Бестрансформаторный преобразователь напряжения

Маломощные бестранформаторные преобразователи напряжения на конденсаторах (18 схем)

Здесь будут рассмотрены бестрансформаторные преобразователи напряжения, как правило, состоящие из генератора прямоугольных импульсов и умножителя напряжения.

Обычно таким образом удается повысить без заметных потерь напряжение не более чем в несколько раз, а также получить на выходе преобразователя напряжение другого знака. Ток нагрузки подобных преобразователей крайне невелик — обычно единицы, реже десятки мА.

Задающий генератор

Задающий генератор бестрансформаторных может быть выполнен по типовой схеме, базовый элемент 1 которой (рис. 1) выполнен на основе симметричного мультивибратора.

В качестве примера элементы блока могут иметь следующие параметры: R1=R4=1 кОм; R2=R3=10 кОм С1=С2=0,01 мкФ. Транзисторы — маломощные, например, КТ315. Для повышения мощности выходного сигнала использован типовой блок усилителя 2.

Рис. 1. Схемы базовых элементов бестрансформаторных преобразователей: 1 — задающий генератор; 2 — типовой блок усилителя.

Бестрансформаторный преобразователь напряжения

Бестрансформаторный преобразователь напряжения состоит из двух типовых элементов (рис. 2): задающего генератора 1 и двухтактного ключа-усилителя 2, а также умножителя напряжения (рис. 2).

Преобразователь работает на частоте 400 Гц и обеспечивает при напряжении питания 12,5 В выходное напряжение 22В при токе нагрузки до 100 мА (параметры элементов: R1=R4=390 Ом. R2- R3=5,6 кОм, C1=C2=0,47 мкФ). В блоке 1 использованы транзисторы КТ603А — б; в блоке 2 — ГТ402В(Г) и ГТ404В(Г).

Рис. 2. Схема бестрансформаторного преобразователя с удвоением напряжения.

Рис. 3. Схемы преобразователей напряжения на основе типового блока.

Преобразователь напряжения построенный на основе типового блока, описанного выше (рис. 1), можно применить для получения выходных напряжений разчой полярности так, как это показано на рис. 3.

Для первого варианта на выходе формируются напряжения +10 В и -10 В; для второго — +20 В и -10 В при питании устройства от источника напряжением 12В.

Схема преобразователя для питания тиратронов 90В

Для питания тиратронов напряжением примерно 90 В применена схема преобразователя напряжения по рис. 4 с задающим генератором 1 и параметрами элементов: R1=R4=-1 кОм, R2=R3=10 кОм, С1 =С2=0,01 мкФ.

Здесь могут быть использованы широко распространенные маломощные транзисторы. Умножитель имеет коэффициент умножения 12 и при имеющемся напряжении питания можно было бы ожидать на выходе примерно 200В, однако реально из-за потерь это напряжение составляет всего 90 В, и величина его быстро падает с увеличением тока нагрузки.

Рис. 4. Схема преобразователя напряжения с многокаскадным умножителем.

Инвертор полярности напряжения из (+) в (-)

Для получения инвертированного выходного напряжения также может быть использован преобразователь на основе типового узла (рис. 1). На выходе устройства (рис. 5) образуется напряжение, противоположное по знаку напряжению питания.

Рис. 5. Схема инвертора напряжения.

По абсолютной величине это напряжение несколько ниже напряжения питания, что обусловлено падением напряжения (потерями напряжения) на полупроводниковых элементах. Чем ниже напряжение питания схемы и чем выше ток нагрузки, тем больше эта разница.

Преобразователь (удвоитель) напряжения

Преобразователь (удвоитель) напряжения (рис. 6) содержит задающий генератор 1 (1 на рис. 1.1), два усилителя 2 (2 на рис. 1.1) и выпрямитель по мостовой схеме (VD1 — VD4).

Рис. 6. Схема удвоителя напряжения повышенной мощности.

Блок 1: R1 =R4=100 Ом; R2=R3=10 кОм; C1=C2=0,015 мкФ, транзисторы КТ315.

Блок 2: транзисторы ГТ402, ГТ404.

Известно, что мощность, передаваемая из первичной цепи во вторичную, пропорциональна рабочей частоте преобразования, поэтому одновременно с ее ростом уменьшаются емкости конденсаторов и, следовательно, габариты и стоимость устройства.

Данный преобразователь обеспечивает выходное напряжение 12В (на холостом ходу). При сопротивлении нагрузки 100 Ом выходное напряжение снижается до 11 В; при 50 Ом — до 10 В; а при 10 Ом — до 7 В.

Двуполярный преобразователь со средней точкой

Преобразователь напряжения (рис. 7) позволяет получить на выходе два разнополярных напряжения с общей средней точкой. Такие напряжения часто используют для питания операционных усилителей. Выходные напряжения близки по абсолютной величине напряжению питания устройства и при изменении его величины изменяются одновременно.

Рис. 7. Схема преобразователя для получения разнополярных выходных напряжений.

Транзистор VT1 — КТ315, диоды VD1 и VD2—Д226.

Блок 1: R1=R4=1,2 кОм; R2=R3=22 кОм; С1=С2=0,022 мкФ, транзисторы КТ315.

Блок 2: транзисторы ГТ402, ГТ404.

Выходное сопротивление удвоителя — 10 Ом. В режиме холостого хода суммарное выходное напряжение на конденсаторах С1 и С2 равно 19,25 В при токе потребления 33 мА. При увеличении тока нагрузки от 100 до 200 мА это напряжение снижается с 18,25 до 17,25 В.

Преобразователи-инверторы с задающим генератором на КМОП-элементах

Задающий генератор преобразователя напряжения (рис. 8) выполнен на двух КМОП-элементах, К его выходу подключен каскад усиления на транзисторах VT1 и VT2. Инвертированное напряжение на выходе устройства с учетом потерь преобразования на несколько процентов (или десятков процентов — при низковольтном питании) меньше входного.

Рис. 8. Схема преобразователя напряжения-инвертора с задающим генератором на КМОП-элементах.

Похожая схема преобразователя изображена на следующем рисунке (рис. 9). Преобразователь содержит задающий генератор на КМОП-микросхеме, каскад усиления на транзисторах VT1 и VT2, схемы удвоения выходного импульсного напряжения, конденсаторные фильтры и схему формирования искусственной средней точки на основе пары стабилитронов.

На выходе преобразователя формируются следующие напряжения: +15 б при токе нагрузки 13. 15 мА и -15 В при токе нагрузки 5 мА.

Рис. 9. Схема преобразователя напряжения для формирования разнополярных напряжений с задающим генератором на КМОП-элементах.

На рис. 10 показана схема выходного узла бестрансформаторного преобразователя напряжения.

Рис. 10. Схема выходного каскада бестрансформаторного преобразователя напряжения.

Этот узел фактически является усилителем мощности. Для управления им можно использовать генератор импульсов, работающий на частоте 10 кГц.

Без нагрузки преобразователь с таким усилителем мощности потребляет ток около 5 мА. Выходное напряжение приближается к 18 В (удвоенному напряжению питания). При токе нагрузки 120 мА выходное напряжение уменьшается до 16 б при уровне пульсаций 20 мВ. КПД устройства около 85%, выходное сопротивление — около 10 Ом.

При работе узла от задающего генератора на КМОП-элементах установка резисторов R1 и R2 не обязательна, но для ограничения выходного тока микросхемы желательно соединить ее выход с транзисторным усилителем мощности через резистор сопротивлением в несколько кОм.

Преобразователь напряжения для управления варикапами

Простая схема преобразователя напряжения для управления варикапами многократно воспроизведена в различных журналах. Преобразователь вырабатывает 20 В при питании от 9 б, и такая схема показана на рис. 11.

На транзисторах VT1 и VT2 собран генератор импульсов, близких к прямоугольным. Диоды VD1 — VD4 и конденсаторы С2 — С5 образуют умножитель напряжения, а резистор R5 и стабилитроны VD5, VD6 — параметрический стабилизатор напряжения.

Рис. 11. Схема преобразователя напряжения для варикапов.

Преобразователь напряжения на КМОП микросхеме

Рис. 12. Схема преобразователя напряжения на КМОП микросхеме.

Простой преобразователь напряжения на одной лишь КМОП-микросхеме с минимальным числом навесных элементов можно собрать по схеме на рис.12.

Основные параметры преобразователя при разных напряжениях питания и токах нагрузки приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры преобразователя напряжения (рис. 12):

БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЕ БП НА 5, 9, 12, 24 В

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

Схема бестрансформаторного емкостного источника питания представлена на рисунке. Значения, указанные для компонентов, зависят от параметров схемы, формулы для расчета этих значений приведены. L и N представляют собой фазовую линию и ноль сетевого напряжения переменного тока соответственно, а Vout — это выходное напряжение от источника питания. Выходной ток обозначен как Iout.

Пусковой ток, способный повредить компоненты источника питания, ограничивается резистором R1 и реактивным сопротивлением конденсатора C1. Элемент D1 — стабилитрон, обеспечивающий стабилизацию опорного напряжения, а D2 — обычный кремниевый диод, задачей которого является выпрямление переменного напряжения. Напряжение на нагрузке остается постоянным, пока выходной ток Iout меньше или равен входному току Iin, значение которого можно рассчитать как:

Где VZ — напряжение стабилитрона, VRMS — среднеквадратичное значение входного переменного напряжения, а f — его частота. Минимальное значение Iin должно соответствовать потребляемой мощности нагрузки, а максимальное значение используется для выбора соответствующей номинальной мощности для каждого элемента. Выходное напряжение Vout можно рассчитать как:

Где VD — напряжение прямого смещения D2 — падение напряжения на диоде (обычно 0,7 В для кремниевого диода). Что касается R1, рекомендуется выбирать элемент с мощностью, по крайней мере, в 2 раза превышающей значение теоретической мощности рассеиваемой на R1 (PR1), которая определяется формулой:

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.

Читайте также  Как рассчитать тепловое реле электродвигателя?

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:

  1. Добавление предохранителя для защиты от чрезмерного входного тока;
  2. Добавление варистора для защиты от переходных процессов;
  3. Резистор R2 (R3) подключен параллельно C1 (C3) для улучшения электромагнитной устойчивости;
  4. 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).

Что касается последовательного резистора с токоограничивающим конденсатором, резистор нельзя полностью заменить перемычкой, потому что при подключении блока питания к сети можно словить вершину синусоиды и реактивное сопротивление конденсатора будет порядка не килоом, а единиц Ом. Резистор — это защита от такой «удачи». В свою очередь, большой резистор означает большие потери мощности и даже более низкий КПД.

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!

Схемы бестрансформаторного сетевого питания микроконтроллеров

Бестрансформаторные источники питания проще в изготовлении и дешевле, чем трансформаторные, однако они представляют определённую опасность для жизни человека при налаживании, ремонте и в эксплуатации. Неосторожное прикосновение одновременно ктоковедущей части и к заземлённой поверхности может окончиться весьма плачевно.

Схемы без гальванической развязки применяют в тех конструкциях, где не требуется постоянное присутствие человека или обеспечена надёжная изоляция от поражения током. Стоит отметить, что использовать такие источники питания целесообразно только при небольших токах нагрузки, так как в противном случае размеры и стоимость нужных компонентов растут очень быстро.

Различают следующие разновидности бестрансформаторных блоков питания:

  • с балластным резистором во входной цепи;
  • с балластным конденсатором во входной цепи;
  • с импульсным неизолированным AC/DC-преобразователем.

Балластными резисторами и конденсаторами гасится излишек сетевого напряжения. Соответственно резисторы должны быть рассчитаны на большую мощность рассеяния, а конденсаторы должны быть плёночными, например, К73-17, желательно с рабочим напряжением не менее 630 В. Запас нужен, потому что допустимое переменное напряжение КАС на частоте 50 Гц у данного класса конденсаторов значительно меньше допустимого постоянного напряжения KDC (Табл. 6.2).

Схемы балластного типа «не любят» частых включений/выключений, поскольку в начальный момент времени возникают всплески напряжения. Если имеется возможность, то лучше вообще обойтись без сетевого тумблера, что значительно продлит ресурс работы устройства. Оптимальная сфера применения балластных схем — маломощные приборы с круглосуточным режимом функционирования.

Импульсные сетевые бестрансформаторные преобразователи напряжения носят название AC/DC («переменное» АС в «постоянное» DC). Они обеспечивают высокий КПД и малые габариты, но генерируют импульсные помехи достаточно высокой частоты и амплитуды. Кроме того, микросхемы, применяемые в этих преобразователях, к числу дешёвых и широкораспространённых не относятся.

На Рис. 6.3, а. м показаны схемы бестрансформаторного питания с балластными резисторами и конденсаторами, а на Рис. 6.4, а. г — с микросхемами импульсных AC/DC-преобразователей.

Рис. 6.3. Схемы бестрансформаторного питания с балластными элементами (начало):

а) диоды VD1. VD4 должны выдерживать обратное напряжение не менее 400 В. Резисторы Rl, R2 являются балластными для стабилитрона VD5. Сопротивление резистора R3 выбирается так, чтобы выходное напряжение не превышало +5.25 В при любом токе нагрузки. ФНЧ на элементах C1, R3, С2 сглаживает сетевые пульсации удвоенной частоты 100 Гц;

б) аналогично Рис. 6.3, а, но параллельные балластные резисторы заменяются последовательно включёнными резисторами RL..R3, RС-фильтр заменяется LC-фильтром LI, C1, а также добавляется предохранитель FUI. Максимально допустимый ток через дроссель LI должен быть с запасом больше, чем ток нагрузки;

в) полная классическая схема источника питания с балластным конденсатором C1. Резистор R1 ограничивает начальный ток заряда конденсатора С2 и является обязательным в подобных схемах. Резистор R2 быстро разряжает конденсатор C1 после отключения вилки от сети 220 В. Сборка диодов VD1 выпрямляет напряжение и может быть заменена двумя диодами типа 1 N4004. 1 N4007. Конденсатор С2 сглаживает сетевые пульсации, а конденсатор СЗ устраняет ВЧ-помехи. Выходное напряжение зависит от параметров стабилитрона VD2 и тока нагрузки;

Читайте также  Рассчитать мощность заряда конденсатора

г) питание от трёхфазной сети через балластные резисторы RL..R3. Стабилитрон VD4 нужен, чтобы микросхема DA1 не вышла из строя от высокого входного напряжения при обрыве нагрузки в цепи +5 В или при резком снижении тока потребления;

Рис. 6.3. Схемы бестрансформаторного питания с балластными элементами (продолжение):

д) стабилитроны VD3, VD4 имеют повышенную мощность рассеяния 1. 3 Вт и выполняют предварительное ограничение напряжения. Стабилизатор на микросхеме DA I обеспечивает выходное напряжение;

е) двухполупериодный выпрямитель с диодным мостом VD1 и светодиодной индикацией наличия питания. Резистор R3 определяет ток в нагрузке, а также яркость свечения индикатора HLI. Выходное напряжение зависит от параметров стабилитрона VD2 и тока нагрузки;

ж) двухполярный источник питания. Для полной симметрии схемы желательно обеспечить одинаковые токовые нагрузки по цепям +5 и -5 В;

з) разделение выходного напряжения на две отдельные ветви для исключения взаимных помех, например, для питания МК и для управление тиристором. Стабилитрон VD1 ограничивает напряжение на уровне +5.6 В. Диоды VD2, VD3 снижают его до +4.8. +5 В в каждом канале;

Рис. 6.3. Схемы бестрансформаторного питания с балластными элементами (окончание):

и) получение двух напряжений от одного источника питания. Суммарный ток нагрузки состоит из суммы токов в каналах +9. +12 В и +5 В. При значительных колебаниях тока нагрузки следует выбрать стабилитрон VD3 с повышенной мощностью рассеяния 1. 3 Вт;

к) стабилитроны VDI, VD2 одновременно служат стабилизаторами и выпрямителями. Стабилитроны следует выбирать мощные, с запасом по току;

л) вместо одного применяются два балластных конденсатора C1, С2, которые могут быть рассчитаны на меньшее допустимое напряжение;

м) в закрытом состоянии тиристора VS1 ток на бестрансформаторный стабилизатор напряжения (C1. CJ, RL..R3, VDI, VD2) проходит через нагрузку RH. Ввиду низкого значения тока, нагрузка не работает в полную мощность, например, лампа не светится, вентилятор не крутится и т.д. После включения тиристора VSI, в нагрузку RH подаётся полная мощность, а напряжение на выходе стабилизатора снижается с +5 до +2.7 В. Чтобы МК нормально функционировал, он должен быть широкодиапазонным по питанию и иметь возможность организации рестарта.

Рис. 6.4. Схемы сетевых бестрансформаторных блоков питаь с AC/DC-преобразователями:

а) типовая схема включения импульсного AC/DC-преобразователя напряжения на микросхеме DA1 фирмы ROHM;

б) типовая схема включения импульсного AC/DC-преобразователя напряжения на микросхеме DA1 фирмы Power Integrations. Дроссели LI, L2снижают уровень пульсаций;

в) формирователь двух популярных у радиолюбителей напряжений питания +5 и +3.3 В. Микросхема DA1 — это импульсный АC1DC-преобразователь напряжения фирмы Supertex;

т) DAI — это импульсный АC1DC-преобразователь напряжения фирмы Supertex. Общий ток нагрузки по выходам +18 и +5 В не должен превышать 40 мА.

Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.

Бестрансформаторные Схемы Питания

Без трансформаторная Концепция Электропитания

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.

Бестрансформаторные источники питания, преобразователи напряжения без трансформатора. Схемы, проектирование. Конденсатор

Обзор схем бестрансформаторных источников питания (10+)

Бестрансформаторные источники питания — Понижающие

При проектировании малогабаритных устройств применение трансформаторов иногда является нежелательным. Кроме того при росте мировых цен на сырье (медь и железо) стоимость трансформаторов постоянно растет, в то время как стоимость других радиоэлектронных компонентов в целом снижается. В этой ситуации становится актуальным применение импульсных источников питания, в которых трансформаторы имеют небольшой размер и вес, а значит, небольшую стоимость, или проектирование бестрансформаторных источников питания и преобразователей напряжения. Мы планируем цикл статей о проектировании импульсных устройств, подпишитесь на новости, если эта тема Вам интересна. Сейчас остановимся на бестрансформаторных решениях.

У всех таких схем имеется общий недостаток — отсутствие гальванической развязки с высоковольтными шинами питания. Так что пользователи проектируемых устройств должны быть конструктивно защищены от любого контакта с элементами схемы, должна быть предусмотрена защита от влаги, попадания посторонних предметов. К схемам с бестрансформаторным питанием предъявляются такие же требования по безопасности, как и к высоковольтным схемам. Потенциал некоторых цепей относительно земли у них может быть равен потенциалу сетевого напряжения, даже если внутри самой схемы напряжение не превышает десятков вольт.

Бестрансформаторное питание обычно применяется в схемах автоматики и схемах формирования импульсов для преобразователей напряжения. В этих случаях гальваническую развязку обеспечить все равно невозможно, так как управляющие импульсы должны подаваться непосредственно на силовые элементы, находящиеся под сетевым напряжением.

Вашему вниманию подборки материалов:

Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Особое внимание нужно уделить конструкции выносных датчиков, например, датчику температуры или освещенности. Нужно помнить, что сам датчик и провод будут находиться под сетевым напряжением, так что изоляция провода и корпуса датчика должна быть рассчитана на такое напряжение. Распространенной ошибкой является использование неизолированных терморезисторов и проводов с оголенным экраном.

Преобразователи без трансформатора могут быть повышающими и понижающими. Рассмотрим оба этих случая.

Читайте также  Транзисторные ключи для светодиодов

Понижающие преобразователи

В этом случае из сетевого напряжения мы хотим получить питание для низковольтной схемы. Распространенных подхода три. Во-первых, включение последовательно с низковольтной схемой реактивной гасящей нагрузки, на которой будет падать все избыточное напряжение. Этот подход самый простой в реализации, самый распространенный, но и самый плохой, так как сила электрического тока в сетевых проводах при нем очень велика. Если Вам нужно получить 12 В, 0.1 А, то сила тока, отбираемого из сети, будет 0.1 А. Этот ток будет сдвинуть по фазе относительно напряжения, и не будет накручивать счетчик электроэнергии, но он будет нагружать и греть сетевые провода. Во-вторых, использование того, что напряжение в сети имеет синусоидальную форму. В некоторые моменты времени оно невелико. Можно именно в эти моменты заряжать накопительный конденсатор. А когда напряжение превысит определенный предел, отключать его от сети. В-третьих, можно использовать переключающиеся конденсаторы. В момент зарядки от сети эти конденсаторы включены последовательно. Напряжение делится между ними. Потом эти конденсаторы отключаются от сети, соединяются параллельно и отдают накопленную энергию накопительному конденсатору в низковольтной части.

Реактивный гасящий элемент

В качестве реактивного гасящего элемента обычно используется конденсатор. На первый взгляд кажется, что нет ничего проще, включаем конденсатор, как на схеме (A1)

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Добрый вечер. Как ни старался, не смог по приведенным формулам для рис 1.2 получить значения ёмкостей конденсаторов С1 и С2 при приведенных значениях данных в вашей таблице (Uвх

220V, Uвых 15V, Iвых 100мА, f 50Hz). У меня проблема, включить катушку малогабаритного реле постоянного тока на рабочее напряжение -25V в сеть

220V, рабочий ток катушки I= 35мА. Возможно я что то не Читать ответ.

Зарядное устройство. Импульсный автомобильный зарядник. Зарядка аккуму.
Схема импульсного зарядного устройства. Расчет на разные напряжения и токи.

Плавная регулировка, изменение яркости свечения светодиодов. Регулятор.
Плавное управление яркостью свечения светодиодов. Схема устройства с питанием ка.

Силовой импульсный преобразователь, источник синуса, синусоиды, синусо.
Принцип работы, самостоятельное изготовление и наладка импульсного силового прео.

Ремонтируем импульсный источник, блок питания, преобразователь напряже.
Ремонт импульсного источника питания. Отремонтировать блок питания или преобразо.

Повышающий импульсный стабилизатор напряжения, источник питания. Преим.
Как работает повышающий стабилизированный преобразователь напряжения. Где он при.

Бестрансформаторный преобразователь напряжения

Бесплатная техническая библиотека:
▪ Все статьи А-Я
▪ Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
▪ Новости науки и техники
▪ Архив статей и поиск
▪ Ваши истории из жизни
▪ На досуге
▪ Случайные статьи
▪ Отзывы о сайте

Справочник:
▪ Большая энциклопедия для детей и взрослых
▪ Биографии великих ученых
▪ Важнейшие научные открытия
▪ Детская научная лаборатория
▪ Должностные инструкции
▪ Домашняя мастерская
▪ Жизнь замечательных физиков
▪ Заводские технологии на дому
▪ Загадки, ребусы, вопросы с подвохом
▪ Инструменты и механизмы для сельского хозяйства
▪ Искусство аудио
▪ Искусство видео
▪ История техники, технологии, предметов вокруг нас
▪ И тут появился изобретатель (ТРИЗ)
▪ Конспекты лекций, шпаргалки
▪ Крылатые слова, фразеологизмы
▪ Личный транспорт: наземный, водный, воздушный
▪ Любителям путешествовать — советы туристу
▪ Моделирование
▪ Нормативная документация по охране труда
▪ Опыты по физике
▪ Опыты по химии
▪ Основы безопасной жизнедеятельности (ОБЖД)
▪ Основы первой медицинской помощи (ОПМП)
▪ Охрана труда
▪ Радиоэлектроника и электротехника
▪ Строителю, домашнему мастеру
▪ Типовые инструкции по охране труда (ТОИ)
▪ Чудеса природы
▪ Шпионские штучки
▪ Электрик в доме
▪ Эффектные фокусы и их разгадки

Техническая документация:
▪ Схемы и сервис-мануалы
▪ Книги, журналы, сборники
▪ Справочники
▪ Параметры радиодеталей
▪ Прошивки
▪ Инструкции по эксплуатации
▪ Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Бесплатный архив статей
(500000 статей в Архиве)

Алфавитный указатель статей в книгах и журналах

Бонусы:
▪ Ваши истории
▪ Викторина онлайн
▪ Загадки для взрослых и детей
▪ Знаете ли Вы, что.
▪ Зрительные иллюзии
▪ Веселые задачки
▪ Каталог Вивасан
▪ Палиндромы
▪ Сборка кубика Рубика
▪ Форумы
▪ Голосования
▪ Карта сайта

Дизайн и поддержка:
Александр Кузнецов

Техническое обеспечение:
Михаил Булах

Программирование:
Данил Мончукин

Маркетинг:
Татьяна Анастасьева

Перевод:
Наталья Кузнецова

При использовании материалов сайта обязательна ссылка на https://www.diagram.com.ua


сделано в Украине

Бестрансформаторные преобразователи напряжения

С помощю бестрансформаторных преобразователей можно получить разнополярные напряжения и повысить в несколько раз напряжение источника питания. В связи с тем что в бестрансформаторных преобразователях напряжение повышается за счет суммирования напряжений на конденсаторах, их целесообразно изготовлять для небольших токов нагрузки, которые не превышают 0,5 А.

На рис. 64,а показана принципиальная схема слаботочного однополупериодного бестрансформаторного преобразователя напряжения. На ток нагрузки до 10 мА, который позволяет получать удвоенное или утроенное напряжение источника питания, а также напряжение обратной полярности. Преобразователь работает от источника постоянного тока напряжением 3. 12 В и имеет КПД около 50%.

Устройство состоит из задающего генератора, собранного на транзистора VT1 и VT2 по схеме мультивибратора, и двух удвоителей напряжения на диодах VD1-VD4 и конденсаторах С2 и С5.

При открытом транзисторе VT1 через диод VD1 заряжается конденсатор С2 до напряжения источника питания. После закрывания этого транзистора отрицательная обкладка конденсатора С2 через резистор R1 соединяется с плюсовым проводом источника питания. При этом на плюсовой обкладке конденсатора С2 образуется положительное напряжение по отношению плюсового электрода источника питания, которое через диод VD2 заряжает конденсатор С1, Таким образом, на выходе + Uвых получается удвоенное напряжение источника питания по отношению к общему проводу.

При закрытом транзисторе VT2 через резистор R4 и диод VD3 заряжается конденсатор С5 до напряжения источника питания. При открывании транзистора VT2 положительная обкладка этого конденсатора подключается к общему проводу устройства. На отрицательной обкладке конденсатора С5 образуется отрицательное напряжение ото отношению к общему проводу преобразователя. От этого напряжения через диод VD4 заряжается конденсатор С6.

При этом на выходе -Uвых2 будет отрицательное напряжение по отношению к общему проводу, значение которого соответствует напряжению источника питания. Между выходами + Uвых1 -Uвых2 будет приложено утроенное напряжение источника питания.


(нажмите для увеличения)


Рис. 64

Для получения двухполупериодного преобразования, при котором удваивается нагрузочная способность по току, необходимо к транзистору VT1 дополнительно подключить узел удвоения, аналогичный подключенному к транзистору VT2 (С5, С6, VD3, VD4), а к транзистору VT2 — узел удвоения, подключенный к транзистору VT1 (С2, С2, VD1, VD2), и выходы этих умов соответственно соединить. Конденсаторы С1 и С6 фильтра в этом случает будут общими на два полупериода преобразования. На рис. 64,б изображена схема двухполупериодного бестрансформаторного преобразования напряжения с транзисторными ключами, рассчитанного на ток нагрузки до 0,5 А. С выходов преобразователя можно снимать удвоенное или утроенное напряжение источника питания, аналогично первому варианту устройства.

Задающий генератор Г собран по схеме мультивибратора на транзисторах VT3 и VT4. Транзисторы VT1, VT2 и VT5, VT6 использованы для усиления тока транзисторов мультивибратора и работают в ключевом режиме. В один полупериод мультивибратора открыты транзисторы VT1, VT3 VT6 В это время конденсаторы С2 в С5 заряжаются, а С1 и С6 разряжаются. В другой полупериод эти транзисторы закрываются, а транзисторы VT2, VT4, VT5 открываются, конденсаторы C1 и С6 заряжаются, а С2 и С5 разряжаются. Зарядка конденсаторов происходит через диоды VD2, VD4, VD5, VD7, разрядка — через VD1, VD3, VD6, VD8.

Преобразователь можно собрать с конденсаторным умножителем напряжения по схеме, показанной на рис. 64,в. С выхода + Uвых1 поступает почти утроенное напряжение источника питания при токе нагрузки около 200 мА. При увеличении ступеней умножения напряжения допустимый ток нагрузки преобразователя уменьшается.

Бестрансформаторный преобразователь можно собрать с задающим генератором на микросхеме, как показано на рис. 65. Диодом VD1 устанавливается скважность мультивибратора на элементах DD1.1 и DD1.2, равная 2. При напряжении высокого уровня на выходах элементов DD1.3 и DD1.4 открыты транзисторы VT2, VT4 и заряжается через диод VD2 конденсатор С2. После переключения мультивибратора в другое состояние, при котором па выходных элементах устанавливается напряжение низкого уровня, открываются транзисторы VT1, VT3, и через диод VD3 заряжается конденсатор С3 до напряжения источника питания. Суммарное напряжение на конденсаторах С2, С3 соответствует удвоенному напряжению источника питания.


Рис. 65

Коэффициент полезного действия преобразователей с транзисторными ключами — около 50%. Непроизводительные потери в преобразователе происходят в основном во время переключения транзисторов. Для повышения КПД преобразователей следует использовать в них высокочастотные транзисторы и диоды. Транзисторы должны работать в режиме неглубокого насыщения и иметь статический коэффициент передачи тока не менее 50. Диоды при небольшом напряжении питания желательно применять германиевые, поскольку онн имеют меньшее прямое падение напряжения по сравнению с кремниевыми.

При налаживании преобразователей необходимо временно отключить обратную положительную связь в мультивибраторе, отсоединив один из конденсаторов: на рис. 64,б — С3 или С4; на рис. 65 — С1. Затем подбором резисторов в базовых цепях транзисторов установить их в режим, при котором напряжение коллектор — эмиттер не превышает 0,5 В.

Смотрите другие статьи раздела Преобразователи напряжения, выпрямители, инверторы.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.