Розрахунок конденсаторного блоку живлення світлодіодів. Як розрахувати безтрансформаторний блок живлення

Іноді в електротехніці застосовують блоки живлення, які містять трансформатор. У цьому виникає завдання зниження вхідної напруги. Наприклад, зниження змінної напруги мережі (220) при частоті 50 герц до необхідного значення напруги. Альтернативою трансформатору може служити конденсатор, який включають до ланцюга послідовно джерелу напруги та навантаження (додаткову інформацію про застосування конденсаторів див. у розділі «). Такий конденсатор і називають гасить.
Провести розрахунок конденсатора, що гасить - це означає знайти ємність такого конденсатора, який при описаному вище з'єднанні в ланцюг, знизить вхідну напругу до необхідного на навантаженні. Тепер отримаємо формулу для розрахунку ємності конденсатора, що гасить. Конденсатор, що працює в ланцюзі змінного струму, має ємнісний опір (), який пов'язаний з частотою змінного струму та власною ємністю () (причому ), більш точно:

За умовою ми включили в ланцюг змінного струму опір (активне навантаження ()) та конденсатор. Загальний опір цієї системи () можна обчислити як:

Оскільки з'єднання послідовне, використовуючи , запишемо:

де - Падіння напруги на навантаженні (напруга живлення пристрою); - Напруга мережі, - Падіння напруги на конденсаторі. Використовуючи наведені вище формули, маємо:

Якщо навантаження невелике, то використання конденсатора, включаючи його послідовно в ланцюг - це найпростіший шлях зменшення напруги. У тому випадку, якщо напруга на виході живлення менше 10-20 вольт, то ємність конденсатора, що гасить, обчислюють за наближеною формулою:

Всім привіт! Багато лазив сайтом, а особливо своєю гілкою і знайшов багато чого цікавого. Загалом у цій статті хочу зібрати всілякі радіоаматорські калькулятори, щоб народ сильно не шукав, коли виникне потреба у розрахунках та проектуванні схем.

1. Калькулятор розрахунку індуктивності- . За представлену програму дякуємо краб

2. Універсальний калькулятор радіоаматора- . Знову дякую краб

3. Програма розрахунку котушок Тесла- . Знову дякую краб

4. Калькулятор розрахунку GDT в SSTC- . Надано [) еНіС

5. Програма для розрахунку контуру лампового РОЗУМ- . Подяки за інформацію краб

6. Програма розпізнавання транзисторів за кольором- . Подяки краб

7. Калькулятор для розрахунку джерел живлення з конденсатором, що гасить- . Дякуємо відвідувачам форуму

8. Програми розрахунку імпульсного трансформатора- . Дякую ГУБЕРНАТОР. Примітка – автором ExcellentIT v.3.5.0.0 та Lite-CalcIT v.1.7.0.0 є Володимир Денисенко з м. Пскова, автором Transformer v.3.0.0.3 та Transformer v.4.0.0.0 – Євген Москатов із м. Таганрога.

9. Програма для розрахунку однофазних, трифазних та автотрансформаторів- . Дякую reanimaster

10. Розрахунок індуктивності, частоти, опору, силового трансформатора, колірне маркування - . Дякую bars59

11. Програми для різних радіоаматорських розрахунківі не тільки - і. Дякую reanimaster

12. Помічник Радіоаматора- радіоаматорський калькулятор - . Тема на . Дякую Antracen, тобто. мені:)

13. Програма з розрахунку DC-DC перетворювача- . Подяки краб

Світлоіндикація - це невід'ємна частина електроніки, за допомогою якої людина легко розуміє стан приладу. У побутових електронних пристроях роль індикації виконує світлодіод, встановлений у вторинному ланцюзі живлення, на виході трансформатора або стабілізатора. Однак у побуті використовується і безліч простих електронних конструкцій, що не мають перетворювача, індикатор у яких був би зайвим доповненням. Наприклад, вмонтований у клавішу настінного вимикача світлодіод став би відмінним орієнтиром розташування вимикача вночі. А світлодіод у корпусі подовжувача з розетками сигналізуватиме про наявність його включення до електромережі 220 В.

Нижче наведено кілька простих схем, за допомогою яких навіть людина з мінімальним запасом знань електротехніки зможе підключити світлодіод до мережі змінного струму.

Схеми підключення

Світлодіод – це різновид напівпровідникових діодів з напругою та струмом живлення набагато меншим, ніж у побутовій електромережі. При прямому підключенні до мережі 220 вольт він миттєво вийде з ладу. Тому світловипромінюючий діод обов'язково підключається лише через струмообмежуючий елемент. Найбільш дешевими і простими у складанні є схеми з понижувальним елементом у вигляді резистора або конденсатора.

Важливий момент, на який потрібно звернути увагу при підключенні світлодіода до мережі змінного струму – це обмеження зворотної напруги. З цим завданням легко справляється будь-який кремнієвий діод, розрахований на струм не менше, ніж тече в ланцюгу. Підключається діод послідовно після резистора або зворотною полярністю паралельно світлодіоду.

Існує думка, що можна обійтися без обмеження зворотної напруги, так як електричний пробій не викликає пошкодження світлодіода. Однак зворотний струм може спричинити перегрів p-n переходу, внаслідок чого відбудеться тепловий пробій і руйнування кристала світлодіода.

Замість кремнієвого діода можна використовувати другий світловипромінюючий діод з аналогічним прямим струмом, який підключається зворотною полярністю паралельно першому світлодіоду.

Негативною стороною схем з струмообмежуючим резистором є необхідність розсіювання великої потужності. Ця проблема стає особливо актуальною у разі підключення навантаження з великим споживаним струмом. Вирішується дана проблема шляхом заміни резистора на неполярний конденсатор, який у подібних схемах називають баластним або гасить.

Включений у мережу змінного струму неполярний конденсатор, поводиться як опір, але не розсіює споживану потужність у вигляді тепла.

У даних схемах, при вимкненні живлення, конденсатор залишається не розрядженим, що створює загрозу ураження електричним струмом. Дана проблема легко вирішується шляхом підключення до конденсатора резистора шунтуючого потужністю 0,5 ват з опором не менше 240 кОм.

Розрахунок резистора для світлодіода

У всіх вище представлених схемах з струмообмежуючим резистором розрахунок опору здійснюється згідно із законом Ома: R = U/I, де U – це напруга живлення, I – робочий струм світлодіода. Розсіювана резистором потужність дорівнює P = U * I. Ці дані можна розрахувати за допомогою.

Важливо. Якщо планується використовувати схему в корпусі з низькою конвекцією, рекомендується збільшити максимальне значення потужності, що розсіюється резистором, на 30%.

Розрахунок конденсатора, що гасить, для світлодіода.

Розрахунок ємності конденсатора, що гасить (в мкФ) проводиться за такою формулою: C = 3200 * I / U, де I - це струм навантаження, U - напруга живлення. Ця формула є спрощеною, але її точності достатньо для послідовного підключення 1-5 слаботочних світлодіодів.

Важливо. Для захисту схеми від перепадів напруги та імпульсних перешкод, конденсатор, що гасить, потрібно вибирати з робочою напругою не менше 400 В.

Конденсатор краще використовувати керамічний типу К73-17 з робочою напругою понад 400 В або його імпортний аналог. Не можна використовувати електролітичні (полярні) конденсатори.

Це потрібно знати

Головне – це пам'ятати про техніку безпеки. Подані схеми живляться від 220 В мережі змінного струму, тому вимагають під час збирання особливої ​​уваги.

Підключення світлодіода до мережі має здійснюватися у чіткій відповідності до принципової схеми. Відхилення від схеми або недбалість може призвести до короткого замикання або виходу з експлуатації окремих деталей.

Збирати безтрансформаторні джерела живлення слід уважно пам'ятати, що вони не мають гальванічної розв'язки з мережею. Готова схема має бути надійно ізольована від сусідніх металевих деталей та захищена від випадкового дотику. Демонтувати її можна лише з вимкненою напругою живлення.

Невеликий експеримент

Щоб трохи розбавити нудні схеми, пропонуємо ознайомитися з невеликим експериментом, який буде цікавий як радіоаматорам-початківцям, так і досвідченим майстрам.

Читайте також

Живити низьковольтну електро- та радіоапаратуру вигідніше та простіше від мережі. Для цього найбільш прийнятними є трансформаторні блоки живлення, оскільки вони безпечні в експлуатації. Однак інтерес до безтрансформаторних блоків живлення (БТБП) зі стабілізованою вихідною напругою не слабшає. Одна з причин – складність виготовлення трансформатора. А ось для БТБП він не потрібен - потрібен лише правильний розрахунок, але якраз це і лякає малодосвідчених електриків-початківців. Ця стаття допоможе зробити розрахунок та полегшить конструювання безтрансформаторного блоку живлення.

Спрощену схему БПТП наведено на рис. 1. Діодний міст VD1 підключений до мережі через гасить конденсатор С гас, включений послідовно з однією з діагоналей моста. Інша діагональ моста працює на навантаження блоку – резистор R н. Паралельно навантаженню підключені фільтруючий конденсатор З ф та стабілітрон VD2.

Розрахунок блоку живлення починають із завдання напруги U н на навантаженні та сили струму I н. споживаного навантаженням. Чим більше буде ємність конденсатора С гас, тим вищі енергетичні можливості БПТП.

Розрахунок ємнісного опору

У таблиці наведені дані щодо ємнісного опору Х з конденсатора С гас на частоті 50 Гц і середнього значення струму I ср, що пропускається конденсатором С гас, обчислені для випадку, коли R н =0, тобто при короткому замиканні навантаження. (Адже до цього аномального режиму роботи БТБП не чутливий, і в цьому ще одна величезна перевага перед трансформаторними блоками живлення.)

Інші значення ємнісного опору Х з (у кіломах) та середнього значення струму I ср (у міліамперах) можна обчислити за формулами:

З гас - ємність конденсатора, що гасить, в мікрофарадах.

Якщо виключити стабілітрон VD2, то напруга U н на навантаженні і струм I н через неї залежатиме від навантаження R н. Підрахувати ці параметри легко за формулами:

U н - у вольтах, R н і Х н - у кілоомах, I н - у міліамперах, С гас - у мікрофарадах. (Далі у формулах використовуються самі одиниці виміру.)

Зі зменшенням опору навантаження напруга на ній теж зменшується, причому за нелінійною залежністю. А ось струм, що проходить через навантаження, зростає, щоправда, дуже незначно. Так, наприклад, зменшення R н з 1 до 0,1 кОм (рівно в 10 разів) веде до того, що U н знижується в 9,53 рази, а струм через навантаження збільшується лише в 1,05 рази. Ця "автоматична" стабілізація струму вигідно відрізняє БТБП. від трансформаторних джерел живлення.

Потужність Р н на навантаженні, що обчислюється за формулою:

зі зменшенням R н знижується майже так само інтенсивно, як і U н. Для того ж прикладу споживана навантаження потужність зменшується в 9,1 рази.

Оскільки струм I н навантаження при порівняно невеликих значеннях опору R н і напруги U н на ній змінюється вкрай мало, практично цілком допустимо користуватися наближеними формулами:

Відновивши стабілітрон VD2, отримаємо стабілізацію напруги U н на рівні U ст - значення практично постійного для кожного конкретного стабілітрону. І при невеликому навантаженні (великому опорі R н) виконуватиметься рівність U н =U ст.

Розрахунок опору навантаження

До яких меж можна зменшувати R н, щоб рівність U н =U ст була справедливою? До тих пір, поки виконується нерівність:

Отже, якщо опір навантаження виявиться меншим за розрахований R н, напруга на навантаженні вже не буде дорівнює напрузі стабілізації, а виявиться дещо меншою, оскільки струм через стабілітрон VD2 припиниться.

Розрахунок допустимого струму через стабілітрон

А тепер визначимо, який струм I н тектиме через навантаження R н і який струм - через стабілітрон VD2. Зрозуміло, що

У міру зменшення опору навантаження споживана нею потужність P н = I н U н = U 2 ст / R н зростає. А ось середня споживана БПТП потужність рівна

залишається незмінною. Пояснюється це тим, що струм I ср розгалужується на два - I н і I ст - і, залежно від опору навантаження, перерозподіляється між R н і стабілітроном VD2, причому так, що менше опір навантаження R н, тим менший струм йде через стабілітрон, і навпаки. Значить, якщо навантаження невелике (або зовсім відсутнє), стабілітрон VD2 перебуватиме в найважчих умовах. Ось чому знімати навантаження з БПТП не рекомендується, інакше весь струм піде через стабілітрон, що може призвести до його виходу з ладу.

Амплітудне значення напруги мережі дорівнює 220 · 2 = 311 (B). Імпульсне значення струму в ланцюгу, якщо умовно знехтувати конденсатором С ф може досягати

Відповідно, стабілітрон VD2 повинен надійно витримувати цей імпульсний струм при випадковому вимкненні навантаження. Не слід забувати і про можливі навантаження по напрузі в освітлювальній мережі, що становлять 20...25% від номіналу, і розраховувати струм, що проходить через стабілітрон при відключеному навантаженні з урахуванням поправного коефіцієнта 1,2...1,25.

Якщо немає потужного стабілітрона

Коли стабілітрона потрібної потужності немає, його повноцінно вдається замінити діодно-транзисторним аналогом. Але тоді БТБП слід будувати за схемою, показаною на рис. 2. Тут струм, що протікає через стабілітрон VD2, зменшується пропорційно до статичного коефіцієнта передачі струму бази потужного n-p-n транзистора VT1. Напруга UCT аналога буде приблизно на 0,7В перевищувати U ст найменш потужного стабілітрона VD2, якщо транзистор VT1 кремнієвий, або на 0,3В - якщо він германієвий.

Тут можна застосувати і транзистор структури p-n-p. Однак тоді використовують схему, показану на рис. 3.

Розрахунок однонапівперіодного блоку

Поряд з двонапівперіодним випрямлячем у БТБП іноді застосовують і найпростіший однонапівперіодний (рис. 4). У такому разі його навантаження R н живиться лише позитивними напівперіодами змінного струму, а негативні проходять через діод VD3, минаючи навантаження. Тому середній струм I ср через діод VD1 буде вдвічі меншим. Значить при розрахунку блоку замість Х з слід брати вдвічі більший опір, що дорівнює

а середній струм при замкнутому короткому навантаженні дорівнюватиме 9,9·πС гас =31,1 С гас. Подальший розрахунок такого варіанта БПТП ведуть абсолютно аналогічно до попередніх випадків.

Розрахунок напруги на конденсаторі, що гасить

Прийнято вважати, що при напрузі мережі 220В номінальна напруга конденсатора, що гасить, С гас має бути не менше 400В, тобто приблизно з 30-відсотковим запасом по відношенню до амплітудного мережевого, оскільки 1,3 · 311 = 404 (В). Однак у деяких найбільш відповідальних випадках його номінальна напруга має бути 500 і навіть 600В.

І ще. Підбираючи відповідний конденсатор З гас, слід враховувати, що застосовувати в БТБП конденсатори типу МБМ, МБПО, МБГП, МБГЦ-1, МБГЦ-2 не можна, оскільки вони не розраховані на роботу в ланцюгах змінного струму з амплітудним значенням напруги, що перевищує 150В.

Найбільш надійно у БТБП працюють конденсатори МБГЧ-1, МБГЧ-2 на номінальну напругу 500В (від старих пральних машин, люмінесцентних світильників тощо) або КБГ-МН, КБГ-МП, але на номінальну напругу 1000В.

Фільтруючий конденсатор

Ємність Фільтруючого конденсатора С аналітичним шляхом розрахувати важко. Тому її підбирають експериментально. Орієнтовно слід вважати, що на кожен міліампер середнього споживаного струму потрібно брати як мінімум 3...10 мкФ цієї ємності, якщо випрямляч БТБП двонапівперіодний, або 10...30 мкФ, якщо він однонапівперіодний.

Номінальна напруга використовуваного оксидного конденсатора С ф повинна бути не менше U ст · А якщо стабілітрона в БТБП немає, а навантаження включена постійно, номінальна напруга конденсатора, що фільтрує, повинна перевищувати значення:

Якщо навантаження не може бути включена постійно, а стабілітрон відсутня, номінальна напруга конденсатора, що фільтрує, повинна становити більше 450В, що навряд чи прийнятно через великі розміри конденсатора С ф. До речі, в цьому випадку знову підключати навантаження слід було б лише після відключення БТБП від мережі.

І це ще не все

Будь-який із можливих варіантів БТБП бажано доповнити ще двома допоміжними резисторами. Один із них, опір якого може бути в межах 300кОм...1МОм, включають паралельно конденсатору З гас. Цей резистор потрібен для прискорення розрядки конденсатора С гас після вимкнення пристрою від мережі. Інший - баластний - опором 10...51 Ом включають у розрив одного з мережевих проводів, наприклад, послідовно з конденсатором гас. Цей резистор обмежуватиме струм через діоди мосту VD1 у момент підключення БТБП до мережі. Потужність розсіювання обох резисторів повинна бути не менше 0,5 Вт, що потрібне для гарантії від можливих поверхневих пробоїв цих резисторів високою напругою. За рахунок баластного резистора стабілітрон буде навантажений трохи менше, але середня споживана БТБП потужність помітно збільшиться.

Які взяти діоди

Функцію двонапівперіодного випрямляча БТБП за схемами на рис. 1...3 можуть виконувати діодні зборки серії КЦ405 або КЦ402 з літерними індексами Ж або І, якщо середній струм не перевищує 600 мА, або з індексами А, Б, якщо значення струму досягає 1 А. Придатні також чотири окремих діоди, включених по схемою моста, наприклад серій КД105 з індексами Б, В або Р, Д226 Б або В - до 300 мА, КД209 А, Б або В - до 500 ... 700 мА, КД226 В, Г або Д - до 1,7 А .

Діоди VD1 та VD3 у БТБП за схемою на рис. 4 можуть бути будь-якими з перерахованих вище. Допустимо також використовувати дві діодні зборки КД205К В, Г або Д для розрахунку на струм до 300 мА або КД205 А, В, Ж або І - до 500 мА.

І останнє. Безтрансформаторний блок живлення, а також апаратура, підключена до нього, підключені безпосередньо до мережі змінного струму! Тому вони повинні бути надійно заізольовані зовні, скажімо, розміщені в пластмасовому корпусі. Крім того, категорично забороняється "заземлювати" будь-який з їх висновків, а також розкривати корпус при увімкненому пристрої.

Запропонована методика розрахунку БПТП випробувана автором практично протягом кількох років. Весь розрахунок ведеться, виходячи з того, що БПТП - це по суті параметричний стабілізатор напруги, в якому роль обмежувача струму виконує конденсатор, що гасить.

Журнал "САМ" №5, 1998 рік

Деякі радіоаматори при конструюванні мережевих блоків живлення замість понижуючих трансформаторів застосовують конденсатори як баластових,гасячих надлишок напруги (рис.1).

Неполярний конденсатор, включений у ланцюг змінного струму, веде себе як опір, але, на відміну від резистора, не розсіює потужність, що поглинається, у вигляді тепла, що дозволяє сконструювати компактний блок живлення, легкий і дешевий. Ємнісний опір конденсатора при частоті f описується виразом:

Величина ємності баластного конденсатора Cб визначається з достатньою точністю за такою формулою:

де U c - напруга мережі,;

I Н - Струм навантаження, А;

U H - напруга на навантаженні, В. Якщо U H знаходиться в межах від 10 до 20 В, то для розрахунку цілком прийнятний вираз:

Підставивши значення U c =220 і U H =15 В, при I н =0,5 А отримаємо значення Сб=7,28 мкФ (1) і Сб=7,27 мкФ (2). Для обох виразів виходить дуже пристойний збіг, особливо якщо врахувати, що ємність зазвичай округляють до найближчого значення. Конденсатори краще підбирати із серії К73-17 із робочою напругою не нижче 300 В.

Використовуючи цю схему, завжди потрібно пам'ятати, що вона гальванічно пов'язана з мережею, і ви ризикуєте потрапити під удар електричним струмом з потенціалом напруги. Крім того, до пристрою з без-трансформаторним живленням слід дуже обережно підключати вимірювальну апаратуру або які-небудь додаткові пристрої, інакше можна отримати зовсім не святковий феєрверк.

Для живлення навіть малопотужних пристроїв краще все-таки застосовувати понижуючі трансформатори. Якщо напруга його вторинної обмотки не відповідає необхідному (перевищує), то цілком безпечно застосувати конденсатор, що гасить, в ланцюгу первинної обмотки трансформатора для зниження напруги або для включення трансформатора з низьковольтною первинною обмоткою в мережу (рис.2) Баластний конденсатор в цьому випадку підбирається з розрахунку, щоб при максимальному струмі навантаження вихідна напруга трансформатора відповідала заданому.

Література

1. Бірюков С.А. Пристрої мікросхемах. - М., 2000.

І.СЕМЕНОВ,

м. Дубна Московської обл.