Бестрансформаторный блок питания с конденсаторным делителем
Итак, начнём, с того, зачем вообще нужен такой блок питания. А нужен он затем, что позволяет запитать слаботочные нагрузки не заморачиваясь с намоткой трансформаторов и используя минимум компонентов. Минимальное число компонентов (и тем более отсутствие таких габаритных компонентов как трансформатор), в свою очередь, делают блок питания с конденсаторным делителем (иногда говорят "с емкостным делителем") простым и исключительно компактным.
Рассмотрим схему, изображённую на рисунке:
Здесь Z1 = -j/wC1; Z2 = -j/wC2 - реактивные сопротивления конденсаторов
Найдём ток нагрузки: iн = i1-i2 (1) - первый закон Кирхгофа для узла 1. Учитывая, что по закону Ома для участка цепи: i1=u1/Z1, а u1=uc-u2 ; выражение (1) можно переписать в следующем виде: iн=(uc-u2)/Z1-u2/Z2 ;
или по другому: Iн=jwC1(Uсм-U2м)-jwC2U2м , где индекс "м" - это сокращение от слова максимальный, он говорит о том, что речь идёт об амплитудных значениях.
Раскрыв скобки и сгруппировав это выражение, получим: Iн=jwC1(Uсм-U2м(1+С2/С1)) (2) - вот, собственно, мы и получили выражение для тока через нагрузку Zн, в зависимости от напряжения на этой нагрузке и напряжения питающей сети. Из формулы (2) следует, что амплитудное значение тока равно: Iнм=wC1(Uсм-U2м(1+С2/С1)) (3)
Предположим, что наша нагрузка - это мост, сглаживающий конденсатор и, собственно, полезная нагрузка (смотрим рисунок). При начальном включении, когда конденсатор C3 разряжен, величина U2 будет равна нулю и через мост потечёт пусковой зарядный ток, максимальное начальное значение которого можно найти, подставив в формулу (3) величину U2м равную нулю (Iпуск=wC1Ucм). Это значение соответствует худшему случаю, когда в момент включения мгновенное значение напряжения в сети было равно максимальному значению.
С каждым полупериодом конденсатор C3 будет заряжаться и наше напряжение U2м, равное по модулю напряжению на конденсаторе C3 и напряжению на полезной нагрузке (обозначим его как Uвых), также будет расти, пока не вырастет до некоторого постоянного значения. При этом ток через полезную нагрузку будет равен средневыпрямленному току, т.е. Iвых=Iнм*2/"Пи" (для синусоидального входного тока).
Учитывая также, что Ucм=Uc*1,414 (Uc - действующее значение питающего напряжения), а w=2*"Пи"*f, где f-частота питающего напряжения в герцах, получим:
Iвых = 4fC1(1,414Uc-Uвых(1+C2/C1)), если ещё к тому же учесть падение на диодах моста, то окончательно получится:
Iвых = 4fC1(1,414Uc-(Uвых+2Uд)(1+C2/C1)) (4) , где Uд - падение на одном диоде
Из этого выражения можно получить и обратную зависимость Uвых(Iвых):
Uвых=(1,414Uc-Iвых/4fC1)/(1+C2/C1)-2Uд (5)
Что видно из двух последних формул? Из них видно, что с увеличением потребляемого нагрузкой тока напряжение на нагрузке уменьшается, а с уменьшением потребляемого тока - оно растёт. Разомкнув цепь нагрузки (то есть приняв ток нагрузки равным нулю) найдём напряжение холостого хода: Uвых хх = 1,414Uc/(1+C2/C1)-2Uд(6). Очевидно, что мост и конденсатор C2 должны быть рассчитаны на напряжение не менее U2м макс = Uвых хх + 2Uд = 1,414Uc/(1+C2/C1).
Строго говоря наши расчёты не совсем безупречны, потому что реальные процессы тут вообще будут нелинейными, но наши небольшие упрощения сильно облегчают расчеты и не сильно влияют на конечный результат.
А вот теперь самое интересное. Частенько читал в интернете, что линейные стабилизаторы не работают в таких схемах, сгорают и прочее и прочее. Ну что же, давайте ещё раз перерисуем нашу схему, добавив в неё линейный стабилизатор напряжения (смотрите рисунок). (Uст. , Iн - напряжение и ток нагрузки).
Здесь наше Uвых (напряжение на конденсаторе C3) является входным напряжением стабилизатора (Uin). Как мы помним, при отсутствии нагрузки напряжение на выходе будет максимально и равно Uвых хх. Так что вполне очевидно, что для нормальной работы наш линейный стабилизатор должен выдерживать входное напряжение не менее Uвых хх. Или можно сказать по другому, - конденсаторы должны быть подобраны таким образом, чтобы выходное напряжение холостого хода (имеется ввиду выходное напряжение конденсаторного делителя) не спалило стабилизатор при случайном отключении нагрузки (мало ли, неконтакт какой-нибудь). Максимальный ток нагрузки можно определить, подставив в формулу (4) вместо Uвых минимальное входное напряжение стабилизатора. Как видите, главное - всё правильно рассчитать, тогда и стабилизатору ничто не угрожает.
Эта схема уже вполне рабочая, но есть у неё один существенный недостаток. В случае, когда нам нужно получить входное напряжение стабилизатора существенно ниже питающего напряжения сети (при питании от 220 В нам именно это и нужно), ёмкость конденсатора C2 получается довольно значительной. А неполярный конденсатор значительной ёмкости - довольно дорогое удовольствие (да и габариты не радуют). Можно ли как-то вместо неполярного конденсатора использовать, например, обычные электролитические?
Оказывается можно. Для этого переделаем нашу схему ещё раз, таким образом, как на рисунке. В данной схеме вместо одного конденсатора С2 используются два конденсатора С2 и С2' (такой же ёмкости, как и в случае, когда конденсатор C2 всего один), развязанные через диоды моста. При этом обратное напряжение на каждом из этих конденсаторов не превышает падения напряжения на диоде.
Несмотря на то, что в данном случае вместо одного неполярного конденсатора используется два электролитических, такая схема получается экономичнее и по деньгам и по габаритам. Правда тут есть один нюанс. Выгорание одного из диодов моста может привести к тому, что на электролитических конденсаторах всё-таки появится полное обратное напряжение. Если такое произойдёт - конденсатор вероятнее всего взорвётся. Ещё хотелось бы отметить, что обращаться с бестранформаторными блоками питания следует крайне осторожно, поскольку такая схема не развязана от питающей сети и прикосновение к токопроводящим частям схемы может вызвать серьёзное поражение электрическим током.
Материал предоставлен в ознакомительных целях, в первоисточнике есть онлайн калькулятор для расчета делителей. Помните безопасность превыше всего.
