Конденсаторный блок питания. Бестрансформаторный блок питания: принцип работы, расчет и применение

Основные элементы схемы:

• C1 — гасящий конденсатор 1.5 мкФ 400В
• VD1-VD4 — диодный мост
• C2 — сглаживающий конденсатор 1000 мкФ
• LM7805 — стабилизатор напряжения на 5В

Данная схема обеспечивает стабильное выходное напряжение 5В при токе нагрузки до 100 мА.

Рекомендации по изготовлению бестрансформаторного блока питания

При самостоятельном изготовлении БИП следует учитывать следующие рекомендации:

1. Использовать качественные компоненты с соответствующими номиналами и допусками
2. Обеспечить хорошую изоляцию всех элементов схемы от корпуса устройства
3. Применять печатную плату с качественной разводкой и достаточными зазорами между дорожками
4. Устанавливать предохранитель на входе схемы для защиты от короткого замыкания
5. Использовать теплоотвод для стабилизатора напряжения при токах более 50 мА

Соблюдение этих рекомендаций позволит создать надежный и безопасный бестрансформаторный блок питания.

Альтернативы бестрансформаторным блокам питания

Несмотря на простоту и компактность, БИП не всегда оптимальное решение. Рассмотрим альтернативные варианты источников питания:

• Импульсные блоки питания — обеспечивают гальваническую развязку и бóльшую мощность
• Трансформаторные блоки питания — надежны и безопасны, но имеют большие габариты
• Аккумуляторы и батареи — для автономных устройств
• Солнечные панели — для устройств с низким энергопотреблением

Выбор типа источника питания зависит от конкретного применения, требований по безопасности, габаритам и стоимости.

Заметки обо всем. Простые и опасные источники питания / Хабр

О чем эта статья

В этой статье рассказано о принципах построения простейших бестрансформаторных источников питания.Тема не новая, но, как показал опыт, не всем известная и понятная. И даже, некоторым, интересная.

Прошу желающих и интересующихся читать, критиковать, уточнять и дополнять на почту [email protected] или на мой сайт в раздел «Контакты».

Вступление

Не так давно один мой знакомый влез пальцами в некую схему, которую собирался починить (проводок отвалился — так что просто припаять его надо было на место). И его ударило током. Не сильно ударило, но ему хватило, чтобы удивиться: «как так — тут микроконтроллер стоит, что тут может стукнуть? Он же от 5 вольт питается!».

Его удивление быстро разъяснилось: схема оказалась с бестрансформаторным питанием и без гальванической развязки от сети.

Далее последовали вопросы уже в мою сторону. Сводились они к двум вещам: «А чё? Так можно делать?!» и «А как оно работает?».

Хотя я и не считаю себя экспертом в электронике, но делать подобные блоки питания мне приходилось. Так что пришлось взять ручку и листок и объяснить как оно работает. Благо это совсем не сложно.

Возможно, что и вам покажется интересной тема «бестрансформаторных» источников питания или, сокращённо, БИП. Кому-то для общего развития, а кому-то и для практического применения.

Источники питания от бытовой сети переменного тока

Сразу предупреждаю: я намеренно не коснусь тут импульсных источников питания. Это тема для другого разговора.

Вообще говоря, функции источника питания низковольтной электронной аппаратуры обычно состоят в следующем: обеспечить на выходе источника питания заданное напряжение при заданном диапазоне потребляемого тока. То есть, если выразиться формально, источник питания — это источник постоянного напряжения

В «классическом» линейном источнике питания это происходит обычно так: входное сетевое напряжение понижается с помощью трансформатора, затем это напряжение выпрямляется и, наконец, стабилизируется с помощью линейного стабилизатора.

Структурная схема «классического» линейного источника питания показана на рисунке ниже. Одной из самых «неудобных» деталей такого источника питания является трансформатор: он дорогой и громоздкий.

Поэтому, радиолюбители и радиопрофессионалы искали способы — как отказаться от этот громоздкой и дорогой детали — трансформатора или хотя бы уменьшить его габариты и стоимость.

И такое решение нашлось: стали использовать реактивное сопротивление конденсатора Rc для того, чтобы «гасить» лишнее напряжение. Структурная схема «бестрансформаторного» источника питания (БИП) показана ниже.

Как видим, структура БИП почти не отличается от классического линейного источника питания. Разве что вместо трансформатора поставили гасящий конденсатор. Пусть вас не смущает и не обманывает сходство структуры этих источников питания на рисунке: внутри отличий масса.

Достоинства БИП: он относительно компактен, надёжен, дёшев, не боится короткого замыкания по выходу.

Но есть и существенные недостатки: он опасен с точки зрения прикосновения человека к элементам питаемого устройства. Да и максимальный ток, который может обеспечить такой источник питания — всего несколько сот миллиампер. При большем токе габариты конденсаторов велики и проще поставить трансформатор или вообще поставить импульсник.

Исходя из достоинств и недостатков БИП, область его применения — это хорошо изолированные маломощные устройства с питанием от бытовой электрической сети: одиноко стоящие датчики, устройства управления освещением, устройства включения вентиляции и обогрева и другие устройства малой мощности, работающие автономно.

Попробуем понять — как работает реальная схема БИП и как её рассчитать.

Теория практики и практика теории

Пример простейшей практической схемы

Так как раньше, до появления дешёвых «импульсников»,

были наверное самым доступным способом уменьшить габариты и цену источника питания, то схем

в книгах и интернете — вагон и маленькая тележка. Но принцип работы почти у всех схем примерно одинаковый: один или несколько гасящих конденсаторов на входе, выпрямитель и выходной стабилизатор постоянного напряжения.

Давайте рассмотрим одну из простейших рабочих схем БИП, что показана на рисунке ниже.

Сразу видны все основные части схемы: гасящий конденсатор С1; двухполупериодный выпрямитель — диодный мост VD1 и сглаживающий конденсатор C2; стабилизатор напряжения — стабилитрон VS1; и, наконец, нагрузка — питаемое от источника устройство Rн.

Забудем о «лишних элементах» или «основная формула БИП»

Для простоты забудем пока о существовании резисторов

и

: будем считать, что

отсутствует вообще, а

заменён на перемычку. Для всех расчётов это не существенно, а о назначении этих резисторов мы поговорим позже. То есть, временно, схема для нас будет выглядеть так, как на следующем рисунке.

Переменный ток сети питания, ограниченный гасящим конденсатором С1, протекает через точки 1 и 2 диодного моста VD1.

Постоянный ток, получаемый после выпрямления переменного диодным мостом VD1, протекает через стабилитрон и «нагрузку» Rн — питаемое устройство.

На схеме показано, как протекают все токи: Ic — переменный ток сети, Iн — постоянный ток нагрузки и Iст — постоянный ток стабилитрона.

Хоть я и написал «постоянный» и «переменный» токи — на самом деле это один и тот же ток. Просто диодный мост заставляет его течь через стабилитрон и нагрузку всегда в одну и ту же сторону.

Если считать, что мы измеряем действующее значение тока , то можно записать основную формулу работы нашей схемы БИП:

Это следует из первого закона Кирхгофа, который гласит, что сумма втекающих в любой узел токов равна сумме вытекающих из него токов и по сути является частной формулировкой закона сохранения массы/энергии.

Из этой формулы следует простой, но важный вывод: при неизменном напряжении сети , ток, потребляемый от питающей сети практически не изменяется при изменении сопротивления Rн в рабочем диапазоне токов — это ключевое отличие БИП от линейного источника питания с трансформатором.

Несмотря на то, что блок-схемы источников питания, приведённые в начале статьи очень похожи — работают очень по-разному: понижающий трансформатор в первой блок-схеме является источником напряжения, а гасящий конденсатор во второй блок-схеме является источником тока!

Но вернёмся к нашей схеме. Из последней формулы становится также ясно, что схема стабилизатора по сути является делителем тока между нагрузкой

и стабилитроном

.

Если нагрузку Rн оторвать совсем — то весь ток потечёт через стабилитрон. Если нагрузку Rн «закоротить» — весь ток потечёт через нагрузку, в обход стабилитрона.

А вот «отрывать» стабилитрон VS1 от схемы ни в коем случае нельзя! Если его оторвать, то все сетевое напряжение может податься на нагрузку Rн. Последствия будут, скорее всего, печальные.

Когда педантичность не нужна

В любом варианте — от полного отключения

до его «закоротки» — ток

, текущий через гасящий конденсатор

будет примерно равен

; где

— напряжение сети, а

— сопротивление конденсатора

.

Педанты и прочие любители точности могут меня упрекнуть, дескать я не учёл напряжение на диодном мосту (между точками 1 и 2). Поэтому напряжение на конденсаторе C1 будет несколько меньше, чем — напряжение в розетке.

Разумеется, строго формально, товарищи педанты будут правы. Но смею заметить, что если нагрузка у нас — маломощное устройство с питанием 5В или 12В, а напряжение «в розетке» около 220В, то падением напряжения на нагрузке можно смело пренебречь: разница в «точных» и «приблизительных» расчётах будет не более нескольких процентов.

Что такое сопротивление гасящего конденсатора ? Это реактивное сопротивление конденсатора: оно зависит от частоты напряжения, подаваемого на конденсатор и вычисляется по формуле: , где f — частота напряжения в Герцах, а С — ёмкость конденсатора в Фарадах. Так как частота сети у нас фиксирована и составляет 50Гц, то для инженерных расчётов можно использовать формулу: , откуда . Для педантов опять-таки напоминаю, что ёмкость конденсатора всегда имеет погрешность в несколько процентов (обычно — 5%-15%), поэтому точнее считать смысла не имеет.

Исходя из вышеприведённых формул, можно вычислить ёмкость конденсатора C1: . Напряжение сети нам известно. А ток можно посчитать, зная максимальный ток нагрузки и минимальный ток стабилизации стабилитрона VS1 (это справочный параметр).

Это теория. Попробую описать что-то вроде методики расчёта БИП «на пальцах».

Нужен ли нам БИП вообще?

Для начала решим вопрос — а надо ли вообще использовать в конкретном случае

?

Если ток нагрузки Rн больше 0.3-0.5А, то лучше БИП не использовать: мороки много, а выигрыша по габаритам и стоимости обычно мизер или нет вообще. Также обычно не стоит полагаться на БИП, если напряжение питания устройства больше, чем 24-27В. И не стоит забывать о безопасности!

Предположим, что нам надо питать простенькую схему на микроконтроллере, которая кушает умеренный ток миллиампер этак 100 при умеренном напряжении 3-6В. Схема изолирована и поэтому безопасна.

Как прикинуть ёмкость С1 и выбрать стабилитрон VS1?

Прежде всего, необходимо уточнить максимальный ток нагрузки

: рассчитать или измерить.

Затем, надо залезть в справочник и найти там стабилитрон. Да не абы какой, а на нужное напряжение Uвых.

При поиске стабилитрона надо учитывать, что его максимальный ток стабилизации Iстmax должен быть не меньше, чем (Iстmin+Iнmax). Почему так? Да чтобы, если вы оторвали нагрузку Rн, стабилитрон не сгорел. И наоборот — если нагрузка потребляет максимальный ток, то через стабилитрон течёт минимальный ток стабилизации Iстmin. Практически надо выбирать стабилитрон, чтобы его максимальный ток стабилизации Iстmax был больше, чем сумма токов (Iстmin+Iнmax) как минимум на 20%. Не забывайте, что в сети далеко не всегда 220В. Может быть и 250В запросто. Поэтому запас по току — не излишество, а разумная предосторожность.

Далее рассчитываем ёмкость гасящего конденсатора С1. Его реактивное сопротивление будет равно примерно: , а его ёмкость, соответственно, равна для сетевого напряжения с частотой 50Гц.

Не забывайте, что предельно допустимое напряжение конденсатора С1 должно быть не меньше 400В для бытовой сети в 220В. И, разумеется, конденсатор С1 не должен быть электролитическим: он работает в сети переменного тока.

Собственно, это самое важное — подбор стабилитрона и расчёт ёмкости конденсатора.

Тем, кому не ясно, что такое Iстmax и Iстmin, поясню подробнее.

Максимальный ток стабилизации стабилитрона Iстmax — это такой ток через стабилитрон, при превышении которого, стабилитрон выходит из строя.

Минимальный ток стабилизации стабилитрона Iстmin — это такой минимальный ток через стабилитрон, при котором напряжение на стабилитроне соответствует паспортным характеристикам.

То есть стабилитрон должен работать в таких условиях, что ток стабилизации Iст, протекающий через него, лежит в диапазоне .

Значения Iстmin и Iстmax для конкретного стабилитрона можно найти в справочнике и они всегда указаны в описании стабилитрона.

Итак, ещё раз, по пунктам, о том как рассчитать C1 и выбрать стабилитрон VS1.

• Определяем напряжение нагрузки Uвых. Оно нам, как правило, известно.
• Определяем максимальный ток нагрузки Iнmax. Можно измерить или рассчитать.
• Лезем в справочник и ищем стабилитрон на напряжение Uвых, такой, что выполняется условие . (0.8 — потому что мы хотим 20% запаса по току).
• Рассчитываем ёмкость гасящего конденсатора С1 по формуле

Пример расчёта

Предположим, что напряжение питания нагрузки будет

и максимальный ток потребления нагрузки будет

.

Лезем в справочник и находим там такой стабилитрон: КС447А. Напряжение стабилизации около 5В. Iстmin=3мА, Iстmax=160мА.

Проверяем. Неравенство — выполняется, значит стабилитрон подходит по току.

Рассчитываем конденсатор С1: . Не забываем, что для бытовой сети 220В конденсатор С1 должен быть на напряжение 400В.

Фильтр или конденсатор С2

Диодный мост, как известно, не даёт выпрямленного напряжения: на его выходе напряжение пульсирующее.

Чтобы сгладить пульсации применяется фильтрующий конденсатор С2. Как рассчитать его ёмкость?

Как обычно, можно применить два метода — точный и упрощённый. Точный метод учитывает, что конденсатор разряжается по экспоненте и прочие нюансы. Но помня о том, что конденсаторы выбрать точно на нужную ёмкость нельзя (разброс ёмкости в 10-15% это норма), мы допустим некоторые упрощения, которые на результат практически не повлияют.

Чтобы понять, как рассчитать ёмкость конденсатора С2, вспомним, что такое выпрямитель. Посмотрим на рисунок ниже. Примерно так выглядят графики зависимости напряжений от времени в нашей схеме, использующей в качестве выпрямителя диодный мост.

Синяя линяя, обозначенная цифрой 1 — это переменное напряжение на входе диодного моста (точки 1 и 2 на схеме БИП).

Красная линия, обозначенная цифрой 2 — это напряжение на стабилитроне VS1, в отсутствие сглаживающего конденсатора С2 или пульсирующее напряжение (представим, что С2 временно «откусили» от схемы). И, наконец, зелёная линия, обозначенная цифрой 3 — это сглаженное выпрямленное напряжение, когда конденсатор С2 подключён.

Нефильтрованное (пульсирующее) напряжение на выходе выпрямителя (линия 2) по амплитуде чуть меньше, чем напряжение на входе выпрямителя (линия 1). Это объясняется просто: на диодах падает несколько десятых долей вольта.

Зелёная линия 3 показывает процесс заряда и разряда конденсатора С2. Максимальное напряжение, на которое способен зарядиться в нашей схеме — это напряжение на стабилитроне VS1. Затем конденсатор начинает разряжаться до тех пор, пока в следующем периоде не начнёт заряжаться вновь.

Амплитуда пульсаций — это напряжение, на которое успел разрядиться конденсатор С2 за один период пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя (линия 2).

Посчитать приближенно амплитуду пульсаций несложно, если принять ток разряда за константу — это будет максимальный ток потребления нагрузки Rн, который мы обозначили Iнmax.

По основной формуле конденсатора можно приблизительно посчитать, что: , где — это амплитуда пульсаций, a — период времени один период пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя (линия 2).

На рисунке наглядно видно, что период равен половине периода напряжения питающей сети, или , где f — частота напряжения питающей сети (50Гц).

Таким образом, подставив одну формулу в другую, получим: или .

Теперь самое сложное — выбрать, а какая же амплитуда пульсаций нас устроит? Если в нагрузке есть свой линейный стабилизатор, то в принципе достаточно, чтобы амплитуда пульсаций была на уровне 10-20%. Например, часто в самой нагрузке Rн есть какой-то стабилизатор — 7805 или AMS1117 или ещё что-то подобное.

Если же предполагается питать цифровую схему прямо от нашего БИП без дополнительной стабилизации — то коэффициент пульсаций более 5% лучше не задавать.

Предположим, что схема у нас питается от 5В и имеет максимальный ток потребления 100мА. Коэффициент пульсаций задан 5%. Это значит, что будет равна 5% от 5В или 0.25В. Частота сети — 50Гц.

Отсюда находим ёмкость конденсатора С2 — . Нехилая такая ёмкость! Тем более, что ближайшая бОльшая ёмкость 4700мкФ. Это довольно габаритный конденсатор даже на напряжение 10В.

Если же схема имеет внутри линейный стабилизатор, например AMS1117, то уровень пульсаций можно выбрать в 20%, при этом ёмкость конденсатора С2 будет всего около 1000мкФ.

Резисторы R1 и R2 — нужные и важные

Вернёмся к резисторам

и

, о которых мы временно забыли.

С резистором R2 всё просто — он нужен для безопасности человека. То есть для того, чтобы конденсатор C1 разряжался после отключения схемы от питания. Иначе, если R2 не поставить, то конденсатор C1 будет довольно долго сохранять свой заряд после отключения питания от схемы. И если к нему прикоснуться — то вас ударит током. Очень неприятно. Резистор R2 можно не рассчитывать, а просто поставить любой сопротивлением 0.5 — 1 МОм. При таком сопротивлении ток через этот резистор будет мизерным и на работу схемы не повлияет.

С резистором R1 все сложнее. В процессе работы БИП он вроде бы не нужен. И это действительно так.

Но есть ещё момент включения БИП в сеть. И если в этот момент напряжение сети близко к амплитудному значению — то схема может сгореть. Даже почти наверняка сгорит.

Дело в том, что в момент включения, конденсатор С1 разряжен. А разряженный конденсатор на какое-то время (пока достаточно не зарядится) является по сути проводником. То есть все сетевое напряжение окажется на диодном мосту, нагрузке, стабилитроне и токи при этом будут просто огромны.

Поэтому и ставят резистор R1, функция которого — ограничить ток в момент включения. Например, если поставить R1 сопротивлением всего 10 Ом, то ток включения будет ограничен в самом худшем случае величиной около 30А. А такой ток в течении нескольких микросекунд уже вполне под силу выдержать большинству стабилитронов, не говоря уж о выпрямительных диодах диодного моста.

Обычно этот резистор так выбирают в пределах 10-30 Ом. Только имейте ввиду, что его мощность должна быть не меньше, чем . Например, если общий ток, потребления схемы 150мА, то мощность резистора R1 сопротивлением 27 Ом должна быть не менее .

Рекомендуется ставить резистор R1 не «впритык» по мощности, а с запасом. Например, в нашем случае — это 1.5 — 2Вт. Греться будет меньше.

Кроме того, заметьте, что резисторы R1 и R2 должны быть рассчитаны на пиковое напряжение не менее 400В: напряжение сети в момент включения полностью подается на R1, в рабочем режиме почти все напряжение сети подается на R2, подключенный параллельно конденсатору C1.

Заключение

Надеюсь, что после прочтения, у читателей появилось понимание, что такое БИП и как оно работает.

Статья получилась несколько длиннее того, что хотелось бы. Но на самом деле тут рассмотрены только азы из азов. Если расписывать дальнейшие модификации БИП — то выйдет, наверное, брошюра или даже книга.

Прошу извинить за некоторые неточности и упрощения, которые, несомненно, бросятся в глаза опытным электронщикам.

Те, кто увидит ошибки или что-то, что стоит исправить и дополнить в разумных пределах — прошу не стесняться и писать в комментарии, на почту [email protected] или на мой
сайт в раздел «Контакты».

Заранее спасибо за отклики.

Расчёт блока питания с гасящим конденсатором + онлайн-калькулятор — radiohlam.ru

Осторожно, текст под спойлером перегружен физикой!

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 (U_M) и ток через конденсатор C₁ (I_C1), опираясь на график сетевого напряжения U_С(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:

U_C=U_C1+U_М (1), i_C=i_C1+i_М (2)

В момент времени t₀ уравнение напряжения примет вид: Uca=U_C1+U_М. Поскольку Uca — это максимальное значение сетевого напряжения, то U_C1 и U_М 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 U_М 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 (U_C) начинает уменьшаться. При этом напряжение на C₁ не меняется (тока-то через мост нет, заряд на C₁ не меняется), следовательно вместе с падением U_C 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 I_C1(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]

Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания. . Обзоры товаров из Китая.

При всей своей простоте он имеет и два минуса:
1. Он гальванически связан с сетью! потому такие БП используются там, где нет вероятности прикосновения к контактам.
2. Такой Бп имеет не очень большой выходной ток. При увеличении выходного тока надо увеличивать емкость гасящего конденсатора и его габариты становятся существенными.

Внимание, будьте очень аккуратны, не прикасайтесь к контактам этого БП когда он включен.

Простейшая схема данного БП выглядит так:

Как можно увидеть из схемы, последовательно с сетью стоит конденсатор. Он то и является балластом,, на котором гасится часть напряжения.
Конденсатор не пропускает постоянный ток, но так как в сети переменный и конденсатор в итоге постоянно перезаряжется, то и получается, что в таком случае ток на выходе есть. Причем сила тока напрямую зависит от емкости конденсатора.

Собственно потому для расчета емкости конденсатора необходимо знать как минимум выходной ток нашего будущего БП, причем надо учесть и потребление стабилизатора, обычно это несколько мА.

И так. Есть две формулы, сложная и простая.
Сложная — подходит для расчета при произвольном выходном напряжении.
Простая — подходит в ситуациях, когда выходное напряжение не более 10% от входного.
I — выходной ток нашего БП
Uвх — напряжение сети, например 220 Вольт
Uвых — напряжение на выходе БП (или до стабилизаторе если такой есть), например 12 Вольт.
С — собственно искомая емкость.

Например я хочу сделать БП с выходным током до 150мА. Пример схемы приведен выше, вариант применения — радиопульт с питанием 5 Вольт + реле на 12 Вольт.
Подставляем наши 0.15 Ампера и получаем емкость 2.18мкФ, можно взять ближайший номинал из стандартных — 2,2мкФ, ну или «по импортному» — 225.

Все как бы вроде хорошо, схема простая, но есть несколько минусов, которые надо исключить:
1. Бросок тока при включении может сжечь диодный мост.
2. При выходе из строя конденсатора может быть КЗ
3. Если оставить как есть, то вполне можно получить разряд от входного конденсатора, так как на нем может долго присутствовать напряжение даже после отключения БП от сети.
4. При снятии нагрузки напряжение на конденсаторе до стабилизатора поднимется до довольно большого значения.

Решения:
1. Резистор R1 последовательно с конденсатором
2. Предохранитель 0.5 Ампера.
3. Резистор R2 параллельно конденсатору.
4. Супрессор на 12 Вольт параллельно конденсатору после диодного моста. Я не рекомендую здесь использовать стабилитроны, супрессоры рассчитаны на большую мощность рассеивания и схема будет работать надежнее.

На схеме красным цветом я выделил новые компоненты, синим — небольшое дополнение в виде светодиода.

Но гасящие конденсаторы используют часто и в дешевых светодиодных лампах. Это плохо, так как у таких ламп меньше надежность и часто высокие пульсации света.
Ниже упрощенный вариант схемы такой лампы.

Попробуем рассчитать емкость для такого применения, но так как напряжение на выходе будет явно больше чем 1/10 от входного, то применим первую формулу.
В качестве выходного напряжения я заложил 48 Вольт, 16 светодиодов по 3 Вольта на каждом. Конечно это все условно, но близко к реальности.
Ток — 20мА, типичный максимальный ток для большинства индикаторных светодиодов.

У меня вышло, что необходим конденсатор емкостью 0.298 мкФ. Ближайший из распространенных номиналов — 0.27 или 0.33мкФ. Первый встречается гораздо реже, а второй уже будет давать превышение тока, потому можно составить конденсатор из двух параллельных, например по 0.15мкФ. При параллельном включении емкость складывается.

С емкостью разобрались, осталось еще пара моментов:
1. Напряжение конденсатора
2. Тип конденсатора.

С напряжением все просто, можно применить конденсатор на 400 Вольт, но надежнее на 630, хоть они и имеют больше размер.

С типом чуть сложнее. Для такого применения лучше использовать конденсаторы, которые изначально предназначены для такого использования, например К73-17, CL21, X2
На фото конденсатор CL21

А это более надежный вариант, не смотрите что на нем указано 280 Вольт, у него это значение переменного действующего напряжения и он будет работать надежнее, чем К73-17 или CL21.

Такие конденсаторы могут выглядеть и так

А вот теперь можно еще раз внимательно посмотреть, что надо для того, чтобы собрать такой «простой» блок питания и решить, нужен ли он.
В некоторых ситуациях да, он поможет, но он имеет кучу минусов, потому на мой взгляд лучше применить просто небольшой импульсный блок питания, который уже имеет стабилизированное выходное напряжение, гальваническую изоляцию и больший выходной ток.
Как пример таких блоков питания я могу дать ссылку на подробный обзор четырех вариантов, с тестами, схемами и осмотров.

Но можно поступить еще лучше. Сейчас получили распространение монолитные блоки питания. По сути кубик, в котором находится миниатюрный БП
Например HLK-PM01 производства Hi-link, стоимостью около двух долларов за штуку.

Или их китайский аналог TSP-05 производства Tenstar robot. Они немного дешевле, 1.93 доллара за штуку.
Практика показала, что качество у них сопоставимое.

Как я писал выше, они представляют из себя импульсный Бп в модульном исполнении. БП в пластмассовом корпусе залитый эпоксидной смолой.
Выпускаются на разные напряжения и способны поддерживать его на довольно стабильном уровне.

Внутренности поближе, на фото вариант от Hi-link

На этом вроде все. Надеюсь, что статья была полезна, постараюсь и в будущем находить интересные темы. Также интересны пожелания, что хотелось бы видеть в рубрике — Начинающим.

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.

Бестрансформаторный блок питания на 3 вольта

В каждой современной квартире имеется большое количество всевозможных гаджетов, требующих постоянного электрического питания. В основном они работают от различных батареек, с относительно коротким сроком службы. Многие хозяева пытаются подключать эти устройства через обычные сетевые блоки питания на 12 В, но в большинстве случаев это не очень удобно. Основная причина заключается в больших размерах и весе понижающих трансформаторов, которые требуют себе отдельного места. Выйти из положения поможет бестрансформаторный блок питания, изготовленный на основе гасящего конденсатора.

Основным условием его нормальной работы является правильное выполнение всех необходимых расчетов. В этом случае данное устройство обеспечит надежное функционирование аппаратуры в полном автономном режиме.

Общее устройство и принцип действия

Представленная схема отличается простотой, надежностью и эффективностью. Она может быть изготовлена не только методом навесного монтажа, но и в виде печатной платы. Данная схема на двенадцать вольт является рабочей, требуется лишь заранее рассчитать параметры балластового гасящего конденсатора и подобрать нужное значение тока для конкретного устройства. Практически можно сделать 5,5-вольтовый блок с возможностью увеличения напряжения до 25 В.

Основой устройства служит балластовый конденсатор, гасящий сетевое напряжение. После этого ток попадает в диодный выпрямитель, а второй конденсатор выполняет функцию фильтра. Иногда возникает необходимость быстро разрядить оба конденсатора. С этой целью в схеме предусмотрены резисторы R1 и R2. Еще один резистор R3 используется в качестве ограничителя тока при включении нагрузки.

Расчет балластного конденсатора выполняется до сборки схемы. Для этого используется простая формула С = 3200хI/Uc, в которой I является током нагрузки (А), Uc – сетевым напряжением, С – емкостью конденсатора (мкФ). Чаще всего такие расчеты используются для светодиодов.

В качестве примера можно взять любой прибор с током 150 мА. Это может быть обычная светодиодная лампа. Сетевое напряжение будет 230 В. Таким образом, 3200 х 0,15/230 = 2,08 мкФ. Номинал конденсатора выбирается наиболее близко к расчетному, то есть, его емкость составит 2,2 мкФ, а расчетное напряжение – 400 В.

Такой простейший бестрансформаторный блок не имеет гальванической развязки с питающей сетью. В связи с этим должна быть обеспечена надежная изоляция всех соединений, а само устройство – помещено в корпус из диэлектрического материала.

Основные рабочие схемы

В большинстве случаев используются две схемы источников БП. Как правило, каждый из них представляет собой бестрансформаторный блок питания с гасящим конденсатором, который служит основным элементом данных приборов. Теоретически считается, что в цепях переменного тока эти устройства вообще не потребляют мощности. Однако в реальности в конденсаторах возникают определенные потери, что приводит к выделению некоторого количества тепла.

Поэтому все конденсаторы подвергаются предварительной проверке на возможность использования его в блоке питания. Для этого их подключают к электрической сети и отслеживают колебания температуры через некоторый промежуток времени. Если конденсатор заметно разогревается, то его нельзя использовать в качестве конструктивного элемента. Допускается лишь незначительный нагрев, неспособный повлиять на общую работоспособность устройства.

1.

Представленные на рисунках источники питания имеют конденсаторный делитель. На рисунке 1 представлен делитель общего назначения на 5 В, рассчитанный на токовую нагрузку до 0,3 А. На рисунке 2 отображается схема источника бесперебойного питания, который применяется в электронно-механических кварцевых часах.

В первой схеме делитель напряжения включает в себя бумажный конденсатор С1 и два оксидных конденсатора С2 и С3. Оба последних элемента составляют неполярное плечо, расположенное ниже С1. Его общая емкость составляет 100 мкФ. Составные части диодного моста, расположенные слева, выступают в качестве поляризующих диодов, предназначенных для оксидной пары С2 и С3. На схеме указаны номиналы элементов, в соответствии с которыми на выходе ток короткого замыкания будет равен 600 мА, а напряжение на конденсаторе С4 без нагрузки – 27 вольт.

2.

Вторая схема бестрансформаторного блока питания предназначена для замены батареек (1,5В), используемых в качестве источника питания в электронно-механических часах. Напряжение, вырабатываемое блоком питания, составляет 1,4 В при средней токовой нагрузке 1 мА. Напряжение на конденсаторе С3 без нагрузки не превышает 12 В. Оно снимается с делителя, поступает на узел с элементами VD1 и VD2, где и происходит его выпрямление.

В каждом из этих вариантов рекомендуется использовать два дополнительных резистора вспомогательного назначения. Первый элемент с сопротивлением от 300 кОм до 1 мОм подключается параллельно с гасящим конденсатором. С помощью данного резистора ускоряется его разрядка, после того как устройство отключено от сети.

Другой резистор имеет сопротивление от 10 до 50 Ом и считается балластным. Он подключается в разрыв какого-либо сетевого провода последовательно с гасящим конденсатором. Данный резистор ограничивает ток, проходящий через диодный мост при подключении устройства к сети. Оба резистора должны обладать мощностью рассеяния не менее 0,5 Вт, позволяющей предотвратить вероятные поверхностные пробои этих деталей действием высокого напряжения. Балластный резистор снижает нагрузку на стабилитрон, но одновременно наблюдается рост средней мощности, потребляемой самим блоком питания.

Расчеты основных параметров

Для того чтобы устройство было работоспособным и надежно функционировало, необходимо выполнить предварительный расчет бестрансформаторного блока питания. С этой целью потребуется рассчитать основные параметры:

• Емкостное сопротивление. При включении конденсатора в цепь переменного тока, он начинает оказывать влияние на силу тока, протекающего по этой цепи, то есть на определенном этапе он становится сопротивлением. Чем больше емкость конденсатора и частота переменного тока, тем меньше величина емкостного сопротивления и наоборот. Для расчетов используется формула X_C = 1 /(2πƒC), где Х_С – емкостное сопротивление, f – частота, С – емкость. Ускорить расчеты и получить точные данные поможет онлайн-калькулятор, в который достаточно лишь ввести исходные данные.
• Сопротивление нагрузки (Rн). Его расчет позволяет выяснить, до какого значения Rн может быть уменьшено, чтобы Напряжение нагрузки стало равным напряжению стабилизации. Когда необходимо изготовить блок питания своими руками, рекомендуется воспользоваться справочной таблицей, поскольку формулы слишком сложные и не дают точных результатов.
• Напряжение гасящего конденсатора. Этот показатель обычно составляет не менее 400 В, при сетевом напряжении 220 вольт. В некоторых случаях используется более мощный элемент, с номинальным напряжением 500 или 600 В. Для бестрансформаторных блоков подходят не все типы конденсаторов. Например, устройства МБПО, МБГП, МБМ, МБГЦ-1 и МБГЦ-2 не могут работать в цепях переменного тока, в которых амплитудное значение напряжения более 150 В.

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.

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.

Блог о электронике

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).

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

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.
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.

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:

• 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:

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.

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:

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.

[ads1]

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 <<

Бестрансформаторный блок питания: схемы и расчет

В каждой современной квартире имеется большое количество всевозможных гаджетов, требующих постоянного электрического питания. В основном они работают от различных батареек. Многие хозяева пытаются подключать эти устройства через обычные сетевые блоки питания на 12 В, но в большинстве случаев это не очень удобно. Основная причина заключается в больших размерах понижающих трансформаторов, которые требуют себе отдельного места. Выйти из положения поможет бестрансформаторный блок питания, изготовленный на основе гасящего конденсатора.

Общее устройство и принцип действия

Представленная схема отличается простотой, надежностью и эффективностью. Она может быть изготовлена не только методом навесного монтажа, но и в виде печатной платы. Данная схема на двенадцать вольт является рабочей, требуется лишь заранее рассчитать параметры балластового гасящего конденсатора и подобрать нужное значение тока для конкретного устройства. Практически можно сделать 5,5-вольтовый блок с возможностью увеличения напряжения до 25 В.

Основой устройства служит балластовый конденсатор, гасящий сетевое напряжение. После этого ток попадает в диодный выпрямитель, а второй конденсатор выполняет функцию фильтра. Иногда возникает необходимость быстро разрядить оба конденсатора. С этой целью в схеме предусмотрены резисторы R1 и R2. Еще один резистор R3 используется в качестве ограничителя тока при включении нагрузки.

Расчет балластного конденсатора выполняется до сборки схемы. Для этого используется простая формула С = 3200хI/Uc, в которой I является током нагрузки (А), Uc – сетевым напряжением, С – емкостью конденсатора (мкФ). Чаще всего такие расчеты используются для светодиодов.

В качестве примера можно взять любой прибор с током 150 мА. Это может быть обычная светодиодная лампа. Сетевое напряжение будет 230 В. Таким образом, 3200 х 0,15/230 = 2,08 мкФ. Номинал конденсатора выбирается наиболее близко к расчетному, то есть, его емкость составит 2,2 мкФ, а расчетное напряжение – 400 В.

Такой простейший бестрансформаторный блок не имеет гальванической развязки с питающей сетью. В связи с этим должна быть обеспечена надежная изоляция всех соединений, а само устройство – помещено в корпус из диэлектрического материала.

Основные рабочие схемы

В большинстве случаев используются две схемы источников БП. Как правило, каждый из них представляет собой бестрансформаторный блок питания с гасящим конденсатором, который служит основным элементом данных приборов. Теоретически считается, что в цепях переменного тока эти устройства вообще не потребляют мощности. Однако в реальности в конденсаторах возникают определенные потери, что приводит к выделению некоторого количества тепла.

Поэтому все конденсаторы подвергаются предварительной проверке на возможность использования его в блоке питания. Для этого их подключают к электрической сети и отслеживают колебания температуры через некоторый промежуток времени. Если конденсатор заметно разогревается, то его нельзя использовать в качестве конструктивного элемента. Допускается лишь незначительный нагрев, неспособный повлиять на общую работоспособность устройства.

1.

Представленные на рисунках источники питания имеют конденсаторный делитель. На рисунке 1 представлен делитель общего назначения на 5 В, рассчитанный на токовую нагрузку до 0,3 А. На рисунке 2 отображается схема источника бесперебойного питания, который применяется в электронно-механических кварцевых часах.

В первой схеме делитель напряжения включает в себя бумажный конденсатор С1 и два оксидных конденсатора С2 и С3. Оба последних элемента составляют неполярное плечо, расположенное ниже С1. Его общая емкость составляет 100 мкФ. Составные части диодного моста, расположенные слева, выступают в качестве поляризующих диодов, предназначенных для оксидной пары С2 и С3. На схеме указаны номиналы элементов, в соответствии с которыми на выходе ток короткого замыкания будет равен 600 мА, а напряжение на конденсаторе С4 без нагрузки – 27 вольт.

2.

Вторая схема бестрансформаторного блока питания предназначена для замены батареек (1,5В), используемых в качестве источника питания в электронно-механических часах. Напряжение, вырабатываемое блоком питания, составляет 1,4 В при средней токовой нагрузке 1 мА. Напряжение на конденсаторе С3 без нагрузки не превышает 12 В. Оно снимается с делителя, поступает на узел с элементами VD1 и VD2, где и происходит его выпрямление.

В каждом из этих вариантов рекомендуется использовать два дополнительных резистора вспомогательного назначения. Первый элемент с сопротивлением от 300 кОм до 1 мОм подключается параллельно с гасящим конденсатором. С помощью данного резистора ускоряется его разрядка, после того как устройство отключено от сети.

Другой резистор имеет сопротивление от 10 до 50 Ом и считается балластным. Он подключается в разрыв какого-либо сетевого провода последовательно с гасящим конденсатором. Данный резистор ограничивает ток, проходящий через диодный мост при подключении устройства к сети. Оба резистора должны обладать мощностью рассеяния не менее 0,5 Вт, позволяющей предотвратить вероятные поверхностные пробои этих деталей действием высокого напряжения. Балластный резистор снижает нагрузку на стабилитрон, но одновременно наблюдается рост средней мощности, потребляемой самим блоком питания.

Расчеты основных параметров

Для того чтобы устройство было работоспособным и надежно функционировало, необходимо выполнить предварительный расчет бестрансформаторного блока питания. С этой целью потребуется рассчитать основные параметры:

• Емкостное сопротивление. При включении конденсатора в цепь переменного тока, он начинает оказывать влияние на силу тока, протекающего по этой цепи, то есть на определенном этапе он становится сопротивлением. Чем больше емкость конденсатора и частота переменного тока, тем меньше величина емкостного сопротивления и наоборот. Для расчетов используется формула X_C = 1 /(2πƒC), где Х_С – емкостное сопротивление, f – частота, С – емкость. Ускорить расчеты и получить точные данные поможет онлайн-калькулятор, в который достаточно лишь ввести исходные данные.
• Сопротивление нагрузки (Rн). Его расчет позволяет выяснить, до какого значения Rн может быть уменьшено, чтобы Напряжение нагрузки стало равным напряжению стабилизации. Когда необходимо изготовить блок питания своими руками, рекомендуется воспользоваться справочной таблицей, поскольку формулы слишком сложные и не дают точных результатов.
• Напряжение гасящего конденсатора. Этот показатель обычно составляет не менее 400 В, при сетевом напряжении 220 вольт. В некоторых случаях используется более мощный элемент, с номинальным напряжением 500 или 600 В. Для бестрансформаторных блоков подходят не все типы конденсаторов. Например, устройства МБПО, МБГП, МБМ, МБГЦ-1 и МБГЦ-2 не могут работать в цепях переменного тока, в которых амплитудное значение напряжения более 150 В.

Цепь конденсаторного источника питания

Одна из основных проблем, которая должна быть решена при проектировании электронной схемы, — это производство низковольтного источника постоянного тока от сети для питания схемы. Обычный метод — это использование понижающего трансформатора для понижения 230 В переменного тока до желаемого уровня низкого напряжения переменного тока. Самый простой, компактный и недорогой метод — это использование конденсатора падения напряжения, подключенного последовательно к фазной линии.

Выбор понижающего конденсатора и схемы схемы требует определенных технических знаний и практического опыта для получения желаемого напряжения и тока.Обычный конденсатор не справится с этой задачей, так как устройство будет разрушено быстрым током от сети. Скачки напряжения в сети создадут дыры в диэлектрике, и конденсатор перестанет работать. Конденсатор класса X, предназначенный для использования в сети переменного тока, необходим для снижения напряжения переменного тока.

Схема конденсаторной цепи питания

X Номинальный конденсатор 400 Вольт

Перед тем, как выбрать сбрасывающий конденсатор, необходимо понять принцип работы и принцип действия сбрасывающего конденсатора.Конденсатор класса X рассчитан на 250, 400, 600 В переменного тока. Также доступны версии с более высоким напряжением. Эффективное сопротивление (Z), сопротивление (X) и частота сети (50–60 Гц) являются важными параметрами, которые следует учитывать при выборе конденсатора. Реактивное сопротивление (X) конденсатора (C) на частоте сети (f) можно рассчитать по формуле:

X = 1 / (2 ¶ fC)

Например, реактивное сопротивление конденсатора 0,22 мкФ, работающего при частоте сети 50 Гц, будет:

X = 1 / {2 ¶ x 50 x 0.22 x (1/1 000 000)} = 14475,976 Ом или 14,4 кОм.

Сопротивление конденсатора 0,22 мкФ рассчитывается как X = 1 / 2Pi * f * C
, где f — частота сети 50 Гц, а C — значение емкости конденсатора в фарадах. То есть 1 микрофарад равен 1/1000000 фарад. Следовательно, 0,22 микрофарада — это 0,22 x 1/1000000 фарад. Следовательно, прямое сопротивление конденсатора составляет 14475,97 Ом или 14,4 кОм. Чтобы получить ток, я делю напряжение сети на прямое сопротивление в килоомах.То есть 230 / 14,4 = 15,9 мА.

Эффективный импеданс (Z) конденсатора определяется путем принятия сопротивления нагрузки (R) в качестве важного параметра. Импеданс можно рассчитать по формуле:

Z = √ R + X

Предположим, что ток в цепи равен I, а напряжение сети равно V, тогда уравнение выглядит следующим образом:

I = V / X

Таким образом, окончательное уравнение принимает вид:

I = 230 В / 14.4 = 15,9 мА.

Следовательно, если используется конденсатор 0,22 мкФ, рассчитанный на 230 В, он может выдавать в цепь ток около 15 мА. Но для многих схем этого недостаточно. Поэтому для таких цепей рекомендуется использовать конденсатор емкостью 470 нФ, рассчитанный на 400 В, чтобы обеспечить требуемый ток.

X Номинальные конденсаторы переменного тока — 250 В, 400 В, 680 В переменного тока

Таблица, показывающая типы конденсаторов с номиналом X, а также выходное напряжение и ток без нагрузки

Исправление

Диоды, используемые для выпрямления, должны иметь достаточное пиковое обратное напряжение (PIV).Пиковое обратное напряжение — это максимальное напряжение, которое диод может выдержать при обратном смещении. Диод 1N4001 выдерживает до 50 Вольт, а 1N4007 — до 1000 Вольт. Важные характеристики выпрямительных диодов общего назначения приведены в таблице.

Так что подходящий вариант — выпрямительный диод 1N4007. Обычно у кремниевого диода прямое падение напряжения составляет 0,6 В. Номинальный ток (прямой ток) выпрямительных диодов также может быть разным. Большинство выпрямительных диодов общего назначения серии 1N имеют номинальный ток 1 А.

Сглаживание постоянным током

Сглаживающий конденсатор используется для генерации постоянного тока без пульсаций. Сглаживающий конденсатор также называется фильтрующим конденсатором, и его функция заключается в преобразовании полуволнового / двухполупериодного выходного сигнала выпрямителя в плавный постоянный ток. Номинальная мощность и емкость — два важных аспекта, которые следует учитывать при выборе сглаживающего конденсатора. Номинальная мощность должна быть больше, чем выходное напряжение без нагрузки источника питания.

Значение емкости определяет количество пульсаций, которые появляются на выходе постоянного тока, когда нагрузка принимает ток.Например, двухполупериодный выпрямленный выход постоянного тока, полученный от сети переменного тока частотой 50 Гц, работающей в цепи, потребляющей ток 100 мА, будет иметь размах колебаний 700 мВ от пика до пика в конденсаторе фильтра номиналом 1000 мкФ.

Пульсации, возникающие в конденсаторе, прямо пропорциональны току нагрузки и обратно пропорциональны значению емкости. Лучше поддерживать пульсации ниже 1,5 В от пика к пику при полной нагрузке. Поэтому для получения постоянного тока на выходе без пульсаций необходимо использовать конденсатор высокой емкости (1000 мкФ или 2200 мкФ) с номинальным напряжением 25 В или более.Если пульсация будет чрезмерной, это повлияет на работу схемы, особенно RF и IR схем.

Регулирование напряжения

используется для генерации регулируемого выхода постоянного тока. Стабилитрон предназначен для работы в области обратного пробоя. Если кремниевый диод смещен в обратном направлении, достигается точка, в которой его обратный ток внезапно увеличивается. Напряжение, при котором это происходит, называется значением диода «лавина или стабилитрон». Стабилитроны специально созданы для использования эффекта лавины в стабилизаторах «опорного напряжения».

Стабилитрон может использоваться для генерации фиксированного напряжения путем пропускания через него ограниченного тока с помощью последовательного резистора (R). R не оказывает серьезного влияния на выходное напряжение стабилитрона, и выходное напряжение остается стабильным опорным напряжением. Но важен ограничительный резистор R, без которого стабилитрон выйдет из строя. Даже при изменении напряжения питания R будет принимать любое избыточное напряжение. Значение R можно рассчитать по формуле:

R = Vin — Vz / Iz

Где Vin — входное напряжение, Vz выходное напряжение и Iz ток через стабилитрон
В большинстве схем Iz поддерживается на уровне 5 мА.Если напряжение питания составляет 18 В, напряжение, которое должно быть понижено на R, чтобы получить выходное напряжение 12 В, составляет 6 вольт. Если максимально допустимый ток Зенера составляет 100 мА, то R будет пропускать максимальный желаемый выходной ток плюс 5 мА.
Таким образом, значение R выглядит как:

R = 18 — 12/105 мА = 6/105 x 1000 = 57 Ом

Номинальная мощность стабилитрона также является важным фактором, который следует учитывать при выборе стабилитрона. По формуле P = IV .P — мощность в ваттах, ток I в амперах и V — напряжение. Таким образом, максимальное рассеивание мощности, которое может быть допущено в стабилитроне, — это напряжение стабилитрона, умноженное на ток, протекающий через него. Например, если стабилитрон 12 В пропускает ток 12 В постоянного тока и 100 мА, его рассеиваемая мощность составит 1,2 Вт. Поэтому следует использовать стабилитрон мощностью 1,3 Вт.

Светодиодный индикатор

используется в качестве индикатора включения. Значительное падение напряжения (около 2 вольт) происходит на светодиоде при прохождении прямого тока.Падение прямого напряжения различных светодиодов показано в таблице.

Типичный светодиод может пропускать ток 30–40 мА без повреждения устройства. Нормальный ток, обеспечивающий достаточную яркость стандартного красного светодиода, составляет 20 мА. Но это может быть 40 мА для синих и белых светодиодов. Токоограничивающий резистор необходим для защиты светодиода от протекающего через него избыточного тока. Номинал этого последовательного резистора должен быть тщательно выбран, чтобы предотвратить повреждение светодиода, а также получить достаточную яркость при токе 20 мА.Токоограничивающий резистор можно выбрать по формуле:

R = V / I

Где R — значение резистора в омах, В, — напряжение питания, а I — допустимый ток в амперах. Для типичного красного светодиода падение напряжения составляет 1,8 В. Таким образом, если напряжение питания составляет 12 В (Vs), падение напряжения на светодиоде составляет 1,8 В (Vf), а допустимый ток составляет 20 мА (если), то значение последовательного резистора будет

Vs — Vf / If = 12 — 1.8/20 мА = 10,2 / 0,02 А = 510 Ом.

Подходящее номинальное сопротивление резистора составляет 470 Ом. Но рекомендуется использовать резистор 1 кОм, чтобы продлить срок службы светодиода, даже если будет небольшое снижение яркости. Поскольку светодиод потребляет 1,8 вольта, выходное напряжение будет на 2 вольта меньше значения стабилитрона. Так что если для схемы требуется 12 вольт, необходимо увеличить значение стабилитрона до 15 вольт. Приведенная ниже таблица представляет собой готовый счетчик для выбора ограничительного резистора для различных версий светодиодов на разные напряжения.

Принципиальная схема

Схема, показанная ниже, представляет собой простой бестрансформаторный источник питания. Здесь используется конденсатор с номиналом 225 К (2,2 мкФ) 400 вольт X для падения 230 вольт переменного тока. Резистор R2 — это спускной резистор, который удаляет накопленный ток из конденсатора, когда цепь отключена. Без R2 есть шанс получить смертельный шок при прикосновении к цепи. Резистор R1 защищает схему от пускового тока при включении. Двухполупериодный выпрямитель, состоящий из D1 — D4, используется для выпрямления переменного тока низкого напряжения на конденсаторе C1, а C2 удаляет пульсации постоянного тока.При такой конструкции на выходе будет доступно около 24 В при токе 100 мА. Эти 24 В постоянного тока можно отрегулировать до требуемого выходного напряжения с помощью подходящего стабилитрона мощностью 1 Вт. Лучше добавить предохранитель в фазную линию и MOV между фазной и нейтральной линиями в качестве меры безопасности в случае скачка напряжения или короткого замыкания в сети.

Осторожно: Строительство этого источника питания рекомендуется только лицам, имеющим опыт или компетентность в работе с сетями переменного тока.Поэтому не пытайтесь использовать эту схему, если у вас нет опыта работы с высокими напряжениями.

В недостаток конденсаторного блока питания входит

• Нет гальванической развязки от сети, поэтому выход из строя блока питания может повредить гаджет.
• Слаботочный выход . С конденсаторным источником питания. Максимальный доступный выходной ток составляет 100 мА или меньше, поэтому для работы с мощными индуктивными нагрузками не рекомендуется.
• Выходное напряжение и ток не будут стабильными при изменении входного переменного тока.

Осторожно

Следует проявлять особую осторожность при проверке источника питания с использованием понижающего резистора. Не прикасайтесь ни к каким точкам на печатной плате, так как некоторые точки находятся под напряжением сети. Даже после выключения цепи не прикасайтесь к точкам вокруг падающего конденсатора, чтобы предотвратить поражение электрическим током. Следует проявлять особую осторожность при построении цепи, чтобы избежать короткого замыкания и возгорания. Между компонентами должно быть достаточное расстояние.

Высокомощный сглаживающий конденсатор взорвется, если он подключен с обратной полярностью.Капающий конденсатор неполяризован, поэтому его можно подключать любым способом. Блок питания необходимо изолировать от остальной части цепи с помощью изоляторов. Схема должна быть размещена в металлическом корпусе, не касаясь какой-либо части печатной платы в металлическом корпусе. Металлический корпус должен быть правильно заземлен.

Связанный продукт: Источники питания | Источник питания переменного тока в постоянный

— learn.sparkfun.com

Примеры применения

Существует множество приложений для этого изящного маленького (на самом деле, обычно они довольно большие) пассивного компонента.Чтобы дать вам представление об их широком диапазоне использования, вот несколько примеров:

Конденсаторы развязки (байпаса)

Многие конденсаторы, которые вы видите в схемах, особенно те, которые имеют интегральную схему, развязаны. Задача развязывающего конденсатора — подавить высокочастотный шум в сигналах источника питания. Они снимают с источника напряжения крошечные колебания напряжения, которые в противном случае могли бы нанести вред чувствительным микросхемам.

В каком-то смысле развязывающие конденсаторы действуют как очень маленький локальный источник питания для ИС (почти как источник бесперебойного питания для компьютеров).Если в источнике питания очень быстро падает напряжение (что на самом деле довольно часто, особенно когда цепь, которую он питает, постоянно переключает требования к нагрузке), разделительный конденсатор может кратковременно подавать питание с правильным напряжением. Вот почему эти конденсаторы также называются шунтирующими конденсаторами , конденсаторами; они могут временно действовать как источник питания, обходя источник питания.

Разделительные конденсаторы подключаются между источником питания (5 В, 3,3 В и т. Д.) И землей.Нередко для обхода источника питания используют два или более конденсаторов с разным номиналом или даже разных типов, потому что некоторые номиналы конденсаторов будут лучше, чем другие, при фильтрации определенных частот шума.

Хотя кажется, что это может привести к короткому замыканию между питанием и землей, только высокочастотные сигналы могут проходить через конденсатор на землю.Сигнал постоянного тока поступит на ИС, как и нужно. Другая причина, по которой они называются шунтирующими конденсаторами, заключается в том, что высокие частоты (в диапазоне кГц-МГц) обходят ИС, а не проходят через конденсатор, чтобы добраться до земли.

При физическом размещении развязывающих конденсаторов они всегда должны располагаться как можно ближе к ИС. Чем дальше они находятся, тем менее эффективны.

Вот схема физической схемы из схемы выше. Крошечная черная микросхема окружена двумя нулями.Конденсаторы 1 мкФ (коричневые крышки) и один электролитический танталовый конденсатор 10 мкФ (высокая прямоугольная крышка черного / серого цвета).

В соответствии с передовой инженерной практикой всегда добавляйте хотя бы один развязывающий конденсатор к каждой ИС. Обычно хорошим выбором является 0,1 мкФ или даже дополнительные конденсаторы на 1 мкФ или 10 мкФ. Это дешевое дополнение, и они помогают убедиться, что микросхема не подвергается сильным провалам или скачкам напряжения.

Фильтр источника питания

могут использоваться для преобразования переменного напряжения, выходящего из вашей стены, в постоянное напряжение, необходимое для большинства электронных устройств.Но сами по себе диоды не могут превратить сигнал переменного тока в чистый сигнал постоянного тока, им нужна помощь конденсаторов! При добавлении параллельного конденсатора к мостовому выпрямителю выпрямленный сигнал выглядит следующим образом:

Может быть преобразован в сигнал постоянного тока близкого к уровню, например:

Конденсаторы — упрямые компоненты, они всегда будут пытаться противостоять резким перепадам напряжения. Конденсатор фильтра будет заряжаться по мере увеличения выпрямленного напряжения. Когда выпрямленное напряжение, поступающее в конденсатор, начинает быстро снижаться, конденсатор получит доступ к своему банку накопленной энергии, и он будет очень медленно разряжаться, передавая энергию нагрузке.Конденсатор не должен полностью разрядиться, пока входной выпрямленный сигнал не начнет снова увеличиваться, заряжая конденсатор. Этот танец разыгрывается много раз в секунду, многократно, пока используется источник питания.

Цепь питания переменного тока в постоянный. Крышка фильтра (C1) имеет решающее значение для сглаживания сигнала постоянного тока, посылаемого в цепь нагрузки.

Если вы разорвите любой блок питания переменного тока в постоянный, вы обязательно найдете хотя бы один довольно большой конденсатор. Ниже показаны внутренности настенного адаптера постоянного тока на 9 В.Заметили там конденсаторы?

Конденсаторов может быть больше, чем вы думаете! Имеется четыре электролитических колпачка, напоминающих жестяную банку, в диапазоне от 47 мкФ до 1000 мкФ. Большой желтый прямоугольник на переднем плане — это высоковольтный колпачок из полипропиленовой пленки 0,1 мкФ. И синяя дискообразная крышка, и маленькая зеленая посередине — керамические.

Хранение и поставка энергии

Кажется очевидным, что если конденсатор накапливает энергию, одно из множества его применений — подача этой энергии в цепь, как аккумулятор.Проблема в том, что конденсаторы имеют гораздо более низкую плотность энергии , чем батареи; они просто не могут вместить столько же энергии, как химическая батарея того же размера (но этот разрыв сокращается!).

Достоинством конденсаторов является то, что они обычно служат дольше, чем батареи, что делает их лучшим выбором с экологической точки зрения. Они также способны выдавать энергию намного быстрее, чем аккумулятор, что делает их подходящими для приложений, которым требуется короткий, но большой всплеск мощности. Вспышка камеры может получать питание от конденсатора (который, в свою очередь, вероятно, заряжался от аккумулятора).

Фильтрация сигналов

обладают уникальной реакцией на сигналы различной частоты. Они могут блокировать низкочастотные компоненты или компоненты сигнала постоянного тока, позволяя при этом проходить более высоким частотам.Они как вышибалы в очень эксклюзивном клубе только для высоких частот.

Фильтрация сигналов может быть полезна во всех видах приложений обработки сигналов. Радиоприемники могут использовать конденсатор (среди других компонентов) для отключения нежелательных частот.

Другой пример фильтрации сигнала конденсатора — это пассивные схемы кроссовера внутри громкоговорителей, которые разделяют один аудиосигнал на множество. Последовательный конденсатор блокирует низкие частоты, поэтому оставшиеся высокочастотные части сигнала могут поступать на твитер динамика.При прохождении низких частот в цепи сабвуфера высокие частоты в основном могут быть шунтированы на землю через параллельный конденсатор.

Очень простой пример схемы кроссовера аудио. Конденсатор блокирует низкие частоты, а катушка индуктивности блокирует высокие частоты. Каждый из них может использоваться для доставки нужного сигнала настроенным аудиодрайверам.

Снижение рейтинга

При работе с конденсаторами важно проектировать схемы с конденсаторами, которые имеют гораздо более высокий допуск, чем потенциально самый высокий скачок напряжения в вашей системе.

Вот отличное видео от инженера SparkFun Шона о том, что происходит с различными типами конденсаторов, когда вы не можете снизить номинальные параметры конденсаторов и превысить их максимальное напряжение. Вы можете прочитать больше о его экспериментах здесь.

Емкость на выходе блока питания

Высокочастотные импульсные источники питания, такие как линия питания Magna-Power MagnaDC, используют большие батареи электролитических конденсаторов для фильтрации выходных пульсаций.Величина используемой емкости зависит от номинального пикового выходного напряжения устройства. В таблице 1 представлена ​​стандартная выходная емкость, используемая в SL Series . В таблице 2 представлена ​​стандартная выходная емкость, используемая в XR Series . В таблице 3 представлена ​​стандартная выходная емкость, используемая в TS серии . В таблице 4 представлена ​​стандартная выходная емкость, используемая в MS Series . Для получения информации о продуктах MT Series обратитесь в службу поддержки.Блоки с опцией High Slew Rate (+ HS) будут иметь меньшую емкость, которая подробно описана в ссылке на страницу опций со страниц соответствующих продуктов.

Примечание: Выходные конденсаторы источника питания следует использовать только для фильтрации пульсаций, создаваемых источником питания, а не пульсаций, создаваемых внешней нагрузкой на шине постоянного тока. Может потребоваться добавление внешней емкости для защиты источника питания, если внешняя нагрузка создает значительную пульсацию.

Таблица 1.Общая выходная емкость для продуктов серии MagnaDC SL.

Таблица 2.Общая выходная емкость для продуктов серии MagnaDC XR.

Таблица 3.Общая выходная емкость для продуктов MagnaDC серии TS.

Таблица 4. Общая выходная емкость для продуктов серии MagnaDC MS.

Конденсаторы 4 типов для фильтрации приложений в импульсных системах питания — Блог о пассивных компонентах

: блог Capacitor Faks

Саймон Ндириту из General Dielectrics объясняет некоторые основные рекомендации по выбору конденсаторной технологии в импульсных источниках питания.

Импульсные источники питания (ИИП) широко используются в современных электронных системах. Они популярны в основном благодаря своей впечатляющей эффективности, небольшому весу и небольшому объему. Надежность источника питания во многом определяет срок службы электронной системы. В случае персональных компьютеров 90% отказов могут быть связаны с проблемами, связанными с SMPS. Таким образом, ожидается, что системы электроснабжения будут обеспечивать высокую надежность.

Конденсаторы являются важными компонентами импульсной системы питания.И входной, и выходной каскады системы SMPS имеют конденсаторы. На входе используются выпрямитель и конденсатор для преобразования переменного напряжения в постоянное. Выходной каскад состоит из LC-фильтра, комбинации конденсатора и катушки индуктивности, которая удаляет шум и пульсации напряжения.

Типичная система импульсного источника питания имеет следующие ключевые компоненты: входной выпрямитель, входной фильтр, силовые переключатели, силовой трансформатор, выходной выпрямитель, выходные фильтры и схему управления.Входные и выходные фильтрующие конденсаторы ИИП выбираются в зависимости от требований к электрическим характеристикам. Эти конденсаторы в значительной степени определяют надежность системы SMPS.

Ключевые факторы, которые следует учитывать при выборе конденсатора для приложений фильтрации SMPS, включают эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), эквивалентную последовательную индуктивность (ESL), плотность емкости, температурные характеристики, диэлектрическую постоянную, характеристики напряжения, частотные характеристики и стоимость.Типы конденсаторов, которые обычно используются для входной и выходной фильтрации в импульсных системах питания, включают алюминиевые электролитические, танталовые, керамические и пленочные конденсаторы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы
В течение долгого времени проектировщики энергосистем использовали алюминиевые электролитические конденсаторы для входной и выходной фильтрации в импульсных системах питания. Эти конденсаторы обладают превосходной емкостью на единицу объема и недороги. Высокое значение CV алюминиевых электролитических конденсаторов достигается нанесением тонких слоев диэлектрического материала на протравленную алюминиевую металлическую фольгу.Превосходная плотность емкости и относительно низкая стоимость этих конденсаторов делают их популярным выбором для приложений фильтрации в импульсных источниках питания.

С другой стороны, алюминиевые электролитические конденсаторы имеют высокое эквивалентное последовательное сопротивление. Конструкция этих конденсаторов является основной причиной такого высокого ESR. Такое высокое значение ESR является серьезной проблемой в высокочастотных приложениях. Кроме того, на характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов значительно влияет воздействие высоких температур.

Испарение электролита сокращает срок службы алюминиевых электролитических конденсаторов. Кроме того, эти конденсаторы имеют полярность, и неправильное их подключение может привести к выходу из строя. Более того, в условиях перенапряжения алюминиевый электролитический конденсатор может взорваться.

Танталовые конденсаторы
Танталовые конденсаторы обладают высокой емкостью и обычно используются в приложениях фильтрации SMPS. Танталовый конденсатор имеет высокопористый анод, который обеспечивает большую площадь диэлектрической поверхности, следовательно, чрезвычайно высокую плотность CV.По сравнению с алюминиевыми электролитическими конденсаторами эти конденсаторы обладают лучшими характеристиками для фильтрации приложений в импульсных системах питания. Тем не менее стоимость производства этих конденсаторов выше, чем у алюминиевых электролитических конденсаторов.

На высоких частотах танталовые конденсаторы демонстрируют относительно высокое эквивалентное последовательное сопротивление и значительную потерю емкости. Для некоторых приложений фильтрации требуются конденсаторы с высоким номинальным напряжением. Танталовые конденсаторы менее эффективны для таких применений.Кроме того, производительность танталовых конденсаторов значительно ухудшается, если они подвергаются многократным циклам заряда / разряда. Кроме того, эти конденсаторы имеют высокие токи утечки и могут содержать токсичные ингредиенты.

Керамические конденсаторы
Для изготовления керамических конденсаторов доступны различные диэлектрические материалы. Выбор материала во многом зависит от желаемых эксплуатационных характеристик. Впечатляющие рабочие характеристики керамических конденсаторов делают их подходящим вариантом для входной и выходной фильтрации в системах SMPS.Как керамический диск, так и многослойные керамические конденсаторы (MLCC) используются в фильтрации SMPS. Хотя керамические дисковые конденсаторы стабильны в широком диапазоне температур и подходят для приложений, требующих высоких значений напряжения, многие производители перешли на многослойные керамические конденсаторы из-за их плотности CV.

Многослойные керамические конденсаторы способны достигать высоких уровней емкости. Возможность высоких уровней емкости — один из факторов, делающих эти конденсаторы подходящим вариантом для входной и выходной фильтрации в системах SMPS.Большинство керамических конденсаторов для фильтров SMPS основано на диэлектрических материалах класса II. По сравнению с диэлектрическими материалами класса I материалы класса II имеют более высокую диэлектрическую проницаемость. Свойства диэлектрического материала X7R класса II делают его одним из широко используемых материалов для создания конденсаторов для фильтрации импульсного источника питания. Хотя материалы класса II обладают более высокой диэлектрической проницаемостью, они демонстрируют снижение диэлектрической проницаемости при воздействии постоянного напряжения и старении.

По сравнению с алюминиевыми электролитическими конденсаторами, танталовыми конденсаторами и пленочными конденсаторами многослойные керамические конденсаторы имеют более низкое эквивалентное последовательное сопротивление. Это свойство помогает минимизировать потери мощности в фильтрах SMPS. Кроме того, низкое последовательное последовательное сопротивление (ESR) помогает снизить пульсации напряжения на выходе, что делает многослойные керамические конденсаторы лучшим вариантом для выходной фильтрации в импульсных источниках питания. По сравнению с другими конденсаторами, используемыми для фильтрации SMPS, многослойные керамические конденсаторы обеспечивают лучший ESL. Они также лучше справляются с пульсациями тока.Более того, MLCC бывают разных физических форматов и имеют широкий диапазон температурных характеристик, обычно до 250oC. Это свойство делает их подходящим вариантом для фильтрации SMPS в автомобильной, военной промышленности, при бурении скважин и других высокотемпературных применениях.

Процесс изготовления керамических конденсаторов включает их обжиг при высоких температурах. Обожженный керамический материал прочен на сжатие, но слаб при растяжении. Таким образом, воздействие на эти конденсаторы механических нагрузок может привести к отказу компонентов.Кроме того, конструкция керамических конденсаторов увеличивает их восприимчивость к тепловому удару. Поэтому важно учитывать условия эксплуатации при выборе конденсатора для приложений фильтрации SMPS. Кроме того, по сравнению с алюминиевыми электролитическими и танталовыми конденсаторами MLCC имеют более низкую плотность CV.

Пленочные конденсаторы
Пленочные / фольговые и металлизированные пленочные конденсаторы обладают впечатляющими свойствами самовосстановления. В большинстве пленочных конденсаторов используется диэлектрический материал из полипропилена или полиэстера.Полиэстер легко доступен и имеет высокую диэлектрическую проницаемость. С другой стороны, полипропилен имеет относительно низкий коэффициент рассеяния. Пленочные конденсаторы на основе полиэфира в основном используются в приложениях, где требуется высокий объемный КПД, в то время как конденсаторы на основе полипропилена в основном используются для приложений с высоким постоянным током и высоким напряжением / высокой частотой переменного тока. Конструкция пленочных конденсаторов позволяет им выдерживать экстремальные переходные процессы, что делает их лучшим вариантом для фильтрации SMPS в сильноточных приложениях.Кроме того, пленочные конденсаторы легкие, небольшие по размеру и относительно недорогие в производстве.

Хотя пленочные конденсаторы обладают впечатляющими характеристиками, которые делают их подходящим вариантом для многих приложений фильтрации SMPS, у них есть ограничения. Начнем с того, что эти конденсаторы имеют более высокое ESR и ESL по сравнению с керамическими конденсаторами. Кроме того, пленочные конденсаторы не подходят для высокотемпературных применений. Хотя некоторые пленочные конденсаторы рассчитаны на 125 ° C, большинство из них не подходят для температур выше 105 ° C.В приложениях переменного тока пленочные конденсаторы могут выйти из строя, если они подвергаются перенапряжению. Этот отказ вызван коронным разрядом.

Производительность и надежность импульсной системы питания во многом определяется входными и выходными фильтрующими конденсаторами. Типы конденсаторов, которые обычно используются для фильтрации в импульсных источниках питания, включают алюминиевые электролитические конденсаторы, танталовые конденсаторы, пленочные конденсаторы и керамические конденсаторы. Тип и количество конденсаторов, которые будут использоваться для конкретного применения, в основном зависят от условий эксплуатации источника питания.Выбор подходящих фильтрующих конденсаторов помогает максимально повысить надежность импульсной системы питания.

Почему конденсатор в фильтре источника питания слишком большой

Для всех преобразователей переменного тока в постоянный, независимо от того, являются ли они линейными источниками питания или имеют какой-либо переключающий элемент, требуется механизм, принимающий переменную мощность на стороне переменного тока и обеспечивающий постоянную мощность на стороне постоянного тока. Обычно большой фильтрующий конденсатор используется для поглощения и хранения энергии, когда мощность переменного тока выше, чем требуется для нагрузки постоянного тока, и для подачи энергии на нагрузку, когда мощность переменного тока ниже, чем требуется.На рис. 1 представлена ​​блок-схема входной и выходной мощности стандартного преобразователя переменного тока в постоянный с частотой сети переменного тока \ [\ omega \]. Независимо от специфики того, что находится внутри блока преобразователя, все преобразователи будут иметь переменную входную мощность и требовать постоянной выходной мощности.

Входная мощность на стороне переменного тока равна \ [p_ {ac} (t) = P_ {o} + P_ {o} cos (2 \ omega t) \], а выходная мощность на стороне постоянного тока равна \ [P_ { о} \]. Часть мощности пульсаций (\ [P_ {o} cos (2 \ omega t) \] — которая также выделена на графике диаграммы) должна быть устранена фильтром в преобразователе. Наиболее распространенный способ реализации этого фильтра — разместить на выходе большой конденсатор, как показано на рисунке 2.Это простое и экономичное решение, но, как мы увидим, конденсатор фильтра хранит гораздо больше энергии, чем фактически требуется для процесса фильтрации.

Размер выходного фильтра (т.е. требуемая емкость) определяется тем, сколько мощности должно быть обработано системой (\ [P_ {o} \]), частотой переменного напряжения (\ [\ omega \] радиан в секунду), выходное напряжение (\ [V_ {o} \]) и допустимая амплитуда размаха напряжения (\ [V_ {r} \]).Конкретное уравнение, связывающее все эти факторы с емкостью:

\ [C_ {filter} = \ frac {P_ {o}} {\ omega V_ {o} V_ {r}} \]

Пример системы с частотой сети 60 Гц, выходной мощностью 700 Вт при 390 В и максимальная пульсация 8 В, требуется емкость 595 мкФ. Если бы вы измерили выходное напряжение этой системы, это выглядело бы примерно так (обратите внимание, что пульсации на этом рисунке преувеличены для целей иллюстрации):

Конденсатор выполняет свою работу, поглощая энергию от источника переменного тока, когда предоставленная мощность переменного тока превышает необходимую мощность постоянного тока, и возвращая энергию в нагрузку постоянного тока, когда предоставленная мощность переменного тока меньше, чем требуется мощность постоянного тока. Проблема в том, что большая часть энергии, хранящейся в конденсаторе, не используется. Только небольшой поток мощности генерирует пульсации напряжения, которые фактически обрабатываются конденсатором. Однако вся эта неиспользованная накопленная энергия должна находиться в конденсаторе, чтобы довести напряжение конденсатора до напряжения, требуемого на выходе.Это похоже на бочку с водой на 10 000 литров с краном, расположенным в нескольких сантиметрах от верха: бочка должна быть почти полной, чтобы вывести воду, и вы можете выливать воду только до тех пор, пока она не окажется чуть ниже уровня воды. кран, то вам нужно снова его долить. Вся вода под краном непригодна для использования. В конденсаторе фильтра вся запасенная энергия, за исключением небольшого количества энергии, поглощаемой и высвобождаемой во время пульсации напряжения, также непригодна для использования, потому что вам нужно поддерживать выходное напряжение как можно более постоянным.

Если бы вы могли спроектировать схему, в которой вы могли бы контролировать пульсации мощности на конденсаторе, чтобы соответствовать пульсациям мощности на стороне переменного тока преобразователя и позволять напряжению качаться так сильно, как вы хотите, у вас был бы эффективный фильтр, который значительно уменьшить двойную пульсацию частоты линии. Лучшая часть этой схемы будет заключаться в том, что конденсатору не нужно будет накапливать дополнительную энергию, чтобы он мог работать. Сигналы напряжения, тока и мощности для такого конденсатора будут выглядеть примерно так:

Проектирование такой схемы возможно. Один из способов создания такой схемы — это добавить порт обработки мощности или пульсации, отдельный от входа переменного тока и выхода постоянного тока. Для этого порта пульсации потребуется запоминающий компонент (то есть конденсатор) и система управления для управления питанием порта. Порт должен будет накапливать энергию, когда мощность переменного тока слишком высока, и выделять энергию, когда мощность переменного тока слишком низкая, как показано на рисунке 4.Блок-схема порта пульсаций показана ниже на рисунке 5. Поскольку порт пульсаций отделен от портов ввода и вывода, ни один из портов не налагает никаких ограничений на напряжение порта пульсаций. Как вы увидите, вы можете уменьшить емкость до произвольно низкого значения, позволив пиковому напряжению на конденсаторе быть действительно высоким.

Несколько различных конструкций порта пульсации были исследованы и описаны в научной литературе.Одна конструкция, которая выделяется своей простотой, а также продемонстрированным потенциалом на реальном мировом рынке благодаря патенту, — это конструкция Керина и др., Обсуждаемая здесь.

Общая идея конструкции заключается в том, что мы хотим, чтобы вся мощность пульсаций (\ [P_ {o} cos (2 \ omega t) \]) передавалась назад и вперед к конденсатору порта пульсации. Чтобы это произошло, нам нужно, чтобы уравнение мощности пульсаций соответствовало уравнению мощности конденсатора. Уравнение мощности конденсатора в цепи переменного тока синусоидальной формы равно

\ [P_ {c} (t) = v_ {c} (t) i_ {c} (t) = [V_ {c} cos (\ omega t + \ theta)] \ times C \ frac {dv_ {c }} {dt} \]

Следует отметить, что \ [\ theta \] представляет собой фазовый сдвиг между напряжением на стороне переменного тока системы и напряжением на конденсаторе порта пульсации.{2}} {2} \]

Два элемента, которыми вы можете управлять в этом уравнении, — это конденсатор и пиковое напряжение на конденсаторе (\ [V_ {c} \]). Вернемся к примеру 700 Вт, 390 В, который мы рассмотрели ранее, и обрисовываем, как вы будете определять пиковое напряжение и емкость для порта пульсации. Сначала вы должны выбрать пиковое напряжение для порта пульсации. Теоретически вы можете выбрать любое напряжение, которое хотите, и чем выше напряжение, тем ниже может быть емкость, но из соображений безопасности вы, вероятно, захотите выбрать что-то меньшее или равное выходному напряжению.2} \]

Подключение \ [P_ {o} = 700 Вт \], \ [\ omega = 2 \ pi \ times 60 \] и \ [V_ {c} = 300V \] в приведенное выше уравнение дает нам 41 мкФ. Эта новая емкость уменьшена в 14,5 раз по сравнению с конденсатором в оригинальной конструкции. Если бы мы использовали \ [V_ {c} = 390V \], емкость можно было бы уменьшить еще до 25 мкФ.

Мы еще не закончили, все, что мы определили, — это пиковое напряжение и емкость, которые нужно использовать. Затем нам нужно определить фазовый сдвиг напряжения на конденсаторе по сравнению с входным напряжением переменного тока.Чтобы определить требуемую разность фаз, исследуйте части, относящиеся к фазовому сдвигу в уравнениях мощности, и установите фазовый сдвиг стороны пульсации мощности уравнения равным фазовому сдвигу стороны мощности конденсатора в уравнении:

\ [- sin (2 \ omega t + 2 \ theta) = cos (2 \ omega t) \]

С помощью простой тригонометрии это уравнение может быть решено для \ [\ theta \]:

\ [= cos (2 \ omega t + 2 \ theta + \ frac {\ pi} {2}) = cos (2 \ omega t) \]

\ [2 \ omega t + 2 \ theta + \ frac {\ pi} {2} = 2 \ omega t \]

Наконец, если вы решите \ [\ theta \], который снова является разностью фаз между напряжением источника переменного тока и напряжением порта пульсации, вы получите

\ [\ theta = — \ frac {\ pi} {4} \]

Если сложить амплитуду и фазовый сдвиг вместе, то получится, что если вы управляете напряжением на порте пульсации, равным

\ [v_ {c} (t) = \ sqrt {\ frac {2P_ {o}} {\ omega C}} sin (\ omega t — \ frac {\ pi} {4}) \]

, то порт пульсаций будет поглощать мощность пульсаций двойной частоты линии в системе.

В нашем примере система 700 Вт, 390 В это означает, что нам нужно будет контролировать напряжение на порте пульсации (при максимальной мощности), чтобы оно составляло:

\ [v_ {c} (t) = 300sin (\ omega t — \ frac {\ pi} {4}) \]

Это, вероятно, кажется большим трудом, учитывая, что альтернатива — просто добавить большой электролитический конденсатор. Проблема в том, что у электролитических конденсаторов небольшой срок службы. Как правило, их ожидаемый срок службы короче, чем у любого другого компонента в электронной системе, поэтому в системах, где требуется ожидаемый срок службы десятилетиями или более, электролитические колпачки не являются хорошим решением.Пленочные конденсаторы имеют гораздо больший срок службы, но, к сожалению, намного дороже электролитических при той же емкости. Например, быстрый поиск в онлайн-каталоге электронных компонентов показывает, что электролитический конденсатор 600 мкФ, 600 В стоит около 20 долларов, а пленочный конденсатор с такими же номиналами стоит около 200 долларов. В системе, использующей этот вид пульсирующего порта, можно было бы экономически эффективно использовать пленочный конденсатор вместо электролитического, поскольку требования к емкости будут значительно снижены.Конечно, прежде чем использовать такую ​​систему, необходимо будет сравнить анализ затрат на систему управления портом пульсации со стоимостью простого использования большого (и дорогого) пленочного конденсатора.

В заключение отметим, что такая же система может использоваться для инверторов, когда вам нужно генерировать переменное напряжение из источника постоянного тока. Проблема надежности электролитических конденсаторов действительно становится проблемой для фотоэлектрических панелей со встроенными микро-инверторами, потому что на эти микро-инверторы должна быть гарантия в течение 20-25 лет.2 (\ omega t) \]

\ [= V_ {ac} I_ {ac} [\ frac {1} {2} (1 + cos (2 \ omega t))] \]

\ [= \ frac {V_ {ac} I_ {ac}} {2} + \ frac {V_ {ac} I_ {ac}} {2} cos (2 \ omega t) \]

\ [= P_ {o} + P_ {o} cos (2 \ omega t) \], где \ [P_ {o} = \ frac {V_ {ac} I_ {ac}} {2} \]

Выбор конденсаторов для блоков питания

Что можно и чего нельзя делать при выборе правильной технологии

СЮРЕШ ЧАНДРАН и ШРИКАНТ ДЖОШИ
EPCOS, Iselin, NJ
http: // www.epcos.com Конденсаторы являются одними из наиболее ответственных пассивных компонентов, которые помогают выполнять широкий диапазон комбинаций напряжения и тока в источниках питания. Хотя каждый тип конденсатора хранит электрическую энергию, диэлектрическая технология играет ключевую роль при выборе конденсатора для конкретного применения. Наиболее важными областями применения конденсаторов в источниках питания являются накопление энергии, демпфирование, подавление электромагнитных помех и схемы управления. Изучая каждую область, используйте прилагаемую диаграмму, чтобы увидеть, как каждая диэлектрическая технология конкурирует или дополняет друг друга в зависимости от области применения. Накопитель энергии Конденсаторы накопителя энергии собирают свой заряд через выпрямители и доставляют накопленную энергию через ветви инвертора на выход источника питания. Обычно используются алюминиево-электролитические конденсаторы, такие как EPCOS B43504 или B43505, с номинальным напряжением от 40 до 450 В постоянного тока и значениями емкости от 220 до 150 000 мкФ. Иногда устройства группируются в последовательные и / или параллельные комбинации, в зависимости от требований к мощности; конденсаторы с винтовой клеммой в виде банок часто используются для уровней мощности более 10 кВт.Для выбора правильного значения емкости необходимо учитывать номинальное постоянное напряжение, допустимую пульсацию напряжения и время цикла заряда / разряда. Однако при выборе электролитического конденсатора для этого применения следует учитывать следующие параметры. Ток пульсаций конденсатора в типичном источнике питания представляет собой комбинацию токов пульсаций на различных частотах. Действующее значение пульсирующего тока определяет нагрев конденсатора. Распространенной ошибкой является вычисление среднеквадратичного значения токовой нагрузки путем сложения квадратов пульсационных токов на различных частотах.Собственно, нужно учитывать, что ESR конденсатора падает с увеличением частоты пульсаций тока. Правильная процедура заключается в масштабировании тока пульсаций на более высокой частоте до 100 Гц с использованием диаграммы частот коэффициента пульсаций. Используйте квадрат масштабированных токов, чтобы определить ток пульсации. Это фактическая текущая нагрузка. Поскольку температура окружающей среды определяет срок службы конденсатора в условиях нагрузки, известные производители обеспечивают четко определенную взаимосвязь между нагрузкой пульсаций тока, температурой окружающей среды и ожидаемым сроком службы.Используйте пульсирующую нагрузку (объясненную выше) и температуру окружающей среды, чтобы определить ожидаемый срок службы в реальных условиях работы, используя опубликованное значение ожидаемого срока службы в качестве абсолютного числа.

Snubbering Современные силовые полупроводники, которые переключаются на высоких частотах, подвержены потенциально опасным скачкам напряжения. Демпферные конденсаторы, такие как EPCOS B32620-J или B32651..56, при подключении к силовому полупроводнику ограничивают пиковое напряжение, поглощая импульсы напряжения и защищая полупроводник, делая демпфирующий конденсатор критически важным компонентом в силовой батарее.Номинальные значения тока и напряжения полупроводника вместе с его частотой коммутации определяют выбор демпфирующего конденсатора. Поскольку эти конденсаторы имеют очень крутые значения dv / dt, пленочный конденсатор является правильным выбором для этого применения. Типичные характеристики конденсаторов находятся в диапазоне от 470 пФ до 47 нФ при номинальном напряжении до 2000 В постоянного тока. Для мощных полупроводников, таких как IGBT, значения могут достигать 2,2 мкФ при напряжении в диапазоне 1200 В постоянного тока. Не выбирайте конденсатор только на основе комбинации значение / напряжение.При выборе демпфирующих конденсаторов учитывайте требуемые значения du / dt. Коэффициент рассеяния определяет рассеиваемую мощность в конденсаторе. Поэтому выберите альтернативу с более низким коэффициентом потерь. Подавление электромагнитных / радиопомех Эти конденсаторы подключаются к входной стороне источника питания, чтобы уменьшить электромагнитные и / или радиочастотные помехи, создаваемые полупроводником. Подключение непосредственно к основной входной линии подвергает их опасным перенапряжениям и переходным процессам.По этой причине существуют разные стандарты безопасности, введенные в разных регионах мира, включая EN 132 400 для Европы, UL 1414 и 1283 для США и CSA C22.2 No. 0; 1 и 8 для Канады. Конденсаторы X- и / или Y-класса, такие как EPCOS B3292x / B81122, с пластиковой пленкой, представляют собой один из наименее дорогих методов подавления. Импеданс ограничивающего конденсатора уменьшается с увеличением частоты, и высокочастотный ток проходит через конденсатор. Конденсатор X обеспечивает «короткое замыкание» для этого тока между линиями, а конденсатор Y между линией и корпусом заземленного оборудования.Существуют подклассы для конденсаторов X и Y, которые определяют пиковое значение перенапряжения, которое он может видеть. Например, конденсатор X2 емкостью до 1 мкФ рассчитан на пиковое импульсное напряжение 2,5 кВ, тогда как номинальное значение для конденсатора X1 аналогичной емкости составляет 4 кВ. Выберите подходящий класс помехоподавляющего конденсатора в зависимости от пикового напряжения, возникающего при сбросе нагрузки. Схема управления и логика В схемах управления источника питания используется широкий спектр конденсаторов, включая танталовые, керамические, пленочные и алюминиевые.Если эти устройства не используются в суровых условиях, они являются компонентами общего назначения с низкими значениями напряжения и потерь. Для источников питания, используемых в суровых условиях, обычно выбираются высокотемпературные компоненты. Для промышленных или профессиональных источников питания хорошей практикой является выбор компонентов с низким ESR, таких как низкопрофильные полимерные серии EPCOS B45294, для повышения общей надежности. Чтобы воспользоваться преимуществами автоматической сборки, меньшего размера, более низкой стоимости сборки и, как следствие, более высокой производительности, большинство разработчиков стараются придерживаться технологии SMD для конденсаторов, используемых в схемах управления.Однако некоторые инженеры нередко выбирают смешанную технологию, чтобы воспользоваться преимуществами существенно более низкой стоимости некоторых компонентов с выводами, таких как пленочные конденсаторы, которые также обладают большей надежностью.

Расчет резистора и конденсатора в бестрансформаторных источниках питания

В этом посте объясняется, как рассчитать номиналы резисторов и конденсаторов в цепях бестрансформаторных источников питания с использованием простых формул, таких как закон Ома.

Анализ емкостного источника питания

Прежде чем мы изучим формулу для расчета и оптимизации значений резистора и конденсатора в бестрансформаторном источнике питания, важно сначала подвести итог стандартной конструкции бестрансформаторного источника питания.

Ссылаясь на схему, различным задействованным компонентам назначаются следующие конкретные функции:

C1 — неполярный высоковольтный конденсатор, который вводится для снижения смертельного сетевого тока до желаемых пределов в соответствии со спецификацией нагрузки. Таким образом, этот компонент становится чрезвычайно важным из-за назначенной функции ограничения сетевого тока.

D1 – D4 сконфигурированы как мостовой выпрямитель для выпрямления пониженного переменного тока из C1, чтобы сделать выход подходящим для любой предполагаемой нагрузки постоянного тока.

Z1 предназначен для стабилизации выхода до требуемых безопасных пределов напряжения.

C2 устанавливается для фильтрации любых пульсаций постоянного тока и создания идеально чистого постоянного тока для подключенной нагрузки.

R2 может быть дополнительным, но рекомендуется для устранения скачков напряжения при включении из сети, хотя предпочтительно этот компонент должен быть заменен термистором NTC.

Использование закона Ома

Все мы знаем, как работает закон Ома и как его использовать для нахождения неизвестного параметра, когда известны два других.Однако с емкостным типом источника питания, имеющим особенности и подключенными к нему светодиодами, расчет тока, падения напряжения и резистора светодиода становится немного запутанным.

Как рассчитать и вывести параметры тока и напряжения в бестрансформаторных источниках питания.

После тщательного изучения соответствующих шаблонов я разработал простой и эффективный способ решения вышеуказанных проблем, особенно когда используемый источник питания является бестрансформаторным или включает конденсаторы PPC или реактивное сопротивление для управления током.

Оценка тока в емкостных источниках питания

Обычно бестрансформаторный источник питания выдает выходной сигнал с очень низкими значениями тока, но с напряжениями, равными приложенной сети переменного тока (пока она не будет загружена).

Например, 1 мкФ, 400 В (напряжение пробоя) при подключении к сети 220 В x 1,4 = 308 В (после перемычки) будет производить максимальный ток 70 мА и начальное показание напряжения 308 Вольт.

Однако это напряжение будет демонстрировать очень линейное падение по мере того, как выход будет загружен, и ток будет поступать из резервуара «70 мА».

Мы знаем, что если нагрузка потребляет все 70 мА, это будет означать, что напряжение упадет почти до нуля.

Теперь, поскольку это падение линейно, мы можем просто разделить начальное выходное напряжение на максимальный ток, чтобы найти падения напряжения, которые могут возникнуть при различных величинах токов нагрузки.

Следовательно, деление 308 В на 70 мА дает 4,4 В. Это скорость, с которой напряжение будет падать на каждый 1 мА тока, добавленного к нагрузке.

Это означает, что если нагрузка потребляет ток 20 мА, падение напряжения будет 20 × 4.4 = 88 вольт, поэтому на выходе теперь будет напряжение 308 — 62,8 = 220 вольт постоянного тока (после моста).

Например, если светодиод мощностью 1 Вт, подключенный непосредственно к этой цепи без резистора, покажет напряжение, равное прямому падению напряжения светодиода (3,3 В), это связано с тем, что светодиод потребляет почти весь ток, доступный от конденсатора. Однако напряжение на светодиоде не падает до нуля, потому что прямое напряжение — это максимальное заданное напряжение, которое может упасть на нем.

Из приведенного выше обсуждения и анализа становится ясно, что напряжение в любом блоке питания несущественно, если ток выдачи мощности источника питания «относительно» низок.

Например, если мы рассмотрим светодиод, он может выдерживать ток от 30 до 40 мА при напряжениях, близких к его «прямому падению напряжения», однако при более высоких напряжениях этот ток может стать опасным для светодиода, поэтому все дело в поддержании максимального тока. равным максимально допустимому пределу нагрузки.

Расчет значений резисторов

Резистор для нагрузки : Когда светодиод используется в качестве нагрузки, рекомендуется выбирать конденсатор, значение реактивного сопротивления которого позволяет пропускать только максимально допустимый ток светодиода, и в этом случае резистор может быть полностью избежать.

Если емкость конденсатора велика при более высоких выходных токах, то, вероятно, как обсуждалось выше, мы можем включить резистор, чтобы уменьшить ток до допустимых пределов.

Расчет резистора ограничения перенапряжения : резистор R2 на приведенной выше диаграмме включен в качестве резистора ограничителя перенапряжения при включении. Он в основном защищает уязвимую нагрузку от начального импульсного тока.

Во время начальных периодов включения конденсатор C1 действует как полное короткое замыкание, хотя и всего на несколько миллисекунд, и может пропускать все 220 В на выходе.

Этого может быть достаточно, чтобы перегореть чувствительные электронные схемы или светодиоды, подключенные к источнику питания, который также включает стабилизирующий стабилитрон.

Поскольку стабилитрон формирует первое электронное устройство в линии, которое необходимо защитить от начального скачка напряжения, R2 можно рассчитать в соответствии со спецификациями стабилитрона и максимальным током стабилитрона или рассеиваемой стабилитроном.

Максимально допустимый ток стабилитрона для нашего примера будет 1 ватт / 12 В = 0,083 ампера.

Следовательно, R2 должно быть = 12 / 0,083 = 144 Ом

Однако, поскольку импульсный ток длится только миллисекунды, это значение может быть намного ниже этого.

Здесь. мы не рассматриваем вход 310 В для расчета стабилитрона, так как ток ограничен до 70 мА с помощью C1.

Поскольку R2 может излишне ограничивать драгоценный ток нагрузки во время нормальной работы, в идеале это должен быть резистор типа NTC. NTC будет следить за тем, чтобы ток ограничивался только во время начального периода включения, а затем полные 70 мА могут проходить без ограничений для нагрузки.

Расчет разрядного резистора : Резистор R1 используется для разрядки накопленного заряда высокого напряжения внутри C1, когда цепь отключена от сети.

Значение R1 должно быть как можно более низким для быстрого разряда C1, но рассеивать минимальное тепло при подключении к сети переменного тока.

Поскольку R1 может быть резистором на 1/4 Вт, его рассеиваемая мощность должна быть ниже 0,25 / 310 = 0,0008 ампер или 0,8 мА.

Следовательно, R1 = 310 / 0,0008 = 387500 Ом или примерно 390 кОм.

Расчет резистора светодиода 20 мА

Пример: На показанной диаграмме емкость конденсатора дает 70 мА макс. ток, который может выдержать любой светодиод. Используя стандартную формулу светодиод / резистор:

R = (напряжение питания VS — прямое напряжение светодиода VF) / ток светодиода IL,
= (220 — 3,3) / 0,02 = 10,83 кОм,

Однако значение 10,83 кОм выглядит довольно большим , и существенно снизит засветку светодиода …. тем не менее расчеты выглядят абсолютно корректными…. так что мы здесь чего-то упускаем ??

Я думаю, что здесь напряжение «220» может быть неправильным, потому что в конечном итоге светодиоду потребуется всего 3,3 В …. так почему бы не применить это значение в приведенной выше формуле и не проверить результаты? Если вы использовали стабилитрон, то здесь можно было бы применить значение стабилитрона.

Хорошо, мы снова.

R = 3,3 / 0,02 = 165 Ом

Теперь это выглядит намного лучше.

Если вы использовали, скажем, стабилитрон 12 В перед светодиодом, формулу можно рассчитать следующим образом:

R = (напряжение питания VS — прямое напряжение светодиода VF) / ток светодиода IL,
= (12 — 3.3) / 0,02 = 435 Ом,

Следовательно, номинал резистора для безопасного управления одним красным светодиодом будет около 400 Ом.

Определение тока конденсатора

Во всей бестрансформаторной конструкции, рассмотренной выше, C1 является одним из важнейших компонентов, размеры которого необходимо правильно подобрать, чтобы выходной ток от него был оптимально оптимизирован в соответствии со спецификацией нагрузки.

Выбор конденсатора большой емкости для относительно меньшей нагрузки может увеличить риск чрезмерного импульсного тока, проникающего в нагрузку и более раннего ее повреждения.

Правильно рассчитанный конденсатор, напротив, обеспечивает контролируемый бросок скачка напряжения и номинальное рассеивание, сохраняя адекватную безопасность для подключенной нагрузки.

Величину тока, которая может быть оптимально допустимой через бестрансформаторный источник питания для конкретной нагрузки, можно рассчитать с помощью закона Ома:

I = V / R

, где I = ток, В = Напряжение, R = Сопротивление

Однако, как мы видим, в приведенной выше формуле R — нечетный параметр, поскольку мы имеем дело с конденсатором в качестве элемента ограничения тока.

Чтобы взломать это, нам нужно получить метод, который будет переводить значение ограничения тока конденсатора в Ом или единицу сопротивления, чтобы можно было решить формулу закона Ома.

Для этого мы сначала выясняем реактивное сопротивление конденсатора, которое можно рассматривать как эквивалент сопротивления резистора.

Формула для реактивного сопротивления:

Xc = 1/2 (pi) fC

, где Xc = реактивное сопротивление,

pi = 22/7

f = частота

C = емкость конденсатора в фарадах

Результат, полученный по приведенной выше формуле, выражается в Омах, которые можно напрямую подставить в наш ранее упомянутый закон Ома.

Давайте решим пример для понимания реализации приведенных выше формул:

Давайте посмотрим, какой ток конденсатор 1 мкФ может выдать на конкретную нагрузку:

У нас в руках следующие данные:

pi = 22/7 = 3,14

f = 50 Гц (частота переменного тока в сети)

и C = 1 мкФ или 0,000001F

Решение уравнения реактивного сопротивления с использованием приведенных выше данных дает:

Xc = 1 / (2 x 3,14 x 50 x 0,000001)

= 3184 Ом приблизительно

Подставляя это эквивалентное значение сопротивления в формулу закона Ома, мы получаем:

R = V / I

или I = V / R

Предполагая V = 220 В (поскольку конденсатор предназначен для работы с сетевым напряжением.)

Получаем:

I = 220/3184

= 0,069 ампер или 69 мА приблизительно

Аналогичным образом можно рассчитать другие конденсаторы, зная их максимальную пропускную способность по току или номинальные значения.

Вышеупомянутое обсуждение всесторонне объясняет, как можно рассчитать ток конденсатора в любой соответствующей схеме, особенно в бестрансформаторных емкостных источниках питания.