Notas sobre tudo. Fontes de alimentação simples e perigosas

Sobre o que é este artigo

Este artigo descreve os princípios de construção das fontes de energia sem transformador mais simples.O tópico não é novo, mas, como a experiência demonstrou, não é bem conhecido e compreensível para todos. E até alguns interessantes.

Peço aos interessados ​​que leiam, critiquem, esclareçam e acrescentem a shiotiny@yandex.ru ou ao meu site na seção "Contatos".

Entrada

Há pouco tempo, um amigo meu colocou seus dedos em um determinado esquema que ele iria consertar (os fios caíram - então você só precisava soldá-lo no lugar). E ele ficou chocado. Não foi difícil, mas foi o suficiente para ele se surpreender: "como assim - aqui está o microcontrolador, o que pode bater aqui? É alimentado por 5 volts! ”

Sua surpresa foi rapidamente esclarecida: o circuito acabou tendo energia sem transformador e sem isolamento galvânico da rede.

Então as perguntas seguiram em minha direção. Eles foram reduzidos a duas coisas: “O quê? Então você pode fazer isso?! "E" E como isso funciona? "

Embora eu não me considere um especialista em eletrônica, tive que fazer essas fontes de alimentação. Então eu tive que pegar uma caneta e uma folha e explicar como isso funciona. Felizmente, isso não é nada difícil.

É possível que o tema de fontes de alimentação “sem transformador” ou, em suma, BIP , possa parecer interessante para você. Alguém para o desenvolvimento geral e alguém para uso prático.

Fontes de alimentação CA domésticas

Eu o aviso imediatamente: não deliberadamente tocarei na troca de fontes de alimentação aqui. Este é um tópico para outra conversa.

De um modo geral, as funções de uma fonte de energia para equipamentos eletrônicos de baixa tensão geralmente consistem no seguinte: fornecer uma determinada tensão na saída de uma fonte de energia para um determinado intervalo de consumo de corrente. Ou seja, para dizer formalmente, uma fonte de energia é uma fonte de tensão constante Uout , que mantém Uout = const quando o consumo atual muda de Imin para Imax .

Em uma fonte de alimentação linear “clássica”, isso geralmente acontece assim: a tensão da rede elétrica de entrada é reduzida por um transformador, então essa tensão é retificada e finalmente estabilizada por um estabilizador linear.

O diagrama de blocos da fonte de alimentação linear “clássica” é mostrado na figura abaixo. Uma das partes mais "inconvenientes" de tal fonte de energia é um transformador: é caro e volumoso.



Portanto, amadores de rádio e profissionais de rádio procuravam maneiras - como abandonar essa peça volumosa e cara - um transformador, ou pelo menos reduzir seu tamanho e custo.

E essa solução foi encontrada: eles começaram a usar a reatância do capacitor Rc para "extinguir" o excesso de tensão. O diagrama de blocos da fonte de alimentação “sem transformador” ( BIP ) é mostrado abaixo.



Como você pode ver, a estrutura do BIP quase não é diferente da fonte de energia linear clássica. É que, em vez de um transformador, coloque um capacitor de têmpera. Não se confunda ou se engane com a semelhança da estrutura dessas fontes de energia na figura: há muitas diferenças por dentro .

Vantagens do BIP : é relativamente compacto, confiável, barato, sem medo de um curto-circuito na saída.

Mas existem desvantagens significativas: é perigoso do ponto de vista de uma pessoa tocar nos elementos de um dispositivo energizado. E a corrente máxima que uma fonte de energia pode fornecer é de apenas algumas centenas de miliamperes. Com uma corrente mais alta, as dimensões dos capacitores são grandes e é mais fácil colocar um transformador ou até mesmo um gerador de pulsos.

Com base nas vantagens e desvantagens do BIP , seu escopo são dispositivos de baixa potência bem isolados, alimentados por uma rede elétrica doméstica: sensores independentes, dispositivos de controle de iluminação, dispositivos de comutação de ventilação e aquecimento e outros dispositivos de baixa potência operando de forma autônoma.

Vamos tentar entender como o circuito BIP real funciona e como calculá-lo.

Teoria da prática e teoria da prática

Um exemplo de um esquema prático simples

Desde antes, antes do advento de "impulsos" baratos, os BIPs eram provavelmente a maneira mais acessível de reduzir o tamanho e o preço de uma fonte de energia; então, os circuitos BIP nos livros e na Internet são uma carroça e um carrinho pequeno. Mas o princípio de operação de quase todos os circuitos é aproximadamente o mesmo: um ou mais capacitores de resfriamento na entrada, um retificador e um estabilizador de tensão DC de saída.

Vejamos um dos circuitos de trabalho mais simples do BIP , que é mostrado na figura abaixo.



Todas as partes principais do circuito são imediatamente visíveis: um capacitor de resfriamento C1 ; um retificador de meia onda - uma ponte de diodos VD1 e um capacitor de suavização C2 ; estabilizador de tensão - diodo zener VS1 ; e, finalmente, a carga é um dispositivo Rn alimentado pela fonte.

Esqueça os "elementos extras" ou "a fórmula básica do BIP"

Por uma questão de simplicidade, vamos esquecer a existência dos resistores R1 e R2 : assumimos que R2 está ausente e R1 é substituído por um jumper. Para todos os cálculos, isso não é essencial, mas falaremos sobre o objetivo desses resistores posteriormente. Ou seja, temporariamente, o esquema para nós será semelhante à figura a seguir.



A corrente alternada da rede de fornecimento de energia, limitada pelo capacitor de resfriamento C1 , flui através dos pontos 1 e 2 da ponte de diodos VD1 .

A corrente direta obtida após a retificação da ponte de diodos alternados VD1 flui através do diodo zener e a “carga” Rn é o dispositivo fornecido .

O diagrama mostra como todas as correntes fluem: Ic é a corrente alternada da rede, In é a corrente direta da carga e Ist é a corrente constante do diodo zener.

Embora eu tenha escrito correntes "constantes" e "alternadas" - na verdade, é uma e a mesma corrente. Apenas uma ponte de diodos faz com que flua através do diodo zener e a carga está sempre na mesma direção.

Se assumirmos que estamos medindo o valor atual $$$I_c$ , então podemos escrever a fórmula básica para a operação do nosso esquema BIP:

$$

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

Isso decorre da primeira lei de Kirchhoff , que afirma que a soma das correntes que fluem para qualquer nó é igual à soma das correntes que fluem dele e, de fato, é uma formulação particular da lei de conservação de massa / energia.

A partir desta fórmula, segue-se uma conclusão simples, mas importante: a uma tensão constante $$$U_ {220}$ , corrente consumida pela rede $$$I_c$ praticamente não muda quando a resistência Rn muda na faixa de operação atual - esta é a principal diferença entre o BIP e a fonte de alimentação linear com um transformador.

Apesar de os diagramas de blocos das fontes de alimentação fornecidos no início do artigo serem muito semelhantes, eles funcionam de maneiras muito diferentes: o transformador de abaixamento no primeiro diagrama de blocos é uma fonte de tensão e o capacitor de resfriamento no segundo diagrama de blocos é uma fonte de corrente !

Mas voltando ao nosso esquema. A partir da última fórmula, também fica claro que o circuito estabilizador é essencialmente um divisor de corrente entre a carga Rn e o diodo zener VS1 .

Se a carga Rn for completamente cortada, toda a corrente fluirá através do diodo zener. Se a carga Rn estiver em curto-circuito, toda a corrente fluirá através da carga, ignorando o diodo zener.

Mas para "arrancar" o diodo zener VS1 do circuito em nenhum caso! Se você o retirar, toda a tensão da rede poderá ser fornecida à carga Rn . As consequências provavelmente serão tristes.

Quando o pedantismo não é necessário

De qualquer forma, da desconexão completa de Rn ao seu "curto-circuito", a corrente Ic que flui através do capacitor de resfriamento C1 será aproximadamente igual $$$I_C = {U_ {220} \ over {R_ {C1}}}$ ; onde $$$U_ {220}$ - tensão de rede, e $$$R_ {C1}$ - a resistência do capacitor C1 .

Pedantes e outros amantes da precisão podem me culpar, eles dizem que não levei em conta a tensão na ponte de diodos (entre os pontos 1 e 2 ). Portanto, a tensão no capacitor C1 será ligeiramente menor que $$$U_ {220}$ - tensão na tomada.

Obviamente, estritamente formalmente, colegas pedantes terão razão. Mas ouso dizer que se a carga que temos é um dispositivo de baixa potência com uma fonte de alimentação de 5V ou 12V e a tensão "no soquete" é de cerca de 220V , a queda de tensão na carga pode ser negligenciada com segurança: a diferença nos cálculos "exato" e "aproximado" não será mais do que alguns por cento

Qual é a resistência do capacitor de têmpera $$$R_ {C1}$ ? Esta é a reatância do capacitor: depende da frequência da tensão fornecida ao capacitor e é calculada pela fórmula: $$$R_C = {1 \ over {2 \ cdot \ pi \ cdot f \ cdot C}}$ , onde f é a frequência de tensão em Hertz e C é a capacitância do capacitor em Farads. Como a frequência da rede que temos é fixa e é de 50 Hz , para cálculos de engenharia, você pode usar a fórmula: $$$R_ {C1} \ aproximadamente {1 \ over {314 \ cdot {C1}}}$ de onde $$${C1} \ approx {1 \ over {314 \ cdot {R_C}}}$ . Para pedantes, lembro novamente que a capacitância do capacitor sempre apresenta um erro de alguns por cento (geralmente de 5% a 15% ), portanto, não faz sentido contar com mais precisão.

Com base nas fórmulas acima, podemos calcular a capacitância do capacitor C1: $$${C1} \ approx {{I_C} \ over {314 \ cdot U_ {220}}}$ . Conhecemos a tensão da rede. Uma corrente $$$I_C = I_ {CT} + I_H$ pode ser calculado conhecendo a corrente máxima de carga e a corrente mínima de estabilização do diodo zener VS1 (este é um parâmetro de referência).

Isto é uma teoria. Vou tentar descrever algo como a metodologia para calcular o BIP "nos dedos".

Precisamos de um BIP?

Para começar, resolveremos a questão - é necessário usar o BIP em um caso específico?

Se a corrente de carga Rn for maior que 0,3-0,5A , é melhor não usar o BIP : existem muitos problemas e, geralmente, há pouco ou nenhum ganho em tamanho e custo. Além disso, geralmente você não deve confiar em um BIP se a tensão de alimentação do dispositivo for superior a 24-27V . E não se esqueça da segurança!

Suponha que precisamos alimentar um circuito simples em um microcontrolador que consome uma corrente moderada de miliamperes dessa maneira 100 a uma tensão moderada de 3-6V. O circuito é isolado e, portanto, seguro.

Como estimar a capacidade de C1 e escolher um diodo zener VS1?

Antes de tudo, é necessário esclarecer a corrente máxima de carga Imax : calcular ou medir.

Então, você precisa entrar no diretório e encontrar o diodo zener lá. Sim, de qualquer forma, mas com a tensão desejada Uout .

Ao procurar um diodo zener, deve-se ter em mente que sua corrente máxima de estabilização I max não deve ser menor que (I min + In max) . Porque Sim, para que se você interromper a carga Rn , o diodo zener não queimará. E vice-versa - se a carga consumir a corrente máxima, a corrente mínima de estabilização Imin passa pelo diodo zener. Na prática, é necessário escolher um diodo zener para que sua corrente máxima de estabilização I max seja maior que a soma das correntes (I min + Im max) em pelo menos 20% . Não esqueça que a rede está longe de sempre 220V . Talvez 250V facilmente. Portanto, a margem atual não é um excesso, mas uma precaução razoável.

A seguir, calculamos a capacidade do capacitor de resfriamento C1 . Sua reatância será aproximadamente igual a: $$$R_C = {U_ {220} \ over {I_ {CTMIN} + I_ {HMAX}}}$ , e sua capacidade, respectivamente, é $$$C_1 \ approx {{I_C} \ over {314 \ cdot U_ {220}}} = {{I_ {CTMIN} + I_ {HMAX}} \ over {314 \ cdot U_ {220}}}$ para tensão de rede com uma frequência de 50Hz .

Não esqueça que a tensão máxima permitida do capacitor C1 deve ser de pelo menos 400V para uma rede doméstica de 220V . E, é claro, o capacitor C1 não deve ser eletrolítico: funciona em uma rede de corrente alternada.

Na verdade, isso é a coisa mais importante - selecionar um diodo zener e calcular a capacitância de um capacitor.

Para quem não está claro o que Istmax e Istmin , explicarei em mais detalhes.

A corrente máxima de estabilização do diodo zener Imax é uma corrente através do diodo zener, quando é excedida, o diodo zener falha.

A corrente mínima de estabilização do diodo zener Imin é a corrente mínima através do diodo zener na qual a tensão no diodo zener corresponde às características de classificação.

Ou seja, o diodo zener deve funcionar em condições tais que a corrente de estabilização que está fluindo através dele esteja na faixa $$$I_ {CTMIN} <I_ {CT} <I_ {CTMAX}$ .

Os valores de Imin e I max para um diodo zener específico podem ser encontrados no manual e são sempre indicados na descrição do diodo zener.

Então, mais uma vez, em pontos, sobre como calcular C1 e escolher o diodo zener VS1 .

• Determinamos a tensão de carga Uout . Como regra, nós sabemos disso.
• Determinamos a corrente máxima de carga Imax . Você pode medir ou calcular.
• Entramos no diretório e procuramos um diodo zener para tensão Uout , de modo que a condição $$$(I_ {CTMIN} + I_ {HMAX}) <0,8 \ cdot I_ {CTMAX}$ . (0,8 - porque queremos uma margem atual de 20%).
• Calculamos a capacidade do capacitor de resfriamento C1 de acordo com a fórmula $$$C_1 \ approx {{I_ {CTMIN} + I_ {HMAX}} \ mais de {314 \ cdot U_ {220}}}$

Exemplo de cálculo

Suponha que a tensão de alimentação de carga seja Uout = 5V e a corrente máxima de carga seja Inmax = 100mA .

Entramos no diretório e encontramos um diodo zener: KS447A . A tensão de estabilização é de cerca de 5V . Istmin = 3mA , Istmax = 160mA .

Nós verificamos. Desigualdade $$$(3mA + 100mA) <0,8 \ cdot 160mA$ - for cumprido, o diodo zener é adequado para a corrente.

Calculamos o capacitor C1 : $$$C_1 \ approx {{I_ {STMIN} + I_ {HMAX}} \ over {314 \ cdot U_ {220}}} = {{0,003A + 0.1A} \ over {314 \ cdot 220V}} \ aproximadamente 1,5 uF$ . Não esqueça que, para uma rede doméstica de 220V , o capacitor C1 deve ser de 400V .

Filtro ou capacitor C2

A ponte de diodos, como você sabe, não fornece uma tensão retificada: a tensão de saída está pulsando.

Para suavizar a ondulação, é usado um capacitor de filtro C2 . Como calcular sua capacidade?

Como de costume, dois métodos podem ser aplicados - o exato e o simplificado. O método exato leva em consideração que o capacitor descarrega exponencialmente e outras nuances. Mas lembrando que é impossível selecionar os capacitores exatamente para a capacidade requerida (um spread de capacidade de 10 a 15% é a norma), permitiremos algumas simplificações que praticamente não afetarão o resultado.

Para entender como calcular a capacitância de um capacitor C2 , lembramos o que é um retificador. Vejamos a figura abaixo. Os diagramas de tensão versus tempo se parecem com isso em nosso circuito, usando uma ponte de diodos como retificador.



A linha azul indicada pelo número 1 é a tensão alternada na entrada da ponte de diodos (pontos 1 e 2 no circuito BIP ).

A linha vermelha, indicada pelo número 2 , é a tensão no diodo zener VS1 , na ausência de um capacitor de suavização C2 ou de uma tensão de ondulação (imagine que C2 estava temporariamente "bit off" do circuito). E, finalmente, a linha verde indicada pelo número 3 é a tensão retificada suavizada quando o capacitor C2 está conectado.

A tensão não filtrada (pulsante) na saída do retificador (linha 2 ) é ligeiramente menor em amplitude do que a tensão na entrada do retificador (linha 1 ). Isso é explicado simplesmente: vários décimos de volt voltam a cair nos diodos.

A linha verde 3 mostra o processo de carga e descarga do capacitor C2 . A tensão máxima que é capaz de carregar em nosso circuito é a tensão no diodo zener VS1 . Então o capacitor começa a descarregar até que no próximo período comece a carregar novamente.

A amplitude de ondulação é a tensão na qual o capacitor C2 foi descarregado em um período da tensão de ondulação na saída do retificador (linha 2 ).

Não é difícil calcular aproximadamente a amplitude das pulsações; se considerarmos a corrente de descarga uma constante, essa será a corrente máxima de carga Rn , que designamos como Imax .

De acordo com a fórmula básica do capacitor $$$I = C {dU \ over dt}$ pode-se estimar aproximadamente que: $$$\ Delta U \ aproximadamente {{I_ {HMAX} \ sobre C} \ cdot \ Delta t}$ onde $$$\ Delta U$ A amplitude da ondulação, um $$$\ Delta t$ - período de tempo um período da tensão de ondulação na saída do retificador (linha 2 ).

A figura mostra claramente que o período $$$\ Delta t$ igual a metade do período da tensão de alimentação, ou $$$\ Delta t = {1 \ over {2 \ cdot f}}$ onde f é a frequência da tensão da rede ( 50Hz ).

Assim, substituindo uma fórmula por outra, obtemos: $$$\ Delta U \ aproximadamente {I_ {HMAX} \ mais de {2 \ cdot f \ cdot C_2}}$ ou $$$C_2 \ aproximadamente {I_ {HMAX} \ mais de {2 \ cdot f \ cdot {\ Delta U}}}$ .

Agora, a coisa mais difícil é escolher, mas que amplitude de pulsações nos convém? Se a carga tiver seu próprio estabilizador linear, então, em princípio, basta que a amplitude da ondulação esteja no nível de 10 a 20% . Por exemplo, frequentemente na carga Rn, há algum tipo de estabilizador - 7805 ou AMS1117 ou algo assim.

Se é suposto alimentar o circuito digital diretamente do nosso BIP sem estabilização adicional, é melhor não definir o coeficiente de ondulação de mais de 5% .

Suponha que nosso circuito seja alimentado por 5V e tenha um consumo máximo de corrente de 100mA . O fator de ondulação é definido como 5% . Isso significa que $$$\ Delta U$ será igual a 5% de 5V ou 0,25V . Frequência de rede - 50Hz .

A partir daqui, encontramos o capacitor 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 essa capacidade! Além disso, a grande capacidade mais próxima é de 4700uF . Este é um capacitor bastante grande, mesmo para uma tensão de 10V .

Se o circuito tiver um estabilizador linear dentro, por exemplo, AMS1117 , o nível de ondulação poderá ser selecionado em 20% , enquanto a capacitância do capacitor C2 será de apenas cerca de 1000 μF .

Resistores R1 e R2 - necessários e importantes

Vamos voltar aos resistores R1 e R2 , que esquecemos temporariamente.

Com o resistor R2 , tudo é simples - é necessário para a segurança humana. Ou seja, para o capacitor C1 descarregar após desconectar o circuito da fonte de alimentação. Caso contrário, se R2 não estiver definido, o capacitor C1 reterá sua carga por um longo tempo após desconectar a energia do circuito. E se você tocá-lo, ficará chocado. Muito desagradável. O resistor R2 não pode ser calculado, mas basta colocar qualquer resistência de 0,5 - 1 MΩ . Com essa resistência, a corrente através desse resistor será escassa e não afetará a operação do circuito.

Com o resistor R1, tudo fica mais complicado. No processo do BIP, parece não ser necessário. E é mesmo.

Mas ainda há o momento de inclusão do BIP em uma rede. E se, neste momento, a tensão da rede elétrica estiver próxima do valor da amplitude, o circuito poderá queimar. Mesmo quase certamente queima.

O fato é que, no momento da ligação, o capacitor C1 está descarregado.Um capacitor descarregado por um tempo (até que esteja suficientemente carregado) é essencialmente um condutor. Ou seja, toda a tensão da rede estará na ponte de diodos, a carga, o diodo zener e as correntes serão simplesmente enormes.

Portanto, eles colocam um resistor R1 , cuja função é limitar a corrente no momento da ligação. Por exemplo, se você colocar R1 com uma resistência de apenas 10 ohms , a corrente de ativação será limitada, na pior das hipóteses, a cerca de 30A . E essa corrente por vários microssegundos já está dentro do poder de suportar a maioria dos diodos zener, sem mencionar os diodos retificadores da ponte de diodos.

Normalmente, esse resistor é escolhido na faixa de 10 a 30 ohms.. Lembre-se de que seu poder não deve ser inferior a$$$P_{R1} >= {I_{C1}}^ \cdot R_1$ .Por exemplo, se o consumo total de corrente do circuito for de 150 mA , a potência do resistor R1 com uma resistência de 27 Ohms deve ser pelo menos$$$P_{R1} >= {0.15}^2 \cdot { 27 } \approx 0.61$ .

R1 «» , . , — 1.5 — 2 . .

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

Conclusão

Espero que, após a leitura, os leitores entendam o que é um BIP e como ele funciona.

O artigo acabou sendo um pouco mais longo do que eu gostaria. Mas, de fato, apenas o básico do básico é considerado aqui. Se você pintar outras modificações do BIP , será publicado um folheto ou mesmo um livro.

Peço desculpas por algumas imprecisões e simplificações que, sem dúvida, chamarão a atenção de engenheiros eletrônicos experientes.

Aqueles que vêem erros ou algo que deve ser corrigido e complementado dentro de limites razoáveis ​​- não hesite em escrever nos comentários, pelo correio para shiotiny@yandex.ru ou pelo meu
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Agradecemos antecipadamente o seu feedback.