Бестрансформаторный блок питания – . ,

Бестрансформаторные Схемы Питания

Без трансформаторная Концепция Электропитания

Без трансформаторная концепция работает с использованием высоковольтного конденсатора для снижения переменного тока сети до требуемого более низкого уровня, необходимого для подключенной электронной схемы или нагрузки.
Спецификация этого конденсатора выбрана с запасом. Пример конденсатора, который обычно используется в схемах без трансформаторного питания, показан ниже:


Этот конденсатор соединен последовательно с одним из входных сигналов переменного напряжения АС.
Когда сетевой переменный ток входит в этот конденсатор, в зависимости от величины конденсатора, реактивное сопротивление конденсатора вступает в действие и ограничивает переменный ток сети от превышения заданного уровня, указанным значением конденсатора.

Однако, хотя ток ограничен, напряжение не ограниченно, поэтому, при измерении выпрямленного выхода без трансформаторного источника питания, обнаруживаем, что напряжение равно пиковому значению сети переменного тока , это около 310 В.

Но поскольку ток достаточно понижен конденсатором, это высокое пиковое напряжение стабилизируется с помощью стабилитрона на выходе мостового выпрямителя.


Мощность стабилитрона должна быть выбрана в соответствии с допустимым уровнем тока конденсатора.

Преимущества использования без трансформаторной схемы питания

Дешевизна и при этом эффективность схемы для маломощных устройств.
Без трансформаторная схема питания, описанная здесь, очень эффективно заменяет обычный трансформатор для устройств, мощностью тока ниже 100 мА.

Здесь высоковольтный металлизированный конденсатор использован на входном сигнале для понижения тока сети
Схема показанная выше может быть использована как источник электропитания DC 12 В для большинства электронных схем.
Однако, обсудив преимущества вышеописанной конструкции, стоит остановиться на нескольких серьезных недостатках, которые может включать в себя данная концепция.

Недостатки без трансформаторной схемы питания

Во-первых, цепь неспособна произвести сильнотоковые выходы, что не критично для большинства конструкций.
Другим недостатком, который, безусловно, требует некоторого рассмотрения, является то, что концепция не изолирует цепь от опасных потенциалов сети переменного тока.

Этот недостаток может иметь серьезные последствия для конструкций связанных с металлическими шкафами, но не будет иметь значения для блоков, которые имеют все покрыты в непроводящем корпусе.

И последнее, но не менее важное: вышеупомянутая схема позволяет скачкам напряжения проникать через нее, что может привести к серьезному повреждению цепи питания и самой схемы питания.

Однако в предложенной простой без трансформаторной схеме питания этот недостаток был разумно устранен путем введения различных типов стабилизирующих ступеней после мостового выпрямителя.

Этот конденсатор основывает мгновенные высоковольтные пульсации, таким образом эффективно защищая связанную электронику с ним.

Как схема работает
1. Когда сетевой вход сети переменного тока включен, конденсатор C1 блокирует вход сетевого тока и ограничивает его до более низкого уровня, определенного значением реактивного сопротивления C1. Здесь можно примерно предположить, что он составляет около 50 мА.
2. Однако напряжение тока не ограничено, и поэтому 220V может находиться на входном сигнале позволяя достигнуть последующий этап выпрямителя тока .
3. Выпрямитель тока моста выпрямляет 220V к более высокому DC 310V, к пиковому преобразованию формы волны AC.

4. DC 310V быстро уменьшен к низкоуровневому DC стабилитроном, который шунтирует его к значение согласно номинала стабилитрона. Если используется 12V стабилитрон, то и на выходе будет 12 вольт.
5. C2 окончательно фильтрует DC 12V с пульсациями, в относительно чистый DC 12V.

Пример схемы

Цепь драйвера показанная ниже управляет лентой менее 100 светодиодов (при входном сигнале 220В), каждый светодиод рассчитан на 20мА, 3.3 В 5мм:


Здесь входной конденсатор 0.33 uF / 400V выдает около 17 ма, что примерно правильно для выбранной светодиодной ленты.
Если драйвер использовать для большего числа подобных светодиодных лент 60/70 параллельно, то просто значение конденсатора пропорционально увеличить для поддержания оптимального освещения светодиодов.

Поэтому для 2 лент включенных в параллель требуемое значение будет 0.68 uF/400V, для 3 лент заменить на 1uF / 400V. Аналогично для 4 лент должно быть обновлено до 1.33 uF / 400V, и так далее.

Важно: хотя не показан ограничивающий резистор в схеме, было бы неплохо включить резистор 33 Ом 2 Вт последовательно с каждой светодиодной лентой, для дополнительной безопасности. Можно вставить в любом месте последовательно с отдельными лентами.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: ВСЕ ЦЕПИ, УПОМЯНУТЫЕ В ЭТОЙ СТАТЬЕ, НЕ ИЗОЛИРОВАНЫ ОТ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, ПОЭТОМУ ВСЕ СЕКЦИИ ЦЕПИ ЧРЕЗВЫЧАЙНО ОПАСНЫ ДЛЯ ПРИКОСНОВЕНИЯ ПРИ ПОДКЛЮЧЕНИИ К СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.


Источник Доставка новых самоделок на почту

Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

usamodelkina.ru

Конденсаторное питание | Электроника для всех

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 (Xс) и катушка(XL)
Полное же сопротивление цепи (импенданс) Z=(R2+(XL+Xс)2)1/2

Да, чистые активные и реактивные элементы бывают только в теории. Например, у катушки есть индуктивное сопротивление — витки, активное сопротивление — сопротивление проволки и емкостное сопротивление — паразитные конденсаторы образующиеся между витками катушки.
Даже обычный проводник имеет какую то паразитную емкость и индуктивность.

Активное сопротивление всегда постоянно, а реактивное зависит от частоты.
XL=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 XL 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.

Эта зависимость от частоты также показывает почему в высокочастотных устройствах простые, казалось бы, дорожки печатной платы начинают вести себя как детали — а просто из за возросшей частоты их паразитные значения реактивных сопротивлений возрастают до ощутимых величин.

Получается у нас вот такая вот схема:

Теперь надо что-то сделать с тем, что у нас переменка. Не велика проблема — добавим парочку диодов (можно, конечно, и диодный мост, будет эффективней, но с двумя диодами проще) диоды должны быть на ток около ампера, не меньше. И чтобы обратное напряжение было вольт на 500. 1N4007, например, или похожий по параметрам:

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:

Но есть тут одна заковыка — у нас напряжение на нагрузке зависит от сопротивления нагрузки. Т.е. если у тебя схема, включенная вместо Rн снизила потребление тока, то соответственно напряжение на ней вырастет. А для всякой нежной электроники это черевато.

Лечится стабилитроном на нужное нам напряжение. Питать мы собираемся микроконтроллер, так что на 5 вольт:

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:

Еще добавил резюк на 43ом 1Вт, чтобы кондер при втыкании кондер заряжался не так быстро и не было броска тока. На печатке он здоровый такой, возле разьема.

Печатная плата простая и вопросов по ее разводке под другую форму корпуса ни у кого не возникнет. Я же ее тут сделал просто для примера, поэтому не смотрите на ее большие размеры. Я не мельчил:

Как всегда, прикладываю LAY файл.

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.

В общем, я настоятельно НЕ РЕКОМЕНДУЮ пользоваться такой схемой включения. И если можно от нее избавиться, то от нее нужно избавиться. Перейдя на традиционные схемы блоков питания с развязкой от сети.

Ну и, как обычно, видеосьемка процесса запуска девайса от розетки через такой вот БП:

Offtop:
Для троллей я заготовил много вкусной еды — энджой!

easyelectronics.ru

Бестрансформаторное сетевое питание

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 трансформаторабестрансформаторные 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.



radio-stv.ru

Бестрансформаторный блок питания | kavmaster

Данная схема бестрансформаторного блока питания для светодиодов и светодиодной ленты достаточно проста и эффективна. Собрать её можно как навесным монтажом так и изготовить для неё печатную плату. Схема блока питания проверенна и полностью рабочая, а с помощью простой формулы для расчета гасящего конденсатора (балластового), можно легко подобрать необходимый ток для питания светодиодов.

Схема бестрансформаторного блока питания

В данной схеме, используется балластовый конденсатор C1, который гасит сетевое напряжение, после чего, ток поступает на диодный выпрямитель собранный на диодах VD1-VD4. Конденсатор C2 используется в качестве фильтра. Для быстрой разрядки конденсаторов C1 и С2, в схеме предусмотрены резисторы R2 и R3. Резистор R1 ограничивает ток при включении нагрузки.

Перед сборкой схемы, необходимо рассчитать конденсатор C1 так как именно от его номинала, зависит ток который блок питания способен обеспечить. Для расчета госящего конденсатора, используют простую формулу:

С = 3200∙I/Uc где:

  • I — ток нагрузки в A
  • Uc — напряжение сети
  • С — в микрофарадах

Для примера, светодиодная лента длиной 30 см. по параметрам, потребляет ток максимум 400 Ma, но конечно же не желательно питать её максимальным током, ограничим его до 150 Ma. Напряжение сети составляет 230 вольт, значит нам нужно 3200×0.15÷230=2.08 мкФ.

Теперь осталось подобрать номинал конденсатора близких к расчетному, это будет 2.2 мкФ не менее 400 Вольт! На этом все, осталось только применить его по назначению.

Внимание! Данная схема бестрансформаторного блока питания, не имеет гальванической развязки с питающей сетью. Поэтому будьте осторожны при монтаже данной схемы, соблюдайте технику безопасности! Все соединения элементов, должны быль изолированны или помещены в пластиковых корпус!

>> Светодиодные ленты и блоки питания <<

Похожее

kavmaster.ru

Бестрансформаторный блок питания повышенной мощности. Схема и описание

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 линейным стабилизатором.

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.

Предупреждение:  Поскольку схема напрямую связана с электросетью, то есть не имеет гальванической развязки, необходимо соблюдать крайнюю осторожность при наладке и эксплуатации устройства.

Источник

www.joyta.ru

Бестрансформаторные блоки питания_окончание. CAVR.ru

Рассказать в:

                                  Бестрансформаторные блоки питания 

                                                  (окончание)                                

Бестрансформаторный блок питания с регулируемым выходным напряжением показан на рис.10а. Его особенность заключается в использовании регулируемой отрицательной обратной связи с выхода блока на транзисторный каскад VT1, включенный параллельно выходу диодного моста. Этот каскад является регулирующим элементом и управляется сигналом с выхода од-нокаскадного усилителя на VT2. Выходной сигнал VT2 зависит от разности напряжений, подаваемых с переменного резистора R7, включенного параллельно выходу блока питания, и источника опорного напряжения на диодах VD3, VD4. По существу, схема представляет собой регулируемый параллельный стабилизатор. Роль балластного резистора играет гасящий конденсатор С1, параллельного управляемого элемента — транзистор VT1.

Работает этот блок питания следующим образом. При включении в сеть транзисторы VT1 и VT2 заперты, а через диод VD2 происходит заряд накопительного конденсатора С2. При достижении на базе транзистора VT2 напряжения, равного опорному на диодах VD3, VD4, транзисторы VT2 и VT1 отпираются. Транзистор VT1 шунтирует выход диодного моста, и его выходное напряжение падает, что Приводит к уменьшению напряжения на накопительном конденсаторе С2 и к запиранию транзисторов VT2 и VT1. Это, в свою очередь, вызывает увеличение напряжения на С2, отпирание VT2, VT1 и повторение цикла.

За счет действующей таким образом отрицательной обратной связи выходное напряжение остается постоянным (стабилизированным) как при включенной нагрузке (R9), так и без нее (на холостом ходу). Его величина зависит от положения движка потенциометра R7. Верхнему (по схеме) положению движка соответствует большее выходное напряжение. Максимальная выходная мощность приведенного устройства равна 2 Вт. Пределы регулировки выходного напряжения — от 16 до 26 В, а при закороченном диоде VD4 — от 15 до 19,5 В, Уровень пульсаций на нагрузке — не более 70 мВ.

Транзистор VT1 работает в переменном режиме: при наличии нагрузки — в линейном режиме, на холостом ходу — в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с частотой пульсации напряжения на конденсаторе С2 100 Гц. При этом импульсы напряжения на коллекторе VT1 имеют пологие фронты.

Критерием правильности выбора емкости С1 является получение на нагрузке требуемого максимального напряжения. Если его емкость уменьшена, то максимальное выходное напряжение на номинальной нагрузке не достигается. Другим критерием выбора С1 является неизменность осциллограммы напряжения на выходе диодного моста (рис.10 6). Осциллограмма напряжения имеет вид последовательности выпрямленных синусоидальных . полуволн сетевого напряжения с ограниченными (уплощенными) вершинами положительных полусинусоид. Амплитуда вершин является переменной величиной, зависящей от положения движка R7, и меняется линейно при его вращении. Но каждая полуволна должна обязательно доходить до нуля, наличие постоянной составляющей (как показано на рис. 10 б пунктиром) не допускается, т.к. при этом нарушается режим стабилизации.

Линейный режим является облегченным, транзистор VT1 нагревается мало и может работать практически без радиатора. Небольшой нагрев имеет место в нижнем положении движка R7 (при минимальном выходном напряжении). На холостом ходу тепловой режим транзистора VT1 ухудшается в верхнем положении движка R7. В этом случае транзистор VT1 должен быть установлен на небольшой радиатор, например, в виде "флажка" из алюминиевой пластинки квадратной формы со стороной 30 мм и толщиной 1...2 мм.

Регулирующий транзистор VT1 — средней мощности, с большим коэффициентом передачи. Его коллекторный ток должен быть в 2...3 раза больше максимального тока нагрузки, допустимое напряжение коллектор-эмиттер — не меньше максимального выходного напряжения блока питания, В качестве VT1 могут быть использованы транзисторы КТ972А, КТ829А, КТ827А и т.п. Транзистор VT2 работает в режиме малых токов, поэтому годится любой маломощный р-п-р-транзистор — КТ203, КТ361 и пр.

Резисторы R1, R2 — защитные. Они предохраняют регулирующий транзистор VT1 от выхода из строя вследствие перегрузки по току при переходных процессах в момент включения блока в сеть.

Бестрансформаторный конденсаторный выпрямитель (рис.11) работает с автостабилизацией выходного напряжения. Это достигнуто за счет изменения времени подключения диодного моста к накопительному конденсатору. Параллельно выходу диодного моста включен транзистор VT1, работающий в ключевом режиме. База VT1 через стабилитрон VD3 соединена с накопительным конденсатором С2, отделенным по постоянному току от выхода моста диодом VD2 для исключения быстрого разряда при открытом VT1. Пока напряжение на С2 меньше напряжения стабилизации VD3, выпрямитель работает как обычно. При увеличении напряжения на С2 и открывании VD3 транзистор VT1 также открывается и шунтирует выход выпрямительного моста. Напряжение на выходе моста скачкообразно уменьшается практически до нуля, что приводит к уменьшению напряжения на С2 и выключению стабилитрона и ключевого транзистора.

Далее напряжение на конденсаторе С2 снова увеличивается до момента включения стабилитрона и транзистора и т.д. Процесс автостабилизации выходного напряжения очень похож на работу импульсного стабилизатора напряжения с широтно-им-пульсным регулированием. Только в предлагаемом устройстве частота следования импульсов равна частоте пульсаций напряжения на С2. Ключевой транзистор VT1 для уменьшения потерь должен быть с большим коэффициентом усиления, например, КТ972А, КТ829А, КТ827А и др.

Увеличить выходное напряжение выпрямителя можно, применив более высоковольтный стабилитрон (цепочку низковольтных, соединенных последовательно). При двух стабилитронах Д814В, Д814Д и емкости конденсатора С1 2 мкФ выходное напряжение на нагрузке сопротивлением 250 Ом может составлять 23.„24 В.

Аналогично можно стабилизировать выходное напряжение однопо-лупериодного диодно-конденсаторного выпрямителя (рис.12). Для выпрямителя с плюсовым выходным напряжением параллельно диоду VD1 включен п-р-п-транзистор, управляемый с выхода выпрямителя через стабилитрон VD3. При достижении на конденсаторе С2 напряжения, соответствующего моменту открывания стабилитрона, транзистор VT1 тоже открывается. В результате, амплитуда положительной полуволны напряжения, поступающего на С2 через диод VD2, уменьшается почти до нуля. При уменьшении же напряжения на С2 транзистор VT1 благодаря стабилитрону закрывается, что приводит к увеличению выходного напряжения. Процесс сопровождается широтно-импульсным регулированием длительности импульсов на входе VD2, следовательно, напряжение на конденсаторе С2 стабилизировано,

В выпрямителе с отрицательным выходным напряжением параллельно диоду VD1 нужно включить р-п-р-транзистор КТ973А или КТ825А. Выходное стабилизированное напряжение на нагрузке сопротивлением 470 Ом — около 11В, напряжение пульсаций — 0,3...0,4 В

В обоих вариантах стабилитрон работает в импульсном режиме при токе в единицы миллиампер, который никак не связан с током нагрузки выпрямителя, разбросом емкости гасящего конденсатора и колебаниями напряжения сети. Поэтому потери в нем существенно уменьшены, и теплоотвод ему не требуется. Ключевому транзистору радиатор также не требуется.

Резисторы R1, R2 в этих схемах ограничивают входной ток при переходных процессах в момент включения устройства в сеть. Из-за неизбежного "дребезга" контактов сетевой вилки процесс включения сопровождается серией кратковременных замыканий и разрывов цепи. При одном из таких замыканий гасящий конденсатор С1 может зарядиться до полного амплитудного значения напряжения сети, т.е. примерно до 300 В. После разрыва и последующего замыкания цепи из-за "дребезга" это и сетевое напряжения могут сложиться и составить в сумме около 600 В. Это наихудший случай, который необходимо учитывать для обеспечения надежной работы устройства

Другой вариант ключевой бестрансформаторной схемы источника питания представлен на рис.13. Сетевое напряжение, проходя через диодный мост на VD1.. .VD4, преобразуется в пульсирующее амплитудой около 300 В. Транзистор VT1 — компаратор, VT2 — ключ. Резисторы R1, R2 образуют делитель напряжения для VT1. Подстройкой R2 можно установить напряжение срабатывания компаратора. Пока напряжение на выходе диодного моста не достигнет.установленного порога, транзистор VT1 закрыт, на затворе VT2 — отпирающее напряжение и он открыт. ЧерезЛ/Т2 и диод VD5 заряжается конденсатор С1. При достижении установленного порога срабатывания транзистор VT1 открывается и шунтирует затвор VT2. Ключ закрывается и снова откроется тогда, когда напряжение на выходе моста станет меньше порога срабатывания компаратора. Таким образом, на С1 устанавливается напряжение, которое стабилизируется интегральным стабилизатором DA1.

С приведенными на схеме номиналами источник обеспечивает выходное напряжение 5 В при токе до 100 мА. Настройка заключается в установке порога срабатывания VT1. Вместо IRF730 можно использовать КП752А, IRF720, BUZ60, 2N6517 заменяется на КТ504А.

Миниатюрный бестрансформаторный блок питания для малопотребпя-ющих устройств можно построить на микросхеме HV-2405E (рис.14), которая осуществляет прямое преобразование переменного напряжения в постоянное. Диапазон входного напряжения ИМС—15...275 В, выходного — 5.. .24 В при максимальном выходном токе до 50 мА. Выпускается в плоском пластмассовом корпусе DIP-8. Структура микросхемы приведена на рис.15а, цоколевка — на рис.156.

В схеме источника (рис. 14) особое внимание нужно уделить резисторам R1 и R2. Их общее сопротивление должно быть в районе 150 Ом, а рассеиваемая мощность — не менее 3 Вт. Входной высоковольтный конденсатор С1 может иметь емкость от 0,033 до 0,1 мкФ. Варистор Rv можно применить практически любой с рабочим напряжением 230...250 В. Резистор R3 выбирается в зависимости от требуемого выходного на пряжения. При его отсутствии (выходы 5 и 6 замкнуты) выходное напряжение чуть более 5 В, при сопротивлении 20 кОм выходное напряжение — около 23 В. Вместо резистора можно включить стабилитрон с необходимым напряжением стабилизации (от 5 до 21 В). К остальным деталям особых требований нет, за исключением выбора рабочего напряжения электролитических конденсаторов (формулы для расчета приведены на схеме).

Учитывая потенциальную опасность бестрансформаторных источников, в ряде случаев может представлять интерес компромиссный вариант: с гасящим конденсатором и трансформатором (рис.16). Здесь подойдет трансформатор с высоковольтной вторичной обмоткой, поскольку необходимое выпрямленное напряжение устанавливается подбором емкости конденсатора С1. Главное, чтобы обмотки трансформатора обеспечивали требуемый ток.

Чтобы устройство не вышло из строя при отключении нагрузки, к выходу моста VD1...VD4 следует подключить стабилитрон Д815Г. В нормальном режиме он не работает, поскольку его напряжение стабилизации выше рабочего на выходе моста. Предохранитель FU1 защищает трансформатор и стабилизатор при пробое конденсатора С1

В источниках такого вида в цепи последовательно соединенных емкостного (конденсатор С1) и индуктивного (трансформатор Т1) сопротивлений , может возникать резонанс напряжения. Об этом следует помнить при их налаживании и контролировать напряжения осциллографом.    ( В.Новиков )


Раздел: [Блоки питания (бестрансформаторные)]
Сохрани статью в:
Оставь свой комментарий или вопрос:

www.cavr.ru

Бестрансформаторный блок питания. Расчет. Ч2

   

   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 значение
Im = 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.

chipenable.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о