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

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 (UM) и ток через конденсатор C1 (IC1), опираясь на график сетевого напряжения UС(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:

UC=UC1+UМ (1), iC=iC1+iМ (2)

В момент времени t0 уравнение напряжения примет вид: Uca=UC1+UМ. Поскольку Uca — это максимальное значение сетевого напряжения, то UC1 и UМ 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 UМ 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 (UC) начинает уменьшаться. При этом напряжение на C1 не меняется (тока-то через мост нет, заряд на C1 не меняется), следовательно вместе с падением UC 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 IC1(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]

radiohlam.ru

Бестрансформаторный блок питания с конденсаторным делителем + online-калькулятор

Итак, начнём, с того, зачем вообще нужен такой блок питания. А нужен он затем, что позволяет запитать слаботочные нагрузки не заморачиваясь с намоткой трансформаторов и используя минимум компонентов. Минимальное число компонентов (и тем более отсутствие таких габаритных компонентов как трансформатор), в свою очередь, делают блок питания с конденсаторным делителем (иногда говорят «с емкостным делителем») простым и исключительно компактным.

Рассмотрим схему, изображённую на рисунке:

Здесь Z1 = -j/wC1; Z2 = -j/wC2 — реактивные сопротивления конденсаторов

Найдём ток нагрузки: iн = i1-i2(1) — первый закон Кирхгофа для узла 1.

Учитывая, что по закону Ома для участка цепи: i1=u1/Z1, а u1=uc-u2 ;

выражение (1) можно переписать в следующем виде:

iн=(uc-u2)/Z1-u2/Z2 ;

или по другому: Iн=jwC1(Uсм-U)-jwC2U , где индекс «м» — это сокращение от слова максимальный, он говорит о том, что речь идёт об амплитудных значениях.

Раскрыв скобки и сгруппировав это выражение, получим:

Iн=jwC1(Uсм-U(121)) (2) — вот, собственно, мы и получили выражение для тока через нагрузку Zн, в зависимости от напряжения на этой нагрузке и напряжения питающей сети. Из формулы (2) следует, что амплитудное значение тока равно: Iнм=wC1(Uсм-U(121)) (3)

Предположим, что наша нагрузка — это мост, сглаживающий конденсатор и, собственно, полезная нагрузка (смотрим рисунок).

При начальном включении, когда конденсатор C3 разряжен, величина U2 будет равна нулю и через мост потечёт пусковой зарядный ток, максимальное начальное значение которого можно найти, подставив в формулу (3) величину U равную нулю (Iпуск=wC1Ucм). Это значение соответствует худшему случаю, когда в момент включения мгновенное значение напряжения в сети было равно максимальному значению.

С каждым полупериодом конденсатор C3 будет заряжаться и наше напряжение U, равное по модулю напряжению на конденсаторе C3 и напряжению на полезной нагрузке (обозначим его как Uвых), также будет расти, пока не вырастет до некоторого постоянного значения. При этом ток через полезную нагрузку будет равен средневыпрямленному току, т.е. Iвых=Iнм*2/»Пи» (для синусоидального входного тока).

Учитывая также, что Ucм=Uc*1,414 (Uc — действующее значение питающего напряжения), а w=2*»Пи»*f, где f-частота питающего напряжения в герцах, получим:

Iвых = 4fC1(1,414Uc-Uвых(1+C2/C1)), если ещё к тому же учесть падение на диодах моста, то окончательно получится:

Iвых = 4fC1(1,414Uc-(Uвых+2Uд)(1+C2/C1)) (4) , где — падение на одном диоде

Из этого выражения можно получить и обратную зависимость Uвых(Iвых):

Uвых=(1,414Uc-Iвых/4fC1)/(1+C2/C1)-2 (5)

Что видно из двух последних формул? Из них видно, что с увеличением потребляемого нагрузкой тока напряжение на нагрузке уменьшается, а с уменьшением потребляемого тока — оно растёт. Разомкнув цепь нагрузки (то есть приняв ток нагрузки равным нулю) найдём напряжение холостого хода: Uвых хх = 1,414Uc/(1+C2/C1)-2 (6). Очевидно, что мост и конденсатор C2 должны быть рассчитаны на напряжение не менее U2м макс = Uвых хх + 2Uд = 1,414Uc/(1+C2/C1).

Строго говоря наши расчёты не совсем безупречны, потому что реальные процессы тут вообще будут нелинейными, но наши небольшие упрощения сильно облегчают расчеты и не сильно влияют на конечный результат.

А вот теперь самое интересное. Частенько читал в интернете, что линейные стабилизаторы не работают в таких схемах, сгорают и прочее и прочее. Ну что же, давайте ещё раз перерисуем нашу схему, добавив в неё линейный стабилизатор напряжения (смотрите рисунок).

(Uст. , — напряжение и ток нагрузки).

Здесь наше Uвых (напряжение на конденсаторе C3) является входным напряжением стабилизатора (Uin). Как мы помним, при отсутствии нагрузки напряжение на выходе будет максимально и равно Uвых хх. Так что вполне очевидно, что для нормальной работы наш линейный стабилизатор должен выдерживать входное напряжение не менее Uвых хх. Или можно сказать по другому, — конденсаторы должны быть подобраны таким образом, чтобы выходное напряжение холостого хода (имеется ввиду выходное напряжение конденсаторного делителя) не спалило стабилизатор при случайном отключении нагрузки (мало ли, неконтакт какой-нибудь).

Максимальный ток нагрузки можно определить, подставив в формулу (4) вместо Uвых минимальное входное напряжение стабилизатора. Как видите, главное — всё правильно рассчитать, тогда и стабилизатору ничто не угрожает.

Эта схема уже вполне рабочая, но есть у неё один существенный недостаток. В случае, когда нам нужно получить входное напряжение стабилизатора существенно ниже питающего напряжения сети (при питании от 220 В нам именно это и нужно), ёмкость конденсатора C2 получается довольно значительной. А неполярный конденсатор значительной ёмкости — довольно дорогое удовольствие (да и габариты не радуют). Можно ли как-то вместо неполярного конденсатора использовать, например, обычные электролитические?

Оказывается можно. Для этого переделаем нашу схему ещё раз, таким образом, как на рисунке. В данной схеме вместо одного конденсатора С2 используются два конденсатора С2 и С2‘ (такой же ёмкости, как и в случае, когда конденсатор C2 всего один), развязанные через диоды моста. При этом обратное напряжение на каждом из этих конденсаторов не превышает падения напряжения на диоде.

Несмотря на то, что в данном случае вместо одного неполярного конденсатора используется два электролитических, такая схема получается экономичнее и по деньгам и по габаритам.

Правда тут есть один нюанс. Выгорание одного из диодов моста может привести к тому, что на электролитических конденсаторах всё-таки появится полное обратное напряжение. Если такое произойдёт — конденсатор вероятнее всего взорвётся.

Ещё хотелось бы отметить, что обращаться с бестранформаторными блоками питания следует крайне осторожно, поскольку такая схема не развязана от питающей сети и прикосновение к её токопроводящим частям может вызвать серьёзное поражение электрическим током.

Online-калькулятор для расчёта блока питания с конденсаторным делителем:

(для правильности расчётов используйте в качестве десятичной точки точку, а не запятую)

1) Исходные данные:

(если вы не знаете минимального входного напряжения стабилизатора и величину падения напряжения на диодах моста, то расчёт будет сделан для: Uin=Uст и Uд=0, — как будто минимальное входное напряжение равно выходному напряжению стабилизатора и диоды идеальные).

2) Расчётные данные:

Для примера: при C1=1мкФ, С2 (или С2 и С2‘)=22мкФ, Uc=220В, f=50Гц и стабилизаторе LM7805, — можно получить максимальный ток нагрузки порядка 30-35мА, что вполне позволяет запитывать, например, контроллеры, оптосимисторы и даже некоторые релюшки. При этом напряжение на LM-ке даже в худшем случае (без нагрузки) не превысит 13,5 вольт.

Пример использования (в устройстве управления освещением)

Ещё один бестрансформаторный БП — блок питания с гасящим (балластным) конденсатором

radiohlam.ru

Конденсаторное питание | Электроника для всех

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

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

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

Помните обычный резистивный делитель?

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

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

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

Теоретическое отступление

В цепи бывают три вида сопротивлений:

Активное — резистор (R)
Реактивное — конденсатор (Xс) и катушка(XL)
Полное же сопротивление цепи (импенданс) Z=(R2+(XL+Xс)2)1/2

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

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

f — частота тока.

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

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

Получается у нас вот такая вот схема:

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

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

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

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

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

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

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

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

I = 2F * C (1.41U — Uвых/2).

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

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

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

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

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

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

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

Как всегда, прикладываю LAY файл.

После чего, как обычно, все вытравил и спаял:

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

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

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

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

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

Поэтому неукоснительно соблюдайте ряд правил:

  • 1. Номиналы надо ставить с запасом на как можно большее напряжение. Особенно это касается конденсатора. У меня стоит на 400вольт, но это тот что был в наличии. Лучше бы вообще вольт на 600, т.к. в электросети иногда бывают выбросы напряжения намного превышающие номинал. Стандартные блоки питания за счет своей инерционности его переживут запросто, а вот конденсатор может и пробить — последствия представьте себе сами. Хорошо если не будет пожара.
  • 2. Эта схема должна быть тщательным образом заизолирована от окружающей среды. Надежный корпус, чтобы ничего не торчало наружу. Если схема монтируется в стену, то она не должна касаться стен. В общем, пакуем все это дело наглухо в пластик, остекловываем и закапываем на глубине 20метров. :)))))
  • 3. При наладке ни в коем случае не лезть руками ни к одному из элементов цепи. Пусть вас не успокаивает что там на выходе 5 вольт. Так как пять вольт там исключительно относительно самой себя. А вот по отношению к окружающей среде там все те же 220.
  • 4. После отключения крайне желательно разрядить гасящий конденсатор. Т.к. в нем остается заряд вольт на 100-200 и если неосторожно сунуться куда нибудь не туда больно цапнет за палец. Вряд ли смертельно, но приятного мало, а от неожиданности можно и бед натворить.
  • 5. Если используется микроконтроллер , то прошивку его делать ТОЛЬКО при полном выключении из сети. Причем выключать надо выдергиванием из розетки. Если этого не сделать, то с вероятностью близкой к 100% будет убит комп. Причем скорей всего весь.
  • 6. То же касается и связи с компом. При таком питании запрещено подключаться через USART, запрещено обьединять земли.

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

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

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

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

easyelectronics.ru

Расчет бестрансформаторного блока питания



радиоликбез

Расчет бестрансформаторного блока питания

Некоторые радиолюбители при конструировании сетевых блоков питания вместо понижающих трансформаторов применяют конденсаторы в качестве балластных, гасящих излишек напряжения (рис.1).

 

Неполярный конденсатор, включенный в цепь переменного тока, ведет себя как сопротивление, но, в отличие от резистора, не рассеивает поглощаемую мощность в виде тепла, что позволяет сконструировать компактный блок питания, легкий и дешевый. Емкостное сопротивление конденсатора при частоте f описывается выражением:

Величина емкости балластного конденсатора Cб определяется с достаточной точностью по формуле:

где Uc — напряжение сети, В;

IН — ток нагрузки, А;

UH — напряжение на нагрузке, В. Если UH находится в пределах от 10 до 20 В, то для расчета вполне приемлемо выражение:

Подставив значения Uc=220 В и UH=15 В, при Iн=0,5 А получим значения Сб=7,28 мкФ (1) и Сб=7,27 мкФ (2). Для обоих выражений получается весьма приличное совпадение, особенно если учесть, что емкость обычно округляют до ближайшего большего значения. Конденсаторы лучше подбирать из серии К73-17 с рабочим напряжением не ниже 300 В.

Используя эту схему, всегда нужно помнить, что она гальванически связана с сетью, и вы рискуете попасть под удар электрическим током с потенциалом сетевого напряжения. Кроме того, к устройству с бес-трансформа-торным питанием следует очень осторожно подключать измерительную аппаратуру или какие-нибудь дополнительные устройства, иначе можно получить совсем не праздничный фейерверк.

Для питания даже маломощных устройств лучше все-таки применять понижающие трансформаторы. Если напряжение его вторичной обмотки не соответствует требуемому (превышает), то вполне безопасно применить гасящий конденсатор в цепи первичной обмотки трансформатора для снижения напряжения или для включения трансформатора с низковольтной первичной обмоткой в сеть (рис.2) Балластный конденсатор в этом случае подбирается из расчета, чтобы при максимальном токе нагрузки выходное напряжение трансформатора соответствовало заданному.

Литература

1. Бирюков С.А. Устройства на микросхемах. — М., 2000.

И.СЕМЕНОВ,

г.Дубна Московской обл.

Читайте также: Источники питания

 

radiopolyus.ru

Бестрансформаторные сетевые источники питания с гасящим конденсатором

Автор: Лупенко Александр

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[Uc-C1-i/2/(C1+C2)-Unbix]
или после очевидных преобразований
Iвых = 4f-C1 [Uc^2 -ивых(1+С2/С1)].

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

Iвых = 4f-C1 [Uc^/2- (Цвых + 2Цд) (1 + С2/С1)].

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.



radio-stv.ru

Расчет блоков питания | Начинающим


К вспомогательным, но нужным устройствам относятся выключатель SA1, предохранитель FU1 и индикатор включения — миниатюрная лампа накаливания HL1, с номинальным напряжением, несколько большим напряжения вторичной обмотки трансформатора (лампы, горящие с недокалом, гораздо дольше служат).

Стабилизатор напряжения, если он имеется, включается между выходом выпрямителя и нагрузкой. Напряжение на его выходе, как правило, меньше Uвых, и на стабилизаторе тратится заметная мощность.

Начнем с расчета сетевого трансформатора. Его габариты и масса полностью определяются той мощностью, которую должен отдавать блок питания: Рвых = Uвых • Iвых. Если вторичных обмоток несколько, то надо просуммировать все мощности, потребляемые по каждой из обмоток. К посчитанной мощности следует добавить мощность индикаторной лампочки Ринд и мощность потерь на диодах выпрямителя

Pвыпр = 2Unp • Iвых,

где Unp — прямое падение напряжения на одном диоде, для кремниевых диодов оно составляет 0,6… 1 В, в зависимости от тока. Unp можно определить по характеристикам диодов, приводимых в справочниках.

От сети трансформатор будет потреблять мощность, несколько большую рассчитанной, что связано с потерями в самом трансформаторе. Различают «потери в меди» — на нагрев обмоток при прохождении по ним тока — это обычные потери, вызванные активным сопротивлением обмоток, и «потери в железе», вызванные работой по перемагничиванию сердечника и вихревыми токами в его пластинах Отношение потребляемой из сети к отдаваемой мощности равно КПД трансформатора η. КПД маломощных трансформаторов невелик и составляет 60…65 %, возрастая до 90 % и более лишь для трансформаторов мощностью несколько сотен ватт. Итак,

Ртр = (Рвых + Ринд + Рвыпр)/η.

Теперь можно определить площадь сечения центрального стержня сердечника (проходящего сквозь катушку), пользуясь эмпирической формулой:

S2 = Pтр.

В обозначениях магнитопроводов уже заложены данные для определения сечения. Например, Ш25х40 означает ширину центральной части Ш-образной пластины 25 мм, а толщину набора пластин 40 мм. Учитывая неплотное прилегание пластин друг к другу и слой изоляции на пластинах, сечение такого сердечника можно оценить в 8…9 см2 , а мощность намотанного на нем трансформатора — в 65…80 Вт.

Площадь сечения центрального стержня магнитопровода трансформатора S определяет следующий важный параметр — число витков на вольт. Оно не должно быть слишком малым, иначе возрастает магнитная индукция в магнитопроводе, материал сердечника заходит в насыщение, при этом резко возрастает ток холостого хода первичной обмотки, а форма его становится не синусоидальной — возникают большие пики тока на вершинах положительной и отрицательной полуволн. Резко возрастают поле рассеяния и вибрация пластин. Другая крайность — излишнее число витков на вольт — приводит к перерасходу меди и повышению активного сопротивления обмоток. Приходится также уменьшать диаметр провода, чтобы обмотки уместились в окне магнитопровода. Подробнее эти вопросы рассмотрены в [1].

Число витков на вольт n у фабричных трансформаторов, намотанных на стандартном сердечнике из Ш-образных пластин, обычно рассчитывают , из соотношения n = (45…50)/S, где S берется в см2. Определив n и умножив его на номинальное напряжение обмотки, получают ее число витков. Для вторичных обмоток напряжение следует брать на 10 % больше номинального, чтобы учесть падение напряжения на их активном сопротивлении.

Все напряжения на обмотках трансформатора (UI и UII на рис.) берутся в эффективных значениях. Амплитудное значение напряжений будет в 1,41 раза выше. Если вторичная обмотка нагружена на мостовой выпрямитель, то напряжение на выходе выпрямителя Uвых на холостом ходу получается практически равным амплитудному на вторичной обмотке. Под нагрузкой выпрямленное напряжение уменьшается и становится равным:

Uвых=1,41UII — 2Uпр — Iвых rтр.

Здесь rтр — сопротивление трансформатора со стороны вторичной обмотки. С достаточной для практики точностью можно положить rтp = (0,03…0,07)Uвых/Iвых, причем меньшие коэффициенты берутся для более мощных трансформаторов.

Определив числа витков, следует найти токи в обмотках. Ток вторичной обмотки III = Iинд + Pвых/UII. Активный ток первичной обмотки (обусловленный током нагрузки) I = Ртр/UI. Кроме того, в первичной обмотке течет еще и реактивный, «намагничивающий» ток, создающий магнитный поток в сердечнике, практически равный току холостого хода трансформатора. Его величина определяется индуктивностью L первичной обмотки: I = UI/2пfL.

На практике ток холостого хода определяют экспериментально — у правильно спроектированного трансформатора средней и большой мощности он составляет (0,1…0,3)IIA. Реактивный ток зависит от числа витков на вольт, уменьшаясь с увеличением n. Для маломощных трансформаторов допускают llp = (0,5…0,7)lIA. Активный и реактивный токи первичной обмотки складываются в квадратуре, поэтому полный ток первичной обмотки II2 = IIA2 + I2.

Определив токи обмоток, следует найти диаметр провода исходя из допустимой для трансформаторов плотности тока 2…3 А/мм2. Расчет облегчает график, показанный на рис.[2].

www.radiomexanik.spb.ru

Бестрансформаторный блок питания. Расчет. Ч2

   

   Итак, давайте разберем последовательность расчета бестрансформаторного источника питания, рассмотренного в предыдущей статье. Описанная метода не претендует на истину в последней инстанции и может отличаться от других источников. Дополнительную информацию по такой схеме можно почерпнуть на зарубежных ресурсах, погуглив в сети запрос «capacitor power supply».

рис. 1

   Первое от чего мы должны отталкиваться при расчете бестрансформаторного источника питания — это ток нагрузки. На рисунке 1 он обозначен как Iam, а в качестве нагрузки выступает резистор R3. Заменим этот резистор небольшой схемой с микроконтроллером и определим потребляемый ею ток. 

рис. 2

Сделать это можно двумя способами: 
— путем расчета, просуммировав примерное потребление всех компонентов схемы,
— с мощью амперметра включенного между источником напряжения и нашей схемой.

   Второй способ, конечно, будет точнее, но он осуществим только при наличии собранной схемы. Попробуем выполнить теоретический расчет.
  
   В схеме на рисунке 2 три основных потребителя — стабилизатор 7805, микроконтроллер ATtiny13 и светодиод. Для простоты положим, что микроконтроллер при подаче питания всего лишь зажигает светодиод, а потом крутится в бесконечном цикле.
   Ток покоя стабилизатора 7805 по даташиту равен 5 мА (параметр quiescent current). При изменении тока нагрузки и входного напряжения значение тока покоя меняется на 0.5 — 0.8 мА. Значение небольшое и можно им пренебречь.
   Оценить потребление микроконтроллера ATtiny13 можно по графику Active Supply Current vs. VCC, представленнму в даташите в разделе Electric Characteristics. Допустим, у нас напряжение питания 5 Вольт, а тактовая частота — 9.6 МГц. При таких условиях attiny13 потребляет в активном режиме 5.5 мА.
Ток светодиода рассчитываем по формуле:

Iled = (Upin — Uled)/R2

где Upin — напряжение логической единицы на выводе микроконтроллера, В; Uled — прямое падение напряжения на светодиоде, В.

   Для зеленого светодиода прямое падение напряжения равно примерно 2 В, Upin примерно 5 В, значит ток через светодиод будет равен:

Iled = (5 — 2)/330 = 9 мА.

   Если быть честным, то при любом вытекающем токе напряжение на выводе микроконтроллера будет меньше напряжения питания. В чем можно убедиться, изучив график I/O Pin Source Current vs. Output Voltage (Low Power Ports, VCC = 5V), представленный в даташите. При токе 9 мА, напряжение на выводе микроконтроллера ATtiny13 будет примерно 4.8 В. Но мы, опять таки, не учитываем такие мелочи в расчете.

Итого: 5 + 5.5 + 9 = 19.5 мА.
Реальное значение потребляемого тока 18.6 мА.

   Как видишь, разница незначительная. Округлим расчетное значение в большую сторону и будем отталкиваться от значения Iam = 20 мА.

   Ток нагрузки нам известен, теперь нужно рассчитать значение тока на входе источника питания. На рисунке 1 он обозначен как Iac. В отличие от постоянного тока нагрузки, ток на входе бестрансформаторного источника питания переменный. А переменный ток характеризуется такими величинами как амплитудное и действующее значение. 
   Амплитудное значение переменного тока — это максимальное значение тока за период колебания. Действующее значение переменного тока — это такая величина постоянного тока, который за время равное одному периоду колебания переменного тока, выделит на том же сопротивлении R такое же количество тепла, что и переменный ток.
   Для переменного тока, изменяющегося по синусоидальному закону, амплитудное и действующее значения связаны следующим соотношением:

где Iac — действующее значение, А; а Im — амплитудное, А.

   Действующее значение переменного тока на входе схемы Iac рассчитывается из тока нагрузки Iam по следующей формуле:

Таким образом, ток на входе схемы будет равен:

Iac = 20*2.221 = 44,4 мA действующее значение
Im = 44*1.41 = 62.6 мA амплитудное значение

 

   У всех линейных стабилизаторов, к которым относится и микросхема 7805, есть такой параметр как dropout напряжение — наименьшая разность напряжений между входом и выходом. Этот параметр определяет минимальное входное напряжение стабилизатора, при котором он все еще будет работать в номинальном режиме. Для микросхемы 7805 выходное напряжение равно 5 В, а типовое dropout напряжение равно 2 В. Значит минимальное входное напряжение для стабилизатора 7805 будет составлять 5 + 2 = 7 В. С учетом того, что на конденсаторе С2 напряжение будет пульсировать, 7 Вольт — это минимальное значение пульсирующего напряжения. Накинем 1 В для запаса и будем отталкиваться от значения 8 Вольт.

 

   В качестве стабилизатора не обязательно выбирать микросхему 7805, можно использовать то, что есть под рукой. При этом нужно учитывать следующие параметры:
— максимальное входное напряжение стабилизатора,
— максимальный выходной ток стабилизатора,
— dropout напряжение,
— максимальная рассеиваемая мощность.

   Нагрузка у нас запитывается от сети во время положительного полупериода входного напряжения. Во время отрицательного полупериода нагрузка получает энергию от конденсатора С2. За время отрицательного полупериода он не должен успеть разрядиться до напряжения меньше 8 В. Этого не случиться, если начальное напряжение на конденсаторе и его емкость достаточны для поддержания заданного тока нагрузки. 

   Емкость сглаживающего конденсатора рассчитывается по следующей формуле.

C > Iam/(2*f*dU),

где Iam — ток нагрузки, А; f — частота переменного напряжения, Гц; С — емкость конденсатора, Ф; dU — размах пульсаций, В.

dU = Umax — Umin

Umin у нас равно 8 В.
Umax выбираем из следующих соображений. Большее напряжение позволяет использовать конденсатор меньшей емкости, но сильнее нагружает стабилизатор, который вынужден гасить на себе остаточное напряжение. Меньшее напряжение разгружает стабилизатор напряжения, но требует конденсатор большей емкости.
Я выбрал 9.3 В.

С2 > 0.02/(2*50*(9.3 — 8)) = 0.000153 Ф = 153 мкФ

   Выбираем большее соседнее значение из ряда Е12 – 180 мкФ.
   Также не забываем про максимальное напряжение, на которое рассчитан конденсатор. Берем с полуторным или двойным запасом, например на 16 Вольт.

   Требуемое номинальное напряжение стабилитрона равно максимальному напряжению на сглаживающем конденсаторе С2 плюс величина падения напряжения на диоде VD2, то есть:

9.3 + 0.7 = 10 В. 

0.7 — это значение падения напряжения на диоде, включенном в прямом направлении. Стандартное значение, используемое в инженерных расчетах.

   Помимо номинального напряжения стабилизации также важны такие параметры стабилитрона как номинальный и максимальный токи стабилизации, максимальный постоянный прямой ток, максимальный импульсный ток и рассеиваемая мощность. 

   Для данной схемы я выбрал стабилитрон 1N4740А, который имеет следующие характеристики:

— номинальное напряжение стабилизации 10 В,
— номинальный ток стабилизации 25 мА,
— максимальный ток стабилизации 91 мА,
— максимальный импульсный ток 454 мА,
— максимальный ток в прямом направлении 200 мА,
— рассеиваемая мощность 500 мВт.

   В положительный полупериод сетевого напряжения через стабилитрон может протекать ток в диапазоне от 0 до 62 мА (Im). Если нагрузка будет потреблять меньший ток, стабилитрон будет брать часть тока на себя, если нагрузка отключится, весь входной ток будет протекать через стабилитрон. Поэтому максимальный ток стабилизации стабилитрона должен быть больше амплитудного значения входного тока. В нашем случае > 62 мА. У стабилитрона 1N4740 максимальный ток стабилизации 91 мА, значит, по этому параметру он подходит. 

   В отрицательный полупериод стабилитрон будет работать как обычный диод, и через него будет протекать весь входной ток источника питания. Нагрузка в этот момент запитывается от конденсатора C2. В прямом направлении стабилитрон выдерживает 200 мА, это больше амплитудного значения входного тока (62 мА), значит, по этому параметру он тоже подходит.

   Рассчитаем максимальную мощность, которая будет рассеиваться на стабилитроне. В положительный полупериод сетевого напряжения на стабилитроне будет 10 В, в отрицательный полупериод Ud = 1.2 В (значение из даташита для тока 200 мА). Для расчета возьмем среднее значение переменного тока за полпериода. Оно рассчитывается по формуле:

Iav = (2 * Im)/3.14 = 0.637*Im

где Im — амплитудное значение переменного тока, А.

  Максимальная мощность рассеиваемая на стабилитроне будет равна:

P = (0.637 * Im)*Ust + (0.637 * Im)*Ud = (0.637 * Im)*(Ust + Ud)
P = 0.637*62*(10 + 1.2) = 442 мВт

   Такая мощность будет рассеиваться на стабилитроне в худшем случае — когда через него будет идти весь ток нагрузки. На практике значение мощности будет меньше, так как в положительный полупериод через стабилитрон будет протекать меньший ток. По этому параметру стабилитрон тоже проходит.

Ток нагрузки Iam = 20 мА.
Максимальное обратное напряжение на диоде приблизительно равно номинальному напряжению стабилитрона VD1, то есть 10 В.
Мощность, рассеиваемая на диоде, равна P = Ud*Iam = 0.7 * 20 = 14 мВт.
Берем по каждому из этих значений двойной запас и выбираем диод. Я выбрал диод 1N4148. 

   Сетевое напряжение бытовой электросети составляет 220 В. Эта так называемое действующее значение. Действующее значение в корень из 2 раз меньше амплитудного значения. Я уже говорил об этом выше.
Амплитудное значение сетевого напряжения составляет:

Um = 220 * 1.41 = 311 В

   В начальный момент включения схемы, когда конденсатор C1 разряжен, может происходить бросок тока. Нужно подобрать такой номинал резистора R2, чтобы при максимальном входном напряжении импульсный ток через стабилитрон был меньше 454 мА.

R2 > Um/Ispike = 311/450 = 691 Ом

Выбираем ближайшее значение из ряда E24 — 750 Ом

Мощность рассеиваемая на этом резисторе будет равна

Pr = Iac * Iac * R = 44 * 44 * 750 Ом = 1.5 Вт

Берем 2 ваттный резистор.

 

   Номинал конденсатора С1 рассчитывается по следующей формуле:

где Iac – действующее значение тока в цепи, А; Uac – минимальное действующее значение напряжения в цепи, В; f – частота переменного напряжения, Гц; R – сопротивление резистора R2, Ом.

   Формула выведена из закона Ома для цепи переменного тока, состоящей из конденсатора и резистора.

   Все величины известны:

Iac = 44 мА
Uac = 220 В
R2 = 750 Ом
f = 50 Гц

   Подставляем их формулу и получаем значение C1. Оно будет равно 650 нФ. Возьмем большее соседнее значение из ряда Е12 — 680 нФ.

   Рабочее напряжение С1 должно быть больше чем Um = 311 В. Можно взять конденсатор с рабочим напряжением 400 В, но лучше взять конденсатор рассчитанный на 600 В.

   В качестве C1 нужно выбирать конденсаторы, предназначенные для работы в цепях переменного тока, например отечественные металлопленочные конденсаторы К73-17 или их импортные аналоги. Если не удается подобрать конденсатор нужное емкости, можно соединить два конденсатора меньшей емкости параллельно.

   Резистор R1 выбираем номиналом 1.5-2 МОм. Мощность, которая будет рассеиваться на этом резисторе, можно грубо оценить по формуле:

P = (Uac*Uac)/R1 = (220*220)/1500000 = 32 мВт

Выбираем резистор мощностью 0.125 —  0.25 Вт.

Разъем Х1 для подключения устройства к сети. 
Разъем Х3 для подачи постоянного напряжения при отладке и программировании устройства.

   Ну и напоследок о самом главном.
   Не подключайте устройство с бестрансформаторным источником питания к компьютеру или программатору, когда оно запитано от сети. Что-то из них может сгореть.
   Для программирования или отладки устройства запитывайте его от отдельного источника постоянного напряжения, когда оно отключено от сети.
   Не дотрагивайтесь до элементов и проводников устройства, когда оно подключено к сети, это может привести к поражению электрическим током.
   Не подключайтесь к работающему устройству осциллографом.

chipenable.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о