Расчет понижающего конденсатора

Если говорить об электрических сетях в России, то входное напряжение составляет 220 вольт, частота 50 Гц.

Содержание

Если вам приходилось сталкиваться с задачей понижения напряжения до любого уровня, например, с 220 до 12 вольт, то эта статья для вас.

Существует множество способов сделать это с помощью подручных материалов. В данном случае мы будем использовать один элемент – конденсатор.

В принципе, можно использовать обычный резистор, но в этом случае возникает проблема перегрева этой детали, и вы можете загореться.

В случае, когда в качестве понижающего элемента используется емкость, ситуация иная.

Конденсатор, включенный в цепь переменного тока, имеет (в идеале) только реактивное сопротивление, значение которого можно найти по известной формуле.

Кроме того, в нашей цепи мы также размещаем нагрузку (лампочку, дрель, стиральную машину), которая также имеет определенное сопротивление R

Таким образом, общее сопротивление цепи составит

Наша цепь является последовательной, поэтому общее напряжение цепи представляет собой сумму напряжений конденсатора и нагрузки

Используя закон Ома, рассчитаем ток, протекающий в этой цепи.

Как видите, зная параметры схемы, легко вычислить недостающие значения.

А зная, как рассчитать мощность, легко рассчитать параметры конденсатора, исходя из потребляемой нагрузки мощности.

Обратите внимание, что в этой схеме нельзя использовать полярные конденсаторы, то есть те, которые подключены к электронной схеме строго в соответствии с указанной полярностью.

Также частота сети f. И если в России это 50 Гц, то в США, например, это 60 Гц. Это также влияет на окончательные расчеты.

Диоды D223 можно заменить на любые другие диоды, транзистор MP41A – на любую германиевую p-n-p структуру. элемент G1

13 Источник питания с конденсатором подавления.

Во многих описанных выше устройствах использовались бестрансформаторные источники питания с гасящими конденсаторами. Они удобны своей простотой, малыми размерами и весом, но не всегда применимы из-за гальванической связи выходной цепи с сетью 220 В. В этом разделе объясняется, как правильно рассчитать такой источник питания.

В бестрансформаторном источнике питания конденсатор и нагрузка соединены последовательно с сетью переменного тока. Сначала рассмотрим работу источника с чисто резистивной нагрузкой (рис. 123,а).

В любительской практике часто используется источник, в котором гасящий конденсатор соединен последовательно с диодным мостом и нагрузкой.

диодный мост, а нагрузка, зашунтированная еще одним конденсатором, питается от выходной диагонали моста (рис. 124). В этом случае цепь становится сильно нелинейной, и форма тока, протекающего через мост и подавляющий конденсатор, будет отличаться от

синусоидальный. По этой причине приведенный выше расчет является неверным.

Какие процессы происходят в источнике со сглаживающим конденсатором C2 достаточной емкости, чтобы пульсации выходного напряжения были пренебрежимо малы? Для сглаживающего конденсатора C1 диодный мост (включая C2 и Rn) в установившемся режиме является своего рода эквивалентом симметричного стабилизатора. При напряжении на этом аналоге меньше определенного значения (оно практически равно напряжению Uв на конденсаторе С2) мост закрыт и ток через него не течет, при большем напряжении ток течет через открытый мост, не позволяя увеличиваться входному напряжению моста.

Начнем с момента времени t1, когда напряжение в сети максимально (Рисунок 125). Конденсатор С1 заряжается до амплитуды сетевого напряжения Uc.ампер минус напряжение диодного моста Um, примерно равное Uout. Ток, протекающий через конденсатор C1 и закрытый мост, равен нулю. Напряжение сети уменьшается по косинусу (график 1), напряжение на мосту также уменьшается (график 2), а напряжение на конденсаторе C1 не изменяется.

Ток конденсатора остается нулевым до тех пор, пока напряжение на диодном мосту, изменив знак на противоположный, не достигнет -Uv (момент t2). В этот момент ток Ic1 ступенчато протекает через конденсатор C1 и мост. С момента t2 напряжение на мосту не меняется, а ток определяется скоростью изменения напряжения сети и будет точно таким же, как если бы к сети был подключен только конденсатор C1 (схема 3).

Когда напряжение сети достигнет отрицательной амплитуды (момент tz), ток через конденсатор C1 снова будет равен нулю. Затем этот процесс повторяется каждые полпериода.

Ток протекает через мост только в интервале времени t2-t3, его среднее значение может быть рассчитано как площадь заштрихованной части

Если нет регулятора на требуемое напряжение Uв;

обеспечивая расчетный максимальный стабилизирующий ток, несколько диодов могут быть соединены последовательно при более низком напряжении.

Подставляйте минимальный ток нагрузки In nun в формулу (4) только в том случае, если этот ток является непрерывным – единицы секунд или более. Если минимальный ток нагрузки кратковременный (доли секунд), его следует заменить средним (по времени) током нагрузки. В случае, если стабилизатор допускает ток, превышающий рассчитанный по формуле (4), целесообразно использовать гасящий конденсатор емкостью несколько

Зарядка этого конденсатора занимает одну четверть периода сетевого напряжения и столько же для разрядки, согласно рис. 124. При таком приближении двойная пульсация напряжения 2Un (нарастание) составляет: 2ip=0,25In mah/fC.

Аналогично, можно предположить, что для источника на рисунке 126 время зарядки одинаково, а время разрядки составляет три четверти периода:

Для выходных напряжений менее 100 В зарядка происходит дольше, разрядка короче, и эти выражения дают явно завышенные результаты, поэтому расчет емкости сглаживающего конденсатора по формулам, полученным из них, дает некоторый запас: C=5Inmax/2Up (для рисунка 124); C=15Inmax/2Up (для рисунка 126), где ток в миллиамперах, емкость в микрофарадах, напряжение в вольтах.

Хотя стабилитрон снижает напряжение пульсаций, не рекомендуется использовать сглаживающий конденсатор с меньшей емкостью, чем рассчитано. В приведенном выше примере при пульсации 0,2 вольта емкость сглаживающего конденсатора равна:

Для ограничения пускового тока через диоды выпрямительного моста при включении питания последовательно с гасящим конденсатором должен быть подключен токоограничивающий резистор. Чем меньше сопротивление этого резистора, тем меньше потери в нем. Для диодного моста KTs407A или диодного моста KD103A достаточно резистора 36 Ом.

Средняя мощность P, рассеиваемая им, может быть найдена по формуле: P=5.6C1^2R, где емкость в микрофарадах, сопротивление в омах, а мощность в милливаттах. Для примера выше, P=5,6*0,39^236=30 мВт. Для обеспечения безопасности (поскольку при включении на резистор может подаваться амплитудное напряжение сети) рекомендуется использовать резистор мощностью не менее 0,5 Вт.

Во избежание возможности поражения электрическим током при настройке устройств с рассматриваемыми источниками, их следует питать не от сети, а от лабораторного низковольтного источника питания через токоограничивающий резистор. Выходное напряжение лабораторного устройства устанавливается выше, чем напряжение питания регулируемого устройства, чтобы ток через токоограничивающий резистор был близок к Ist min+ Inmax.

Иногда удобно использовать резистор источника в качестве токоограничивающего резистора для ограничения тока, протекающего через диоды выпрямительного моста. В этом случае достаточно закоротить клеммы

(рис. 130) на ток нагрузки до 0,3 А и источник бесперебойного питания для электронных механических часов (рис. 131).

Делитель напряжения пятивольтового источника состоит из бумажного конденсатора С1 и двух оксидных конденсаторов С2 и СЗ, образующих нижнее неполярное плечо 100 мкФ. Поляризующие диоды для пары оксидов – это левые диоды моста на схеме. При номиналах компонентов, указанных в схеме, ток замыкания (при Rn=O) составляет 600 мА, напряжение на конденсаторе C4 без нагрузки – 27 В.

Электромеханические часы обычно питаются от одного гальванического элемента с напряжением 1,5 В.

элемент с напряжением 1,5 В. Предлагаемый источник вырабатывает напряжение 1,4 В при среднем токе нагрузки 1 мА. Напряжение, снимаемое с делителя C1C2, выпрямляется узлом на элементах VD1, VD2, CÇ. При отсутствии нагрузки напряжение на конденсаторе CZ не превышает 12 В.

Транзистор VT1, включенный в качестве эмиттерного усилителя, и гальванический элемент G1 образуют регулятор напряжения. Выход источника будет равен напряжению элемента минус падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора.

Ток, потребляемый от элемента G1 при наличии сетевого напряжения, в h21e раз меньше тока нагрузки, что значительно продлевает срок службы элемента. На практике это означает, что элемент необходимо заменить не из-за разряда от тока нагрузки, а по другим причинам – саморазряд, высыхание электролита и т.д.

В случае пропадания сетевого напряжения транзистор выводится из режима эмиттерного последователя, и нагрузка питается от гальванического элемента G1 через открытый эмиттерный переход. При появлении сетевого напряжения транзистор возвращается в режим эмиттерного последователя, и нагрузка переключается на питание от сети. Конденсатор C4 обеспечивает нормальную работу часов при глубоком разряде G1.

Диоды D223 можно заменить на любые другие диоды, транзистор MP41A – на любой германиевый p-n-r транзистор. Элемент G1

лучше использовать щелочные, например Duracell, Energizer. Реальный срок службы такого элемента в источнике питания может достигать 10 лет.

И последнее. Конструкция бестрансформаторных источников и питаемых от них устройств должна исключать возможность контакта с любыми проводниками во время работы. Особое внимание следует уделить изоляции элементов управления.

Входная часть следующего источника питания (рис.2а) содержит балластный конденсатор C1 и выпрямительный мост из диодов VD1, VD2 и стабилизаторов VD3, VD4. Резисторы R1, R2 играют ту же роль, что и в первой схеме. Осциллограмма выходного напряжения устройства показана на рис.2б (когда выходное напряжение превышает напряжение стабилизации диода, в противном случае он работает как обычный диод).
С начала полупериода положительного тока через конденсатор C1 до момента времени t1 стабилитрон VD3 и диод VD2 открыты, а стабилитрон VD4 и диод VD1 закрыты. В течение интервала времени t1. t3 стабилитрон VD3 и диод VD2 остаются открытыми, а через открытый стабилитрон VD4 протекает импульс стабилизирующего тока. Выходное напряжение Uout i на стабиллитроне VD4 равно его напряжению стабилизации Uст.
Импульсный ток стабилизации, который является сквозным током для диодного стабилизирующего выпрямителя, шунтирует нагрузку Rn, подключенную к выходу моста. В момент времени t2 ток стабилизации достигает максимума, а в момент времени t3 он равен нулю. Стабилизатор VD3 и диод VD2 остаются открытыми до конца положительного полупериода.
В момент времени t4 положительный полупериод заканчивается и начинается отрицательный полупериод, с начала которого до момента времени t5 стабилизатор VD4 и диод VD1 открыты, а стабилизатор VD3 и диод VD2 закрыты. В интервале времени t5-t7 стабилизатор VD4 и диод VD1 все еще открыты, и через стабилизатор VD3 проходит импульс стабилизирующего тока при напряжении UCT, максимальном в момент времени t6. Начиная с t7 и до конца отрицательного полуцикла, стабилитрон VD4 и диод VD1 остаются открытыми. Рассматриваемый рабочий цикл диодно-стабилитронного выпрямителя повторяется для последовательных периодов сетевого напряжения.
Таким образом, через VD3, VD4 протекает выпрямленный ток от анода к катоду и в обратном направлении ток стабилизации импульса. В промежутках времени t1. t3 и t5. t7 напряжение стабилизации изменяется не более чем на несколько процентов. Значение переменного тока на входе моста VD1. VD4 в первом приближении равно отношению напряжения сети к емкости балластного конденсатора C1.
Работа диодно-стабилизирующего выпрямителя без балластного конденсатора, ограничивающего сквозной ток, невозможна. Они функционально неразделимы и образуют единый блок – конденсаторно-стабилитронный выпрямитель.
Разница в значениях UCT однотипных стабилизаторов составляет около 10%, что приводит к дополнительной пульсации выходного напряжения на частоте сети, амплитуда напряжения пульсации пропорциональна разнице в значениях Ust стабилизаторов VD3 и VD4.
При использовании мощного D815A. D817G могут быть установлены на общий радиатор, если их типовое обозначение содержит буквы “PP” (Регуляторы D815APP. D817GPP имеют обратную полярность выхода). В противном случае диоды и регуляторы должны быть перевернуты.

Отсутствие трансформаторных источников питания.
Понижающие источники питания с конденсаторами подавления и
Основные схемы бестрансформаторных преобразователей напряжения.

“Как только ты собираешься разбогатеть, у тебя рвется белье или заканчивается сахар. “.
Это до боли знакомо – как только вы решили написать страницу о бестрансформаторных преобразователях, вы собираетесь с мыслями и вот вы здесь. Вся информация в одном флаконе – “Бестрансформаторные источники питания. Автор: В.Новиков “.
И что ценно, практически все типы бестрансформаторных преобразователей: как устройства с подавляющими конденсаторами, так и варианты ключевых бестрансформаторных схем представлены в одном месте в виде принципиальных схем с подробным описанием принципа их работы.

Кто этот автор: В.Новиков, что является первоисточником? Загадка!
Я полдня рылся в архивах Рунета, мне это надоело.
А поскольку тема интересная и автор – молодец, приводите содержание статьи без существенных сокращений.

“Автор этой статьи без каких-либо существенных сокращений процитировал содержание этой статьи. К ним относятся светодиодные часы, термометры, небольшие приемники и т.д. По сути, они предназначены для батарей, но “разряжаются” в самый неподходящий момент. Простое решение – питать их от сети. Но даже небольшой сетевой трансформатор (понижающий) довольно тяжел и занимает много места, а импульсные источники питания все еще сложны, требуют определенного опыта производства и стоят недешево.

Бестрансформаторный источник питания с гасящим конденсатором может стать решением этой проблемы при соблюдении определенных условий. Такими условиями являются:
– Полная автономность питаемого устройства, т.е. к нему не должны быть подключены никакие внешние устройства (например, магнитофон для записи программы);
– Диэлектрический (непроводящий) корпус и такие же ручки, управляющие самим блоком питания и подключенным к нему устройством.

Это связано с тем, что при питании от бестрансформаторного устройства оно находится под потенциалом сети, и прикосновение к его неизолированным частям может вызвать хороший “толчок”. Стоит отметить, что при настройке этих источников питания следует соблюдать безопасность и осторожность.
Если для настройки необходимо использовать осциллограф, то питание должно быть подключено через разделительный трансформатор.
В простейшем виде схема бестрансформаторного источника питания показана на рис.1.

Для ограничения пускового тока при последовательном соединении устройства с конденсатором C1 и выпрямительным мостом VD1 подключается резистор R2, а параллельный резистор R1 используется для разряда конденсатора при отключении.
Бестрансформаторный источник питания обычно представляет собой симбиоз выпрямителя и параметрического стабилизатора. Конденсатор C1 для переменного тока является емкостным (реактивным, т.е. не потребляющим энергию) резистором Xc, значение которого задается формулой:

где (- частота сети (50 Гц); C – емкость конденсатора C1, F.
Выходной ток источника может быть аппроксимирован следующим образом:

где Uc – напряжение сети (220 В).

Входная часть другого источника питания (рис.2а) содержит балластный конденсатор C1 и выпрямительный мост из диодов VD1, VD2 и стабилизаторов VD3, VD4. Резисторы R1, R2 играют ту же роль, что и в первой схеме. Осциллограмма выходного напряжения устройства показана на рис.2b (когда выходное напряжение превышает напряжение стабилизирующих диодов, в противном случае оно работает как обычный диод).
С начала полупериода положительного тока через конденсатор C1 до момента времени t1 стабилизатор VD3 и диод VD2 открыты, а стабилизатор VD4 и диод VD1 закрыты. В течение интервала времени t1. t3 стабилитрон VD3 и диод VD2 остаются открытыми, а через открытый стабилитрон VD4 протекает импульс стабилизирующего тока. Напряжение на выходе Uout и на стабилизаторе VD4 равно его стабилизирующему напряжению Uст.
Стабилизирующий импульсный ток, который является сквозным током для диодно-стабилизирующего выпрямителя, обходит нагрузку Rn, подключенную к выходу моста. В момент времени t2 стабилизирующий ток достигает максимума, а в момент времени t3 он равен нулю. Стабилизатор VD3 и диод VD2 остаются открытыми до конца положительного полупериода.
В момент времени t4 положительный полупериод заканчивается и начинается отрицательный полупериод, с начала которого до момента времени t5 стабилизатор VD4 и диод VD1 открыты, а стабилизатор VD3 и диод VD2 закрыты. В интервале времени t5-t7 стабилитрон VD4 и диод VD1 остаются открытыми, а через стабилитрон VD3 при напряжении UCT проходит импульс стабилизирующего тока, максимальный в момент времени t6. Начиная с t7 и до конца отрицательного полуцикла, стабилитрон VD4 и диод VD1 остаются открытыми. Рассматриваемый рабочий цикл диодно-стабилизирующего выпрямителя повторяется для последовательных периодов сетевого напряжения.
Таким образом, через VD3, VD4 протекает выпрямленный ток от анода к катоду и импульсный ток стабилизации в обратном направлении. В промежутках времени t1. t3 и t5. t7 напряжение стабилизации изменяется не более чем на несколько процентов. Значение переменного тока на входе моста VD1. VD4 в первом приближении равно отношению напряжения сети к емкости балластного конденсатора C1.
Работа выпрямителя с диодной стабилизацией без балластного конденсатора, который ограничивает сквозной ток, невозможна. Они функционально неразделимы и образуют единый блок – конденсаторно-стабилитронный выпрямитель.
Разброс значений UCT однотипных стабилизаторов составляет около 10%, что вызывает дополнительные пульсации выходного напряжения сетевой частоты, амплитуда пульсаций напряжения пропорциональна разнице между значениями Ust стабилизаторов VD3 и VD4.
При использовании мощного D815A. D817G, они могут быть установлены на общий радиатор, если их типовое обозначение содержит буквы “PP” (D815APP. D817GPP имеют обратную полярность). В противном случае диоды и регуляторы должны быть перевернуты.

Без трансформатора источники питания обычно собираются по классической схеме: гасящий конденсатор, выпрямитель переменного тока, конденсатор фильтра, стабилизатор. Емкостной фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения. Чем больше емкость конденсаторов фильтра, тем меньше пульсации и, следовательно, выше постоянная составляющая выходного напряжения. Однако в некоторых случаях можно обойтись без фильтра, который часто является самым громоздким компонентом такого блока питания.
Известно, что конденсатор в цепи переменного тока сдвигает фазу переменного тока на 90°. Фазосдвигающий конденсатор используется, например, при подключении трехфазного двигателя к однофазной сети. Если в выпрямителе используется фазосдвигающий конденсатор для обеспечения перекрытия полуволн выпрямленного напряжения, то во многих случаях можно обойтись без громоздкого емкостного фильтра или значительно уменьшить его емкость. Схема такого стабилизированного выпрямителя показана на рис.3.

Трехфазный выпрямитель VD1.VD6 подключен к источнику переменного напряжения через активное сопротивление (резистор R1) и емкостное сопротивление (конденсатор C1).
Выходное напряжение выпрямителя стабилизируется схемой VD7. Конденсатор фазового сдвига C1 должен быть рассчитан на работу в цепях переменного тока. Здесь, например, подходит конденсатор типа К73-17 с рабочим напряжением не менее 400 В.
Такой выпрямитель можно использовать там, где необходимо уменьшить размеры электронного устройства, поскольку размеры конденсаторов оксидного фильтра обычно значительно больше, чем размеры фазосдвигающего конденсатора с относительно небольшой емкостью.
Дополнительным преимуществом предлагаемого варианта является то, что потребляемый ток практически постоянен (при постоянной нагрузке), тогда как в выпрямителях с емкостным фильтром пусковой ток значительно превышает фиксированное значение (из-за зарядки конденсаторов фильтра), что в некоторых случаях очень нежелательно.
Описанное устройство также может использоваться с последовательными регуляторами напряжения с постоянной нагрузкой, а также с нагрузкой, не требующей стабилизации напряжения.

Совершенно простой бестрансформаторный источник питания (рис.4) можно собрать “на месте” примерно за полчаса.

В этой версии схема рассчитана на выходное напряжение 6,8 В и ток 300 мА. Напряжение может быть изменено путем изменения VD4 и, возможно, VD3. Разместив транзисторы на теплоотводах, можно также увеличить ток нагрузки. Любой диодный мост, рассчитанный на обратное напряжение не менее 400 В. Кстати, можно вспомнить и о “древних” диодах. D226B.

Второй бестрансформаторный источник (рис.5) имеет в качестве стабилизатора схему КР142ЕН8. Его выходное напряжение составляет 12 В. Если необходимо регулировать выходное напряжение, контакт 2 схемы DA1 должен быть подключен к общему проводу через переменный резистор, например. типа SPO-1 (с линейной характеристикой изменения сопротивления). Затем выходное напряжение можно изменять в диапазоне 12. 22 В.

В качестве микросхемы DA1 для получения других выходных напряжений следует использовать подходящие интегральные регуляторы, например, КР142ЕН5, КР1212ЕН5, КР1157ЕН5А и др. Конденсатор C1 должен быть рассчитан на рабочее напряжение не менее 300 В, марки K76-3, K73-17 или аналогичный (неполярный, высоковольтный). Оксидный конденсатор C2 действует как фильтр источника питания и сглаживает пульсации напряжения. Конденсатор C3 снижает высокочастотный шум. Резисторы R1, R2 – типа МЛТ-0,25. Диоды VD1. VD4 может быть заменен на KD105B. KD105G, KD103A,B, KD202E. Стабилитрон VD5 с напряжением регулирования 22. 27 В защищает микросхему от скачков напряжения при включении источника.

Хотя теоретически конденсаторы в цепях переменного тока не потребляют энергии, в действительности в них может выделяться некоторое количество тепла из-за наличия потерь. Чтобы проверить пригодность конденсатора в качестве закалочного конденсатора для использования в бестрансформаторном источнике питания, просто включите его в сеть и оцените температуру корпуса через полчаса. Если конденсатор успевает заметно нагреться, он не подходит. Специальные конденсаторы для промышленных электроустановок (они рассчитаны на высокую реактивную мощность) практически не нагреваются. Эти конденсаторы обычно используются в люминесцентных светильниках, пускателях асинхронных двигателей и т.д.

В источнике 5 В (рис. 6) с током нагрузки до 0,3 А используется конденсаторный делитель напряжения. Он состоит из бумажного конденсатора C1 и двух оксидных конденсаторов C2 и C3, образующих нижнее (на схеме) неполярное плечо 100 мкФ (антиразвязывающие конденсаторы). Поляризующие диоды для пары оксидов являются мостовыми диодами. При указанных номиналах элементов ток короткого замыкания на выходе источника питания составляет 600 мА, напряжение на конденсаторе C4 без нагрузки – 27 В.

Блок питания для портативного приемника (рис.7) легко помещается в батарейный отсек. Диодный мост VD1 имеет номинальный рабочий ток, его предельное напряжение определяется напряжением, подаваемым стабилизатором VD2. Элементы R3, VD2. VT1 образует эквивалент энергетического стабилитрона.

Максимальный ток и мощность, рассеиваемая стабилизатором мощности, определяется транзистором VT1. Для этого может потребоваться теплоотвод. Однако в любом случае максимальный ток этого транзистора не должен быть меньше тока нагрузки. Элементы R4, VD3 образуют цепь сигнализации выходного напряжения. При малых токах нагрузки следует учитывать ток, потребляемый этой цепью. Резистор R5 нагружает цепь питания небольшим током и тем самым стабилизирует ее работу.
Подавляющие конденсаторы C1 и C2 – типа KBG или аналогичные. Также можно использовать K73-17 с рабочим напряжением 400 В (достаточно 250 В, так как они соединены последовательно). Выходное напряжение зависит от сопротивления конденсаторов подавления переменного тока, фактического тока нагрузки и напряжения стабилизации стабилизирующего диода.

Симметричные динисторы можно использовать для стабилизации напряжения бестрансформаторного источника питания с гасящим конденсатором (рис.8).
Когда конденсатор фильтра C2 заряжается до напряжения открытия диода VS1, он включается и шунтирует вход диодного моста. Нагрузка в это время получает питание от конденсатора C2. В начале следующего полуцикла C2 заряжается до того же напряжения, и процесс повторяется. Начальное напряжение разряда конденсатора C2 не зависит от тока нагрузки и напряжения сети, поэтому стабильность выходного напряжения устройства достаточно высока.

Падение напряжения на диоде во включенном состоянии мало, поэтому рассеиваемая мощность и, соответственно, выделяемое тепло намного меньше, чем у стабилизированного диода. Максимальный ток через диод составляет около 60 мА. Если этого значения недостаточно для достижения требуемого выходного тока, симистор или тиристор можно “долить” с помощью диода (рис. 9). Недостатком таких источников питания является ограниченный выбор выходных напряжений, определяемый напряжением включения диода.

Бестрансформаторный источник питания с регулируемым выходным напряжением показан на рисунке 10a.

Он имеет регулируемую отрицательную обратную связь с выхода устройства на транзисторный каскад VT1, подключенный параллельно выходу диодного моста. Этот каскад является регулирующим элементом и управляется сигналом с выхода однокаскадного усилителя на VT2.

Выходной сигнал VT2 зависит от разности напряжений, создаваемой переменным резистором R7, подключенным параллельно выходу источника питания, и источником опорного напряжения на диодах VD3, VD4. По сути, эта схема представляет собой регулируемый параллельный стабилизатор. Роль балластного резистора играет конденсатор С1, параллельным управляющим элементом является транзистор VT1.
Принцип работы этого источника питания следующий.
При включении питания транзисторы VT1 и VT2 блокируются, а конденсатор C2 заряжается диодом VD2. Когда напряжение на базе транзистора VT2 равно опорному напряжению на диодах VD3, VD4, транзисторы VT2 и VT1 открываются. Транзистор VT1 шунтирует выход диодного моста, и его выходное напряжение падает, что уменьшает напряжение на накопительном конденсаторе С2 и блокирует транзисторы VT2 и VT1. Это, в свою очередь, вызывает повышение напряжения на C2, открывая VT2, VT1 и повторяя цикл.
Благодаря отрицательной обратной связи, действующей таким образом, выходное напряжение остается постоянным (стабилизированным) как при включенной нагрузке (R9), так и без нее (холостой ход). Его значение зависит от положения потенциометра R7.
Более высокое (по диаграмме) положение ползунка соответствует более высокому выходному напряжению. Максимальная выходная мощность устройства составляет 2 Вт. Диапазон регулировки выходного напряжения составляет от 16 до 26 В, а при закороченном диодеVD4 – от 15 до 19,5 В. Уровень пульсаций в нагрузке не превышает 70 мВ.
Транзистор VT1 работает в переменном режиме: при наличии нагрузки – в линейном режиме, в режиме холостого хода – в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с частотой пульсаций напряжения на конденсаторе С2 100 Гц. В этом случае импульсы напряжения на коллекторе VT1 имеют плавные фронты.
Критерием правильного выбора емкости C1 является получение требуемого максимального напряжения на нагрузке. Если его емкость уменьшена, максимальное выходное напряжение при номинальной нагрузке не будет достигнуто.
Транзистор VT1 нагревается очень слабо и может работать практически без теплоотвода. В нижнем положении регулятора R7 (при минимальном выходном напряжении) наблюдается незначительный нагрев. В режиме холостого хода тепловое поведение транзистора VT1 ухудшается при верхнем положении регулятора R7. В этом случае транзистор VT1 должен быть установлен на небольшой теплоотвод, напр. “Вымпел” из квадратной алюминиевой пластины шириной 30 мм и толщиной 1. 2 мм.
Управляющий транзистор VT1 – это транзистор средней мощности с высоким коэффициентом усиления. Его ток коллектора должен быть в 2. 3 раза больше максимального тока нагрузки, а допустимое напряжение коллектор-эмиттер должно быть как минимум равно максимальному выходному напряжению источника питания. В качестве VT1 можно использовать транзисторы КТ972А, КТ829А, КТ827А и т.д. Транзистор VT2 работает в режиме низкого тока, поэтому подойдет любой маломощный p-n транзистор – КТ203, КТ361 и т.д.
Резисторы R1, R2 являются защитными резисторами. Они защищают управляющий транзистор VT1 от повреждения из-за сверхтоковых переходных процессов, когда устройство подключено к сети.

Бестрансформаторный конденсаторный выпрямитель (рис.11) работает с автостабилизированным выходным напряжением. Это достигается путем изменения времени подключения диодного моста к накопительному конденсатору. Транзистор VT1 подключен параллельно выходу диодного моста и работает в режиме ключа. База VT1 подключена к конденсатору C2 через стабилизатор VD3, который отделен от выхода моста диодом VD2 для предотвращения быстрого разряда, когда VT1 открыт. Пока напряжение на C2 меньше напряжения стабилизации VD3, выпрямитель работает в обычном режиме. Когда напряжение на C2 увеличивается и VD3 открывается, транзистор VT1 также открывается и шунтирует выход выпрямительного моста. Напряжение на выходе моста внезапно падает почти до нуля, что вызывает падение напряжения на С2 и отключает стабилизатор и ключевой транзистор.
Затем напряжение на конденсаторе С2 снова повышается до включения стабилизатора и транзистора, и так далее. Процесс автостабилизации выходного напряжения очень похож на работу регулятора напряжения с широтно-импульсным управлением. Только в предлагаемом устройстве частота следования импульсов равна частоте пульсаций напряжения на C2. Чтобы уменьшить потери, ключевой транзистор VT1 должен иметь высокий коэффициент усиления, например, КТ972А, КТ829А, КТ827А и т.д. Выходное напряжение выпрямителя можно увеличить, используя регулятор более высокого напряжения (ряд последовательно соединенных регуляторов низкого напряжения). При использовании двух регуляторов D814B, D814D и конденсатора C1 2 мкФ выходное напряжение на нагрузке 250 Ом может составлять 23. 24 В.

Выходное напряжение диодно-конденсаторного выпрямителя с одним полупериодом может быть стабилизировано аналогичным образом (рис.12).
Для выпрямителя с положительным выходным напряжением параллельно диоду VD1 включен n-p-n транзистор, который управляется с выхода выпрямителя через стабилитрон VD3. Когда конденсатор C2 достигает напряжения, соответствующего времени открытия стабилитрона, транзистор VT1 также открывается. В результате амплитуда положительной полуволны напряжения, приложенного к С2 через диод VD2, уменьшается почти до нуля. С другой стороны, когда напряжение на C2 уменьшается, транзистор VT1 закрывается благодаря стабилизирующему диоду, что приводит к увеличению выходного напряжения. Этот процесс сопровождается регулировкой длительности импульса на входе VD2, так что напряжение на конденсаторе C2 стабилизируется.
В выпрямителе с отрицательным выходным напряжением параллельно диоду VD1 должен быть подключен p-n-p транзистор КТ973А или КТ825А. Выходное стабилизированное напряжение при нагрузке 470 Ом составляет около 11 В, напряжение пульсаций 0,3. 0,4 В.
В обоих вариантах регулятор работает в импульсном режиме с током в несколько миллиампер, который никак не связан с током нагрузки выпрямителя, изменениями емкости гасящего конденсатора и колебаниями напряжения в сети. В результате потери значительно снижаются, и теплоотвод не требуется. Ключевой транзистор также не нуждается в теплоотводе.
Резисторы R1, R2 в этих схемах ограничивают входной ток во время переходных процессов при подключении устройства. Из-за неизбежного “подпрыгивания” контактов сетевой вилки процесс включения питания сопровождается рядом коротких замыканий и прерываний цепи. Во время одного из таких прерываний конденсатор С1 может зарядиться до полной амплитуды сетевого напряжения, т.е. примерно до 300 В. После прерывания и последующего замыкания цепи из-за “дребезга” это напряжение и напряжение сети могут складываться примерно до 600 В. Это наихудший случай, который необходимо учитывать для обеспечения надежной работы устройства.

Другой вариант принципиальной схемы бестрансформаторного источника питания показан на рис.13.
Напряжение сети, проходя через диодный мост на VD1.VD4, преобразуется в пульсирующее напряжение с амплитудой около 300 В. Транзистор VT1 является компаратором, а VT2 – переключателем. Резисторы R1, R2 образуют делитель напряжения для VT1. Регулируя R2, можно настроить напряжение срабатывания компаратора. Пока напряжение на выходе диодного моста не достигнет установленного порога, транзистор VT1 закрыт, затвор VT2 открыт и открыт. Через VT2 и диод VD5 заряжается конденсатор C1.
При достижении установленного порога транзистор VT1 открывается и шунтирует затвор VT2. Ключ закрывается и снова открывается, когда выходное напряжение моста меньше порога компаратора. Это устанавливает напряжение на C1, которое стабилизируется интегрирующим регулятором DA1.
При номиналах, указанных на схеме, источник обеспечивает выходное напряжение 5 В при токе до 100 мА. Настройка заключается в установке порога срабатывания VT1. Вместо IRF730 можно использовать следующие компоненты. KP752A, IRF720, BUZ60, 2N6517 могут быть заменены на KT504A.

На микросхеме HV-2405E можно построить миниатюрный бестрансформаторный источник питания для маломощных устройств (рис. 14), который реализует прямое преобразование переменного напряжения в постоянное.
Диапазон входного напряжения ИС составляет -15. 275 В, выходного напряжения – 5. 24 В, а максимальный выходной ток – до 50 мА. Поставляется в плоском пластиковом корпусе DIP-8.
Особое внимание следует уделить резисторам R1 и R2 в цепи источника (рис. 14). Их общее сопротивление должно быть около 150 Ом, а рассеиваемая мощность – не менее 3 Вт. Высоковольтный входной конденсатор C1 может иметь емкость от 0,033 до 0,1 мкФ. Варистор Rv может использоваться при рабочем напряжении от 230 до 250 В. Резистор R3 может быть выбран в соответствии с требуемым выходным напряжением. При его отсутствии (выводы 5 и 6 закорочены) выходное напряжение составляет чуть более 5 В, при сопротивлении 20 кОм выходное напряжение составляет около 23 В. Резистор можно заменить диодом Зенера с требуемым напряжением стабилизации (от 5 до 21 В). Для остальных частей нет особых требований, за исключением выбора рабочего напряжения электролитических конденсаторов (формулы для расчетов приведены на схеме).”

На следующей странице мы проведем on-line расчеты компонентов бестрансформаторного источника питания с подавляющим конденсатором, построенного по схеме, показанной на рис.1.

Как только в цепи появляется элемент, течет ток, который временно рассеивается за счет потерь.

Как понизить переменное напряжение с помощью конденсатора, как это рассчитать?

Один из способов – сделать емкостной делитель. Он рассчитывается так же, как и резистивный делитель (учитывая, что падение напряжения на конденсаторе НАСТОЛЬКО пропорционально его емкости). Второй способ заключается в размещении гасящего конденсатора последовательно с нагрузкой. Емкость рассчитывается на основе закона Ома для цепи переменного тока.

Но все это имеет смысл только при относительно небольших токах. Если у вас такая лампочка, ее потребляемый ток составляет почти 3 ампера (100/36). При частоте 50 Гц вам потребуется большой конденсатор (50 мкФ), чтобы выдать 175 вольт при ТАКОМ токе. И вы не можете использовать здесь электролитический конденсатор – емкость должна работать на переменном напряжении! Так что это бумага. И это очень громоздко.

Так что “ходите, как все, по камням”. Установите трансформатор.

Вы можете уменьшить переменное напряжение с помощью конденсатора, используя резистор, подключенный к тому же источнику питания.

При этом учитывайте, что в цепи будет присутствовать постоянное напряжение.

Конденсаторы с большой емкостью обеспечивают защиту от скачков тока в устройстве. В случае короткого замыкания ток не превысит 10 миллиампер, для этого достаточно напряжения и сопротивления.

Однако такое устройство имеет большие размеры, поэтому их обычно используют для защиты сети.

Когда в цепи присутствует какой-либо элемент, течет ток, который на мгновение рассеивается за счет потерь.

Это вызывает нагрев компонентов, что может привести к их повреждению.

Чтобы избежать этого, устанавливаются конденсаторы.

Это можно рассчитать по формуле

Обычно я делаю приблизительный расчет конденсатора на основе реактивного сопротивления переменного тока Z=1/F*C, где F – частота переменного тока в цепи в Гц, C – емкость конденсатора в фарадах, Z – сопротивление в омах. И тогда падение напряжения в цепи можно рассчитать по закону Ома: U=I*Z, где U – напряжение в вольтах, а I – сила тока в амперах в источнике питания. Теперь, если мы вычтем U из общего (сетевого) напряжения питания, мы получим приблизительное напряжение на участке цепи – это напряжение, которое будет на нагрузке или потребителе электроэнергии, для которого были сделаны эти расчеты. Поскольку мы используем переменный ток, конденсаторы должны быть неполярными для рабочего напряжения, близкого или превышающего расчетное U. Для цепей постоянного тока этот вариант снижения напряжения не подходит, поскольку конденсатор работает только в цепях переменного или пульсирующего тока.

Напряжение простое, можно использовать конденсатор на 400 В, но конденсатор на 630 В более надежен, хотя они больше по размеру.

Как рассчитать емкость гасящего конденсатора в простом источнике питания?

Источник питания с гасящим конденсатором – это самый простой способ питания маломощного устройства.

Источник питания прост, но имеет два недостатка:
1. он гальванически подключен к электросети! Поэтому такие источники питания используются там, где невозможно прикоснуться к контактам.
2. этот тип источника питания не имеет очень высокого выходного тока. Если мы увеличиваем выходной ток, емкость конденсатора подавления должна быть увеличена, и его размеры становятся значительными.

Пожалуйста, будьте осторожны, не касайтесь контактов этого источника питания, когда он включен.

Простейшая схема этого источника питания выглядит следующим образом:

Как видно на схеме, последовательно с сетевым питанием установлен конденсатор. Это балласт, который используется для рассеивания части напряжения.
Конденсатор не проводит постоянный ток, но поскольку в сети переменный ток и конденсатор в конечном итоге будет постоянно перезаряжаться, получается, что в этом случае на выходе есть ток. А ток напрямую зависит от емкости конденсатора.

Поэтому для расчета емкости конденсатора нам необходимо знать хотя бы выходной ток нашего будущего источника питания, кроме того, нужно учесть ток потребления стабилизатора, обычно это несколько мА.

И вот. Существует две формулы – сложная и простая.
Комплекс подходит для расчета любого выходного напряжения.
Simple подходит для ситуаций, когда выходное напряжение составляет менее 10% от входного напряжения.
I – выходной ток нашего источника питания
Uin – напряжение в сети, например, 220 В
Uout – выходное напряжение блока питания (или AVR, если он есть), например, 12 В.
C – искомая емкость.

Например, я хочу сделать источник питания с выходным током до 150 мА. Пример схемы приведен выше, применение – радиопульт дистанционного управления с питанием 5 вольт + реле 12 вольт.
Подставляем наши 0,15 Ампера и получаем емкость 2,18мкФ, можно взять ближайшее стандартное значение 2,2мкФ, или “импортное” – 225.

Все выглядит хорошо, схема проста, но есть несколько недостатков, которые необходимо исключить:
1. пусковой ток может сжечь диодный мост.
2. если конденсатор выйдет из строя, это может привести к короткому замыканию.
3. можно получить разряд от входного конденсатора, если оставить его не подключенным к сети, и этот конденсатор может по-прежнему проводить некоторый ток, даже если источник питания отключен от сети в течение длительного времени.
4. когда нагрузка будет снята, напряжение на конденсаторе перед стабилизатором вырастет до довольно большого значения.

Решения:
1. резистор R1 последовательно с конденсатором.
2. предохранитель 0,5 ампера.
3. Резистор R2 параллельно конденсатору.
4. аттенюатор на 12 вольт параллельно с конденсатором после диодного моста. Я не рекомендую использовать здесь стабилизаторы, аттенюаторы рассчитаны на большую рассеиваемую мощность, и схема будет работать более надежно.

На схеме я отметил новые компоненты красным цветом, а небольшое добавление светодиода – синим.

Однако гасящие конденсаторы также часто используются в дешевых светодиодных лампах. Это не очень хорошо, поскольку такие лампы менее надежны и часто имеют высокую пульсацию света.
Ниже приведена упрощенная схема такой лампы.

Попробуем рассчитать емкость для такого приложения, но поскольку выходное напряжение, очевидно, будет больше 1/10 от входного, мы воспользуемся первой формулой.
Я предполагаю выходное напряжение 48 В и 16 светодиодов по 3 В каждый. Конечно, это относительно, но близко к реальности.
Ток составляет 20 мА, что является типичным максимальным током для большинства светодиодов.

В итоге мне понадобился конденсатор емкостью 0,298 мкФ. Ближайшее общепринятое значение – 0,27 или 0,33 мкФ. Первый встречается гораздо реже, а второй уже даст чрезмерный ток, поэтому можно придумать конденсатор из двух параллельно включенных, скажем, по 0,15 мкФ каждый. При параллельном соединении емкости суммируются.

Вопрос с емкостью уже решен, осталось рассмотреть несколько моментов:
1) напряжение конденсатора
2. тип конденсатора.

С напряжением разобраться несложно, можно использовать конденсатор на 400 В, но надежнее, если он будет на 630 В, хотя он имеет большие размеры.

Тип немного сложнее. Лучше использовать конденсаторы, изначально предназначенные для таких применений, например, K73-17, CL21, X2
На рисунке – конденсатор CL21

И это более надежный вариант, не смотрите на указанные на нем 280 В, это среднеквадратичное значение напряжения переменного тока и будет работать надежнее, чем K73-17 или CL21.

Эти конденсаторы также могут выглядеть следующим образом

Теперь вы можете еще раз взглянуть на то, что требуется для создания такого “простого” блока питания, и решить, нужен ли он вам.
В некоторых ситуациях да, он поможет, но у него много недостатков, поэтому, на мой взгляд, лучше просто использовать небольшой импульсный источник питания, который уже имеет стабилизированное выходное напряжение, гальваническую развязку и более высокий выходной ток.
В качестве примера таких блоков питания могу дать ссылку на подробный обзор четырех вариантов, с тестами, схемами и визуальным осмотром.

Но вы можете сделать еще лучше. Монолитные источники питания стали обычным явлением. По сути, это куб, содержащий миниатюрный источник питания.
Например, HLK-PM01 производства Hi-link, стоимостью около двух долларов за штуку.

Или их китайский эквивалент TSP-05, производимый компанией Tenstar robot. Эти немного дешевле, $1,93 за штуку.
По опыту могу сказать, что их качество сопоставимо.

Как я уже писал выше, это импульсные источники питания модульной конструкции. Блок питания помещен в пластиковый корпус, залитый эпоксидной смолой.
Они выпускаются с разным напряжением и способны поддерживать его достаточно стабильным.

Крупный план интерьера, на фотографии изображена версия Hi-link

Вот и все. Надеюсь, эта статья была полезной, и я постараюсь найти интересные темы в будущем. Также интересно то, что я хотел бы видеть в колонке для начинающих.

Это также видно из формулы для емкости конденсатора:

Как понизить напряжение с помощью конденсатора

Иногда необходимо снизить переменное напряжение 220 В до определенного значения, и использование понижающего трансформатора (в этом случае) не всегда целесообразно.

Например, понижающий трансформатор частоты, традиционно изготавливаемый из трансформаторного железа, способный преобразовать 200 ватт, весит более килограмма, не говоря уже о его высокой цене. Поэтому в некоторых случаях для ограничения тока можно использовать гасящий резистор, но сам гасящий резистор будет выделять энергию в виде тепла, что не всегда приемлемо.

Например, если вы хотите питать 200-ваттную лампу накаливания только половиной ее номинальной мощности, вам придется рассеивать 100 Вт мощности в гасящем резисторе, а это очень сомнительное решение.

Очень удобной альтернативой этому примеру может быть использование гасящего конденсатора с емкостью около 14 мкФ (такой конденсатор может быть построен из трех металлопленочных конденсаторов типа К73-17 с емкостью 4,7 мкФ и номинальным напряжением 250 В, а лучше 400 В), который позволит получить требуемый ток без рассеивания значительной мощности в виде тепла.

Давайте рассмотрим физическую сторону этого решения. Как мы знаем, конденсатор в цепи переменного тока – это реактивный элемент, емкость которого зависит от частоты переменного тока в цепи, а также от его собственной емкости.

Чем больше емкость конденсатора и чем выше частота переменного тока в цепи, тем больше ток, протекающий через конденсатор, поэтому емкость конденсатора обратно пропорциональна его емкости, а также частоте переменного тока в цепи, в которую он включен.

Это также видно из формулы для емкости конденсатора:

Если резистор (активная нагрузка) и конденсатор соединены последовательно в цепи переменного тока, их общее сопротивление можно найти по формуле:

И поскольку и и затем

Таким образом, зная напряжение на нагрузке, ток нагрузки и напряжение на гасящем конденсаторе, можно определить емкость гасящего конденсатора, который должен быть подключен последовательно с нагрузкой для получения требуемых параметров мощности:

Рассмотрим пример: вы хотите запитать 100-ваттную лампу накаливания на 110 В от розетки на 220 В. Прежде всего, необходимо определить рабочий ток лампы:

Это дает ток лампы 0,91 А. Теперь мы можем найти требуемое значение емкости гасящего конденсатора, которое составляет 15,2 мкФ.

Обратите внимание, что этот расчет действителен для чисто активной нагрузки, когда присутствует среднеквадратичное значение. Однако, если используется выпрямитель, следует отметить, что эффективный ток будет немного ниже из-за эффекта пульсаций. Также обратите внимание, что полярные конденсаторы никогда не могут быть использованы в качестве гасящих конденсаторов.

Лучшее сочетание вакуумных и твердотельных характеристик – одноцикловый гибридный аудиоусилитель.

Читайте далее: