Это ретроспективно-учебная статья на начинающих. Она появилась, в общем то, случайно, как результат воспоминаний о любительской технике времен СССР.
Недавно один мой знакомый, который делал подсветку на кухне из светодиодной ленты, захотел управлять подсветкой с помощью сенсорной кнопки включит/выключить. На классическую кнопку с фиксацией он не соглашался.
Найденная им на просторах интернета схема "сенсорной кнопки" потребляла в дежурном режиме менее 1 мА при питании напряжением от 5 В до 9 В и порядка 15 мА во включенном состоянии. Поэтому в качестве дежурного источника питания он использовал плату от старой телефонной зарядки.
Вроде бы тему можно закрывать, так как зарядных устройств от старых телефонов "у каждого в тумбочке целый мешок". А если нет, то "братья Китайцы" с радостью продадут готовые блоки "ведро за рубль". Да, в целом все так, согласен.
Но что делать, если нужен простой маломощный блок питания на другое напряжение? Или двухполярный. Да, я знаю, что легко и просто сделать AC-DC преобразователь буквально на одном транзисторе. А если такой вопрос стоит перед новичком?
Между тем, даже во времена, когда импульсные источники питания в бытовой технике, а тем более любителями, еще не применялись, миниатюрные любительские маломощные сетевые блоки питания существовали. Причем соответствующие требованиям безопасности. Вот примерная схема, по которой такие блоки питания собирали
Конечно, миниатюрность, по сравнению с сегодняшним днем, была довольно условной. Но по сравнению с классическим блоком питания на сетевом трансформаторе такой блок был заметно меньше и гораздо легче.
Подобные блоки применяли в основном для питания карманных приемников дома, как замену дефицитным (в то время) батарейкам. Иногда и для простых любительских конструкций. Причем собрать такой блок питания мог даже начинающий любитель.
В общем и целом, это классический трансформаторный блок питания в котором трансформатор подключался к сети не напрямую, а через балластный конденсатор. Поэтому трансформатор здесь работает при гораздо меньшем напряжении и является разделительным с коэффициентом трансформации 1:1, в типовом случае.
Использовать другой коэффициент трансформации, конечно, можно. Но практического смысла это не имеет. Наматывали трансформатор на сердечнике (и каркасе) от согласующего или выходного трансформатора УНЧ транзисторных радиоприемников. Типичным размером сердечника были Ш6х6 и Ш8х8.
Подобные схемы достаточно широко известны, но обычно приводятся как готовый законченный вариант с намоточными данными типового сердечника из трансформаторной стали. Никакой методики расчета обычно не приводится.
Сегодня такие сердечники большая редкость. Да и практический смысл изготовления подобных блоков питания вряд ли есть, в большинстве случаев.
Но это линейный блок питания, что может быть интересным противникам импульсных преобразователей. А для сердечника можно использовать феррит с высокой начальной проницаемостью, например 10000. Хорошо подойдут кольцевые сердечники. Причем зазор не нужен, так как сердечник работает без подмагничивания, а ток в обмотках не большой. Да и расчет подобных блоков питания представляет некоторый интерес, так как прост и понятен даже школьникам.
Вот о расчете и будет сегодняшний разговор.
LC, но не колебательный контур, а делитель напряжения
Давайте рассмотрим работу блока питания без нагрузки. При этом можно не учитывать вторичную (выходную) сторону, пренебречь ее влиянием. А первичная (сетевая) сторона будет выглядеть так
Знакомые с физикой, а тем более с электроникой, сразу узнают здесь последовательный резонансный контур. И будут правы. Но нас будут интересовать не резонансные свойства схемы, а тот факт, что данная схема является еще и делителем напряжения. Только сопротивления тут реактивные.
Из школьного курса физики известны формулы для реактивного сопротивления конденсатора и катушки индуктивности
Выходное напряжение можно найти по формуле
Однако, выходное напряжение, в типичных случаях, гораздо меньше входного. В большинстве случаев выходное напряжение лежит в диапазоне от 3 до 20 В (действующее, или среднеквадратичное значение). Тогда как входное напряжение равно 230 В. Поэтому индуктивное сопротивление первичной обмотки гораздо меньше емкостного сопротивления конденсатора. И ток в первичной цепи определяется именно балластным конденсатором.
А это позволяет не учитывать слагаемое XL в знаменателе формулы. Таким образом, формулу можно упростить
Отсюда получаем формулу для определения требуемого индуктивного сопротивления первичной обмотки трансформатора при заданном входном напряжении, заданном выходном напряжении, и выбранной емкости балластного конденсатора.
И соответствующую этому реактивному сопротивлению индуктивность первичной обмотки
Давайте, для примера, рассчитаем индуктивность первичной обмотки трансформатора, работающего на холостом ходу, при питании от сети 230 В, что бы напряжение на ней (а значит, и на вторичной обмотке) было равно 7 В. Емкость балластного конденсатора 0.47 мкФ.
Частота питающей сети известна - 50 Гц. Для этой частоты балластный конденсатор будет иметь реактивное сопротивление
XС = 1 / (2*3.14*50*0.00000047) = 6776 Ом
Тогда требуемое реактивное сопротивление обмотки будет
XL = 7*6776 / 230 = 206 Ом
Отсюда можно определить необходимую индуктивность обмотки
L = 206 / (2*3.14 *50) = 656 мГн
Кстати, среднеквадратичное значение тока в первичной цепи при этом будет
I1 = Uвх / XС = 230 / 6776 = 34 мА
Обратите внимание, что даже без каких либо средств защиты от превышения напряжения, напряжение на первичной обмотке трансформатора не превысит расчетного значения.
Теперь нужно сказать пару слов о выборе емкости балластного конденсатора. Конечно, хочется использовать конденсатор минимальной емкости. Это и дешевле, и размер меньше. Да и блок питания получится более экономичным, так как ток холостого хода первичной цепи будет меньше.
Однако, чем меньше емкость балластного конденсатора, тем больше требуемая индуктивность первичной обмотки. То есть, увеличивается число витков обмотки, что требует и большего размера сердечника, что бы обмотки разместились на нем. Поэтому нужно находить компромиссные варианты.
Для примера посмотрим, какая индуктивность первичной обмотки потребуется для емкости балластного конденсатора 1 мкФ.
XС = 1 / (2*3.14*50*0.000001) = 3184 Ом
XL = 7*3184 / 230 = 97 Ом
L = 97 / (2*3.14 *50) = 309 мГн
I1 = Uвх / XС = 230 / 3184 = 72 мА
Учет тока нагрузки
При расчетах и построении математических моделей мы можем перенести сопротивление нагрузки из цепи вторичной обмотки трансформатора в цепь первичной.
В нашем случае коэффициент трансформации равен 1. При этом эквивалентное приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки оказывается включенным параллельно реактивному сопротивлению первичной обмотки
При этом, в данном случае, ток первичной цепи не изменится и будет по прежнему определяться емкостным сопротивлением балластного конденсатора.
Поэтому напряжение на первичной (и вторичной) обмотке под нагрузкой снизится.
Что позволяет определить максимальный ток нагрузки для заданных пределов допустимого изменения выходного напряжения. Минимальное эквивалентное сопротивление параллельно включенных реактивного сопротивления обмотки и приведенного к первичной обмотке сопротивления нагрузки
Теперь мы можем определить минимальное сопротивление нагрузки, что соответствует максимальному току нагрузки.
Вспомним наш пример расчета (для емкости 0.47 мкФ) и зададим, минимальное напряжение под нагрузкой не должно быть менее 6 В. Тогда минимальное эквивалентное сопротивление должно быть не меньше
Rэкв=206*6 / 7=177 Ом
Что соответствует сопротивлению нагрузки
Rн=177*206 / (206-177) = 1.26 кОм
При напряжении 6 В ток нагрузки составит 4.76 мА. Таким образом, при емкости балластного конденсатора 0.47 мкФ наш делитель сможет отдавать в нагрузку не более 4.76 мА, а выходное напряжение будет в пределах от 6 до 7 В.
Если такой ток нагрузки недостаточен, нужно увеличивать емкость балластного конденсатора или расширять допустимый диапазон напряжений нагрузки.
При выборе емкости балластного конденсатора мы ограничены стандартным рядом емкостей. Поэтому, мы не всегда можем точно попасть в заданный для расчета диапазон. Да точность и не требуется. Просто нужно обеспечить требуемый ток нагрузки с некоторым запасом. Исходя из этого и выбирают емкость балластного конденсатора.
Добавляем выпрямитель
Теперь вернемся к приведенной в начале статьи схеме. Выпрямитель должен быть двухполупериодным, что бы избежать подмагничивания сердечника током нагрузки. Оптимальным вариантом является мостовой выпрямитель.
Для нашего блока питания единственным отличием от классического трансформаторного блока будет ограничение тока заряда емкости фильтра. Но при разумном выборе допустимого тока нагрузки этим отличием можно пренебречь.
Я не буду приводить методику расчета выпрямителей, так как она достаточно стандартна и многократно описана. Но может иметь смысл несколько увеличить емкость конденсатора фильтра полученную при расчете выпрямителя.
Добавляем стабилитрон
Добавление в схему стабилитрона, так как это показано на рисунке в начале статьи, существенно изменяет режим работы схемы. Его сопротивление изменяется нелинейно, что сильно усложняет расчет. Кроме того, в документации на стабилитроны редко приводится ВАХ в достаточно подробном виде.
Ток через стабилитрон не должен быть меньше минимального тока стабилизации. Минимальный ток через стабилитрон будет протекать при минимальном напряжении питающей сети и максимальном токе нагрузки. Мы можем прибавить ток через стабилитрон к току нагрузки и получить таким образом эквивалентное сопротивление нагрузки и стабилитрона.
Максимальный ток через стабилитрон будет протекать при отсутствии нагрузки и максимальном напряжении питающей сети. Весь ток, который ранее протекал через нагрузку и стабилитрон, будет протекать только через стабилитрон. Таким образом, ток через вторичную, а значит, и первичную, обмотку останется неизменным.
Для идеального стабилитрона напряжение не нагрузке не изменится. Однако, для реального стабилитрона рост тока вызовет и рост напряжения стабилизации. Таким образом, напряжение на первичной обмотке нельзя считать неизменным при изменении тока нагрузки от минимального до максимального.
Однако, изменение напряжения стабилизации будет гораздо меньше, чем собственно напряжение стабилизации. А это позволяет, с определенной погрешностью, считать напряжение на нагрузке, а значит и напряжения на вторичной и первичной обмотках трансформатора неизменными.
То есть, добавление в схему стабилитрона приводит к стабилизации режима работы блока питания в целом. При этом, для такого простейшего варианта включения, коэффициент стабилизации будет довольно низким.
Теперь расчет блока нужно выполнять не с расчета трансформатора и первичной цепи, а со стороны нагрузки. Сначала задают требуемое выходное постоянное напряжение и ток нагрузки. Затем выбирают стабилитрон и получают таким образом минимальный ток стабилизации и максимальный. Причем максимальный ток через стабилитрон может указываться не явно, а через максимальную рассеиваемую стабилитроном мощность.
Теперь можно рассчитать эквивалентное сопротивление нагрузки
Здесь Iн это максимальный ток нагрузки, а Iст минимальный ток через стабилитрон. Это эквивалентное сопротивление будет включено параллельно индуктивному сопротивлению первичной обмотки.
На диодах мостового выпрямителя падение напряжения составляет удвоенное прямое напряжение для одного диода (Uf). Uf можно найти по ВАХ диода для тока Iн+Iст. Но в большинстве случаев будет допустимым считать, что падение напряжения на мостовом выпрямителе составляет 1.6-2 В для кремниевых диодов. Это позволяет определить минимальное напряжение на первичной обмотке трансформатора.
Ток через балластный конденсатор должен создавать на XL || Rэкв падение напряжения равное U1
Откуда можно найти XL и требуемую индуктивность обмотки.
Давайте для примера рассчитаем блок питания с выходным напряжением 9 В при токе 15 мА. Будем использовать стабилитрон BZV55C9V1 который имеет напряжение стабилизации от 8.5 В до 9.6 В при токе 5мА. Мощность стабилитрона ограничена 0.5 Вт, что дает максимальный ток через стабилитрон 0.5/9.1=55 мА.
Принимаем минимальный ток через стабилитрон равным 5 мА. С учетом тока нагрузки это дает максимальный ток через стабилитрон 20 мА при отключенной нагрузке. Для выбранного стабилитрона такой ток является допустимым, причем с большим запасом.
Рассчитываем эквивалентное сопротивление нагрузки
Rэкв = 9 / (0,015 + 0.005) = 450 Ом
Требуемое напряжение на первичной обмотке
U1 = 9 + 2 = 11 В
Можно предусмотреть небольшой запас, так как и трансформатор будет не идеальным, и напряжение стабилизации немного превышает 9 В, и напряжение сети может изменяться. Но в данном примере я не буду этого делать.
Требуемый ток нагрузки может обеспечить балластный конденсатор 0.47 мкФ, но индуктивность первичной обмотки при этом получится слишком большой. Поэтому выбираем емкость балластного конденсатора 1 мкФ. Его реактивное сопротивление будет равно
XC = 1 / (2*3.14*50*0.000001) = 3184 Ом
Теперь мы можем рассчитать требуемое эквивалентное реактивное сопротивление первичной обмотки с параллельно включенным сопротивлением нагрузки
XL || Rэкв = 11*3184 / 230 = 152 Ом
И получить необходимую индуктивность первичной обмотки
XL = 152*450 / (450-152) = 230 ом
L = 230 / (2*3.14*50) = 732 мГн
А теперь, ради интереса, рассчитаем количество витков обмоток для сердечника B64290L0045X038. Это кольцевой сердечник из феррита T38 с магнитной проницаемостью 10000 и размерами 16х9.6х6.3 мм (размеры с учетом покрытия 17.2х8.5х7.3 мм). Параметр Al для этого сердечника равен 6440 +- 30% нГн. Получим, что каждая обмотка должна иметь 337 витков.
Скорее всего, обмотки на этот сердечник не поместятся. Особенно, с учетом необходимой изоляции между обмотками. Поэтому придется или выбрать сердечник с большей площадью окна (и пересчитать количество витков) или балластный конденсатор большей емкости (и пересчитать трансформатор полностью).
Однако, для меньшего выходного напряжения этот магнитопровод может оказаться вполне подходящим.
Заключение
Расчет нашего блока питания, как и рассказ о расчете трансформаторных блоков питания с балластным конденсатором закончен. Как хорошо видно, в расчете нет ничего сложного и вполне достаточно знаний из школьного курса физики.
Конечно, блок питания по приведенной в начале статьи схеме не обладает сколь нибудь высокими параметрами. Он простой, меньше по размерам, чем просто трансформаторный блок питания (во всяком случае, в былые времена), легче, изолирован от сети, линейный, его может изготовить любой новичек. В общем то, это и все.
Параметры блока можно несколько улучшить
Но в целом, время подобных блоков питания ушло. Их расчет, с учебной точки зрения, полезен. Собственно, поэтому и появилась данная статья. Ретроспективно-учебная. С налетом ностальгии по былым временам....
