Как рассчитать бестрансформаторные блоки питания

В этом посте объясняется, как рассчитать номиналы резисторов и конденсаторов в цепях бестрансформаторного источника питания, используя простые формулы, такие как закон Ома.

Анализ емкостного источника питания

Прежде чем мы изучим формулу для расчета и оптимизации номиналов резисторов и конденсаторов в бестрансформаторном источнике питания, было бы важно сначала обобщить стандарт конструкция бестрансформаторного источника питания .

Как показано на схеме, различным задействованным компонентам назначены следующие конкретные функции:

C1 - неполярный высоковольтный конденсатор, который вводится для снижения смертельного сетевого тока до желаемых пределов в соответствии со спецификацией нагрузки. Таким образом, этот компонент становится чрезвычайно важным из-за назначенной функции ограничения сетевого тока.

D1 - D4 настроены как мостовой выпрямитель сети для выпрямления пониженного переменного тока из C1, чтобы сделать выход подходящим для любой предполагаемой нагрузки постоянного тока.

Z1 предназначен для стабилизации выхода до требуемых безопасных пределов напряжения.

C2 установлен на отфильтровать любую рябь в постоянном токе и для создания идеально чистого постоянного тока для подключенной нагрузки.

R2 может быть дополнительным, но рекомендуется для борьбы с выбросом при включении из сети, хотя предпочтительно этот компонент должен быть заменен термистором NTC.

Использование закона Ома

Все мы знаем, как работает закон Ома и как его использовать для поиска неизвестного параметра, когда известны два других. Однако при емкостном типе источника питания с особенностями и подключенными к нему светодиодами расчет тока, падения напряжения и резистора светодиода становится немного запутанным.

Как рассчитать и вывести параметры тока и напряжения в бестрансформаторных источниках питания.

После тщательного изучения соответствующих шаблонов я разработал простой и эффективный способ решения вышеуказанных проблем, особенно когда используемый источник питания является бестрансформаторным или включает конденсаторы PPC или реактивное сопротивление для управления током.

Оценка тока в емкостных источниках питания

Обычно бестрансформаторный источник питания будет выдавать выходной сигнал с очень низкими значениями тока, но с напряжениями, равными приложенной сети переменного тока (пока она не будет загружена).

Например, 1 мкФ, 400 В (напряжение пробоя) при подключении к источнику питания 220 В x 1,4 = 308 В (после моста) будет производить максимум тока 70 мА и начальное значение напряжения 308 Вольт.

Однако это напряжение будет демонстрировать очень линейное падение по мере того, как выход будет загружен, и ток будет поступать из резервуара «70 мА».

Мы знаем, что если нагрузка потребляет все 70 мА, это будет означать, что напряжение упадет почти до нуля.

Теперь, поскольку это падение является линейным, мы можем просто разделить начальное выходное напряжение на максимальный ток, чтобы найти падения напряжения, которые могут возникнуть при различных значениях токов нагрузки.

Следовательно, деление 308 вольт на 70 мА дает 4,4 В. Это скорость, с которой напряжение будет падать на каждый 1 мА тока, добавляемого к нагрузке.

Это означает, что если нагрузка потребляет ток 20 мА, падение напряжения будет 20 × 4,4 = 88 вольт, поэтому на выходе теперь будет напряжение 308 - 62,8 = 220 вольт постоянного тока (после моста).

Например с 1 Вт светодиод подключенный непосредственно к этой схеме без резистора, будет показывать напряжение, равное прямому падению напряжения светодиода (3,3 В), это потому, что светодиод потребляет почти весь ток, доступный от конденсатора. Однако напряжение на светодиоде не падает до нуля, потому что прямое напряжение - это максимальное заданное напряжение, которое может упасть на нем.

Из вышеприведенного обсуждения и анализа становится ясно, что напряжение в любом блоке питания не имеет значения, если способность блока питания передавать ток «относительно» невелика.

Например, если мы рассмотрим светодиод, он может выдерживать ток от 30 до 40 мА при напряжениях, близких к его «прямому падению напряжения», однако при более высоких напряжениях этот ток может стать опасным для светодиода, поэтому все дело в поддержании максимального тока равным максимально допустимый допустимый предел нагрузки.

Расчет номиналов резисторов

Резистор для нагрузки : Когда светодиод используется в качестве нагрузки, рекомендуется выбирать конденсатор, значение реактивного сопротивления которого позволяет только максимально допустимый ток для светодиода, и в этом случае можно полностью отказаться от резистора.

Если емкость конденсатора большой с более высокими выходными токами, то, вероятно, как обсуждалось выше, мы можем включить резистор, чтобы уменьшить ток до допустимых пределов.

Расчет резистора ограничения перенапряжения : Резистор R2 на приведенной выше схеме включен в качестве резистора ограничителя перенапряжения при включении. Он в основном защищает уязвимую нагрузку от начального импульсного тока.

Во время начальных периодов включения конденсатор C1 действует как полное короткое замыкание, хотя и всего на несколько миллисекунд, и может пропускать все 220 В на выходе.

Этого может быть достаточно, чтобы перегореть чувствительные электронные схемы или светодиоды, подключенные к источнику питания, который также включает стабилизирующий стабилитрон.

Поскольку стабилитрон формирует первое электронное устройство в линии, которое необходимо защитить от начального скачка напряжения, R2 можно рассчитать в соответствии со спецификациями стабилитрона, а максимальное значение ток стабилитрона , или стабилитрон.

Максимально допустимый ток стабилитрона для нашего примера составит 1 Вт / 12 В = 0,083 ампера.

Следовательно, R2 должно быть = 12 / 0,083 = 144 Ом.

Однако, поскольку импульсный ток длится всего несколько миллисекунд, это значение может быть намного ниже.

Здесь. мы не рассматриваем вход 310 В для расчета стабилитрона, поскольку ток ограничен до 70 мА с помощью C1.

Поскольку R2 может излишне ограничивать драгоценный ток нагрузки во время нормальной работы, в идеале он должен быть NTC тип резистора. NTC будет следить за тем, чтобы ток ограничивался только во время начального периода включения, а затем полные 70 мА могут проходить без ограничений для нагрузки.

Расчет разрядного резистора : Резистор R1 используется для разряда накопленного заряда высокого напряжения внутри C1, когда цепь отключена от сети.

Значение R1 должно быть как можно более низким для быстрого разряда C1, но рассеивать минимальное тепло при подключении к сети переменного тока.

Поскольку R1 может быть резистором на 1/4 Вт, его рассеивание должно быть ниже 0,25 / 310 = 0,0008 ампер или 0,8 мА.

Следовательно, R1 = 310 / 0,0008 = 387500 Ом или примерно 390 кОм.

Расчет резистора светодиода на 20 мА

Пример: На показанной диаграмме емкость конденсатора составляет 70 мА макс. ток, который может выдержать любой светодиод. Используя стандартную формулу светодиода / резистора:

R = (напряжение питания VS - прямое напряжение светодиода VF) / ток светодиода IL,
= (220 - 3,3) / 0,02 = 10,83 К,

Однако значение 10,83K выглядит довольно огромным и существенно снизит яркость светодиода ... тем не менее, расчеты выглядят абсолютно законными ... так что мы здесь чего-то упускаем ??

Я думаю, что здесь напряжение «220» может быть неправильным, потому что в конечном итоге для светодиода потребуется всего 3,3 В… так почему бы не применить это значение в приведенной выше формуле и не проверить результаты? Если вы использовали стабилитрон, то здесь можно было бы применить значение стабилитрона.

Хорошо, вот и мы снова.

R = 3,3 / 0,02 = 165 Ом

Теперь это выглядит намного лучше.

Если вы использовали, скажем, стабилитрон 12 В перед светодиодом, формулу можно рассчитать, как показано ниже:

R = (напряжение питания VS - прямое напряжение светодиода VF) / ток светодиода IL,
= (12 - 3,3) / 0,02 = 435 Ом,

Поэтому значение резистора для управления одним красный светодиод безопасно было бы около 400 Ом.

Определение тока конденсатора

Во всей бестрансформаторной конструкции, рассмотренной выше, C1 является одним из важнейших компонентов, размеры которого необходимо правильно подобрать, чтобы выходной ток от него оптимально оптимизировался в соответствии со спецификациями нагрузки.

Выбор конденсатора высокой емкости для относительно меньшей нагрузки может увеличить риск чрезмерного импульсного тока, проникающего в нагрузку и приводящего к ее более раннему повреждению.

Правильно рассчитанный конденсатор, напротив, обеспечивает контролируемый бросок перенапряжения и номинальное рассеивание, обеспечивая адекватную безопасность подключенной нагрузки.

Использование закона Ома

Величина тока, которая может быть оптимально допустимой через бестрансформаторный источник питания для конкретной нагрузки, может быть рассчитана с помощью закона Ома:

I = V / R

где I = ток, V = напряжение, R = сопротивление

Однако, как мы видим, в приведенной выше формуле R является нечетным параметром, поскольку мы имеем дело с конденсатором в качестве элемента ограничения тока.

Чтобы взломать это, нам нужно получить метод, который будет переводить значение ограничения тока конденсатора в Ом или единицу сопротивления, чтобы можно было решить формулу закона Ома.

Расчет реактивного сопротивления конденсатора

Для этого мы сначала выясняем реактивное сопротивление конденсатора, которое можно рассматривать как эквивалент сопротивления резистора.

Формула реактивного сопротивления:

Xc = 1/2 (пи) fC

где Xc = реактивное сопротивление,

пи = 22/7

f = частота

C = емкость конденсатора в фарадах

Результат, полученный по приведенной выше формуле, выражается в Омах, которые можно напрямую подставить в наш ранее упомянутый закон Ома.

Решим пример для понимания реализации приведенных выше формул:

Посмотрим, какой ток может выдать конденсатор емкостью 1 мкФ на конкретную нагрузку:

У нас в руках следующие данные:

пи = 22/7 = 3,14

f = 50 Гц (частота сети переменного тока)

и C = 1 мкФ или 0,000001F

Решение уравнения реактивного сопротивления с использованием приведенных выше данных дает:

Хс = 1 / (2 х 3,14 х 50 х 0,000001)

= 3184 Ом приблизительно

Подставляя это эквивалентное значение сопротивления в формулу закона Ома, мы получаем:

R = V / I

или I = V / R

Принимая V = 220V (поскольку конденсатор предназначен для работы от сетевого напряжения).

Мы получили:

I = 220/3184

= 0,069 ампер или 69 мА приблизительно

Аналогичным образом можно рассчитать и другие конденсаторы, зная их максимальную пропускную способность или номинальный ток.

Приведенное выше обсуждение всесторонне объясняет, как можно рассчитать ток конденсатора в любой соответствующей схеме, особенно в бестрансформаторных емкостных источниках питания.

ВНИМАНИЕ: ВЫШЕУКАЗАННАЯ КОНСТРУКЦИЯ НЕ ИЗОЛИРУЕТСЯ ОТ СЕТИ ВХОДА, ПОЭТОМУ ВСЕ АГРЕГАТ МОЖЕТ ПЛАВАТЬ ПО СРЕДСТВОМ СЕТЕВОЙ ВХОДНОЙ СЕТИ, БУДЬТЕ КРАЙНЕ ОСТОРОЖНЫ ПРИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИИ ПОЛОЖЕНИЯ.