Notas sobre todo. Fuentes de alimentación simples y peligrosas

¿De qué trata este artículo?

Este artículo describe los principios de la construcción de las fuentes de energía sin transformador más simples. El tema no es nuevo, pero, como lo ha demostrado la experiencia, no es bien conocido y comprensible para todos. E incluso algunos interesantes.

Pido a los interesados ​​e interesados ​​que lean, critiquen, aclaren y agreguen a shiotiny@yandex.ru o a mi sitio en la sección "Contactos".

Entrada

No hace mucho tiempo, un amigo mío metió los dedos en un cierto esquema que iba a arreglar (los cables se cayeron, por lo que solo tenía que soldarlo en su lugar). Y se sorprendió. No golpeó con fuerza, pero fue suficiente para que se sorprendiera: "¿Cómo es eso? Aquí está el microcontrolador, ¿qué puede golpear aquí? ¡Está alimentado por 5 voltios!

Su sorpresa se aclaró rápidamente: el circuito resultó tener energía sin transformador y sin aislamiento galvánico de la red.

Entonces las preguntas siguieron en mi dirección. Se redujeron a dos cosas: “¿Qué? ¿Entonces puedes hacerlo? "Y" ¿Y cómo funciona? "

Aunque no me considero un experto en electrónica, tuve que hacer esas fuentes de alimentación. Así que tuve que tomar un bolígrafo y una hoja y explicar cómo funciona. Afortunadamente, esto no es del todo difícil.

Es posible que el tema de las fuentes de alimentación "sin transformador" o, en resumen, BIP , pueda parecerle interesante. Alguien para el desarrollo general, y alguien para uso práctico.

Fuentes de alimentación de CA domésticas

Te advierto de inmediato: aquí no tocaré deliberadamente el cambio de fuentes de alimentación. Este es un tema para otra conversación.

En términos generales, las funciones de una fuente de energía para equipos electrónicos de bajo voltaje generalmente consisten en lo siguiente: proporcionar un voltaje dado a la salida de una fuente de energía para un rango dado de consumo de corriente. Es decir, para decirlo formalmente, una fuente de energía es una fuente de voltaje constante Uout , que mantiene Uout = constante cuando el consumo de corriente cambia de Imin a Imax .

En una fuente de alimentación lineal "clásica", esto suele suceder así: un transformador reduce la tensión de la red de entrada, luego esta tensión se rectifica y finalmente se estabiliza mediante un estabilizador lineal.

El diagrama de bloques de la fuente de alimentación lineal "clásica" se muestra en la figura siguiente. Una de las partes más "inconvenientes" de una fuente de energía de este tipo es un transformador: es costoso y voluminoso.



Por lo tanto, los radioaficionados y los profesionales de la radio estaban buscando formas, cómo abandonar esta parte voluminosa y costosa, un transformador, o al menos reducir su tamaño y costo.

Y se encontró tal solución: comenzaron a usar la reactancia del condensador Rc para "extinguir" el exceso de voltaje. El diagrama de bloques de la fuente de alimentación "sin transformador" ( BIP ) se muestra a continuación.



Como puede ver, la estructura del BIP casi no es diferente de la clásica fuente de alimentación lineal. Es que en lugar de un transformador coloque un condensador de enfriamiento. No se confunda o engañe por la similitud de la estructura de estas fuentes de energía en la figura: hay muchas diferencias en su interior .

Ventajas del BIP : es relativamente compacto, confiable, barato y no teme un cortocircuito en la salida.

Pero hay inconvenientes significativos: es peligroso desde el punto de vista de una persona que toca los elementos de un dispositivo con alimentación. Y la corriente máxima que dicha fuente de energía puede proporcionar es de unos pocos cientos de miliamperios. Con una corriente más alta, las dimensiones de los condensadores son grandes y es más fácil poner un transformador o incluso poner un generador de impulsos.

Basado en las ventajas y desventajas del BIP , su alcance son dispositivos de baja potencia bien aislados alimentados por una red eléctrica doméstica: sensores independientes, dispositivos de control de iluminación, dispositivos de conmutación de ventilación y calefacción y otros dispositivos de baja potencia que funcionan de manera autónoma.

Tratemos de entender cómo funciona el circuito BIP real y cómo calcularlo.

Practica la teoría y practica la teoría

Un ejemplo de un esquema práctico simple

Desde antes, antes del advenimiento de los "impulsos" baratos, los BIP eran probablemente la forma más económica de reducir el tamaño y el precio de una fuente de energía, luego los circuitos BIP en los libros y en Internet son un carro y un carrito pequeño. Pero el principio de funcionamiento de casi todos los circuitos es aproximadamente el mismo: uno o más condensadores de enfriamiento en la entrada, un rectificador y un estabilizador de voltaje de CC de salida.

Veamos uno de los circuitos de trabajo más simples del BIP , que se muestra en la figura a continuación.



Todas las partes principales del circuito son inmediatamente visibles: un condensador de enfriamiento C1 ; un rectificador de media onda: un puente de diodos VD1 y un condensador de suavizado C2 ; estabilizador de voltaje - diodo zener VS1 ; y finalmente, la carga es un dispositivo Rn alimentado por la fuente.

Olvídate de los "elementos adicionales" o "la fórmula básica del BIP"

Para simplificar, olvidemos la existencia de las resistencias R1 y R2 : suponemos que R2 está ausente y R1 se reemplaza por un puente. Para todos los cálculos, esto no es esencial, pero hablaremos sobre el propósito de estas resistencias más adelante. Es decir, temporalmente, el esquema para nosotros se verá como la siguiente figura.



La corriente alterna de la red de suministro de energía, limitada por el condensador de enfriamiento C1 , fluye a través de los puntos 1 y 2 del puente de diodos VD1 .

La corriente continua obtenida después de la rectificación del puente de diodos alternos VD1 fluye a través del diodo zener y la "carga" Rn es el dispositivo suministrado .

El diagrama muestra cómo fluyen todas las corrientes: Ic es la corriente alterna de la red, In es la corriente continua de la carga e Ist es la corriente constante del diodo zener.

Aunque escribí corrientes "constantes" y "alternas", de hecho, es una y la misma corriente. Solo un puente de diodos hace que fluya a través del diodo zener y la carga siempre está en la misma dirección.

Si suponemos que estamos midiendo el valor actual $$$I_c$ , entonces podemos escribir la fórmula básica para el funcionamiento de nuestro esquema BIP:

$$

$$I_C = I_ {CT} + I_H$$

Esto se deduce de la primera ley de Kirchhoff , que establece que la suma de las corrientes que fluyen hacia cualquier nodo es igual a la suma de las corrientes que fluyen desde él y, de hecho, es una formulación particular de la ley de conservación de masa / energía.

De esta fórmula, se deduce una conclusión simple pero importante: a un voltaje constante $$$U_ {220}$ , corriente consumida de la red $$$I_c$ prácticamente no cambia cuando la resistencia R cambia en el rango operativo actual; esta es la diferencia clave entre el BIP y la fuente de alimentación lineal con un transformador.

A pesar del hecho de que los diagramas de bloques de las fuentes de alimentación que figuran al principio del artículo son muy similares, funcionan de maneras muy diferentes: ¡el transformador reductor en el primer diagrama de bloques es una fuente de voltaje , y el condensador de enfriamiento en el segundo diagrama de bloques es una fuente de corriente !

Pero volvamos a nuestro esquema. A partir de la última fórmula también queda claro que el circuito estabilizador es esencialmente un divisor de corriente entre la carga R y el diodo zener VS1 .

Si la carga R está completamente rota, entonces toda la corriente fluirá a través del diodo zener. Si la carga R está en cortocircuito, toda la corriente fluirá a través de la carga, sin pasar por el diodo zener.

¡Pero para "arrancar" el diodo zener VS1 del circuito en ningún caso! Si lo arranca, toda la tensión de red se puede suministrar a la carga R . Las consecuencias probablemente serán tristes.

Cuando no se necesita pedantería

En cualquier caso, desde la desconexión completa de Rn a su "cortocircuito", la corriente Ic que fluye a través del condensador de enfriamiento C1 será aproximadamente igual $$$I_C = {U_ {220} \ over {R_ {C1}}}$ ; donde $$$U_ {220}$ - voltaje de red, y $$$R_ {C1}$ - la resistencia del condensador C1 .

Los pendientes y otros amantes de la precisión pueden culparme, dicen que no tomé en cuenta el voltaje en el puente de diodos (entre los puntos 1 y 2 ). Por lo tanto, el voltaje a través del condensador C1 será ligeramente menor que $$$U_ {220}$ - tensión en la salida.

Por supuesto, estrictamente formalmente, los compañeros pedantes tendrán razón. Pero me atrevo a señalar que si la carga que tenemos es un dispositivo de baja potencia con una fuente de alimentación de 5V o 12V , y el voltaje "en el enchufe" es de aproximadamente 220V , entonces la caída de voltaje a través de la carga puede descuidarse con seguridad: la diferencia en los cálculos "exactos" y "aproximados" no será más que unos pocos por ciento

¿Cuál es la resistencia del condensador de enfriamiento? $$$R_ {C1}$ ? Esta es la reactancia del condensador: depende de la frecuencia del voltaje suministrado al condensador y se calcula mediante la fórmula: $$$R_C = {1 \ over {2 \ cdot \ pi \ cdot f \ cdot C}}$ , donde f es la frecuencia de voltaje en Hertz, y C es la capacitancia del capacitor en Faradios. Dado que la frecuencia de la red que tenemos es fija y es de 50 Hz , para los cálculos de ingeniería, puede usar la fórmula: $$$R_ {C1} \ approx {1 \ over {314 \ cdot {C1}}}$ de donde $$${C1} \ aprox {1 \ over {314 \ cdot {R_C}}}$ . Para los pedantes, nuevamente les recuerdo que la capacitancia del capacitor siempre tiene un error de un pequeño porcentaje (generalmente 5% -15% ), por lo que no tiene sentido contar con mayor precisión.

En base a las fórmulas anteriores, podemos calcular la capacitancia del capacitor C1: $$${C1} \ aprox {{I_C} \ over {314 \ cdot U_ {220}}}$ . Conocemos la tensión de red. Una corriente $$$I_C = I_ {CT} + I_H$ se puede calcular conociendo la corriente de carga máxima y la corriente de estabilización mínima del diodo Zener VS1 (este es un parámetro de referencia).

Esta es una teoria. Trataré de describir algo como la metodología para calcular el BIP "en los dedos".

¿Necesitamos un BIP?

Para comenzar, resolveremos la pregunta: ¿es incluso necesario usar BIP en un caso particular?

Si la corriente de carga Rn es mayor que 0.3-0.5A , entonces es mejor no usar el BIP : hay muchos problemas, y generalmente hay poca o ninguna ganancia en tamaño y costo. Además, por lo general, no debe confiar en un BIP si la tensión de alimentación del dispositivo es superior a 24-27V . ¡Y no te olvides de la seguridad!

Supongamos que necesitamos alimentar un circuito simple en un microcontrolador que consume una corriente moderada de miliamperios de esa manera 100 a un voltaje moderado de 3-6V. El circuito está aislado y, por lo tanto, es seguro.

¿Cómo estimar la capacidad de C1 y elegir un diodo zener VS1?

En primer lugar, es necesario aclarar la corriente de carga máxima Imax : calcular o medir.

Luego, debe ingresar al directorio y encontrar el diodo zener allí. Sí, no de todos modos, sino al voltaje deseado Uout .

Al buscar un diodo zener, debe tenerse en cuenta que su corriente de estabilización máxima I max no debe ser menor que (I min + In max) . Por qué Sí, de modo que si arranca la carga Rn , el diodo zener no se quemará. Y viceversa: si la carga consume la corriente máxima, entonces la corriente de estabilización mínima Imin pasa a través del diodo zener. En la práctica, es necesario elegir un diodo zener para que su corriente de estabilización máxima I max sea mayor que la suma de las corrientes (I min + Im max) en al menos un 20% . No olvides que la red está lejos de ser siempre 220V . Quizás 250V fácilmente. Por lo tanto, el margen actual no es un exceso, sino una precaución razonable.

A continuación, calculamos la capacidad del condensador de enfriamiento C1 . Su reactancia será aproximadamente igual a: $$$R_C = {U_ {220} \ over {I_ {CTMIN} + I_ {HMAX}}}$ , y su capacidad, respectivamente, es $$$C_1 \ aprox {{I_C} \ over {314 \ cdot U_ {220}}} = {{I_ {CTMIN} + I_ {HMAX}} \ over {314 \ cdot U_ {220}}}$ para tensión de red con una frecuencia de 50Hz .

No olvide que el voltaje máximo permitido del condensador C1 debe ser de al menos 400 V para una red doméstica de 220 V. Y, por supuesto, el condensador C1 no debe ser electrolítico: funciona en una red de corriente alterna.

En realidad, esto es lo más importante: seleccionar un diodo zener y calcular la capacitancia de un condensador.

Para aquellos que no tienen claro qué es Istmax e Istmin , explicaré con más detalle.

La corriente de estabilización máxima del diodo zener Imax es tal corriente a través del diodo zener, cuando se excede, el diodo zener falla.

La corriente de estabilización mínima del diodo zener Imin es la corriente mínima a través del diodo zener a la que el voltaje en el diodo zener corresponde a las características nominales.

Es decir, el diodo zener debe funcionar en condiciones tales que la corriente de estabilización que fluye a través de él se encuentre en el rango $$$I_ {CTMIN} <I_ {CT} <I_ {CTMAX}$ .

Los valores de Imin e I max para un diodo zener en particular se pueden encontrar en el manual y siempre se indican en la descripción del diodo zener.

Entonces, una vez más, en puntos, sobre cómo calcular C1 y elegir el diodo zener VS1 .

• Determinamos el voltaje de carga Uout . Como regla, lo sabemos.
• Determinamos la corriente de carga máxima Imax . Puedes medir o calcular.
• Subimos al directorio y buscamos un diodo zener para el voltaje Uout , de modo que la condición $$$(I_ {CTMIN} + I_ {HMAX}) <0.8 \ cdot I_ {CTMAX}$ . (0.8 - porque queremos un margen actual del 20%).
• Calculamos la capacidad del condensador de enfriamiento C1 de acuerdo con la fórmula $$$C_1 \ aprox {{I_ {CTMIN} + I_ {HMAX}} \ over {314 \ cdot U_ {220}}}$

Ejemplo de cálculo

Suponga que el voltaje de suministro de carga es Uout = 5V y la corriente de carga máxima es Inmax = 100mA .

Subimos al directorio y encontramos allí un diodo zener: KS447A . El voltaje de estabilización es de aproximadamente 5V . Istmin = 3mA , Istmax = 160mA .

Lo comprobamos Desigualdad $$$(3mA + 100mA) <0.8 \ cdot 160mA$ - se cumple, entonces el diodo zener es adecuado para la corriente.

Calculamos el condensador C1 : $$$C_1 \ approx {{I_ {STMIN} + I_ {HMAX}} \ over {314 \ cdot U_ {220}}} = {{0.003A + 0.1A} \ over {314 \ cdot 220V}} \ approx 1.5 uF $$ . No olvide que para una red doméstica de 220V , el condensador C1 debe ser de 400V .

Filtro o condensador C2

El puente de diodos, como saben, no da un voltaje rectificado: el voltaje de salida es pulsante.

Para suavizar la ondulación, se utiliza un condensador de filtro C2 . ¿Cómo calcular su capacidad?

Como de costumbre, se pueden aplicar dos métodos: el exacto y el simplificado. El método exacto tiene en cuenta que el condensador se descarga exponencialmente y otros matices. Pero recordando que es imposible seleccionar los condensadores exactamente para la capacidad requerida (la norma es una distribución de capacidad del 10-15%), permitiremos algunas simplificaciones que prácticamente no afectarán el resultado.

Para entender cómo calcular la capacitancia de un capacitor C2 , recordamos qué es un rectificador. Miremos la imagen de abajo. Los diagramas de voltaje versus tiempo se parecen a esto en nuestro circuito, utilizando un puente de diodos como rectificador.



La línea azul indicada por el número 1 es el voltaje alterno en la entrada del puente de diodos (puntos 1 y 2 en el circuito BIP ).

La línea roja, indicada por el número 2 , es el voltaje en el diodo zener VS1 , en ausencia de un condensador de suavizado C2 o un voltaje de ondulación (imagine que C2 estaba temporalmente "desconectado" del circuito). Y finalmente, la línea verde indicada por el número 3 es el voltaje rectificado suavizado cuando el condensador C2 está conectado.

El voltaje sin filtrar (pulsante) en la salida del rectificador (línea 2 ) es ligeramente menor en amplitud que el voltaje en la entrada del rectificador (línea 1 ). Esto se explica simplemente: varias décimas de voltios caen sobre los diodos.

La línea verde 3 muestra el proceso de carga y descarga del condensador C2 . El voltaje máximo que puede cargar en nuestro circuito es el voltaje en el diodo zener VS1 . Luego, el condensador comienza a descargarse hasta que en el siguiente período comienza a cargarse nuevamente.

La amplitud de ondulación es el voltaje al que se ha descargado el condensador C2 en un período del voltaje de ondulación en la salida del rectificador (línea 2 ).

No es difícil calcular aproximadamente la amplitud de las pulsaciones, si tomamos la corriente de descarga como una constante, esta será la corriente de carga máxima Rn , que denominamos Imax .

De acuerdo con la fórmula básica del condensador $$$I = C {dU \ over dt}$ se puede estimar aproximadamente que: $$$\ Delta U \ approx {{I_ {HMAX} \ over C} \ cdot \ Delta t}$ donde $$$\ Delta U$ Es la amplitud de la ondulación, un $$$\ Delta t$ - período de tiempo un período de la tensión de ondulación en la salida del rectificador (línea 2 ).

La figura muestra claramente que el período $$$\ Delta t$ igual a la mitad del período de la tensión de alimentación, o $$$\ Delta t = {1 \ over {2 \ cdot f}}$ donde f es la frecuencia de la tensión de red ( 50Hz ).

Por lo tanto, sustituyendo una fórmula en otra, obtenemos: $$$\ Delta U \ approx {I_ {HMAX} \ over {2 \ cdot f \ cdot C_2}}$ o $$$C_2 \ aprox {I_ {HMAX} \ over {2 \ cdot f \ cdot {\ Delta U}}}$ .

Ahora lo más difícil es elegir, pero ¿qué amplitud de pulsaciones nos conviene? Si la carga tiene su propio estabilizador lineal, entonces, en principio, es suficiente que la amplitud de ondulación esté en el nivel del 10-20% . Por ejemplo, a menudo en la carga Rn hay algún tipo de estabilizador: 7805 o AMS1117 o algo así.

Si se supone que alimenta el circuito digital directamente desde nuestro BIP sin estabilización adicional, entonces es mejor no establecer el coeficiente de fluctuación de más del 5% .

Supongamos que nuestro circuito está alimentado por 5V y tiene un consumo de corriente máximo de 100mA . El factor de ondulación se establece en 5% . Esto significa que $$$\ Delta U$ será igual al 5% de 5V o 0.25V . Frecuencia de red - 50Hz .

Desde aquí encontramos el condensador C2 - $$$C_2 \ approx {I_ {HMAX} \ over {2 \ cdot f \ cdot \ Delta U}} = {{{0.1A} \ over {2 \ cdot 50Hz \ cdot 0.25V}}} = 4000 μF$ . Nekhilaya tal capacidad! Además, la gran capacidad más cercana es 4700uF . Este es un condensador bastante grande incluso para un voltaje de 10V .

Si el circuito tiene un estabilizador lineal en el interior, por ejemplo AMS1117 , entonces el nivel de ondulación se puede seleccionar al 20% , mientras que la capacitancia del capacitor C2 será de solo aproximadamente 1000 μF .

Resistencias R1 y R2: necesarias e importantes

Volvamos a las resistencias R1 y R2 , que olvidamos temporalmente.

Con la resistencia R2 , todo es simple: es necesario para la seguridad humana. Es decir, para que el condensador C1 se descargue después de desconectar el circuito de la fuente de alimentación. De lo contrario, si R2 no está configurado, entonces el condensador C1 retendrá su carga durante un tiempo bastante largo después de desconectar la energía del circuito. Y si lo tocas, te sorprenderás. Muy desagradable. La resistencia R2 no se puede calcular, pero simplemente ponga cualquier resistencia de 0.5 - 1 MΩ . Con esta resistencia, la corriente a través de esta resistencia será escasa y no afectará el funcionamiento del circuito.

Con la resistencia R1, todo es más complicado. En el proceso del BIP, parece no ser necesario. Y realmente lo es.

Pero aún existe el momento de inclusión de BIP en una red. Y si en este momento el voltaje de la red está cerca del valor de amplitud, entonces el circuito puede quemarse. Incluso casi seguro quemaduras.

El hecho es que en el momento de la conexión, el condensador C1 está descargado.Un condensador descargado durante un tiempo (hasta que esté suficientemente cargado) es esencialmente un conductor. Es decir, toda la tensión de red estará en el puente de diodos, la carga, el diodo zener y las corrientes serán simplemente enormes.

Por lo tanto, ponen una resistencia R1 , cuya función es limitar la corriente en el momento del encendido. Por ejemplo, si coloca R1 con una resistencia de solo 10 ohmios , la corriente de encendido se limitará en el peor de los casos a aproximadamente 30A . Y esa corriente durante varios microsegundos ya está dentro del poder para resistir la mayoría de los diodos zener, sin mencionar los diodos rectificadores del puente de diodos.

Por lo general, esta resistencia se elige en el rango de 10-30 ohmios.. Solo tenga en cuenta que su poder no debe ser inferior a$$$P_{R1} >= {I_{C1}}^ \cdot R_1$ .Por ejemplo, si el consumo de corriente total del circuito es de 150 mA , entonces la potencia de la resistencia R1 con una resistencia de 27 ohmios debe ser al menos$$$P_{R1} >= {0.15}^2 \cdot { 27 } \approx 0.61$ .

R1 «» , . , — 1.5 — 2 . .

, , R1 R2 400: R1 , R2 , C1 .

Conclusión

Espero que después de leer, los lectores comprendan qué es un BIP y cómo funciona.

El artículo resultó ser algo más largo de lo que me gustaría. Pero, de hecho, aquí solo se consideran lo básico de lo básico. Si pinta más modificaciones del BIP , saldrá un folleto o incluso un libro.

Pido disculpas por algunas imprecisiones y simplificaciones que sin duda llamarán la atención de ingenieros electrónicos experimentados.

Aquellos que ven errores o algo que debe corregirse y complementarse dentro de límites razonables, no sean tímidos y escriban los comentarios por correo a shiotiny@yandex.ru o a mi
sitio en la sección "Contactos".

Gracias de antemano por sus comentarios.