Простой бестрансформаторный блок питания. Конденсаторное питание

Что то часто меня стали спрашивать как подключить микроконтроллер или какую низковольтную схему напрямую в 220 не используя трансформатор. Желание вполне очевидное — трансформатор, пусть даже и импульсный, весьма громоздок. И запихать его, например, в схему управления люстрой размещенной прям в выключателе не получится при всем желании. Разве что нишу в стене выдолбить, но это же не наш метод!

Тем не менее простое и очень компактное решение есть — это делитель на конденсаторе.

Правда конденсаторные блоки питания не имеют развязки от сети, поэтому если вдруг в нем что нибудь перегорит, или пойдет не так, то он запросто может долбануть тебя током, или сжечь твою квартиру, ну а комп угробить это вообще за милое дело, в общем технику безопасности тут надо чтить как никогда — она расписана в конце статьи. В общем, если я тебя не убедил что бестрансформаторные блоки питания это зло — то сам себе злой Буратино, я тут не причем. Ну ладно, ближе к теме.

Помните обычный резистивный делитель?

Казалось бы, в чем проблема, выбрал нужные номиналы и получил искомое напряжение. Потом выпрямил и Profit. Но не все так просто — такой делитель может и сможет дать нужное напряжение, но вот совершенно не даст нужный ток. Т.к. сопротивления сильно велики. А если сопротивления пропорционально уменьшать, то через них насквозь пойдет большой ток, что при напряжении в 220 вольт даст очень большие тепловые потери — резисторы будут греть как печка и в итоге либо выйдут из строя, либо пожар устроят.

Все меняется если один из резисторов заменить на конденсатор. Суть в чем — как вы помните из статьи про конденсаторы, напряжение и ток на конденсаторе не совпадают по фазе. Т.е. когда напряжение в максимуме — ток минимален, и наоборот.

Так как у нас напряжение переменное, то конденсатор будет постоянно разряжаться и заряжаться, а особенность разряда-заряда конденсатора в том, что когда у него максимальный ток (в момент заряда), то минимальное напряжение и наборот. Когда он уже зарядился и напруга на нем максимальная, то ток равен нулю. Соответственно, при таком раскладе, мощность тепловых потерь, выделяемая на конденсаторе (P=U*I) будет минимальной. Т.е. он даже не вспотеет. А рективное сопротивление конденсатора Xc=-1/(2pi*f*C).

Теоретическое отступление

В цепи бывают три вида сопротивлений:

Активное — резистор (R)
Реактивное — конденсатор (X с) и катушка(X L)
Полное же сопротивление цепи (импенданс) Z=(R 2 +(X L +X с) 2) 1/2

Активное сопротивление всегда постоянно, а реактивное зависит от частоты.
X L =2pi*f * L
Xc=-1/(2pi*f*C)
Знак реактивного сопротивления элемента указывает на его характер. Т.е. если больше нуля, то это индуктивные свойства, если меньше нуля то емкостные. Из этого следует, что индуктивность можно скомпенсировать емкостью и наоборот.

f — частота тока.

Соответственно, на постоянном токе при f=0 и X L катушки становится равен 0 и катушка превращается в обычный кусок провода с одним лишь активным сопротивлением, а Xc конденсатора при этом уходит в бесконечность, превращая его в обрыв.

Получается у нас вот такая вот схема:

Все, в одну сторону ток течет через один диод, в другую через второй. В итоге, в правой части цепи у нас уже не переменка, а пульсирующий ток — одна полуволна синусоиды.

Добавим сглаживающий конденсатор, чтобы сделать напряжение поспокойней, микрофарад на 100 и вольт на 25, электролит:

В принципе уже готово, единственно что надо поставить стабилитрон на такой ток, чтобы он не сдох когда нагрузки нет вообще, ведь тогда отдуваться за всех придется ему, протаскивая весь ток который может дать БП.

А можно ему помочь слегонца. Поставить резистор токоограничительный. Правда это сильно снизит нагрузочную способность блока питания, но нам хватит и этого.

Ток который эта схема может отдать можно, ЕМНИП, примерно вычислить по формуле:

I = 2F * C (1.41U — Uвых/2).

• F — частота питающей сети. У нас 50гц.
• С — емкость
• U — напряжение в розетке
• Uвых — выходное напряжение

Сама формула выводится из жутких интегралов от формы тока и напряжения. В принципе можешь сам ее нагуглить по кейворду «гасящий конденсатор расчет», материала предостаточно.

В нашем случае получается что I = 100 * 0.46E-6 (1.41*U — Uвых/2) = 15мА

Не феерия, но для работы МК+TSOP+оптоинтерфейс какой- нибудь более чем достаточно. А большего обычно и не требуется.

Еще добавить парочку кондеров для дополнительной фильтрации питания и можно использовать:

После чего, как обычно, все вытравил и спаял:

Схема многократно проверена и работает. Я ее когда то пихал в систему управления нагревом термостекла. Места там было со спичечный коробок, а безопасность гарантировалась тотальной остекловкой всего блока.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

В данной схеме нет никакой развязки по напряжению от питающей цепи, а значит схема ОЧЕНЬ ОПАСНА в плане электрической безопасности.

Поэтому надо крайне ответственно подходить к ее монтажу и выбору компонентов. А также внимательно и очень осторожно обращаться с ней при наладке.

Во первых, обратите внимание, что один из выводов идет к GND напрямую из розетки. А это значит что там может быть фаза, в зависимости от того как воткнули вилку в розетку.

Поэтому неукоснительно соблюдайте ряд правил:

• 1. Номиналы надо ставить с запасом на как можно большее напряжение. Особенно это касается конденсатора. У меня стоит на 400вольт, но это тот что был в наличии. Лучше бы вообще вольт на 600, т.к. в электросети иногда бывают выбросы напряжения намного превышающие номинал. Стандартные блоки питания за счет своей инерционности его переживут запросто, а вот конденсатор может и пробить — последствия представьте себе сами. Хорошо если не будет пожара.
• 2. Эта схема должна быть тщательным образом заизолирована от окружающей среды. Надежный корпус, чтобы ничего не торчало наружу. Если схема монтируется в стену, то она не должна касаться стен. В общем, пакуем все это дело наглухо в пластик, остекловываем и закапываем на глубине 20метров. :)))))
• 3. При наладке ни в коем случае не лезть руками ни к одному из элементов цепи. Пусть вас не успокаивает что там на выходе 5 вольт. Так как пять вольт там исключительно относительно самой себя. А вот по отношению к окружающей среде там все те же 220.
• 4. После отключения крайне желательно разрядить гасящий конденсатор. Т.к. в нем остается заряд вольт на 100-200 и если неосторожно сунуться куда нибудь не туда больно цапнет за палец. Вряд ли смертельно, но приятного мало, а от неожиданности можно и бед натворить.
• 5. Если используется микроконтроллер, то прошивку его делать ТОЛЬКО при полном выключении из сети. Причем выключать надо выдергиванием из розетки. Если этого не сделать, то с вероятностью близкой к 100% будет убит комп. Причем скорей всего весь.
• 6. То же касается и связи с компом. При таком питании запрещено подключаться через USART, запрещено обьединять земли.

Если все же хотите связь с компом, то используйте потенциально разделенные интерфейсы. Например, радиоканал, инфракрасную передачу, на худой конец разделение RS232 оптронами на две независимые части.

Питать низковольтную электро- и радиоаппаратуру выгоднее и проще от сети. Для этого наиболее приемлемы трансформаторные блоки питания, поскольку они безопасны в эксплуатации. Однако интерес к бестрансформаторным блокам питания (БТБП) со стабилизированным выходным напряжением не ослабевает. Одна из причин - сложность изготовления трансформатора. А вот для БТБП он не нужен - необходим лишь правильный расчет, но как раз это и пугает малоопытных начинающих электриков. Эта статья поможет сделать расчет и облегчит конструирование бестрансформаторного блока питания.

Упрощенная схема БПТП приведена на рис. 1. Диодный мост VD1 подключен к сети через гасящий конденсатор С гас, включенный последовательно с одной из диагоналей моста. Другая диагональ моста работает на нагрузку блока - резистор R н. Параллельно нагрузке подключены фильтрующий конденсатор С ф и стабилитрон VD2.

Расчет блока питания начинают с задания напряжения U н на нагрузке и силы тока I н. потребляемого нагрузкой. Чем больше будет емкость конденсатора С гас, тем выше энергетические возможности БПТП.

Расчет емкостного сопротивления

В таблице приведены данные по емкостному сопротивлению Х с конденсатора С гас на частоте 50 Гц и среднему значению тока I ср, пропускаемого конденсатором С гас, вычисленные для случая, когда R н =0, то есть при коротком замыкании нагрузки. (Ведь к этому аномальному режиму работы БТБП не чувствителен, и в этом еще одно огромное преимущество перед трансформаторными блоками питания.)

Иные значения емкостного сопротивления Х с (в килоомах) и среднего значения тока I ср (в миллиамперах) можно вычислить по формулам:

С гас - емкость гасящего конденсатора в микрофарадах.

Если исключить стабилитрон VD2, то напряжение U н на нагрузке и ток I н через нее будет зависеть от нагрузки R н. Подсчитать эти параметры легко по формулам:

U н - в вольтах, R н и Х н - в килоомах, I н - в миллиамперах, С гас - в микрофарадах. (Далее в формулах используются те же единицы измерения.)

С уменьшением сопротивления нагрузки напряжение на ней тоже уменьшается, причем по нелинейной зависимости. А вот ток, проходящий через нагрузку возрастает, правда, весьма незначительно. Так, например, уменьшение R н с 1 до 0,1 кОм (ровно в 10 раз) ведет к тому, что U н снижается в 9,53 раза, а ток через нагрузку увеличивается всего лишь в 1,05 раза. Эта "автоматическая" стабилизация тока выгодно отличает БТБП.от трансформаторных источников питания.

Мощность Р н на нагрузке, вычисляемая по формуле:

с уменьшением R н снижается почти столь же интенсивно, как и U н. Для того же примера потребляемая нагрузкой мощность уменьшается в 9,1 раза.

Поскольку ток I н нагрузки при сравнительно небольших значениях сопротивления R н и напряжения U н на ней меняется крайне мало, на практике вполне допустимо пользоваться приближенными формулами:

Восстановив стабилитрон VD2, получим стабилизацию напряжения U н на уровне U ст - значения практически постоянного для каждого конкретного стабилитрона. И при небольшой нагрузке (большом сопротивлении R н) станет выполняться равенство U н =U ст.

Расчет сопротивления нагрузки

До каких же пределов можно уменьшать R н, чтобы равенство U н =U ст было справедливо? До тех, пока выполняется неравенство:

Следовательно, если сопротивление нагрузки окажется меньше рассчитанного R н, напряжение на нагрузке уже не будет равно напряжению стабилизации, а окажется несколько меньше, поскольку ток через стабилитрон VD2 прекратится.

Расчет допустимого тока через стабилитрон

А теперь определим, какой ток I н будет течь через нагрузку R н и какой ток - через стабилитрон VD2. Понятно, что

По мере уменьшения сопротивления нагрузки потребляемая ею мощность P н =I н U н =U 2 ст /R н возрастает. А вот средняя потребляемая БПТП мощность, равная

остается неизменной. Объясняется это тем, что ток I ср разветвляется на два - I н и I ст - и, в зависимости от сопротивления нагрузки, перераспределяется между R н и стабилитроном VD2, причем так, что чем меньше сопротивление нагрузки R н, 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 С ф, 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.

Если нет мощного стабилитрона

Когда стабилитрона подходящей мощности нет, его полноценно удается заменить диодно-транзисторным аналогом. Но тогда БТБП следует строить по схеме, показанной на рис. 2. Здесь ток, протекающий через стабилитрон VD2, уменьшается пропорционально статическому коэффициенту передачи тока базы мощного n-p-n транзистора VT1. Напряжение UCT аналога будет примерно на 0,7В превышать U ст самого маломощного стабилитрона VD2, если транзистор VT1 кремниевый, или на 0,3В - если он германиевый.

Здесь применим и транзистор структуры p-n-p. Однако тогда используют схему, показанную на рис. 3.

Расчет однополупериодного блока

Наряду с двухполупериодным выпрямителем в БТБП иногда применяют и простейший однополупериодный (рис. 4). В таком случае его нагрузка R н питается лишь положительными полупериодами переменного тока, а отрицательные проходят через диод VD3, минуя нагрузку. Поэтому средний ток I ср через диод VD1 будет вдвое меньше. Значит при расчете блока вместо Х с следует брать в 2 раза большее сопротивление, равное

а средний ток при замкнутой накоротко нагрузке будет равен 9,9·πС гас =31,1 С гас. Дальнейший расчет такого варианта БПТП ведут совершенно аналогично предыдущим случаям.

Расчет напряжения на гасящем конденсаторе

Принято считать, что при напряжении сети 220В номинальное напряжение гасящего конденсатора С гас 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 С гас, 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.

Фильтрующий конденсатор

Емкость Фильтрующего конденсатора С ф аналитическим путем рассчитать затруднительно. Поэтому ее подбирают экспериментально. Ориентировочно следует считать, что на каждый миллиампер среднего потребляемого тока требуется брать как минимум 3...10 мкФ этой емкости, если выпрямитель БТБП двухполупериодный, или 10...30 мкФ, если он однополупериодный.

Номинальное напряжение используемого оксидного конденсатора С ф должно быть не менее U ст ·А если стабилитрона в БТБП нет, а нагрузка включена постоянно, номинальное напряжение фильтрующего конденсатора должно превышать значение:

Если нагрузка не может быть включена постоянно, а стабилитрон отсутствует, номинальное напряжение фильтрующего конденсатора должно составлять более 450В, что вряд ли приемлемо из-за больших размеров конденсатора С ф. Кстати, в этом случае снова подключать нагрузку следовало бы лишь после отключения БТБП от сети.

И это еще не все

Любой из возможных вариантов БТБП желательно дополнить еще двумя вспомогательными резисторами. Один из них, сопротивление которого может быть в пределах 300кОм...1МОм, включают параллельно конденсатору С гас. Этот резистор нужен для ускорения разрядки конденсатора С гас после отключения устройства от сети. Другой - балластный - сопротивлением 10...51 Ом включают в разрыв одного из сетевых проводов, например, последовательно с конденсатором С гас. Этот резистор будет ограничивать ток через диоды моста VD1 в момент подключения БТБП к сети. Мощность рассеяния обоих резисторов должна быть не менее 0,5 Вт, что нужно для гарантии от возможных поверхностных пробоев этих резисторов высоким напряжением. За счет балластного резистора стабилитрон будет нагружен несколько меньше, но вот средняя потребляемая БТБП мощность заметно увеличится.

Какие взять диоды

Функцию двухполупериодного выпрямителя БТБП по схемам на рис. 1...3 могут выполнять диодные сборки серии КЦ405 или КЦ402 с буквенными индексами Ж или И, если средний ток не превышает 600 мА, либо с индексами А, Б, если значение тока достигает 1 А. Пригодны также четыре отдельных диода, включенных по схеме моста, например серий КД105 с индексами Б, В или Г, Д226 Б или В - до 300 мА, КД209 А, Б или В - до 500...700 мА, КД226 В, Г или Д - до 1,7 А.

Диоды VD1 и VD3 в БТБП по схеме на рис. 4 могут быть любыми из перечисленных выше. Допустимо также использовать две диодные сборки КД205К В,Г или Д в расчете на ток до 300 мА либо КД205 А,В,Ж или И - до 500 мА.

И последнее. Бестрансформаторный блок питания, а также аппаратура, подключенная к нему, подключены в сеть переменного тока непосредственно! Поэтому они должны быть надежно за-изолированы снаружи, скажем, размещены в пластмассовом корпусе. Кроме того, категорически запрещается "заземлять" какой-либо из их выводов, а также вскрывать корпус при включенном устройстве.

Предлагаемая методика расчета БПТП опробована автором на практике в течение ряда лет. Весь расчет ведется, исходя из того, что БПТП - это по существу параметрический стабилизатор напряжения, в котором роль ограничителя тока выполняет гасящий конденсатор.

Журнал «САМ» №5, 1998 год

Когда мы имеем дело с устройствами, которые работают от источника питания с малым напряжением, у нас обычно есть несколько вариантов как их запитать. Помимо простых, но дорогих и громоздких трансформаторов можно использовать бестрансформаторный блок питания .

Например, можно получить 5 вольт из 220 вольт с применением гасящего резистора или используя реактивное сопротивление конденсатора. Однако, такое решение, подходит только для устройств, которые имеют очень малый ток потребления. Если нам нужен больший ток, например, для питания светодиодной цепи, то здесь мы столкнемся с ограничением по производительности.

Если какое-либо устройство потребляет большой ток и принципиально необходимо запитать его от сети 220 вольт, то есть одно оригинальное решение. Оно состоит в использовании для питания только части синусоиды во время ее роста и падения, т.е. в тот момент, когда напряжение сети будет равным или меньше, требуемого значения.

Описание работы бестрансформаторного блока питания

Особенность схемы заключается в управление моментом открытия транзистора MOSFET — VT2 (IRF830). Если текущее значение входного сетевого напряжения ниже, чем напряжение стабилизации стабилитрона VD5 минус падение напряжения на резисторе R3, то транзистор VT1 будет закрыт. Благодаря этому через резистор R4 идет положительное напряжение на транзистор VT2, в результате чего он находится в открытом состоянии.

Через транзистор VT2 в данный момент протекает ток и текущее значение сетевого напряжения заряжается конденсатор С2. Конечно, напряжение в сети падает до нуля, поэтому необходимо в цепь включить диод VD7, который препятствует разряду конденсатора обратно в схему блока питания.

Когда входное напряжение сети превышает пороговое, проходящий через стабилитрон VD5 ток приводит к открытию транзистора VТ1. Транзистор своим коллектором шунтирует затвор транзистора VT2, в результате VТ2 закрывается. Таким образом, конденсатор С2 заряжается только необходимым напряжением.

Мощный транзистор VТ2 открывается только при низком напряжении, так что его общая рассеивающая мощность в схеме очень мала. Безусловно, стабильность работы блока питания зависит от управляющего напряжения стабилитрона, поэтому, например, если мы хотим питать схему с микроконтроллером, то выход необходимо дополнить небольшим .

Резистор R1 защищает цепь и уменьшает скачок напряжения при первом включении. Стабилитрон VD6 ограничивает максимальное напряжение на управляющем электроде транзистора VT2 в районе 15 вольт. Естественно при переключении транзистора VТ2 возникают электромагнитные помехи. Чтобы избежать передач помех в электросеть, во входной цепи используется простой LC фильтр, состоящий из L1 и С1 компонентов.

Для любых радиоэлектронных схем требуются источники питания . И если одно устройство может работать непосредственно от сети то для других необходимы другие напряжения: для цифровых микросхем как правило +5V (для ТТЛ логики) или +7..9V (для КМОП технологий).
Кстати, что это такое: ТТЛ и КМОП можно почитать
Для различных игрушек требуется обычно +5...12V. для питания светодиодов +3..+5V, для усилителей вообще многообразно..

В общем так или иначе возникает вопрос о изготовлении источника питания , причем не просто источника а такого чтобы он отвечал соответствующим требованиям: необходимые напряжение и ток на выходе, наличие защиты и так далее.

Источникам питания у нас посвящен отдельная категория, которая так и называется Источники питания (материалы в категории), здесь-же мы рассмотрим самый простейший вариант бестрансформаторного источника питания для простых изделий, который можно изготовить буквально за пару минут. Вот его схема:

Конечно мощность такого источника невелика и его можно использовать лишь для самых простых схем, но самое главное то что он стабилизированный.

Именно "+", микросхемы для отрицательного напряжения имеют маркировку 79XX.

На схеме указанной выше выходное напряжение составляет +5V (по типу примененной КРЕНки), но при необходимости его можно и изменить установив другую микросхему.
Только вот при этом потребуется обратить внимание и на стабилитрон на входе: его нужно выбирать таким чтобы напряжение на входе и выходе КРЕН имело разницу минимум в 2V.

Ну это еще не все: даже используя микросхему со стандартным выходным напряжением все равно при необходимости можно напряжение на выходе немного изменять (например получить 7,5V или 6,5). Для этого к микросхеме необходимо добавить дополнительный цепи из диодов или стабилитронов и как это сделать можно почитать .

Даже такой простой источник питания можно немного "умощнить", то есть добиться более высокого тока в нагрузке. Но тогда потребуется введение дополнительных балластных резисторов на входе. Так, к примеру, вот схема бестрансформаторного источника питания с выходным напряжением +12V

Бестрансформаторные источники питания с гасящим конденсатором удобны своей простотой, имеют малые габариты и массу, но не всегда применимы из-за гальванической связи выходной цепи с сетью 220 В.

В бестрансформаторном источнике питания к сети переменного напряжения подключены последовательно соединенные конденсатор и нагрузка. Неполярный конденсатор, включенный в цепь переменного тока, ведет себя как сопротивление, но, в отличие от резистора, не рассеивает поглощаемую мощность в виде тепла.

Для расчета емкости гасящего конденсатора используется следующая формула:

С — емкость балластного конденсатора (Ф); Iэфф — эффективный ток нагрузки; f — частота входного напряжения Uc (Гц); Uс — входное напряжение (В); Uн — напряжение нагрузки (В).

Для удобства расчетов, можно воспользоваться онлайн калькулятором

Конструкция бестрансформаторных источников и устройств, питающихся от них, должна исключать возможность прикосновения к любым проводникам в процессе эксплуатации. Особое внимание нужно уделить изоляции органов управления.

• Похожие статьи

• - Применение в переносной аппаратуре операционных усилителей (ОУ) сразу же ставит задачу - каким обра­зом запитать их двуполярным напряжением +15 В. По­добный вопрос возникает потому, что в справочных ма­териалах параметры большинства ОУ приведены именно для этих питающих напряжений, и у многих...
• - Габариты и масса высоковольтных трансформаторов из-за необходимости обеспечения электрической прочности становятся очень большими. Поэтому удобнее использовать в высоковольтных маломощных источниках питания умножители напряжения. Умножители напряжения создаются на базе схем выпрямления с емкостной...
• - Приемник может быть перестроен в диапазоне 70...150 МГц без изменения номиналов подстроечных элементов. Реальная чувствительность приемника около 0,3 мкВ, напряжение питания 9 В. Следует заметить, что напряжение питания МС3362 - 2...7 В, а МС34119 2...12 В, поэтому МС3362 питается через...
• - Для расчёта стабилизатора, как правило, используются только два параметра - Uст (напряжение стабилизации) , Iст (ток стабилизации), при условии что ток нагрузки равен или меньше тока стабилизации. Для простого расчета стабилизатора на примере будем использовать следующие параметры: Входное...
• - Приемник предназначен для приема сигналов в диапазоне ДВ(150кГц...300кГц). Главная особенность приемника в антенне, которая имеет большую индуктивность чем обычная магнитная антенна. Что позволяет применить емкость подстроечного конденсатора в пределах 4...20пФ, а так же такой приемник обладает...