Схемы бестрансформаторного сетевого питания микроконтроллеров

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.

Принцип работы бестрансформаторного блока питания.

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.

Рабочие схемы

Все описанные устройства выполнены на распространенных радиоэлементах. Ниже приведены схемы с обозначением всех деталей.

В БП с транзисторными стабилизаторами КТ940А можно заменить на высоковольтный, выдерживающий более 250 В, а КТ815Г — на другой, с минимальным напряжением 80 В. При указанных деталях устройство может выдать до 300 мА. Для увеличения силы тока надо транзисторы установить на радиаторы. Если вместо стабилитрона КС512А поставить Д814Д, то выходной ток устройства уменьшится до 200 мА.

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.

Резистор мощностью 200 Ватт.

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

Эксперимент

В нашем эксперименте мы использовали резисторы с более высоким номиналом, чем указано в расчетах. В качестве нагрузочного резистора использовали резистор сопротивлением 300 Ом (12В / 300 Ом = 40 мА), чтобы проверить нагрузочную способность источника питания.

Выходное напряжение = Vz — Vd = 12 — 0,7 = 11,3 В

Внимание. Следует соблюдать осторожность при тестировании или использовании этой схемы! Не прикасайтесь ни к каким точкам цепи, так как некоторые точки этой цепи находятся под напряжением сети!

Источник

Схема преобразователя для питания тиратронов 90В

Для питания тиратронов напряжением примерно 90 В применена схема преобразователя напряжения по рис. 4 с задающим генератором 1 и параметрами элементов: R1=R4=-1 кОм, R2=R3=10 кОм, С1 =С2=0,01 мкФ.

Здесь могут быть использованы широко распространенные маломощные транзисторы. Умножитель имеет коэффициент умножения 12 и при имеющемся напряжении питания можно было бы ожидать на выходе примерно 200В, однако реально из-за потерь это напряжение составляет всего 90 В, и величина его быстро падает с увеличением тока нагрузки.

Рис. 4. Схема преобразователя напряжения с многокаскадным умножителем.

Бестрансформаторное электропитание: возможные схематические решения

Микросхема линейного стабилизатора

Можно своими руками собрать простой драйвер (источник стабилизированного тока) на недорогой (0,3 $) микросхеме линейного стабилизатора LM317АMDT. На вход преобразователя DС-AC подается напряжение сети 220 В, 50 Гц.

Стабилизированное напряжение 12 В получается на ИМС с минимальным набором элементов в обвязке (в самом простом варианте используется только R1 и R2). Подбирая номинал резисторов, можно регулировать ток в нагрузке, при суммарном токе светодиодов до 0,3 А микросхема отлично работает без радиатора. Ниже приведена типовая схема устройства на микросхеме LM317:

Зарядное устройство

Самым бюджетным вариантом, безусловно, считается использование зарядного устройства (ЗУ) от сотового телефона. Плата зарядника имеет совсем небольшие габариты и подойдет для питания 12 В гаджета с мощностью ≤ P ном. блока питания. Необходимо только заменить в ней однополупериодный выпрямитель на выпрямитель с удвоенным напряжением (добавляется по одному диоду и конденсатору). После модернизации получаем искомые 12 вольт с током 0.5А и полноценной развязкой от сети.

В качестве альтернативы, не требующей вмешательства в конструкцию, можно к выходу ЗУ через переходник подключается повышающий DС-DС преобразователь напряжения (например, 2-х амперный, размером 30мм х 17мм х 14мм, стоимостью 1$) с USB-разъемом. Требуется только выставить подстроечным резистором требуемое напряжение 12 В и подключить преобразователь к гаджету или стационарному электроприемному устройству.

Преобразователь (удвоитель) напряжения

Преобразователь (удвоитель) напряжения (рис. 6) содержит задающий генератор 1 (1 на рис. 1.1), два усилителя 2 (2 на рис. 1.1) и выпрямитель по мостовой схеме (VD1 — VD4).

Рис. 6. Схема удвоителя напряжения повышенной мощности.

Блок 1: R1 =R4=100 Ом; R2=R3=10 кОм; C1=C2=0,015 мкФ, транзисторы КТ315.

Блок 2: транзисторы ГТ402, ГТ404.

Известно, что мощность, передаваемая из первичной цепи во вторичную, пропорциональна рабочей частоте преобразования, поэтому одновременно с ее ростом уменьшаются емкости конденсаторов и, следовательно, габариты и стоимость устройства.

Данный преобразователь обеспечивает выходное напряжение 12В (на холостом ходу). При сопротивлении нагрузки 100 Ом выходное напряжение снижается до 11 В; при 50 Ом — до 10 В; а при 10 Ом — до 7 В.

Схема преобразователя-инвертора на микросхеме КР1006ВИ1

Для схем преобразователей напряжения, построенных по принципу умножителей импульсного напряжения, могут быть использованы самые разнообразные генераторы сигналов прямоугольной формы.

Такие генераторы часто строят на микросхеме КР1006ВИ1 (рис. 14) . Выходной ток этой микросхемы достаточно большой (100 мА) и часто можно обойтись без каскадов дополнительного усиления.

Генератор на микросхеме DA1 (КР1006ВИ1) вырабатывает прямоугольные импульсы, частота следования которых определяется элементами R1, R2, С2. Эти импульсы с вывода 3 микросхемы подаются на умножитель напряжения.

К выходу умножителя напряжения подключен резистивный делитель R3, R4, напряжение с которого поступает на вход «сброс» (вывод 4) микросхемы DA1.

Параметры этого делителя подобраны таким образом, что, если выходное напряжение по абсолютной величине превысит входное (напряжение питания), генерация прекращается. Точное значение выходного напряжения можно регулировать подбором сопротивлений резисторов R3 и R4.

Рис. 14. Схема преобразователя-инвертора напряжения с задающим генератором на микросхеме КР1006ВИ1.

Характеристики преобразователя — инвертора напряжения (рис 14) приведены в табл. 2.

Таблица 2. Характеристики преобразователя-инвертора напряжения (рис. 14).

Преобразователь напряжения для управления варикапами

Простая схема преобразователя напряжения для управления варикапами многократно воспроизведена в различных журналах. Преобразователь вырабатывает 20 В при питании от 9 б, и такая схема показана на рис. 11.

На транзисторах VT1 и VT2 собран генератор импульсов, близких к прямоугольным. Диоды VD1 — VD4 и конденсаторы С2 — С5 образуют умножитель напряжения, а резистор R5 и стабилитроны VD5, VD6 — параметрический стабилизатор напряжения.

Рис. 11. Схема преобразователя напряжения для варикапов.

Инвертор полярности напряжения из (+) в (-)

Для получения инвертированного выходного напряжения также может быть использован преобразователь на основе типового узла (рис. 1). На выходе устройства (рис. 5) образуется напряжение, противоположное по знаку напряжению питания.

Рис. 5. Схема инвертора напряжения.

По абсолютной величине это напряжение несколько ниже напряжения питания, что обусловлено падением напряжения (потерями напряжения) на полупроводниковых элементах. Чем ниже напряжение питания схемы и чем выше ток нагрузки, тем больше эта разница.

Преобразователь напряжения на КМОП микросхеме

Рис. 12. Схема преобразователя напряжения на КМОП микросхеме.

Простой преобразователь напряжения на одной лишь КМОП-микросхеме с минимальным числом навесных элементов можно собрать по схеме на рис.12.

Основные параметры преобразователя при разных напряжениях питания и токах нагрузки приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры преобразователя напряжения (рис. 12):

Для чего может использоваться напряжение 12 или 24 вольт в быту

В бытовых условиях зачастую используются источники электропитания низкого напряжения. От напряжения 12 или 24В постоянного тока DС запитываются переносные/стационарные электротехнические и электронные устройства, а также некоторые осветительные приборы:

• аккумуляторные электродрели, шуруповерты и электропилы;
• стационарные насосы для полива огородов;
• аудио-видеотехника и радиоэлектронная аппаратура;
• системы видеонаблюдения и сигнализации;
• батареечные радиоприемники и плееры;
• ноутбуки (нетбуки) и планшеты;
• галогенные и LED-лампы, светодиодные ленты;

• портативные ультрафиолетовые облучатели и портативное медицинское оборудование;
• паяльные станции и электропаяльники;
• зарядные устройства мобильных телефонов и повербанков;
• слаботочные сети электропитания в местах с повышенной влажностью и системы ландшафтного освещения;
• детские игрушки, елочные гирлянды, помпы аквариумов;
• различные самодельные радиоэлектронные устройства, в том числе на популярной платформе Arduino.

Большинство устройств работает от батареек и Li-ion аккумуляторов, но использование товарных позиций не всегда оправдано с точки зрения эксплуатационных затрат. Заряжать аккумуляторные батареи можно 300–1500 раз, но гальванические элементы с большой энергоемкостью и низким током саморазряда стоят дорого. Заметно дешевле обойдется приобретение батареек, особенно солевых и щелочных, но такие элементы придётся часто менять. Тем более, что для обеспечения подающего напряжения 12 В понадобится 8 последовательно соединенных пальчиковых батареек (типа АА или ААА) или 1,5-вольтовых «таблеток» в корпусе типа 27А.

Поэтому в местах с доступом к бытовой сети 220 В 50 Гц для питания электроприемников с амперажом больше 0,1 А рациональнее использовать блок питания.

Источник

Создание блока питания на 12В своими руками

Бестрансформаторный блок можно сделать самостоятельно. Сначала необходимо выбрать одну из приведенных схем.

Понадобятся такие инструменты и материалы:

• паяльник, флюс, припой;
• радиодетали, указанные на рисунке;
• провода в изоляции для формирования выводов;
• фольгированный материал (текстолит, гетинакс) для изготовления печатной платы;
• дрель с тонким (0,5-1 мм) сверлом;
• кусачки или ножницы для обрезания выводов;
• плоскогубцы или пинцет.

Для создания платы понадобится состав для травления, например:

• раствор хлорного железа;
• смесь пищевой соли (2 ст. л.), медного купороса (4 ст. л.) и 0,5 л воды.

Платы травятся 2-6 часов. Для уменьшения этого срока раствор рекомендуется подогреть до +50…+60 °С.

Далее выполняют следующие действия:

1. Рисуют дорожки на плате и вытравляют их.
2. Сверлят отверстия в нужных местах.
3. Обрезают ножки деталей и формуют их.
4. Вставляют их в отверстия и пропаивают.
5. Устанавливают радиаторы (если нужно).

После сборки платы к ней подсоединяют провода с необходимыми разъемами. Для включения в 220 В применяют сетевую вилку, а на выходе ставят какой-либо разъем или специальный штекер.

Источник

Задающий генератор

Задающий генератор бестрансформаторных может быть выполнен по типовой схеме, базовый элемент 1 которой (рис. 1) выполнен на основе симметричного мультивибратора.

В качестве примера элементы блока могут иметь следующие параметры: R1=R4=1 кОм; R2=R3=10 кОм С1=С2=0,01 мкФ. Транзисторы — маломощные, например, КТ315. Для повышения мощности выходного сигнала использован типовой блок усилителя 2.

Рис. 1. Схемы базовых элементов бестрансформаторных преобразователей: 1 — задающий генератор; 2 — типовой блок усилителя.

Основные способы понижения

Например, «ходовой» трансформатор частоты 50 Гц с относительно небольшой мощностью 200 Вт, выполненный на трансформаторном железе, весит более 1 килограмма и стоит от 9–18 $. Это не только делает блок питания громоздким, но и значительно удорожает стоимость девайса.

На трансформаторах реализована классическая схема понижения и последующего преобразования переменного напряжения (АС) в постоянное (DС) по цепи «трансформатор → выпрямитель → стабилизатор».

Существует более сложная схема построения «выпрямитель → импульсный генератор → трансформатор → выпрямитель → стабилизатор» импульсного блока питания, обладающая меньшими габаритами.