Безтрансформаторное питание 24в своими руками схемы

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 C3 устраняет ВЧ-помехи. Выходное напряжение зависит от параметров стабилитрона VD2 и тока нагрузки;

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.

Информация о материале

Создано: 02 ноября 2012

Схемы бестрансформаторного питания: с балластным резистором, с балластным конденсатором, с импульсным преобразователем

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “Радиолюбитель“.

 Сегодня мы рассмотрим несколько схем, предназначенных для питания радиолюбительских устройств без использования сетевого трансформатора – бестрансформаторные источники питания.
   Сразу отмечу, что такие источники питания представляют определенную опасность для человека – неосторожное обращение и неминуемое поражение электрическим током. Такие схемы стоит применять только если обеспечивается их надежная изоляция и не требуется постоянное присутствие человека.
  Кроме того, использовать такие источники питания целесообразно только при небольших токах нагрузки.
    Сегодня мы рассмотрим два типа таких схем:
– с балластным резистором
– с балластным конденсатором
Есть еще третий вариант – с импульсным AC/DC преобразователем, но они более сложны, и требуют применения специализированных микросхем.
Балластные резисторы и конденсаторы гасят излишек сетевого напряжения. Поэтому, резисторы должны быть большой мощности, а конденсаторы – должны быть пленочными (к примеру К73-17) и рабочим напряжением не менее 630 вольт.
Все схемы несложные, и особых пояснений не требуют.

Первая схема:

Диоды VD1-VD4 должны выдерживать обратное напряжение не ниже 400 вольт.
Резисторы R1, R2 – балластные для стабилитрона.
R3 – выбирается с учетом, чтобы выходное напряжение не изменялось при любом токе нагрузки.
С1, R3, С2 – фильтр сглаживающий пульсации.

Вторая схема:

Аналогично первой схеме, но параллельно включенные резисторы заменяются включенными последовательно.
RC фильтр заменен LC фильтром.
Максимально допустимый ток через дроссель должен быть с запасом больше, чем ток нагрузки.

Третья схема:
Классическая схема источника питания с балластным конденсатором С1.
Резистор R1 – обязательный в подобных схемах, ограничивает начальный ток заряда конденсатора С2.
Резистор R2 разряжает конденсатор С1 при выключении от сети.
Сборку диодов VD1.1 и VD1.2 можно заменить на 1N4004…1N4007.
Конденсатор С2 сглаживает сетевые пульсации, С3 – устраняет ВЧ-помехи.
Выходное напряжение зависит от параметров стабилитрона и тока нагрузки.

Четвертая схема:
Стабилитроны VD3 и VD4 – выполняют предварительное ограничение напряжения и должны быть повышенной мощности (1-3 ватта).

Пятая схема:
Двухполупериодный выпрямитель с диодным мостом VD1 и светодиодной индикацией включения.
Резистор R3 определяет ток в нагрузке.
Выходное напряжение зависит от параметров стабилитрона и тока нагрузки.

Шестая схема:
Двухполярный источник питания
Для полной симметрии схемы необходим одинаковый ток нагрузки по цепям +5 вольт и -5 вольт.

Седьмая схема:
Разделение выходного напряжения на две отдельные ветви для исключения взаимных помех.
Подойдет для питания микроконтроллера или управления тиристором.
Стабилитрон VD1 ограничивает напряжение на уровне 5,6 вольт, диоды VD2 и VD3 снижают его до +4,8 … +5 вольт.

Восьмая схема:
Получение двух напряжений от источника питания.
Суммарный ток нагрузки состоит из токов двух каналов.
При значительных колебаниях тока нагрузки стабилизатор следует выбирать повышенной мощности.

Девятая схема:

Вместо одного, применяются два балластных конденсатора, что позволяет выбирать их с меньшим рабочим напряжением.

Ну а напоследок, все-таки приведу одну схему импульсного бестрансформаторного преобразователя напряжения:

Типовая схема включения импульсного AC/DC преобразователя напряжения на специализированной микросхеме фирмы ROHM.

---

---

Трансформаторный блок питания имеет значительные габариты и массу, которые определяются размерами и весом силового трансформатора. Эта проблема решается применением импульсного источника питания, но он имеет сложную схемотехнику, затрудняющую его создание и ремонт. В некоторых случаях можно использовать бестрансформаторные источники питания – при всех присущих им недостатках, они закрывают некоторые ниши электроснабжения потребителей.

Принцип работы бестрансформаторного питания

В трансформаторных и импульсных (которые, по своей сути, также являются трансформаторными) источниках питания снижение питающего уровня происходит за счет трансформации первичного напряжения во вторичные обмотки. Можно подойти по-другому – погасить избыточное напряжение резистором (балластным сопротивлением). Его сопротивление надо подобрать так, чтобы на нагрузке был требуемый уровень, а все остальное упало на балластном элементе. Такой бестрансформаторный блок питания, по сути, является делителем напряжения.

Балластное сопротивление подключается последовательно с нагрузкой, через него течет полный нагрузочный ток. Излишек напряжения падает на гасящем элементе. Так, чтобы получить на потребителе 12 вольт, надо подобрать номинал резистора так, чтобы на нем падало 220-12=208 вольт. При токе нагрузки в 1 ампер сопротивление должно быть R=U/I =208/1=208 Ом. Из 10% ряда (E12) номиналов можно выбрать сопротивление 200 Ом или 220 Ом. Если надо подобрать точнее, можно выбрать из нескольких элементов тот, чье фактическое сопротивление (с учетом 10% отклонения) будет как можно ближе к расчетным 208 Ом.

Какие плюсы и минусы у таких схем

Эта схема содержит два главных плюса:

• отсутствие громоздкого и сложного в изготовлении намоточного элемента (трансформатора);
• пониженная масса и габариты.

Второе достоинство резко снижается с ростом тока нагрузки. Так, для рассмотренного выше примера для выходного уровня 12 в при токе 1 А на резисторе будет рассеиваться 208 Ватт. Элемент для работы при таком токе имеет габариты, сравнимые с размерами трансформатора и требует условий для теплообмена с окружающей средой.

На этом плюсы заканчиваются, начинаются минусы. Один из главных – высокая опасность поражения электрическим током. Несмотря на то, что на нагрузке падает всего 12 вольт, каждый элемент цепи находится под полным сетевым напряжением 220 вольт относительно земли. Случайное прикосновение к токоведущим элементам одновременно с прикосновением к земле может привести к печальным последствиям.

Второй недостаток бестрансформаторных схем – ярко выраженная зависимость напряжения на нагрузке от потребляемого тока. Так, для рассмотренной схемы, при изменяющихся токах и резисторе в 208 Ом на нагрузке будет падать напряжение, указанное в таблице.

При изменении тока на 5% в любую из сторон напряжение на потребителе меняется в разы. Это резко сокращает область применения источников питания с балластом и не позволяет, например, использовать такой прибор в качестве лабораторного блока питания. Эта проблема может быть частично решена применением стабилизаторов на выходе БП (линейных или импульсных), но возможность такого решения также ограничена, особенно для линейных регуляторов. Они сверху лимитируются максимальной мощностью рассеяния на регулирующем элементе, а снизу – необходимостью минимально допустимого падения напряжения на нем же.

Импульсный стабилизатор (не путать с импульсным БП!) не рассеивает (в теории) мощность на ключевом элементе, поэтому по превышению напряжения теоретически лимита нет. Падение напряжения на ключе ему также не нужно, поэтому для него диапазон питающих напряжений может быть шире.

Еще одним недостатком бестрансформаторного БП является низкий КПД. На балласте бесполезно рассеивается часть мощности, к тому же от резистора надо отводить тепло. Проблема теплоотвода отпадает, если вместо резистора применить гасящий конденсатор, который обладает реактивным сопротивлением, зависящим от частоты (тепло на нем не выделяется).

Применять конденсатор в качестве одного из плеч делителя можно только в цепях переменного тока.

Для расчета балласта, надо воспользоваться формулой X=1/(2*π*f*C), где:

• X – реактивное сопротивление конденсатора, Ом;
• π – число «пи», округленно равное 3,14;
• f – частота, для бытовой сети равна 50 Гц;
• С – емкость в фарадах.

Отсюда С=1/(2*π*f*X)=1/(314*X), для получения результата в микрофарадах надо умножить на 1000000 (10⁶), в итоге приведенная формула примет вид С=3184/X. X выбирается по формуле X=U/I. Для приведенного выше примера X равно все тем же 208 Ом, а емкость равна 15,3 мкФ (зависимость здесь обратная – с ростом тока надо увеличивать емкость, уменьшая сопротивление). Проблема в том, что подобрать конденсатор с такой точностью сложно. Ряд доступных емкостей имеет больший шаг, а уменьшение точности ведет к тому же эффекту, что и изменение тока. Так, применение конденсатора на 15 мкФ вместо 15,3 приведет к увеличению сопротивления до 212 Ом и к изменению напряжения на нагрузке до 11,7 вольта. В большинстве случаев это некритично, но зависимость параметров питания от характеристик конденсатора прослеживается явно. Подобрать емкость с заданной точностью весьма проблематично. Также надо учитывать, что конденсатор должен быть с запасом рассчитан на полное амплитудное напряжение сети, которое равно не 220, а 310 вольт.

Рекомендуем: Самодельный блок питания с регулировкой напряжения и тока

Примеры схем бестрансформаторных источников питания

Обычно для питания низковольтных потребителей требуется постоянное напряжение, поэтому в качестве нагрузки используется выпрямитель, сглаживающий фильтр и собственно потребитель. Схема может выглядеть так.

При расчете надо принять во внимание, что диоды и конденсатор активной мощности практически не потребляют, поэтому на ток они не влияют. Но надо учитывать, что на каждом диоде падает напряжение – для кремниевых вентилей около 0,6 вольт. Ток в каждом полупериоде идет через нагрузку и два диода, поэтому надо предусмотреть запас в 1,2..1,5 вольт, чтобы на нагрузке получить требуемый уровень.

Главный недостаток такой схемы уже назван – зависимость выходного напряжения от нагрузки даже при стабильном входном. Поэтому такая схемотехника применяется только при неизменном потребляемом токе. Для улучшения характеристик можно дополнить эту схему стабилизатором напряжения (линейным или импульсным), соблюдая ограничения для такого построения.

Для маломощных потребителей, потребляющих токи до 500 мА, можно построить источник питания на параметрическом стабилизаторе со стабилитроном. Расчет такого стабилизатора выходит за рамки обзора, для этого можно воспользоваться онлайн-калькуляторами.

Если применять вместо резистора конденсатор, лучше добавить еще пару элементов:

• резистор R1 сопротивлением в несколько Ом ограничит начальный бросок тока на зарядку конденсатора в момент включения БП;
• резистор R2 в несколько сотен килоом разрядит конденсатор после выключения, что снизит вероятность поражения электрическим током при ремонте.

В целом с точки зрения безопасности вариант с гасящим конденсатором хуже. При выходе из строя у резистора обычно сгорает проводящий слой, и цепь размыкается. У конденсатора часто пробивается диэлектрик, при этом он замыкается накоротко, полное напряжение сети прикладывается к нагрузке.

Еще лучше с точки зрения стабильности выходного напряжения применить полностью емкостный делитель. Изменение нагрузки в этом случае вызывает меньшее изменение тока через оба конденсатора, что влечет меньшее изменение параметров питания.

Практическая схема, построенная по такому принципу, приведена на рисунке. Ее выходной уровень – 5 вольт.

При выборе конденсатора 10 мкФ на 350 вольт надо иметь в виду, что в теории на нем тепло не рассеивается. На практике все зависит от качества диэлектрика, примененного в элементе. Поэтому конденсатор надо предварительно проверить – включить его под сетевое напряжение и выдержать около часа. Если элемент почти не нагрелся, его можно применить в данной схеме. В противном случае лучше найти другой.

Несмотря на все недостатки, бестрансформаторные блоки питания вполне применимы для питания потребителей с неизменными или малоизменяющимися параметры. Но надо помнить о повышенных мерах безопасности, чтобы избежать неприятностей.