Схема быстрого разряда выходного конденсатора источника питания

Постоянной проблемой при проектировании источников питания является безопасный и быстрый разряд, или «сброс» при отключении большого количества энергии, запасенной в конденсаторах фильтра. Эта энергия CV²/2 обычно может достигать десятков джоулей. Если позволить конденсаторам разряжаться самостоятельно, опасные напряжения могут сохраняться на ненагруженных электролитических конденсаторах фильтра в течение нескольких часов и даже дней. Заряженные конденсаторы могут представлять значительную опасность для обслуживающего персонала или даже для самого оборудования. Стандартным и очевидным решением этой проблемы является традиционный «разряжающий» резистор R_B (Рисунок 1). Проблема с использованием R_B заключается в том, что энергия непрерывно и бесполезно «утекает» через R_B не только тогда, когда это нужно во время разряда конденсатора, но и постоянно, пока включен источник питания. Возникающие в результате потери энергии иногда оказываются далеко не незначительными.

Рисунок 1.	Разряжающий резистор гарантирует безопасность, но потребляет слишком большую мощность.

На Рисунке 1 представлена иллюстрация проблемы, взятая из источника питания генератора импульсов. Энергия CV²/2, запасенная при номинальном рабочем напряжении 150 В, равна 150²×4400 мкФ/2, или примерно 50 Дж. Предположим, что для решения проблемы вы выбираете R_B, определив для себя, что 90% заряда конденсатора емкостью 4400 мкФ должно уйти в течение 10 секунд после отключения источника питания. Значит, необходимо выбрать такое сопротивление R_B, чтобы постоянная времени RC не превышала 10/ln(10), или 4.3 с. Поэтому сопротивление R_B должно равняться 4.3 с/4400 мкФ, или приблизительно 1 кОм. Результирующая мощность, непрерывно рассеиваемая на резисторе R_B, равна 150²/1 кОм, что составляет примерно 23 Вт. Цифра наглядно иллюстрирует цену, которую приходится платить за рассеивание мощности в приложении генератора импульсов с малым коэффициентом заполнения. Эти потери преобладают в общем потреблении энергии и выделении тепла, при том, что средняя мощность, рассеиваемая остальной частью схемы, мала. Такая ситуация является неустранимым недостатком разряжающего резистора. Всякий раз, когда вы применяете критерий безопасности «10% за 10 секунд», вы сталкиваетесь с обратной стороной – неизбежным рассеиванием почти половины энергии CV²/2 в течение каждой секунды, пока схема находится под напряжением.

Рисунок 2.	Чтобы энергия не тратилась впустую, для ее сброса при выключении можно использовать вторую группу контактов переключателя.

На Рисунке 2 показано точечное и гораздо менее расточительное решение проблемы сброса энергии. Неиспользуемые в предыдущем случае нормально разомкнутые (NC) контакты двухполюсного двухпозиционного выключателя питания S₁ создают путь разряда конденсатора фильтра, который существует только тогда, когда он нужен, то есть, когда питание выключено. Когда переключатель перемещается в положение «выключено», образуется путь разряда через резисторы R₁ и R₂ и первичную обмотку силового трансформатора. Результатом является почти сколь угодно быстрый сброс накопленной энергии, тогда как потери схемы при включенном питании равны нулю. Для выбора оптимальных характеристик R₁, R₂ и S₁ следует руководствоваться следующими четырьмя критериями:

• Пиковый разрядный ток V/(R₁ + R₂) не должен превышать значения, допустимого для контактов S₁.
• Допустимая импульсная мощность резисторов R₁ и R₂ должна позволять им выдержать тепловой импульс с энергией CV²/2. Для рассматриваемого примера с энергией 50 Дж адекватными значениями для R₁ и R₂ будут 3 Вт.
• Постоянная времени разряда (R₁ + R₂)C должна быть достаточно небольшой, чтобы гарантировать быстрое удаление накопленной энергии.
• Конструкция переключателя S₁ должна быть такой, чтобы замыкание одной пары контактов происходило после размыкания другой, гарантируя, что перед разрядом конденсатора соединение с сетью переменного тока будет разорвано, и наоборот. В противном случае при включении/выключении может возникать опасное замыкание на землю.