Бестрансформаторные источники питания принцип работы. Конденсаторное питание

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

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

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

Описание работы бестрансформаторного блока питания

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

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

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

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

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

Устройства на микроконтроллерах требуют для своей работы постоянного стабилизированного напряжения величиной 3.3 - 5 Вольт. Как правило, такое напряжение получают из переменного сетевого напряжения с помощью трансформаторного источника питания и в простейшем случае он представляет собой следующую схему.

Понижающий трансформатор, диодный мост, сглаживающий конденсатор и линейный/импульсный стабилизатор. Дополнительно такой источник может содержать в себе предохранитель, цепи фильтрации, схему плавного включения, схему защиты от перегрузки и т.д.
Данный источник питания (при соответствующем выборе компонентов) позволяет получать большие токи и имеет гальваническую развязку от сети переменного тока, что немаловажно для безопасной работы с устройством. Однако, такой источник может иметь большие габариты, благодаря трансформатору и фильтрующим конденсаторам.
В некоторых устройствах на микроконтроллерах гальванической развязки от сети не требуется. Например, если устройство представляет собой герметичный блок, с которым конечный пользователь никак не контактирует. В этом случае, если схема потребляет относительно невысокий ток (десятки миллиампер), ее можно запитать от сети 220 В с помощью бестрансформаторного источника питания.
В этой статье мы рассмотрим принцип работы такого источника питания, последовательность его расчета и практический пример использования.

Принцип работы бестрансформаторного источника питания

Резистор R1 разряжает конденсатор C1, когда схема отключена от сети. Это нужно для того, чтобы источник питания не ударил тебя током при прикосновении к входным контактам.
При подключении источника питания к сети, разряженный конденсатор C1 представляет из себя, грубо говоря, проводник и через стабилитрон VD1 кратковременно протекает огромный ток, способный вывести его из строя. Резистор R2 ограничивает бросок тока в момент включения устройства.

"Бросок тока" в начальный момент включения схемы. Синим цветом нарисовано сетевое напряжение, красным ток потребляемый источником питания. Для наглядности график тока увеличен в несколько раз.

Если ты подключишь схему к сети в момент перехода напряжения через ноль, броска тока не будет. Но какова вероятность, что у тебя это получится?
Любой конденсатор оказывает сопротивление протеканию переменного тока. (По постоянному току конденсатор представляет собой обрыв.) Величина этого сопротивления зависит от частоты входного напряжения и емкости конденсатора и может быть вычислена по формуле. Конденсатор С1 выполняет роль балластного сопротивления, на котором будет падать большая часть входного напряжения сети.

У тебя может возникнуть резонный вопрос: а почему нельзя поставить вместо C1 обычный резистор? Можно, но на нем будет рассеиваться мощность, в результате чего он будет греться. С конденсатором этого не происходит - активная мощность выделяемая на нем за один период сетевого напряжения равна нулю. В расчетах мы коснемся этого момента.

Итак, на конденсаторе C1 упадет часть входного напряжения. (Падение напряжения на резисторе R2 можно не учитывать, так как он имеет маленькое сопротивление.) Оставшееся напряжение окажется приложенным к стабилитрону VD1.
В положительный полупериод входное напряжение будет ограничиваться стабилитроном на уровне его номинального напряжения стабилизации. В отрицательный полупериод входное напряжение будет прикладываться к стабилитрону в прямом направлении и на стабилитроне будет напряжение примерно минус 0.7 Вольт.

Естественно такое пульсирующее напряжение не годится для запитывания микроконтроллера, поэтому после стабилитрона стоит цепочка из полупроводникового диода VD2 и электролитического конденсатора C2. Когда напряжение на стабилитроне положительное, через диод VD2 протекает ток. В этот момент заряжается конденсатор C2 и запитывается нагрузка. Когда напряжение на стабилитроне падает, диод VD2 запирается и конденсатор C2 отдает запасенную энергию в нагрузку.
Напряжение на конденсаторе C2 будет колебаться (пульсировать). В положительный полупериод сетевого напряжения оно будет расти до значения Uст минус напряжение на VD2, в отрицательный полупериод падать вследствие разряда на нагрузку. Амплитуда колебаний напряжения на C2 будет зависеть от его емкости и тока потребляемого нагрузкой. Чем больше емкость конденсатора C2 и чем меньше ток нагрузки, тем меньшей величины будут эти пульсации.
Если ток нагрузки и пульсации небольшие, то после конденсатора C2 уже можно ставить нагрузку, но для устройств на микроконтроллерах лучше все-таки использовать схему со стабилизатором. Если мы правильно рассчитаем номиналы всех компонентов, то на выходе стабилизатора получим постоянное напряжение.
Схему можно улучшить, добавив в нее диодный мост. Тогда источник питания будет использовать оба полупериода входного напряжения – и положительный, и отрицательный. Это позволит при меньшей емкости конденсатора C2 получить лучшие параметры по пульсациям. Диод между стабилитроном и конденсатором из этой схеме можно исключить.

Продолжение следует...

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

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

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

Помните обычный резистивный делитель?

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

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

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

Теоретическое отступление

В цепи бывают три вида сопротивлений:

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

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

f — частота тока.

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

Получается у нас вот такая вот схема:

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

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

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

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

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

I = 2F * C (1.41U — Uвых/2).

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

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

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

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

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

После чего, как обычно, все вытравил и спаял:

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

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

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

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

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

Поэтому неукоснительно соблюдайте ряд правил:

1. Номиналы надо ставить с запасом на как можно большее напряжение. Особенно это касается конденсатора. У меня стоит на 400вольт, но это тот что был в наличии. Лучше бы вообще вольт на 600, т.к. в электросети иногда бывают выбросы напряжения намного превышающие номинал. Стандартные блоки питания за счет своей инерционности его переживут запросто, а вот конденсатор может и пробить — последствия представьте себе сами. Хорошо если не будет пожара.

2. Эта схема должна быть тщательным образом заизолирована от окружающей среды. Надежный корпус, чтобы ничего не торчало наружу. Если схема монтируется в стену, то она не должна касаться стен. В общем, пакуем все это дело наглухо в пластик, остекловываем и закапываем на глубине 20метров. :)))))

3. При наладке ни в коем случае не лезть руками ни к одному из элементов цепи. Пусть вас не успокаивает что там на выходе 5 вольт. Так как пять вольт там исключительно относительно самой себя. А вот по отношению к окружающей среде там все те же 220.

4. После отключения крайне желательно разрядить гасящий конденсатор. Т.к. в нем остается заряд вольт на 100-200 и если неосторожно сунуться куда нибудь не туда больно цапнет за палец. Вряд ли смертельно, но приятного мало, а от неожиданности можно и бед натворить.

5. Если используется микроконтроллер, то прошивку его делать ТОЛЬКО при полном выключении из сети. Причем выключать надо выдергиванием из розетки. Если этого не сделать, то с вероятностью близкой к 100% будет убит комп. Причем скорей всего весь.

6. То же касается и связи с компом. При таком питании запрещено подключаться через USART, запрещено обьединять земли.

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

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 - (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 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.

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 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.

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:

. 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.

Как-то недавно мне в интернете попалась одна схема очень простого блока питания с возможностью регулировки напряжения. Регулировать напряжение можно было от 1 Вольта и до 36 Вольт, в зависимости от выходного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Внимательно посмотрите на LM317T в самой схеме! Третья нога (3) микросхемы цепляется с конденсатором С1, то есть третяя нога является ВХОДОМ, а вторая нога (2) цепляется с конденсатором С2 и резистором на 200 Ом и является ВЫХОДОМ.

С помощью трансформатора из сетевого напряжения 220 Вольт мы получаем 25 Вольт, не более. Меньше можно, больше нет. Потом все это дело выпрямляем диодным мостом и сглаживаем пульсации с помощью конденсатора С1. Все это подробно описано в статье как получить из переменного напряжения постоянное . И вот наш самый главный козырь в блоке питания – это высокостабильный регулятор напряжения микросхема LM317T. На момент написания статьи цена этой микросхемы была в районе 14 руб. Даже дешевле, чем буханка белого хлеба.

Описание микросхемы

LM317T является регулятором напряжения. Если трансформатор будет выдавать до 27-28 Вольт на вторичной обмотке, то мы спокойно можем регулировать напряжение от 1,2 и до 37 Вольт, но я бы не стал подымать планку более 25 вольт на выходе трансформатора.

Микросхема может быть исполнена в корпусе ТО-220:

или в корпусе D2 Pack

Она может пропускать через себя максимальную силу тока в 1,5 Ампер, что вполне достаточно для питания ваших электронных безделушек без просадки напряжения. То есть мы можем выдать напряжение в 36 Вольт при силе тока в нагрузку до 1,5 Ампера, и при этом наша микросхема все равно будет выдавать также 36 Вольт – это, конечно же, в идеале. В действительности просядут доли вольта, что не очень то и критично. При большом токе в нагрузке целесообразней поставить эту микросхему на радиатор.

Для того, чтобы собрать схему, нам также понадобится переменный резистор на 6,8 Килоом, можно даже и на 10 Килоом, а также постоянный резистор на 200 Ом, желательно от 1 Ватта. Ну и на выходе ставим конденсатор в 100 мкФ. Абсолютно простая схемка!

Сборка в железе

Раньше у меня был очень плохой блок питания еще на транзисторах. Я подумал, почему бы его не переделать? Вот и результат;-)

Здесь мы видим импортный диодный мост GBU606. Он рассчитан на ток до 6 Ампер, что с лихвой хватает нашему блоку питания, так как он будет выдавать максимум 1,5 Ампера в нагрузку. LM-ку я поставил на радиатор с помощью пасты КПТ-8 для улучшения теплообмена. Ну а все остальное, думаю, вам знакомо.