Notes sur tout. Alimentations simples et dangereuses

De quoi parle cet article

Cet article décrit les principes de construction des sources d'alimentation sans transformateur les plus simples. Le sujet n'est pas nouveau, mais, comme l'expérience l'a montré, il n'est pas bien connu et compréhensible par tout le monde. Et même certains intéressants.

Je demande à ceux qui sont intéressés et intéressés de lire, critiquer, clarifier et ajouter à shiotiny@yandex.ru ou à mon site dans la section "Contacts".

Entrée

Il n'y a pas si longtemps, un de mes amis a mis ses doigts dans un certain schéma qu'il allait réparer (les fils sont tombés - il vous suffit donc de le souder en place). Et il a été choqué. Cela n’a pas frappé fort, mais il lui a suffi d’être surpris: «comment cela - ici le microcontrôleur est debout, qu'est-ce qui peut frapper ici? Il est alimenté par 5 volts! ”

Sa surprise a été rapidement clarifiée: le circuit s'est avéré avoir une alimentation sans transformateur et sans isolation galvanique du réseau.

Puis des questions ont suivi dans ma direction. Ils ont été réduits à deux choses: «Quoi? Vous pouvez donc le faire?! "Et" Et comment ça marche? "

Bien que je ne me considère pas comme un expert en électronique, j'ai dû faire de telles alimentations. J'ai donc dû prendre un stylo et une feuille et expliquer comment cela fonctionne. Heureusement, ce n'est pas du tout difficile.

Il est possible que le thème des alimentations «sans transformateur» ou, en bref, du BIP , vous paraisse intéressant. Quelqu'un pour le développement général et quelqu'un pour une utilisation pratique.

Accueil Alimentations CA

Je vous préviens tout de suite: je ne vais pas délibérément aborder ici la commutation des alimentations. Ceci est un sujet pour une autre conversation.

De manière générale, les fonctions d'une source d'alimentation pour les équipements électroniques basse tension sont généralement les suivantes: fournir une tension donnée à la sortie d'une source d'alimentation pour une gamme donnée de consommation de courant. Autrement dit, une source d'énergie est une source de tension constante Uout , qui maintient Uout = const lorsque la consommation de courant passe d' Imin à Imax .

Dans une alimentation linéaire «classique», cela se produit généralement de la manière suivante: la tension d'entrée du réseau est réduite par un transformateur, puis cette tension est redressée et enfin stabilisée par un stabilisateur linéaire.

Le schéma de principe de l'alimentation linéaire «classique» est illustré dans la figure ci-dessous. L'une des parties les plus "gênantes" d'une telle source d'alimentation est un transformateur: il est coûteux et encombrant.



Par conséquent, les radio-amateurs et les professionnels de la radio cherchaient des moyens - comment abandonner cette partie volumineuse et coûteuse - un transformateur, ou du moins réduire sa taille et son coût.

Et une telle solution a été trouvée: ils ont commencé à utiliser la réactance du condensateur Rc pour «éteindre» l'excès de tension. Le schéma de principe de l'alimentation «sans transformateur» ( BIP ) est illustré ci-dessous.



Comme vous pouvez le voir, la structure du BIP n'est presque pas différente de la source d'alimentation linéaire classique. Est-ce qu'au lieu d'un transformateur mettre un condensateur de trempe. Ne soyez pas confus ou trompé par la similitude de la structure de ces sources d'énergie dans la figure: il y a beaucoup de différences à l'intérieur .

Avantages du BIP : il est relativement compact, fiable, bon marché, n'a pas peur d'un court-circuit en sortie.

Mais il y a des inconvénients importants: il est dangereux du point de vue d'une personne touchant les éléments d'un appareil alimenté. Et le courant maximal qu'une telle source d'alimentation peut fournir n'est que de quelques centaines de milliampères. Avec un courant plus élevé, les dimensions des condensateurs sont grandes et il est plus facile de mettre un transformateur ou même de mettre un générateur d'impulsions.

Sur la base des avantages et des inconvénients du BIP , son champ d'application est celui des appareils basse consommation bien isolés alimentés par un réseau électrique domestique: capteurs autonomes, dispositifs de commande d'éclairage, appareils de commutation de ventilation et de chauffage et autres appareils basse consommation fonctionnant de manière autonome.

Essayons de comprendre comment fonctionne le vrai circuit BIP et comment le calculer.

Théorie de la pratique et théorie de la pratique

Un exemple d'un schéma pratique simple

Depuis avant, avant l'avènement d '«impulsions» bon marché, les BIP étaient probablement le moyen le plus abordable de réduire la taille et le prix d'une source d'alimentation, puis les circuits BIP dans les livres et Internet sont un wagon et un petit chariot. Mais le principe de fonctionnement de presque tous les circuits est à peu près le même: un ou plusieurs condensateurs de trempe à l'entrée, un redresseur et un stabilisateur de tension DC de sortie.

Examinons l'un des circuits de travail les plus simples du BIP , qui est illustré dans la figure ci-dessous.



Toutes les parties principales du circuit sont immédiatement visibles: un condensateur d'extinction C1 ; un redresseur demi-onde - un pont de diodes VD1 et un condensateur de lissage C2 ; stabilisateur de tension - diode zener VS1 ; et enfin, la charge est un appareil Rn alimenté par la source.

Oubliez les "éléments supplémentaires" ou "la formule de base du BIP"

Pour simplifier, oublions l'existence des résistances R1 et R2 : nous supposons que R2 est absent du tout, et R1 est remplacé par un cavalier. Pour tous les calculs, ce n'est pas essentiel, mais nous parlerons plus tard de la fonction de ces résistances. Autrement dit, le schéma pour nous ressemblera à la figure suivante.



Le courant alternatif du réseau d'alimentation, limité par le condensateur d'extinction C1 , passe par les points 1 et 2 du pont de diodes VD1 .

Le courant continu obtenu après redressement du pont de diodes alternées VD1 traverse la diode zener et la «charge» Rn est le dispositif fourni .

Le diagramme montre comment circule tous les courants: Ic est le courant alternatif du réseau, In est le courant continu de la charge et Ist est le courant constant de la diode zener.

Bien que j'écrive des courants «constants» et «alternatifs» - en fait c'est un seul et même courant. Un simple pont de diodes le fait passer à travers la diode zener et la charge est toujours dans le même sens.

Si nous supposons que nous mesurons la valeur actuelle $$$I_c$ , nous pouvons alors écrire la formule de base pour le fonctionnement de notre schéma BIP:

$$

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

Cela découle de la première loi de Kirchhoff , qui stipule que la somme des courants circulant dans n'importe quel nœud est égale à la somme des courants qui en découlent et, en fait, est une formulation particulière de la loi de conservation de la masse / énergie.

De cette formule, une conclusion simple mais importante suit: à une tension constante $$$U_ {220}$ , courant consommé par le secteur $$$I_c$ ne change pratiquement pas lorsque la résistance Rn change dans la plage de fonctionnement actuelle - c'est la principale différence entre le BIP et l'alimentation linéaire avec transformateur.

Malgré le fait que les schémas fonctionnels des alimentations indiqués au début de l'article sont très similaires, ils fonctionnent très différemment: le transformateur abaisseur dans le premier schéma fonctionnel est une source de tension , et le condensateur de trempe dans le second schéma fonctionnel est une source de courant !

Mais revenons à notre schéma. De la dernière formule, il apparaît également clairement que le circuit stabilisateur est essentiellement un diviseur de courant entre la charge R et la diode zener VS1 .

Si la charge R est complètement arrachée, alors tout le courant passera par la diode Zener. Si la charge R est court-circuitée, tout le courant passera à travers la charge, contournant la diode Zener.

Mais "arracher" la diode zener VS1 du circuit en aucun cas! Si vous l'arrachez, alors toute la tension secteur peut être fournie à la charge R . Les conséquences seront très probablement tristes.

Lorsque la pédanterie n'est pas nécessaire

Dans tous les cas, de la déconnexion complète de Rn à son «court-circuit», le courant Ic traversant le condensateur de trempe C1 sera à peu près égal $$$I_C = {U_ {220} \ over {R_ {C1}}}$ ; où $$$U_ {220}$ - la tension du réseau, et $$$R_ {C1}$ - la résistance du condensateur C1 .

Les pédants et autres amateurs de précision peuvent m'en vouloir, ils disent que je n'ai pas pris en compte la tension sur le pont de diodes (entre les points 1 et 2 ). Par conséquent, la tension aux bornes du condensateur C1 sera légèrement inférieure à $$$U_ {220}$ - tension à la sortie.

Bien sûr, strictement formellement, les autres pédants auront raison. Mais j'ose noter que si la charge que nous avons est un appareil de faible puissance avec une alimentation de 5V ou 12V , et que la tension "dans la prise" est d'environ 220V , alors la chute de tension à travers la charge peut être négligée en toute sécurité: la différence dans les calculs "exacts" et "approximatifs" ne sera que de quelques pour cent.

Quelle est la résistance du condensateur de trempe $$$R_ {C1}$ ? Il s'agit de la réactance du condensateur: elle dépend de la fréquence de la tension fournie au condensateur et est calculée par la formule: $$$R_C = {1 \ over {2 \ cdot \ pi \ cdot f \ cdot C}}$ , où f est la fréquence de tension en Hertz, et C est la capacité du condensateur en Farads. Puisque la fréquence du réseau que nous avons est fixe et est de 50 Hz , alors pour les calculs d'ingénierie, vous pouvez utiliser la formule: $$$R_ {C1} \ environ {1 \ sur {314 \ cdot {C1}}}$ d'où $$${C1} \ environ {1 \ sur {314 \ cdot {R_C}}}$ . Pour les pédants, je vous rappelle encore une fois que la capacité du condensateur a toujours une erreur de quelques pour cent (généralement 5% -15% ), donc cela n'a aucun sens de compter plus précisément.

Sur la base des formules ci-dessus, nous pouvons calculer la capacité du condensateur C1: $$${C1} \ environ {{I_C} \ sur {314 \ cdot U_ {220}}}$ . Nous connaissons la tension secteur. Un courant $$$I_C = I_ {CT} + I_H$ peut être calculé en connaissant le courant de charge maximum et le courant de stabilisation minimum de la diode zener VS1 (c'est un paramètre de référence).

Ceci est une théorie. Je vais essayer de décrire quelque chose comme la méthodologie de calcul du BIP "sur les doigts".

Avons-nous besoin d'un BIP?

Pour commencer, nous allons résoudre la question - est-il même nécessaire d'utiliser BIP dans un cas particulier?

Si le courant de charge Rn est supérieur à 0,3-0,5A , il est préférable de ne pas utiliser le BIP : il y a beaucoup de problèmes, et généralement il y a peu ou pas de gain en taille et en coût. En outre, vous ne devez généralement pas compter sur un BIP si la tension d'alimentation de l'appareil est supérieure à 24-27V . Et n'oubliez pas la sécurité!

Supposons que nous ayons besoin d'alimenter un simple circuit sur un microcontrôleur qui consomme un courant modéré de milliampères de cette façon 100 à une tension modérée de 3-6V. Le circuit est isolé et donc sûr.

Comment estimer la capacité de C1 et choisir une diode zener VS1?

Tout d'abord, il est nécessaire de clarifier le courant de charge maximum Imax : calculer ou mesurer.

Ensuite, vous devez entrer dans le répertoire et y trouver la diode zener. Oui, pas de toute façon, mais à la tension souhaitée Uout .

Lors de la recherche d'une diode Zener, il convient de garder à l' esprit que son courant de stabilisation maximum I max ne doit pas être inférieur à (I min + In max) . Pourquoi Oui, de sorte que si vous arrachez la charge Rn , la diode zener ne s'éteindra pas. Et vice versa - si la charge consomme le courant maximum, alors le courant de stabilisation minimum Imin passe à travers la diode zener. En pratique, il faut choisir une diode zener pour que son courant maximal de stabilisation I max soit supérieur d'au moins 20% à la somme des courants (I min + Im max) . N'oubliez pas que le réseau est loin d'être toujours 220V . Peut-être 250V facilement. Par conséquent, la marge actuelle n'est pas un excès, mais une précaution raisonnable.

Ensuite, nous calculons la capacité du condensateur d'extinction C1 . Sa réactance sera approximativement égale à: $$$R_C = {U_ {220} \ over {I_ {CTMIN} + I_ {HMAX}}}$ , et sa capacité, respectivement, est $$$C_1 \ approx {{I_C} \ over {314 \ cdot U_ {220}}} = {{I_ {CTMIN} + I_ {HMAX}} \ over {314 \ cdot U_ {220}}}$ pour tension secteur avec une fréquence de 50Hz .

N'oubliez pas que la tension maximale admissible du condensateur C1 doit être d'au moins 400V pour un réseau domestique de 220V . Et, bien entendu, le condensateur C1 ne doit pas être électrolytique: il fonctionne dans un réseau à courant alternatif.

En fait, c'est la chose la plus importante - sélectionner une diode Zener et calculer la capacité d'un condensateur.

Pour ceux qui ne savent pas exactement ce que Istmax et Istmin , je vais expliquer plus en détail.

Le courant de stabilisation maximum de la diode zener Imax est un tel courant à travers la diode zener, quand il est dépassé, la diode zener tombe en panne.

Le courant de stabilisation minimal de la diode zener Imin est le courant minimal traversant la diode zener auquel la tension sur la diode zener correspond aux caractéristiques nominales.

C'est-à-dire que la diode zener doit fonctionner dans des conditions telles que le courant de stabilisation Ist qui la traverse se situe dans la plage $$$I_ {CTMIN} <I_ {CT} <I_ {CTMAX}$ .

Les valeurs de Imin et I max pour une diode zener particulière peuvent être trouvées dans le manuel et elles sont toujours indiquées dans la description de la diode zener.

Donc, encore une fois, sur les points, sur la façon de calculer C1 et de choisir la diode zener VS1 .

• On détermine la tension de charge Uout . En règle générale, nous le savons.
• Nous déterminons le courant de charge maximum Imax . Vous pouvez mesurer ou calculer.
• Nous montons dans le répertoire et recherchons une diode zener pour la tension Uout , telle que la condition $$$(I_ {CTMIN} + I_ {HMAX}) <0,8 \ cdot I_ {CTMAX}$ . (0,8 - parce que nous voulons une marge actuelle de 20%).
• Nous calculons la capacité du condensateur de trempe C1 selon la formule $$$C_1 \ environ {{I_ {CTMIN} + I_ {HMAX}} \ sur {314 \ cdot U_ {220}}}$

Exemple de calcul

Supposons que la tension d'alimentation de la charge soit Uout = 5 V et que le courant de charge maximal soit Inmax = 100 mA .

On monte dans l'annuaire et on y trouve une telle diode zener: KS447A . La tension de stabilisation est d'environ 5V . Istmin = 3mA , Istmax = 160mA .

Nous vérifions. Inégalité $$$(3mA + 100mA) <0,8 \ cdot 160mA$ - est remplie, alors la diode zener est adaptée au courant.

On calcule le condensateur 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$ . N'oubliez pas que pour un réseau domestique 220V , le condensateur C1 doit être 400V .

Filtre ou condensateur C2

Le pont de diodes, comme vous le savez, ne donne pas de tension redressée: la tension de sortie est pulsatoire.

Pour lisser l'ondulation, un condensateur de filtrage C2 est utilisé . Comment calculer sa capacité?

Comme d'habitude, deux méthodes peuvent être appliquées - l'exacte et la simplifiée. La méthode exacte tient compte du fait que le condensateur se décharge de façon exponentielle et d'autres nuances. Mais en se rappelant qu'il est impossible de sélectionner les condensateurs exactement pour la capacité requise (une répartition des capacités de 10 à 15% est la norme), nous autoriserons quelques simplifications qui n'affecteront pratiquement pas le résultat.

Pour comprendre comment calculer la capacité d'un condensateur C2 , nous rappelons ce qu'est un redresseur. Regardons l'image ci-dessous. Les diagrammes de la tension en fonction du temps ressemblent à ceci dans notre circuit, en utilisant un pont de diodes comme redresseur.



La ligne bleue indiquée par le chiffre 1 est la tension alternative à l'entrée du pont de diodes (points 1 et 2 sur le circuit BIP ).

La ligne rouge, indiquée par le chiffre 2 , est la tension à la diode zener VS1 , en l'absence d'un condensateur de lissage C2 ou d'une tension d'ondulation (imaginez que C2 était temporairement «bit off» du circuit). Et enfin, la ligne verte indiquée par le chiffre 3 est la tension redressée lissée lorsque le condensateur C2 est connecté.

La tension non filtrée (pulsée) à la sortie du redresseur (ligne 2 ) est légèrement inférieure en amplitude à la tension à l'entrée du redresseur (ligne 1 ). Cela s'explique simplement: plusieurs dixièmes de volt tombent sur les diodes.

La ligne verte 3 montre le processus de charge et de décharge du condensateur C2 . La tension maximale qui peut se charger dans notre circuit est la tension à la diode zener VS1 . Ensuite, le condensateur commence à se décharger jusqu'à ce que la période suivante commence à se recharger.

L'amplitude d'ondulation est la tension à laquelle le condensateur C2 a été déchargé dans une période de la tension d'ondulation à la sortie du redresseur (ligne 2 ).

Il n'est pas difficile de calculer approximativement l'amplitude des pulsations, si nous prenons le courant de décharge comme une constante - ce sera le courant de charge maximal Rn , que nous avons désigné Imax .

Selon la formule de base du condensateur $$$I = C {dU \ over dt}$ on peut approximativement estimer que: $$$\ Delta U \ approx {{I_ {HMAX} \ over C} \ cdot \ Delta t}$ où $$$\ Delta U$ L’amplitude d’ondulation, $$$\ Delta t$ - période de temps une période de la tension d'ondulation à la sortie du redresseur (ligne 2 ).

La figure montre clairement que la période $$$\ Delta t$ égale à la moitié de la période de la tension d'alimentation, ou $$$\ Delta t = {1 \ over {2 \ cdot f}}$ où f est la fréquence de la tension du secteur ( 50 Hz ).

Ainsi, en remplaçant une formule par une autre, on obtient: $$$\ Delta U \ environ {I_ {HMAX} \ sur {2 \ cdot f \ cdot C_2}}$ ou $$$C_2 \ environ {I_ {HMAX} \ sur {2 \ cdot f \ cdot {\ Delta U}}}$ .

Maintenant, le plus difficile est de choisir, mais quelle amplitude de pulsations nous conviendra? Si la charge a son propre stabilisateur linéaire, il suffit en principe que l'amplitude d'ondulation soit au niveau de 10-20% . Par exemple, souvent dans la charge Rn, il y a une sorte de stabilisateur - 7805 ou AMS1117 ou quelque chose comme ça.

S'il est censé alimenter le circuit numérique directement à partir de notre BIP sans stabilisation supplémentaire, il est préférable de ne pas régler le coefficient d'ondulation de plus de 5% .

Supposons que notre circuit soit alimenté par 5V et ait une consommation de courant maximale de 100mA . Le facteur d'ondulation est réglé sur 5% . Cela signifie que $$$\ Delta U$ sera égal à 5% de 5V ou 0,25V . Fréquence du réseau - 50 Hz .

De là, nous trouvons le condensateur 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 une telle capacité! De plus, la grande capacité la plus proche est de 4700 uF . Il s'agit d'un condensateur assez grand même pour une tension de 10V .

Si le circuit a un stabilisateur linéaire à l'intérieur, par exemple AMS1117 , alors le niveau d'ondulation peut être sélectionné à 20% , tandis que la capacité du condensateur C2 ne sera que d'environ 1000 μF .

Résistances R1 et R2 - nécessaires et importantes

Revenons aux résistances R1 et R2 , que nous avons temporairement oubliées.

Avec la résistance R2 , tout est simple - il est nécessaire pour la sécurité humaine. C'est-à-dire, pour que le condensateur C1 se décharge après avoir déconnecté le circuit de l'alimentation. Sinon, si R2 n'est pas réglé, le condensateur C1 conservera sa charge assez longtemps après avoir déconnecté l'alimentation du circuit. Et si vous le touchez, vous serez choqué. Très désagréable. La résistance R2 ne peut pas être calculée, mais mettez simplement une résistance de 0,5 à 1 MΩ . Avec cette résistance, le courant traversant cette résistance sera faible et n'affectera pas le fonctionnement du circuit.

Avec la résistance R1, tout est plus compliqué. Dans le processus du BIP, cela ne semble pas nécessaire. Et ça l'est vraiment.

Mais il y a encore le moment de l'inclusion du BIP dans le réseau. Et si à ce moment la tension du secteur est proche de la valeur d'amplitude, alors le circuit peut griller. Même brûle presque certainement.

Le fait est qu'au moment de la mise sous tension, le condensateur C1 est déchargé. - ( ) . , , .

R1 , — . , R1 10 , 30 . , .

10-30 . , , $$$P_{R1} >= {I_{C1}}^ \cdot R_1$ . , , 150 , R1 27 $$$P_{R1} >= {0.15}^2 \cdot { 27 } \approx 0.61$ .

R1 «» , . , — 1.5 — 2 . .

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

Conclusion

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