Как сделать блок питания на 24 вольта без трансформатора

Обновлено: 08.07.2024

«Только соберёшься разбогатеть - то трусы порвутся, то сахар закончится. ».
До боли знакомое дело - только решил набросать страницу, посвящённую бестрансформаторникам, собрался с мыслями, а тут тебе на. Все сведения в одном флаконе - «Бестрансформаторные блоки питания. Автор: В.Новиков ».
И что ценно, практически все виды бестрансформаторных преобразователей: и устройства с гасящими конденсаторами, и варианты ключевых бестрансформаторных схем представлены в одном месте в виде принципиальных схем с подробным описанием принципа их функционирования.

Кто такой этот уважаемый "Автор: В.Новиков", что за первоисточник? Загадка!
Ковырялся полдня в архивах рунета, задолбался, хрен чего нашёл.
А поскольку и тема интересная, да и автор - большой молодец, приведу содержание этой статьи без каких-либо существенных сокращений.

«Сейчас в доме имеется много малогабаритной аппаратуры, которой требуется постоянное питание. Это и часы со светодиодной индикацией, и термометры, и малогабаритные приемники, и т.п. В принципе, они рассчитаны на батарейки, но те "садятся" в самый неподходящий момент. Простой выход - запитать их от сетевых блоков питания. Но даже малогабаритный сетевой (понижающий) трансформатор достаточно тяжел и места занимает не так уж мало, а импульсные источники питания все-таки сложны, требуют для изготовления определенного опыта и недешевой комплектации.

Решением данной проблемы при выполнении определенных условий может служить бестрансформаторный блок питания с гасящим конденсатором. Эти условия:
- полная автономность питаемого аппарата, т.е. к нему не должны подключаться никакие внешние устройства (например, к приемнику магнитофон для записи программы);
- диэлектрический (непроводящий) корпус и такие же ручки управления у самого блока питания и подключаемого к нему устройства.

Связано это с тем, что при питании от бестрансформаторного блока устройство находится под потенциалом сети, и прикосновение к его неизолированным элементам может хорошо "тряхнуть". Нелишне добавить, что при наладке таких блоков питания следует соблюдать правила техники безопасности и осторожность.
При необходимости использовать для наладки осциллограф блок питания нужно включать через разделительный трансформатор.
В самом простом виде схема бестрансформаторного блока питания имеет вид, показанный на рис.1.

Для ограничения броска тока при подключении блока к сети последовательно с конденсатором С1 и выпрямительным мостом VD1 включен резистор R2,а для разрядки конденсатора после отключения - параллельно ему резистор R1.
Бестрансформаторный источник питания в общем случае представляет собой симбиоз выпрямителя и параметрического стабилизатора. Конденсатор С1 для переменного тока представляет собой емкостное (реактивное, т.е. не потребляющее энергию) сопротивление Хс, величина которого определяется по формуле:

где (- частота сети (50 Гц); С-емкость конденсатора С1, Ф.
Тогда выходной ток источника можно приблизительно определить так:

где Uc - напряжение сети (220 В).

Бестрансформаторные источники питания обычно собираются по классической схеме: гасящий конденсатор, выпрямитель переменного напряжения, конденсатор фильтра, стабилизатор. Емкостной фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения. Чем больше емкость конденсаторов фильтра, тем меньше пульсации и, соответственно, больше постоянная составляющая выходного напряжения. Однако в ряде случаев можно обойтись без фильтра, который зачастую является самым громоздким узлом такого источника питания.
Известно, что конденсатор, включенный в цепь переменного тока, сдвигает его фазу на 90°. Фазосдвигающий конденсатор применяют, например, при подключении трехфазного двигателя к однофазной сети. Если в выпрямителе применить фазосдвигающий конденсатор, обеспечивающий взаимное перекрытие полуволн выпрямленного напряжения, во многих случаях можно обойтись без громоздкого емкостного фильтра или существенно уменьшить его емкость. Схема подобного стабилизированного выпрямителя показана на рис.3.

Трехфазный выпрямитель VD1.VD6 подключен к источнику переменного напряжения через активное (резистор R1) и емкостное (конденсатор С1) сопротивления.
Выходное напряжение выпрямителя стабилизирует стабилитрон VD7. Фазосдвигающий конденсатор С1 должен быть рассчитан на работу в цепях переменного тока. Здесь, например, подойдут конденсаторы типа К73-17 с рабочим напряжением не ниже 400 В.
Такой выпрямитель можно применять там, где необходимо уменьшить габариты электронного устройства, поскольку размеры оксидных конденсаторов емкостного фильтра, как правило, гораздо больше, чем фазосдвигающего конденсатора сравнительно небольшой емкости.
Еще одно преимущество предложенного варианта состоит в том, что потребляемый ток практически постоянен (в случае постоянной нагрузки), тогда как в выпрямителях с емкостным фильтром в момент включения пусковой ток значительно превышает установившееся значение (вследствие заряда конденсаторов фильтра), что в некоторых случаях крайне нежелательно.
Описанное устройство можно применять и с последовательными стабилизаторами напряжения, имеющими постоянную нагрузку, а также с нагрузкой, не требующей стабилизации напряжения.

Совершенно простенький бестрансформаторный блок питания (рис.4) можно соорудить "на коленке" буквально за полчаса.

В данном варианте схема рассчитана на выходное напряжение 6,8 В и ток 300 мА. Напряжение можно менять заменой стабилитрона VD4 и, при необходимости, VD3. А, установив транзисторы на радиаторы, можно увеличить и ток нагрузки. Диодный мост - любой, рассчитанный на обратное напряжение не менее 400 В. Кстати, можно вспомнить и про "древние" диоды. Д226Б.

В другом бестрансформаторном источнике (рис.5) в качестве стабилизатора применена микросхема КР142ЕН8. Его выходное напряжение составляет 12 В. Если необходима регулировка выходного напряжения, то вывод 2 микросхемы DA1 подключают к общему проводу через переменный резистор, например, типа СПО-1 (с линейной характеристикой изменения сопротивления). Тогда выходное напряжение может изменяться в диапазоне 12. 22 В.

В качестве микросхемы DA1 для получения других выходных напряжений нужно применить соответству- ющие интегральные стабилизаторы, например, КР142ЕН5, КР1212ЕН5, КР1157ЕН5А и др. Конденсатор С1 должен быть обязательно на рабочее напряжение не ниже 300 В, марки К76-3, К73-17 или аналогичный (неполярный, высоковольтный). Оксидный конденсатор С2 выполняет роль фильтра по питанию и сглаживает пульсации напряжения. Конденсатор С3 уменьшает помехи по высокой частоте. Резисторы R1, R2 - типа МЛТ-0,25. Диоды VD1. VD4 можно заменить на КД105Б. КД105Г, КД103А, Б, КД202Е. Стабилитрон VD5 с напряжением стабилизации 22. 27 В предохраняет микросхему от бросков напряжения в момент включения источника.

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 пригодность конденсатора в качестве гасящего, для использования в бестрансформаторном источнике, можно просто подключив его к электросети и оценив температуру корпуса через полчаса. Если конденсатор успевает заметно разогреться, он не подходит. Практически не нагреваются специальные конденсаторы для промышленных электроустановок (они рассчитаны на большую реактивную мощность). Такие конденсаторы обычно используются в люминесцентных светильниках, в пускорегулирующих устройствах асинхронных электродвигателей и т.п.

В 5-вольтовом источнике (рис.6) с током нагрузки до 0,3 А применен конденсаторный делитель напряжения. Он состоит из бумажного конденсатора С1 и двух оксидных С2 и С3, образующих нижнее (по схеме) неполярное плечо емкостью 100 мкФ (встречно-последовательное включение конденсаторов). Поляризующими диодами для оксидной пары служат диоды моста. При указанных номиналах элементов ток короткого замыкания на выходе блока питания равен 600 мА, напряжение на конденсаторе С4 в отсутствие нагрузки - 27 В.

Блок для питания портативного приемника (рис.7) легко помещается в его батарейный отсек. Диодный мост VD1 рассчитывается на рабочий ток, его предельное напряжение определяется напряжением, которое обеспечивает стабилитрон VD2. Элементы R3, VD2. VT1 образуют аналог мощного стабилитрона.

Максимальный ток и рассеиваемая мощность такого стабилитрона определяются транзистором VT1. Для него может потребоваться радиатор. Но в любом случае максимальный ток этого транзистора не должен быть меньше тока нагрузки. Элементы R4, VD3 - цепь индикации наличия выходного напряжения. При малых токах нагрузки необходимо учитывать ток, потребляемый этой цепью. Резистор R5 нагружает цепь питания малым током, чем стабилизирует ее работу.
Гасящие конденсаторы С1 и С2 - типа КБГ или аналогичные. Можно также применить и К73-17 с рабочим напряжением 400 В (подойдут и с 250 В, так как они включены последовательно). Выходное напряжение зависит от сопротивления гасящих конденсаторов переменному току, реального тока нагрузки и от напряжения стабилизации стабилитрона.

Для стабилизации напряжения бестрансформаторного блока питания с гасящим конденсатором можно использовать симметричные динисторы (рис.8).
При зарядке конденсатора фильтра С2 до напряжения открывания динистора VS1 он включается и шунтирует вход диодного моста. Нагрузка в это время получает питание от конденсатора С2. В начале следующего полупериода С2 вновь подзаряжается до того же напряжения, и процесс повторяется. Начальное напряжение разрядки конденсатора С2 не зависит от тока нагрузки и напряжения сети, поэтому стабильность выходного напряжения блока достаточно высокая.

Падение напряжения на динисторе во включенном состоянии невелико, рассеиваемая мощность, а значит, и нагрев его значительно меньше, чем у стабилитрона. Максимальный ток через динистор составляет около 60 мА. Если для получения необходимого выходного тока этого значения недостаточно, можно "умощнить" динистор симистором или тиристором (рис.9). Недостаток таких источников питания - ограниченный выбор выходных напряжений, определяемый напряжениями включения динисторов.

Бестрансформаторный блок питания с регулируемым выходным напряжением показан на рис.10а.

Его особенность заключается в использовании регулируемой отрицательной обратной связи с выхода блока на транзисторный каскад VT1, включенный параллельно выходу диодного моста. Этот каскад является регулирующим элементом и управляется сигналом с выхода одно- каскадного усилителя на VT2.

Выходной сигнал VT2 зависит от разности напряжений, подаваемых с переменного резистора R7, включенного параллельно выходу блока питания, и источника опорного напряжения на диодах VD3, VD4. По существу, схема представляет собой регулируемый параллельный стабилизатор. Роль балластного резистора играет гасящий конденсатор С1, параллельного управляемого элемента - транзистор VT1.
Работает этот блок питания следующим образом.
При включении в сеть транзисторы VT1 и VT2 заперты, а через диод VD2 происходит заряд накопительного конденсатора С2. При достижении на базе транзистора VT2 напряжения, равного опорному, на диодах VD3, VD4, транзисторы VT2 и VT1отпираются. Транзистор VT1 шунтирует выход диодного моста, и его выходное напряжение падает, что приводит к уменьшению напряжения на накопительном конденсаторе С2 и к запиранию транзисторов VT2 и VT1. Это, в свою очередь, вызывает увеличение напряжения на С2, отпирание VT2, VT1 и повторение цикла.
За счет действующей таким образом отрицательной обратной связи выходное напряжение остается постоянным (стабилизированным) как при включенной нагрузке (R9), так и без нее (на холостом ходу). Его величина зависит от положения движка потенциометра R7.
Верхнему (по схеме) положению движка соответствует большее выходное напряжение. Максимальная выходная мощность приведенного устройства равна 2 Вт. Пределы регулировки выходного напряжения - от 16 до 26 В, а при закороченном диодеVD4 - от 15 до 19,5 В. Уровень пульсаций на нагрузке - не более 70 мВ.
Транзистор VT1 работает в переменном режиме: при наличии нагрузки - в линейном режиме, на холостом ходу - в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с частотой пульсации напряжения на конденсаторе С2 100 Гц. При этом импульсы напряжения на коллекторе VT1 имеют пологие фронты.
Критерием правильности выбора емкости С1 является получение на нагрузке требуемого максимального напряжения. Если его емкость уменьшена, то максимальное выходное напряжение на номинальной нагрузке не достигается.
Транзистор VT1 нагревается мало и может работать практически без радиатора. Небольшой нагрев имеет место в нижнем положении движка R7 (при минимальном выходном напряжении). На холостом ходу тепловой режим транзистора VT1 ухудшается в верхнем положении движка R7. В этом случае транзистор VT1 должен быть установлен на небольшой радиатор, например, в виде "флажка" из алюминиевой пластинки квадратной формы со стороной 30 мм и толщиной 1. 2 мм.
Регулирующий транзистор VT1 - средней мощности, с большим коэффициентом передачи. Его коллекторный ток должен быть в 2. 3 раза больше максимального тока нагрузки, допустимое напряжение коллектор-эмиттер - не меньше максимального выходного напряжения блока питания. В качестве VT1 могут быть использованы транзисторы КТ972А, КТ829А, КТ827А и т.п. Транзистор VT2 работает в режиме малых токов, поэтому годится любой маломощный p-n-р-транзистор - КТ203, КТ361 и др.
Резисторы R1, R2 - защитные. Они предохраняют регулирующий транзистор VT1 от выхода из строя, вследствие перегрузки по току при переходных процессах в момент включения блока в сеть.

Бестрансформаторный конденсаторный выпрямитель (рис.11) работает с автостабилизацией выходного напряжения. Это достигнуто за счет изменения времени подключения диодного моста к накопительному конденсатору. Параллельно выходу диодного моста включен транзистор VT1, работающий в ключевом режиме. База VT1 через стабилитрон VD3 соединена с накопительным конденсатором С2, отделенным по постоянному току от выхода моста диодом VD2 для исключения быстрого разряда при открытом VT1. Пока напряжение на С2 меньше напряжения стабилизации VD3, выпрямитель работает как обычно. При увеличении напряжения на С2 и открывании VD3 транзистор VT1 также открывается и шунтирует выход выпрямительного моста. Напряжение на выходе моста скачкообразно уменьшается практически до нуля, что приводит к уменьшению напряжения на С2 и выключению стабилитрона и ключевого транзистора.
Далее напряжение на конденсаторе С2 снова увеличивается до момента включения стабилитрона и транзистора и т.д. Процесс автостабилизации выходного напряжения очень похож на работу импульсного стабилизатора напряжения с широтно-импульсным регулированием. Только в предлагаемом устройстве частота следования импульсов равна частоте пульсаций напряжения на С2. Ключевой транзистор VT1 для уменьшения потерь должен быть с большим коэффициентом усиления, например, КТ972А, КТ829А, КТ827А и др. Увеличить выходное напряжение выпрямителя можно, применив более высоковольтный стабилитрон (цепочку низковольтных, соединенных последовательно). При двух стабилитронах Д814В, Д814Д и емкости конденсатора С1 2 мкФ выходное напряжение на нагрузке сопротивлением 250 Ом может составлять 23. 24 В.

Аналогично можно стабилизировать выходное напряжение однополупериодного диодно-конденсаторного выпрямителя (рис.12).
Для выпрямителя с плюсовым выходным напряжением параллельно диоду VD1 включен n-p-n транзистор, управляемый с выхода выпрямителя через стабилитрон VD3. При достижении на конденсаторе С2 напряжения, соответствующего моменту открывания стабилитрона, транзистор VT1 тоже открывается. В результате, амплитуда положительной полуволны напряжения, поступающего на С2 через диод VD2, уменьшается почти до нуля. При уменьшении же напряжения на С2 транзистор VT1 благодаря стабилитрону закрывается, что приводит к увеличению выходного напряжения. Процесс сопровождается широтно-импульсным регулированием длительности импульсов на входе VD2, следовательно, напряжение на конденсаторе С2 стабилизировано.
В выпрямителе с отрицательным выходным напряжением параллельно диоду VD1 нужно включить p-n-p-транзистор КТ973А или КТ825А. Выходное стабилизированное напряжение на нагрузке сопротивлением 470 Ом - около 11 В, напряжение пульсаций - 0,3. 0,4 В.
В обоих вариантах стабилитрон работает в импульсном режиме при токе в единицы миллиампер, который никак не связан с током нагрузки выпрямителя, разбросом емкости гасящего конденсатора и колебаниями напряжения сети. Поэтому потери в нем существенно уменьшены, и теплоотвод ему не требуется. Ключевому транзистору радиатор также не требуется.
Резисторы R1, R2 в этих схемах ограничивают входной ток при переходных процессах в момент включения устройства в сеть. Из-за неизбежного "дребезга" контактов сетевой вилки процесс включения сопровождается серией кратковременных замыканий и разрывов цепи. При одном из таких замыканий гасящий конденсатор С1 может зарядиться до полного амплитудного значения напряжения сети, т.е. примерно до 300 В. После разрыва и последующего замыкания цепи из-за "дребезга" это и сетевое напряжения могут сложиться и составить в сумме около 600 В. Это наихудший случай, который необходимо учитывать для обеспечения надежной работы устройства.

Другой вариант ключевой бестрансформаторной схемы источника питания представлен на рис.13.
Сетевое напряжение, проходя через диодный мост на VD1.VD4, преобразуется в пульсирующее амплитудой около 300 В. Транзистор VT1 - компаратор, VT2 - ключ. Резисторы R1, R2 образуют делитель напряжения для VT1. Подстройкой R2 можно установить напряжение срабатывания компаратора. Пока напряжение на выходе диодного моста не достигнет установленного порога, транзистор VT1 закрыт, на затворе VT2 - отпирающее напряжение и он открыт. Через VТ2 и диод VD5 заряжается конденсатор С1.
При достижении установленного порога срабатывания транзистор VT1 открывается и шунтирует затвор VT2. Ключ закрывается и снова откроется тогда, когда напряжение на выходе моста станет меньше порога срабатывания компаратора. Таким образом, на С1 устанавливается напряжение, которое стабилизируется интегральным стабилизатором DA1.
С приведенными на схеме номиналами источник обеспечивает выходное напряжение 5 В при токе до 100 мА. Настройка заключается в установке порога срабатывания VT1. Вместо IRF730 можно использовать. КП752А, IRF720, BUZ60, 2N6517 заменяется на КТ504А.

А на следующей странице произведём онлайн расчёт элементов бестрансформаторного блока питания с гасящим конденсатором, построенного по схеме, изображённой на Рис.1.

Небольшие бестрансформаторные блоки питания часто используются для питания маломощных устройств от сети 220 В. Если ток потребляемый нагрузкой составляет порядка нескольких десятков миллиампер, можно легко преобразовать входное напряжение переменного тока в выходное постоянного, без необходимости использования громоздких и дорогих трансформаторов. Бестрансформаторные решения не только легче по весу и размерам, но и дешевле.

В зависимости от типа схемы бестрансформаторные источники питания делятся на две категории: емкостные и резистивные. Далее разберем характеристики каждой из этих схем. А также дадим практические советы о том, как выбрать мощность соответствующих электронных компонентов для этой схемы и какие меры следует предпринять для повышения безопасности такого источника питания.

Емкостный бестрансформаторный источник питания

Конденсатор C1, от которого происходит название схемы этого типа, следует выбирать с напряжением по крайней мере, в 2 раза превышающим напряжение сети переменного тока (400 В минимум). Диод D1 должен иметь мощность как минимум в 2 раза больше теоретического значения, определяемого по следующей формуле:

То же самое относится к мощности диода D2, где только вместо VZ теперь можно использовать постоянное значение падения напряжения, например 0,7 В для типичного кремниевого выпрямительного диода. В случае C2 обычно используется электролитический конденсатор с напряжением в 2 раза превышающим напряжение VZ.

Основными преимуществами емкостного решения перед БП на основе трансформатора являются уменьшенный размер, вес и стоимость. По сравнению с блоком резистивного типа, эта схема обеспечивает более высокий КПД. Недостатком является отсутствие гальванической развязки выходного напряжения от электросети и более высокая стоимость, чем ограничение по сопротивлению.

Резистивный бестрансформаторный источник питания

Принципиальная схема типичного бестрансформаторного резистивного источника питания показана на рисунке.

Опять же, выходное напряжение Vout остается постоянным пока ток Iout меньше или равен входному току Iin, с той лишь разницей что ограничение пускового тока теперь реализуется только резистором R1. Выходное напряжение Vout можно рассчитать по той же формуле, что и для емкостного источника питания, а входной ток Iin по следующей формуле:

Как и в предыдущем случае, компоненты должны быть выбраны со значением мощности, по крайней мере вдвое превышающим теоретическое значение, которое можно рассчитать по закону Ома (P = R х I ^ 2 для R1 и P = V х I для диодов D1 и D2). Электролитический конденсатор С2 следует выбирать как для емкостного исполнения.

Преимущество резистивного источника питания в том, что он меньше по размеру и весу по сравнению с трансформаторной схемой и является самым дешевым решением для электропитания. Но и в этом случае нет гальванической развязки от сети переменного тока, и кроме того, КПД ниже чем в емкостном решении.

Безопасность бестрансформаторных БП

Обе электросхемы имеют свои ограничения: они лишены какой-либо изоляции и защиты от сетевого напряжения, что является серьезной проблемой для безопасности. Но благодаря незначительным изменениям, можно адаптировать обе представленные схемы для реального использования и обеспечить соблюдение минимальных стандартов безопасности. Модификации включают:

Добавление предохранителя для защиты от чрезмерного входного тока;
Добавление варистора для защиты от переходных процессов;
Резистор R2 (R3) подключен параллельно C1 (C3) для улучшения электромагнитной устойчивости;
Разделение R1 на два резистора R1 и R2 для обеспечения лучшей защиты от скачков напряжения и предотвращения электрических дуг для резистивной цепи.

Для небольших нагрузок можно снизить напряжение с 220 В переменного тока до нескольких вольт (например 5, 9, 12 или 24), используя только токоограничивающий резистор, как показано на принципиальной схеме. КПД такой схемы чрезвычайно низок (1%), поскольку большая часть энергии теряется в виде тепла через резистор R1. Этот компонент действительно должен проделать большую работу чтобы снизить напряжение с 220 В до 12 В.

В этом примере этот линейный элемент рассеивает в среднем 22 Вт. Следовательно, он должен быть рассчитан не менее чем на 50 Вт. Его мощность рассеяния можно определить по формуле:

Переходные напряжения (за одну секунду) со значениями используемых компонентов показаны на графиках.

График верхний показывает, сколько времени требуется чтобы выходное напряжение достигло 12 В. Это время зависит от постоянной времени схемы, определяемой конденсатором C1. Тут время зарядки конденсатора следующее:

C1 = 100 мкФ, T = 25 мс
C1 = 470 мкФ, T = 130 мс
C1 = 1000 мкФ, T = 290 мс
C1 = 4700 мкФ, T = 1,4 сек
C1 = 10000 мкФ, T = 3 сек

При постоянном сопротивлении нагрузки пульсации выходного напряжения зависят от емкости конденсатора С1. Чем больше емкость конденсатора, тем меньше пульсации выходного напряжения. При использовании указанных выше конденсаторов уровень пульсаций, измеренный как размах напряжения сигнала, выглядит следующим образом:

C1 = 100 мкФ, пульсации = 1,2 Vpp
C1 = 470 мкФ, пульсации = 261,7 mVpp
C1 = 1000 мкФ, пульсации = 121,5 mVpp
C1 = 4700 мкФ, пульсации = 25,3 mVpp
C1 = 10 000 мкФ, пульсации = 11,9 mVpp

Но что более важно чем пульсация, на рисунке видно что выходное напряжение от источника питания не достигает желаемого напряжения 12 В, а только около 11,3 В.

Оказывается даже без нагрузки при подключении выходное напряжение всегда ниже 12 В. Это падение напряжения вызвано диодом D2. Помещенный в это место диод Шоттки мог бы уменьшить его, но не до нуля.

Конденсатор улучшает ситуацию

Как видно на схеме, добавление полиэфирного конденсатора последовательно с линией питания повышает эффективность. В этой конфигурации КПД уже составляет до 20%.

Поскольку максимальное напряжение на конденсаторе превышает 320 В, необходимо выбрать компонент, способный работать при напряжении не менее 600 В, как показано на рисунке.

В этой конфигурации R1 рассеивает только 0,5 Вт, но всегда лучше использовать его с номинальной мощностью не менее 2 Вт. Конденсатор C2 действует как резистор и имеет некоторую емкость при 50 Гц. Более конкретно емкость конденсатора на частоте f определяется по следующей формуле:

Из приведенной формулы конденсатор C2 имеет реактивное сопротивление 6772 Ом при 50 Гц, но, в отличие от резистора он не выделяет тепла. Выходное напряжение схемы также составляет 12 В за вычетом падения напряжения на диоде D1.

Рекомендации по проектированию БП

Когда цепь отключена, конденсатор C2 может оставаться заряженным в течение длительного времени. Рекомендуется подключать резистор с высоким сопротивлением параллельно этому элементу, как показано на рисунке. Этот резистор, например сопротивлением 470 кОм, не влияет на нормальную работу схемы. В стандартных условиях он рассеивает около 100 мВт тепла. Полный разряд конденсатора С2 происходит примерно за 1 секунду, но уже через 0,4 секунды значение напряжения на этом элементе станет не опасным для человека.

Следует отметить, что R2 должен быть рассчитан на работу при таком высоком напряжении. Поэтому обычно используются два или более обычных резистора мощностью 1/4 Вт, соединенных последовательно (для увеличения максимального напряжения пробоя).

Вот относительно мощный блок питания, сделанный для тока 150 мА 24 В. Помимо токоограничивающих элементов и разрядного резистора (C 2,5 uF, R 51R и 1M), на плате есть диодный мост, стабилитрон 24V и конденсатор фильтра 100 uF.

В общем самые большие преимущества бестрансформаторного источника питания можно увидеть, когда токовые требования составляют до 30 мА, тогда конечно вес, количество элементов, простота эксплуатации сделают разумным выбор такой схемы. Но всегда помните про отсутствие гальванической развязки с сетью 220 В!

Без трансформаторная концепция работает с использованием высоковольтного конденсатора для снижения переменного тока сети до требуемого более низкого уровня, необходимого для подключенной электронной схемы или нагрузки.
Спецификация этого конденсатора выбрана с запасом. Пример конденсатора, который обычно используется в схемах без трансформаторного питания, показан ниже:

Этот конденсатор соединен последовательно с одним из входных сигналов переменного напряжения АС.
Когда сетевой переменный ток входит в этот конденсатор, в зависимости от величины конденсатора, реактивное сопротивление конденсатора вступает в действие и ограничивает переменный ток сети от превышения заданного уровня, указанным значением конденсатора.

Однако, хотя ток ограничен, напряжение не ограниченно, поэтому, при измерении выпрямленного выхода без трансформаторного источника питания, обнаруживаем, что напряжение равно пиковому значению сети переменного тока , это около 310 В.

Но поскольку ток достаточно понижен конденсатором, это высокое пиковое напряжение стабилизируется с помощью стабилитрона на выходе мостового выпрямителя.

Мощность стабилитрона должна быть выбрана в соответствии с допустимым уровнем тока конденсатора.

Преимущества использования без трансформаторной схемы питания

Дешевизна и при этом эффективность схемы для маломощных устройств.
Без трансформаторная схема питания, описанная здесь, очень эффективно заменяет обычный трансформатор для устройств, мощностью тока ниже 100 мА.

Здесь высоковольтный металлизированный конденсатор использован на входном сигнале для понижения тока сети
Схема показанная выше может быть использована как источник электропитания DC 12 В для большинства электронных схем.
Однако, обсудив преимущества вышеописанной конструкции, стоит остановиться на нескольких серьезных недостатках, которые может включать в себя данная концепция.

Недостатки без трансформаторной схемы питания

Во-первых, цепь неспособна произвести сильнотоковые выходы, что не критично для большинства конструкций.
Другим недостатком, который, безусловно, требует некоторого рассмотрения, является то, что концепция не изолирует цепь от опасных потенциалов сети переменного тока.

Этот недостаток может иметь серьезные последствия для конструкций связанных с металлическими шкафами, но не будет иметь значения для блоков, которые имеют все покрыты в непроводящем корпусе.

И последнее, но не менее важное: вышеупомянутая схема позволяет скачкам напряжения проникать через нее, что может привести к серьезному повреждению цепи питания и самой схемы питания.

Однако в предложенной простой без трансформаторной схеме питания этот недостаток был разумно устранен путем введения различных типов стабилизирующих ступеней после мостового выпрямителя.

Этот конденсатор основывает мгновенные высоковольтные пульсации, таким образом эффективно защищая связанную электронику с ним.

Как схема работает
1. Когда сетевой вход сети переменного тока включен, конденсатор C1 блокирует вход сетевого тока и ограничивает его до более низкого уровня, определенного значением реактивного сопротивления C1. Здесь можно примерно предположить, что он составляет около 50 мА.
2. Однако напряжение тока не ограничено, и поэтому 220V может находиться на входном сигнале позволяя достигнуть последующий этап выпрямителя тока .
3. Выпрямитель тока моста выпрямляет 220V к более высокому DC 310V, к пиковому преобразованию формы волны AC.
4. DC 310V быстро уменьшен к низкоуровневому DC стабилитроном, который шунтирует его к значение согласно номинала стабилитрона. Если используется 12V стабилитрон, то и на выходе будет 12 вольт.
5. C2 окончательно фильтрует DC 12V с пульсациями, в относительно чистый DC 12V.

Цепь драйвера показанная ниже управляет лентой менее 100 светодиодов (при входном сигнале 220В), каждый светодиод рассчитан на 20мА, 3.3 В 5мм:

Здесь входной конденсатор 0.33 uF / 400V выдает около 17 ма, что примерно правильно для выбранной светодиодной ленты.
Если драйвер использовать для большего числа подобных светодиодных лент 60/70 параллельно, то просто значение конденсатора пропорционально увеличить для поддержания оптимального освещения светодиодов.

Поэтому для 2 лент включенных в параллель требуемое значение будет 0.68 uF/400V, для 3 лент заменить на 1uF / 400V. Аналогично для 4 лент должно быть обновлено до 1.33 uF / 400V, и так далее.

Важно: хотя не показан ограничивающий резистор в схеме, было бы неплохо включить резистор 33 Ом 2 Вт последовательно с каждой светодиодной лентой, для дополнительной безопасности. Можно вставить в любом месте последовательно с отдельными лентами.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: ВСЕ ЦЕПИ, УПОМЯНУТЫЕ В ЭТОЙ СТАТЬЕ, НЕ ИЗОЛИРОВАНЫ ОТ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, ПОЭТОМУ ВСЕ СЕКЦИИ ЦЕПИ ЧРЕЗВЫЧАЙНО ОПАСНЫ ДЛЯ ПРИКОСНОВЕНИЯ ПРИ ПОДКЛЮЧЕНИИ К СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

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

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

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

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

Видео работы схемы бестрансформаторного БП

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

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

Форум по обсуждению материала БЕСТРАНСФОРМАТОРНОЕ ПИТАНИЕ СХЕМ

Регулируемый источник питания 1,2 - 33 В на 4 A тока, с Lm350 + Tip147 транзистор.

Модуль драйвера BLDC двигателя жесткого диска - принципиальные электрические схемы включения и обзор готовых блоков.

Тонкомпенсированный регулятор громкости с адаптацией к регулятору тембра - теория и практика.

Как получить двадцать четыре вольта из компьютерного блока питания

Статья поясняет как переделать обычный компьютерный блок питания на напряжение 24 вольта.

В некоторых случаях возникает потребность в мощных источниках питания для различного оборудования, рассчитанного на напряжение 24 вольта.

В этой статье расскажу как можно переделать обычный компьютерный блок питания как АТХ так и АТ на напряжение 24 в. Так же из нескольких таких блоков можно компоновать любые напряжения для питания всевозможных устройств.

Например для питания местной АТС УАТСК 50/200М, рассчитанной на напряжение 60 в и мощность около 600 Ватт, автор статьи заменил обычные громадные трансформаторные блоки на три маленьких компьютерных блоков питания которые аккуратно умещались на стенке рядом с рубильником питания и почти не создавая при этом никакого шума.

Переделка заключается в добавлении двух силовых диодов, дросселя и конденсатора. Схема аналогичная шине питания +12в после импульсного трансформатора, только диоды и полярность конденсатора обращены наоборот, как показано на рисунке (фильтрующие конденсаторы не показаны).

Прелесть такой переделки заключается в том, что цепи защиты и стабилизации напряжения остаются не тронутыми и продолжают работать в прежнем режиме. Возможно получить напряжение отличное от 24 вольт (например 20 или 30), но для этого придётся изменить параметры делителя опорного напряжения управляющей микросхемы и изменить либо отключить схему защиты, что сделать уже более сложно.

Дополнительные диоды Д1 и Д2 крепятся через изоляцию на том же самом радиаторе, что и остальные, в любом удобном месте но с обеспечением полного пятна контакта с радиатором.

Дроссель Л1 крепиться в любом доступном на плате месте (можно приклеить), но следует отметить, что в различных моделях и марках блоков питания он будет греться по-разному, возможно даже больше чем уже стоящий по цепи + Л2 (зависит от качества блока питания). В таком случае нужно либо подбирать индуктивность (которая не должна быть меньше стандартной Л2) либо крепить его непосредственно на корпус (через изоляцию) для отвода тепла.

Проверять блок можно на полной нагрузке или на нагрузке, на которую он у вас будет работать. При этом корпус должен быть полностью закрыт (как положено). При проверке следует наблюдать не перегреваются ли радиаторы, на которых закреплены полупроводники и дополнительно установленный дроссель по цепи -12в. К примеру, блок питания рассчитанный на 300 ватт можно нагрузить током 10-13А при напряжении 24В. Не лишним будет проверить пульсации выходного напряжения осциллографом.

Так же очень важно отметить, что если у вас будут работать вместе два или более блоков соединённые последовательно, то корпус (массу) схемы нужно ОТКЛЮЧИТЬ от металлического корпуса блока питания (я это делал простым перерезанием дорожек в местах крепления платы к шасси). Иначе вы получите короткое замыкание или через провод заземления шнуров питания или через касание корпусов друг к другу. Для наглядности исправной работы блока можно вывести наружу лампочку или светодиод.

Отличие переделки стандартов АТ и АТХ заключается лишь в запуске блока. АТ начинает работать сразу после включения в сеть 220 в, а АТХ нужно либо запускать сигналом PS-ON, как это сделано на компьютере, либо заземлить провод этого сигнала (обычно он подходит к управляющей ножке микросхемы). При этом блок так же будет стартовать при включении в сеть.

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Читайте также: