Трансформаторный блок питания имеет значительные габариты и массу, которые определяются размерами и весом силового трансформатора. Эта проблема решается применением импульсного источника питания, но он имеет сложную схемотехнику, затрудняющую его создание и ремонт. В некоторых случаях можно использовать бестрансформаторные источники питания – при всех присущих им недостатках, они закрывают некоторые ниши электроснабжения потребителей.
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.
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.
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.
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.
| Ток нагрузки, А | 0,25 | 0,5 | 0,75 | 0,95 | 1 | 1,05 |
| Напряжение на балласте, В | 52 | 104 | 156 | 198 | 208 | 218,4 |
| На нагрузке, В | 168 | 116 | 64 | 22 | 12 | 1,6 |
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
Примеры схем бестрансформаторных источников питания
Обычно для питания низковольтных потребителей требуется постоянное напряжение, поэтому в качестве нагрузки используется выпрямитель, сглаживающий фильтр и собственно потребитель. Схема может выглядеть так.
При расчете надо принять во внимание, что диоды и конденсатор активной мощности практически не потребляют, поэтому на ток они не влияют. Но надо учитывать, что на каждом диоде падает напряжение – для кремниевых вентилей около 0,6 вольт. Ток в каждом полупериоде идет через нагрузку и два диода, поэтому надо предусмотреть запас в 1,2..1,5 вольт, чтобы на нагрузке получить требуемый уровень.
Главный недостаток такой схемы уже назван – зависимость выходного напряжения от нагрузки даже при стабильном входном. Поэтому такая схемотехника применяется только при неизменном потребляемом токе. Для улучшения характеристик можно дополнить эту схему стабилизатором напряжения (линейным или импульсным), соблюдая ограничения для такого построения.
Для маломощных потребителей, потребляющих токи до 500 мА, можно построить источник питания на параметрическом стабилизаторе со стабилитроном. Расчет такого стабилизатора выходит за рамки обзора, для этого можно воспользоваться онлайн-калькуляторами.
Если применять вместо резистора конденсатор, лучше добавить еще пару элементов:
- резистор R1 сопротивлением в несколько Ом ограничит начальный бросок тока на зарядку конденсатора в момент включения БП;
- резистор R2 в несколько сотен килоом разрядит конденсатор после выключения, что снизит вероятность поражения электрическим током при ремонте.
В целом с точки зрения безопасности вариант с гасящим конденсатором хуже. При выходе из строя у резистора обычно сгорает проводящий слой, и цепь размыкается. У конденсатора часто пробивается диэлектрик, при этом он замыкается накоротко, полное напряжение сети прикладывается к нагрузке.
Еще лучше с точки зрения стабильности выходного напряжения применить полностью емкостный делитель. Изменение нагрузки в этом случае вызывает меньшее изменение тока через оба конденсатора, что влечет меньшее изменение параметров питания.
Практическая схема, построенная по такому принципу, приведена на рисунке. Ее выходной уровень – 5 вольт.
При выборе конденсатора 10 мкФ на 350 вольт надо иметь в виду, что в теории на нем тепло не рассеивается. На практике все зависит от качества диэлектрика, примененного в элементе. Поэтому конденсатор надо предварительно проверить – включить его под сетевое напряжение и выдержать около часа. Если элемент почти не нагрелся, его можно применить в данной схеме. В противном случае лучше найти другой.
Несмотря на все недостатки, бестрансформаторные блоки питания вполне применимы для питания потребителей с неизменными или малоизменяющимися параметры. Но надо помнить о повышенных мерах безопасности, чтобы избежать неприятностей.
