Многие радиолюбители не считают блоки питания без трансформаторов. Но несмотря на это, они используются довольно активно. В частности, в охранных устройствах, в схемах радиоуправления люстрой, нагрузками и во многих других устройствах. В данном видеоуроке рассмотрим простую конструкцию такого выпрямителя на на 5 вольт, 40-50 мА. Однако можно изменить схему и получить практически любое напряжение.

Бестрансформаторные источники также применяются в качестве зарядных устройств и используются в запитке светодиодных светильников и в китайский фонариках.

Для радиолюбителей есть всё в этом китайском магазине .

Анализ схемы.

Рассмотрим простую схему бестрансформаторного . Напряжение от сети 220 вольт через ограничительный резистор, который одновременно выступает как предохранитель, идет на гасящий конденсатор. На выходе также сетевое напряжение, но ток многократно понижен.

Рисунок. Схема бестрансформаторного выпрямителя

Далее на двухполупериодный диодный выпрямитель, на его выходе получаем постоянный ток, который стабилизируется посредством стабилизатора VD5 и сглаживается конденсатором. В нашем случае конденсатор 25 В, 100 мкФ, электролитический. Ещё один небольшой конденсатор установлен параллельно питанию.

Дальше оно поступает на линейный стабилизатор напряжения. В данном случае использован линейный стабилизатор 7808. В схеме есть небольшая опечатка, выходное напряжение на самом деле приблизительно 8 В. Для чего в схеме линейный стабилизатор, стабилитрон? На линейные стабилизаторы напряжения в большинстве случаев не допускается подавать на вход напряжение выше 30 В. Поэтому в цепи нужен стабилитрон. Номинал выходного тока определяется в большей степени ёмкостью гасящего конденсатора. В данном варианте он с ёмкостью 0, 33 мкФ, с расчётным напряжением 400 В. Параллельно конденсатору установлен рарзряжающий резистор с сопротивлением 1 МОм. Номинал всех резисторов может быть 0, 25 или 0, 5 Вт. Данный резистор для того, чтобы после выключения схемы из сети конденсатор не держал остаточного напряжения, то есть разряжался.

Диодный мост можно собрать из четырех выпрямителей на 1 А. Обратное напряжение диодов должно быть не менее 400 В. Можно применить также готовые диодные сборки типа КЦ405. В справочнике нужно посмотреть допустимое обратное напряжение через диодный мост. Стабилитрон желательно на 1 Вт. Напряжение стабилизации этого стабилитрона должно быть от 6 до 30 В, не больше. Ток на выходе схемы зависит от номинала данного конденсатора. При ёмкости в 1 мкФ ток будет в районе 70 мА. Не следует увеличивать ёмкость конденсатора больше 0, 5 мкФ, поскольку довольно большой ток, конечно же, спалит стабилитрон. Данная схема хороша тем, что она малогабаритна, можно собрать из подручных средств. Но недостатком является то, что она не имеет гальванической развязки с сетью. Если вы собираетесь её применять, то обязательно в закрытом корпусе, чтобы не дотрагиваться до высоковольтных частей схемы. И, конечно же, не стоит связывать с этой схемой большие надежды, поскольку выходной ток схемы небольшой. То есть, хватит на запитку маломощный устройств, током до 50 мА. В частности, запитки светодиодов и постройки светодиодных светильников и ночников. Первый запуск обязательно делать последовательно соединённой лампочкой.

В данном варианте присутствует резистор на 300 Ом, который в случае чего выйдет из строя. У нас на плате уже нет данного резистора, поэтому добавили лампочку, которая будет чуть-чуть гореть во время работы нашей схемы. Для того, чтобы проверить выходное напряжение, будем использовать самый обыкновенный мультиметр, измеритель постоянный 20 В. Подключаем схему в сеть 220 В. Поскольку у нас есть защитная лампочка, она спасёт ситуацию, если будут какие-то проблемы в схеме. Соблюдайте предельную осторожность во время работы с высоким напряжением, поскольку всё-таки на схему поступает 220 В.

Заключение.

На выходе 4,94, то есть почти 5 В. При токе не более 40-50 мА. Отличный вариант для маломощных светодиодов. Можно запитать от данной схемы светодиодные линейки, только при этом заменить стабилизатор на 12-вольтовый, к примеру, 7812. В принципе, можно на выходе получить любое напряжение в пределах разумного. На этом всё. Не забывайте подписаться на канал и оставлять свои отзывы про дальнейшие видеоролики.

Внимание! Когда собран блок питания, важно разместить сборку в пластиковый корпус либо тщательно изолировать все контакты и провода для исключения случайного прикосновения к ним, так как схема подключена к сети 220 вольт и это повышает вероятность удара током! Соблюдайте осторожность и ТБ!

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

Решением данной проблемы при выполнении определенных условий может служить бестрансформаторный блок питания с гасящим конденсатором. Эти условия-.

Полная автономность питаемого аппарата, т.е. к нему не должны подключаться никакие внешние устройства (например, к приемнику магнитофон для записи программы);- диэлектрический (непроводящий) корпус и такие же ручки управления у самого блока питания и подключаемого к нему устройства.

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

В самом простом виде схема бестрансформаторного блока питания имеет вид, показанный на рис.1.

Для ограничения броска тока при подключении блока к сети последовательно с конденсатором С1 и выпрямительным мостом VD1 включен резистор R2, а для разрядки конденсатора после отключения - параллельно ему резистор R1.

Бестрансформаторный источник питания в общем случае представляет собой симбиоз выпрямителя и параметрического стабилизатора. Конденсатор С1 для переменного тока представляет собой емкостное (реактивное, т.е. не потребляющее энергию) сопротивление Хс, величина которого определяется по формуле:

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

где Uc- напряжение сети (220 В).

Входная часть другого блока питания (рис.2а) содержит балластный конденсатор С1 и мостовой выпрямитель из диодов VD1, VD2 и стабилитронов VD3, VD4. Резисторы R1, R2 играют ту же роль, что и в первой схеме. Осциллограмма выходного напряжения блока приведена на рис.2б (когда напряжение на выходе превышает напряжение стабилизации стабилитронов, в противном случае он работает как обычный диод).

От начала положительного полупериода тока через конденсатор С1 до момента ti стабилитрон VD3 и диод,\Ю2 открыты, а стабилитрон VD4 и диод V01 закрыты. В интервале времени ti...t3 стабилитрон VD3 и диод VD2 остаются открытыми, а через открывшийся стабилитрон VD4 проходит импульс тока стабилизации. Напряжение на выходе ивых и на стабилитроне VD4 равно его напряжению стабилизации UCT.

Импульсный ток стабилизации, являющийся для диодно-стабилит-ронного выпрямителя сквозным, минует нагрузку RH, которая подключена к выходу моста. В момент t2 ток стабилизации достигает максимума, а в момент 1з равен нулю. До окончания положительного полупериода остаются открытыми стабилитрон VD3 и диод VD2.

В момент t4 завершается положительный и начинается отрицательный полупериод, от начала которого до момента ts уже стабилитрон VD4 и диод VD1 открыты, а стабилитрон VD3 и диод VD2 закрыты. В интервале времени ts-.ty стабилитрон VD4 и диод VD1 продолжают оставаться открытыми, а через стабилитрон VD3 при напряжении UCT проходит сквозной импульс тока стабилизации, максимальный в моментte- Начиная от1уидо завершения отрицательного полупериода остаются открытыми стабилитрон VD4 и диод VD1. Рассмотренный цикл работы диодно-стабилит-ронного выпрямителя повторяется в следующие периоды сетевого напряжения.

Таким образом, через стабилитроны VD3, VD4 от анода к катоду проходит выпрямленный ток, а в противоположном направлении - импульсный ток стабилизации. В интервалы времени t-j...ts и tg.^ty напряжение стабилизации изменяется не более чем на единицы процентов. Значение переменного тока на входе моста VD1...VD4 в первом приближении равно отношению напряжения сети к емкостному сопротивлению балластного конденсатора С1.

Работа диодно-стабилитроиного выпрямителя без балластного конденсатора, ограничивающего сквозной ток, невозможна. В функциональном отношении они неразделимы и образуют единое целое - кон-денсаторно-стабилитронный выпрямитель.

Разброс значений UCT однотипных стабилитронов составляет примерно 10%, что приводит к возникновению дополнительных пульсаций выходного напряжения с частотой питающей сети. Амплитуда напряжения пульсации пропорциональна разнице значений UCT стабилитронов VD3 и VD4.

При использовании мощных стабилитронов Д815А...Д817Г их можно установить на общий радиатор, если в обозначении их типа присутствуют буквы "ПП" (стабилитроны Д815АПП...Д817ГПП имеют обратную полярность выводов). В противном случае диоды и стабилитроны необходимо поменять местами.

Бестрансформаторные источники питания обычно собираются по классической схеме: гасящий конденсатор, выпрямитель переменного напряжения, конденсатор фильтра, стабилизатор. Емкостной фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения. Чем больше емкость конденсаторов фильтра, тем меньше пульсации и, соответственно, больше постоянная составляющая выходного напряжения. Однако в ряде случаев можно обойтись без фильтра, который зачастую является самым громоздким узлом такого источника питания.

Известно, что конденсатор, включенный в цепь переменного тока, сдвигает его фазу на 90°. Фазосд-вигающий конденсатор применяют, например, при подключении трехфазного двигателя к однофазной сети. Если в выпрямителе применить фазосдвигающий конденсатор, обеспечивающий взаимное перекрытие полуволн выпрямленного напряжения, во многих случаях можно обойтись без громоздкого емкостного фильтра или существенно уменьшить его емкость. Схема подобного стабилизированного выпрямителя показана на рис.3.

Трехфазный выпрямитель VD1 ...VD6 подключен к источнику переменного напряжения через активное (резистор R1) и емкостное (конденсатор С1) сопротивления.

Такой выпрямитель можно применять там, где необходимо уменьшить габариты электронного устройства, поскольку размеры оксидных конденсаторов емкостного фильтра, как правило, гораздо больше, чем фазосдвигающего конденсатора сравнительно небольшой, емкости.

Еще одно преимущество предложенного варианта состоит в том, что потребляемый ток практически постоянен (в случае постоянной нагрузки), тогда как в выпрямителях с емкостным фильтром в момент включения пусковой ток значительно превышает установившееся значение (вследствие заряда конденсаторов фильтра), что в некоторых случаях крайне нежелательно.

Описанное устройство можно применять и с последовательными стабилизаторами напряжения, имеющими постоянную нагрузку, а также с нагрузкой, не требующей стабилизации напряжения.

Совершенно простенький бестрансформаторный блок питания (рис.4) можно соорудить "на коленке" буквально за полчаса. В данном варианте схема рассчитана на выходное напряжение 6,8 В и ток 300 мА. Напряжение можно менять заменой стабилитрона VD4 и, при необходимости, VD3. А установив транзисторы на радиаторы, можно увеличить и ток нагрузки. Диодный мост - любой, рассчитаный на обратное напряжение не менее 400 В. Кстати, можно вспомнить и про "древние" диоды Д226Б.

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

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

Несмотря на то, что теоретически конденсаторы в цепи переменного тока мрщности не потребляют, реально в них из-за наличия потерь может выделяться некоторое количество тепла. Проверить пригодность конденсатора в качестве гасящего для использования в бестрансформаторном источнике можно просто подключив его к электросети и оценив температуру корпуса через полчаса. Если конденсатор успевает заметно разогреться, он не подходит. Практически не нагреваются специальные конденсаторы для промышленных электроустановок (они рассчитаны на большую реактивную мощность). Такие конденсаторы обычно используются в люминесцентных светильниках, в пуско-регулирующих устройствах асинхронных электродвигателей и т.п.

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

Блок для питания портативного приемника (рис.7) легко помещается в его батарейный отсек. Диодный мост VD1 рассчитывается на рабочий ток, его предельное напряжение определяется напряжением, которое обеспечивает стабилитрон VD2. Элементы R3, VD2, VT1 образуют аналог мощного стабилитрона. Максимальный ток и рассеиваемая мощность такого стабилитрона определяются транзистором VT1. Для него может потребоваться радиатор. Но в любом случае максимальный ток этого транзистора не должен быть меньше тока нагрузки. Элементы R4, VD3 - цепь индикации наличия

выходного напряжения. При малых токах нагрузки необходимо учитывать ток, потребляемый этой цепью. Резистор R5 нагружает цепь питания малым током, чем стабилизирует ее работу.

Гасящие конденсаторы С1 и С2 - типа КБГ или аналогичные. Можно также применить и К73-17 с рабочим напряжением 400 В (подойдут и с 250 В, так как они включены последовательно). Выходное напряжение зависит от сопротивления гасящих конденсаторов переменному току, реального тока нагруз-ки и от напряжения стабилизации стабилитрона.

Для стабилизации напряжения бестрансформаторного блока питания с гасящим конденсатором можно использовать симметричные динисторы (рис.8).

При зарядке конденсатора фильтра С2 до напряжения открывания динистора VS1 он включается и шунтирует вход диодного моста. Нагрузка в это время получает питание от конденсатора С2. В начале следующего полупериода С2 вновь подзаряжается до того же напряжения, и процесс повторяется. Начальное напряжение разрядки конденсатора С2 не зависит от тока нагрузки и напряжения сети, поэтому стабильность выходного напряжения блока достаточно высокая. Падение напряжения на динисторе во включенном состоянии невелико, рассеиваемая мощность, а значит, и нагрев его значительно меньше, чем у стабилитрона. Максимальный ток через динистор составляет около 60 мА. Если для получения необходимого выходного тока этого значения недостаточно, можно "умощнить" динистор симистором или тиристором (рис.9). Недостаток таких источников питания - ограниченный выбор выходных напряжений, определяемый напряжениями включения динисторов.

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

Решением данной проблемы при выполнении определенных условий может служить бестрансформаторный блок питания с гасящим конденсатором. Эти условия:

• полная автономность питаемого аппарата, т.е. к нему не должны подключаться никакие внешние устройства (например, к приемнику магнитофон для записи программы);
• диэлектрический (непроводящий) корпус и такие же ручки управления у самого блока питания и подключаемого к нему устройства.

Связано это с тем, что при питании от бестрансформаторного блока устройство находится под потенциалом сети, и прикосновение к его неизолированным элементам может хорошо "тряхнуть". Нелишне добавить, что при наладке таких блоков питания следует соблюдать правила техники безопасности и осторожность.

При необходимости использовать для наладки осциллограф блок питания нужно включать через разделительный трансформатор.

В самом простом виде схема бестрансформаторного блока питания имеет вид, показанный на рис.1.

Для ограничения броска тока при подключении блока к сети последовательно с конденсатором С1 и выпрямительным мостом VD1 включен резистор R2,а для разрядки конденсатора после отключения - параллельно ему резистор R1.

Бестрансформаторный источник питания в общем случае представляет собой симбиоз выпрямителя и параметрического стабилизатора. Конденсатор С1 для переменного тока представляет собой емкостное (реактивное, т.е. не потребляющее энергию) сопротивление Хс, величина которого определяется по формуле:

где (- частота сети (50 Гц); С-емкость конденсатора С1, Ф.

Тогда выходной ток источника можно приблизительно определить так:

где Uc - напряжение сети (220 В).

Входная часть другого блока питания (рис.2а) содержит балластный конденсатор С1 и мостовойвыпрямитель из диодов VD1, VD2и стабилитронов VD3, VD4. Резисторы R1, R2 играют ту же роль, что и в первой схеме. Осциллограмма выходного напряжения блока приведена на рис.2б (когда напряжение на выходе превышает напряжение стабилизации стабилитронов, в противном случае он работает как обычный диод).

От начала положительного полупериода тока через конденсатор С1 до момента t1 стабилитрон VD3 и диод,VD2 открыты, а стабилитрон VD4 и диод VD1 закрыты. В интервале времени t1...t3 стабилитрон VD3 и диод VD2 остаются открытыми, а через открывшийся стабилитрон VD4 проходит импульс тока стабилизации. Напряжение на выходе Uвых и на стабилитроне VD4 равно его напряжению стабилизации Uст.

Импульсный ток стабилизации, являющийся для диодно-стабилитронного выпрямителя сквозным, минует нагрузку RH, которая подключена к выходу моста. В момент t2 ток стабилизации достигает максимума, а в момент t3 равен нулю. До окончания положительного полупериода остаются открытыми стабилитрон VD3 и диод VD2.

В момент t4 завершается положительный и начинается отрицательный полупериод, от начала которого до момента t5 уже стабилитрон VD4 и диод VD1 открыты, а стабилитрон VD3 и диод VD2 закрыты. В интервале времени t5-t7 стабилитрон VD4 и диод VD1 продолжают оставаться открытыми, а через стабилитрон VD3 при напряжении UCT проходит сквозной импульс тока стабилизации, максимальный в момент t6. Начиная от t7 и до завершения отрицательного полупериода остаются открытыми стабилитрон VD4 и диод VD1. Рассмотренный цикл работы диодно-стабилитронного выпрямителя повторяется в следующие периоды сетевого напряжения.

Таким образом, через стабилитроны VD3, VD4 от анода к катоду проходит выпрямленный ток, а в противоположном направлении - импульсный ток стабилизации. В интервалы времени t1...t3 и t5...t7 напряжение стабилизации изменяется не более чем на единицы процентов. Значение переменного тока на входе моста VD1...VD4 в первом приближении равно отношению напряжения сети к емкостному сопротивлению балластного конденсатора С1.

Работа диодно-стабилитронного выпрямителя без балластного конденсатора, ограничивающего сквозной ток, невозможна. В функциональном отношении они неразделимы и образуют единое целое - конденсаторно-стабилитронный выпрямитель.

Разброс значений UCT однотипных стабилитронов составляет примерно 10%, что приводит к возникновению дополнительных пульсаций выходного напряжения с частотой питающей сети, амплитуда напряжения пульсации пропорциональна разнице значений Uст стабилитронов VD3 и VD4.

При использовании мощных стабилитронов Д815А...Д817Г их можно установить на общий радиатор, если в обозначении их типа присутствуют буквы "ПП (стабилитроны Д815АПП...Д817ГПП имеют обратную полярность выводов). В противном случае диоды и стабилитроны необходимо поменять местами.

Бестрансформаторные источники питания обычно собираются по классической схеме: гасящий конденсатор, выпрямитель переменного напряжения, конденсатор фильтра, стабилизатор. Емкостной фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения. Чем больше емкость конденсаторов фильтра, тем меньше пульсации и, соответственно, больше постоянная составляющая выходного напряжения. Однако в ряде случаев можно обойтись без фильтра, который зачастую является самым громоздким узлом такого источника питания.

Известно, что конденсатор, включенный в цепь переменного тока, сдвигает его фазу на 90°. Фазосдвигающий конденсатор применяют, например, при подключении трехфазного двигателя к однофазной сети. Если в выпрямителе применить фазосдвигающий конденсатор, обеспечивающий взаимное перекрытие полуволн выпрямленного напряжения, во многих случаях можно обойтись без громоздкого емкостного фильтра или существенно уменьшить его емкость. Схема подобного стабилизированного выпрямителя показана на рис.3.

Трехфазный выпрямитель VD1.VD6 подключен к источнику переменного напряжения через активное (резистор R1) и емкостное (конденсатор С1) сопротивления.

Выходное напряжение выпрямителя стабилизирует стабилитрон VD7. Фазосдвигающий конденсатор С1 должен быть рассчитан на работу в цепях переменного тока. Здесь, например, подойдут конденсаторы типа К73-17 с рабочим напряжением не ниже 400 В.

Такой выпрямитель можно применять там, где необходимо уменьшить габариты электронного устройства, поскольку размеры оксидных конденсаторов емкостного фильтра, как правило, гораздо больше, чем фазосдвигающего конденсатора сравнительно небольшой емкости.

Еще одно преимущество предложенного варианта состоит в том, что потребляемый ток практически постоянен (в случае постоянной нагрузки), тогда как в выпрямителях с емкостным фильтром в момент включения пусковой ток значительно превышает установившееся значение (вследствие заряда конденсаторов фильтра), что в некоторых случаях крайне нежелательно.

Описанное устройство можно применять и с последовательными стабилизаторами напряжения, имеющими постоянную нагрузку, а также с нагрузкой, не требующей стабилизации напряжения.

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

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

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

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

Несмотря на то, что теоретически конденсаторы в цепи переменного тока мощности не потребляют, реально в них из-за наличия потерь может выделяться некоторое количество тепла. Проверить пригодность конденсатора в качестве гасящего для использования в бестрансформаторном источнике можно просто подключив его к электросети и оценив температуру корпуса через полчаса. Если конденсатор успевает заметно разогреться, он не подходит. Практически не нагреваются специальные конденсаторы для промышленных электроустановок (они рассчитаны на большую реактивную мощность). Такие конденсаторы обычно используются в люминесцентных светильниках, в пускорегулирующих устройствах асинхронных электродвигателей и т.п.

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

Блок для питания портативного приемника (рис.7) легко помещается в его батарейный отсек. Диодный мост VD1рассчитывается на рабочий ток, его предельное напряжение определяется напряжением, которое обеспечивает стабилитрон VD2. Элементы R3, VD2. VT1 образуют аналог мощного стабилитрона. Максимальный ток и рассеиваемая мощность такого стабилитрона определяются транзистором VT1. Для него может потребоваться радиатор. Но в любом случае максимальный ток этого транзистора не должен быть меньше тока нагрузки. Элементы R4, VD3 - цепь индикации наличия выходного напряжения. При малых токах нагрузки необходимо учитывать ток, потребляемый этой цепью. Резистор R5 нагружает цепь питания малым током, чем стабилизирует ее работу.

Гасящие конденсаторы С1 и С2 - типа КБГ или аналогичные. Можно также применить и К73-17 с рабочим напряжением 400 В (подойдут и с 250 В, так как они включены последовательно). Выходное напряжение зависит от сопротивления гасящих конденсаторов переменному току, реального тока нагрузки и от напряжения стабилизации стабилитрона.

Для стабилизации напряжения бестрансформаторного блока питания с гасящим конденсатором можно использовать симметричные динисторы (рис.8).

При зарядке конденсатора фильтра С2 до напряжения открывания динистора VS1 он включается и шунтирует вход диодного моста. Нагрузка в это время получает питание от конденсатора С2 В начале следующего полупериода С2 вновь подзаряжается до того же напряжения, и процесс повторяется. Начальное напряжение разрядки конденсатора С2 не зависит от тока нагрузки и напряжения сети, поэтому стабильность выходного напряжения блока достаточно высокая.

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

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

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

Выходной сигнал VT2 зависит от разности напряжений, подаваемых с переменного резистора R7, включенного параллельно выходу блока питания, и источника опорного напряжения на диодах VD3, VD4. По существу, схема представляет собой регулируемый параллельный стабилизатор. Роль балластного резистора играет гасящий конденсатор С1, параллельного управляемого элемента - транзистор VT1.

Работает этот блок питания следующим образом.

При включении в сеть транзисторы VT1 и VT2 заперты, а через диод VD2 происходит заряд накопительного конденсатора С2. При достижении на базе транзистора VT2 напряжения, равного опорному на диодах VD3, VD4, транзисторы VT2 и VT1отпираются. Транзистор VT1 шунтирует выход диодного моста, и его выходное напряжение падает, что приводит к уменьшению напряжения на накопительном конденсаторе С2 и к запиранию транзисторов VT2 и VT1. Это, в свою очередь, вызывает увеличение напряжения на С2, отпирание VT2, VT1 и повторение цикла.

За счет действующей таким образом отрицательной обратной связи выходное напряжение остается постоянным (стабилизированным) как при включенной нагрузке (R9), так и без нее (на холостом ходу). Его величина зависит от положения движка потенциометра R7.

Верхнему (по схеме) положению движка соответствует большее выходное напряжение. Максимальная выходная мощность приведенного устройства равна 2 Вт. Пределы регулировки выходного напряжения - от 16 до 26 В, а при закороченном диодеVD4 - от 15 до 19,5 В. Уровень пульсаций на нагрузке - не более 70 мВ.

Транзистор VT1 работает в переменном режиме: при наличии нагрузки - в линейном режиме, на холостом ходу - в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с частотой пульсации напряжения на конденсаторе С2 100 Гц. При этом импульсы напряжения на коллекторе VT1 имеют пологие фронты.

Критерием правильности выбора емкости С1 является получение на нагрузке требуемого максимального напряжения. Если его емкость уменьшена, то максимальное выходное напряжение на номинальной нагрузке не достигается. Другим критерием выбора С1 является неизменность осциллограммы напряжения на выходе диодного моста (рис.10б).

Осциллограмма напряжения имеет вид последовательности выпрямленных синусоидальных полуволн сетевого напряжения с ограниченными (уплощенными) вершинами положительных полусинусоид, амплитуда вершин является переменной величиной, зависящей от положения движка R7, и меняется линейно при его вращении. Но каждая полуволна должна обязательно доходить до нуля, наличие постоянной составляющей (как показано на рис.10б пунктиром) не допускается, т.к. при этом нарушается режим стабилизации.

Линейный режим является облегченным, транзистор VT1 нагревается мало и может работать практически без радиатора. Небольшой нагрев имеет место в нижнем положении движка R7 (при минимальном выходном напряжении). На холостом ходу тепловой режим транзистора VT1 ухудшается в верхнем положении движка R7 В этом случае транзистор VT1 должен быть установлен на небольшой радиатор, например, в виде "флажка" из алюминиевой пластинки квадратной формы со стороной 30 мм и толщиной 1...2 мм.

Регулирующий транзистор VT1 - средней мощности, с большим коэффициентом передачи. Его коллекторный ток должен быть в 2...3 раза больше максимального тока нагрузки, допустимое напряжение коллектор-эмиттер - не меньше максимального выходного напряжения блока питания. В качестве VT1 могут быть использованы транзисторы КТ972А, КТ829А, КТ827А и т.п. Транзистор VT2работает в режиме малых токов, поэтому годится любой маломощный p-n-р-транзистор - КТ203, КТ361 и др.

Резисторы R1, R2 - защитные. Они предохраняют регулирующий транзистор VT1 от выхода из строя вследствие перегрузки по току при переходных процессах в момент включения блока в сеть.

Бестрансформаторный конденсаторный выпрямитель (рис.11) работает с автостабилизацией выходного напряжения. Это достигнуто за счет изменения времени подключения диодного моста к накопительному конденсатору. Параллельно выходу диодного моста включен транзистор VT1, работающий в ключевом режиме. База VT1 через стабилитрон VD3 соединена с накопительным конденсатором С2, отделенным по постоянному току от выхода моста диодом VD2 для исключения быстрого разряда при открытом VT1. Пока напряжение на С2 меньше напряжения стабилизации VD3, выпрямитель работает как обычно. При увеличении напряжения на С2 и открывании VD3 транзистор VT1 также открывается и шунтирует выход выпрямительного моста. Напряжение на выходе моста скачкообразно уменьшается практически до нуля, что приводит к уменьшению напряжения на С2 и выключению стабилитрона и ключевого транзистора.

Далее напряжение на конденсаторе С2 снова увеличивается до момента включения стабилитрона и транзистора и т.д. Процесс автостабилизации выходного напряжения очень похож на работу импульсного стабилизатора напряжения с широтно-импульсным регулированием. Только в предлагаемом устройстве частота следования импульсов равна частоте пульсаций напряжения на С2. Ключевой транзистор VT1 для уменьшения потерь должен быть с большим коэффициентом усиления, например, КТ972А, КТ829А, КТ827А и др. Увеличить выходное напряжение выпрямителя можно, применив более высоковольтный стабилитрон (цепочку низковольтных, соединенных последовательно). При двух стабилитронах Д814В, Д814Д и емкости конденсатора С1 2 мкФ выходное напряжение на нагрузке сопротивлением 250 Ом может составлять 23...24 В.

Аналогично можно стабилизировать выходное напряжение однополупериодного диодно-конденсаторного выпрямителя (рис.12).

Для выпрямителя с плюсовым выходным напряжением параллельно диоду VD1 включен n-p-n транзистор, управляемый с выхода выпрямителя через стабилитрон VD3. При достижении на конденсаторе С2 напряжения, соответствующего моменту открывания стабилитрона, транзистор VT1 тоже открывается. В результате, амплитуда положительной полуволны напряжения, поступающего на С2 через диод VD2, уменьшается почти до нуля. При уменьшении же напряжения на С2 транзистор VT1 благодаря стабилитрону закрывается, что приводит к увеличению выходного напряжения. Процесс сопровождается широтно-импульсным регулированием длительности импульсов на входе VD2, следовательно, напряжение на конденсаторе С2 стабилизировано.

В выпрямителе с отрицательным выходным напряжением параллельно диоду VD1 нужно включить p-n-p-транзистор КТ973А или КТ825А. Выходное стабилизированное напряжение на нагрузке сопротивлением 470 Ом - около 11 В, напряжение пульсаций - 0,3...0,4 В.

В обоих вариантах стабилитрон работает в импульсном режиме при токе в единицы миллиампер, который никак не связан с током нагрузки выпрямителя, разбросом емкости гасящего конденсатора и колебаниями напряжения сети. Поэтому потери в нем существенно уменьшены, и теплоотвод ему не требуется. Ключевому транзистору радиатор также не требуется.

Резисторы R1, R2 в этих схемах ограничивают входной ток при переходных процессах в момент включения устройства в сеть. Из-за неизбежного "дребезга" контактов сетевой вилки процесс включения сопровождается серией кратковременных замыканий и разрывов цепи. При одном из таких замыканий гасящий конденсатор С1 может зарядиться до полного амплитудного значения напряжения сети, т.е. примерно до 300 В. После разрыва и последующего замыкания цепи из-за "дребезга" это и сетевое напряжения могут сложиться и составить в сумме около 600 В. Это наихудший случай, который необходимо учитывать для обеспечения надежной работы устройства.

Другой вариант ключевой бестрансформаторной схемы источника питания представлен на рис.13.

Сетевое напряжение, проходя через диодный мост наVD1.VD4, преобразуется в пульсирующее амплитудой около 300 В. Транзистор VT1 - компаратор, VT2 - ключ. Резисторы R1, R2 образуют делитель напряжения для VT1. Подстройкой R2 можно установить напряжение срабатывания компаратора. Пока напряжение на выходе диодного моста не достигнет установленного порога, транзистор VT1 закрыт, на затворе VT2 - отпирающее напряжение и он открыт. Через VТ2 и диод VD5 заряжается конденсатор С1.

При достижении установленного порога срабатывания транзистор VT1 открывается и шунтирует затвор VT2. Ключ закрывается и снова откроется тогда, когда напряжение на выходе моста станет меньше порога срабатывания компаратора. Таким образом, на С1 устанавливается напряжение, которое стабилизируется интегральным стабилизатором DA1.

С приведенными на схеме номиналами источник обеспечивает выходное напряжение 5 В при токе до 100 мА. Настройка заключается в установке порога срабатывания VT1. Вместо IRF730 можно использовать. КП752А, IRF720, BUZ60, 2N6517заменяется на КТ504А.

Миниатюрный бестрансформаторный блок питания для малопотребляющих устройств можно построить на микросхеме HV-2405E (рис.14), которая осуществляет прямое преобразование переменного напряжения в постоянное.

Диапазон входного напряжения ИМС -15...275 В. выходного - 5...24 В при максимальном выходном токе до 50 мА. Выпускается в плоском пластмассовом корпусе DIP-8. Структура микросхемы приведена на рис.15а, цоколевка - на рис.15б.

В схеме источника (рис. 14) особое внимание нужно уделить резисторам R1 и R2. Их общее сопротивление должно быть в районе 150 Ом, а рассеиваемая мощность - не менее 3 Вт. Входной высоковольтный конденсатор С1 может иметь емкость от 0,033 до 0,1 мкФ. Варистор Rv можно применить практически любой с рабочим напряжением 230.250 В. Резистор R3выбирается в зависимости от требуемого выходного напряжения. При его отсутствии (выходы 5 и 6 замкнуты) выходное напряжение чуть более 5 В, при сопротивлении 20 кОм выходное напряжение - около 23 В. Вместо резистора можно включить стабилитрон с необходимым напряжением стабилизации (от 5 до 21 В). К остальным деталям особых требований нет, за исключением выбора рабочего напряжения электролитических конденсаторов (формулы для расчета приведены на схеме).

Учитывая потенциальную опасность бестрансформаторных источников, в ряде случаев может представлять интерес компромиссный вариант: с гасящим конденсатором и трансформатором (рис.16).

Здесь подойдет трансформатор с высоковольтной вторичной обмоткой, поскольку необходимое выпрямленное напряжение устанавливается подбором емкости конденсатора С1. Главное, чтобы обмотки трансформатора обеспечивали требуемый ток.

Чтобы устройство не вышло из строя при отключении нагрузки, к выходу моста VD1...VD4 следует подключить стабилитрон Д815П. В нормальном режиме он не работает, поскольку его напряжение стабилизации выше рабочего на выходе моста. Предохранитель FU1 защищает трансформатор и стабилизатор при пробое конденсатора С1.

В источниках такого вида в цепи последовательно соединенных емкостного (конденсатор С1) и индуктивного (трансформатор Т1) сопротивлений может возникать резонанс напряжения. Об этом следует помнить при их налаживании и контролировать напряжения осциллографом.

Смотрите другие статьи раздела .

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;

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.

Итак, давайте разберем последовательность расчета бестрансформаторного источника питания, рассмотренного в предыдущей статье. Описанная метода не претендует на истину в последней инстанции и может отличаться от других источников. Дополнительную информацию по такой схеме можно почерпнуть на зарубежных ресурсах, погуглив в сети запрос "capacitor power supply".

рис. 1

1. Рассчитываем ток нагрузки

Первое от чего мы должны отталкиваться при расчете бестрансформаторного источника питания - это ток нагрузки. На рисунке 1 он обозначен как Iam, а в качестве нагрузки выступает резистор R3. Заменим этот резистор небольшой схемой с микроконтроллером и определим потребляемый ею ток.

рис. 2

Сделать это можно двумя способами:
- путем расчета, просуммировав примерное потребление всех компонентов схемы,
- с мощью амперметра включенного между источником напряжения и нашей схемой.

Второй способ, конечно, будет точнее, но он осуществим только при наличии собранной схемы. Попробуем выполнить теоретический расчет.

В схеме на рисунке 2 три основных потребителя - стабилизатор 7805, микроконтроллер ATtiny13 и светодиод. Для простоты положим, что микроконтроллер при подаче питания всего лишь зажигает светодиод, а потом крутится в бесконечном цикле.
Ток покоя стабилизатора 7805 по даташиту равен 5 мА (параметр quiescent current). При изменении тока нагрузки и входного напряжения значение тока покоя меняется на 0.5 - 0.8 мА. Значение небольшое и можно им пренебречь.
Оценить потребление микроконтроллера ATtiny13 можно по графику Active Supply Current vs. VCC, представленнму в даташите в разделе Electric Characteristics. Допустим, у нас напряжение питания 5 Вольт, а тактовая частота - 9.6 МГц. При таких условиях attiny13 потребляет в активном режиме 5.5 мА.
Ток светодиода рассчитываем по формуле:

Iled = (Upin - Uled)/R2

где Upin - напряжение логической единицы на выводе микроконтроллера, В; Uled - прямое падение напряжения на светодиоде, В.

Для зеленого светодиода прямое падение напряжения равно примерно 2 В, Upin примерно 5 В, значит ток через светодиод будет равен:

Iled = (5 - 2)/330 = 9 мА.

Если быть честным, то при любом вытекающем токе напряжение на выводе микроконтроллера будет меньше напряжения питания. В чем можно убедиться, изучив график I/O Pin Source Current vs. Output Voltage (Low Power Ports, VCC = 5V), представленный в даташите. При токе 9 мА, напряжение на выводе микроконтроллера ATtiny13 будет примерно 4.8 В. Но мы, опять таки, не учитываем такие мелочи в расчете.

Итого: 5 + 5.5 + 9 = 19.5 мА.
Реальное значение потребляемого тока 18.6 мА.

Как видишь, разница незначительная. Округлим расчетное значение в большую сторону и будем отталкиваться от значения Iam = 20 мА.

2. Рассчитываем входной ток источника питания

Ток нагрузки нам известен, теперь нужно рассчитать значение тока на входе источника питания. На рисунке 1 он обозначен как Iac. В отличие от постоянного тока нагрузки, ток на входе бестрансформаторного источника питания переменный. А переменный ток характеризуется такими величинами как амплитудное и действующее значение.
Амплитудное значение переменного тока - это максимальное значение тока за период колебания. Действующее значение переменного тока - это такая величина постоянного тока, который за время равное одному периоду колебания переменного тока, выделит на том же сопротивлении R такое же количество тепла, что и переменный ток.
Для переменного тока, изменяющегося по синусоидальному закону, амплитудное и действующее значения связаны следующим соотношением:

где Iac - действующее значение, А; а Im - амплитудное, А.

Действующее значение переменного тока на входе схемы Iac рассчитывается из тока нагрузки Iam по следующей формуле:

Таким образом, ток на входе схемы будет равен:

Iac = 20*2.221 = 44,4 мA действующее значение
Im = 44*1.41 = 62.6 мA амплитудное значение

3. Определяем входное напряжение стабилизатора

У всех линейных стабилизаторов, к которым относится и микросхема 7805, есть такой параметр как dropout напряжение - наименьшая разность напряжений между входом и выходом. Этот параметр определяет минимальное входное напряжение стабилизатора, при котором он все еще будет работать в номинальном режиме. Для микросхемы 7805 выходное напряжение равно 5 В, а типовое dropout напряжение равно 2 В. Значит минимальное входное напряжение для стабилизатора 7805 будет составлять 5 + 2 = 7 В. С учетом того, что на конденсаторе С2 напряжение будет пульсировать, 7 Вольт - это минимальное значение пульсирующего напряжения. Накинем 1 В для запаса и будем отталкиваться от значения 8 Вольт.

В качестве стабилизатора не обязательно выбирать микросхему 7805, можно использовать то, что есть под рукой. При этом нужно учитывать следующие параметры:
- максимальное входное напряжение стабилизатора,
- максимальный выходной ток стабилизатора,
- dropout напряжение,
- максимальная рассеиваемая мощность.

4.Рассчитываем емкость сглаживащего конденсатора C2

Нагрузка у нас запитывается от сети во время положительного полупериода входного напряжения. Во время отрицательного полупериода нагрузка получает энергию от конденсатора С2. За время отрицательного полупериода он не должен успеть разрядиться до напряжения меньше 8 В. Этого не случиться, если начальное напряжение на конденсаторе и его емкость достаточны для поддержания заданного тока нагрузки.

Емкость сглаживающего конденсатора рассчитывается по следующей формуле.

C > Iam/(2*f*dU),

где Iam - ток нагрузки, А; f - частота переменного напряжения, Гц; С - емкость конденсатора, Ф; dU - размах пульсаций, В.

dU = Umax - Umin

Umin у нас равно 8 В.
Umax выбираем из следующих соображений. Большее напряжение позволяет использовать конденсатор меньшей емкости, но сильнее нагружает стабилизатор, который вынужден гасить на себе остаточное напряжение. Меньшее напряжение разгружает стабилизатор напряжения, но требует конденсатор большей емкости.
Я выбрал 9.3 В.

С2 > 0.02/(2*50*(9.3 - 8)) = 0.000153 Ф = 153 мкФ

Выбираем большее соседнее значение из ряда Е12 – 180 мкФ.
Также не забываем про максимальное напряжение, на которое рассчитан конденсатор. Берем с полуторным или двойным запасом, например на 16 Вольт.

5.Выбираем стабилитрон VD1

Требуемое номинальное напряжение стабилитрона равно максимальному напряжению на сглаживающем конденсаторе С2 плюс величина падения напряжения на диоде VD2, то есть:

9.3 + 0.7 = 10 В.

0.7 - это значение падения напряжения на диоде, включенном в прямом направлении. Стандартное значение, используемое в инженерных расчетах.

Помимо номинального напряжения стабилизации также важны такие параметры стабилитрона как номинальный и максимальный токи стабилизации, максимальный постоянный прямой ток, максимальный импульсный ток и рассеиваемая мощность.

Для данной схемы я выбрал стабилитрон 1N4740А, который имеет следующие характеристики:

- номинальное напряжение стабилизации 10 В,
- номинальный ток стабилизации 25 мА,
- максимальный ток стабилизации 91 мА,
- максимальный импульсный ток 454 мА,
- максимальный ток в прямом направлении 200 мА,
- рассеиваемая мощность 500 мВт.

В положительный полупериод сетевого напряжения через стабилитрон может протекать ток в диапазоне от 0 до 62 мА (Im). Если нагрузка будет потреблять меньший ток, стабилитрон будет брать часть тока на себя, если нагрузка отключится, весь входной ток будет протекать через стабилитрон. Поэтому максимальный ток стабилизации стабилитрона должен быть больше амплитудного значения входного тока. В нашем случае > 62 мА. У стабилитрона 1N4740 максимальный ток стабилизации 91 мА, значит, по этому параметру он подходит.

В отрицательный полупериод стабилитрон будет работать как обычный диод, и через него будет протекать весь входной ток источника питания. Нагрузка в этот момент запитывается от конденсатора C2. В прямом направлении стабилитрон выдерживает 200 мА, это больше амплитудного значения входного тока (62 мА), значит, по этому параметру он тоже подходит.

Рассчитаем максимальную мощность, которая будет рассеиваться на стабилитроне. В положительный полупериод сетевого напряжения на стабилитроне будет 10 В, в отрицательный полупериод Ud = 1.2 В (значение из даташита для тока 200 мА). Для расчета возьмем среднее значение переменного тока за полпериода. Оно рассчитывается по формуле:

Iav = (2 * Im)/3.14 = 0.637*Im

где Im - амплитудное значение переменного тока, А.

Максимальная мощность рассеиваемая на стабилитроне будет равна:

P = (0.637 * Im)*Ust + (0.637 * Im)*Ud = (0.637 * Im)*(Ust + Ud)
P = 0.637*62*(10 + 1.2) = 442 мВт

Такая мощность будет рассеиваться на стабилитроне в худшем случае - когда через него будет идти весь ток нагрузки. На практике значение мощности будет меньше, так как в положительный полупериод через стабилитрон будет протекать меньший ток. По этому параметру стабилитрон тоже проходит.

6. Выбираем диод VD2

Ток нагрузки Iam = 20 мА.
Максимальное обратное напряжение на диоде приблизительно равно номинальному напряжению стабилитрона VD1, то есть 10 В.
Мощность, рассеиваемая на диоде, равна P = Ud*Iam = 0.7 * 20 = 14 мВт.
Берем по каждому из этих значений двойной запас и выбираем диод. Я выбрал диод 1N4148.

7. Рассчитываем резистор R2

Сетевое напряжение бытовой электросети составляет 220 В. Эта так называемое действующее значение. Действующее значение в корень из 2 раз меньше амплитудного значения. Я уже говорил об этом выше.
Амплитудное значение сетевого напряжения составляет:

Um = 220 * 1.41 = 311 В

В начальный момент включения схемы, когда конденсатор C1 разряжен, может происходить бросок тока. Нужно подобрать такой номинал резистора R2, чтобы при максимальном входном напряжении импульсный ток через стабилитрон был меньше 454 мА.

R2 > Um/Ispike = 311/450 = 691 Ом

Выбираем ближайшее значение из ряда E24 - 750 Ом

Мощность рассеиваемая на этом резисторе будет равна

Pr = Iac * Iac * R = 44 * 44 * 750 Ом = 1.5 Вт

Берем 2 ваттный резистор.

8. Рассчитываем и выбираем конденсатор С1

Номинал конденсатора С1 рассчитывается по следующей формуле:

где Iac – действующее значение тока в цепи, А; Uac – минимальное действующее значение напряжения в цепи, В; f – частота переменного напряжения, Гц; R – сопротивление резистора R2, Ом.

Формула выведена из закона Ома для цепи переменного тока, состоящей из конденсатора и резистора.

Все величины известны:

Iac = 44 мА
Uac = 220 В
R2 = 750 Ом
f = 50 Гц

Подставляем их формулу и получаем значение C1. Оно будет равно 650 нФ. Возьмем большее соседнее значение из ряда Е12 - 680 нФ.

Рабочее напряжение С1 должно быть больше чем Um = 311 В. Можно взять конденсатор с рабочим напряжением 400 В, но лучше взять конденсатор рассчитанный на 600 В.

В качестве C1 нужно выбирать конденсаторы, предназначенные для работы в цепях переменного тока, например отечественные металлопленочные конденсаторы К73-17 или их импортные аналоги. Если не удается подобрать конденсатор нужное емкости, можно соединить два конденсатора меньшей емкости параллельно.

9. Выбираем резистор R2

Резистор R1 выбираем номиналом 1.5-2 МОм. Мощность, которая будет рассеиваться на этом резисторе, можно грубо оценить по формуле:

P = (Uac*Uac)/R1 = (220*220)/1500000 = 32 мВт

Выбираем резистор мощностью 0.125 - 0.25 Вт.

Конечный вариант схемы

Разъем Х1 для подключения устройства к сети.
Разъем Х3 для подачи постоянного напряжения при отладке и программировании устройства.

Несколько слов о правилах безопасности

Ну и напоследок о самом главном.
Не подключайте устройство с бестрансформаторным источником питания к компьютеру или программатору, когда оно запитано от сети. Что-то из них может сгореть.
Для программирования или отладки устройства запитывайте его от отдельного источника постоянного напряжения, когда оно отключено от сети.
Не дотрагивайтесь до элементов и проводников устройства, когда оно подключено к сети, это может привести к поражению электрическим током.
Не подключайтесь к работающему устройству осциллографом.