
Worum geht es in diesem Artikel?
Dieser Artikel beschreibt die Prinzipien für den Aufbau der einfachsten transformatorlosen Stromquellen. Das Thema ist nicht neu, aber, wie die Erfahrung gezeigt hat, nicht allgemein bekannt und verständlich. Und sogar einige interessante.
Ich bitte diejenigen, die interessiert und interessiert sind,
shiotiny@yandex.ru oder meine
Website im Bereich "Kontakte" zu lesen, zu kritisieren, zu klären und hinzuzufügen.
Eintrag
Vor nicht allzu langer Zeit hat ein Freund von mir seine Finger in ein bestimmtes Schema gesteckt, das er reparieren wollte (die Drähte fielen ab - also musste man es einfach einlöten). Und er war geschockt. Es hat nicht schwer geschlagen, aber es hat ihm gereicht, sich zu wundern: „Wie so - hier steht der Mikrocontroller, was kann hier klopfen? Es wird mit 5 Volt betrieben! “
Seine Überraschung war schnell geklärt: Die Schaltung war transformatorlos und ohne galvanische Trennung vom Netz.
Dann folgten Fragen in meine Richtung. Sie wurden auf zwei Dinge reduziert: „Was? Also kannst du es schaffen?! "Und" Und wie funktioniert es? "
Obwohl ich mich nicht als Fachmann für Elektronik betrachte, musste ich solche Netzteile machen. Also musste ich einen Stift und ein Blatt nehmen und erklären, wie es funktioniert. Zum Glück ist das überhaupt nicht schwierig.
Möglicherweise erscheint Ihnen das Thema „transformatorlose“ Netzteile oder kurz
BIP interessant. Jemand für die allgemeine Entwicklung und jemand für den praktischen Gebrauch.
Home AC-Netzteile
Ich warne Sie sofort: Ich werde hier bewusst nicht auf das Schalten von Netzteilen eingehen. Dies ist ein Thema für ein anderes Gespräch.
Im Allgemeinen bestehen die Funktionen einer Stromquelle für elektronische Niederspannungsgeräte normalerweise aus folgenden Elementen: Bereitstellen einer bestimmten Spannung am Ausgang einer Stromquelle für einen bestimmten Stromverbrauchsbereich. Das heißt, formal ausgedrückt, eine Stromquelle ist eine Konstantspannungsquelle
Uout , die
Uout = const beibehält , wenn sich der Stromverbrauch von
Imin zu
Imax ändert.
Bei einer „klassischen“ linearen Stromversorgung geschieht dies normalerweise folgendermaßen: Die Eingangsnetzspannung wird durch einen Transformator reduziert, dann wird diese Spannung gleichgerichtet und schließlich durch einen linearen Stabilisator stabilisiert.
Das Blockschaltbild der „klassischen“ linearen Stromversorgung ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Einer der "unbequemsten" Teile einer solchen Stromquelle ist ein Transformator: Er ist teuer und sperrig.

Funkamateure und Funkprofis suchten daher nach Möglichkeiten, wie sie dieses sperrige und teure Teil eines Transformators aufgeben oder zumindest dessen Größe und Kosten reduzieren konnten.
Und eine solche Lösung wurde gefunden: Sie begannen, die Reaktanz des Kondensators Rc zu verwenden, um die Überspannung zu "löschen". Das Blockschaltbild der „transformatorlosen“ Stromversorgung (
BIP ) ist unten dargestellt.

Wie Sie sehen, unterscheidet sich der Aufbau des
BIP kaum von der klassischen linearen Stromquelle. Ist das anstelle eines Transformators ein Löschkondensator. Lassen Sie sich nicht durch die Ähnlichkeit der Struktur dieser Stromquellen in der Abbildung verwirren oder täuschen: Es
gibt viele Unterschiede im Inneren .
Vorteile des
BIP : Es ist relativ kompakt, zuverlässig, billig und hat keine Angst vor einem Kurzschluss im Ausgang.
Es gibt jedoch erhebliche Nachteile: Es ist gefährlich, wenn eine Person die Elemente eines mit Strom versorgten Geräts berührt. Und der maximale Strom, den eine solche Stromquelle liefern kann, beträgt nur einige hundert Milliampere. Mit einem höheren Strom sind die Abmessungen der Kondensatoren groß und es ist einfacher, einen Transformator oder sogar einen Impulsgenerator anzubringen.
Basierend auf den Vor- und Nachteilen des
BIP umfasst sein Anwendungsbereich gut isolierte Geräte mit geringem Stromverbrauch, die über ein Haushaltsnetz mit Strom versorgt werden: eigenständige Sensoren, Lichtsteuergeräte, Lüftungs- und Heizungsschaltgeräte sowie andere Geräte mit geringem Stromverbrauch, die autonom arbeiten.
Versuchen wir zu verstehen, wie die reale
BIP- Schaltung funktioniert und wie sie berechnet wird.
Praxistheorie und Praxistheorie
Ein Beispiel für ein einfaches praktisches Schema
Da
BIPs vor dem Aufkommen billiger „Impulse“ wahrscheinlich die günstigste Möglichkeit zur Reduzierung der Größe und des Preises einer Stromquelle waren, sind
BIP- Schaltkreise in Büchern und im Internet ein Wagen und ein kleiner Karren. Das Funktionsprinzip nahezu aller Stromkreise ist jedoch in etwa dasselbe: ein oder mehrere Löschkondensatoren am Eingang, ein Gleichrichter und ein Ausgangsgleichspannungsstabilisator.
Schauen wir uns einen der einfachsten Arbeitskreise des
BIP an , der in der folgenden Abbildung dargestellt ist.

Alle Hauptteile der Schaltung sind sofort sichtbar: ein Löschkondensator
C1 ; ein Halbwellengleichrichter - eine Diodenbrücke
VD1 und ein Glättungskondensator
C2 ; Spannungsstabilisator - Zenerdiode
VS1 ; und schließlich ist die Last ein
Rn- Gerät, das von der Quelle mit Strom versorgt wird.
Vergessen Sie die "zusätzlichen Elemente" oder "die Grundformel des BIP"
Vergessen wir der Einfachheit halber die Existenz der Widerstände
R1 und
R2 : Wir gehen davon aus, dass
R2 überhaupt nicht vorhanden ist und
R1 durch einen Jumper ersetzt wird. Für alle Berechnungen ist dies nicht wesentlich, aber wir werden später über den Zweck dieser Widerstände sprechen. Das heißt, vorübergehend sieht das Schema für uns wie folgt aus.

Der durch den Löschkondensator
C1 begrenzte Wechselstrom des Stromversorgungsnetzes fließt durch die Punkte
1 und
2 der Diodenbrücke
VD1 .
Der Gleichstrom, der nach der Gleichrichtung der Wechselstromdiodenbrücke
VD1 erhalten wird, fließt durch die Zenerdiode und die "Last"
Rn ist das
zugeführte Gerät.
Das Diagramm zeigt, wie alle Ströme fließen:
Ic ist der Wechselstrom des Netzes,
In ist der Gleichstrom der Last und
Ist ist der Konstantstrom der Zenerdiode.
Obwohl ich "konstante" und "wechselnde" Ströme geschrieben habe - ist es tatsächlich ein und derselbe Strom. Nur eine Diodenbrücke lässt es durch die Zenerdiode fließen und die Last ist immer in die gleiche Richtung.
Wenn wir davon ausgehen, dass wir den aktuellen Wert messen
Ic Dann können wir die Grundformel für den Betrieb unseres BIP-Schemas schreiben:
IC=ICT+IH
Dies folgt aus dem
ersten Kirchhoff-Gesetz , das besagt, dass die Summe der in einen Knoten fließenden Ströme gleich der Summe der von ihm fließenden Ströme ist und in der Tat eine bestimmte Formulierung des Gesetzes zur Erhaltung von Masse / Energie ist.
Aus dieser Formel folgt eine einfache, aber wichtige Schlussfolgerung: bei konstanter Spannung
U220 Stromaufnahme aus dem Netz
Ic Ändert sich praktisch nicht, wenn sich der Widerstand
Rn im aktuellen Betriebsbereich
ändert - dies ist der Hauptunterschied zwischen dem
BIP und der linearen Stromversorgung mit einem Transformator.
Obwohl die zu Beginn des Artikels angegebenen Blockschaltbilder der Netzteile sehr ähnlich sind, funktionieren sie sehr unterschiedlich: Der Abwärtstransformator im ersten Blockschaltbild ist eine Spannungsquelle und der Löschkondensator im zweiten Blockschaltbild eine Stromquelle !
Aber zurück zu unserem Schema. Aus der letzten Formel wird auch deutlich, dass die Stabilisierungsschaltung im Wesentlichen ein Stromteiler zwischen der Last
R &
supmin; und der Zenerdiode
VS1 ist .
Wenn die Last
R & supmin; vollständig abgerissen ist, fließt der gesamte Strom durch die Zenerdiode. Wenn die Last
Rn kurzgeschlossen wird, fließt der gesamte Strom unter Umgehung der Zenerdiode durch die Last.
Aber auf keinen Fall die Zenerdiode VS1 von der Schaltung "abzureißen"! Wenn Sie es abreißen, kann die gesamte Netzspannung an die Last Rn geliefert werden . Die Folgen werden höchstwahrscheinlich traurig sein.
Wenn Pedanterie nicht benötigt wird
In jedem Fall ist der durch den Löschkondensator
C1 fließende Strom
Ic von der vollständigen Unterbrechung von
Rn bis zu seinem "Kurzschluss" ungefähr gleich
I_C = {U_ {220} \ over {R_ {C1}} ; wo
U220 - Netzspannung und
RC1 - der Widerstand des Kondensators
C1 .
Pedanten und andere Liebhaber der Genauigkeit können mir die Schuld geben, sie sagen, ich habe die Spannung an der Diodenbrücke (zwischen Punkt
1 und
2 ) nicht berücksichtigt. Daher ist die Spannung am Kondensator
C1 etwas geringer als
U220 - Spannung an der Steckdose.
Natürlich, streng formal, werden andere Pedanten Recht haben. Aber ich wage zu bemerken, dass, wenn die Last, die wir haben, ein Niedrigleistungsgerät mit einer Stromversorgung von
5 V oder
12 V ist und die Spannung "in der Steckdose" ungefähr
220 V beträgt , der Spannungsabfall über der Last sicher vernachlässigt werden kann: der Unterschied in den "genauen" und "ungefähren" Berechnungen wird nicht mehr als einige sein Prozent.
Was ist der Löschkondensatorwiderstand?
RC1 ? Dies ist die Reaktanz des Kondensators: Sie hängt von der Frequenz der an den Kondensator gelieferten Spannung ab und wird nach der Formel berechnet:
RC=1 over2 cdot pi cdotf cdotC Dabei ist
f die Spannungsfrequenz in Hertz und
C die Kapazität des Kondensators in Farad. Da die Frequenz des Netzwerks fest ist und
50 Hz beträgt , können Sie für technische Berechnungen die Formel verwenden:
RC1 ca.1 über314 cdotC1 von wo
C1 ca.1 über314 cdotRC . Für Pedanten erinnere ich Sie noch einmal daran, dass die Kapazität des Kondensators immer einen Fehler von einigen Prozent aufweist (normalerweise
5% -15% ), so dass es keinen Sinn macht, genauer zu zählen.
Basierend auf den obigen Formeln können wir die Kapazität des Kondensators C1 berechnen:
C1 ca.IC über314 cdotU220 . Wir kennen die Netzspannung. Ein Strom
IC=ICT+IH kann berechnet werden, indem der maximale Laststrom und der minimale Stabilisierungsstrom der Zenerdiode
VS1 bekannt sind (dies ist ein Referenzparameter).
Das ist eine Theorie. Ich werde versuchen, so etwas wie die Berechnungsmethode für den BIP zu beschreiben.
Brauchen wir überhaupt ein BIP?
Zunächst werden wir die Frage lösen - ist es überhaupt notwendig, in einem bestimmten Fall
BIP zu verwenden?
Wenn der Laststrom
Rn größer als
0,3-0,5 A ist , ist es besser, den
BIP nicht zu verwenden: Es gibt viele Probleme, und in der Regel gibt es nur einen geringen oder keinen Größen- und Kostengewinn. Normalerweise sollten Sie sich auch nicht auf ein
BIP verlassen, wenn die Versorgungsspannung des Geräts mehr als
24-27 V beträgt . Und vergessen Sie nicht die Sicherheit!
Angenommen, wir müssen einen einfachen Schaltkreis auf einem Mikrocontroller mit Strom versorgen, der einen mäßigen Strom von Milliampere auf diese Weise 100 bei einer mäßigen Spannung von 3-6 V aufnimmt. Der Stromkreis ist isoliert und daher sicher.
Wie schätze ich die Kapazität von C1 und wähle eine Zenerdiode VS1 aus?
Zunächst ist der maximale Laststrom
Imax zu klären: berechnen oder messen.
Dann müssen Sie in das Verzeichnis gelangen und dort die Zenerdiode finden. Ja, jedenfalls nicht, sondern auf die gewünschte Spannung
Uout .
Bei der Suche nach einer Zenerdiode ist zu beachten, dass ihr maximaler Stabilisierungsstrom I
max nicht kleiner als
(I min + In max) sein darf. Warum so? Ja, damit die Zenerdiode nicht durchbrennt, wenn Sie die Last
Rn abreißen . Und umgekehrt - wenn die Last den maximalen Strom verbraucht,
fließt der minimale Stabilisierungsstrom
Imin durch die Zenerdiode. In der Praxis muss eine Zenerdiode so gewählt werden, dass ihr maximaler Stabilisierungsstrom I
max um mindestens
20% größer ist als die Summe der Ströme
(I min + Im max) . Vergessen Sie nicht, dass das Netzwerk nicht immer
220V liefert . Vielleicht
250V leicht. Daher ist die derzeitige Marge kein Selbstbehalt, sondern eine angemessene Vorsichtsmaßnahme.
Als nächstes berechnen wir die Kapazität des Löschkondensators
C1 . Seine Reaktanz ist ungefähr gleich:
RC=U220 overICTMIN+IHMAX und seine Kapazität ist
C_1 \ ca. {{I_C} \ über {314 \ cdot U_ {220}} = {{I_ {CTMIN} + I_ {HMAX}} \ über {314 \ cdot U_ {220}} für Netzspannung mit einer Frequenz von
50Hz .
Vergessen Sie nicht, dass die maximal zulässige Spannung des Kondensators
C1 für ein Haushaltsnetz von
220 V mindestens
400 V betragen muss . Und natürlich sollte der Kondensator
C1 nicht elektrolytisch sein: Er arbeitet in einem Wechselstromnetz.
Tatsächlich ist dies das Wichtigste - die Auswahl einer Zenerdiode und die Berechnung der Kapazität eines Kondensators.
Für diejenigen, denen nicht klar ist, was
Istmax und
Istmin sind , werde ich näher erläutern.
Der maximale Stabilisierungsstrom der Zenerdiode
Imax ist ein solcher Strom durch die Zenerdiode, bei dessen Überschreitung die Zenerdiode ausfällt.
Der minimale Stabilisierungsstrom der Zenerdiode
Imin ist der minimale Strom durch die Zenerdiode, bei dem die Spannung an der Zenerdiode den Bemessungskennlinien entspricht.
Das heißt, die Zenerdiode muss unter solchen Bedingungen arbeiten, dass der durch sie fließende Stabilisierungsstrom
Ist im Bereich liegt
ICTMIN<ICT<ICTMAX .
Die Werte von
Imin und I
max für eine bestimmte Zenerdiode finden Sie im Handbuch und sie sind immer in der Beschreibung der Zenerdiode angegeben.
Also noch einmal zu Punkten, wie man
C1 berechnet und die Zenerdiode
VS1 wählt.
- Wir bestimmen die Lastspannung Uout . In der Regel wissen wir es.
- Wir bestimmen den maximalen Laststrom Imax . Sie können messen oder berechnen.
- Wir klettern in das Verzeichnis und suchen nach einer Zenerdiode für die Spannung Uout , so dass die Bedingung erfüllt ist (ICTMIN+IHMAX)<0.8 cdotICTMAX . (0,8 - weil wir 20% aktuelle Marge wollen).
- Wir berechnen die Kapazität des Löschkondensators C1 nach der Formel C1 ca.ICTMIN+IHMAX über314 cdotU220
Berechnungsbeispiel
Angenommen, die Lastversorgungsspannung ist
Uout = 5V und der maximale Laststrom ist
Inmax = 100mA .
Wir klettern in das Verzeichnis und finden dort eine solche Zenerdiode:
KS447A . Die Stabilisierungsspannung beträgt ca.
5V .
Istmin = 3 mA ,
Istmax = 160 mA .
Wir prüfen. Ungleichung
(3mA+100mA)<0,8cDot160mA - erfüllt ist, dann ist die Zenerdiode für Strom geeignet.
Wir berechnen den Kondensator
C1 :
C_1 \ ungefähr {{I_ {STMIN} + I_ {HMAX}} \ über {314 \ cdot U_ {220}} = {{0,003A + 0,1A} \ über {314 \ cdot 220V}} \ ungefähr 1,5 uF . Vergessen Sie nicht, dass für ein
220-V- Haushaltsnetz der Kondensator
C1 400 V betragen muss.
Filter oder Kondensator C2
Wie Sie wissen, liefert die Diodenbrücke keine gleichgerichtete Spannung: Die Ausgangsspannung pulsiert.
Um die Welligkeit zu glätten, wird ein Filterkondensator
C2 verwendet . Wie berechnet man seine Kapazität?
Wie üblich können zwei Methoden angewendet werden - die exakte und die vereinfachte. Die genaue Methode berücksichtigt, dass sich der Kondensator exponentiell und mit anderen Nuancen entlädt. Wenn wir uns jedoch daran erinnern, dass es nicht möglich ist, die Kondensatoren genau für die erforderliche Kapazität auszuwählen (eine Kapazitätsspanne von 10-15% ist die Norm), lassen wir einige Vereinfachungen zu, die das Ergebnis praktisch nicht beeinflussen.
Um zu verstehen, wie die Kapazität eines Kondensators
C2 berechnet wird, erinnern wir uns, was ein Gleichrichter ist. Schauen wir uns das Bild unten an. Die Spannungs-Zeit-Diagramme sehen in unserer Schaltung mit einer Diodenbrücke als Gleichrichter ungefähr so aus.

Die blaue Linie mit der Nummer
1 ist die Wechselspannung am Eingang der Diodenbrücke (Punkte
1 und
2 der
BIP- Schaltung).
Die rote Linie, angezeigt durch die Nummer
2 , ist die Spannung an der Zenerdiode
VS1 bei Fehlen eines Glättungskondensators
C2 oder einer Welligkeitsspannung (stellen Sie sich vor, dass
C2 vorübergehend von der Schaltung „abgeschaltet“ wurde). Und schließlich ist die grüne Linie mit der Nummer
3 die geglättete gleichgerichtete Spannung, wenn der Kondensator
C2 angeschlossen ist.
Die ungefilterte (pulsierende) Spannung am Gleichrichterausgang (Leitung
2 ) hat eine geringfügig geringere Amplitude als die Spannung am Gleichrichtereingang (Leitung
1 ). Dies ist einfach zu erklären: Mehrere Zehntel Volt fallen an den Dioden ab.
Die grüne Linie
3 zeigt den Lade- und Entladevorgang des Kondensators
C2 . Die maximale Spannung, die in unserer Schaltung geladen werden kann, ist die Spannung an der Zenerdiode
VS1 . Dann beginnt sich der Kondensator zu entladen, bis er sich in der nächsten Zeit wieder auflädt.
Die Welligkeitsamplitude ist die Spannung, bei der der Kondensator
C2 in einer Periode der Welligkeitsspannung am Ausgang des Gleichrichters entladen wurde (Leitung
2 ).
Es ist nicht schwierig, die Amplitude der Pulsationen näherungsweise zu berechnen, wenn wir den Entladestrom als Konstante nehmen - dies ist der maximale Laststrom
Rn , den wir als
Imax bezeichnet haben .
Nach der Grundformel des Kondensators
I=CdU overdt es kann grob geschätzt werden, dass:
DeltaU ungefährIHMAX überC cdot Deltat wo
DeltaU Ist die Welligkeitsamplitude a
Deltat - Zeitspanne eine Periode der Brummspannung am Ausgang des Gleichrichters (Leitung
2 ).
Die Abbildung zeigt deutlich, dass der Zeitraum
Deltat gleich der halben Periode der Versorgungsspannung, oder
Deltat=1 over2 cdotf Dabei ist
f die Frequenz der Netzspannung (
50 Hz ).
Wenn wir also eine Formel durch eine andere ersetzen, erhalten wir:
DeltaU ungefährIHMAX über2 cdotf cdotC2 oder
C_2 \ ungefähr {I_ {HMAX} \ über {2 \ cdot f \ cdot {\ Delta U}} .
Nun ist die Wahl am schwierigsten, aber welche Pulsamplitude passt zu uns? Wenn die Last über einen eigenen linearen Stabilisator verfügt, ist es im Prinzip ausreichend, dass die Welligkeitsamplitude bei
10-20% liegt . Zum Beispiel gibt es oft in der Last
Rn eine Art Stabilisator -
7805 oder
AMS1117 oder so ähnlich.
Wenn die digitale Schaltung ohne zusätzliche Stabilisierung direkt von unserem
BIP gespeist werden soll, ist es besser, den Ripple-Koeffizienten nicht auf mehr als
5% einzustellen.
Angenommen, unsere Schaltung wird mit
5 V betrieben und hat einen maximalen Stromverbrauch von
100 mA . Der Welligkeitsfaktor ist auf
5% eingestellt . Das bedeutet das
DeltaU entspricht
5% von
5V oder
0,25V . Netzwerkfrequenz -
50Hz .
Von hier finden wir den Kondensator
C2 -
C_2 \ ungefähr {I_ {HMAX} \ über {2 \ cdot f \ cdot \ Delta U}} = {{{0.1A} \ über {2 \ cdot 50Hz \ cdot 0.25V}} = 4000 μF . Nekhilaya eine solche Kapazität! Darüber hinaus ist die nächstgrößere Kapazität
4700 uF . Dies ist selbst für eine Spannung von
10 V ein ziemlich großer Kondensator.
Wenn sich in der Schaltung ein linearer Stabilisator befindet, beispielsweise
AMS1117 , kann der Welligkeitspegel auf
20% gewählt werden , während die Kapazität des Kondensators
C2 nur etwa
1000 μF beträgt .
Widerstände R1 und R2 - notwendig und wichtig
Kehren wir zu den Widerständen
R1 und
R2 zurück , die wir vorübergehend vergessen haben.
Mit dem
R2- Widerstand ist alles einfach - es wird für die Sicherheit des Menschen benötigt. Das heißt, damit sich der Kondensator
C1 nach dem Trennen des Stromkreises von der Stromversorgung entlädt. Andernfalls behält der Kondensator
C1 , wenn
R2 nicht eingestellt ist, seine Ladung nach dem Trennen der Stromversorgung von der Schaltung für eine ziemlich lange Zeit bei. Und wenn Sie es berühren, werden Sie schockiert sein. Sehr unangenehm. Der Widerstand
R2 kann nicht berechnet werden, sondern setzt einfach einen Widerstand von
0,5 - 1 MΩ . Mit diesem Widerstand ist der Strom durch diesen Widerstand spärlich und beeinträchtigt den Betrieb der Schaltung nicht.
Mit dem Widerstand
R1 ist alles komplizierter. Im Rahmen des
BIP scheint dies nicht erforderlich zu sein. Und das ist es wirklich.
Aber es gibt noch den Moment der Einbeziehung der Grenzkontrollstelle in das Netzwerk. Wenn in diesem Moment die Netzspannung nahe am Amplitudenwert liegt, kann der Stromkreis durchbrennen. Sogar mit ziemlicher Sicherheit brennt.
Fakt ist, dass zum Zeitpunkt des Einschaltens der Kondensator
C1 entladen ist. - ( ) . , , .
R1 , — . ,
R1 10 ,
30 . , .
10-30 . , ,
PR1>=IC1⋅R1 . , ,
150 ,
R1 27 PR1>=0.152⋅27≈0.61 .
R1 «» , . , — 1.5 — 2 . .
, , R1 R2 400: R1 , R2 , C1 .
Fazit
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, . .
— , , .
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, -, — ,
shiotiny@yandex.ru«».
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