеритель мощности.
Вольтметр и амперметр показывает мощность на выходе блока питания (она рассчитывается по показаниям), а ваттметр на входе.
КПД считал по формуле —
КПД=Р отд/P под*100%
Если словами, то КПД=мощность отводимая деленная на мощность подводимую. Чтобы перевести полученную дробь в проценты — умножаем на 100.
1. Выпрямитель на транзисторе.
Вольтметр и амперметр показывают мощность на выходе
Ваттметр — мощность на входе светильника
В процессе экспериментов и измерений выяснил что общий КПД составил 67%. Точнее, КПД=(2.98*1.462)/6,5*100%=66,9%
2. Выпрямитель на диоде Шоттки.
Вольтметр и амперметр показывают мощность на выходе
Ваттметр — мощность на входе светильника
КПД=(2.8*0.765)/4,5*100=47.6%
3. Выпрямитель на диоде Шоттки.
Решил проверить КПД с диодом Шоттки вместо транзистора. Из за падения напряжения на диоде Шоттки снизился ток через светодиоды.
Вольтметр и амперметр показывают мощность на выходе Вольтметр и амперметр показывают мощность на выходе
Ваттметр — мощность на входе светильника Ваттметр — мощность на входе светильника
КПД=(3.04*1.713)/8*100=65%
4. Выпрямитель на транзисторе.
Пришлось добавить 1 виток на трансформатор, чтобы компенсировать падение на диоде.
КПД с диодом Шоттки составил 65%, выигрыш по сравнению со схемой синхронного выпрямителя всего 4.5 %, не ахти как много, но схема синхронного выпрямителя работает. Возможно схема самого электронного балласта требует бОльшей нагрузки, чтобы ключи VT1, VT2 большее время работали в режиме полного открытия и меньше в режиме частичного открытия, то есть с меньшими потерями... проверяем...
Вольтметр и амперметр показывают мощность на выходе светильника
Ваттметр — мощность на входе светильника
КПД=(3.1*2.17)/9.6*100=70,07%
При бОльшем токе и мощности потребления КПД составил 70%, разница с диодом Шоттки уже 7.8%, что совсем неплохо.
Отсюда следует, что на заводе изготовителе электронного балласта номиналы деталей подобраны на определённую мощность (данный балласт от лампы 13 ватт), чтобы транзисторы VT1, VT2 работали в ключевом режиме, значит нам нужно нагружать балласт от лампы примерно на туже расчетную мощность, чтобы не падал общий КПД схемы, но нужно учесть, что мощности трансформатора из бывшего дросселя может не хватить и он будет перегреваться.
5. Выпрямитель на транзисторе.
В данном экземпляре электронного балласта удалось повысить КПД до 72 % на желаемой мощности потребления в 7 ватт. Для этого я отмотал 3 витка с обмотки 2 токового трансформатора TV1, изменив таким образом коэффициент трансформации этого трансформатора, чтобы транзисторы VT1, VT2 могли полностью открыться при меньшем токе через токовую обмотку чем рассчитано изначально на заводе.
Вольтметр и амперметр показывают мощность на выходе светильника
Ваттметр — мощность на входе светильника
КПД=(3.06*1,645)/6.9*100=72.95%
Окончательные параметры доработки: дополнительная обмотка L 2 состоит из 4-жил обмоточного провода диаметром 0.35 мм и 4 витков. Одна жила из 4-х используется как управляющая обмотка.
Внешний вид схемы, собранной на электронном балласте и выпрямителе на транзисторе
Есть вариант использовать такой балласт для питания светодиодов совсем без выпрямителя, включив светодиоды встречно параллельно, что еще упрощает переделку люминисцентного светильника в светодиодный, но нужно будет количество светодиодов увеличить вдвое, так как они будут питаться переменным током, чтобы в каждый момент времени ток через каждый отдельный светодиод не превышал номинальный, а лучше был меньше.
Светильник с встречно-параллельным включением светодиодов
Мерцание которое происходит в момент смены полярности при работе электронного балласта частотой 20 кГц (может быть больше), зрению и здоровью не вредит.
Светодиоды для этих светильников покупал на Али. Проверенный продавец, покупал в этом магазине светодиоды 5730 и 5630.
От Администратора блога: Важное замечание! Для тех, кто занимается подобными схемами, важно помнить — схема находится под опасным напряжением!
Для информации, SMD-светодиоды, которые используются в светодиодных лентах. Их параметры сведены в таблицу. Первые две цифры и вторые две цифры в названии — соответственно, длина и ширина. А размер косвенно указывает на мощность.
Типоразмеры SMD светодиодов
Источник: ©Алексей Филиппов (г. Львов), Александр/СамЭлектрик. ру
