Наш канал в telegram

Бестрансформаторный блок питания с конденсаторным делителем + online-калькулятор

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.

Конденсаторный делитель

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-U)-jwC2U , 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-U(121)) (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-U(121)) (3)

схема бестрансформаторного блока питания

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 U 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 U, 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 — падение на одном диоде

Из этого выражения можно получить и обратную зависимость Uвых(Iвых):

Uвых=(1,414Uc-Iвых/4fC1)/(1+C2/C1)-2 (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)-2 (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.

Схема бестрансформаторного блока питания с конденсаторным делителем

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. , — 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?

Схема бестрансформаторного блока питания с конденсаторным делителем

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 её токопроводящим частям может вызвать серьёзное поражение электрическим током.

Online-калькулятор для расчёта блока питания с конденсаторным делителем:

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

1) Исходные данные:

(если вы не знаете минимального входного напряжения стабилизатора и величину падения напряжения на диодах моста, то расчёт будет сделан для: Uin=Uст и Uд=0, — как будто минимальное входное напряжение равно выходному напряжению стабилизатора и диоды идеальные).

C1=мкФ;  С2=мкФ;  Uд=В — падение напряжения на одном диоде моста

Uст=В — выходное напряжение стабилизатора

Uin min=В — минимальное входное напряжение стабилизатора

Uc=В;  f=Гц — напряжение и частота питающей сети 

2) Расчётные данные:

Iн max=мА — максимальный ток нагрузки

Iпуск=мА — максимальный начальный пусковой зарядный ток

U2xx=В — максимальное напряжение на конденсаторах C2, C2‘ и мосту

Uin xx=В — максимальное напряжение на входе стабилизатора

Для примера: при C1=1мкФ, С2 (или С2 и С2‘)=22мкФ, Uc=220В, f=50Гц и стабилизаторе LM7805, — можно получить максимальный ток нагрузки порядка 30-35мА, что вполне позволяет запитывать, например, контроллеры, оптосимисторы и даже некоторые релюшки. При этом напряжение на LM-ке даже в худшем случае (без нагрузки) не превысит 13,5 вольт.

Пример использования (в устройстве управления освещением)

Комментарии 8

  • Здравствуйте,хочу обратится к автору,этой конструкции.Основываясь на ваших расчетах,я собрал драйвер для питания светодиодной лампы на 10 ватт https://usamodelkina.ru/11257-led-lampa-na-10w.html , на выходе добился 40 вольт при 0,266 ампер, вопрос в том насколько безопасно конденсаторам делителя, народ волнуется что на электролитах,большие пульсации,на этом сайте я был слегка подвергнут остракизму, модератором )) видать,там человек сидит опытный,но схема ведь работает,не греется не взрывается,за что спасибо вам.

    • 1) Я не очень понял как при таких параметрах получилось 200 с лишним мА. Если С1+С5=6,6 мкФ, а С2=С3=47 мкФ, то при 36 Вольтах на выходе у меня получается ток не более 20 мА.
      2) Конденсаторный делитель — это не С2 и С3, это С1(+С5) и С2(+С3) вместе.
      3) Я честно написал, что он опасный. Да, выходить из строя может с фейерверком, но если его закорпусировать и токи маленькие (пару десятков миллиампер), то пофиг, не фейерверк будет, а легкий пшик. Ну и по-уму, нужно ещё поставить предохранитель. У меня у самого пару лет такой БП работал и то, сгорел не сам БП, а конструкция, которую он питал. Причем не по его вине, он бы и дальше пахал .
      4) По поводу конденсаторов, опять же, если токи небольшие, то вообще не страшно.

  • если воспользоватся ваше формулой а вернее веб калькулятором на этой странице,при условии, С1=6,6мкф , С2=47мкф ,Uд=0, Uст=0, Uin min=0 , Uc=230 , f=50 на выходе получаем Iн max=429.2904 мла, Uin xx=40.0457 вольт, без нагрузки если честно все 72 вольта но при подключении нагрузки напряжение падает до искомых 40 в , ток также соответствует расчетному, у меня такой блок работает больше года, питает 1 мощный светодиод на 10 ват 36 вольт, как нашел его на вашей странице так и стал использовать его во многих своих конструкциях,ни один не взорвался,не было такого ни разу, единственое что может быть так это номинал конденсаторов может уплыть на уменьшение. В любом случае спасибо за ответ, и за хорошую нестандартную схему.

  • единственое что может быть так это номинал конденсаторов может уплыть на уменьшение— и это через пару другую лет…

  • Но при расчётах не нужно брать Uст=0, поскольку это соответствует режиму КЗ в нагрузке. Раз у Вас напряжение на ленте светиков должно быть 40 Вольт, то это значение и нужно брать в качестве Uст.
    Но такой БП вообще невозможен. При Uст=Uin min = 40В, Uс=220В, f=50Гц, Uд=0, C1=6.6мкФ, С2=47мкФ получается максимальный ток нагрузки отрицательный, что логично, поскольку нам нужно 40В получить с конденсаторного делителя, у которого даже на холостом ходу, без нагрузки, максимальное напряжение 38В. То есть повторюсь такой БП невозможен.
    Вот если при тех же параметрах поставить C2 = 22 мкФ, то напряжение без нагрузки как раз станет около 72 Вольт, а под нагрузкой около 200 мА упадёт до 40 Вольт. Так что может у Вас всё же конденсаторы C2, C3 по 22 мкФ, а не по 47?

  • Нет я выбрал имено 2 конденсатора 47 мкф, может я неправильно понял формулу и кондеры С2-С2′ неодходимо воспринимать как два последовательно включеных и тогда его емкость будет =47/2 мкф ? (Так и есть наверно вот сейчас посчитал и так и получается)
    , на ленте должно быть 36-37 вольт, сорок выбрал тат как стабилизатор тока сьедает на себя 3 вольта, но имено с этими деталями на выходе 72 вольта без нагрузки, тогда получается ,баластную емкость можно уменьшить до 4,7 мкф а электролиты (47+22)/2=34,5 и тогда напряжение будет равно 39,7, попробую на днях и отпишусь о результатах, не устаю вас благодарить! Спасибо!

  • В общем при С1=4,7мкф и С2-С2’=(47мкф+22мкф)/2=35 получились искомые без нагрузки 40 вольт но, при подключении светодиодов они стали мерцать складывалось впечатление что линейке не хватало напряжения,как убрал оба по 22 мкф, светодиоды стали светить ярко и весело,напряжение при этом при отключении светодиодов на выходе было 57-58 вольт,вернул обратно 6,6 мкф для С1 и напряжение с нагрузкой перед стабилизатором тока стало 39 вольт в самый раз как стабилизатороу и надо на светодиодах из 72 вольт падали нужные мне 36, отсюда выбрал стратегию как можно вычислить деградируют ли через год конденсаторы, как меня весь мир стращает, или нет ,это замерить по исходу этого года напряжение на выходе,и если оно поднимется то это будет означать что общая емкость с2-с2′ уменьшилась,а оталкиваясь от ваших расчетов так и происходит…

  • Хм, нет, конденсаторы C2-C2′ не нужно воспринимать как 2 последовательно включенных, это как бы один кондёр, но хитро разделённый. По крайней мере идея была такая. Нужно будет ещё раз экспериментально всё проверить.
    В любом случае рад, что у Вас всё работает и все эти расчёты оказались кому-то полезны.
    Как я уже говорил, пользоваться этой штукой вполне можно и она, по-моему, предана забвению незаслуженно 🙂

Добавить комментарий