Схемы бестрансформаторных зарядных устройств
В настоящее время все более широкое применение в различных конструкциях в качестве элементов питания находят аккумуляторы НКГЦ-0,45, Д-0,26 и другие. Приведенное на рис. 5.11 бестрансформаторное зарядное устройство позволяет заряжать одновременно четыре аккумулятора Д-0,26 током 26 мА в течение 12… 16 часое.
Избыточное напряжение сети 220 В гасится за счет реактивного сопротивления конденсаторов (Хс) на частоте 50 Гц, что позволяет уменьшить габариты зарядного устройства.
Используя эту электрическую схему и зная рекомендуемый для конкретного типа аккумуляторов ток заряда (1з), по приводимым ниже формулам можно определить емкость конденсаторов С1, С2 (суммарную С=С1 +С2) и выбрать по справочнику тип стабилитрона VD2 так, чтобы напряжение его стабилизации превышало напряжение заряженных аккумуляторов примерно на 0,7 В.
Тип стабилитрона зависит только от количества одновременно заряжаемых аккумуляторов, так, например, для заряда трех элементов Д-0,26 или НКГЦ-0,45 необходимо применять стабилитрон VD2 типа КС456А.
Пример расчета приведен для аккумуляторов Д-0,26 с зарядным током 26 мА.
В зарядном устройстве применяются резисторы типа МЯТ или С2-23, конденсаторы С1 и С2 типа К73-17В на рабочее напряжение 400 В. Резистор R1 может иметь номинал 330…620 кОм (он обеспечивает разряд конденсаторов после отключения устройства).
Светодиод HL1 можно использовать любой, при этом подобрав резистор R3 так, чтобы он светился достаточно ярко. Диодная матрица VD1 заменяется четырьмя диодами КД102А.
Топология печатной платы с расположением элементов пока зана на рис. 5.12. Плата односторонняя (без отверстий), и элементы устанавливаются со стороны печатных проводников.
При использовании элементов, указанных на схеме, зарядное устройство легко устанавливается в корпусе от блоков питания для карманных микрокалькуляторов (рис. 5.13) или же может размещаться внутри корпуса устройства, где установлены аккумуляторы.
Индикация наличия напряжения в цепи заряда осуществляется светодио-дом HL1, который размещается на видном месте корпуса.
Диод VD3 лозво-ляет предохранить разряд аккумуляторов через цепи зарядного устройства при отключении его от сети 220 В. При заряде аккумуляторов НКГЦ-0,45 током 45 мА резистор R3 необходимо уменьшить до величины, при которой светодиод светится полной яркостью.
Проверку зарядного устройства лучше проводить при подключении вместо аккумуляторов измерительных приборов и эквивалентной нагрузки (рис. 5.14), минимальная величина которой для четырех аккумуляторов определяется по закону Ома:
R = U/I = 4/0,026 =150 Ом, где
U — напряжение на разряженных аккумуляторах (у основной массы аккумуляторов эта величина составляет один вольт на элемент).
При пользовании зарядным устройством необходимо следить за временем, так как приведенная схема хотя и снижает вероятность получения аккумулятором избыточного заряда (за счет ограничения напряжения стабилитроном), однако полностью такой возможности, при очень большом времени заряда, не исключает. А если у вас нет проблем с памятью, то это простое и малогабаритное устройство поможет сэкономить деньги.
Вторая схема бестрансформаторного зарядного устройства (рис. 5.15) предназначена для одновременного заряда двух аккумуляторов типа НКГЦ-0,45 (НКГЦ-0,5). Здесь обеспечивается асимметричный режим заряда, что позволяет продлить срок службы аккумуляторов. Заряд производится током 40…45 мА в течение одной полуволны сетевого напряжения.
В течение второй полуволны, когда соответствующий диод закрыт, элемент G1 (G2) разряжается через резистор R4 (R5) током 4,5 мА. оставлять подключенными к схеме, надолго без включения зарядного устройства в сеть, так как при этом происходит их разряд через резисторы R4, R5.
При правильной сборке устройства настройка не требуется.
Заряд аккумуляторов G1 и G2 происходит поочередно, так, например, в течение положительной полуволны заряжается G1 (G2 — разряжается). Такое построение схемы позволяет осуществлять процесс заряда аккумуляторов в независимости друг от друга, и любая неисправность одного из них не нарушит заряд другого.
Для индикации наличия сетевого напряжения в схеме используется миниатюрная лампа HL1 типа СМН6.3-20 или аналогичная. Аккумуляторы нельзя оставлять подключенными к схеме, надолго без включения зарядного устройства в сеть, так как при этом происходит их разряд через резисторы R4, R5.
При правильной сборке устройства настройка не требуется.
Схема, показанная на рис. 5.16, в отличие от вышеприведенных, исключает повреждение аккумуляторов из-за получения ими избыточного заряда. Она автоматически отключает процесс заряда при повышении напряжения на элементах выше допустимой величины и состоит из стабилизатора тока на транзисторе VT2, усилителя VT1, детектора уровня напряжения на VT3 и стабилизатора напряжения D1.
Устройство может использоваться и как источник питания на ток до 100 мА при подключении нагрузки к контактам 1 и 2 штекера Х2.
Индикатором процесса заряда является свечение светодиода HL1, который при его окончании гаснет.
Настройку устройства начинаем со стабилизатора тока.
Для этого временно замыкаем базу транзистора VT3 на общий провод, а вместо аккумуляторов подключаем эквивалентную нагрузку с миллиамперметром 0…100 мА. Контролируя прибором ток в нагрузке, подбором резистора R3 устанавливаем номинальный ток заряда для конкретного типа аккумуляторов.
Вторым этапом настройки является уотановка уровня ограничения выходного напряжения с помощью подстроечного резистора R5. Для этого, контролируя напряжение на нагрузке, увеличиваем сопротивление нагрузки до момента появления максимально допустимого напряжения (5,8 В для четырех аккумуляторов Д-0,26). Резистором R5 добиваемся отключения тока в нагрузке (погаснет светодиод).
При изготовлении устройства можно использовать корпус от источника питания БП2-3 или аналогичный (от него же удобно взять и трансформатор). Трансформатор подойдет любой малогабаритный с напряжением во вторичной обмотке 12…16 В.
Транзистор VT2 крепится к теплорассеивающей пластине. Конденсаторы С1 применяются типа К50-16-25В, С2 — типа К50-16-16В.
Для удобства настройки в качестве R5 желательно использовать многооборотный резистор типа СП5-2 или аналогичный, остальные резисторы подойдут любого типа.
От источника питания можно получить напряжения 6 или 9 В, если на место микросхемы D1 установить соответственно КР142ЕН5Б (Г) или КР142ЕН8А (Г).
Бестрансформаторное зарядное устройство для аккумулятора
Стремясь к уменьшению габаритов конструируемой радиоаппаратуры, радиолюбители уделяют важное место миниатюризации блока питания. Обычно эту задачу решают с помощью импульсного преобразователя напряжения.
Между тем существенный прогресс в области электронных компонентов позволяет создавать малогабаритные блоки питания, не содержащие трансформатора. Относительная простота конструкции и доступность компонентов делают их привлекательными и для радиолюбителей.
Впервые подобное техническое решение предложил Л. М. Браславский из Новосибирского электротехнического института еще в 1972 г., подав заявку на изобретение.
Оно оказалось столь оригинальным и неочевидным для специалистов, что ВНИИГПЭ проводил экспертизу по заявке целых шесть лет и только в 1978 г. выдал авторское свидетельство. Позже были запатентованы и другие решения, позволяющие реализовывать конденсаторные блоки питания. с несколькими выходными напряжениями и их стабилизацию.
Эти решения имеют много общего с устройствами, использующими переключаемые конденсаторы, достаточно популярными в зарубежной схемотехнике. Дальнейшим развитием этого направления в нашей стране следует считать преобразователь переменного тока в постоянный с понижением напряжения.
Принцип работы
Упрощенная схема такого устройства изображена на рисунке №1.
Рис. 1. Преобразователь переменного тока в постоянный с понижением напряжения.
Принцип его действия заключается в следующем. В начальный момент времени цепочка конденсаторов С1 — Сn (одинаковой емкости) устройства разряжена. При положительной полуволне сетевого напряжения диоды VD1, VD6-VD8 и VD2 открываются, а диоды VD3-VD5.
..VDn закрываются.
При этом все конденсаторы блока оказываются включенными последовательно и заряжаются напряжением сети до его амплитудного значения. Причем напряжение на каждом из N конденсаторов в силу равенства их емкости в N раз меньше амплитудного напряжения сети и эквивалентная емкость, подключенная к сети, также в N раз меньше эмкости одного конденсатора.
Во второй половине положительного полупериода диоды VD1, VD6-VD8 и VD2 закрываются и на конденсаторах сохраняется накопленный ими электрический заряд.
При отрицательном полупериоде закрываются диоды VD1 и VD2, в результате чего конденсаторный блок оказывается отключенным от сети. В этот момент к выходу блока возможно подключение низковольтной нагрузки Rн путем замыкания контактов электронного переключателя S1.
Теперь диоды VD3-VDn, VD9-VD11 открываются и все заряженные конденсаторы оказываются подключенными к низковольтной нагрузке параллельно, что позволяет получать от блока среднее значение тока разрядки существенно выше зарядного.
Таким образом, блок осуществляет уменьшение напряжения при одновременном увеличении выходного тока.
Так как в первой половине полупериода происходит накопление энергии на конденсаторах, а во второй — ее отдача, то работа конденсаторного блока носит явно выраженный двухтактный характер.
Для сглаживания пульсаций и увеличения среднего значения тока емкость фильтрующего конденсатора Сф должна быть достаточно большой или применен еще один такой же конденсаторный блок, работающий на ту же нагрузку, но в противофазе с первым.
В рассматриваемом ниже устройстве замыкание контактов переключателя S1 происходит с частотой питающей сети, что существенно уменьшает коммутационные потери на них по сравнению с импульсными блоками питания и, кроме того, не предъявляет требований к диодам по быстродействию.
Тем не менее требования по величине обратного напряжения остаются. Так, например, диоды VD1, VD2, VD3 — VDn и VD9 — VD11 должны быть на обратное напряжение выше амплитудного напряжения сети и на средний ток в 2N раз меньше выходного тока.
Все другие диоды могут быть на обратное напряжение в N раз меньше амплитудного сетевого.
Недостатки устройства — отсутствие гальванической развязки от сети и высокое рабочее напряжение транзистора, выполняющего функцию электронного переключателя S1.
Но возможность применения малогабаритных низковольтных оксидных конденсаторов и современных высоковольтных транзисторов обеспечивает сравнимость мощностных показателей конденсаторных блоков питания с импульсными блоками и делает перспективным использование их для разнообразного применения.
Принципиальная схема устройства
Описываемый конденсаторный преобразователь напряжения предназначен для зарядки автомобильных аккумуляторных батарей емкостью до 70 Ач, поэтому максимальный средний выходной ток устройства должен быть 7 А. Эта величина согласована с ограничением переменной составляющей на уровне 20…30% от номинального напряжения для примененных оксидных конденсаторов.
Выпрямительный диод VD38, конденсатор С13 и стабилитроны VD39, VD40 формируют напряжение питания узла управления, осуществляющего синхронизацию работы коммутирующих транзисторов VT2 и VT3 с полярностью напряжения сети и стабилизацию выходного тока.
Работает устройство следующим образом. При положительной полуволне напряжения сети заряжаются блок конденсаторов С1…С12 и накопительный конденсатор питания С13. При отрицательной полуволне включается светодиод оптрона U1, а его фототранзистор, открываясь, шунтирует эмиттерный переход транзистора VT1. Транзистор VT1 закрывается и через резистор R5 подключает неинвертирующий вход ОУ DA1 к выходу конденсаторного блока.
Рис. 2. Принципиальная схема конденсаторного бестрансформаторного зарядного устройства.
Сам же ОУ при этом переключается и открывает транзисторы VT3, VT2 и светодиод оптрона U2. ОУ DA1 работает в компараторном режиме, поэтому его выходной сигнал может принимать только два значения — близкое к напряжению питания и к нулю.
Если напряжение на его инвертирующем входе больше, чем на неинвертирующем, выходное напряжение будет близким к нулю и транзистор VT3 окажется в закрытом состоянии. В противном случае напряжение на выходе ОУ близко к напряжению питания, транзистор VT3 открывается, а через резистор R10 — транзистор VT2 и оптрон U2.
Входным сигналом для стабилизации выходного тока служит напряжение на конденсаторном блоке. Таким образом, изменение напряжения на конденсаторном блоке (его уменьшение) прямо пропорционально отданному в нагрузку заряду, поэтому, стабилизируя отдаваемый конденсаторным блоком заряд за время единичного цикла разрядки, устройство стабилизирует выходной ток. Его значение регулируют резистором R7.
После закрывания транзистора VT1 напряжение с конденсаторного блока поступает на неинвертирующий вход ОУ DA1 и сравнивается с образцовым, поступающим на инвертирующий вход с делителя R6…R8. Когда напряжение на конденсаторном блоке становится меньше образцового, ОУ DA1 переключается в нулевое состояние и закрывает транзистор VT3, а через него (ц нагрузку устройства) — и фотодинистор оптрона U2.
Если по каким-либо причинам напряжение на конденсаторном блоке не снизилось до образцового (т.е. в нагрузку не ушел заряд, определяемый положением движка резистора R7), а время, отведенное на разрядку, закончилось, работа блока для предотвращения попадания сетевого напряжения на выход устройства организована так.
Напряжение отрицательной полуволны сети снижается до выключения светодиода оптрона U1 и, следовательно, закрыванию его фототранзистора.
Это приводит к открыванию транзистора VT1, шунтированию им неинвертирующего входа и переключению компаратора DA1 и, как следствие, закрыванию транзисторов VT3, VT2 еще до появления положительной полуволны сетевого напряжения. Таким образом, происходит принудительная синхронизация узла стабилизации тока с полярностью напряжения сети. Оптрон U2 необходим лишь как улучшающий безопасность и во встраиваемых блоках питания может отсутствовать.
Зарядка аккумуляторной батареи длится сравнительно долго и требует определенного контроля. Поэтому в устройстве предусмотрена возможность автоматического отключения заряжаемой батареи при напряжении на ней 14,2… 14,4 В. Функцию порогового элемента отключения полностью заряженной батареи выполняет электромагнитное реле К1 (РЭС10), срабатывающее при напряжении около 10,5 В.
Реле подключено к выходным зажимам Х2 и Х3 через проволочный подстроечный резистор R11.
Этот резистор вместе с конденсатором С14 образуют фильтр, подавляющий переменную составляющую пульсирующего зарядного напряжения, но пропускающий медленно нарастающую постоянную составляющую напряжения аккумуляторной батареи.
Поэтому при достижении порогового напряжения реле К1 срабатывает и размыкающимися контактами К1.1 отключает питание конденсаторного блока и системы управления.
Сама же обмотка реле остается под напряжением заряжаемой батареи и благодаря наличию гистерезиса выключается при снижении напряжения до 11,8 В. После чего происходит автоматическая подзарядка батареи аккумуляторов. Включение/выключение режима автоматического окончания зарядки осуществляют переключателем SA2.
Детали и компоненты
Применение реле серии РЭС10 обусловлено его малым током потребления и, следовательно, малым током разряда батареи в режиме прекращения зарядки. Маломощные контакты используемого реле отражают и особенности описываемого устройства, связанные с емкостным характером нагрузки.
Поэтому разрыв цепи питания конденсаторного блока происходит без искрения. Применение двух сетевых предохранителей (FU1, FU2) и двухсекционного выключателя SA1 связано с повышенными требованиями электробезопасности из-за отсутствия гальванической развязки устройства от сети.
В конденсаторном блоке возможно применение любых оксидных конденсаторов, но желательно одного типа. В случае использования импортных конденсаторов габариты этого блока можно существенно уменьшить. Диоды блока также могут быть любыми, рассчитанными на такой же ток и обратное напряжение — подойдут даже диоды Д226Б и Д7Ж, но при этом габариты блока и его масса существенно увеличатся.
Оптрон Т0325-12,5-4 заменим на оптрон Т0125-10 или Т0125-12,5 не ниже 4-го класса. Вместо КП706Б (VT3) возможно применение аналогичных отечественных полевых транзисторов или импортного IGBT на такой же ток и напряжение, причем желательно с минимальным сопротивлением канала.
При выборе электромагнитного реле (K1) необходимо учитывать, что паспортное номинальное напряжение примерно в 1,5.
..1,7 раза выше напряжения срабатывания и что напряжение срабатывания может быть несколько различным даже для реле из одной партии.
Возможно применение реле РЭС9, РЭС22, РЭС32 и иных, обладающих достаточно малым потребляемым током, на напряжение срабатывания в пределах 8…12 В. При этом, возможно, придется подобрать резистор R11 и конденсатор С14 с целью эффективного подавления переменной составляющей, предотвращения «дребезга» контактов реле и ложных срабатываний.
Налаживание устройства
Налаживание устройства проводите только при наличии сетевых предохранителей. Перед первым включением обязательно проверьте правильность монтажа и соединений, поскольку ошибки могут привести к выходу из строя большей части деталей и даже взрыву конденсаторов. В порядке страховки конденсаторный блок можно прикрыть коробкой из плотного картона или фанеры.
Правильно собранное устройство начинает работать сразу. Потребуется в основном лишь подборка резисторов R6 и R8 для корректировки диапазона регулировки тока зарядки.
Для этого к выходу блока подключите разряженную батарею аккумуляторов и подборкой резисторов R6 и R8 установите по амперметру РА1 диапазон регулирования зарядного тока резистором R7.
Если при начальном положении движка резистора R7 ток будет отличен от нуля, то нужно уменьшить сопротивление резистора R8. Если же ток зарядки становится равным нулю не в крайнем положении движка R7, сопротивление этого резистора следует увеличить. Далее движок резистора R7 установите в конечное положение. Если теперь ток зарядки окажется меньше максимального, сопротивление резистора R6 придется уменьшить, а если превышает — увеличить.
Рис. 3. Вид готового устройства.
После этого, установив переключатель SA2 в положение «Ручной режим», доведите батарею до полной зарядки, контролируя напряжение на нем вольтметром постоянного тока.
Затем отключите устройство от сети, переведите тумблер SA2 в режим «Авт.», а движок резистора R11 — в положение максимального сопротивления.
Снова подключите устройство к сети и уменьшением сопротивления резистора R11 добейтесь четкого срабатывания реле К1 — устройство готово к эксплуатации.
Внимание! При налаживании и эксплуатации зарядного устройства необходимо помнить об отсутствии гальванической развязки от сети. Следовательно, подключать и отключать его от аккумуляторной батареи можно только при отключенной от сети вилке шнура питания.
Н. Казаков, А. петров, г. Волгоград. Радио 1999/1. стр. 41.
Схема бестрансформаторного источника питания
Генерация постоянного тока низкого напряжения из сети переменного тока 220 В или 110 В очень полезна и необходима в области электроники. Низковольтный постоянный ток, такой как 5 В, 6 В, 9 В, 12 В, используется в электронных схемах, светодиодных лампах, игрушках и многих предметах бытовой электроники. Как правило, для их питания используются батареи, но их необходимо время от времени заменять, что нерентабельно, а также отнимает наше время и энергию.
Таким образом, альтернативой является генерация постоянного тока из сети переменного тока, для чего доступно множество адаптеров переменного тока в постоянный, но какие схемы они используют внутри?
Простым и прямым подходом является использование понижающего трансформатора для понижения напряжения переменного тока, но недостатки использования трансформатора заключаются в его высокой стоимости, большом весе и больших размерах. Мы уже рассмотрели этот тип преобразования переменного тока в постоянный с помощью трансформатора в этой статье «Схема зарядного устройства для сотового телефона». И да, мы также можем преобразовать переменный ток высокого напряжения в постоянный ток низкого напряжения без использования трансформатора, это называется Бестрансформаторный источник питания . Основной компонент Цепь бестрансформаторного источника питания — это Конденсатор с пониженным напряжением или конденсатор X-номинального класса , которые специально разработаны для сети переменного тока.
Этот конденсатор с номиналом X подключен последовательно к фазной линии переменного тока для снижения напряжения. Этот тип бестрансформаторного источника питания называется Конденсаторный источник питания .
Конденсатор X-Rated
Как уже упоминалось, они подключаются последовательно с фазной линией переменного тока для снижения напряжения, они доступны в номиналах 230 В, 400 В, 600 В переменного тока или выше.
Ниже приведена таблица выходного тока и выходного напряжения (без нагрузки) для различных номиналов конденсаторов X-номинала:
Код конденсатора | Значение конденсатора | Напряжение | Текущий |
104к | 0,1 мкФ | 4 в | 8 мА |
334k | 0,33 мкФ | 10 в | 22 мА |
474k | 0,47 мкФ | 12 В | 25 мА |
684k | 0,68 мкФ | 18 в | 100 мА |
105к | 1 мкФ | 24 В | 40 мА |
225к | 2,2 мкФ | 24 В | 100 мА |
Важно выбрать конденсатор, снижающий напряжение, он зависит от реактивного сопротивления конденсатора и количества отбираемого тока.
Реактивное сопротивление конденсатора определяется по формуле ниже:
X = 1/2¶fC
X = Реактивное сопротивление конденсатора
f = Частота переменного тока
C = Емкость конденсатора с номинальным значением X поэтому реактивное сопротивление X равно:
X = 1/2*3,14*50*0,47*10 -6 = 6776 Ом (приблизительно)
Теперь мы можем рассчитать ток (I) в цепи:
I = V/X = 230/6775 = 34 мА
Вот как рассчитываются реактивное сопротивление и ток.
Описание схемы
Схема проста. Понижающий конденсатор 0,47 мкФ подключен последовательно с фазной линией переменного тока, это неполяризованные конденсаторы, поэтому их можно подключать с любой стороны. Резистор 470 кОм подключен параллельно конденсатору, чтобы разрядить накопленный ток в конденсаторе, когда цепь отключена, тем самым предотвратив поражение электрическим током. Это сопротивление называется Сопротивление прокачки .
Дополнительный мостовой выпрямитель (комбинация из 4 диодов) использовался для удаления отрицательной половинной составляющей переменного тока. Этот процесс называется Исправление . Конденсатор 1000 мкФ/50 В использовался для фильтрации , означает устранение пульсаций в результирующей волне. И, наконец, в качестве регулятора напряжения используется стабилитрон 6,2 В/1 Вт. Как мы знаем, эта схема обеспечивает ок. Выход 12 В (см. таблицу выше), поэтому этот стабилитрон регулирует его до прибл. Напряжение 6,2 В и обратный ток. Для желаемого напряжения, такого как 5,1 В, 8 В и т. Д., Также можно использовать стабилитрон с другим значением. Светодиод подключается для индикации и тестирования. R3 (100 Ом) используется как токоограничивающий резистор.
Используйте резистор мощностью 1 Вт или выше (5 Вт), особенно резистор R4. В противном случае он сгорит через некоторое время. Обычно они толще обычного резистора. Ниже приведена схема для различных типов резисторов:
Преимущества этого бестрансформаторного источника питания по сравнению с источником питания на основе трансформатора заключаются в следующем: он экономичнее, легче и меньше.
Примечания
- Делайте это на свой страх и риск, крайне опасно работать с сетью переменного тока без надлежащего опыта и мер предосторожности. Будьте предельно осторожны при построении этой схемы.
- Не заменяйте конденсатор X-Rated обычным конденсатором, иначе он лопнет.
- Если требуется большее выходное напряжение и выходной ток, используйте другое значение конденсатора X-Rated в соответствии с таблицей.
- Используйте только резистор мощностью 1 Вт или выше (5 Вт) и стабилитрон.
- Предохранитель на 1 ампер также можно использовать перед конденсатором с номиналом X, последовательно с фазной линией, в целях безопасности. Регулятор напряжения IC
- также можно использовать вместо стабилитрона для регулирования напряжения.
Шокирующая правда о бестрансформаторных блоках питания
Бестрансформаторные блоки питания часто появляются на Hackaday, особенно в недорогих продуктах, где стоимость трансформатора значительно увеличивает стоимость изделия.
Но бестрансформаторные блоки питания — палка о двух концах. Этот титул? Не кликбейт. Копание в устройстве с бестрансформаторным питанием может превратить ваш осциллограф в дымящуюся кучу или привести к поражению электрическим током, если вы не понимаете их и не принимаете надлежащие меры предосторожности.
Но это не страшилка. Бестрансформаторные конструкции хороши на своем месте, и вы, вероятно, когда-нибудь столкнетесь с ними, потому что они есть во всем, от светодиодных лампочек до переключателей IoT WiFi. Мы собираемся посмотреть, как они работают, и как их проектировать и работать с ними безопасно, потому что вы никогда не знаете, когда вам захочется взломать один из них.
Кульминация: бестрансформаторные блоки питания можно безопасно использовать только в тех случаях, когда все устройство может быть закрыто и никто не может случайно коснуться какой-либо его части. Это означает, что никаких физических электрических соединений внутри и снаружи — РЧ и ИК — честная игра.
И когда вы работаете с ним, вы должны знать, что любая часть схемы может находиться под сетевым напряжением. Теперь читайте дальше, чтобы понять, почему!
The Principle
Бестрансформаторный источник питания (TPS) — это просто делитель напряжения, который берет 115 или 220 В переменного тока от вашей стены и делит его до любого желаемого напряжения. Если это напряжение должно быть постоянным, оно выпрямляется через несколько диодов и, возможно, регулируется до максимального напряжения, но мы доберемся до этого через минуту.
Обычно делители постоянного напряжения состоят из пары резисторов. В совокупности они определяют ток, протекающий по пути, и затем можно выбрать верхний резистор, чтобы уменьшить разницу между входным напряжением и желаемым выходным напряжением. Если в нашем случае эта разница составляет какую-то одну-две сотни вольт, даже если она должна пройти всего несколько десятков миллиампер, этот резистор быстро нагреется.
Лучшим компонентом для использования в верхней части делителя является конденсатор, реактивное сопротивление которого выбирается таким образом, чтобы обеспечить желаемое «сопротивление» при любой частоте сети, в которой вы живете.
Например, предположим, что вы хотите получить 25 миллиампер на выходе при напряжении 5 В, а вы находитесь в Америке и вам нужно сбросить 110 В. R = V / I = 4400 Ом. Используя реактивное сопротивление конденсатора, это C = 1 / (2 * пи * 60 Гц * 4400) = 0,6 мкФ. Если вам нужен больший ток, используйте больший конденсатор, и наоборот. Это так просто!
Для полностью разработанной конструкции TPS требуется еще несколько деталей. В целях безопасности и для ограничения пускового тока рекомендуется установить на входе предохранитель и токоограничивающий резистор мощностью один ватт. Разрядный резистор большого номинала, подключенный параллельно реактивному конденсатору, не позволит ему удерживать высокое напряжение и не поразит вас электрическим током, когда цепь отключена.
И если говорить об этом конденсаторе, то это критическая для безопасности часть схемы. Он постоянно находится под высоким переменным напряжением, и в случае короткого замыкания выход «5 В» находится под напряжением сети, и части могут загореться.
Это работа для конденсатора с рейтингом X. В основном вы увидите их с маркировкой X1 или X2, причем X1 способен выдерживать более высокие скачки напряжения. Подойдет любой из них, просто убедитесь, что он имеет номинал X и соответствует уровню напряжения вашей сети.
После конденсатора проходящий переменный ток необходимо преобразовать в постоянный. Здесь подойдет обычный однополупериодный или двухполупериодный выпрямитель: горстка диодов и сглаживающий конденсатор большой емкости. Если нагрузка непостоянна, вы, вероятно, захотите ограничить максимальное напряжение, воспринимаемое конденсатором, с помощью стабилитрона, чтобы избыточный ток шунтировался на землю, когда нагрузка потребляет менее 25 миллиампер, на которые мы рассчитывали. Эти части видят только низкое напряжение, поэтому здесь нет особых требований.
Наконец, обратите внимание, что существует множество возможных конфигураций этой схемы. Вместо того, чтобы сбрасывать большую часть напряжения между током и нашим устройством, также можно подключить наше устройство напрямую к проводу под напряжением, с конденсатором в нижней части делителя напряжения — та же схема в перевернутом виде.
Разумеется, плавкий предохранитель и предохранительные резисторы могут быть расположены в любом месте цепи. Но основы те же: конденсатор действует как одна ветвь делителя напряжения, за которым следует некоторое выпрямление и регулировка, а нагрузка — как другая ветвь.
Закон Мафри
Большое предостережение относительно схемы TPS заключается в том, что она должна быть изолирована. Это совершенно нормально для автономного переключателя IoT или диммера света, сделанного своими руками. TPS хорошо подходит для радио- или ИК-управления. Все светодиодные лампочки используют TPS внутри, потому что они дешевы и полностью герметичны. Но если вы думаете о том, чтобы прикоснуться к какой-либо части этой схемы или подключить к ней любую сигнальную линию, вместо этого вам следует обратить внимание на трансформатор.
Почему полная изоляция? Обратите внимание, что провод, который служит заземлением цепи, совпадает с нейтральной линией вашего дома (в отличие от «горячей» линии).
Теперь представьте, что вы по ошибке вставили вилку обратной стороной. Земля горячая, и хотя устройство работает просто отлично, поскольку переменный ток симметричен, оно становится опасным для поражения электрическим током, если вы можете соприкоснуться с «землей». Подключите последовательный USB-разъем к этому устройству, и вы только что поджарили свой ноутбук через «землю». Таким образом, первая линия защиты — использовать поляризованные вилки, которые невозможно подключить неправильно. Если вы живете в Европе, это может быть не вариант.
Но даже полярных вилок недостаточно. В некоторых старых домах (включая квартиру, в которой мы жили в Вашингтоне, округ Колумбия) нейтральная и горячая линии перепутаны местами. Опять же, вы никогда не заметите, пока не коснетесь «нейтральной» и реальной земли одновременно, но когда вы это сделаете, это может быть фатальным. Вы можете и, вероятно, должны проверить это с помощью мультиметра прямо сейчас. По отношению к земле нейтральная линия должна находиться под напряжением переменного тока, в то время как горячая линия будет иметь значение 115 или 220 В переменного тока.
Сравните их с вашими местными типами вилок.
В любом случае, даже если вы выберете правильную полярность вилки, между нейтральной и заземляющей линиями вашей настенной розетки будет разница. Коды в США и ЕС гласят, что нейтраль является токоведущей линией, а земля в нормальных условиях не должна ее нести. На практике это обеспечивают прерыватели цепи замыкания на землю (GFCI). Тем не менее, высокие нагрузки в других местах вашего дома в сочетании с существенным сопротивлением в проводке могут привести к напряжению на нейтральной линии порядка 90 275 В = IR 90 276. Дисбаланс на служебном трансформаторе, который разделяет «фазы» питания, поступающего в ваш дом, также может отодвигать напряжение нейтрали от земли, в зависимости от того, где оно заземлено. Короче говоря, нейтральный должен быть около земли, но это не гарантируется.
Единственный способ быть в полной безопасности с этой цепью — никогда не вступать с ней в контакт. Поместите его в непроводящую коробку или в металлическую коробку, подключенную к защитному заземлению.
Если он будет подключен в обратном направлении или если нейтральный провод нагреется, никто не пострадает. Это то, что делают профи.
Что еще может пойти не так с этой схемой? Мы выбрали реактивный конденсатор, чтобы иметь правильное сопротивление при 50 или 60 Гц, но меньшее сопротивление при более высоких частотах. Если у вас дома есть высокочастотные коммутационные устройства, они могут пропускать неожиданный ток через ваш TPS. Например, быстрые всплески напряжения в сети проходят насквозь, и их демпфирование является одной из причин использования входного резистора. Удар молнии? Бламмо! Что-нибудь еще, что может пойти не так? Оставьте нам комментарий! (Но не упоминайте Мафри.)
Блок питания на основе трансформатора будет немного дороже и немного больше, чем эквивалентный TPS. Но если вы не можете полностью закрыть устройство или не можете абсолютно гарантировать соблюдение полярности входящего питания, вы не можете безопасно использовать TPS. Для личного повседневного использования я всегда выбираю импульсный блок питания или настенную розетку.
Разве гальваническая развязка от стены не стоит пару долларов?
Let’s Take One Apart
С другой стороны, TPS есть во всех типах устройств, которые мы любим взламывать, поэтому вам нужно распознавать их в реальной жизни. Ищите предохранитель или большой конденсатор номиналом X1 или X2, и вы будете на правильном пути. (Есть ли у него параллельный резистор? Если нет, он может быть горячим.) Токоограничивающий резистор представляет собой большую керамическую штуку, едва заметную за крышкой X2. Фьюз одет для ночной прогулки по городу, в цельном черном комбинезоне из термоусадочной пленки.
Затем найдите секцию выпрямления — четырехдиодный двухполупериодный выпрямитель и конденсатор на 100 мкФ в этом дешевом настенном радиочастотном выключателе. Диоды направлены в сторону положительной шины постоянного тока и в сторону от отрицательной.
Теперь поищите диоды Зенера. В случае этого переключателя, управляемого радиочастотой, их два: стабилитрон на 25 В, используемый для активации реле, и стабилитрон на 5 В, который питает микросхему и радиосхему.
Это удобная функция схемы TPS. Поскольку конденсатор пропускает некоторый ток, пока напряжение постоянного тока не превышает пики переменного тока, вы можете получить практически любое или несколько напряжений из одной и той же цепи, просто выбрав правильные стабилитроны.
Игра с огнём
Вам следует по возможности избегать работы на включенном TPS, но есть и способов сделать это безопасно. Это лучший случай для разделительного трансформатора, который по существу вставляет трансформатор в цепь, которой ему не хватает. В вашей цепи еще есть пара проводов с напряжением 115 или 220 В между ними, но хотя бы с помощью трансформатора вы можете присоединить свой прицел к устройству.
Джекпот! Без разделительного трансформатора можно многое сделать с помощью мультиметра с батарейным питанием (незаземленного). Подключите устройство TPS к удлинителю с выключателем и держите его выключенным как можно дольше. Чтобы снять показания: отключите TPS, прикрепите припоем провода в местах, где вы хотите провести измерение, подключите их к мультиметру, отойдите и включите удлинитель.
После того, как вы сделали чтение, выключите его и подождите тик, прежде чем прикасаться к чему-либо.
Единственная часть TPS, которая может удерживать заряд, — это реактивный конденсатор, поэтому на нем должен быть установлен стабилизирующий резистор. В нашей примерной схеме 0,6 мкФ * 1 МОм = 0,6 секунды, и вы, вероятно, хорошо подождите не менее пяти из этих постоянных времени, прежде чем что-либо прикасаться, поэтому посчитайте до трех. ВЧ-переключатель обходит конденсатор 0,33 мкФ с сопротивлением 220 кОм, так что безопаснее быстрее. (Он также использует два последовательно соединенных резистора SMT, по-видимому, потому, что номинальное напряжение одного из них было недостаточным. Продуманный дизайн.)
Вы можете узнать, какие части цепи находятся под каким напряжением, измерив их относительно контакта заземления настенной розетки. Например, с защитным резистором 560 Ом в возвратной ветви «земля» ВЧ-переключателя фактически плавает примерно на 12 В переменного тока выше земли.