Блок питания с гасящим конденсатором

Расчёт блока питания с гасящим конденсатором + онлайн-калькулятор

Представленная и описанная в этой статье схема позволяет изготовить малогабаритный блок питания для низкоточных схем, преобразующий переменное сетевое напряжение в постоянное напряжение заданного уровня.

Принцип действия схемы очень простой — последовательно с выпрямительным мостом (с которого снимается рабочее напряжение на сглаживающий конденсатор и нагрузку) включен конденсатор, на котором гасится избыточное напряжение. Собственно, из-за этого гасящего конденсатора схема и получила своё название. Другое название этого конденсатора — балластный, соответственно, другое название схемы — схема с балластным конденсатором.

Добавлю некоторые пояснения касательно предложенной схемы. Почему в качестве балласта используется именно конденсатор, а не резистор? Потому что резистор, при протекании через него электрического тока, очень сильно нагревается, в то время как конденсатор не греется совсем (за исключением небольшого нагрева, обусловленного омическим сопротивлением обкладок и выводов). Почему же тогда всегда вместо резисторов конденсаторами для гашения «лишнего» напряжения не пользуются? Потому что через конденсатор может протекать только переменный ток, а постоянный — никак.

Так же, как и рассмотренный ранее блок питания с конденсаторным делителем, блок питания с гасящим конденсатором относится к бестрансформаторным и не имеет гальванической развязки с сетью 220В, то есть прикосновение к любой его части запрещено и может вызвать поражение электрическим током. Тем не менее, существует масса вариантов, для которых применение такого блока питания вполне оправдано, например, в малогабаритных корпусированных приборах с микроконтроллерным управлением, когда случайное прикосновение к токоведущим частям исключено, большой ток не нужен, а размер критически важен.

Логическое обоснование расчётов и математический вывод формул, позволяющих связать ток нагрузки с ёмкостью гасящего конденсатора, я убрал под спойлер, чтобы не травмировать психику тех, кто не особо силён в физике и математике, а также чтобы не перегружать лишней информацией тех, кому это просто не интересно.

Итак, процессы в этой схеме будут достаточно нелинейны, поэтому при рассчётах придётся делать различные упрощения и допущения.

Для начала давайте будем считать, что ёмкость конденсатора C2 достаточна для полного сглаживания пульсаций напряжения после моста, то есть напряжение на конденсаторе C2 = const. Далее попробуем нарисовать пару графиков, — напряжение на входе моста (UM) и ток через конденсатор C1 (IC1), опираясь на график сетевого напряжения UС(t). Будем считать, что сетевое напряжение у нас изменяется по синусоидальному закону и имеет амплитуду Uca (вообще-то рисовать мы будем косинусоиду, нам так будет удобнее, но это по сути одно и то же, только косинусоида сдвинута относительно синусоиды на π/2).

Рассуждаем следующим образом: в каждый момент времени полное напряжение и полный ток в этой цепи можно описать следующими уравнениями:

В момент времени t уравнение напряжения примет вид: Uca=UC1+UМ. Поскольку Uca — это максимальное значение сетевого напряжения, то UC1 и UМ также в этот момент должны иметь максимальные значения (здесь в логике есть небольшой провал, максимум суммы — это не всегда сумма максимумов, функции могут быть сдвинуты по фазе, но… в общем, мы потом всё экспериментально проверим).

Максимальное значение UМ равно Uвых, поскольку если бы напряжение на мосту поднималось выше, то и конденсатор C2 заряжался бы до большего напряжения (мост бы открылся и к конденсатору C2 потёк бы зарядный ток, увеличивая напряжение на нём).

Токи через конденсатор и мост в момент t равны нулю. Про мост я выше уже написал (если бы через него тек ток, то конденсатор C2 заряжался бы дальше), а через C1 ток не течёт, поскольку ток через конденсатор — это первая производная от напряжения, которая в точках экстремума обращается в ноль (значит когда напряжение на конденсаторе максимально — ток равен нулю).

Далее сетевое напряжение (UC) начинает уменьшаться. При этом напряжение на C1 не меняется (тока-то через мост нет, заряд на C1 не меняется), следовательно вместе с падением UC уменьшается напряжение на входе моста.

В момент, когда сетевое напряжение упадёт до значения Uca-2Uвых (момент времени t1) — напряжение на входе моста достигнет значения -Uвых (находим с помощью формулы 1), диоды моста откроются и в первичной цепи (через мост и конденсатор C1) потечёт ток. При этом напряжение на входе моста перестанет меняться (помните, мы договорились, что ёмкость C2 достаточно большая для того, чтобы полностью сгладить пульсации).

Обратите внимание, что напряжение на входе моста в этот момент равно -Uм, так что ток потечёт в обратную сторону от того направления, в котором он тёк до момента времени t. Этот ток, поскольку он течёт в обратную сторону, начнёт перезаряжать конденсатор C1.

К моменту времени t3 напряжение в сети достигнет максимума, только с противоположной относительно момента t полярностью. Соответственно, для этого момента экстремума сетевого напряжения будут справедливы все те же рассуждения касательно напряжений и токов, которые мы использовали для момента t. То есть, к этому моменту конденсатор C1 полностью перезарядится (напряжение на нём достигнет максимального значения отрицательной полярности), а ток через C1 и мост упадёт до нуля.

Далее, по мере роста сетевого напряжения, напряжение на конденсаторе C1 будет оставаться неизменным, а напряжение на входе моста будет расти.

В момент времени t4, когда сетевое напряжение вырастет до значения -(Uca-2Uвых), напряжение на входе моста достигнет значения Uвых, диоды моста откроются и в первичной цепи (через мост и конденсатор C1) снова потечёт ток. Этот ток снова будет перезаряжать конденсатор C1, но уже напряжением положительной полярности.

В момент t6 напряжение на конденсаторе C1 достигнет максимального значения положительной полярности, а ток через C1 и мост упадёт до нуля.

Далее весь цикл повторится с самого начала.

Теперь давайте вспомним закон сохранения заряда. В соответствии с этим законом за один полный цикл через конденсатор C1, мост и нагрузку должно протекать одинаковое количество заряда. Поскольку ток нагрузки у нас постоянный, то количество заряда, протекающего через нагрузку за один цикл, можно найти по формуле Q=Iн*tцикла=Iн/fc, где fc — частота питающего сетевого напряжения. Количество заряда, протекающего через конденсатор C1, будет равно площади под графиком тока (заштрихованная площадь графика IC1(t)). Остаётся только найти эту площадь, приравнять её к заряду, протекающему за один цикл через нагрузку, и выразить из полученного выражения необходимую ёмкость конденсатора C1 в зависимости от тока нагрузки.

Подробные математические расчёты можно найти под вторым спойлером.

Итак, для заряда протекающего за один период через конденсатор С1 можно записать:

Косинусы найдём из графика сетевого напряжения, учитывая, что оно у нас на графике изменяется как раз по косинусоидальному закону, а так же учитывая его значения в моменты времени t1 и t3 (об этом мы говорили выше):

Максимальное значение тока через конденсатор C1 можно определить из формулы, связывающей ток, напряжение и реактивное сопротивление конденсатора:

Подставив всё это в выражение для заряда, получаем:

Используя полученное выражение и закон сохранения заряда находим ток через нагрузку:

Если выходное напряжение много меньше сетевого питающего напряжения, то можно считать, что Uca-Uвых≈Uca. Тогда формулу можно переписать в упрощённом виде:

Можно наоборот, выразить ёмкость конденсатора C1 через ток нагрузки:

Упрощённый вариант формулы:

Итак, в результате расчётов мы получили следующие формулы:

Обратите внимание, что в полученных формулах используется амплитудное значение сетевого напряжения, которое в корень из 2 раз больше действующего.

Кроме того, следует обратить внимание, что если ток нагрузки приравнять к нулю, то выходное напряжение схемы станет равно амплитуде сетевого напряжения (так что электролит скорее всего сразу пробьёт).

Ладно, самое главное мы посчитали, но это ещё не всё. Нужно учесть, что ток нагрузки и напряжение сети могут изменяться. Обеспечить работоспособность схемы во всём диапазоне питающих напряжений и рабочих токов — задача для стабилитрона. Рабочий диапазон токов нагрузки находится исходя из следующих соображений:

  • При максимальном токе нагрузки и минимальном напряжении сети через стабилитрон должен протекать ток чуть больше минимального тока стабилизации (иначе выходное напряжение схемы будет меньше заданного)
  • При минимальном токе нагрузки и максимальном питающем напряжении ток через стабилитрон должен быть чуть меньше максимального тока стабилизации (иначе стабилитрон попросту сгорит)

В окончательном, рабочем варианте добавим в схему пару резисторов:

  • резистор с сопротивлением порядка 1 мегаома параллельно конденсатору C1 (через него конденсатор будет разряжаться при выключении схемы из сети)
  • резистор с сопротивлением около сотни Ом, включенный последовательно с конденсатором и мостом (он будет работать как предохранитель и вместо него можно поставить обычный предохранитель)

Рабочий вариант схемы:

Online-калькулятор для расчёта блока питания с балластным конденсатором:

(для правильности расчётов используйте в качестве десятичной точки точку, а не запятую)

1) Исходные данные:

2) Расчётные данные:

Если в результате расчётов минимальный ток стабилитрона получился отрицательным — значит выбранная ёмкость конденсатора недостаточна для указанного тока нагрузки. Нужно либо увеличить ёмкость конденсатора, либо уменьшить максимальный ток нагрузки. Если же вы получили слишком большой максимальный ток стабилитрона, значит ёмкость наоборот слишком большая.

Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

Блок питания с гасящим конденсатором представляет собой простейший вариант запитать какое нибудь маломощное устройство.

При всей своей простоте он имеет и два минуса:
1. Он гальванически связан с сетью! потому такие БП используются там, где нет вероятности прикосновения к контактам.
2. Такой Бп имеет не очень большой выходной ток. При увеличении выходного тока надо увеличивать емкость гасящего конденсатора и его габариты становятся существенными.

Внимание, будьте очень аккуратны, не прикасайтесь к контактам этого БП когда он включен.

Простейшая схема данного БП выглядит так:

Как можно увидеть из схемы, последовательно с сетью стоит конденсатор. Он то и является балластом,, на котором гасится часть напряжения.
Конденсатор не пропускает постоянный ток, но так как в сети переменный и конденсатор в итоге постоянно перезаряжется, то и получается, что в таком случае ток на выходе есть. Причем сила тока напрямую зависит от емкости конденсатора.

Собственно потому для расчета емкости конденсатора необходимо знать как минимум выходной ток нашего будущего БП, причем надо учесть и потребление стабилизатора, обычно это несколько мА.

И так. Есть две формулы, сложная и простая.
Сложная — подходит для расчета при произвольном выходном напряжении.
Простая — подходит в ситуациях, когда выходное напряжение не более 10% от входного.
I — выходной ток нашего БП
Uвх — напряжение сети, например 220 Вольт
Uвых — напряжение на выходе БП (или до стабилизаторе если такой есть), например 12 Вольт.
С — собственно искомая емкость.

Например я хочу сделать БП с выходным током до 150мА. Пример схемы приведен выше, вариант применения — радиопульт с питанием 5 Вольт + реле на 12 Вольт.
Подставляем наши 0.15 Ампера и получаем емкость 2.18мкФ, можно взять ближайший номинал из стандартных — 2,2мкФ, ну или «по импортному» — 225.

Все как бы вроде хорошо, схема простая, но есть несколько минусов, которые надо исключить:
1. Бросок тока при включении может сжечь диодный мост.
2. При выходе из строя конденсатора может быть КЗ
3. Если оставить как есть, то вполне можно получить разряд от входного конденсатора, так как на нем может долго присутствовать напряжение даже после отключения БП от сети.
4. При снятии нагрузки напряжение на конденсаторе до стабилизатора поднимется до довольно большого значения.

Решения:
1. Резистор R1 последовательно с конденсатором
2. Предохранитель 0.5 Ампера.
3. Резистор R2 параллельно конденсатору.
4. Супрессор на 12 Вольт параллельно конденсатору после диодного моста. Я не рекомендую здесь использовать стабилитроны, супрессоры рассчитаны на большую мощность рассеивания и схема будет работать надежнее.

На схеме красным цветом я выделил новые компоненты, синим — небольшое дополнение в виде светодиода.

Но гасящие конденсаторы используют часто и в дешевых светодиодных лампах. Это плохо, так как у таких ламп меньше надежность и часто высокие пульсации света.
Ниже упрощенный вариант схемы такой лампы.

Попробуем рассчитать емкость для такого применения, но так как напряжение на выходе будет явно больше чем 1/10 от входного, то применим первую формулу.
В качестве выходного напряжения я заложил 48 Вольт, 16 светодиодов по 3 Вольта на каждом. Конечно это все условно, но близко к реальности.
Ток — 20мА, типичный максимальный ток для большинства индикаторных светодиодов.

У меня вышло, что необходим конденсатор емкостью 0.298 мкФ. Ближайший из распространенных номиналов — 0.27 или 0.33мкФ. Первый встречается гораздо реже, а второй уже будет давать превышение тока, потому можно составить конденсатор из двух параллельных, например по 0.15мкФ. При параллельном включении емкость складывается.

С емкостью разобрались, осталось еще пара моментов:
1. Напряжение конденсатора
2. Тип конденсатора.

С напряжением все просто, можно применить конденсатор на 400 Вольт, но надежнее на 630, хоть они и имеют больше размер.

С типом чуть сложнее. Для такого применения лучше использовать конденсаторы, которые изначально предназначены для такого использования, например К73-17, CL21, X2
На фото конденсатор CL21

А это более надежный вариант, не смотрите что на нем указано 280 Вольт, у него это значение переменного действующего напряжения и он будет работать надежнее, чем К73-17 или CL21.

Такие конденсаторы могут выглядеть и так

А вот теперь можно еще раз внимательно посмотреть, что надо для того, чтобы собрать такой «простой» блок питания и решить, нужен ли он.
В некоторых ситуациях да, он поможет, но он имеет кучу минусов, потому на мой взгляд лучше применить просто небольшой импульсный блок питания, который уже имеет стабилизированное выходное напряжение, гальваническую изоляцию и больший выходной ток.
Как пример таких блоков питания я могу дать ссылку на подробный обзор четырех вариантов, с тестами, схемами и осмотров.

Но можно поступить еще лучше. Сейчас получили распространение монолитные блоки питания. По сути кубик, в котором находится миниатюрный БП
Например HLK-PM01 производства Hi-link, стоимостью около двух долларов за штуку.

Или их китайский аналог TSP-05 производства Tenstar robot. Они немного дешевле, 1.93 доллара за штуку.
Практика показала, что качество у них сопоставимое.

Как я писал выше, они представляют из себя импульсный Бп в модульном исполнении. БП в пластмассовом корпусе залитый эпоксидной смолой.
Выпускаются на разные напряжения и способны поддерживать его на довольно стабильном уровне.

Внутренности поближе, на фото вариант от Hi-link

На этом вроде все. Надеюсь, что статья была полезна, постараюсь и в будущем находить интересные темы. Также интересны пожелания, что хотелось бы видеть в рубрике — Начинающим.

13. Сетевой источник питания с гасящим конденсатором.

СЕТЕВОЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ С ГАСЯЩИМ КОНДЕНСАТОРОМ

Во многих из описанных выше устройств использовались бестрансформаторные источники питания с гасящим конденсатором. Они удобны своей простотой, малыми габаритами и массой, но не всегда применимы из-за гальванической связи выходной цепи с сетью 220 В. О том, как правильно рассчитать такой источник, рассказывается в данном разделе.

В бестрансформаторном источнике питания к сети переменного напряжения подключены последовательно соединенные конденсатор и нагрузка. Рассмотрим вначале работу источника с чисто резистивной нагрузкой (рис. 123,а).

В радиолюбительской практике часто используют источник, в котором гасящий конденсатор включен в сеть последовательно с

диодным мостом, а нагрузка, зашунтированная другим конденсатором, питается от выходной диагонали моста (рис. 124). В этом случае цепь становится резко нелинейной и форма тока, протекающего через мост и гасящий конденсатор, будет отличаться от

синусоидальной. Из-за этого представленный выше расчет оказывается неверным.

Каковы процессы, происходящие в источнике со сглаживающим конденсатором С2 емкостью, достаточной для того, чтобы считать пульсации выходного напряжения пренебрежимо малыми? Для гасящего конденсатора С1 диодный мост (вместе с С2 и Rн) в установившемся режиме представляет собой некий эквивалент симметричного стабилитрона. При напряжении на этом эквиваленте, меньшем некоторого значения (оно практически равно напряжению Uвых на конденсаторе С2), мост закрыт и ток через него не проходит, при большем — через открытый мост течет ток, не давая увеличиваться напряжению на входе моста.

Рассмотрение начнем с момента t1, когда напряжение сети максимально (рис. 125). Конденсатор С1 заряжен до амплитудного напряжения сети Uс.амп за вычетом напряжения на диодном мосте Uм , примерно равного Uвых. Ток через конденсатор С1 и закрытый мост равен нулю. Напряжение в сети уменьшается по косинусоидальному закону (график 1), на мосте также уменьшается (график 2), а напряжение на конденсаторе С1 не меняется.

Ток конденсатора останется нулевым до тех пор, пока напряжение на диодном мосте, сменив знак на противоположный, не достигнет значения -Uвых (момент t2). В этот момент появится скачком ток Ic1 через конденсатор С1 и мост. Начиная с момента t2, напряжение на мосте не меняется, а ток определяется скоростью изменения напряжения сети и, следовательно, будет точно таким же, как если бы к сети был подключен только конденсатор С1 (график 3).

Когда напряжение сети достигнет отрицательного амплитудного значения (момент tз), ток через конденсатор С1 снова станет равным нулю. Далее процесс повторяется каждый полупериод.

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

При отсутствии стабилитрона на необходимое напряжение Uвых;

допускающего рассчитанный максимальный ток стабилизации, можно соединить несколько стабилитронов на меньшее напряжение последовательно.

Подставлять в формулу (4) минимальный ток нагрузки Iн nun следует лишь тогда, когда этот ток длителен — единицы секунд и более. При кратковременном минимальном токе нагрузки (доли секунды) его надо заменить средним (по времени) током нагрузки. Если стабилитрон допускает ток, больший рассчитанного по формуле (4), целесообразно использовать гасящий конденсатор несколько

источника по схеме рис. 124 зарядка этого конденсатора длится четверть периода напряжения сети, и столько же — разрядка. При таком приближении двойное напряжение пульсации 2Uп (размах ) равно: 2ип=0,25Iн mах/fС.

Аналогично можно считать, что для источника по схеме рис. 126 зарядка длится то же время, а разрядка — три четверти периода:

Для выходного напряжения менее 100 В реально зарядка длится большее время, разрядка — меньшее, и эти выражения дают заметно завышенный результат, поэтому расчет емкости сглаживающего конденсатора по полученным из них формулам обеспечивает некоторый запас: С=5Iнmax/2Uп (для рис. 124); С= 15Iнmax/2Uп (для рис. 126), где ток — в миллиамперах, емкость — в микрофарадах, напряжение — в вольтах.

Хотя стабилитрон и уменьшает напряжение пульсации, использовать сглаживающий конденсатор емкостью, менее рассчитанной, не рекомендуется. В ранее рассмотренном примере при размахе пульсации 0,2 В емкость сглаживающего конденсатора равна:

Для ограничения броска тока через диоды выпрямительного моста в момент включения источника в сеть последовательно с гасящим конденсатором необходимо включать токоограничивающий резистор. Чем меньше сопротивление этого резистора, тем меньше потери в нем. Для диодного моста КЦ407А или моста из диодов КД103А достаточно резистора сопротивлением 36 Ом.

Рассеиваемую на нем среднюю мощность Р можно определить по формуле: Р= 5,6С1^2R, где емкость — в микрофарадах, сопротивление -в омах, мощность — в милливаттах. Для рассмотренного выше примера P=5,6*0,39^236=30 мВт. Для надежности (ведь в момент включения к резистору может быть приложено амплитудное напряжение сети) рекомендуется использовать резистор мощностью не менее 0,5 Вт.

Для того, чтобы исключить возможность поражения электротоком при налаживании устройств с рассматриваемыми источниками, питать их следует не от сети, а от сетевого лабораторного низковольтного блока питания через токоограничительный резистор. Выходное напряжение лабораторного блока устанавливают больше напряжения питания налаживаемого устройства настолько, чтобы ток через токоограничительный резистор был близок к Iст min+ Iнmax.

Иногда удобно использовать в роли токоограничительного резистор источника, ограничивающий бросок тока через диоды выпрямительного моста. В этом случае достаточно замкнуть выводы

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

Делитель напряжения пятивольтового источника состоит из бумажного конденсатора С1 и двух оксидных С2 и СЗ, образующих нижнее по схеме неполярное плечо емкостью 100 мкф. Поляризующими диодами для оксидной пары служат левые по схеме диоды моста. При номиналах элементов, указанных на схеме, ток замыкания (при Rн=O) равен 600 мА, напряжение на конденсаторе С4 в отсутствие нагрузки — 27 В.

Электронно-механические часы обычно питают от одного гальва

нического элемента напряжением 1,5 В. Предлагаемый источник вырабатывает напряжение 1,4 В при среднем токе нагрузки 1 мА. Напряжение, снятое с делителя С1С2, выпрямляет узел на элементах VD1, VD2, СЗ. Без нагрузки напряжение на конденсаторе СЗ не превышает 12 В.

Транзистор VT1, включенный эмиттерным повторителем, и гальванический элемент G1 составляют стабилизатор напряжения. На выходе источника будет напряжение элемента минус падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора.

Ток, потребляемый от элемента G1 при наличии сетевого напряжения, меньше тока нагрузки в h21э раз, что существенно продлевает срок службы элемента. Практически это означает, что элемент приходится заменять не из-за его разрядки током нагрузки, а вследствие других причин — саморазрядки, высыхания электролита и т. п.

В случае пропадания напряжения в сети транзистор выходит из режима эмиттерного повторителя и нагрузку питает гальванический .элемент G1 через открытый эмиттерный переход. После появления сетевого напряжения транзистор возвращается в режим эмиттерного повторителя и нагрузка переходит на питание от сети. Конденсатор С4 обеспечивает нормальную работу часов при глубокой разрядке элемента G1.

Диоды Д223 можно заменить на любые другие, транзистор МП41А — на любой германиевый структуры р-n-р. Элемент G1

лучше использовать алкалиновый, например, Duracell, Energizer. Реальный срок эксплуатации такого элемента в блоке питания может достигать 10 лет.

И последнее. Конструкция бестрансформаторных источников и устройств, питающихся от них, должна исключать возможность прикосновения к любым проводникам в процессе эксплуатации. Особое внимание нужно уделить изоляции органов управления.

Принцип работы бестрансформаторного блока питания на гасящем конденсаторе

Не для кого не секрет, что источник вторичного электропитания является неотъемлемой частью любого прибора. В данной статье я постараюсь описать довольно распространенный тип источников питания — бестрансформаторные на гасящем конденсаторе.

Основными достоинствами его являются малые габариты, дешевизна и простота устройства, именно по этому его часто используют например, в терморегуляторах тёплого пола, блоках управления бытовыми холодильниками, блоках дистанционного управления люстрами, базы электрочайников с сенсорным управлением и подобных малогабаритных устройствах с сетевым питанием. Не смотря на все положительные качества есть и недостатки, пожалуй самый большой из которых это отсутствие гальванической развязки с питающей сетью и невысокий ток нагрузки.

Для начала рассмотрим типовую схему такого источника

Это самый стандартный вариант, встречающийся в 80% случаев, в остальных 20% могут присутствовать изменения которые не меняют принципа диагностики и ремонта.

Назначение элементов схемы:

-> Резистор(R1) является токоограничивающим, он ограничивает ток заряда конденсатора в момент включения в сеть т.к. разряженный конденсатор имеет низкое сопротивление, а следовательно потребляет значительный ток, так же в некоторых схемах он используется разрывной и одновременно служит плавким предохранителем
-> Конденсатор (С1) является основным элементом схемы. За счет своего реактивного сопротивления он гасит излишний ток. Напряжение же получается лишь тогда, когда появляется нагрузка, его величина подчиняется закону ома.
-> Резистор(R2) – разряжающий. Он служит для того чтобы разрядить конденсатор, иначе при отключении от сети вилка устройства будет биться током, во многих схемах не имеющих разъемных соединений, например в термостате теплого пола, датчиках движения его не ставят.
-> Диодный мост(Br1) служит для выпрямления тока, в целях экономии его часто заменяют на однополупериодный выпрямитель состоящий из одного диода.
-> Конденсатор(С2) необходим для сглаживания пульсаций выпрямленного тока.
-> Стабилитрон(D1) стабилизирует напряжение. Т.к. конденсатор ограничивает ток, то напряжение в отсутствии нагрузки было бы равно сетевому, а так же при изменении тока нагрузки скакало в широких пределах, стабилитрон же является постоянной нагрузкой в цепи и не позволяет напряжению превышать определенный порог, равный его напряжению стабилизации

Самая частая неисправность с которой подобные устройства заходят на ремонт «Не включается, не светится» и подобные выражения, которые сообщает клиент мастеру.
При данных признаках в большинстве случаев происходит пробой стабилитрона, т.к. он «сдерживает» напряжение при изменении нагрузки или скачках напряжения в сети, а в отсутствии нагрузки вся выработанная мощность БП рассеивается на нем в виде тепла.

С такой проблемой был принят в ремонт термостат тёплого пола Electrolux

Подключаем к питанию, проводим замеры питающего напряжения. Удобнее и быстрее всего произвести замер в очевидных точках, если есть микросхемы, на питающих выводах, на сглаживающем конденсаторе, и т. д.

Когда выяснено, что проблема с питающими линиями, более детально осматриваем цепи питания и воспроизводим схему питания устройства

Данная схема очень типичная, кроме наличия 2 стабилитронов, включенных последовательно, Это необходимо для питания напряжением 12В цепей управления и 17В для запитки реле.(Реле в этом регуляторе используется на 24В, выбранное производителем пониженное напряжение 17В позволяет реле уверенно срабатывать и при этом иметь минимальный нагрев)

Диагностируется данная проблема просто: Находим стабилитрон и мультиметром в режиме прозвонки производим измерение на его выводах При исправном стабилитроне на экране прибора будет какое либо значение много больше нуля, при не исправном раздастся писк свидетельствующий о коротком замыкании.
Если при диагностике обнаружен перегоревший плавкий предохранитель, то в первую очередь проверяем сам гасящий конденсатор на пробой.

Далее удаляем стабилитрон и прозваниваем без него. Короткое скорее всего пропадёт.

Так же, чтобы убедиться проверяем стабилитрон.

А далее заменяем его на исправный, если есть следы свидетельствующие о перегреве (потемнение платы) то заменяем его на стабилитрон с большей мощностью рассеяния или заменяем на включенные параллельно с выравнивающими резисторами

Далее проверяем результат нашего ремонта
При включении в сеть загорелся светодиод «Нагрев» и отчетливо слышен щелчок реле.

Как рассчитать и подобрать гасящий конденсатор

В самом начале темы, относительно подбора гасящего конденсатора, рассмотрим цепь, состоящую из резистора и конденсатора, последовательно подключенных к сети. Полное сопротивление такой цепи будет равно:

Эффективная величина тока, соответственно, находится по закону Ома, напряжение сети делить на полное сопротивление цепи:

В результате для тока нагрузки и входного и выходного напряжений получим следующее соотношение:

А если напряжение на выходе достаточно мало, то мы имеем право считать эффективное значение тока приблизительно равным:

Однако давайте рассмотрим с практической точки зрения вопрос подбора гасящего конденсатора для включения в сеть переменного тока нагрузки, рассчитанной на напряжение меньшее стандартного сетевого.

Допустим, у нас есть лампа накаливания мощностью 100 Вт, рассчитанная на напряжение 36 вольт, и нам по какой-то невероятной причине необходимо запитать ее от бытовой сети 220 вольт. Лампе необходим эффективный ток, равный:

Тогда емкость необходимого гасящего конденсатора окажется равна:

Имея такой конденсатор, мы обретаем надежду получить нормальное свечение лампы, рассчитываем, что она по крайней мере не перегорит. Такой подход, когда мы исходим из эффективного значения тока, приемлем для активных нагрузок, таких как лампа или обогреватель.

Но что делать, если нагрузка нелинейна и включена через диодный мост? Допустим, необходимо зарядить свинцово-кислотный аккумулятор. Что тогда? Тогда зарядный ток окажется для батареи пульсирующим, и его значение будет меньше эффективного значения:

Иногда радиолюбителю может быть полезным источник питания, в котором гасящий конденсатор включен последовательно с диодным мостом, на выходе которого имеется в свою очередь конденсатор фильтра значительной емкости, к которому присоединена нагрузка постоянного тока. Получается своеобразный бестрансформаторный источник питания с конденсатором вместо понижающего трансформатора:

Здесь нагрузка в целом будет нелинейной, а ток станет уже далеко не синусоидальным, и вести расчеты необходимо будет несколько иначе. Дело в том, что сглаживающий конденсатор с диодным мостом и нагрузкой внешне проявят себя как симметричный стабилитрон, ведь пульсации при значительной емкости фильтра станут пренебрежимо малыми.

Когда напряжение на конденсаторе будет меньше какого-то значения — мост будет закрыт, а если выше — ток пойдет, но напряжение на выходе моста расти не будет. Рассмотрим процесс более подробно с графиками:

В момент времени t1 напряжение сети достигло амплитуды, конденсатор C1 также заряжен в этот момент до максимально возможного значения минус падение напряжения на мосте, которое будет равно приблизительно выходному напряжению. Ток через конденсатор C1 равен в этот момент нулю. Далее напряжение в сети стало уменьшаться, напряжение на мосте — тоже, а на конденсаторе C1 оно пока не изменяется, да и ток через конденсатор C1 пока что нулевой.

Далее напряжение на мосте меняет знак, стремясь уменьшиться до минус Uвх, и в тот момент через конденсатор C1 и через диодный мост устремляется ток. Далее напряжение на выходе моста не меняется, а ток в последовательной цепочке зависит от скорости изменения питающего напряжения, словно к сети подключен только конденсатор C1.

По достижении сетевой синусоидой противоположной амплитуды, ток через C1 опять становится равным нулю и процесс пойдет по кругу, повторяясь каждые пол периода. Очевидно, что ток течет через диодный мост только в промежутке между t2 и t3, и величину среднего тока можно вычислить, определив площадь закрашенной фигуры под синусоидой, которая будет равна:

Если выходное напряжение схемы достаточно мало, то данная формула приближается к полученной ранее. Если же выходной ток положить равным нулю, то получим:

То есть при обрыве нагрузки выходное напряжение станет равно амплитуде сетевого. Значит следует применять такие компоненты в схеме, чтобы каждый из них выдержал бы амплитуду напряжения питания.

Кстати, при снижении тока нагрузки на 10%, выражение в скобках уменьшится на 10%, то есть напряжение на выходе увеличится примерно на 30 вольт, если изначально имеем дело, скажем, с 220 вольтами на входе и с 10 вольтами на выходе. Таким образом, использование стабилитрона параллельно нагрузке строго обязательно.

А что если выпрямитель однополупериодный? Тогда ток необходимо рассчитывать по такой формуле:

При небольших значениях выходного напряжения ток нагрузки станет вдвое меньшим, чем при выпрямлении полным мостом. А напряжение на выходе без нагрузки окажется вдвое большим, так как здесь мы имеем дело с удвоителем напряжения.

Итак, источник питания с гасящим конденсатором рассчитывается в следующем порядке:

Первым делом выбирают, каким будет выходное напряжение.

Затем определяют максимальный и минимальный токи нагрузки.

Далее определяют максимум и минимум напряжения питания.

Если ток нагрузки предполагается непостоянный, стабилитрон параллельно нагрузке обязателен!

Наконец, вычисляют емкость гасящего конденсатора.

Для схемы с двухполупериодным выпрямлением, для сетевой частоты 50 Гц, емкость находится по следующей формуле:

Полученный по формуле результат округляют в сторону емкости большего номинала (желательно не более 10%).

Следующим шагом находят ток стабилизации стабилитрона для максимального напряжения питания и минимального тока потребления:

Для однополупериодной схемы выпрямления гасящий конденсатор и максимальный ток стабилитрона вычисляют по следующим формулам:

Выбирая гасящий конденсатор, лучше ориентироваться на пленочные и металлобумажные конденсаторы. Конденсаторы пленочные небольшой емкости — до 2,2 мкф на рабочее напряжение от 250 вольт хорошо работают в данных схемах при питании от сети 220 вольт. Если же вам нужна большая емкость (более 10 мкф) — лучше выбрать конденсатор на рабочее напряжение от 500 вольт.

Как рассчитать бестрансформаторный блок питания

Питать низковольтную электро- и радиоаппаратуру выгоднее и проще от сети. Для этого наиболее приемлемы трансформаторные блоки питания, поскольку они безопасны в эксплуатации. Однако интерес к бестрансформаторным блокам питания (БТБП) со стабилизированным выходным напряжением не ослабевает. Одна из причин — сложность изготовления трансформатора. А вот для БТБП он не нужен — необходим лишь правильный расчет, но как раз это и пугает малоопытных начинающих электриков. Эта статья поможет сделать расчет и облегчит конструирование бестрансформаторного блока питания.

Упрощенная схема БПТП приведена на рис. 1. Диодный мост VD1 подключен к сети через гасящий конденсатор Сгас, включенный последовательно с одной из диагоналей моста. Другая диагональ моста работает на нагрузку блока — резистор Rн. Параллельно нагрузке подключены фильтрующий конденсатор Сф и стабилитрон VD2.

Расчет блока питания начинают с задания напряжения Uн на нагрузке и силы тока Iн. потребляемого нагрузкой. Чем больше будет емкость конденсатора Сгас, тем выше энергетические возможности БПТП.

Расчет емкостного сопротивления

В таблице приведены данные по емкостному сопротивлению Хс конденсатора Сгас на частоте 50 Гц и среднему значению тока Iср, пропускаемого конденсатором Сгас, вычисленные для случая, когда Rн=0, то есть при коротком замыкании нагрузки. (Ведь к этому аномальному режиму работы БТБП не чувствителен, и в этом еще одно огромное преимущество перед трансформаторными блоками питания.)

Иные значения емкостного сопротивления Хс (в килоомах) и среднего значения тока Iср (в миллиамперах) можно вычислить по формулам:

Сгас — емкость гасящего конденсатора в микрофарадах.

Если исключить стабилитрон VD2, то напряжение Uн на нагрузке и ток Iн через нее будет зависеть от нагрузки Rн. Подсчитать эти параметры легко по формулам:

Uн — в вольтах, Rн и Хн — в килоомах, Iн — в миллиамперах, Сгас — в микрофарадах. (Далее в формулах используются те же единицы измерения.)

С уменьшением сопротивления нагрузки напряжение на ней тоже уменьшается, причем по нелинейной зависимости. А вот ток, проходящий через нагрузку возрастает, правда, весьма незначительно. Так, например, уменьшение Rн с 1 до 0,1 кОм (ровно в 10 раз) ведет к тому, что Uн снижается в 9,53 раза, а ток через нагрузку увеличивается всего лишь в 1,05 раза. Эта «автоматическая» стабилизация тока выгодно отличает БТБП .от трансформаторных источников питания.

Мощность Рн на нагрузке, вычисляемая по формуле:

с уменьшением Rн снижается почти столь же интенсивно, как и Uн. Для того же примера потребляемая нагрузкой мощность уменьшается в 9,1 раза.

Поскольку ток Iн нагрузки при сравнительно небольших значениях сопротивления Rн и напряжения Uн на ней меняется крайне мало, на практике вполне допустимо пользоваться приближенными формулами:

Восстановив стабилитрон VD2, получим стабилизацию напряжения Uн на уровне Uст — значения практически постоянного для каждого конкретного стабилитрона. И при небольшой нагрузке (большом сопротивлении Rн) станет выполняться равенство Uн=Uст.

Расчет сопротивления нагрузки

До каких же пределов можно уменьшать Rн, чтобы равенство Uн=Uст было справедливо? До тех, пока выполняется неравенство:

Следовательно, если сопротивление нагрузки окажется меньше рассчитанного Rн, напряжение на нагрузке уже не будет равно напряжению стабилизации, а окажется несколько меньше, поскольку ток через стабилитрон VD2 прекратится.

Расчет допустимого тока через стабилитрон

А теперь определим, какой ток Iн будет течь через нагрузку Rн и какой ток — через стабилитрон VD2. Понятно, что

По мере уменьшения сопротивления нагрузки потребляемая ею мощность Pн=IнUн=U 2 ст/Rн возрастает. А вот средняя потребляемая БПТП мощность, равная

остается неизменной. Объясняется это тем, что ток Iср разветвляется на два — Iн и Iст — и, в зависимости от сопротивления нагрузки, перераспределяется между Rн и стабилитроном VD2, причем так, что чем меньше сопротивление нагрузки Rн, тем меньший ток идет через стабилитрон, и наоборот. Значит, если нагрузка мала (или вовсе отсутствует), стабилитрон VD2 будет находиться в наиболее тяжелых условиях. Вот почему снимать нагрузку с БПТП не рекомендуется, иначе весь ток пойдет через стабилитрон, что может привести к выходу его из строя.

Амплитудное значение напряжения сети равно 220·√2=311(B). Импульсное значение тока в цепи, если условно пренебречь конденсатором Сф, может достигать

Соответственно, стабилитрон VD2 должен надежно выдерживать этот импульсный ток при случайном отключении нагрузки. Не следует забывать и о возможных перегрузках по напряжению в осветительной сети, составляющих 20. 25% от номинала, и рассчитывать ток, проходящий через стабилитрон при отключенной нагрузке с учетом поправочного коэффициента 1,2. 1,25.

Если нет мощного стабилитрона

Когда стабилитрона подходящей мощности нет, его полноценно удается заменить диодно-транзисторным аналогом. Но тогда БТБП следует строить по схеме, показанной на рис. 2. Здесь ток, протекающий через стабилитрон VD2, уменьшается пропорционально статическому коэффициенту передачи тока базы мощного n-p-n транзистора VT1. Напряжение UCT аналога будет примерно на 0,7В превышать Uст самого маломощного стабилитрона VD2, если транзистор VT1 кремниевый, или на 0,3В — если он германиевый.

Здесь применим и транзистор структуры p-n-p. Однако тогда используют схему, показанную на рис. 3.

Расчет однополупериодного блока

Наряду с двухполупериодным выпрямителем в БТБП иногда применяют и простейший однополупериодный (рис. 4). В таком случае его нагрузка Rн питается лишь положительными полупериодами переменного тока, а отрицательные проходят через диод VD3, минуя нагрузку. Поэтому средний ток Iср через диод VD1 будет вдвое меньше. Значит при расчете блока вместо Хс следует брать в 2 раза большее сопротивление, равное

а средний ток при замкнутой накоротко нагрузке будет равен 9,9·πСгас=31,1 Сгас. Дальнейший расчет такого варианта БПТП ведут совершенно аналогично предыдущим случаям.

Расчет напряжения на гасящем конденсаторе

Принято считать, что при напряжении сети 220В номинальное напряжение гасящего конденсатора Сгас должно быть не менее 400В, то есть примерно с 30-процентным запасом по отношению к амплитудному сетевому, поскольку 1,3·311=404(В). Однако в некоторых наиболее ответственных случаях его номинальное напряжение должно быть 500 и даже 600В.

И еще. Подбирая подходящий конденсатор Сгас, следует учитывать, что применять в БТБП конденсаторы типа МБМ, МБПО, МБГП, МБГЦ-1, МБГЦ-2 нельзя, так как они не рассчитаны на работу в цепях переменного тока с амплитудным значением напряжения, превышающим 150В.

Наиболее надежно в БТБП работают конденсаторы МБГЧ-1, МБГЧ-2 на номинальное напряжение 500В (от старых стиральных машин, люминесцентных светильников и т.п.) или КБГ-МН, КБГ-МП, но на номинальное напряжение 1000В.

Фильтрующий конденсатор

Емкость Фильтрующего конденсатора Сф аналитическим путем рассчитать затруднительно. Поэтому ее подбирают экспериментально. Ориентировочно следует считать, что на каждый миллиампер среднего потребляемого тока требуется брать как минимум 3. 10 мкФ этой емкости, если выпрямитель БТБП двухполупериодный, или 10. 30 мкФ, если он однополупериодный.

Номинальное напряжение используемого оксидного конденсатора Сф должно быть не менее Uст·А если стабилитрона в БТБП нет, а нагрузка включена постоянно, номинальное напряжение фильтрующего конденсатора должно превышать значение:

Если нагрузка не может быть включена постоянно, а стабилитрон отсутствует, номинальное напряжение фильтрующего конденсатора должно составлять более 450В, что вряд ли приемлемо из-за больших размеров конденсатора Сф. Кстати, в этом случае снова подключать нагрузку следовало бы лишь после отключения БТБП от сети.

И это еще не все

Любой из возможных вариантов БТБП желательно дополнить еще двумя вспомогательными резисторами. Один из них, сопротивление которого может быть в пределах 300кОм. 1МОм, включают параллельно конденсатору Сгас. Этот резистор нужен для ускорения разрядки конденсатора Сгас после отключения устройства от сети. Другой — балластный — сопротивлением 10. 51 Ом включают в разрыв одного из сетевых проводов, например, последовательно с конденсатором Сгас. Этот резистор будет ограничивать ток через диоды моста VD1 в момент подключения БТБП к сети. Мощность рассеяния обоих резисторов должна быть не менее 0,5 Вт, что нужно для гарантии от возможных поверхностных пробоев этих резисторов высоким напряжением. За счет балластного резистора стабилитрон будет нагружен несколько меньше, но вот средняя потребляемая БТБП мощность заметно увеличится.

Какие взять диоды

Функцию двухполупериодного выпрямителя БТБП по схемам на рис. 1. 3 могут выполнять диодные сборки серии КЦ405 или КЦ402 с буквенными индексами Ж или И, если средний ток не превышает 600 мА, либо с индексами А, Б, если значение тока достигает 1 А. Пригодны также четыре отдельных диода, включенных по схеме моста, например серий КД105 с индексами Б, В или Г, Д226 Б или В — до 300 мА, КД209 А, Б или В — до 500. 700 мА, КД226 В, Г или Д — до 1,7 А.

Диоды VD1 и VD3 в БТБП по схеме на рис. 4 могут быть любыми из перечисленных выше. Допустимо также использовать две диодные сборки КД205К В,Г или Д в расчете на ток до 300 мА либо КД205 А,В,Ж или И — до 500 мА.

И последнее. Бестрансформаторный блок питания, а также аппаратура, подключенная к нему, подключены в сеть переменного тока непосредственно! Поэтому они должны быть надежно за-изолированы снаружи, скажем, размещены в пластмассовом корпусе. Кроме того, категорически запрещается «заземлять» какой-либо из их выводов, а также вскрывать корпус при включенном устройстве.

Предлагаемая методика расчета БПТП опробована автором на практике в течение ряда лет. Весь расчет ведется, исходя из того, что БПТП — это по существу параметрический стабилизатор напряжения, в котором роль ограничителя тока выполняет гасящий конденсатор.