В каждой современной квартире имеется большое количество всевозможных гаджетов, требующих постоянного электрического питания. В основном они работают от различных батареек, с относительно коротким сроком службы. Многие хозяева пытаются подключать эти устройства через обычные сетевые блоки питания на 12 В, но в большинстве случаев это не очень удобно. Основная причина заключается в больших размерах и весе понижающих трансформаторов, которые требуют себе отдельного места. Выйти из положения поможет бестрансформаторный блок питания, изготовленный на основе гасящего конденсатора.
Основным условием его нормальной работы является правильное выполнение всех необходимых расчетов. В этом случае данное устройство обеспечит надежное функционирование аппаратуры в полном автономном режиме.
Общее устройство и принцип действия
Представленная схема отличается простотой, надежностью и эффективностью. Она может быть изготовлена не только методом навесного монтажа, но и в виде печатной платы. Данная схема на двенадцать вольт является рабочей, требуется лишь заранее рассчитать параметры балластового гасящего конденсатора и подобрать нужное значение тока для конкретного устройства. Практически можно сделать 5,5-вольтовый блок с возможностью увеличения напряжения до 25 В.
Основой устройства служит балластовый конденсатор, гасящий сетевое напряжение. После этого ток попадает в диодный выпрямитель, а второй конденсатор выполняет функцию фильтра. Иногда возникает необходимость быстро разрядить оба конденсатора. С этой целью в схеме предусмотрены резисторы R1 и R2. Еще один резистор R3 используется в качестве ограничителя тока при включении нагрузки.
Расчет балластного конденсатора выполняется до сборки схемы. Для этого используется простая формула С = 3200хI/Uc, в которой I является током нагрузки (А), Uc – сетевым напряжением, С – емкостью конденсатора (мкФ). Чаще всего такие расчеты используются для светодиодов.
В качестве примера можно взять любой прибор с током 150 мА. Это может быть обычная светодиодная лампа. Сетевое напряжение будет 230 В. Таким образом, 3200 х 0,15/230 = 2,08 мкФ. Номинал конденсатора выбирается наиболее близко к расчетному, то есть, его емкость составит 2,2 мкФ, а расчетное напряжение – 400 В.
Такой простейший бестрансформаторный блок не имеет гальванической развязки с питающей сетью. В связи с этим должна быть обеспечена надежная изоляция всех соединений, а само устройство – помещено в корпус из диэлектрического материала.
Основные рабочие схемы
В большинстве случаев используются две схемы источников БП. Как правило, каждый из них представляет собой бестрансформаторный блок питания с гасящим конденсатором, который служит основным элементом данных приборов. Теоретически считается, что в цепях переменного тока эти устройства вообще не потребляют мощности. Однако в реальности в конденсаторах возникают определенные потери, что приводит к выделению некоторого количества тепла.
Поэтому все конденсаторы подвергаются предварительной проверке на возможность использования его в блоке питания. Для этого их подключают к электрической сети и отслеживают колебания температуры через некоторый промежуток времени. Если конденсатор заметно разогревается, то его нельзя использовать в качестве конструктивного элемента. Допускается лишь незначительный нагрев, неспособный повлиять на общую работоспособность устройства.
1. 
Представленные на рисунках источники питания имеют конденсаторный делитель. На рисунке 1 представлен делитель общего назначения на 5 В, рассчитанный на токовую нагрузку до 0,3 А. На рисунке 2 отображается схема источника бесперебойного питания, который применяется в электронно-механических кварцевых часах.
В первой схеме делитель напряжения включает в себя бумажный конденсатор С1 и два оксидных конденсатора С2 и С3. Оба последних элемента составляют неполярное плечо, расположенное ниже С1. Его общая емкость составляет 100 мкФ. Составные части диодного моста, расположенные слева, выступают в качестве поляризующих диодов, предназначенных для оксидной пары С2 и С3. На схеме указаны номиналы элементов, в соответствии с которыми на выходе ток короткого замыкания будет равен 600 мА, а напряжение на конденсаторе С4 без нагрузки – 27 вольт.
2. 
Вторая схема бестрансформаторного блока питания предназначена для замены батареек (1,5В), используемых в качестве источника питания в электронно-механических часах. Напряжение, вырабатываемое блоком питания, составляет 1,4 В при средней токовой нагрузке 1 мА. Напряжение на конденсаторе С3 без нагрузки не превышает 12 В. Оно снимается с делителя, поступает на узел с элементами VD1 и VD2, где и происходит его выпрямление.
В каждом из этих вариантов рекомендуется использовать два дополнительных резистора вспомогательного назначения. Первый элемент с сопротивлением от 300 кОм до 1 мОм подключается параллельно с гасящим конденсатором. С помощью данного резистора ускоряется его разрядка, после того как устройство отключено от сети.
Другой резистор имеет сопротивление от 10 до 50 Ом и считается балластным. Он подключается в разрыв какого-либо сетевого провода последовательно с гасящим конденсатором. Данный резистор ограничивает ток, проходящий через диодный мост при подключении устройства к сети. Оба резистора должны обладать мощностью рассеяния не менее 0,5 Вт, позволяющей предотвратить вероятные поверхностные пробои этих деталей действием высокого напряжения. Балластный резистор снижает нагрузку на стабилитрон, но одновременно наблюдается рост средней мощности, потребляемой самим блоком питания.
Расчеты основных параметров
Для того чтобы устройство было работоспособным и надежно функционировало, необходимо выполнить предварительный расчет бестрансформаторного блока питания. С этой целью потребуется рассчитать основные параметры:
- Емкостное сопротивление. При включении конденсатора в цепь переменного тока, он начинает оказывать влияние на силу тока, протекающего по этой цепи, то есть на определенном этапе он становится сопротивлением. Чем больше емкость конденсатора и частота переменного тока, тем меньше величина емкостного сопротивления и наоборот. Для расчетов используется формула XC = 1 /(2πƒC), где ХС – 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.
Представленная и описанная в этой статье схема позволяет изготовить малогабаритный блок питания для низкоточных схем, преобразующий переменное сетевое напряжение в постоянное напряжение заданного уровня.
Принцип действия схемы очень простой — последовательно с выпрямительным мостом (с которого снимается рабочее напряжение на сглаживающий конденсатор и нагрузку) включен конденсатор, на котором гасится избыточное напряжение. Собственно, из-за этого гасящего конденсатора схема и получила своё название. Другое название этого конденсатора — балластный, соответственно, другое название схемы — схема с балластным конденсатором.
Добавлю некоторые пояснения касательно предложенной схемы. Почему в качестве балласта используется именно конденсатор, а не резистор? Потому что резистор, при протекании через него электрического тока, очень сильно нагревается, в то время как конденсатор не греется совсем (за исключением небольшого нагрева, обусловленного омическим сопротивлением обкладок и выводов). Почему же тогда всегда вместо резисторов конденсаторами для гашения «лишнего» напряжения не пользуются? Потому что через конденсатор может протекать только переменный ток, а постоянный — никак.
Так же, как и рассмотренный ранее блок питания с конденсаторным делителем, блок питания с гасящим конденсатором относится к бестрансформаторным и не имеет гальванической развязки с сетью 220В, то есть прикосновение к любой его части запрещено и может вызвать поражение электрическим током. Тем не менее, существует масса вариантов, для которых применение такого блока питания вполне оправдано, например, в малогабаритных корпусированных приборах с микроконтроллерным управлением, когда случайное прикосновение к токоведущим частям исключено, большой ток не нужен, а размер критически важен.
Логическое обоснование расчётов и математический вывод формул, позволяющих связать ток нагрузки с ёмкостью гасящего конденсатора, я убрал под спойлер, чтобы не травмировать психику тех, кто не особо силён в физике и математике, а также чтобы не перегружать лишней информацией тех, кому это просто не интересно.
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:
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.
Итак, для заряда протекающего за один период через конденсатор С1 можно записать:
Косинусы найдём из графика сетевого напряжения, учитывая, что оно у нас на графике изменяется как раз по косинусоидальному закону, а так же учитывая его значения в моменты времени t1 и t3 (об этом мы говорили выше):
Максимальное значение тока через конденсатор C1 можно определить из формулы, связывающей ток, напряжение и реактивное сопротивление конденсатора:
Подставив всё это в выражение для заряда, получаем:
Используя полученное выражение и закон сохранения заряда находим ток через нагрузку:
Если выходное напряжение много меньше сетевого питающего напряжения, то можно считать, что Uca-Uвых≈Uca. Тогда формулу можно переписать в упрощённом виде:
Можно наоборот, выразить ёмкость конденсатора C1 через ток нагрузки:
Упрощённый вариант формулы:
Итак, в результате расчётов мы получили следующие формулы:
Обратите внимание, что в полученных формулах используется амплитудное значение сетевого напряжения, которое в корень из 2 раз больше действующего.
Кроме того, следует обратить внимание, что если ток нагрузки приравнять к нулю, то выходное напряжение схемы станет равно амплитуде сетевого напряжения (так что электролит скорее всего сразу пробьёт).
Ладно, самое главное мы посчитали, но это ещё не всё. Нужно учесть, что ток нагрузки и напряжение сети могут изменяться. Обеспечить работоспособность схемы во всём диапазоне питающих напряжений и рабочих токов — задача для стабилитрона. Рабочий диапазон токов нагрузки находится исходя из следующих соображений:
- При максимальном токе нагрузки и минимальном напряжении сети через стабилитрон должен протекать ток чуть больше минимального тока стабилизации (иначе выходное напряжение схемы будет меньше заданного)
- При минимальном токе нагрузки и максимальном питающем напряжении ток через стабилитрон должен быть чуть меньше максимального тока стабилизации (иначе стабилитрон попросту сгорит)
В окончательном, рабочем варианте добавим в схему пару резисторов:
- резистор с сопротивлением порядка 1 мегаома параллельно конденсатору C1 (через него конденсатор будет разряжаться при выключении схемы из сети)
- резистор с сопротивлением около сотни Ом, включенный последовательно с конденсатором и мостом (он будет работать как предохранитель и вместо него можно поставить обычный предохранитель)
Рабочий вариант схемы:
Online-калькулятор для расчёта блока питания с балластным конденсатором:
(для правильности расчётов используйте в качестве десятичной точки точку, а не запятую)
1) Исходные данные:
2) Расчётные данные:
Если в результате расчётов минимальный ток стабилитрона получился отрицательным — значит выбранная ёмкость конденсатора недостаточна для указанного тока нагрузки. Нужно либо увеличить ёмкость конденсатора, либо уменьшить максимальный ток нагрузки. Если же вы получили слишком большой максимальный ток стабилитрона, значит ёмкость наоборот слишком большая.
Блок питания с гасящим конденсатором представляет собой простейший вариант запитать какое нибудь маломощное устройство.
При всей своей простоте он имеет и два минуса:
1. Он гальванически связан с сетью! потому такие БП используются там, где нет вероятности прикосновения к контактам.
2. Такой Бп имеет не очень большой выходной ток. При увеличении выходного тока надо увеличивать емкость гасящего конденсатора и его габариты становятся существенными.
Внимание, будьте очень аккуратны, не прикасайтесь к контактам этого БП когда он включен.
Простейшая схема данного БП выглядит так:
Как можно увидеть из схемы, последовательно с сетью стоит конденсатор. Он то и является балластом,, на котором гасится часть напряжения.
Конденсатор не пропускает постоянный ток, но так как в сети переменный и конденсатор в итоге постоянно перезаряжется, то и получается, что в таком случае ток на выходе есть. Причем сила тока напрямую зависит от емкости конденсатора.
Собственно потому для расчета емкости конденсатора необходимо знать как минимум выходной ток нашего будущего БП, причем надо учесть и потребление стабилизатора, обычно это несколько мА.
И так. Есть две формулы, сложная и простая.
Сложная – подходит для расчета при произвольном выходном напряжении.
Простая – подходит в ситуациях, когда выходное напряжение не более 10% от входного.
I – выходной ток нашего БП
Uвх – напряжение сети, например 220 Вольт
Uвых – напряжение на выходе БП (или до стабилизаторе если такой есть), например 12 Вольт.
С – собственно искомая емкость.
Например я хочу сделать БП с выходным током до 150мА. Пример схемы приведен выше, вариант применения – радиопульт с питанием 5 Вольт + реле на 12 Вольт.
Подставляем наши 0.15 Ампера и получаем емкость 2.18мкФ, можно взять ближайший номинал из стандартных – 2,2мкФ, ну или "по импортному" – 225.
Все как бы вроде хорошо, схема простая, но есть несколько минусов, которые надо исключить:
1. Бросок тока при включении может сжечь диодный мост.
2. При выходе из строя конденсатора может быть КЗ
3. Если оставить как есть, то вполне можно получить разряд от входного конденсатора, так как на нем может долго присутствовать напряжение даже после отключения БП от сети.
4. При снятии нагрузки напряжение на конденсаторе до стабилизатора поднимется до довольно большого значения.
Решения:
1. Резистор R1 последовательно с конденсатором
2. Предохранитель 0.5 Ампера.
3. Резистор R2 параллельно конденсатору.
4. Супрессор на 12 Вольт параллельно конденсатору после диодного моста. Я не рекомендую здесь использовать стабилитроны, супрессоры рассчитаны на большую мощность рассеивания и схема будет работать надежнее.
На схеме красным цветом я выделил новые компоненты, синим – небольшое дополнение в виде светодиода.
Но гасящие конденсаторы используют часто и в дешевых светодиодных лампах. Это плохо, так как у таких ламп меньше надежность и часто высокие пульсации света.
Ниже упрощенный вариант схемы такой лампы.
Попробуем рассчитать емкость для такого применения, но так как напряжение на выходе будет явно больше чем 1/10 от входного, то применим первую формулу.
В качестве выходного напряжения я заложил 48 Вольт, 16 светодиодов по 3 Вольта на каждом. Конечно это все условно, но близко к реальности.
Ток – 20мА, типичный максимальный ток для большинства индикаторных светодиодов.
У меня вышло, что необходим конденсатор емкостью 0.298 мкФ. Ближайший из распространенных номиналов – 0.27 или 0.33мкФ. Первый встречается гораздо реже, а второй уже будет давать превышение тока, потому можно составить конденсатор из двух параллельных, например по 0.15мкФ. При параллельном включении емкость складывается.
С емкостью разобрались, осталось еще пара моментов:
1. Напряжение конденсатора
2. Тип конденсатора.
С напряжением все просто, можно применить конденсатор на 400 Вольт, но надежнее на 630, хоть они и имеют больше размер.
С типом чуть сложнее. Для такого применения лучше использовать конденсаторы, которые изначально предназначены для такого использования, например К73-17, CL21, X2
На фото конденсатор CL21
А это более надежный вариант, не смотрите что на нем указано 280 Вольт, у него это значение переменного действующего напряжения и он будет работать надежнее, чем К73-17 или CL21.
Такие конденсаторы могут выглядеть и так
А вот теперь можно еще раз внимательно посмотреть, что надо для того, чтобы собрать такой "простой" блок питания и решить, нужен ли он.
В некоторых ситуациях да, он поможет, но он имеет кучу минусов, потому на мой взгляд лучше применить просто небольшой импульсный блок питания, который уже имеет стабилизированное выходное напряжение, гальваническую изоляцию и больший выходной ток.
Как пример таких блоков питания я могу дать ссылку на подробный обзор четырех вариантов, с тестами, схемами и осмотров.
Но можно поступить еще лучше. Сейчас получили распространение монолитные блоки питания. По сути кубик, в котором находится миниатюрный БП
Например HLK-PM01 производства Hi-link, стоимостью около двух долларов за штуку.
Или их китайский аналог TSP-05 производства Tenstar robot. Они немного дешевле, 1.93 доллара за штуку.
Практика показала, что качество у них сопоставимое.
Как я писал выше, они представляют из себя импульсный Бп в модульном исполнении. БП в пластмассовом корпусе залитый эпоксидной смолой.
Выпускаются на разные напряжения и способны поддерживать его на довольно стабильном уровне.
Внутренности поближе, на фото вариант от Hi-link
На этом вроде все. Надеюсь, что статья была полезна, постараюсь и в будущем находить интересные темы. Также интересны пожелания, что хотелось бы видеть в рубрике – Начинающим.