Пригодность блока питания в быту

У каждого в доме есть различная аппаратура, работающая от батареек или аккумуляторов. Чтобы не менять каждый раз элементы, ее питают от любого источника, подключаемого к сети 220 В.

Большой мощности от полностью бестрансформаторного малогабаритного блока ждать не следует. Аккумуляторные инструменты (шуруповерты, дрели, дисковые пилы), насосы, планшеты и ноутбуки от него работать не будут.

К такому БП можно подключать осветительные приборы и электронную технику, которые потребляют ток до 500 мА:

• малогабаритные приемники;
• светодиодные лампы и гирлянды (но не ленты);
• портативную маломощную медицинскую аппаратуру (наручный тонометр, измеритель пульса и других параметров);
• зарядные модули телефонов;
• детские игрушки;
• моторы магнитофонов, вентиляторы;
• самодельные устройства;
• платы от Arduino.

Расчет допустимого тока через стабилитрон

А теперь определим, какой ток Iн будет течь через нагрузку Rн и какой ток — через стабилитрон VD2. Понятно, что

По мере уменьшения сопротивления нагрузки потребляемая ею мощность Pн=IнUн=U 2 ст/Rн возрастает. А вот средняя потребляемая БПТП мощность, равная

остается неизменной. Объясняется это тем, что ток Iср разветвляется на два — Iн и Iст — и, в зависимости от сопротивления нагрузки, перераспределяется между Rн и стабилитроном VD2, причем так, что чем меньше сопротивление нагрузки Rн, тем меньший ток идет через стабилитрон, и наоборот. Значит, если нагрузка мала (или вовсе отсутствует), стабилитрон VD2 будет находиться в наиболее тяжелых условиях. Вот почему снимать нагрузку с БПТП не рекомендуется, иначе весь ток пойдет через стабилитрон, что может привести к выходу его из строя.

Амплитудное значение напряжения сети равно 220·√2=311(B). Импульсное значение тока в цепи, если условно пренебречь конденсатором Сф, может достигать

Соответственно, стабилитрон VD2 должен надежно выдерживать этот импульсный ток при случайном отключении нагрузки. Не следует забывать и о возможных перегрузках по напряжению в осветительной сети, составляющих 20. 25% от номинала, и рассчитывать ток, проходящий через стабилитрон при отключенной нагрузке с учетом поправочного коэффициента 1,2. 1,25.

Расчёт блока питания с гасящим конденсатором + онлайн-калькулятор

Итак, процессы в этой схеме будут достаточно нелинейны, поэтому при рассчётах придётся делать различные упрощения и допущения.

Для начала давайте будем считать, что ёмкость конденсатора C2

достаточна для полного сглаживания пульсаций напряжения после моста, то есть напряжение на конденсаторе
C2 = const
. Далее попробуем нарисовать пару графиков, — напряжение на входе моста (
UM
) и ток через конденсатор
C1
(
IC1
), опираясь на график сетевого напряжения
UС(t)
. Будем считать, что сетевое напряжение у нас изменяется по синусоидальному закону и имеет амплитуду
Uca
(вообще-то рисовать мы будем косинусоиду, нам так будет удобнее, но это по сути одно и то же, только косинусоида сдвинута относительно синусоиды на
π/2
).

Рассуждаем следующим образом: в каждый момент времени полное напряжение и полный ток в этой цепи можно описать следующими уравнениями:

UC=UC1+UМ

(1),
iC=iC1+iМ
(2)

В момент времени t0

уравнение напряжения примет вид:
Uca=UC1+UМ
. Поскольку
Uca
— это максимальное значение сетевого напряжения, то
UC1
и
UМ
также в этот момент должны иметь максимальные значения (здесь в логике есть небольшой провал, максимум суммы — это не всегда сумма максимумов, функции могут быть сдвинуты по фазе, но… в общем, мы потом всё экспериментально проверим).

Максимальное значение UМ равно Uвых, поскольку если бы напряжение на мосту поднималось выше, то и конденсатор C2

заряжался бы до большего напряжения (мост бы открылся и к конденсатору
C2
потёк бы зарядный ток, увеличивая напряжение на нём).

Токи через конденсатор и мост в момент t0

равны нулю. Про мост я выше уже написал (если бы через него тек ток, то конденсатор
C2
заряжался бы дальше), а через
C1
ток не течёт, поскольку ток через конденсатор — это первая производная от напряжения, которая в точках экстремума обращается в ноль (значит когда напряжение на конденсаторе максимально — ток равен нулю).

Далее сетевое напряжение (UC

) начинает уменьшаться. При этом напряжение на
C1
не меняется (тока-то через мост нет, заряд на
C1
не меняется), следовательно вместе с падением
UC
уменьшается напряжение на входе моста.

В момент, когда сетевое напряжение упадёт до значения Uca-2Uвых

(момент времени
t1
) — напряжение на входе моста достигнет значения
-Uвых
(находим с помощью формулы 1), диоды моста откроются и в первичной цепи (через мост и конденсатор
C1
) потечёт ток. При этом напряжение на входе моста перестанет меняться (помните, мы договорились, что ёмкость
C2
достаточно большая для того, чтобы полностью сгладить пульсации).

Обратите внимание, что напряжение на входе моста в этот момент равно -Uм, так что ток потечёт в обратную сторону от того направления, в котором он тёк до момента времени t0

. Этот ток, поскольку он течёт в обратную сторону, начнёт перезаряжать конденсатор
C1
.

К моменту времени t3

напряжение в сети достигнет максимума, только с противоположной относительно момента
t0
полярностью. Соответственно, для этого момента экстремума сетевого напряжения будут справедливы все те же рассуждения касательно напряжений и токов, которые мы использовали для момента
t0
. То есть, к этому моменту конденсатор
C1
полностью перезарядится (напряжение на нём достигнет максимального значения отрицательной полярности), а ток через
C1
и мост упадёт до нуля.

Далее, по мере роста сетевого напряжения, напряжение на конденсаторе C1

будет оставаться неизменным, а напряжение на входе моста будет расти.

В момент времени t4

, когда сетевое напряжение вырастет до значения
-(Uca-2Uвых)
, напряжение на входе моста достигнет значения
Uвых
, диоды моста откроются и в первичной цепи (через мост и конденсатор
C1
) снова потечёт ток. Этот ток снова будет перезаряжать конденсатор
C1
, но уже напряжением положительной полярности.

В момент t6

напряжение на конденсаторе
C1
достигнет максимального значения положительной полярности, а ток через
C1
и мост упадёт до нуля.

Далее весь цикл повторится с самого начала.

Теперь давайте вспомним закон сохранения заряда. В соответствии с этим законом за один полный цикл через конденсатор C1

, мост и нагрузку должно протекать одинаковое количество заряда. Поскольку ток нагрузки у нас постоянный, то количество заряда, протекающего через нагрузку за один цикл, можно найти по формуле
Q=Iн*tцикла=Iн/fc
, где
fc
— частота питающего сетевого напряжения. Количество заряда, протекающего через конденсатор
C1
, будет равно площади под графиком тока (заштрихованная площадь графика
IC1(t)
). Остаётся только найти эту площадь, приравнять её к заряду, протекающему за один цикл через нагрузку, и выразить из полученного выражения необходимую ёмкость конденсатора
C1
в зависимости от тока нагрузки.

Подробные математические расчёты можно найти под вторым спойлером.
[свернуть]

Резистивный бестрансформаторный источник питания

Принципиальная схема типичного бестрансформаторного резистивного источника питания показана на рисунке.

Опять же, выходное напряжение Vout остается постоянным пока ток Iout меньше или равен входному току Iin, с той лишь разницей что ограничение пускового тока теперь реализуется только резистором R1. Выходное напряжение Vout можно рассчитать по той же формуле, что и для емкостного источника питания, а входной ток Iin по следующей формуле:

Как и в предыдущем случае, компоненты должны быть выбраны со значением мощности, по крайней мере вдвое превышающим теоретическое значение, которое можно рассчитать по закону Ома (P = R х I ^ 2 для R1 и P = V х I для диодов D1 и D2). Электролитический конденсатор С2 следует выбирать как для емкостного исполнения.

Преимущество резистивного источника питания в том, что он меньше по размеру и весу по сравнению с трансформаторной схемой и является самым дешевым решением для электропитания. Но и в этом случае нет гальванической развязки от сети переменного тока, и кроме того, КПД ниже чем в емкостном решении.

Гасящий конденсатор вместо резистора

Иногда возникает задача понизить переменное напряжение сети 220 вольт до некоторого заданного значения, причем применение понижающего трансформатора (в таком случае) не всегда бывает целесообразным.

Скажем, низкочастотный понижающий трансформатор, выполненный традиционно на трансформаторном железе, способный преобразовать мощность 200 Ватт, весит больше килограмма, не говоря о высокой стоимости. Следовательно в некоторых случаях можно применить гасящий резистор, который ограничит ток, однако при этом на самом гасящем резисторе выделится мощность в виде тепла, а это не всегда является приемлемым.

Например, если нужно запитать 200 Ваттную лампу только на половину ее наминала, потребовалось бы рассеять мощность в 100 Ватт на гасящем резисторе, а это крайне сомнительное решение.

Весьма удобной альтернативой, для данного примера, может служить применение гасящего конденсатора, емкостью около14мкф, (такой можно собрать из трех металлопленочных типа К73-17 по 4,7мкф, рассчитанных на 250в, а лучше – на 400в) это позволит получить нужный ток без необходимости рассеивать значительную мощность в виде тепла.

Рассмотрим физическую сторону этого решения. Как известно, конденсатор, включенный в цепь переменного тока, является реактивным элементом, обладающим емкостным сопротивлением, связанным с частотой переменного тока в цепи, а также с собственной емкостью.

Чем больше емкость конденсатора и чем выше частота переменного напряжения в цепи, тем больший ток проходит через конденсатор, значит емкостное сопротивление конденсатора обратно пропорционально его емкости, а также частоте переменного тока, в цепи, куда он включен.

Это видно и из формулы для емкостного сопротивления конденсатора:

Если в цепь переменного тока включены последовательно резистор (активная нагрузка) и конденсатор, то их общее сопротивление можно найти по формуле:

А поскольку и то

Итак, зная напряжение на нагрузке, силу тока нагрузки и напряжение на гасящем конденсаторе, можно определить емкость гасящего конденсатора, который нужно включить последовательно нагрузке для получения требуемых параметров питания:

Рассмотрим пример: требуется запитать лампу накаливания мощностью 100 Ватт, рассчитанную на напряжение 110 вольт от розетки 220 вольт. В первую очередь найдем значение рабочего тока лампы:

Получим значение тока лампы равное 0,91 А. Теперь можно найти требуемое значение емкости гасящего конденсатора, она будет равна 15,2 мкФ.

Следует отметить, что этот расчет верен для чисто активной нагрузки, когда имеет место эффективное значение. При использовании же выпрямителя, необходимо учесть, что эффективное значение тока будет немного меньше в силу действия пульсаций. Также следует помнить, что в качестве гасящих конденсаторов, полярные конденсаторы применять ни в коем случае нельзя.

• Конденсаторы в Hi End аппаратуре | звук и ценообразование
• Бумажные и плёночные конденсаторы для High End звука
• Электролитические конденсаторы в усилителях мощности
• Устройство электролитического конденсатора
• «НЕТ» электролитическим конденсаторам в Hi-End Audio
• Резисторы | сопротивление | влияние на звук

Устройство и конструкция

Простой 12-вольтовый БП без трансформатора можно сделать из нескольких радиоэлементов. Он представляет собой диодный мост VD1-4 и 3 однотипных транзисторных стабилизатора, включенных последовательно.

Другая схема состоит из следующих деталей:

• 2 конденсаторов C1 и C2;
• 4 диодов, образующих мост VD1-4;
• 1 стабилитрона D1.

C1, подключенный к сети 220 В, гасит большую часть напряжения. Оно выпрямляется диодным мостом VD1-4. Цепочка D1, C2 является параметрическим стабилизатором, с выхода которого снимается постоянное напряжение, питающее нагрузку.

Более продвинутое устройство содержит на входе сопротивление R1 для подавления броска тока и RC-цепочку — подключенные параллельно гасящая емкость C1 и резистор r2 большого номинала для ее разрядки. Средняя часть схемы такая же. На выходе установлен дополнительный неполярный конденсатор C3.

Дальнейшее усовершенствование предполагает установку на выходе БП стабилизатора VR1 на транзисторах или микросхеме.

Эти блоки опасны, так как их детали находятся под напряжением 220 В. При отсутствии нагрузки (если испорчен стабилизатор) потенциал на выходе будет равен сетевому.

Принцип работы

Бестрансформаторный блок на транзисторах работает следующим образом. 220 В выпрямляется мостом с конденсатором и поступает на стабилизаторы. Они все выполнены по одной схеме, но рассчитаны на разные напряжения. Первый ограничивает потенциал сети на уровне 150-180 В, второй стабилизатор сокращает его примерно в 2-3 раза. Третий выдает нужное напряжение. Меняя стабилитрон D3, можно получить бестрансформаторный БП, например, на 12 или 5 вольт.

Блок с RC-цепочкой является делителем напряжения. В его верхнем (по схеме) плече стоит конденсатор C1, представляющий для переменного тока реактивное (совсем не потребляет энергию) сопротивление. В нижней части расположен диодный мост VD1-4 с нагрузкой (стабилитрон, транзистор, микросхема и пр.).

Входное напряжение приходит на делитель, выпрямляется мостом и поступает на стабилизатор, который ограничивает его до необходимого значения.

Безопасность бестрансформаторных БП

Обе электросхемы имеют свои ограничения: они лишены какой-либо изоляции и защиты от сетевого напряжения, что является серьезной проблемой для безопасности. Но благодаря незначительным изменениям, можно адаптировать обе представленные схемы для реального использования и обеспечить соблюдение минимальных стандартов безопасности. Модификации включают:

1. Добавление предохранителя для защиты от чрезмерного входного тока;
2. Добавление варистора для защиты от переходных процессов;
3. Резистор R2 (R3) подключен параллельно C1 (C3) для улучшения электромагнитной устойчивости;
4. Разделение R1 на два резистора R1 и R2 для обеспечения лучшей защиты от скачков напряжения и предотвращения электрических дуг для резистивной цепи.

Для небольших нагрузок можно снизить напряжение с 220 В переменного тока до нескольких вольт (например 5, 9, 12 или 24), используя только токоограничивающий резистор, как показано на принципиальной схеме. КПД такой схемы чрезвычайно низок (1%), поскольку большая часть энергии теряется в виде тепла через резистор R1. Этот компонент действительно должен проделать большую работу чтобы снизить напряжение с 220 В до 12 В.

В этом примере этот линейный элемент рассеивает в среднем 22 Вт. Следовательно, он должен быть рассчитан не менее чем на 50 Вт. Его мощность рассеяния можно определить по формуле:

Переходные напряжения (за одну секунду) со значениями используемых компонентов показаны на графиках.

График верхний показывает, сколько времени требуется чтобы выходное напряжение достигло 12 В. Это время зависит от постоянной времени схемы, определяемой конденсатором C1. Тут время зарядки конденсатора следующее:

• C1 = 100 мкФ, T = 25 мс
• C1 = 470 мкФ, T = 130 мс
• C1 = 1000 мкФ, T = 290 мс
• C1 = 4700 мкФ, T = 1,4 сек
• C1 = 10000 мкФ, T = 3 сек

При постоянном сопротивлении нагрузки пульсации выходного напряжения зависят от емкости конденсатора С1. Чем больше емкость конденсатора, тем меньше пульсации выходного напряжения. При использовании указанных выше конденсаторов уровень пульсаций, измеренный как размах напряжения сигнала, выглядит следующим образом:

• C1 = 100 мкФ, пульсации = 1,2 Vpp
• C1 = 470 мкФ, пульсации = 261,7 mVpp
• C1 = 1000 мкФ, пульсации = 121,5 mVpp
• C1 = 4700 мкФ, пульсации = 25,3 mVpp
• C1 = 10 000 мкФ, пульсации = 11,9 mVpp

Но что более важно чем пульсация, на рисунке видно что выходное напряжение от источника питания не достигает желаемого напряжения 12 В, а только около 11,3 В.

Оказывается даже без нагрузки при подключении выходное напряжение всегда ниже 12 В. Это падение напряжения вызвано диодом D2. Помещенный в это место диод Шоттки мог бы уменьшить его, но не до нуля.

Схема последовательного соединения

Когда применяется схема последовательного соединения конденсаторов, заряд каждой детали эквивалентен. С источником соединены только внешние пластины, другие – заряжаются перераспределением электрозарядов между ними. Все конденсаторы сохраняют аналогичное количество заряда на своих обкладках. Это объясняется тем, что на каждый последующий элемент поступает заряд от соседнего. Вследствие этого справедливо уравнение:

q = q1 = q2 = q3 = …

Известно, что при последовательном соединении резисторных элементов их сопротивления суммируются, но емкость конденсатора, включенного в такую электроцепь, рассчитывается по-другому.

Падение напряжения на отдельном конденсаторном элементе зависит от его емкости. Если в последовательной электроцепи имеется три конденсаторных элемента, составляется выражение для напряженияUна основании закона Кирхгофа:

U = U1 + U2 + U3,

при этом U= q/C, U1 = q/C1, U2 = q/C2, U3 = q/C3.

Подставляя значения для напряжений в обе части уравнения, получается:

q/C = q/C1 + q/C2 + q/C3.

Так как электрозаряд q – величина одинаковая, на нее можно поделить все части полученного выражения.

Читайте также:  Чему равен кпд двигателя формула

Результирующая формула для емкостей конденсаторов:

1/С = 1/С1 + 1/С2 + 1/С3.

Важно! Если конденсаторы подключаются в последовательную электроцепь, показатель, обратный результирующей емкости, равен совокупности обратных значений единичных емкостей.

Особенности последовательного соединения

Пример. Три конденсаторных элемента подключены в последовательную цепь и обладают емкостями: С1 = 0,05 мкф, С2 = 0,2 мкФ, С3 = 0,4 мкФ. Рассчитать общую емкостную величину:

1. 1/С = 1/0,05 + 1/0,2 + 1/0,4 = 27,5;
2. С = 1/27,5 = 0,036 мкФ.

Важно! Когда конденсаторные элементы включены в последовательную электроцепь, общее емкостное значение не превышает наименьшей емкости отдельного элемента.

Если цепь состоит всего из двух компонентов, формула переписывается в таком виде:

С = (С1 х С2)/(С1 + С2).

В случае создания цепи из двух конденсаторов с идентичным емкостным значением:

С = (С х С)/(2 х С) = С/2.

Последовательно включенные конденсаторы имеют реактивное сопротивление, зависящее от частоты протекающего тока. На каждом конденсаторе напряжение падает из-за наличия этого сопротивления, поэтому на основе такой схемы создается емкостной делитель напряжения.

Емкостной делитель напряжения

Формула для емкостного делителя напряжения:

U1 = U x C/C1, U2 = U x C/C2, где:

• U – напряжение питания схемы;
• U1, U2 – падение напряжения на каждом элементе;
• С – итоговая емкость схемы;
• С1, С2 – емкостные показатели единичных элементов.

Вычисление падений напряжения на конденсаторах

К примеру, имеются сеть переменного тока 12 В и две альтернативных электроцепи подсоединения последовательных конденсаторных элементов:

• первая – для подключения одного конденсатора С1 = 0,1 мкФ, другого С2 = 0,5 мкФ;
• вторая – С1 = С2 = 400 нФ.

Первый вариант

1. Итоговая емкость электросхемы С = (С1 х С2)/(С1 + С2) = 0,1 х 0,5/(0,1 + 0,5) = 0,083 мкФ;
2. Падение напряжения на одном конденсаторе: U1 = U x C/C1 = 12 x 0,083/0,1 = 9,9 В
3. На втором конденсаторе: U2 = U x C/C2 = 12 х 0,083/0,5 = 1,992 В.

Второй вариант

1. Результирующая емкость С = 400 х 400/(400 + 400) = 200 нФ;
2. Падение напряжения U1 = U2 = 12 x 200/400 = 6 В.

Согласно расчетам, можно сделать выводы, что если подключаются конденсаторы равных емкостей, вольтаж делится поровну на обоих элементах, а когда емкостные значения различаются, то на конденсаторе с меньшей емкостной величиной напряжение увеличивается, и наоборот.

Рабочие схемы

Все описанные устройства выполнены на распространенных радиоэлементах. Ниже приведены схемы с обозначением всех деталей.

В БП с транзисторными стабилизаторами КТ940А можно заменить на высоковольтный, выдерживающий более 250 В, а КТ815Г — на другой, с минимальным напряжением 80 В. При указанных деталях устройство может выдать до 300 мА. Для увеличения силы тока надо транзисторы установить на радиаторы. Если вместо стабилитрона КС512А поставить Д814Д, то выходной ток устройства уменьшится до 200 мА.

Традиционный бестрансформаторный блок на 12 В с RC-цепочкой выдает всего 20-40 мА. Если после моста установить мощный стабилитрон Д815Ж, который ограничит напряжение до 16-19 В, и дополнить схему стабилизатором на транзисторе, то выходной ток повысится до 120 мА. Для его увеличения до 180 мА необходимо параллельно конденсаторам C1, C2 припаять еще один такой же.

Более стабилен блок на микросхеме 78L08 (российское обозначение КР142Б). При указанных деталях он выдает до 200 мА.

Расчет параметров

Для предотвращения пробоя деталей бестрансформаторных схем их необходимо правильно рассчитать. Для каждого устройства существует свой метод.

Транзисторный блок считают по закону Ома: U=I×R. Необходимо рассчитать сопротивления R1, R2, R3 исходя из величины, напряжения и тока, которые выдерживает каждый стабилитрон.

R=U макс/I мин.

Расчет балластного конденсатора для блоков с RC-цепочкой производится по следующей формуле C = I эфф/2*3,14*f *√(Uп²-Uв²), где:

• С — емкость балласта (фарад);
• Uп и Uв — питающее и выходное напряжения (вольт);
• I эфф — ток нагрузки;
• f — частота сигнала на входе устройства (герц).

Так как 1 фарад = 1 млн микрофарад, то формулу можно упростить:

C = 3200*I эфф/√(Uп²-Uв²).

Сопротивление R1 (кОм) примерно равняется 0,025 от величины балластного конденсатора. Его мощность не должна быть ниже 1 Вт (оптимально 2-5 Вт).

Если ручной подсчет неудобен, найдите и используйте калькулятор в режиме онлайн.

Простая схема блока питания светодиодов с конденсатором

Разберём устройство без трансформаторного блока питания для светодиодов на примере фабричного драйвера LED ламы.

Читайте также:  Как заряжать пальчиковые аккумуляторы

• R1 – резистор на 1Вт, который уменьшает значимость перепадов напряжения в сети;
• R2,C2 – конде-р служит в качестве токоограничителя, а резистор для его разрядки после отключения от сети;
• C3 – сглаживающий конде-р, для уменьшения пульсации света;
• R3 – служит для ограничения перепадов напряжения после преобразования, но более целесообразно вместо него установить стабилитрон.

Какой конденсатор можно использовать для балласта?

В качестве гасящих конденсаторов для светодиодов используются керамические элементы рассчитанные на 400-500В. Использование электролитических (полярных) конденсаторов недопустимо.

Меры предосторожности

Безтрансформаторные схемы не имеют гальванической развязки. Сила тока цепи при появлении дополнительного сопротивления, например прикосновение рукой с оголённому контакту в цепи, может значительно увеличится, став причиной электротравмы.

Оцените, пожалуйста, статью. Мы старались:)

Понравилась статья? Расскажите о ней! Вы нам очень поможете:)

Расчет напряжения на гасящем конденсаторе

Принято считать, что при напряжении сети 220В номинальное напряжение гасящего конденсатора Сгас должно быть не менее 400В, то есть примерно с 30-процентным запасом по отношению к амплитудному сетевому, поскольку 1,3·311=404(В). Однако в некоторых наиболее ответственных случаях его номинальное напряжение должно быть 500 и даже 600В.

И еще. Подбирая подходящий конденсатор Сгас, следует учитывать, что применять в БТБП конденсаторы типа МБМ, МБПО, МБГП, МБГЦ-1, МБГЦ-2 нельзя, так как они не рассчитаны на работу в цепях переменного тока с амплитудным значением напряжения, превышающим 150В.

Наиболее надежно в БТБП работают конденсаторы МБГЧ-1, МБГЧ-2 на номинальное напряжение 500В (от старых стиральных машин, люминесцентных светильников и т.п.) или КБГ-МН, КБГ-МП, но на номинальное напряжение 1000В.

Радиолюбитель

Схемы бестрансформаторного питания: с балластным резистором, с балластным конденсатором, с импульсным преобразователем

Доброго дня уважаемые радиолюбители! Приветствую вас на сайте “Радиолюбитель“.

Сегодня мы рассмотрим несколько схем, предназначенных для питания радиолюбительских устройств без использования сетевого трансформатора – бестрансформаторные источники питания. Сразу отмечу, что такие источники питания представляют определенную опасность для человека – неосторожное обращение и неминуемое поражение электрическим током. Такие схемы стоит применять только если обеспечивается их надежная изоляция и не требуется постоянное присутствие человека. Кроме того, использовать такие источники питания целесообразно только при небольших токах нагрузки. Сегодня мы рассмотрим два типа таких схем: – с балластным резистором – с балластным конденсатором Есть еще третий вариант – с импульсным AC/DC преобразователем, но они более сложны, и требуют применения специализированных микросхем. Балластные резисторы и конденсаторы гасят излишек сетевого напряжения. Поэтому, резисторы должны быть большой мощности, а конденсаторы – должны быть пленочными (к примеру К73-17) и рабочим напряжением не менее 630 вольт. Все схемы несложные, и особых пояснений не требуют.

Первая схема:

Диоды VD1-VD4 должны выдерживать обратное напряжение не ниже 400 вольт. Резисторы R1, R2 – балластные для стабилитрона. R3 – выбирается с учетом, чтобы выходное напряжение не изменялось при любом токе нагрузки. С1, R3, С2 – фильтр сглаживающий пульсации.

Вторая схема:

Аналогично первой схеме, но параллельно включенные резисторы заменяются включенными последовательно. RC фильтр заменен LC фильтром. Максимально допустимый ток через дроссель должен быть с запасом больше, чем ток нагрузки.

Третья схема:

Классическая схема источника питания с балластным конденсатором С1. Резистор R1 – обязательный в подобных схемах, ограничивает начальный ток заряда конденсатора С2. Резистор R2 разряжает конденсатор С1 при выключении от сети. Сборку диодов VD1.1 и VD1.2 можно заменить на 1N4004…1N4007. Конденсатор С2 сглаживает сетевые пульсации, С3 – устраняет ВЧ-помехи. Выходное напряжение зависит от параметров стабилитрона и тока нагрузки.

Четвертая схема:

Стабилитроны VD3 и VD4 – выполняют предварительное ограничение напряжения и должны быть повышенной мощности (1-3 ватта).

Пятая схема:

Двухполупериодный выпрямитель с диодным мостом VD1 и светодиодной индикацией включения. Резистор R3 определяет ток в нагрузке. Выходное напряжение зависит от параметров стабилитрона и тока нагрузки.

Шестая схема:

Двухполярный источник питания Для полной симметрии схемы необходим одинаковый ток нагрузки по цепям +5 вольт и -5 вольт.

Седьмая схема:

Разделение выходного напряжения на две отдельные ветви для исключения взаимных помех. Подойдет для питания микроконтроллера или управления тиристором. Стабилитрон VD1 ограничивает напряжение на уровне 5,6 вольт, диоды VD2 и VD3 снижают его до +4,8 … +5 вольт.

Восьмая схема:

Получение двух напряжений от источника питания. Суммарный ток нагрузки состоит из токов двух каналов. При значительных колебаниях тока нагрузки стабилизатор следует выбирать повышенной мощности.

Девятая схема:

Вместо одного, применяются два балластных конденсатора, что позволяет выбирать их с меньшим рабочим напряжением.

Ну а напоследок, все-таки приведу одну схему импульсного бестрансформаторного преобразователя напряжения:

Типовая схема включения импульсного AC/DC преобразователя напряжения на специализированной микросхеме фирмы ROHM.

Введение

Итак, давайте разберем последовательность расчета бестрансформаторного источника питания, рассмотренного в предыдущей статье. Описанная метода не претендует на истину в последней инстанции и может отличаться от других источников. Дополнительную информацию по такой схеме можно почерпнуть на зарубежных ресурсах, погуглив в сети запрос «capacitor power supply».

рис. 1

Первое от чего мы должны отталкиваться при расчете бестрансформаторного источника питания — это ток нагрузки. На рисунке 1 он обозначен как Iam, а в качестве нагрузки выступает резистор R3. Заменим этот резистор небольшой схемой с микроконтроллером и определим потребляемый ею ток.

рис. 2

Сделать это можно двумя способами: — путем расчета, просуммировав примерное потребление всех компонентов схемы, — с мощью амперметра включенного между источником напряжения и нашей схемой. Второй способ, конечно, будет точнее, но он осуществим только при наличии собранной схемы. Попробуем выполнить теоретический расчет. В схеме на рисунке 2 три основных потребителя — стабилизатор 7805, микроконтроллер ATtiny13 и светодиод. Для простоты положим, что микроконтроллер при подаче питания всего лишь зажигает светодиод, а потом крутится в бесконечном цикле. Ток покоя стабилизатора 7805 по даташиту равен 5 мА (параметр quiescent current). При изменении тока нагрузки и входного напряжения значение тока покоя меняется на 0.5 — 0.8 мА. Значение небольшое и можно им пренебречь. Оценить потребление микроконтроллера ATtiny13 можно по графику Active Supply Current vs. VCC, представленнму в даташите в разделе Electric Characteristics. Допустим, у нас напряжение питания 5 Вольт, а тактовая частота — 9.6 МГц. При таких условиях attiny13 потребляет в активном режиме 5.5 мА. Ток светодиода рассчитываем по формуле: Iled = (Upin — Uled)/R2 где Upin — напряжение логической единицы на выводе микроконтроллера, В; Uled — прямое падение напряжения на светодиоде, В. Для зеленого светодиода прямое падение напряжения равно примерно 2 В, Upin примерно 5 В, значит ток через светодиод будет равен: Iled = (5 — 2)/330 = 9 мА. Если быть честным, то при любом вытекающем токе напряжение на выводе микроконтроллера будет меньше напряжения питания. В чем можно убедиться, изучив график I/O Pin Source Current vs. Output Voltage (Low Power Ports, VCC = 5V), представленный в даташите. При токе 9 мА, напряжение на выводе микроконтроллера ATtiny13 будет примерно 4.8 В. Но мы, опять таки, не учитываем такие мелочи в расчете. Итого: 5 + 5.5 + 9 = 19.5 мА. Реальное значение потребляемого тока 18.6 мА. Как видишь, разница незначительная. Округлим расчетное значение в большую сторону и будем отталкиваться от значения Iam = 20 мА.

Ток нагрузки нам известен, теперь нужно рассчитать значение тока на входе источника питания. На рисунке 1 он обозначен как Iac. В отличие от постоянного тока нагрузки, ток на входе бестрансформаторного источника питания переменный. А переменный ток характеризуется такими величинами как амплитудное и действующее значение. Амплитудное значение переменного тока — это максимальное значение тока за период колебания. Действующее значение переменного тока — это такая величина постоянного тока, который за время равное одному периоду колебания переменного тока, выделит на том же сопротивлении R такое же количество тепла, что и переменный ток. Для переменного тока, изменяющегося по синусоидальному закону, амплитудное и действующее значения связаны следующим соотношением:

где Iac — действующее значение, А; а Im — амплитудное, А.

Действующее значение переменного тока на входе схемы Iac рассчитывается из тока нагрузки Iam по следующей формуле:

Таким образом, ток на входе схемы будет равен: Iac = 20*2.221 = 44,4 мA действующее значениеIm = 44*1.41 = 62.6 мA амплитудное значение

У всех линейных стабилизаторов, к которым относится и микросхема 7805, есть такой параметр как dropout напряжение — наименьшая разность напряжений между входом и выходом. Этот параметр определяет минимальное входное напряжение стабилизатора, при котором он все еще будет работать в номинальном режиме. Для микросхемы 7805 выходное напряжение равно 5 В, а типовое dropout напряжение равно 2 В. Значит минимальное входное напряжение для стабилизатора 7805 будет составлять 5 + 2 = 7 В. С учетом того, что на конденсаторе С2 напряжение будет пульсировать, 7 Вольт — это минимальное значение пульсирующего напряжения. Накинем 1 В для запаса и будем отталкиваться от значения 8 Вольт.

В качестве стабилизатора не обязательно выбирать микросхему 7805, можно использовать то, что есть под рукой. При этом нужно учитывать следующие параметры: — максимальное входное напряжение стабилизатора, — максимальный выходной ток стабилизатора, — dropout напряжение, — максимальная рассеиваемая мощность.

Нагрузка у нас запитывается от сети во время положительного полупериода входного напряжения. Во время отрицательного полупериода нагрузка получает энергию от конденсатора С2. За время отрицательного полупериода он не должен успеть разрядиться до напряжения меньше 8 В. Этого не случиться, если начальное напряжение на конденсаторе и его емкость достаточны для поддержания заданного тока нагрузки.

Емкость сглаживающего конденсатора рассчитывается по следующей формуле. C > Iam/(2*f*dU), где Iam — ток нагрузки, А; f — частота переменного напряжения, Гц; С — емкость конденсатора, Ф; dU — размах пульсаций, В. dU = Umax — Umin Umin у нас равно 8 В. Umax выбираем из следующих соображений. Большее напряжение позволяет использовать конденсатор меньшей емкости, но сильнее нагружает стабилизатор, который вынужден гасить на себе остаточное напряжение. Меньшее напряжение разгружает стабилизатор напряжения, но требует конденсатор большей емкости. Я выбрал 9.3 В. С2 > 0.02/(2*50*(9.3 — 8)) = 0.000153 Ф = 153 мкФ Выбираем большее соседнее значение из ряда Е12 – 180 мкФ. Также не забываем про максимальное напряжение, на которое рассчитан конденсатор. Берем с полуторным или двойным запасом, например на 16 Вольт.

Требуемое номинальное напряжение стабилитрона равно максимальному напряжению на сглаживающем конденсаторе С2 плюс величина падения напряжения на диоде VD2, то есть: 9.3 + 0.7 = 10 В. 0.7 — это значение падения напряжения на диоде, включенном в прямом направлении. Стандартное значение, используемое в инженерных расчетах. Помимо номинального напряжения стабилизации также важны такие параметры стабилитрона как номинальный и максимальный токи стабилизации, максимальный постоянный прямой ток, максимальный импульсный ток и рассеиваемая мощность. Для данной схемы я выбрал стабилитрон 1N4740А, который имеет следующие характеристики: — номинальное напряжение стабилизации 10 В,- номинальный ток стабилизации 25 мА,- максимальный ток стабилизации 91 мА,- максимальный импульсный ток 454 мА,- максимальный ток в прямом направлении 200 мА,- рассеиваемая мощность 500 мВт. В положительный полупериод сетевого напряжения через стабилитрон может протекать ток в диапазоне от 0 до 62 мА (Im). Если нагрузка будет потреблять меньший ток, стабилитрон будет брать часть тока на себя, если нагрузка отключится, весь входной ток будет протекать через стабилитрон. Поэтому максимальный ток стабилизации стабилитрона должен быть больше амплитудного значения входного тока. В нашем случае > 62 мА. У стабилитрона 1N4740 максимальный ток стабилизации 91 мА, значит, по этому параметру он подходит. В отрицательный полупериод стабилитрон будет работать как обычный диод, и через него будет протекать весь входной ток источника питания. Нагрузка в этот момент запитывается от конденсатора C2. В прямом направлении стабилитрон выдерживает 200 мА, это больше амплитудного значения входного тока (62 мА), значит, по этому параметру он тоже подходит. Рассчитаем максимальную мощность, которая будет рассеиваться на стабилитроне. В положительный полупериод сетевого напряжения на стабилитроне будет 10 В, в отрицательный полупериод Ud = 1.2 В (значение из даташита для тока 200 мА). Для расчета возьмем среднее значение переменного тока за полпериода. Оно рассчитывается по формуле: Iav = (2 * Im)/3.14 = 0.637*Im где Im — амплитудное значение переменного тока, А. Максимальная мощность рассеиваемая на стабилитроне будет равна: P = (0.637 * Im)*Ust + (0.637 * Im)*Ud = (0.637 * Im)*(Ust + Ud)P = 0.637*62*(10 + 1.2) = 442 мВт Такая мощность будет рассеиваться на стабилитроне в худшем случае — когда через него будет идти весь ток нагрузки. На практике значение мощности будет меньше, так как в положительный полупериод через стабилитрон будет протекать меньший ток. По этому параметру стабилитрон тоже проходит.

Ток нагрузки Iam = 20 мА. Максимальное обратное напряжение на диоде приблизительно равно номинальному напряжению стабилитрона VD1, то есть 10 В. Мощность, рассеиваемая на диоде, равна P = Ud*Iam = 0.7 * 20 = 14 мВт. Берем по каждому из этих значений двойной запас и выбираем диод. Я выбрал диод 1N4148.

Сетевое напряжение бытовой электросети составляет 220 В. Эта так называемое действующее значение. Действующее значение в корень из 2 раз меньше амплитудного значения. Я уже говорил об этом выше. Амплитудное значение сетевого напряжения составляет: Um = 220 * 1.41 = 311 В В начальный момент включения схемы, когда конденсатор C1 разряжен, может происходить бросок тока. Нужно подобрать такой номинал резистора R2, чтобы при максимальном входном напряжении импульсный ток через стабилитрон был меньше 454 мА. R2 > Um/Ispike = 311/450 = 691 Ом Выбираем ближайшее значение из ряда E24 — 750 Ом Мощность рассеиваемая на этом резисторе будет равна Pr = Iac * Iac * R = 44 * 44 * 750 Ом = 1.5 Вт Берем 2 ваттный резистор.

Номинал конденсатора С1 рассчитывается по следующей формуле:

где Iac – действующее значение тока в цепи, А; Uac – минимальное действующее значение напряжения в цепи, В; f – частота переменного напряжения, Гц; R – сопротивление резистора R2, Ом. Формула выведена из закона Ома для цепи переменного тока, состоящей из конденсатора и резистора. Все величины известны: Iac = 44 мА Uac = 220 В R2 = 750 Ом f = 50 Гц Подставляем их формулу и получаем значение C1. Оно будет равно 650 нФ. Возьмем большее соседнее значение из ряда Е12 — 680 нФ. Рабочее напряжение С1 должно быть больше чем Um = 311 В. Можно взять конденсатор с рабочим напряжением 400 В, но лучше взять конденсатор рассчитанный на 600 В. В качестве C1 нужно выбирать конденсаторы, предназначенные для работы в цепях переменного тока, например отечественные металлопленочные конденсаторы К73-17 или их импортные аналоги. Если не удается подобрать конденсатор нужное емкости, можно соединить два конденсатора меньшей емкости параллельно.

Резистор R1 выбираем номиналом 1.5-2 МОм. Мощность, которая будет рассеиваться на этом резисторе, можно грубо оценить по формуле: P = (Uac*Uac)/R1 = (220*220)/1500000 = 32 мВт Выбираем резистор мощностью 0.125 — 0.25 Вт.

Разъем Х1 для подключения устройства к сети. Разъем Х3 для подачи постоянного напряжения при отладке и программировании устройства.

Ну и напоследок о самом главном. Не подключайте устройство с бестрансформаторным источником питания к компьютеру или программатору, когда оно запитано от сети. Что-то из них может сгореть. Для программирования или отладки устройства запитывайте его от отдельного источника постоянного напряжения, когда оно отключено от сети. Не дотрагивайтесь до элементов и проводников устройства, когда оно подключено к сети, это может привести к поражению электрическим током. Не подключайтесь к работающему устройству осциллографом.