21 ноября 2020
3 минуты на чтение
Да, штука опасная. Руками, то, что питается, трогать нельзя. Если нагрузка присоединяется иногда и временно, как например, зарядное устройство, то его делают таким, чтобы пальцами было нельзя дотянуться до оголенных проводов или контактов.
Но, как говорят, если нельзя, но очень хочется, то... Переменный ток величиной более 10...15мА на некоторых людей действует так, что человек не может разжать пальцы. Стоит подумать, а надо ли делать бестрансформаторные устройства на больший ток? Подумали, решили продолжить. Попробуем уменьшить вероятный ущерб от конструкции. Запомним несколько правил:
1) элемент ограничения тока должен быть первым на пути тока от розетки к нагрузке, лучше, если он размещен прямо в вилке;
2) то, что подключено к питающему устройству, не должно иметь снаружи проводящих ток элементов;
3) питающее устройство должно быть рассчитано на продолжительную работу для тех кто иногда забывает что-нибудь отключить;
4)короткое замыкание в нагрузке не должно выводить из строя питающее устройство.
В заметке будем больше обращать внимание не на то, что получается в результате наших опытов, а на то, почему получается так, а не иначе.
Для изготовления устройства применяют балласт, который может быть активным (резистор) или реактивным (конденсатор). Под слаботочной нагрузкой будем понимать нагрузку, требующую для работы десятки миллиампер. В заметке предполагается провести сравнение вариантов, поэтому положим, что надо получить от сети ~220В постоянное напряжение 5В и максимальный ток 10мА с балластом одинаковых габаритов и разными типами стабилизаторов - параметрическим и интегральным, на одинаковое выходное напряжение =5В. Чтобы снабдить заметку наглядным материалом, я воспользовался программой PROTEUS? позволяющей симулировать работу электрических и электронных цепей и устройств. На рисунках будут размещены элементы, не необходимые для работы описываемых схем, но нужные для симуляции процессов впрограмме PROTEUS.
Сначала рассмотрим резистор в качестве балласта и параметрический стабилизатор (стабилитрон), например BZX84C5V1, в корпусе SOT23. Смотрим его параметры - точность 5% и предельная мощность рассеивания тепла 0,25 Вт. Чтобы стабилитрон не выходил из режима стабилизации, мы должны обеспечить прохождение через него тока даже тогда, когда нагрузка заберет себе те 10 мА, которые мы ей пообещали.
Дадим стабилитрону I z=11 мА. По закону ома найдем величину балластного резистора Rz для напряжения сети Um=230V, как Rz=Um/Iz = 230/ 0.011= 20909. Ближайшее значение из ряда 5% это 20кОм. Рядом есть и 22кОм, но это приведет к уменьшению выбранного нами тока. Мощность, которая будет нагревать стабилитрон, найдется из произведения напряжения стабилизации 5.1В и тока 11 мА, итого 0,056 Вт, что меньше допустимых паспортных 0.25 Вт. Он останется холодным. Почему умножаем именно на 11 мА? Потому, что если нагрузка отключена, весь ток «съест» стабилитрон.
Мощность, которую придется рассеять резистору найдем как квадрат тока, умноженный на его сопротивление Pr=0.011^2*20000= 2,42 Вт. Возьмем 2 резистора МЛТ2 по 10 кОм, которые с запасом (4 Вт) могут рассеять эту мощность. Для компенсации провалов тока в момент, когда сетевое напряжение переходит через 0, параллельно стабилитрону подключим конденсатор С1(рис.1). На этой схеме в качестве нагрузки установлен резистор 500 Ом, для обеспечения 10 мА тока. Для снижения пульсаций установим конденсатор С1 емкостью 47мкФ на напряжение более 5,1В, например, на 6,3В. Большего напряжения, чем на стабилитроне, на конденсаторе не будет.
Рис1. Параметрический стабилизатор 5В, с конденсатором фильтра 47мкФ. Желтый луч - выходное напряжение, красный луч - напряжение пульсаций, усиленное в 10 раз
Смотрим на осциллограмму и видим: получилось не очень хорошо - пульсации велики. Попробуем увеличить емкость сразу в 10 раз (рис.2).
Рис.2. График выходного напряжения для схемы на рис.1, но с конденсатором фильтра 470 мкФ.
На графике рис.2 видим существенное улучшение стабилизации напряжения. И дальше можем увеличивать емкость фильтра, но уменьшение пульсаций будет расти медленнее, чем габариты конденсатора фильтра. Выход есть. Можно применить «суперконденсатор» - так называют ионистор, разновидность полярного конденсатора. Наиболее удачное приобретение это ионистор для фотовспышек (рис.3), он имеет очень малое внутреннее
Рис. 3 Ионистор 5.5 V 0.47Ф 21х14х3 мм
сопротивление, а значит, может отдать после заряда большой ток. Ионисторы в десятки раз компактнее электролитических конденсаторов, но имеют недостаток - существенно более низкое рабочее напряжение и требуют балансировки элементов. Впрочем, балансировка может быть очень простой и дешевой – пара резисторов типоразмера 0805. Этот ионистор сразу в 1000 раз более емкий, чем конденсатор в схеме рис.2.
Резистор, как видим, справляется с задачей, но греется. При его небольших размерах мощность более 2-х Вт весьма ощутима на ощупь. Например,10 Вт - уже паяльник, хоть и маленький. Если мы его заменим конденсатором, нагреваться будет нечему - реактивная мощность не приводит к нагреву.
Величина емкости С2 для частоты f=50 Гц, соответствующая сопротивлению Xc=20 кОм равна примерно 0,16 мкФ (Xc = 1/2/pi/f/c). Из ряда Е6 (20% точность, встречается чаще других) наиболее подходящий 0.22 мкФ. Рабочее напряжение следует выбрать не менее 400В. Этот номинал обеспечит заведомо больший ток, что несколько улучшит стабильность напряжения и это не приведет к дополнительному нагреву!
Чтобы улучшить параметры стабилизации дальше рассмотрим работу дешевого интегрального стабилизатора в аналогичных условиях. Заметим сразу, что интегральный стабилизатор потребует немного дополнительной мощности для своей работы, но обеспечит более высокую стабильность выходного напряжения. На рис.4 приведена схема включения стабилизатора с балластной
емкостью С2=0.22 мкФ. На осциллограмме выходного напряжения видим провалы, что говорит нам о том, что параметры входного напряжения не соответствуют требованиям нагрузки. Что делать?
Рис.4. Интегральный стабилизатор с балластной емкостью С2=0.22 мкФ, и конденсатором фильтра С1=10 мкФ. Желтый луч - входное, красный луч - выходное напряжение стабилизатора.
В начале кажется, что достаточно увеличить емкость конденсатора фильтра и у нас запляшут лес и горы. Увеличим емкость конденсатора с 10 мкФ. сразу до 100 мкФ. Смотрим на осциллограмму (рис.5). Резкие провалы выходного напряжения исчезли, но появилось что-то похожее на синусоиду и на входе и на выходе регулятора. Как это понять?
Рис 5. Интегральный стабилизатор с балластной емкостью С2=0.22 мкФ, и конденсатором фильтра С1=100 мкФ. Желтый луч - входное, красный луч - выходное напряжение стабилизатора.
Перейдем от размышлений к делу. Внесем изменения в схему, а потом разберемся что это и почему так, а не иначе. Вернем назад номинал конденсатора фильтра 10 мкФ, но немного увеличим емкость балластного конденсатора с 0.22 до 0.23 мкФ. (Рис.6).
Рис.6. Интегральный стабилизатор с балластной емкостью С2=0.23 мкФ, и конденсатором фильтра С1=10 мкФ. Желтый луч - входное, красный луч - выходное напряжение стабилизатора.
Видим, что конденсатор фильтра как будто бы и не нужен, выходное напряжение идеальное, конечно, в пределах характеристик выбранного недорогого регулятора 78L05. А дело в том, что выходной ток вместе с током потребления регулятора оказался больше, чем мы ожидали и балластная емкость не могла его обеспечить. Мы немного ее увеличили, увеличился ток, а в результате и напряжение на входе выросло.
А о чем нам рассказал график, приведенный на рис.5? На нем видно, что для обеспечения нормальной работы регулятора входное напряжение мало. Расстояние между красным и желтым графиком указывает на необходимый минимум напряжения на входе для обеспечения стабильного напряжения на выходе регулятора. На графике рис.6 видим, что после увеличения емкости балластного конденсатора С2 с 0.22 до 0.23 мкФ., вследствие роста тока через него выросло напряжение на входе регулятора. Оно как было, так и осталось пульсирующим, но стало всегда выше минимально необходимого для данного типа регулятора. Минимальное напряжение между входом и выходом регуляторов обязательно приводится в паспортах. К примеру, есть так называемые LDO - регуляторы (LowDropOut - низкое падение выхода, англ.), где напряжение между входом и выходом может составить доли вольта, например, 0.2В.
А что до емкости С1 - действительно, емкость на входе регулятора 78L05 не имеет существенного значения, но иногда требуется для стабильной работы микросхемы регулятора -микросхема может превратиться из стабилизатора в генератор. Об этом необходимо справиться в паспорте на подобные регуляторы некоторых производителей.
В заключении заметки надо рассказать о других деталях, видных на схемах. Как известно, в электрических схемах не должно быть деталей-паразитов. Если есть деталь, значит нужна. Если есть и не нужна - заплатил за воздух.
Резистор, установленный параллельно балластному конденсатору С2 служит для его разряда. Конденсаторы с твердым диэлектриком могут хранить заряд дни, недели и месяцы. Вот вы выключили из сети устройство в момент прохождения синусоиды напряжения через максимум. Можно схватиться за выводы, а там 320В! Неприятность. Вторая неприятность тут же следует сразу за первой. Включили устройство в сеть в момент, когда напряжение в розетке снова в максимальной точке. Редко, но обязательно случится. И вот вам на нагрузке уже не 320 а 640 вольт. Да, на миллисекунды, но оно ваше. Так что лучше разряжать такие конденсаторы при выключении из сети. Величину резистора можно оценить через постоянную времени t разряда цепочки С2R2: t=C2*R2. Например, для сопротивления 100кОм и емкости 0.22мкФ постоянная времени разряда равна 0.022 с. За 0.1 с конденсатор разрядится практически до нуля. Рабочее напряжение резистора должно быть больше амплитудной величины напряжения сети (320В). Резистор R2 на 100кОм при напряжении 220В должен будет рассеять около 0.5 Вт тепла (P=I^2*R). Полезно увеличить его сопротивление до 200...300 кОм, заодно и уменьшится тепловыделение на нем.
На схеме также найдете еще один стабилизатор, уже параметрический. Он установлен для предотвращения выхода их строя регулятора 78L05. В паспорте на регулятор вы можете найти максимально допустимое напряжение на входе - 35В. Про минимальное мы уже поняли, ну а максимальное ограничит этот стабилитрон. Его напряжение стабилизации должно быть выше, чем минимально допустимое напряжение на входе регулятора. Обычно его находят, как сумму выходного напряжения и падения напряжения на регуляторе. Падение напряжения на дешевых регуляторах обычно находится в пределах 2...3 В. Следовательно, стабилитрон должен быть рассчитан на напряжение не менее 8...10 В. Это напряжение следует учитывать при выборе конденсатора С1 на входе регулятора, если конденсатор необходим по техническому описанию на регулятор.
Другие детали, как трансформатор и некий резистор за пределами схемы нужны только для правильной работы осциллографа симулятора PROTEUS. Если бы не осциллограммы, ни трансформатор ни резистор для нормальной работы схемы не нужны. Кстати об этом трансформаторе. У него коэффициент трансформации выбран 1:1 и большая мощность, чтобы не искажать результат моделирования.
Используя данные, приведенные в заметке вы можете рассчитать свой стабилизатор. Не забывайте про тепловыделение, предельные токи и напряжения для всех элементов! Успехов, и будьте осторожны с бестрансформаторным питанием. Заметили ошибку - прошу на нее указать (за спасибу).