Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

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.

Бестрансформаторное электропитание.Конденсатор вместо резистора

В данной статье поговорим про бестрансформаторное электропитание.

В радиолюбительской практике, да и в промышленной аппаратуре источником электрического тока обычно являются гальванические элементы, аккумуляторы, или промышленная сеть 220 вольт. Если радиоприбор переносной (мобильный), то использование батарей питания себя оправдывает такой необходимостью. Но если радиоприбор используется стационарно, имеет большой ток потребления, эксплуатируется в условиях наличия бытовой электрической сети, то питание его от батарей практически и экономически не выгодно. Для питания различных устройств низковольтным напряжением от бытовой сети 220 вольт существуют различные виды и типы преобразователей напряжения бытовой сети 220 вольт в пониженное. Как правило, это схемы трансформаторного преобразования.

 

Схемы трансформаторного питания строятся по двум вариантам

 

1. «Трансформатор – выпрямитель — стабилизатор» — классическая схема питания, обладающая простотой построения, но большими габаритными размерами;

2. «Выпрямитель — импульсный генератор – трансформатор – выпрямитель – стабилизатор» — схема импульсного источника питания, обладающая малыми габаритными размерами, но имеющая более сложную схему построения.

Самое главное достоинство указанных схем питания – наличие гальванической развязки первичной и вторичной цепи питания. Это снижает опасность поражения человека электрическим током, и предотвращает выход аппаратуры из строя по причине возможного замыкания токоведущих частей устройства на «ноль». Но иногда, возникает потребность в простой, малогабаритной схеме питания, в которой наличие гальванической развязки не важно. И тогда мы можем собрать простую конденсаторную схему питания. Принцип её работы заключается в «поглощении лишнего напряжения» на конденсаторе. Для того, чтобы разобраться в том, как это поглощение происходит, рассмотрим работу простейшего делителя напряжения на резисторах.

Делитель напряжения состоит из двух резисторов R1 и R2. Резистор R1 – ограничительный, или по другому называется добавочный. Резистор R2 – нагрузочный (Rн), он же является внутренним сопротивлением нагрузки.

Предположим, что нам необходимо из напряжения 220 вольт получить напряжение 12 вольт. Указанные U2 = 12 вольт должны падать на сопротивлении нагрузки R2. Это означает, что остальное напряжение U1 = 220 – 12 = 208 вольт должно падать на сопротивлении R1.

Допустим, что в качестве сопротивления нагрузки мы используем обмотку электромагнитного реле, а активное сопротивление обмотки реле R2 = 80 Ом. Тогда по закону Ома, ток, протекающий через обмотку реле, будет равен: Iцепи = U2/R2 = 12/80 = 0,15 ампер. Указанный ток должен течь и через резистор R1. Зная, что на этом резисторе должно падать напряжение U1 = 208 вольт, по закону Ома определяем его сопротивление:

R1 = UR1 / Iцепи = 208/0,15 = 1 387 Ом.

Определим мощность резистора R1: Р = UR1 * Iцепи = 208 * 0,15 = 31,2 Вт.

Для того, чтобы этот резистор не грелся от рассеиваемой на нём мощности, реальное значение его мощности необходимо увеличить в раза два, это приблизительно составит 60 Вт. Размеры такого резистора довольно внушительны. И вот здесь нам пригодится конденсатор!

 

Мы знаем, что любой конденсатор в цепи переменного тока обладает таким параметром, как «реактивное сопротивление» — сопротивление радиоэлемента изменяющееся в зависимости от частоты переменного тока. Реактивное сопротивление конденсатора определяется по формуле:

где п – число ПИ = 3,14, f – частота (Гц), С – ёмкость конденсатора (фарад).

Заменив резистор R1 на бумажный конденсатор С, мы «забудем» что такое резистор внушительных размеров.

Реактивное сопротивление конденсатора С должно приблизительно равняться ранее рассчитанному значению R1 = Хс = 1 387 Ом.

Преобразовав формулу заменив местами величины С и Хс, мы определим значение ёмкости конденсатора:

С1 = 1 / (2*3,14*50*1387) = 2,3*10^-6 Ф = 2,3 мкФ

Это может быть несколько конденсаторов с требуемой общей ёмкостью, включенных параллельно, или последовательно.

Схема бестрансформаторного (конденсаторного) питания будет выглядеть следующим образом:

Но изображённая схема работать будет, но не так как мы планировали! Заменив массивный резистор R1 на один, или два малогабаритных конденсатора, мы выиграли в размерах, но не учли одно — конденсатор должен работать в цепи переменного тока, а обмотка реле – в цепи постоянного тока. На выходе нашего делителя переменное напряжение, и его необходимо преобразовать в постоянное. Это достигается вводом в схему диодного выпрямителя разделяющего входную и выходную цепь, а так же элементов сглаживающих пульсацию переменного напряжения в выходной цепи.

Окончательно, схема бестрансформаторного (конденсаторного) питания будет выглядеть следующим образом:

Конденсатор С2 — сглаживающий пульсации. Для исключения опасности поражения электрическим током от накопленного напряжения в конденсаторе С1, в схему введен резистор R1, который шунтирует конденсатор своим сопротивлением. При работе схемы он своим большим сопротивлением не мешает, а после отключения схемы от сети, в течение времени, определяемого секундами, через резистор R1 происходит разряд конденсатора. Время разряда определяется обыкновенной формулой:

Для того, чтобы следующий раз не делать все вышеперечисленные расчёты, выведем окончательную формулу расчёта ёмкости конденсатора схемы бестрансформаторного (конденсаторного) питания. При известных значениях входного и выходного напряжения, а также сопротивления R2 (оно же — сопротивление нагрузки Rн), значение сопротивления R1 находится в соответствии с пунктом 3 статьи «Делитель напряжения«:

Объединив две формулы, находим конечную формулу расчета ёмкости конденсатора схемы бестрансформаторного питания:

где Rн – сопротивление нагрузки, в нашем случае это – сопротивление обмотки реле Р1.

Учитывая, что при работе в переменном напряжении в конденсаторе происходят перезарядные процессы, а также сдвиг фазы тока по отношению к фазе напряжения, необходимо брать конденсатор на напряжение в 1,5…2 раза больше того напряжения, которое подаётся в цепь питания. При сети 220 вольт, конденсатор должен быть рассчитан на рабочее напряжение не менее 400 вольт.

По указанной выше формуле можно рассчитать значение ёмкости схемы бестрансформаторного питания для любого устройства, работающего в режиме постоянной нагрузки. Для работы в условиях переменной нагрузки, меняется также ток и напряжение выходной цепи. Для стабилизации выходного напряжения обычно применяют стабилитроны, или эквивалентные транзисторные схемы, ограничивающие выходное напряжение на необходимом уровне. Одна из таких схем показана на рисунке ниже.

Вся схема включена в сеть 220 вольт постоянно, а реле Р1 включается в цепь и выключается с помощью выключателя S1. В качестве выключателя может быть и полупроводниковый прибор, например транзистор. Транзисторный каскад VT1 включен параллельно нагрузке, он исключает увеличение напряжения во вторичной цепи. Когда нагрузка отключена, ток течёт через транзисторный каскад. Если бы этого каскада не было, то при отключении S1 и отсутствии другой нагрузки, на выводах конденсатора С2 напряжение могло бы достигнуть максимального сетевого – 315 вольт.

Стоит отметить, что при расчёте схем автоматики с реле, необходимо учитывать, что напряжение срабатывания реле, как правило, равно его номинальному (паспортному) значению, а напряжение удержания реле во включенном состоянии приблизительно в 1,5 раза меньше номинального. Поэтому, рассчитывая схему, изображённую выше, оптимально вести расчёт конденсатора для режима удержания, а напряжение стабилизации сделать равным номинальному (или чуть выше номинального). Это позволит работать всей схеме в режиме меньших токов, что повышает надёжность. Таким образом, для расчета емкости конденсатора С1 в схеме с коммутируемой нагрузкой, параметр Uвх мы берём равным не 12 вольт, а в полтора раза меньше – 8 вольт, а для расчёта ограничительного (стабилизирующего) транзисторного каскада – номинальное 12 вольт.

С1 = 1 / ( 2 * 3,14 * 50 * ( (220 * 80) / 8 – 80 ) ) = 1,5 мкФ
В качестве стабилизирующего элемента при малых токах можно использовать стабилитрон. При больших токах стабилитрон не годится – слишком малая у него рассеиваемая мощность. Поэтому в таком случае оптимально использовать транзисторную схему стабилизации напряжения. Расчёт стабилизирующего транзисторного каскада основан на использовании порога открытия биполярного транзистора, при достижении напряжения база-эмиттер 0,65 вольта (на кристалле кремния). Но учтите, что для разных транзисторов это напряжение колеблется в пределах 0,1 вольта, не только по типам, но и по экземплярам транзисторов. Поэтому напряжение стабилизации на практике может немного отличаться от рассчитанного значения.
Расчёт делителя смещения каскада стабилизации проводится всё по тем же формулам делителя напряжения, при известных Uвх.дел. = 12 вольт, Uвых.дел. = 0,65 вольт и токе транзисторного делителя, который должен быть приблизительно в двадцать раз меньше тока протекающего через ёмкость С1. Этот ток легко найти:Iдел. = Uвх.дел. / (20*Rн) = 12 / (20 * 80) = 0,0075 ампер,
где Rн – сопротивление нагрузки, в нашем случае это – сопротивление обмотки реле Р1, равное 80 Ом.

Номиналы резисторов R1 и R2 определяются по формулам, ранее опубликованным в статье «Делитель напряжения«:

,

где Rобщ – общее сопротивление резисторов делителя смещения транзистора VT1, которое находится по закону Ома:

Итак: Rобщ = 12 / 0,0075 = 1600 Ом ;

R3 = 0,65 * 1600 / 12 = 86,6 Ом , по номинальному ряду, ближайший номинал – 82 Ом;

R2 = 1600 – 86,6 = 1513,4 Ом , по номинальному ряду, ближайший номинал – 1,5 кОм.

Зная падение напряжения на резисторах и ток делителя, не забудьте рассчитать их габаритную мощность. С запасом, габаритную мощность R2 выбираем в 0,25 Вт, а R3 – в 0,125 Вт. Вообще, вместо резистора R2 лучше поставить стабилитрон, в данном случае это может быть Д814Г, КС211(с любым индексом), Д815Д, или КС212(с любым индексом). Я научил вас рассчитывать резистор намеренно.

Транзистор выбирается также с запасом падающей на его переходе мощности. Как выбирать транзистор в подобных стабилизирующих каскадах, хорошо описано в статье «Компенсационный стабилизатор напряжения«. Для лучшей стабилизации, возможно использование схемы «составного транзистора».

Думаю, что статья своей цели достигла, «разжёвано» всё до каждой мелочи.

Использование конденсатора в качестве сопротивления

Опубликовал admin | Дата 10 ноября, 2014

     Маломощные зарядные устройства для герметизированных малогабаритных аккумуляторов, блоки питания для светодиодных ламп, блоки питания для низковольтных слаботочных устройств обычно подключают к первичной сети переменного тока 220 вольт через понижающие трансформаторы или добавочные резисторы. При этом на гасящем резисторе выделяется большая бесполезная мощность в виде тепла, а трансформаторы имеют большие габариты и вес.

      Можно конечно применить малогабаритные трансформаторы, но из-за применения в них очень тонких обмоточных проводов, резко уменьшается надежность таких блоков питания. Известно, что конденсатор, установленный в цепи переменного тока, обладает реактивным сопротивлением, которое зависит от частоты переменного тока, протекающего через его обкладки. Использование конденсаторов позволяет гасить излишнее напряжение, при этом мощность на реактивном сопротивлении не выделяется и это является большим преимуществом конденсатора перед резистором. Один из методов расчета гасящего конденсатора я уже приводил ранее, теперь хочу предложить еще один, с использованием номограммы.

     Так как полное сопротивление Z цепи, составленной из последовательно включенных нагрузки с активным сопротивлением Rн и гасящего конденсатора с реактивным сопротивлением Хс равно

то прямой расчет емкости гасящего конденсатора довольно сложен.

     Поэтому проще воспользоваться номограммой. На ней по оси абсцисс отложены величины сопротивлений нагрузки Rн в килоомах, а по оси ординат отложены величины емкостей гасящих конденсаторов в микрофарадах. По оси, проведенной под углом сорок пять градусов – полные сопротивления Z цепи в килоомах.

Чтобы воспользоваться номограммой, надо определить сопротивление нагрузки — Rн. Rн = I2•R = U2/R и полное сопротивление цепи Z.
Пример. Мостовой выпрямитель с выходным напряжением 12 вольт и током нагрузки 120 мА необходимо питать от сети переменного тока 220 вольт. Надо найти емкость гасящего конденсатора, подключенного последовательно выпрямительному диодному мосту.
Для начала нам необходимо определить сопротивление нагрузки. Rн = U/I = 12 В / 0,12 А = 100 Ом. Теперь определяем полное сопротивление цепи в сети переменного тока 220 вольт. Z = 220 В/0,12 А = 1833 Ом. Далее определяем емкость гасящего конденсатора по номограмме. Для этого из точки на оси абсцисс, соответствующей сопротивлению 100 Ом восстановим перпендикуляр. Через точку, находящуюся на оси Z и соответствующей сопротивлению 1833 Ома, проводим дугу В с центром в точке 0, до пересечения с перпендикуляром А. Получаем точку С, которую проектируем на оси Y – ось емкости. Получаем необходимую емкость гасящего конденсатора, примерно 1,8 мкф. Все просто и удобно. Успехов. К.В.Ю.
Используемая литература: журнал «Радио» № 7 за 1970 год. Автор статьи В. Шишков
Скачать рисунок номограммы можно в формате sPlan здесь.

Скачать “Использование конденсатора в качестве сопротивления” Nomogramma.rar – Загружено 1669 раз – 2 KB

Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».

Просмотров:16 401

Гасящий конденсатор вместо гасящего резистора

Иногда возникает задача понизить переменное напряжение сети 220 вольт до некоторого заданного значения, причем применение понижающего трансформатора (в таком случае) не всегда бывает целесообразным. Скажем, низкочастотный понижающий трансформатор, выполненный традиционно на трансформаторном железе, способный преобразовать мощность 200 Ватт, весит больше килограмма, не говоря о высокой стоимости. Следовательно в некоторых случаях можно применить гасящий резистор, который ограничит ток, однако при этом на самом гасящем резисторе выделится мощность в виде тепла, а это не всегда является приемлемым. Например, если нужно запитать 200 Ваттную лампу только на половину ее наминала, потребовалось бы рассеять мощность в 100 Ватт на гасящем резисторе, а это крайне сомнительное решение. Весьма удобной альтернативой, для данного примера, может служить применение гасящего конденсатора, емкостью около14мкф, (такой можно собрать из трех металлопленочных типа К73-17 по 4,7мкф, рассчитанных на 250в, а лучше – на 400в) это позволит получить нужный ток без необходимости рассеивать значительную мощность в виде тепла. Рассмотрим физическую сторону этого решения. Как известно, конденсатор, включенный в цепь переменного тока, является реактивным элементом, обладающим емкостным сопротивлением, связанным с частотой переменного тока в цепи, а также с собственной емкостью. Чем больше емкость конденсатора и чем выше частота переменного напряжения в цепи, тем больший ток проходит через конденсатор, значит емкостное сопротивление конденсатора обратно пропорционально его емкости, а также частоте переменного тока, в цепи, куда он включен. Это видно и из формулы для емкостного сопротивления конденсатора: Если в цепь переменного тока включены последовательно резистор (активная нагрузка) и конденсатор, то их общее сопротивление можно найти по формуле: А поскольку и то Итак, зная напряжение на нагрузке, силу тока нагрузки и напряжение на гасящем конденсаторе, можно определить емкость гасящего конденсатора, который нужно включить последовательно нагрузке для получения требуемых параметров питания: Рассмотрим пример: требуется запитать лампу накаливания мощностью 100 Ватт, рассчитанную на напряжение 110 вольт от розетки 220 вольт. В первую очередь найдем значение рабочего тока лампы: Получим значение тока лампы равное 0,91 А. Теперь можно найти требуемое значение емкости гасящего конденсатора, она будет равна 15,2 мкФ. Следует отметить, что этот расчет верен для чисто активной нагрузки, когда имеет место эффективное значение. При использовании же выпрямителя, необходимо учесть, что эффективное значение тока будет немного меньше в силу действия пульсаций. Также следует помнить, что в качестве гасящих конденсаторов, полярные конденсаторы применять ни в коем случае нельзя.

Лучшее сочетание вакуумных и          полупроводниковых характеристик — однотактный гибридный усилитель звука.           Мы не создаём иллюзий,           Мы делаем звук живым!

Бестрансформаторное электропитание, использование конденсатора в качестве гасящего резистора

Выпрямители для зарядки аккумуляторных батарей, осветительные лампы небольшой мощности и другие устройства, с рабочим напряжением меньше напряжения сети, обычно подключают к ней через трансформатор или последовательно с добавочными резисторами, на которых гасится излишнее напряжение. При этом на гасящем резисторе выделяется большая мощность, которая рассеивается в виде тепла.

 

Но известно, что конденсатор, установленный к цепи переменного тока, обладает сопротивлением, зависящим от частоты и называемым реактивным. Используя его, также можно гасить излишнее напряжение сети, причем мощность на реактивном сопротивлении не выделяется, что является большим преимуществом конденсатора перед гасящим резистором.

Так как полное сопротивление Z цепи, составленной из последовательно включенных нагрузки с активным сопротивлением R_H и конденсатора с реактивным сопротивлением Х_с равно Z=√R_H²+X_C², то непосредственный расчет емкости гасящего конденсатора довольно сложен. Для определения ее проще пользоваться номограммой, приводимой на рис. 1.

На ней по оси абсцисс отложены сопротивления R_H в кОм, по оси ординат — емкости С гасящих конденсаторов в мкФ и по оси, проведенной под углом 45° к оси абсцисс,— полные сопротивления Z цепи в кОм.

Чтобы воспользоваться номограммой, предварительно нужно по закону Ома или формуле мощности определить R_H и Z.

На оси абсцисс номограммы находят вычисленное значение R_H и проводят из этой точки вертикальную прямую, параллельную оси ординат. Затем на наклонной оси отыскивают ранее определенное значение Z. Из точки начала координат через точку Z проводят дугу, которая должна пересечь линию, проведенную параллельно осп ординат. Из точки пересечения ведут линию, параллельную оси абсцисс. Точка, где эта линия встретится с осью ординат, укажет искомую емкость гасящего конденсатора.

Пример 1. Определить емкость конденсатора, который нужно соединить последовательно с осветительной лампой 127 В 25 Вт, чтобы се можно было включить н сеть переменного тока напряжением 220 В. Находим R_H:

R_H=U²/P=127²/25=640 Ом

где U — напряжение, на которое рассчитана осветительная лампа, Р — мощность лампы. Чтобы определить Z, нужно узнать ток I, протекающий в цепи:

I=P/U=25/127=0,2A

Тогда Z равно:

Z=220/0,2=1100 Ом

Как найти емкость гасящего конденсатора, пользуясь вычисленными предварительными данными, показано на номограмме жирными линиями.

Пример 2. Мостовой выпрямитель (рис. 2) с выходным напряжением U_вых= 18 В и током нагрузки I_H = 20mA необходимо питать от сети с напряжением 127 В. Найти емкость конденсатора С₁, который нужно подключить последовательно выпрямителю, чтобы погасить излишнее напряжение.

Определяем сопротивление нагрузки:

R_H=U_вых/I_H=18/0,02=900 Ом

и полное сопротивление пепи:

Z=127/0,02=6,35 кОм

Далее определяют емкость гасящего конденсатора С₁ по номограмме. Как это сделать, показано на ней пунктиром. Результат, полученный по расчету (0,51 мкФ), можно округлить до 0,5 мкФ.

Для гашения напряжения можно использовать только бумажные конденсаторы, предназначенные для работы в цепи переменного тока (типов МБМ, МБГП, БМТ и др.). Их рабочее напряжение для большей надежности работы должно превышать в два-три раза напряжение, которое нужно погасить.

 

 

 

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 (X_с) и катушка(X_L)
Полное же сопротивление цепи (импенданс) Z=(R²+(X_L+X_с)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.
X_L=2pi*f * L
Xc=-1/(2pi*f*C)
Знак реактивного сопротивления элемента указывает на его характер. Т.е. если больше нуля, то это индуктивные свойства, если меньше нуля то емкостные. Из этого следует, что индуктивность можно скомпенсировать емкостью и наоборот.

f — частота тока.

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

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!

гасящий конденсатор за место трансформатора

Конденсатор в качестве понижающего трансформатора

Конденсатор при включении в цепь с переменным напряжением обладает реактивным сопротивлением. Его сопротивление меняется в зависимости от частоты.

Благодаря этому свойству конденсатора его возможно использовать за место гасящего резистора.При этом на конденсаторе не выделяет тепло, что является большим преимуществом над обычным резистором.

Расчет номиналов такого конденсатора достаточно сложен, для упрощения расчета предлагаю воспользоваться номограммой, представленной ниже.

Из данного рисунка видно, что для определения емкости конденсатора нам необходимо знать Rн-сопротивление нагрузки. Z-сопротивление цепи.

Если эти значения известны достаточно взять циркуль, приложить его в начало координат и провести дугу через ось Z. Затем от оси Rн провести параллельную линию оси ординат. Точка пересечения дуги и линии и будет емкость нашего конденсатора.

Пример 1

У нас имеется паяльник на напряжение 127В мощностью 25 Вт. Требуется рассчитать гасящий конденсатор для включения его в розетку 220В.

Rн=〖Uвых〗^2/Pн=〖127〗^2/25=645 Ом

Где, U- необходимое напряжение на нагрузке (в нашем случае на паяльнике). P- мощность нагрузки.
Затем рассчитываем ток проходящий через нагрузку

Iн=Pн/Uвых=25/127=0.2 А

Затем рассчитываем сопротивление цепи Z

Z=Uвх/Iн=220/0,2=1100 Ом

На номограмме данные значения выделены, нам нужен конденсатор на 3,5 мкФ.

Пример 2

Нам необходимо запитать постоянным током устройство рассчитанное на напряжение 18В и ток 20мА. При этом напряжение сети 127В.

Внимание схема работает от 220В, развязки от сети нет. Будьте внимательны, соблюдайте технику безопасности!

Rн=Uвых/Iн=18/0,02=900 Ом
Z=Uвх/Iн=127/0,02=6,35 кОм

Данный пример на номограмме выделен пунктиром. Емкость конденсатора составляет 0,51 мкФ.
Конденсаторы в качестве гасящего элемента следует выбирать бумажные. С запасом по напряжению в 2-3 раза, превышающего напряжение которое нужно погасить.