Расчет гасящего конденсатора в трансформаторном блоке питания. Бестрансформаторные источники питания, преобразователи напряжения без трансформатора. Расчет. Рассчитать онлайн, online

Иногда в электротехнике применяют блоки питания, не содержащие трансформатор. При этом возникает задача понижения входного напряжения. Например, понижение переменного напряжения сети (220 В) при частоте 50 герц до необходимого значения напряжения. Альтернативой трансформатору может служить конденсатор, который включают в цепь последовательно источнику напряжения и нагрузке (дополнительную информацию о применении конденсаторов см. в разделе «). Такой конденсатор и называют гасящим.
Провести расчет гасящего конденсатора – это значит найти емкость такого конденсатора, который при описанном выше соединении в цепь, понизит входное напряжение до необходимого на нагрузке. Теперь получим формулу для расчета емкости гасящего конденсатора. Конденсатор, работающий в цепи переменного тока, имеет емкостное сопротивление (), которое связано с частотой переменного тока и собственной емкостью () (причем ), более точно:

По условию мы включили в цепь переменного тока сопротивление (активная нагрузка()) и конденсатор. Общее сопротивление этой системы () можно вычислить как:

Так как соединение последовательное, используя , запишем:

где — падение напряжения на нагрузке (напряжение питания устройства); — напряжение сети, — падение напряжения на конденсаторе. Используя приведенные выше формулы, имеем:

Если нагрузка небольшая, то использование конденсатора, включая его последовательно в цепь – это самый простой путь уменьшения сетевого напряжения. В том случае, если напряжение на выходе питания менее 10-20 вольт, то емкость гасящего конденсатора вычисляют по приближенной формуле:

В таком источнике питания к сети пе­ременного напряжения подключены по­следовательно соединенные конденса­тор и нагрузка. Рассмотрим вначале ра­боту источника с чисто резистивной на­грузкой (рис.1,а).

Из курса электротехники известно, что полное сопротивление последова­тельно включенных конденсатора С1 и резистора Рн равно:

где X c 1 =1/2n*f*C1 - емкостное сопротив­ление конденсатора на частоте f. Поэто-

Рис.1

му эффективный переменный ток в цепи Iэфф=Uс/Z (Uc - напряжение питающей се­ти). Нагрузочный ток связан с емкостью конденсатора, выходным напряжением источника и напряжением сети следую

Для малых значений выходного на­пряжения

Iэфф=2л*f*С1*Uс.

В качестве примера, полезного в практике, проведем расчет гасящего кон­денсатора для включения в сеть 220 В паяльника на 127 В мощностью 40 Вт. Не­обходимое эффективное значение тока нагрузки Iэфф=40/127=0,315 А. Расчетная емкость гасящего конденсатора

Для работы нагревательных приборов важно значение именно эффективного то­ка. Однако, если нагрузкой является, на­пример, аккумуляторная батарея, вклю­ченная в диагональ выпрямительного мос­та (рис. 1 ,б), заряжать ее будет уже сред-невыпрямленный (пульсирующий) ток, численное значение которого меньше Iэфф:

В радиолюбительской практике часто используют источник, в котором гасящий конденсатор включен в сеть последова­тельно с диодным мостом, а нагрузка, за-шунтированная другим конденсатором, питается от выходной диагонали моста (рис. 2). В этом случае цепь становится резко нелинейной и форма тока, протека­ющего через мост и гасящий конденса­тор, будет отличаться от синусоидаль­ной. Из-за этого представленный выше расчет оказывается неверным.

Каковы процессы, происходящие в ис­точнике со сглаживающим конденсато­ром С2 емкостью, достаточной для того, чтобы считать пульсации выходного на­пряжения пренебрежимо малыми? Для гасящего конденсатора С1 диодный мост (вместе с С2 и Rн) в установившемся ре­жиме представляет собой некий эквива­лент симметричного стабилитрона. При напряжении на этом эквиваленте, мень­шем некоторого значения (оно практиче­ски равно напряжению Uвых на конденса­торе С2), мост закрыт и тока не прово­дит, при большем - через открытый мост течет ток, не давая увеличиваться на­пряжению на входе моста.

Рассмотрение начнем с момента ti, когда напряжение сети максимально (рис. 3). Конденсатор С1 заряжен до амп­литудного напряжения сети Uс.амп за вы­четом напряжения на диодном мосте uм, примерно равного Uвых. Ток через кон­денсатор С1 и закрытый мост равен ну­лю. Напряжение в сети уменьшается по косинусоидальному закону (график 1), на мосте также уменьшается (график 2), а напряжение на конденсаторе С1 не меня­ется.

Ток конденсатора останется нулевым до тех пор, пока напряжение на диодном мосте, сменив знак на противоположный, не достигнет значения -Uвых (момент t2). В этот момент появится скачком ток lei через конденсатор С1 и мост. Начиная с момента t2, напряжение на мосте не ме­няется, а ток определяется скоростью изменения напряжения сети и, следова­тельно, будет точно таким же, как если бы к сети был подключен только конден­сатор С1 (график 3).

Когда напряжение сети достигнет от­рицательного амплитудного значения (момент t 3), ток через конденсатор С1 снова станет равным нулю. Далее про­цесс повторяется каждый полупериод.

Ток через мост протекает лишь в ин­тервале времени от t 2 до t 3 , его среднее значение может быть рассчитано как площадь заштрихованной части синусои­ды на графике 3. Несложные расчеты, требующие, однако, знания дифференци­ального и интегрального исчисления, да­ют такую формулу для среднего тока Iср через нагрузку Rн:

(2)

При малых значениях выходного на­пряжения эта формула и ранее получен­ная (1) дают одинаковый результат. Если в (2) выходной ток приравнять к нулю, по­лучим Uвыx=Uc*2 ^1/2 , т. е. при токе нагрузки, равном нулю (при случайном отключении нагрузки, скажем, из-за ненадежного контакта), выходное напряжение источ­ника становится равным амплитудному напряжению сети. Это означает, что все элементы источника должны выдержи­вать такое напряжение. При уменьшении тока нагрузки, например, на 10%, выход­ное напряжение увеличится так, чтобы выражение в скобках также уменьши­лось на 10%, т. е. примерно на 30 В (при Uвых=10 В). Вывод - включение стабили­трона параллельно нагрузке Rн (как по­казано штриховыми линиями на рис. 2) практически обязательно.

Для однополупериодного выпрямите­ля (рис. 4) ток рассчитывают по следую­щей формуле:

Естественно, при малых значениях выходного напряжения ток нагрузки бу­дет вдвое меньше, чем для двуполупери-одного выпрямителя, а выходное напря­жение при нулевом токе нагрузки - вдвое больше - ведь это выпрямитель с удвое­нием напряжения!

Порядок расчета источников по схеме на рис. 2 следующий. Вначале задаются выходным напряжением Uвых, максималь­ным Iн max и минимальным I н min значения-ми тока нагрузки, максимальным Uc max и минимальным Uc min значениями напря­жения сети. Выше уже было указано, что при меняющемся токе нагрузки обязате­лен стабилитрон, включенный парал­лельно нагрузке Rн. Как его выбирать? При минимальном напряжении сети и максимальном токе нагрузки через ста­билитрон должен протекать ток не менее допустимого минимального тока стабили­зации 1ст min. Можно задаться значением в пределах 3...5 мА. Теперь определяют емкость гасящего конденсатора С1 для двуполупериодного выпрямителя:

С1 =3,5(Iст min+lн max)/(Uc min-0,7Uвыx). (3)

Формула получена из (2) подстанов­кой соответствующих значений. Ток в ней - в миллиамперах, напряжение - в воль­тах; емкость получится в микрофарадах. Результат расчета округляют до ближай­шего большего номинала; можно исполь­зовать батарею из нескольких конденса­торов, включенных параллельно.

I ст max =(U c mах -0,7Uвых)С 1 /3,5-I н min (4)

При отсутствии стабилитрона на не­обходимое напряжение Uвых, допускаю­щего рассчитанный максимальный ток стабилизации, можно соединить несколь­ко стабилитронов на меньшее напряже­ние последовательно или применить ана­лог мощного стабилитрона .

Подставлять в формулу (4) минималь­ный ток нагрузки Iн mm следует лишь тог­да, когда этот ток длителен - единицы секунд и более. При кратковременном минимальном токе нагрузки (доли секун­ды) его надо заменить средним (по вре­мени) током нагрузки. Если стабилитрон допускает ток, больший рассчитанного по формуле (4), целесообразно использо­вать гасящий конденсатор несколько большей емкости для уменьшения требо­ваний к точности его подборки.

Понадобился мне блок питания для самодельной мини-дрели, сделанной из моторчика на 17 Вольт. Пересмотрел много схем различных БП, но во всех использовался трансформатор, которого у меня нету, а покупать как-то неохота. Тогда решил поступить проще и собрать питания на данное напряжение - 17 Вольт. Схема довольно простая, на такой готовый блок питания нужно подавать 220 вольт переменного напряжения, короче питать схему от розетки, а на выходе мы получаем 17 вольт постоянного напряжения. Обычно источники питания такого типа применяют во всяких небольших бытовых вещах, например в фонарике с аккумулятором, в качестве зарядного, где нужен небольшой ток, до 150 mA или в электробритвах.

Итак, детали для схемы. Вот так выглядят высоковольтные металлопленочные конденсаторы (те что красные), и слева от них электролитический конденсатор на 100 мкФ.

Вместо микросхемы 78l08 можно использовать такие стабилизаторы напряжения, как КР1157ЕН5А (78l08) или КР1157ЕН5А (7905).

Если отсутствует выпрямительный диод 1N4007 , то его можно заменить на 1N5399 или 1N5408 , которые рассчитаны на более высокий ток. Серый кружок на диоде обозначает его катод.

Резистор R1 взял на 5W, а R2 - на 2W, для страховки, хотя оба можно было применять и на 0,5 Вт.

Стабилитрон BZV85C24 (1N4749), рассчитан на мощность 1,5 W, и на напряжение до 24 вольт, заменить его можно отечественным 2С524А .

Этот бестрансформаторный БП собрал без регулировки выходного напряжения, но если вы хотите организовать такую функцию, то просто подключите к выводу 2 микросхемы 78L08 переменный резистор примерно на 1 кОм, а второй его вывод - к минусу схемы.

Плата к схеме бестрансформаторного блока питания конечно есть, формат лэй, скачать можно . Думаю вы поняли, что диоды без пометки - это 1n4007 .

Готовую конструкцию нужно обязательно поместить в пластиковый корпус, из-за того что включенная в сеть схема находиться под напряжением 220 вольт и прикасаться к ней ни в коем случае нельзя!

На этих фото вы можете видеть напряжение на входе, то есть напряжение в розетке, и сколько вольт мы получаем на выходе БП.

Видео работы схемы бестрансформаторного БП

Большим плюсом этой схемы можно считать очень скромные размеры готового устройства, ведь благодаря отсутствию трансформатора этот БП можно сделать маленьким, и относительно недорогая стоимость деталей для схемы.

Минусом схемы можно считать то, что есть опасность случайно дотронуться к работающему источнику и получить удар током. Автор статьи - egoruch72 .

Обсудить статью БЕСТРАНСФОРМАТОРНОЕ ПИТАНИЕ СХЕМ

В самом начале темы, относительно подбора гасящего конденсатора, рассмотрим цепь, состоящую из резистора и конденсатора, последовательно подключенных к сети. Полное сопротивление такой цепи будет равно:

Эффективная величина тока, соответственно, находится по закону Ома, напряжение сети делить на полное сопротивление цепи:

В результате для тока нагрузки и входного и выходного напряжений получим следующее соотношение:

А если напряжение на выходе достаточно мало, то мы имеем право считать приблизительно равным:

Однако давайте рассмотрим с практической точки зрения вопрос подбора гасящего конденсатора для включения в сеть переменного тока нагрузки, рассчитанной на напряжение меньшее стандартного сетевого.

Допустим, у нас есть лампа накаливания мощностью 100 Вт, рассчитанная на напряжение 36 вольт, и нам по какой-то невероятной причине необходимо запитать ее от бытовой сети 220 вольт. Лампе необходим эффективный ток, равный:

Тогда емкость необходимого гасящего конденсатора окажется равна:

Имея такой , мы обретаем надежду получить нормальное свечение лампы, рассчитываем, что она по крайней мере не перегорит. Такой подход, когда мы исходим из эффективного значения тока, приемлем для активных нагрузок, таких как лампа или обогреватель.

Но что делать, если нагрузка нелинейна и включена через диодный мост? Допустим, необходимо зарядить свинцово-кислотный аккумулятор. Что тогда? Тогда зарядный ток окажется для батареи пульсирующим, и его значение будет меньше эффективного значения:

Иногда радиолюбителю может быть полезным источник питания, в котором гасящий конденсатор включен последовательно с диодным мостом, на выходе которого имеется в свою очередь конденсатор фильтра значительной емкости, к которому присоединена нагрузка постоянного тока. Получается своеобразный бестрансформаторный источник питания с конденсатором вместо понижающего трансформатора:

Здесь нагрузка в целом будет нелинейной, а ток станет уже далеко не синусоидальным, и вести расчеты необходимо будет несколько иначе. Дело в том, что сглаживающий конденсатор с диодным мостом и нагрузкой внешне проявят себя как симметричный стабилитрон, ведь пульсации при значительной емкости фильтра станут пренебрежимо малыми.

Когда напряжение на конденсаторе будет меньше какого-то значения — мост будет закрыт, а если выше — ток пойдет, но напряжение на выходе моста расти не будет. Рассмотрим процесс более подробно с графиками:

В момент времени t1 напряжение сети достигло амплитуды, конденсатор C1 также заряжен в этот момент до максимально возможного значения минус падение напряжения на мосте, которое будет равно приблизительно выходному напряжению. Ток через конденсатор C1 равен в этот момент нулю. Далее напряжение в сети стало уменьшаться, напряжение на мосте — тоже, а на конденсаторе C1 оно пока не изменяется, да и ток через конденсатор C1 пока что нулевой.

Далее напряжение на мосте меняет знак, стремясь уменьшиться до минус Uвх, и в тот момент через конденсатор C1 и через диодный мост устремляется ток. Далее напряжение на выходе моста не меняется, а ток в последовательной цепочке зависит от скорости изменения питающего напряжения, словно к сети подключен только конденсатор C1.

По достижении сетевой синусоидой противоположной амплитуды, ток через C1 опять становится равным нулю и процесс пойдет по кругу, повторяясь каждые пол периода. Очевидно, что ток течет через диодный мост только в промежутке между t2 и t3, и величину среднего тока можно вычислить, определив площадь закрашенной фигуры под синусоидой, которая будет равна:

Если выходное напряжение схемы достаточно мало, то данная формула приближается к полученной ранее. Если же выходной ток положить равным нулю, то получим:

То есть при обрыве нагрузки выходное напряжение станет равно амплитуде сетевого!!! Значит следует применять такие компоненты в схеме, чтобы каждый из них выдержал бы амплитуду напряжения питания.

Кстати, при снижении тока нагрузки на 10%, выражение в скобках уменьшится на 10%, то есть напряжение на выходе увеличится примерно на 30 вольт, если изначально имеем дело, скажем, с 220 вольтами на входе и с 10 вольтами на выходе. Таким образом, использование стабилитрона параллельно нагрузке строго обязательно!!!

А что если выпрямитель однополупериодный? Тогда ток необходимо рассчитывать по такой формуле:

При небольших значениях выходного напряжения ток нагрузки станет вдвое меньшим, чем при выпрямлении полным мостом. А напряжение на выходе без нагрузки окажется вдвое большим, так как здесь мы имеем дело с удвоителем напряжения.

Итак, источник питания с гасящим конденсатором рассчитывается в следующем порядке:

Первым делом выбирают, каким будет выходное напряжение.

Затем определяют максимальный и минимальный токи нагрузки.

Если ток нагрузки предполагается непостоянный, стабилитрон параллельно нагрузке обязателен!

Наконец, вычисляют емкость гасящего конденсатора.

Для схемы с двухполупериодным выпрямлением, для сетевой частоты 50 Гц, емкость находится по следующей формуле:

Полученный по формуле результат округляют в сторону емкости большего номинала (желательно не более 10%).

Следующим шагом находят ток стабилизации стабилитрона для максимального напряжения питания и минимального тока потребления:

Для однополупериодной схемы выпрямления гасящий конденсатор и максимальный ток стабилитрона вычисляют по следующим формулам:

Выбирая гасящий конденсатор, лучше ориентироваться на пленочные и металлобумажные конденсаторы. Конденсаторы пленочные небольшой емкости — до 2,2 мкф на рабочее напряжение от 250 вольт хорошо работают в данных схемах при питании от сети 220 вольт. Если же вам нужна большая емкость (более 10 мкф) — лучше выбрать конденсатор на рабочее напряжение от 500 вольт.

Андрей Повный (Google+ ,

Несколько схем и расчет бестрансформаторных блоков питания с гасящим конденсатором

Сетевой источник питания с гасящим конденсатором (рис. 1), по сути, есть делитель напряжения, у которого верхнее плечо – конденсатор, а нижнее представляет собой сложную нелинейную диодно-резисторно-конденсаторную цепь. Этим и определены недостатки (и достоинства, конечно) таких устройств.

Рисунок 1:

Для того чтобы источник мог работать в широком интервале тока нагрузки с высоким КПД, достаточно входной делитель напряжения выполнить чисто реактивным, например, конденсаторным (рис. 2).

Рисунок 2:

Он позволяет дополнительно стабилизировать выходное напряжение источника последовательно включенным компенсационным или импульсным стабилизатором, чего нельзя делать в обычном источнике с гасящим конденсатором. Как показано в статье С. Бирюкова “Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором ” – “Радио”, 1997, N 5, с. 48-50, – последовательный стабилизатор можно использовать только при ограничении напряжения на его входе, что опять-таки заметно снижает КПД.

Источник с конденсаторным делителем напряжения целесообразно использовать для совместной работы с импульсными стабилизаторами. Идеально подходит он для устройства, длительно потребляющего малый ток, но требующего в определенный момент резкого его увеличения. Пример – квартирное сторожевое устройство на микросхемах “МОП с исполнительным узлом на реле и звуковом сигнализаторе.

Ток, потребляемый конденсаторным делителем, будет иметь фазовый сдвиг в 90 град. относительно напряжения сети, поэтому делитель напряжения на реактивных элементах не требует охлаждения. Исходя из вышесказанного, ток через делитель вроде бы можно выбрать сколь угодно большим. Однако неоправданное увеличение тока делителя приведет к активным потерям в проводах и к увеличению массы и объема устройства. Поэтому целесообразно принять ток через делитель напряжения в пределах 0,5…3 от максимального тока нагрузки.

Расчет источника с емкостным делителем несложен. Как следует из ф-лы (2) в упомянутой статье, выходное напряжение Uвых и полный выходной ток (стабилитрона и нагрузки Iвых ) источника по схеме 1,а связаны следующим образом:

Iвых = 4fC1(2Uc-Uвых)

Эта формула пригодна и для расчета источника с конденсаторным делителем, в ней просто надо заменить С1 на суммарную емкость параллельно соединенных конденсаторов С1 и С2, показанных на рис. 2. a Uc – на Uc2x (напряжение на конденсаторе С2 при RH = °°), т. е.

Uc2x = Uc-C1/(C1+C2)

Тогда
Iвых = 4f(C1+C2)x x
или после очевидных преобразований
Iвых = 4f-C1 .

Поскольку падение напряжения на диодах моста Uд при малых значениях Квых становится заметным, получим окончательно

Iвых = 4f-C1 .

Из формулы видно, что при Рн=0 (т. е. при Uвых=0) ток Iвых, если пренебречь падением напряжения на диодах, остается таким же, как у источника питания, собранного по схеме 1 ,а. Напряжение же на выходе без нагрузки уменьшается:
Uaux = =Uc-C1^/2/(C1+C2)-2Un.

Емкость и рабочее напряжение конденсатора С2 выбирают исходя из необходимого выходного напряжения – соотношение значений емкости С1/С2 обратно пропорционально значениям падающего на С1и С2 напряжения. Например, если С1″ =1 мкф, а С2=4 мкФ, то напряжение Uc1 будет равно 4/5 напряжения сети, a Uc2=Uc/5, что при напряжении сети Uc = 220 В соответствует 186 и 44 В. Необходимо учесть, что амплитудное значение напряжения почти в 1,5 раза превышает действующее, и выбрать конденсаторы на соответствующее номинальное напряжение.

Несмотря на то, что теоретически конденсаторы в цепи переменного тока мощности не потребляют, реально в них из-за наличия потерь может выделяться некоторое количество тепла. Проверить заранее пригодность конденсатора для использования в источнике можно, просто подключив его к электросети и оценив температуру корпуса через полчаса. Если конденсатор С1 успевает заметно разогреться, его следует счесть непригодным для использования в источнике.

Практически не нагреваются специальные конденсаторы для промышленных электроустановок – они рассчитаны на большую реактивную мощность. Такие конденсаторы используют в люминесцентных светильниках, в пускорегулирующих устройствах асинхронных электродвигателей и т. п.

Ниже представлены две практические схемы источников питания с конденсаторным делителем: пятивольтный общего назначения (рис. 3) на ток нагрузки до 0,3 А и источник бесперебойного питания для кварцованных электронно-механических часов (рис. 4).

Рисунок 3:

Рисунок 4:

Делитель напряжения пятивольтного источника состоит из бумажного конденсатора С1 и двух оксидных С2 и СЗ, образующих нижнее по схеме неполярное плечо емкостью 100 мкФ. Поляризующими диодами для оксидной пары служат левые по схеме диоды моста. При номиналах элементов, указанных на схеме, ток замыкания (при Rн=0) равен 600 мА, напряжение на конденсаторе С4 в отсутствие нагрузки – 27 В.

Электронно-механические часы обычно питают от одного гальванического элемента напряжением 1,5 В. Предлагаемый источник вырабатывает напряжение 1,4 В при среднем токе нагрузки 1 мА. Напряжение, снятое с делителя С1С2, выпрямляет узел на элементах VD1, VD2. СЗ. Без нагрузки напряжение на конденсаторе СЗ не превышает 12В.