Бе스트рансформаторные блоки питания: проверенное решение для снижения стоимости и размера

Обычно понижающий трансформатор или импульсный блок питания преобразует высокое напряжение переменного тока сети в низкое напряжение переменного тока, а затем — в нужное низкое напряжение постоянного тока. Хотя этот процесс эффективен, он затратен и требует больше места при проектировании или производстве изделия. Чтобы решить эти проблемы, применяют бестрансформаторные блоки питания. Сегодня мы подробно рассмотрим их принципы работы, типы и приведем простые схемы для самостоятельной сборки.

Что такое бестрансформаторный блок питания?

Как следует из названия, бестрансформаторный блок питания формирует низкое напряжение постоянного тока из высокого напряжения переменного тока без использования трансформаторов или катушек индуктивности.

Принцип работы

Основа работы — преобразование высоковольтного однофазного переменного тока в низковольтный постоянный ток с помощью делителя напряжения без индуктивностей. Схема включает стадии ограничения пускового тока, разделения напряжения, стабилизации и выпрямления.

Как работает схема:

• Цель — преобразовать 230/120 В переменного тока в требуемое низкое напряжение постоянного тока (5 В, 3 В, 12 В).
• Диоды выпрямляют и стабилизируют высокое переменное напряжение до низкого постоянного.
• Конденсатор (последовательно соединенный с сетью) ограничивает ток за счет своего реактивного сопротивления, задавая определенное значение тока. Всегда предпочтительно использовать конденсатор класса X.
• Резистор отводит излишки тока и тепла.
• Диодный мост устраняет пульсации и выравнивает пиковое напряжение.
• Подключение светодиода служит для проверки работоспособности схемы.

Типы бестрансформаторных блоков питания

Резистивный тип

Использует резистор для снижения напряжения. Его сопротивление также отводит излишки тепла. Рекомендуется резистор с двойным запасом мощности, так как он рассеивает больше энергии.

Емкостной тип

Обладает малыми потерями мощности и тепловыделением. В качестве снижающего элемента служит конденсатор класса X (на 400 В, 230 В или 600 В), который гасит избыточное напряжение.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Дешевая конструкция, подходящая для низко мощных применений по сравнению с трансформаторными схемами.
• Компактность и малые габариты — требуют меньше места.

Недостатки

• Не могут выдавать большой ток (более 1 А), подходят только для нагрузок до 1 А.
• Отсутствует гальваническая развязка от сети — опасность для пользователя.
• Избыточные тепловыделения влияют на выходное напряжение.
• Пропускают импульсные перенапряжения, способные уничтожить схему питания и нагрузку.

Ниже приведены схемы, частично решающие эти проблемы.

Четыре простые схемы бестрансформаторных блоков питания

Базовая схема

Принцип работы и расчет:

• C1 снижает высокое напряжение сети (120/220 В) до более низкого постоянного для нагрузки.
• R1 обеспечивает путь разряда C1 при отключении от сети, предотвращая удар током от штекера.
• Диоды D1–D4 (диодный мост) выпрямляют переменное напряжение от C1 в постоянное.
• Полученное напряжение слишком высоко для большинства низковольтных устройств (кроме реле). Стабилитрон ограничивает его до нужного уровня.
• R2 — токоограничивающий резистор. При включении C1 на мгновение представляет КЗ, пропуская большой ток, способный повредить нагрузку. R2 предотвращает это.
• C2 — фильтрующий конденсатор, сглаживающий 100-Гц пульсации от диодного моста в чистое постоянное напряжение.

Улучшенная схема со стабилизацией напряжения

Преобразуем емкостную схему в стабилизированную с защитой от перенапряжений.

Принцип работы:

• Диоды 1N4007 выпрямляют напряжение сети, конденсатор 10 мкФ/400 В фильтрует его. Пиковое выпрямленное напряжение достигает 310 В.
• База транзистора TIP122 (или MJE13005) формирует делитель напряжения, поддерживая заданное выходное значение. Настройка 10-кОм потенциометра между эмиттером и землей позволяет получить 12 В.
• Конденсатор 220 мкФ/50 В создает кратковременное нулевое напряжение на базе для отключения транзистора при включении.
• Дроссель в коллекторе ограничивает пусковой ток и обеспечивает высокое сопротивление, защищая схему.

Примечание: также можно использовать стабилизатор 7805 для получения фиксированных 5 В.

Схема с переключением в ноль (Zero-Crossing)

Применяется к емкостным блокам для обнаружения перехода через ноль. Конденсаторы на входе ведут себя как КЗ на несколько миллисекунд, затем заряжаются и возвращаются к рабочему режиму.

Переход через ноль в сети переменного тока

Напряжение сети изменяется от нуля до пика и обратно. Вблизи пика ток и напряжение максимальны — включение емкостной схемы опасно пробоем. В момент перехода через ноль напряжение и ток минимальны — включение безопасно, нет импульсного тока.

Как это работает:

• При включении питания триак закрыт (нет управления на затворе), нагрузка отключена.
• Напряжение с конденсатора 105 нФ/400 В поступает на светодиод оптопары (выводы 1/2). При приближении к нулю внутренний ключ оптопары срабатывает.
• Триак открывается и удерживает включенное состояние до повторного выключения.

Коммутация с таймером 555

Использует таймер 555 в моностабильном режиме для подавления импульсного тока с учетом перехода через ноль.

Определение переключения в ноль

Синусоида сети начинается от нуля, нарастает до пика (120/220 В), спадает до нуля (положительный полупериод). Затем процесс повторяется в отрицательной полярности. Цикл повторяется 50–60 раз в секунду. Включение в любой момент, кроме нуля, вызывает импульсный ток. Нагрузка должна включаться строго в момент перехода через ноль.

Принцип работы схемы:

• Четыре диода 1N4007 образуют диодный мост, на катодах которого формируется 100-Гц пульсация.
• Делитель 47 кОм/20 кОм снижает амплитуду, сигнал поступает на плюсовую шину 555-го таймера, стабилизируется, фильтруется C1 и D1.
• Через 100 кОм потенциал подается на базу Q1.
• Когда переменное напряжение выше +0,6 В — Q1 закрыт. При падении ниже +0,6 В — Q1 открывается, заземляет вывод 2 таймера, на выводе 3 появляется положительный импульс.
• Выход таймера включает нагрузку и тиристор, удерживая состояние до конца моностабильного интервала. Затем начинается новый цикл.
• Стабильное время включения дает дополнительный ток нагрузке (ярче светится светодиод). Регулировка 1 МОм предварительной установки задает длительность импульса. Схема 555 срабатывает около нуля сети — нет скачка напряжения.

Применение бестрансформаторных блоков питания

Основные области — дешевые низкомощные устройства:

• Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)
• Светодиодные лампы
• Системы цифровой связи
• Зарядные устройства для мобильных телефонов
• Электронные игрушки
• ТВ-приемники
• Аварийное освещение
• Системы телесвязи
• Схемы стабилизации и разделения напряжения

Заключение

Бестрансформаторные блоки питания уверенно вытеснили трансформаторные аналоги в низковольтных применениях. Они дешевы, компактны и выдают ограниченный ток. Статья подробно описывает способы самостоятельной сборки таких схем. При дополнительных вопросах обращайтесь к нам.