Занимательная электроника

   В данной статье мы рассмотрим основные схемы без трансформаторных блоков питания, а так же упрощенную методику расчета, которая позволяет не углубляясь в теорию спроектировать рабочую схему.

   На рисунке изображена классическая схема без трансформаторного блока питания:

    Данные схемы применяются когда ток потребления нагрузки не большой (порядка  десятков mA), а так же ограниченные габариты устройства.

Плюсы такой схемы:

1. 1. Не чувствительная к короткому замыканию (R_n =0).
   2.  Не большие габариты (по сравнению с трансформаторными).
   3. Простота в проектировании.

Недостатки:

1. 1. Отсутствие гальванической развязки (большая опасность поражения электрическим током).
   2. Не большой выходной ток.
   3. При больших колебаниях тока потребления, стабилизация выходного напряжения может быть нарушена.
   4. При обрыве нагрузки, может выйти из строя.

   Для максимальной безопасности без трансформаторной схемы питания, будем использовать следующую схему:

где:

R1 — Резистор (обрывник), предназначен для защиты входного источника питания от КЗ в самой схеме. Его сопротивление выбирается порядка 0,1-10 Ом. При КЗ (пробой емкости), почти все входное напряжение падает на данном резисторе, и как следствие резистор перегорает, обрывая цепь.

R2 — Резистор, предназначен для разрядки конденсатора С_х, для избежания ударом тока. Выбирается в пределах 470кОм. При выборе резистора необходимо учесть его рабочее напряжения, во избежания его пробоя. Часто применяют несколько последовательно подключенных резисторов для уменьшения вероятности пробоя их по напряжению.

F1 — предохранитель, применяется как дополнительная защита вместе с обрывным резистором. 

Расчет элементов выполняется по следующим формулам:

С_х = (3200*I)/√(U²-U²_н) ;    μF.

U- выходное напряжения, В.

Uн — напряжение нагрузки, В.

I = I_{нагрузки} +  I_{стабилизатора},  mA.

I_{нагрузки} — берется максимальное значение тока нагрузки, при этом должно выполняться условие:

(I_{стабилизатора}  максимум-I_{стабилизатора} минимум) /2>(I_{нагрузки} максимум -I_{нагрузки} минимум).

Стабилитрон выбирается из заданного выходного напряжения на нагрузке и максимальном значении тока, который может пройти через стабилитрон при минимальном токе потребления нагрузки (в идеале, стабилитрон должен выдержать ток, который может пойти через него при обрыве нагрузки) , а так же должно выполняться вышеописанное условие.

Напряжения конденсатора С_х выбираем с учетом колебания входного напряжения 30%: 

U = 1,3*220*√2.

Значения фильтрующего конденсатора С_ф выбираем из расчета ≈ 5μF на каждый рабочий mA нагрузки.

Диодный мост выбирается из расчета максимального тока (I_max=I*2) и входного напряжения, с учетом амплитудного значения.

В случаи необходимости работать с токами нагрузки более более десятки mA, можно применить схему стабилизатора на транзисторе:

U_{нагрузки} =  U_{стабилитрона} + U_{перехода транзистора}.

U_{перехода транзистора} = 0,7В если транзистор кремневый и 0,3В если транзистор германиевый.

Так же как можно использовать в данных схемах стабилизатор напряжения:

При расчете емкости конденсатора С_х, необходимо учитывать ток потребления стабилизатора.

При выборе стабилизатора напряжения VR1 должно выполняться условие: максимальное входное напряжение VR1>напряжения стабилизации VD_ст> минимальное входное напряжения VR1. 

Так же рекомендую всегда в параллельно фильтрующей емкости добавлять емкость 0,1-0,01 μF, для подавления высокочастотных гармоник.

При очень малых токах потребления можно использовать однополупериодную схему питания:

С учетом того, что ток через нагрузку проходит только при одной полу волне, ток  I будет в два раза меньше, как следствие емкость конденсатора С_х будет так же в два раза меньше. Единственно, что надо учитывать, что выходная емкость конденсатора увеличивается в 2 раза, что увеличивает габариты блока питания и оправдывает данную схему только при низком токе нагрузки (порядка пару mA).