Балластный конденсатор. Конденсаторное питание

Что то часто меня стали спрашивать как подключить микроконтроллер или какую низковольтную схему напрямую в 220 не используя трансформатор. Желание вполне очевидное — трансформатор, пусть даже и импульсный, весьма громоздок. И запихать его, например, в схему управления люстрой размещенной прям в выключателе не получится при всем желании. Разве что нишу в стене выдолбить, но это же не наш метод!

Тем не менее простое и очень компактное решение есть — это делитель на конденсаторе.

Правда конденсаторные блоки питания не имеют развязки от сети, поэтому если вдруг в нем что нибудь перегорит, или пойдет не так, то он запросто может долбануть тебя током, или сжечь твою квартиру, ну а комп угробить это вообще за милое дело, в общем технику безопасности тут надо чтить как никогда — она расписана в конце статьи. В общем, если я тебя не убедил что бестрансформаторные блоки питания это зло — то сам себе злой Буратино, я тут не причем. Ну ладно, ближе к теме.

Помните обычный резистивный делитель?

Казалось бы, в чем проблема, выбрал нужные номиналы и получил искомое напряжение. Потом выпрямил и Profit. Но не все так просто — такой делитель может и сможет дать нужное напряжение, но вот совершенно не даст нужный ток. Т.к. сопротивления сильно велики. А если сопротивления пропорционально уменьшать, то через них насквозь пойдет большой ток, что при напряжении в 220 вольт даст очень большие тепловые потери — резисторы будут греть как печка и в итоге либо выйдут из строя, либо пожар устроят.

Все меняется если один из резисторов заменить на конденсатор. Суть в чем — как вы помните из статьи про конденсаторы, напряжение и ток на конденсаторе не совпадают по фазе. Т.е. когда напряжение в максимуме — ток минимален, и наоборот.

Так как у нас напряжение переменное, то конденсатор будет постоянно разряжаться и заряжаться, а особенность разряда-заряда конденсатора в том, что когда у него максимальный ток (в момент заряда), то минимальное напряжение и наборот. Когда он уже зарядился и напруга на нем максимальная, то ток равен нулю. Соответственно, при таком раскладе, мощность тепловых потерь, выделяемая на конденсаторе (P=U*I) будет минимальной. Т.е. он даже не вспотеет. А рективное сопротивление конденсатора Xc=-1/(2pi*f*C).

Теоретическое отступление

В цепи бывают три вида сопротивлений:

Активное — резистор (R)
Реактивное — конденсатор (X с) и катушка(X L)
Полное же сопротивление цепи (импенданс) Z=(R 2 +(X L +X с) 2) 1/2

Активное сопротивление всегда постоянно, а реактивное зависит от частоты.
X L =2pi*f * L
Xc=-1/(2pi*f*C)
Знак реактивного сопротивления элемента указывает на его характер. Т.е. если больше нуля, то это индуктивные свойства, если меньше нуля то емкостные. Из этого следует, что индуктивность можно скомпенсировать емкостью и наоборот.

f — частота тока.

Соответственно, на постоянном токе при f=0 и X L катушки становится равен 0 и катушка превращается в обычный кусок провода с одним лишь активным сопротивлением, а Xc конденсатора при этом уходит в бесконечность, превращая его в обрыв.

Получается у нас вот такая вот схема:

Все, в одну сторону ток течет через один диод, в другую через второй. В итоге, в правой части цепи у нас уже не переменка, а пульсирующий ток — одна полуволна синусоиды.

Добавим сглаживающий конденсатор, чтобы сделать напряжение поспокойней, микрофарад на 100 и вольт на 25, электролит:

В принципе уже готово, единственно что надо поставить стабилитрон на такой ток, чтобы он не сдох когда нагрузки нет вообще, ведь тогда отдуваться за всех придется ему, протаскивая весь ток который может дать БП.

А можно ему помочь слегонца. Поставить резистор токоограничительный. Правда это сильно снизит нагрузочную способность блока питания, но нам хватит и этого.

Ток который эта схема может отдать можно, ЕМНИП, примерно вычислить по формуле:

I = 2F * C (1.41U — Uвых/2).

F — частота питающей сети. У нас 50гц.
С — емкость
U — напряжение в розетке
Uвых — выходное напряжение

Сама формула выводится из жутких интегралов от формы тока и напряжения. В принципе можешь сам ее нагуглить по кейворду «гасящий конденсатор расчет», материала предостаточно.

В нашем случае получается что I = 100 * 0.46E-6 (1.41*U — Uвых/2) = 15мА

Не феерия, но для работы МК+TSOP+оптоинтерфейс какой- нибудь более чем достаточно. А большего обычно и не требуется.

Еще добавить парочку кондеров для дополнительной фильтрации питания и можно использовать:

После чего, как обычно, все вытравил и спаял:

Схема многократно проверена и работает. Я ее когда то пихал в систему управления нагревом термостекла. Места там было со спичечный коробок, а безопасность гарантировалась тотальной остекловкой всего блока.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

В данной схеме нет никакой развязки по напряжению от питающей цепи, а значит схема ОЧЕНЬ ОПАСНА в плане электрической безопасности.

Поэтому надо крайне ответственно подходить к ее монтажу и выбору компонентов. А также внимательно и очень осторожно обращаться с ней при наладке.

Во первых, обратите внимание, что один из выводов идет к GND напрямую из розетки. А это значит что там может быть фаза, в зависимости от того как воткнули вилку в розетку.

Поэтому неукоснительно соблюдайте ряд правил:

1. Номиналы надо ставить с запасом на как можно большее напряжение. Особенно это касается конденсатора. У меня стоит на 400вольт, но это тот что был в наличии. Лучше бы вообще вольт на 600, т.к. в электросети иногда бывают выбросы напряжения намного превышающие номинал. Стандартные блоки питания за счет своей инерционности его переживут запросто, а вот конденсатор может и пробить — последствия представьте себе сами. Хорошо если не будет пожара.

2. Эта схема должна быть тщательным образом заизолирована от окружающей среды. Надежный корпус, чтобы ничего не торчало наружу. Если схема монтируется в стену, то она не должна касаться стен. В общем, пакуем все это дело наглухо в пластик, остекловываем и закапываем на глубине 20метров. :)))))

3. При наладке ни в коем случае не лезть руками ни к одному из элементов цепи. Пусть вас не успокаивает что там на выходе 5 вольт. Так как пять вольт там исключительно относительно самой себя. А вот по отношению к окружающей среде там все те же 220.

4. После отключения крайне желательно разрядить гасящий конденсатор. Т.к. в нем остается заряд вольт на 100-200 и если неосторожно сунуться куда нибудь не туда больно цапнет за палец. Вряд ли смертельно, но приятного мало, а от неожиданности можно и бед натворить.

5. Если используется микроконтроллер, то прошивку его делать ТОЛЬКО при полном выключении из сети. Причем выключать надо выдергиванием из розетки. Если этого не сделать, то с вероятностью близкой к 100% будет убит комп. Причем скорей всего весь.

6. То же касается и связи с компом. При таком питании запрещено подключаться через USART, запрещено обьединять земли.

Если все же хотите связь с компом, то используйте потенциально разделенные интерфейсы. Например, радиоканал, инфракрасную передачу, на худой конец разделение RS232 оптронами на две независимые части.

Среди радиолюбителей сейчас весьма популярны сетевые блоки питания, в которых роль балластного элемента выполняет конденсатор. Выбор конденсатора для этой цели имеет некоторые особенности, и их необходимо учитывать. Основной параметр здесь - допустимое значение амплитуды напряжения частотой 50 Гц.

Как известно, номинальным напряжением конденсатора, предназначенного для применения в радиоэлектронной аппаратуре, называют значение наибольшего постоянного напряжения, при котором конденсатор надежно работает в течение установленного срока службы. При работе конденсатора в цепях переменного тока амплитуда переменного напряжения на нем должна быть всегда меньше (в крайнем случае равна) номинального напряжения, а насколько меньше - зависит всецело от типа конденсатора. Так, например, для конденсатора МБГО на номинальное напряжение 630 В допустимая амплитуда переменного напряжения частотой 50 Гц равна 126 В , а для МБМ на напряжение 1000 В - 250 В .

Надежность балластного конденсатора бестрансформаторного блока питания может быть обеспечена при условии, что значение допустимой для конденсатора амплитуды переменного напряжения больше амплитуды напряжения сети. Если действующее значение напряжения равно 220 В, то амплитудное будет

На указанные в таблице характеристики наложен ряд ограничений.

Во-первых, верхняя граница допустимой амплитуды переменного напряжения выбрана равной 630 В. Больший запас по амплитуде не прибавит блоку надежности, а габариты увеличит значительно. Во-вторых, для емкости установлена нижняя граница - 0,22 мкФ. Выбранный емкостный интервал удовлетворяет большинству практических случаев. Третье ограничение - наибольшая масса 60 г; оно комментариев не требует.

И наконец, в-четвертых, в таблицу внесено не менее трех номиналов однотипных конденсаторов, соответствующих первым трем ограничениям.

Таблица обеспечивает выбор номинала емкости, номинального напряжения и типа балластного конденсатора для бестрансформаторного устройства, рассчитанного на подключение к сети 200 В, 50 Гц и на потребляемый ток 12...100 мА. Ток может быть увеличен параллельным соединением двухтрех конденсаторов.

По таблице возможно сравнение нескольких вариантов выбора из конденсаторов различных типов емкости, близкой к расчетной. Сравнение проводят по знаку и значению отклонения емкости от расчетного значения, запасу электрической прочности изоляции, а также по массе и объему конденсаторов. Объем рассчитан по линейным размерам конденсаторов. Коэффициент запаса по электрической прочности равен отношению допустимой для конденсатора амплитуды напряжения с частотой 50 Гц к амплитуде напряжения сети.

Для внесенных в таблицу типов конденсаторов некоторые значения емкости остались за ее рамками. Направление поиска в справочнике отсутствующих значений емкости в таблице показаны отточиями.

В силу наложенных ограничений некоторые типы конденсаторов не вошли в таблицу. Среди них - МБГЧ, К42-19, К75-10 и К78-2, справочные характеристики которых не соответствуют третьему и четвертому ограничениям. Найти подходящий среди этих конденсаторов можно по справочнику с учетом первого ограничения.

Литература

Электрические конденсаторы и конденсаторные установки. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 495.
Справочник по электрическим конденсаторам. - М.: Радио и связь, 1983, с. 168.
Бирюков С. Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором. - Радио, 1997, № 5, с. 48 - 50.

Журнал "Радио", номер 4, 1999г.
Материал подготовил: А. Трифонов г. С.-Петербург

Выбор конденсатора начинают с расчета его емкости. Для этого следует пользоваться методикой, изложенной в . Затем требуемый типономинал конденсатора определяют по справочникам. В содержатся характеристики конденсаторов более трехсот типов, имеющих тысячи сочетаний емкости и напряжения.

Обширность исходной информации затрудняет выбор подходящего типономинала балластного конденсатора. Исключить вероятные ошибки и ускорить выбор балластного конденсатора, его номинального напряжения, а также значения емкости, ближайшего к расчетному, поможет представленная здесь таблица.

На указанные в таблице характеристики наложен ряд ограничений.

Литература

1. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 495.

2. Справочник по электрическим конденсаторам. - М.: Радио и связь, 1983, с. 168.

3. Бирюков С. Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором. - Радио, 1997, # 5, с. 48 - 50.

Собрался делать освещение на дача. По прикидкам получалась необходимая мощность для ламп накаливания примерно 300 - 400 Вт. Решил делать на светодиодах это и экономия и приобщение к новым технологиям. Было заказано 4 шт. светодиодных матриц на 20 Вт «теплого» цвета, с расчетом использовать на мощность в 1,5 - 2 раза меньше (на случай если есть «китайская погрешность» на заявленную мощность).
Данные матриц от продавца:
Входное напряжение: 30-34Vdc
Мощность: 20 Вт
Световой поток: 1600LM
Продолжительность времени:> 50,000 часов
Размер: 4.7*4.7 см
Трек отслеживался только по Китаю, доставка около месяца. Пришли в такой упаковке.

.

Сами матрицы выглядят так

Прежде чем переходить к схеме несколько слов о параметрах матриц, что я определил опытным путем.

На небольшом токе светятся неравномерно.

С увеличением тока разница незаметна.

Заявленные 20 Вт матрица достигает при примерно 36 В, что несколько выше заявленных же 34 В. Параметры у всех матриц мало отличаются. Ток довольно сильно зависит от температуры. Так с 20 градусов при фиксированном напряжении с начальным током 400 мА до 60 гр. ток меняется на 90 мА.

Измерения проводились фотодиодом ФД-24К. Результат, естественно, в относительных единицах. Получается, что увеличение тока в два раза не дает увеличение интенсивности в два раза, а немного меньше.

Перейдем теперь к схеме. Подобные схемы тут обсуждалась и не раз. Для примера приведу одну ссылку , найти другие думаю не составит труда. Чем же меня привлекла такая схема, это простотой реализации, надежностью и отсутствием помех. Кроме того все основные компоненты были у меня под рукой… много лет.
Четыре матрицы планирую включать последовательно.

Вот схема, так сказать, «а-ля натюрель».

Да, детали довольно древние, но вполне рабочие. К выбору конденсаторов С1 и С2 надо подойти внимательно, важно не только рабочее напряжение, но и тангенс угла диэлектрических потерь, т. к. реактивная мощность в схеме может достигать 150 Вт. Наверно можно использовать пусковые конденсаторы для асинхронных двигателей. Я использовал конденсаторы типа МБГО и нагрева не обнаружил.

Известные недостатки таких схем:
1. Гальваническая связь с электросетью.
2. Отсутствие стабилизации тока
3. Опасность выхода из строя электролита C3 если в цепи светодиодов произойдет обрыв.
4. Большие габариты по сравнению с импульсным ИП.
Разберем эти пункты.
По первому пункту, проблема решается надежной изоляцией, как и в большинстве бытовых приборов. Есть опасность только при наладке, но что тут налаживать? :) В любом случае надо соблюдать технику безопасности!
По второму пункту , наличие довольно большого балласта уже играет роль стабилизатора тока. Кроме того, в моей схеме еще включены две лампочки, которые имеют нелинейное сопротивление и выполняют роль дополнительного стабилизатора тока (и еще предохранителя). Были проведены испытания светодиодной матрицы на на начальном токе 400 мА. При изменении температуры от 20 градусов до 60, ток увеличился менее чем на 5 мА. Остается проблема нестабильности напряжения электросети (а значит и тока), которую в такой простой схеме не решить.
По третьему пункту , если использовать конденсатор на напряжение 150 В, т. к. сами матрицы будут играть роль стабилизатора на напряжение примерно 140 В, но надо параллельно ставить мощный стабилитрон на напряжение 150 В для защиты от обрыва. Стабилитрону тоже нужен радиатор. Я же просто использовал конденсатор на 350 В, что сняло все эти проблемы.
По четвертому , габариты для моих целей это не принципиально. Планирую поместить в размер 10x8x5 см.

Еще несколько комментариев. В схеме использован электролит на довольно большую емкость - 800 мкФ это сделано для уменьшения пульсаций. Для примера приведу график тока с этой емкостью. График получен в программе симуляторе , т. к. осциллографа под рукой нет. Вопрос, как хорошо соответствуют используемые мной в симуляторе светодиоды реальным, остается открытым. В оправдание могу сказать, что по постоянному току, я соответствия добился с точность процентов 10.

В статье приводится методика расчета емкости гасящего конденсатора и напряжения но его выводах в цепи активной нагрузки, в частности паяльника, которая позволяет существенно сократить объем вычислений,сведя их до минимума, что упрощает расчеты и сокращает время , необходимое для выбора гасящего конденсатора требуемой емкости и соответствующего номинального напряжения.

В приведенном материале предлагается методика расчета емкости конденсатора и напряжения на нем при его последовательном включении с паяльником, причем рассматриваются два варианта. В первом варианте необходимо уменьшить мощность паяльника на требуемую величину с помощью гасящего конденсатора, а во втором - включить низковольтный паяльник в сеть 220 В, погасив излишек напряжения конденсатором.

Осуществление первого варианта (рис.1) предполагает два вычисления с исходными данными (ток, потребляемый паяльником из сети I и сопротивление паяльника R1), затем два промежуточных вычисления (ток, потребляемый паяльником при меньшей его мощности на требуемую величину II и емкостное сопротивление конденсатора Rc) и, наконец, два последних вычисления, которые дают искомые

рис.1

величины емкость конденсатора С на частоте 50 Гц и напряжение на выводах конденсатора Uc). Таким образом, для решения задачи по первому варианту необходимо осуществить 6 вычислений.

По второму варианту (рис.2), чтобы решить задачу, необходимо произвести с исходными данными два вычисления, как и в первом варианте, а именно: найти ток

I, потребляемый паяльником из сети, и сопротивление паяльника R, затем следует одно промежуточное вычисление, из которого, как и в первом варианте, находится емкостное сопротивление конденсатора Rc и, наконец, два последних вычисления, из которых определяют емкость конденсатора С при частоте 50 Гц и на-

рис.2

пряжение на выводах конденсатора Uc. Таким образом, для решения задачи по второму варианту необходимо осуществить пять вычислений.

Решение задач по обоим вариантам требует определенных затрат во времени. Методика не позволяет сразу в одно действие, минуя исходные и промежуточные расчеты, определить емкость гасящего конденсатора и соответственно напряжение на его выводах.

Удалось найти выражения, которые позволяют сразу в одно действие вычислить емкость гасящего конденсатора, а затем напряжение на его выводах для первого варианта. Подобным образом получено выражение для определения емкости гасящего конденсатора для второго варианта.

Вариант 1. Располагаем паяльником 100 Вт 220 В и желаем эксплуатировать его при мощности 60 Вт, используя при этом последовательно включенный с ним гасящий конденсатор. Исходные данные: номинальная мощность паяльника Р = 100 Вт; номинальное напряжение сети U = 220 В; требуемая мощность паяльника Р1 = 60 Вт. Требуется вычислить емкость конденсатора и напряжение на его выводах согласно рис.1. Формула для расчета емкости гасящего конденсатора имеет вид:

С = Р∙10 6 /2πf 1 U 2 (P/P 1 - 1) 0,5 (мкФ).

При частоте питающей сети = 50 Гц формула принимает вид:

С =3184,71 Р/U 2 (Р/Р 1 - 1) 0,5 =

3184,71-100 /220 2 (100/60-1)=8,06 мкФ.

В контрольном примере емкость конденсатора равняется 8,1 мкФ, т.е. имеем полное совпадение результата. Напряжение на выводах конденсатора равно

Uс = (РР 1) 0,5 ∙10 6 /2πf 1 СU (В).

При частоте сети f 1 = 50 Гц формула упрощается:

Uc = 3184,71 (PP 1) 0,5 /CU =

3184,71(60∙100) 0,5 /8,06 220 =

139,1 В.

В контрольном примере Uc = 138 В, т.е. практическое совпадение результата. Таким образом, для решения задачи по первому варианту вместо шести вычислений нужно сделать всего два (без промежуточных расчетов). При необходимости емкостное сопротивление конденсатора можно сразу вычислить по формуле:

Rc = U 2 (P/P, - 1) 0,5 /Р =

220 2 (100/60 - 1) 0,5 /100 = 395,2 Ом.

В контрольном примере Rc = 394 Ом, т.е. практическое совпадение.

Вариант 2. Располагаем паяльником мощностью 25 Вт, напряжением 42 В и хотим включить его в сеть 220 В. Необходимо рассчитать емкость гасящего конденсатора, последовательно включенного в цепь паяльника, и напряжение на его выводах согласно рис.2. Исходные данные: номинальная емкость паяльника Р = 25 Вт; номинальное напряжение Ur = 42 В; напряжение сети U = 220 В. Формула для расчета емкости конденсатора имеет вид:

С = Р∙10 6 /2πf 1 Ur(U 2 - Ur 2) 0,5 мкФ.

При частоте сети f 1 = 50 Гц формула принимает вид:

С = 3184,71 P/Ur(U 2 - Ur 2) 0,5 =

3184,71 -25/42(220 2 - 42 2) =

8,77 мкФ.

Напряжение на выводах конденсатора легко определить, пользуясь исходными данными, по теореме Пифагора:

Uc = (U 2 - Ur 2) 0,5 = (220 2 - 42 2) =

216 В.

Таким образом, для решения задачи по второму варианту вместо пяти вычислений необходимо осуществить только два. При необходимости величину емкостного сопротивления конденсатора, для данного варианта, можно определить по формуле:

Rc = Ur(U 2 - Ur 2) 0,5 /P =

42(220 2 - 42 2)/25 = 362,88 Ом.

По контрольному примеру Rc = 363 Ом. Гасящий конденсатор С на приведенных рисунках желательно зашунтировать разрядным резистором МЛТ-0,5 номиналом 300...500 кОм.

Выводы. Предлагаемая методика расчета емкости гасящего конденсатора и напряжения на его выводах позволяет существенно сократить объем вычислений, сведя их до минимума.

К. В. Коломойцев.