Бестрансформаторное питание. Принцип работы. Ч.1

03/02/2013 - 16:28

Введение

   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.

 

стандартный трансформаторный источник питания
   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.

схема бестрансформаторного источника
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
  "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.


принцип работы бестрансформаторных источников
   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.

улучшенный вариант схемы с диодным мостом


Продолжение следует...

Комментарии   

# Nemptun 04.02.2013 08:18
Опасная штука!!!! И измерительний прибор можно запросто спалить - например заземленный осцилограф...
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Pashgan 04.02.2013 10:09
Опасная, если не аккуратно работать, но имеет место быть и в некоторых устройствах применяется. А проверять/настр аивать можно с помощью мультиметра, не обязательно туда осциллографом лезть.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Saxel 04.02.2013 08:27
И первый раз включать стремно. Через ЛАТР желательно постепенно и смотреть, ничего ли не греется.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Nemptun 04.02.2013 14:43
ЛАТР гальванически не развязывает от сети,надо помнить.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Ринат 04.02.2013 23:09
Если конденсатор С1 на соответствующее напряжение (с запасом), то бояться нечего
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Andee 06.02.2013 17:13
СтограММотно и доступно! В некоторых девайсах имееют место быть!А ТБ никто не отменял...
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Pyku_He_oTTyda 07.02.2013 12:09
https://www.google.ru/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&ved=0CDYQFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.atmel.com%2FImages%2Fdoc2566.pdf&ei=XpkTUY-tLoiF4gTH2oGgBQ&usg=AFQjCNEl-nVLR6hrcCgEwUF-exSQPiYRBw&sig2=zyFJIfpRZK8ah8ieJchpRw&bvm=bv.42080656,d.bGE

здесь приводится расчет номиналов
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Вовка 07.02.2013 17:50
Опасного здесь ровно ничего, просто применять надо не для замены трансформаторно го БП везде и всюду, а там где это целесообразно. Панельные приборы с релейным выходом и без него (вольтметры, амперметры, терморегуляторы ) чудесно работают на производствах.
Если очень страшно, то поставить конденсаторы в оба провода, заодно и эл.прочность повысится, а в случае пробоя конденсатора просто в 2 раза увеличится ток через стабилитрон.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# skullhead 11.02.2013 10:26
спасибо за очередную весьма познавательную статью!
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Silvercrab 16.02.2013 22:56
Я противник таких решений, даже несколько раз менял в китайских поделках такого рода схемотехнически е решения на миниатюрные зарядки от сотовых телефонов, благо их много и они стоят копейки. Кста, схем с использованием зарядок в сети туча.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Вовка 17.02.2013 20:03
У самого работает 3 года не выключаясь в термометре такой БП из зарядки, но пока я добился чтоб этот термометр не глючил, чуть не поседел, этот БП адски "шумит", ни какой фильтр по выходу не помогает.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Silvercrab 20.02.2013 22:38
Цитирую Вовка:
У самого работает 3 года не выключаясь в термометре такой БП из зарядки, но пока я добился чтоб этот термометр не глючил, чуть не поседел, этот БП адски "шумит", ни какой фильтр по выходу не помогает.

Согласен, это относится к китайским НЕОРИГИНАЛЬНЫМ зарядкам. Я же использую брэндовые NOKNA Motorola Sony и т.д. Телефоны часто теряют, они тонут, попадают под колеса, а зарядки остаются :-) потому я их даже не покупаю, все знакомые тащат :-) ну многое что ещё, как доноров, если не удается оживить.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Lninio 22.11.2013 16:24
у предложенного решения ограниченный динамический запас по мощности: при низком токе нагрузки регулятор напряжения подвержен риску поражения высоким напряжением по входу, и способ этого избежать - ограничить напряжение стабилитроном, при этом чтобы не разрушить стабилитрон при незначительной нагрузке приходится ограничивать ток стабилитрона резистором, что автоматически накладывает ограничения на мощность нагрузки - всего до 70% от максимальной мощности применяемого стабилитрона. почему так? потому что максимальный КПД линейного корректора напряжения (регулятора) не более 70%, а максимальная передаваемая мощность на регулятор ограничена мощностью стабилитрона.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Трактор 03.02.2015 03:35
Опасно, но до паранойи доводить не стоит. Тогда уж выкиньте нафиг чайник, пылесос, утюг и т.д. - ведь они тоже с бестрансформато рным питанием. :lol:
А серьёзно - правильная конструкция, изоляция и умелое пользование - и никакой опасности.
Одно из важных достоинств конденсаторного БП - самый высокий КПД (среди маломощных источников). Потери на мосте и токоограничител ьном резисторе есть и в импульснике, но к ним прибавляются потери в трансформаторе, инверторе, выходном выпрямителе, цепи ПОС (или стабилизации). КПД трансформаторно го БП ещё более уныл, потому что КПД одного только маломощного трансформатора примерно 70% (часто и намного хуже).
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить