Начинающие радиолюбители для своих первых самоделок, как правило, используют питание от гальванических элементов. Однако, для стационарной аппаратуры разумнее использовать питание от бытовой электрической сети 220В. И в этом случае возникает вопрос согласования высокого напряжения сети и низкого напряжения, требуемого для большинства схем. Как его решить?
Подключение низковольтных схем к сети
В большинстве промышленных изделий второй половины XX века для питания низковольтной аппаратуры использовались понижающие трансформаторы. Главный их недостаток – массогабариты, снизить которые затруднительно из-за низкой частоты сети.
С конца 90х годов XX века стали появляться источники питания с преобразованием частоты – сетевое напряжение сперва преобразовывалось в высокое напряжение высокой частоты, понижающий трансформатор для которого имел небольшие размеры. Например, все компьютерные блоки питания выполнены по этому принципу.
Однако, такие источники питания требуют довольно сложной управляющей схемы, что далеко не всегда приемлемо в любительских конструкциях. Вот, например, типичная «начинка» компьютерного блока питания:
Силовой трансформатор занимает не более 10% пространства – он здесь находится между двумя радиаторами, оклеен жёлтой лентой с маркировкой. «Обычный» понижающий сетевой трансформатор такой мощности занял бы все отведённое пространство, а ведь кроме трансформатора в блоке питания нужен выпрямитель и стабилизатор, конденсаторы в котором также требуют довольно много места.
А есть ли другие варианты подключения низковольтной схемы к осветительной сети, которые были бы не так сложны, и при этом невелики?
Да, такой вариант есть.
Низковольтный потребитель можно подключить к высокому напряжению, но не напрямую, а последовательно через элемент, на котором бы падало «лишнее» напряжение. Естественным решением был бы обычный резистор. Но, на таком резисторе будет теряться значительная активная мощность, которую, к тому же, надо рассеять. Скажем, даже если для потребителя необходим ток 10 мА при напряжении 12в, резистор будет рассеивать 2 Вт, что достаточно много.
Гасящий конденсатор.
К счастью, ток осветительной сети переменный. А на переменном токе есть элементы, которые создают падение напряжения, не рассеивая активную мощность. Такими элементами являются дроссель и конденсатор. Дроссель, как и понижающий трансформатор, на низкой частоте имеет немалые габариты. Поэтому более приемлемым решением в любительской практике может быть конденсатор. Схема подключения получается очень простой:
Если нагрузка Rн линейна (допустим, это нагревательный элемент), и требует действующего напряжения Uн, то для расчёта ёмкости может использоваться формула (любая из трех, Iн - ток нагрузки, Uc - напряжение сети):
Если используется обычная осветительная сеть 220в 50Гц, то формулу можно упростить:
Например, паяльник мощностью 20Вт, рассчитанный на 36В, имеет сопротивление спирали 65 Ом. Следовательно, чтобы он нормально работал от сети переменного тока, его надо подключить через конденсатор 8 мкФ.
Более сложный случай – нелинейная нагрузка.
Например, выпрямитель с последующим стабилизатором:
Токи в такой схеме могут иметь форму, далёкую от синусоидальной, и точный расчёт такой схемы значительно сложнее. Однако, для радиолюбительской практики достаточно упрощённого расчёта, задаваясь общим током нагрузки, равным сумме тока нагрузки и тока стабилитрона (Iн.общ = Iст + Iн), тогда:
Например, если требуется напряжение стабилизации 12В при токе нагрузки 10 мА и токе стабилитрона 5 мА, то необходим конденсатор 0,2 мкФ.
Помним о мерах предосторожности!
В заключение необходимо отметить важные особенности схемы с гасящим конденсатором.
Главное – в такой схеме есть непосредственная гальваническая связь с сетевым напряжением. Поэтому особое внимание следует уделить изоляции и опасности поражения электрическим током.
Важно также, что, хотя на конденсаторе в установившемся режиме напряжение не превышает полуторной величины гасящего напряжения, тем не менее, в начальные моменты напряжение на конденсаторе может достигать полного амплитудного значения (311В для стандартной сети 220В), и конденсатор должен быть рассчитан на такую нагрузку.
Более того, это напряжение может остаться на конденсаторе в момент выключения и далее достаточно долго сохраняться. Поэтому рекомендуется параллельно гасящему конденсатору ставить резистор порядка сотен килоом для разряда (R1) :
Резюмируя, можно отметить, что подключение к сети 220В с "гасящим" конденсатором разумно для устройств, работающих в долговременном режиме, и при этом потребляющих малый ток, например, схемы сигнализации, измерения или дежурного контроля.