Источник питания электросчетчика без электролитических конденсаторов
В последние годы происходит активное внедрение смарт-счетчиков электроэнергии. Они обладают большими функциональными возможностями и содержат в своем составе импульсный источник питания. Типовые характеристики такого источника: мощность около 4 Вт, работа в широком диапазоне входного напряжения — для однофазной сети это 85–460 В переменного тока, наличие двух или трех выходных напряжений, зачастую гальванически развязанных между собой. В зависимости от условий применения к такому источнику могут предъявляться особые требования, в частности работа в широком температурном диапазоне при значительных температурных перепадах. Причем должен быть гарантирован долгий ресурс, исчисляемый десятками лет. В таком случае электролитические конденсаторы являются ограничивающим фактором. В источнике питания, как правило, всегда имеется входной электролитический конденсатор. Это вынуждает использовать дорогие серии конденсаторов с увеличенным ресурсом, но даже они являются слабым звеном. Альтернативой мог бы стать пленочный, однако его габариты примерно в 20 раз больше при тех же емкости и вольтаже, что неприемлемо. Использование пленочного конденсатора в качестве входного было бы возможно, если существенно уменьшить его емкость.
Назначение входного конденсатора — отфильтровать пульсацию выпрямленного входного напряжения. Иными словами, накопить энергию в течение полуволны и отдать ее в паузе между полуволнами. В обычном источнике заряд конденсатора происходит в течение короткого времени на пике полуволны, а разряд — в остальное время, то есть в течение почти всего полупериода. Емкость конденсатора должна быть такой, чтобы запасенной энергии хватало для нормальной работы преобразователя до следующего цикла заряда. Энергия конденсатора определяется выражением E = CV2/2. Следовательно, если входной конденсатор заряжать до высокого напряжения, то потребуется значительно меньшая емкость. Более того, если заряжать конденсатор не только на пике полуволны, а в течение всего полупериода, хотя и с меньшей интенсивностью, это частично скомпенсирует потерю энергии и позволит еще уменьшить емкость. Обеспечить такие условия мог бы дополнительный каскад — стабилизатор повышающего типа. Исходя из этих рассуждений, автором был разработан источник, не содержащий электролитических конденсаторов (рис. 1). Он имеет три изолированных выхода — 12 В/300 мА, 2×7 В/40 мА и работает от входного напряжения 85–460 В.
Источник содержит защитный каскад на транзисторе Q2, предварительный повышающий стабилизатор на микросхеме U1 и обратноходовой преобразователь на микросхеме U2. Схема работает следующим образом. В номинальном диапазоне напряжения сети Q2 открыт, и стабилизатор на U1 заряжает входной конденсатор C3 до максимального уровня около 350 В (определяется делителем R9R10R11). При мгновенном значении напряжения выше этого уровня преобразователь на U1 не участвует в работе, питание на схему поступает непосредственно через Q2, R8, L3, D3. Так происходит до напряжения 440 В (определяется ограничителем D1). При дальнейшем росте напряжения транзистор Q2 работает как линейный стабилизатор, и на нем падает разность между входным напряжением и напряжением на D1. Когда эта разность достигает примерно 50 В (определяется делителем R5R6R7), открывается Q1 и тем самым полностью выключает Q2. Таким образом, при мгновенном входном напряжении выше (440+50) В транзистор Q2 находится в полностью закрытом состоянии, что исключает его нагрев. Резистор R8 ограничивает ток Q2 на уровне, обеспечивающем область безопасной работы, а варистор RU2 защищает Q2 от перенапряжений.
В диапазоне 85–460 В на входе источника напряжение на C3 находится в пределах, гарантирующих нормальную работу основного преобразователя на U2, при этом емкость C3 составляет всего 0,47 мкФ. В качестве U1 и U2 использованы микросхемы компании Power Integrations LNK364D и TNY284D соответственно, что позволило предельно упростить схему. Нужно отметить, что наличие дополнительного каскада преобразования практически не сказывается на стоимости источника, поскольку суммарная стоимость микросхемы и пленочного конденсатора соизмерима с ценой качественного электролитического конденсатора. Осциллограммы, представляющие наибольший интерес, приведены на рис. 2–5.