关于一切的笔记。 简单而危险的电源

这篇文章是关于什么的

本文介绍了构建最简单的无变压器电源的原理，这不是一个新话题，但正如经验所示，它并不是每个人都熟悉和理解的。 甚至有些有趣。

我要求那些有兴趣和兴趣的人阅读，批评，澄清并添加到shiotiny@yandex.ru或“联系”部分中的我的网站上。

参赛作品

不久前，我的一个朋友将他的手指伸进了他要修理的某种计划中（电线掉了，所以您只需将其焊接到位）。 他感到震惊。 并没有受到很大的打击，但是足以让他感到惊讶：“怎么这样-微控制器在这里站立，有什么能敲到这里？ 它由5伏特供电！”

他的惊讶很快得到了澄清：该电路原来具有无变压器的电源，并且与网络之间没有电气隔离。

然后有问题向我指示。 他们简化为两件事：“什么？ 所以你可以做到？！“和”它如何工作？”

尽管我不认为自己是电子领域的专家，但我必须提供此类电源。 所以我不得不拿一支笔和一张纸来解释它是如何工作的。 幸运的是，这一点都不困难。

“无变压器”电源或简称BIP的主题可能对您来说很有趣。 有人进行一般开发，有人进行实际使用。

家用交流电源

我马上警告您：在这里，我将刻意不接触开关电​​源。 这是另一个对话的主题。

一般而言，用于低压电子设备的电源的功能通常包括以下内容：在给定的电流消耗范围内，在电源的输出端提供给定的电压。 即，正式地说，电源是恒定电压源Uout ，当电流消耗从Imin变为Imax时，它保持Uout = const 。

在“经典”线性电源中，通常是这样发生的：通过变压器降低输入电源电压，然后对该电压进行整流，最后通过线性稳定器使其稳定。

下图显示了“经典”线性电源的框图。 这种电源最“不便”的部分之一就是变压器：它昂贵且笨重。



因此，无线电爱好者和无线电专业人员正在寻找方法-如何放弃笨重而昂贵的部件-变压器，或者至少减小其尺寸和成本。

并找到了这样的解决方案：他们开始使用电容器Rc的电抗来“消除”多余的电压。 下面显示了“无变压器”电源（ BIP ）的框图。



如您所见， BIP的结构与经典线性电源几乎没有区别。 是不是在变压器上放了一个淬火电容器。 不要被图中这些电源的结构相似之处所迷惑或欺骗： 内部有很多差异 。

BIP的优点：它相对紧凑，可靠，便宜，不怕输出短路。

但是存在重大缺陷：从人接触受电设备的元件的角度来看，这很危险。 这种电源可以提供的最大电流只有几百毫安。 在较高的电流下，电容器的尺寸较大，并且更容易放置变压器，甚至放置脉冲发生器。

根据BIP的优缺点，其范围是由家庭电网供电的绝缘良好的低功率设备：独立传感器，照明控制设备，通风和加热开关设备以及其他自主运行的低功率设备。

让我们尝试了解实际的BIP电路如何工作以及如何进行计算。

实践理论与实践理论

一个简单实用方案的例子

从前 ，在廉价“冲动”出现之前， BIP可能是降低电源尺寸和价格的最经济的方式，因此书籍和互联网上的BIP电路是旅行车和小型手推车。 但是几乎所有电路的工作原理都大致相同：输入端有一个或多个灭弧电容器，一个整流器和一个输出直流稳压器。

让我们看一下BIP的最简单的工作电路之一，如下图所示。



电路的所有主要部分均立即可见：淬火电容器C1 ； 半波整流器-二极管桥VD1和平滑电容器C2 ； 稳压二极管-稳压二极管VS1 ; 最后，负载是由源供电的Rn设备。

忘掉“额外要素”或“ BIP的基本公式”

为简单起见，让我们忘记电阻器R1和R2的存在：我们假设R2根本不存在，并且R1被跳线代替。 对于所有计算而言，这不是必需的，但是稍后我们将讨论这些电阻的用途。 也就是说，临时的方案对于我们来说如下图所示。



由灭弧电容器C1限制的供电网络的交流电流流过二极管电桥VD1的点1和2 。

交流二极管电桥VD1整流后获得的直流电流流过齐纳二极管，并且“负载” Rn是所提供的设备。

该图显示了所有电流的流动方式： Ic是网络的交流电， In是负载的直流电， Ist是齐纳二极管的恒定电流。

尽管我写了“恒定”和“交流”电流-实际上，它是一个相同的电流。 只是一个二极管桥就使它流过齐纳二极管，并且负载始终在相同的方向上。

如果我们假设正在测量当前值 $$$I_c$ ，那么我们可以为BIP方案的运行编写基本公式：

$$

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

这是从第一部基尔霍夫定律得出的，该定律指出流入任何节点的电流之和等于从任何节点流出的电流之和，并且实际上是质量/能量守恒定律的一种特殊表述。

从这个公式可以得出一个简单但重要的结论：在恒定电压下 $$$U_ {220}$ ，从电源消耗的电流 $$$I_c$ 实际上，当电阻R在当前工作范围内变化时，它不会发生变化 -这是BIP和带有变压器的线性电源之间的关键区别。

尽管本文开头给出的电源框图非常相似，但它们的工作方式却大不相同：第一个框图中的降压变压器是一个电压源 ，第二个框图中的淬火电容器是一个电流源 ！

但是回到我们的计划。 从最后的公式还可以看出，稳定器电路实质上是负载R和齐纳二极管VS1之间的分流器。

如果负载R被完全撕掉，那么所有电流将流过齐纳二极管。 如果负载R²短路，所有电流将绕过齐纳二极管流过负载。

但是绝对不要从电路上“拆除”齐纳二极管VS1 ！ 如果将其断开，则可以将所有电源电压提供给负载R 。 结果很可能会令人悲伤。

不需要修脚时

在任何情况下，从Rn完全断开到其“短路”，流过淬灭电容器C1的电流Ic都将大致相等 $$$I_C = {U_ {220} \ over {R_ {C1}}}$ ; 在哪里 $$$U_ {220}$ -网络电压，以及 $$$R_ {C1}$ -电容器C1的电阻。

行人和其他对准确性的爱好者可能会怪我，他们说我没有考虑二极管电桥上（点1和点2之间）的电压。 因此，电容器C1两端的电压将略小于 $$$U_ {220}$ -出口电压。

当然，严格来讲，同伴们是正确的。 但是，我敢于指出，如果我们拥有的负载是电源为5V或12V的低功率设备，并且“插座中”的电压约为220V ，那么可以安全地忽略负载两端的压降：“精确”和“近似”计算的差异不会超过几倍百分比。

什么是淬火电容器电阻 $$$R_ {C1}$ ？ 这是电容器的电抗：它取决于提供给电容器的电压的频率，并通过以下公式计算： $$$R_C = {1 \超过{2 \ cdot \ pi \ cdot f \ cdot C}}$ ，其中f是以赫兹为单位的电压频率， C是以法拉表示的电容器的电容。 由于我们拥有的网络频率是固定的，为50 Hz ，因此对于工程计算，可以使用以下公式： $$$R_ {C1} \大约{1 \ over {314 \ cdot {C1}}}$ 从哪里来 $$${C1} \大约{1 \ {314 \ cdot {R_C}}}$ 。 对于学步车手，我再次提醒您，电容器的电容始终有百分之几的误差（通常为5％-15％ ），因此进行更精确的计数是没有意义的。

根据以上公式，我们可以计算出电容器C1的电容： $$${C1} \大约{{I_C} \ over {314 \ cdot U_ {220}}}$ 。 我们知道电源电压。 电流 $$$I_C = I_ {CT} + I_H$ 可以通过知道齐纳二极管VS1的最大负载电流和最小稳定电流来计算（这是参考参数）。

这是一个理论。 我将尝试描述诸如“手指上”计算BIP的方法之类的方法。

我们是否需要BIP？

首先，我们将解决问题-在特定情况下是否甚至有必要使用BIP ？

如果负载电流Rn大于0.3-0.5A ，那么最好不要使用BIP ：存在很多麻烦，并且通常在尺寸和成本上几乎没有收益。 同样，如果设备的电源电压大于24-27V ，通常也不应依赖BIP 。 并且不要忘记安全性！

假设我们需要为微控制器上的一个简单电路供电，该微电路在3-6V的中等电压下会消耗100毫安的中等电流。 该电路是隔离的，因此很安全。

如何估算C1的容量并选择齐纳二极管VS1？

首先，有必要阐明最大负载电流Imax ：计算或测量。

然后，您需要进入目录并在此处找到齐纳二极管。 是的，不是这样，而是达到所需的电压Uout 。

在寻找齐纳二极管时，应牢记其最大稳定电流I max必须不小于（I min + In max） 。 为什么这样 是的，因此，如果您卸下负载Rn ，则齐纳二极管将不会烧坏。 反之亦然-如果负载消耗最大电流，则最小稳定电流Imin流过齐纳二极管。 实际上，必须选择一个齐纳二极管，使其最大稳定电流I max大于电流之和（I min + Im max）至少20％ 。 不要忘记网络距离总是220V 。 也许250V很容易。 因此，当前保证金不是多余的，而是合理的预防措施。

接下来，我们计算淬灭电容器C1的电容。 它的电抗大约等于： $$$R_C = {U_ {220} \ over {I_ {CTMIN} + I_ {HMAX}}}$ ，其容量分别为 $$$C_1 \大约{{I_C} \ over {314 \ cdot U_ {220}}} = = {{I_ {CTMIN} + I_ {HMAX}} \ over {314 \ cdot U_ {220}}}$ 用于频率为50Hz的电源电压。

不要忘记，对于220V的家庭网络，电容器C1的最大允许电压必须至少为400V 。 而且，当然，电容器C1不应是电解的：它在交流电网络中工作。

实际上，这是最重要的事情-选择一个齐纳二极管并计算电容器的电容。

对于那些不清楚Istmax和Istmin的人 ，我将详细解释。

齐纳二极管Imax的最大稳定电流是通过齐纳二极管的电流，当超过该电流时，齐纳二极管失效。

齐纳二极管的最小稳定电流Imin是通过齐纳二极管的最小电流，在该电流下，齐纳二极管上的电压对应于额定特性。

即，齐纳二极管必须在使流过其的稳定电流Ist处于该范围内的条件下工作。 $$$I_ {CTMIN} <I_ {CT} <I_ {CTMAX}$ 。

特定齐纳二极管的Imin和Imax值可在手册中找到，并且始终在齐纳二极管的说明中指出。

所以，再一次，关于如何计算C1并选择齐纳二极管VS1 。

• 我们确定负载电压Uout 。 通常，我们知道这一点。
• 我们确定最大负载电流Imax 。 您可以测量或计算。
• 我们进入目录，寻找电压为Uout的齐纳二极管，使 $$$（I_ {CTMIN} + I_ {HMAX}）<0.8 \ cdot I_ {CTMAX}$ 。 （0.8-因为我们希望当前保证金为20％）。
• 我们根据公式计算出淬火电容器C1的电容 $$$C_1 \大约{{I_ {CTMIN} + I_ {HMAX}} \ \超过{314 \ cdot U_ {220}}}$

计算例

假设负载电源电压为Uout = 5V ，最大负载电流为Inmax = 100mA 。

我们进入目录，找到一个这样的齐纳二极管： KS447A 。 稳定电压约为5V 。 Istmin = 3mA ， Istmax = 160mA 。

我们检查。 不平等 $$$（3mA + 100mA）<0.8 \ cdot 160mA$ -满足，则齐纳二极管适合电流。

我们计算电容器C1 ： $$$C_1 \大约{{I_ {STMIN} + I_ {HMAX}} \ over {314 \ cdot U_ {220}}} = {{0.003A + 0.1A} \ over {314 \ cdot 220V}} \大约1.5 uF$ 。 不要忘记，对于家用220V网络，电容器C1必须为400V 。

滤波器或电容器C2

如您所知，二极管电桥不提供整流电压：输出电压在脉动。

为了平滑纹波，使用了滤波电容器C2 。 如何计算其容量？

与往常一样，可以应用两种方法-精确和简化。 确切的方法考虑到电容器以指数形式放电和其他细微差别。 但是请记住，不可能完全根据所需的容量选择电容器（通常，容量分布为10-15％），我们将允许进行一些简化，但实际上不会影响结果。

为了了解如何计算电容器C2的电容，我们回顾一下什么是整流器。 让我们看下面的图片。 在我们的电路中，使用二极管桥作为整流器，电压与时间的关系图看起来像这样。



由数字1表示的蓝线是二极管电桥输入（ BIP电路上的点1和2 ）的交流电压。

红色数字（用数字2表示）是齐纳二极管VS1上的电压，没有平滑电容器C2或纹波电压（假设C2暂时从电路“断开”）。 最后，数字3的绿线是连接电容器C2时的平滑整流电压。

整流器输出（线2 ）上未滤波（脉动）的电压幅度略小于整流器输入（线1 ）上的电压。 简单解释一下：二极管上的电压下降了十分之几。

绿线3示出了电容器C2的充电和放电过程。 在我们的电路中可以充电的最大电压是齐纳二极管VS1上的电压。 然后电容器开始放电，直到在下一个周期再次开始充电为止。

纹波振幅是在整流器的输出（线2 ）的纹波电压的一个周期中电容器C2被放电的电压。

如果我们将放电电流作为常数，则不难计算出近似的脉动幅度-这将是最大负载电流Rn ，我们将其指定为Imax 。

根据电容器的基本公式 $$$I = C {dU \ over dt}$ 可以粗略估计： $$$\ Delta U \大约{{I_ {HMAX} \ over C} \ cdot \ Delta t}$ 在哪里 $$$\三角洲U$ 是纹波幅度， $$$\ Delta t$ -整流器输出（线2 ）的纹波电压的一个周期。

该图清楚地表明 $$$\ Delta t$ 等于电源电压周期的一半，或者 $$$\ Delta t = {1 \超过{2 \ cdot f}}$ 其中f是电源电压的频率（ 50Hz ）。

因此，将一个公式替换为另一个公式，我们得到： $$$\ Delta U \大约{I_ {HMAX} \ over {2 \ cdot f \ cdot C_2}}$ 或 $$$C_2 \大约{I_ {HMAX} \ over {2 \ cdot f \ cdot {\ Delta U}}}$ 。

现在，最困难的事情是选择，但是哪种脉动幅度适合我们？ 如果负载具有自己的线性稳定器，则原则上纹波幅度在10-20％的水平就足够了。 例如，在负载Rn中经常有某种稳定器-7805或AMS1117或类似的东西。

如果应该从我们的BIP直接为数字电路供电而不需要额外的稳定性，那么最好不要将纹波系数设置为大于5％ 。

假设我们的电路由5V供电，最大电流消耗为100mA 。 纹波系数设置为5％ 。 这意味着 $$$\三角洲U$ 等于5V的 5％或0.25V 。 网络频率-50Hz 。

从这里我们找到电容器C2- $$$C_2 \大约{I_ {HMAX} \ over {2 \ cdot f \ cdot \ Delta U}} = {{{0.1A} \ over {2 \ cdot 50Hz \ cdot 0.25V}}} = 4000μF$ 。 Nekhilaya这样的能力！ 而且，最接近的大容量是4700uF 。 即使是10V的电压，这也是一个相当大的电容器。

如果电路内部具有线性稳压器，例如AMS1117 ，则纹波电平可以选择为20％ ，而电容器C2的电容仅为1000F 。

电阻R1和R2-必要且重要

让我们回到暂时忘记的电阻R1和R2 。

使用R2电阻，一切都很简单-这是人身安全所必需的。 即，为了使电容器C1在从电源断开电路之后放电。 否则，如果未设置R2 ，则电容器C1在断开电路电源后将保持相当长的时间。 而且，如果您触摸它，那么您会感到震惊。 非常不愉快 无法计算电阻器R2 ，只需将任何0.5-1MΩ的电阻值即可。 有了这个电阻，流过该电阻的电流将很小，不会影响电路的工作。

使用电阻器R1，一切都变得更加复杂。 在BIP的过程中，似乎没有必要。 确实是。

但是仍然存在在网络中包含BIP的时刻。 如果此时电源电压接近振幅值，则电路可能烧坏。 甚至几乎可以肯定会灼伤。

事实是，在接通时，电容器C1放电。一段时间（直到充满电）的已放电电容器实质上是导体。也就是说，所有电源电压都将位于二极管电桥，负载，齐纳二极管上，并且电流将非常大。

因此，他们放置了一个电阻器R1，其功能是在接通时限制电流。例如，如果将R1的电阻仅为10欧姆，则在最坏的情况下导通电流将被限制在30A左右。这样的电流持续几微秒，已经足以承受大多数齐纳二极管，更不用说二极管桥的整流二极管了。

通常，该电阻的选择范围是10-30欧姆。。只要记住，它的力量应该不小于$$$P_{R1} >= {I_{C1}}^ \cdot R_1$ 。例如，如果电路的总电流消耗为150 mA，则电阻为27 Ohms的电阻R1的功率应至少为$$$P_{R1} >= {0.15}^2 \cdot { 27 } \approx 0.61$ 。

建议电阻R1的功率不要“背靠背”，而是要有余量。例如，在我们的例子中是1.5-2W。它会少加热。

此外，请注意，电阻器R1和R2必须设计为至少400V的峰值电压：接通时的电源电压完全提供给R1，在工作模式下，几乎所有电源电压都提供给R2，并与电容器C1并联。

结论

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