Коректор коефіцієнта потужності

Відразу скажемо, що всупереч поверхневим твердженням наявність коректора коефіцієнта потужності сама по собі не дає поліпшення формальних характеристик пристрою, в якому він застосований. Навпаки, введення ККМ як досить складного пристрою поки що призводить до помітного подорожчання та ускладнення продукту в цілому (звісно, у міру розвитку техніки ціна знижуватиметься). Проте, вже зараз введення ККМ у підсилювачі потужності дає низку дуже важливих переваг, які з лишком окупають це ускладнення.

Першою і найважливішою перевагою є той факт, що при використанні підсилювачів з ККМ з тією ж проводкою без порушення будь-яких норм можна використовувати як мінімум втричі-втричі потужніші підсилювачі. До речі, жодного порушення фізичних (і юридичних) законів тут немає, а чому так виходить – розповімо далі.

Третя перевага – блок живлення з ККМ за принципом дії стабілізує вихідну напругу. Тому вихідна потужність підсилювача перестає жорстко залежати від напруги мережі - навіть при мережі, що "просіла", віддається повна потужність.

Ще однією, зовсім несподіваною перевагою є те, що мережевий фон (те саме) при використанні тільки підсилювачів з ККМ, виявляється, як правило, децибел на 10 нижче.

Незважаючи на різноманітність реально існуючих пристроїв, принцип роботи ККМ можна розглянути на наступному прикладі (див. рис. 1).

Коректор коефіцієнта потужності - це не що інше, як майже звичайний імпульсний регулятор, що живиться випрямленою, але не згладженою мережевою напругою і стабілізує напругу на вихідному накопичувальному конденсаторі C2. Основний принцип його дії є досить простим і полягає в наступному. Спочатку на короткий час замикається ключS1, і в котушці індуктивності L1 у повній відповідності до підручника фізики починає наростати струм. Через деякий час ключ розмикається, а енергія, накопичена в котушці, через діод переходить у вихідний накопичувальний конденсатор. Цей цикл безперервно повторюється, у результаті на накопичувальний конденсатор надходять порції енергії, величина яких залежить від вхідної напруги, величини індуктивності та часу замкнутого стану ключа. Для того щоб розміри котушки та втрати в ній були невеликі, величину індуктивності вибирають невеликий, а, відповідно, частоту повторення таких циклів роблять досить високою – десятки та сотні тисяч разів на секунду. Необхідно зауважити, що при надмірно високій частоті втрати на перемикання транзистора, що використовується як ключ, стають дуже

суттєвими. Найважливіше тут те, що при належному управлінні вхід такого перетворювача з боку мережі буде виглядати як деякий опір (струм у кожний момент часу пропорційний напрузі), і в той же час на вихідному конденсаторі буде підтримуватися деяка постійна напруга, що практично не залежить від навантаження і напруги мережі (!). При цьому між напругою в мережі та струмом, що відбирається від неї, не буде ні зсуву фаз (cos j 1)*, ні порушення пропорційності.

На практиці ж енергоємність традиційних блоків живлення у переважної більшості підсилювачів набагато нижча, і причиною цього є не лише банальна економія виробників на трансформаторах та конденсаторах. Не менш істотна та обставина, що випрямляч з конденсаторами великої ємності є ланцюгом, що навантажує мережу тільки в короткі проміжки часу (під час "верхівок" синусоїд), зате великими струмами (див. рис. 2), де, до речі, видно, що формамережевої напруги сильно спотворена такими випрямлячами). Причому, чим кращий трансформатор і вища ємність, тим сильніше це явище. Вмикати подібний блок живлення в мережу можна лише за наявності пристроїв "м'якого" пуску, інакше згорятимуть запобіжники. Далі, будь-який, навіть невеликий стрибок напруги мережі у бік підвищення, викликає різке зростання величини цих імпульсів струму, що призводить до виходу випрямлячів з ладу. Саме тому ємність конденсаторів (і, відповідно, енергоємність блоків живлення) у більшості підсилювачів із традиційним блоком живлення обрана набагато меншою, ніж це необхідно для забезпечення належного запасу потужності на низьких частотах.

Поглянувши на рис. 3, можна побачити ще дві обставини.

Перше - те, що піковий споживаний струм виявляється у кілька разів вище, ніж середній. Але корисна потужність визначається середнім струмом, тоді як падіння напруги на дротах – піковим. А він виявляється набагато більшим за середній.

Друга обставина - струм, що споживається короткими імпульсами, має високу швидкість зміни, і, відповідно, створює більше перешкод.

Ще одна проблема виникає у трифазних мережах. Через те, що фази напруг у трифазній мережі зрушені на час, значно більший, ніж тривалість цих імпульсів струму, вони в нульовому дроті перестають компенсуватися. Більше того, струм у нульовому дроті виявиться приблизно рівним сумі фазних струмів, тоді як у нормальній ситуації струм через нього взагалі не

повинен текти, і нульовий провід зазвичай роблять тоншим, ніж фазні. Якщо врахувати, що струм через нього стає більшим, ніж через фазні, а також те, що установка запобіжників у нульовий провід заборонена, неважко здогадатися, що тут недалеко і до пожежі. Тому величинагармонік струму споживання обмежений досить жорсткими міжнародними стандартами. Традиційні блоки живлення за потужності вище 150. 200 Вт задовольнити цим стандартам принципово неспроможна. Це призведе до того, що при великих потужностях традиційні блоки живлення просто виявляються "поза законом".

Всіх цих проблем можна уникнути, якщо з боку мережі блок живлення буде виглядати як суто активний опір, подібно до праски або лампочки розжарювання.

Саме так і працює блок живлення із коректором коефіцієнта потужності. Зникають проблеми, пов'язані з нестабільністю мережі, а також з'являється можливість забезпечити необхідну енергоємність блоку живлення.

Стає цілком очевидним - застосування коректора коефіцієнта потужності не лише обов'язковим (з погляду закону), а й необхідним для " чесної " роботи професійних високоякісних підсилювачів.

* Невелике доповнення: cos j і коефіцієнт потужності часто плутають, хоча це не те саме. Cos j - це міра того, яка частка струму, що протікає в дротах, фактично йде в навантаження (і виконує корисну роботу), при цьому як напруга, так і струм вважаються строго синусоїдальними. Якщо зсуву фаз немає, cos j = 1. Якщо зсув фаз досягає 90 градусів незалежно від знака, cos j звертається в нуль – корисна потужність просто не передається у навантаження.

Коефіцієнт потужності збігається з cos j тільки у разі суто синусоїдальних струмів і напруг. Якщо струм чи напруга несинусоїдальні, застосовним залишається лише коефіцієнт потужності, який показує яка частка струму, що пройшов по проводах і нагріває їх, з користю пішла в навантаження. Коефіцієнт потужності звичайного випрямляча вбирається у 0,25…0,3, тоді як в хорошого ККМ вінстановить щонайменше 0,92…0,95, тобто. у 3-4 рази більше (ось звідки три-чотириразова різниця!).