Бестрансформаторный блок питания на 12 Вольт своими руками в домашних условиях

Пригодность блока питания в быту

У каждого в доме есть различная аппаратура, работающая от батареек или аккумуляторов. Чтобы не менять каждый раз элементы, ее питают от любого источника, подключаемого к сети 220 В.

Большой мощности от полностью бестрансформаторного малогабаритного блока ждать не следует. Аккумуляторные инструменты (шуруповерты, дрели, дисковые пилы), насосы, планшеты и ноутбуки от него работать не будут.

К такому БП можно подключать осветительные приборы и электронную технику, которые потребляют ток до 500 мА:

малогабаритные приемники;
светодиодные лампы и гирлянды (но не ленты);
портативную маломощную медицинскую аппаратуру (наручный тонометр, измеритель пульса и других параметров);
зарядные модули телефонов;
детские игрушки;
моторы магнитофонов, вентиляторы;
самодельные устройства;
платы от Arduino.

Бестрансформаторные блоки питания

В последние годы вновь пробудился интерес радиолюбителей к бестрансформаторным блокам питания (БТБП). При надежной изоляции питаемого устройства (пластмассовый корпус, отсутствие наружных токонесущих деталей) такие БП можно применить взамен трансформаторных, причем по масса габаритным показателям бестрансформаторный блок питания имеют заметные преимущества.

Кроме экономической целесообразности, бестрансформаторным БП присущи и другие достоинства — большая надежность при правильном выборе элементов, нечувствительность к коротким замыканиям на выходе выпрямителя.

Описание работы бестрансформаторного блока питания и его инженерный расчет можно найти в [1…3]. Кроме ценных рекомендаций, в статье В.Банникова приведена очень полезная радиолюбителям таблица для выбора емкости гасящего конденсатора в зависимости от заданного тока нагрузки.

В дополнение к сведениям, изложенным в [1…5], из собственного опыта добавлю следующее:

При выборе схемы бестрансформаторного блока питания следует отдавать безусловное предпочтение мостовому выпрямителю (рис.1). Эффективное значение переменного напряжения в данной схеме, приложенное к диодному мосту VD1, не превышает выпрямленного — Uo. Это позволяет использовать любые малогабаритные универсальные диоды с относительно низким максимально допустимым обратным напряжением — 50…100 В. например, широко распространенные Д219…Д223 с любыми буквенными индексами, а также многие другие.
В качестве балластного (С1) мною используются бескорпусные полиэтилентерефталатные конденсаторы типа К73-17 и полипропиленовые К78-2, применяемые в схемах строчной развертки отечественных телевизоров и мониторов. Оба типа конденсаторов специально предназначены для работы в цепях переменного, пульсирующего и импульсного токов. Допустимая амплитуда переменного напряжения или переменная составляющая пульсирующего при частоте 50 Гц лежит в пределах 55…70% от номинального напряжения Uн (6). Таким образом, в схемах бестрансформаторного блока питания можно применять указанные конденсаторы с Uн = 400, 630 и 1000 В. Еще одно достоинство конденсаторов с пленочным (синтетическим) диэлектриком — весьма малые потери и, следовательно, ничтожный нагрев при работе в цепях переменного тока. Благодаря бескорпусному прямоугольному исполнению, они занимают небольшой объем при значительной емкости и высоком рабочем напряжении. Поэтому, в отличие от рекомендуемых в [2] бумажных конденсаторов МБГЧ и КГБ, пленочные К73-17, К78-2 легко помещаются в корпусах малогабаритных блоков питания — адаптерах.
Рекомендую добавлять в фирменные и самодельные адаптеры (как трансформаторные, так и БТБП) плавкие предохранители. Если из-за малого объема корпуса в блоке питания невозможно установить держатель предохранителя, малогабаритные вставки ПМ и ВП следует впаивать на весу между штырем вилки и выводом первичной обмотки. Радиопромышленность выпускает также модификацию керамических предохранителей ВП с гибкими выводами для пайки. Как правило, для защиты БП малой мощности достаточно предохранителя на ток 0,25 А. Чтобы исключить возможность замыканий внутри адаптера, на припаянный с одной стороны предохранитель натягивается небольшой отрезок хлорвиниловой трубочки, а затем впаивается второй конец.
На выходе выпрямителя бестрансформаторного блока питания, даже еспи он работает на постоянную (по силе тока) не отключаемую нагрузку, следует устанавливать стабилитрон или предложенный в [4] транзисторный стабилизатор напряжения. В этом случае при обрыве цепи нагрузки не произойдет аварийного повышения напряжения на диодах выпрямительного моста и конденсаторе фильтра С2. Чтобы повысить надежность БП, советую применять не маломощные стабилитроны Д808…Д813, Д814А…Д. а приборы средней мощности — Д815А…Ж, Д816А…Д, Д817А…Г. Выход из строя более мощных стабилитронов гораздо менее вероятен. Так как конденсатор С1 на переменном токе играет роль ограничительного сопротивления, дополнительного балластного резистора к стабилитрону VD2 не требуется.
Если БП предназначен для работы с достаточно дорогим устройством, для которого опасно повышение питающего напряжения (например, пейджером), следует установить на выходе адаптера дополнительную ступень защиты. Такая мера применяется иногда в зарубежной РЭА для защиты ИМС процессоров и микроконтроллеров.

На рис.2 приведена схема простого тиристорного устройства, срабатывающего только при аварийном повышении напряжения на выходе выпрямителя или стабилизатора. При. этом по цепи управления открывается маломощный тиристор VS1, который шунтирует выход выпрямителя и вызывает форсированное сгорание плавкого предохранителя FU2.

Резистор R2 задает кратность перегрузки. При отношении аварийного тока перегрузки Iав к номинальному току Iн от 10 до 20, время плавления предохранителей ВП1-1 составляет 2…5 мс. Кроме бестрансформаторных выпрямителей, гасящие конденсаторы могут применяться в комбинированных блок питания [5], где первичная обмотка сетевого (разделительного) трансформатора не рассчитана на полное напряжение питающей электросети (рис.3).

На этом принципе основан успешно применяемый мною способ переделки маломощных блоков питания, предназначенных для 120-вольтовой сети, или ремонта перегоревших например, при обрыве одного из выводов первичной обмотки трансформатора на 220 В.

В подавляющем большинстве зарубежных, да и во многих отечественных адаптерах отсутствуют плавкие предохранители, защищающие первичную обмотку сетевого трансформатора. При аварийных замыканиях на выходе выпрямителя (в нагрузке), а также пробое диодов выпрямителя или конденсаторов фильтра, вместо дешевого, легко заменяемого предохранителя перегорает тонкий провод первичной обмотки.

Нередко из-за технологических нарушений, допущенных при изготовлении трансформатора, со временем происходит разрыв провода вследствие его окисления в месте пайки вывода. Если трансформатор был рассчитан на два питающих напряжения — 127/220 В, как правило, остается целой часть сетевой обмотки на напряжение 93…127 В.

В этом случае, а также при переделке 120-вольтового импортного адаптера, можно восстановить блок питания для сети 220 В без замены трансформатора. Последовательно с первичной обмоткой трансформатора включается гасящий конденсатор, и подбором его емкости добиваются необходимого распределения переменных напряжений на конденсаторе и первичной обмотке. Чем меньше емкость этого конденсатора, тем меньшая часть сетевого напряжения приложена к обмотке трансформатора.

Интересный вариант последней схемы с симметричным ограничением переменного напряжения на первичной обмотке трансформатора был описан Л. Пожаринским в журнале “Радио”. Стабилитроны-ограничители VD4. VD5 типа Д815Г показаны пунктиром на рис.3.

Все эксперименты по подбору емкости конденсатора и налаживанию бестрансформаторного блока питания должны проводиться от источника регулируемого переменного напряжения (лабораторного автотрансформатора — ЛАТРа), начиная от нуля и до Uc = 220 В с постоянным контролем тока, потребляемого блоком питания, и при строгом соблюдении правил электробезопасности.

Устройство и конструкция

Простой 12-вольтовый БП без трансформатора можно сделать из нескольких радиоэлементов. Он представляет собой диодный мост VD1-4 и 3 однотипных транзисторных стабилизатора, включенных последовательно.

Другая схема состоит из следующих деталей:

2 конденсаторов C1 и C2;
4 диодов, образующих мост VD1-4;
1 стабилитрона D1.

C1, подключенный к сети 220 В, гасит большую часть напряжения. Оно выпрямляется диодным мостом VD1-4. Цепочка D1, C2 является параметрическим стабилизатором, с выхода которого снимается постоянное напряжение, питающее нагрузку.

Более продвинутое устройство содержит на входе сопротивление R1 для подавления броска тока и RC-цепочку — подключенные параллельно гасящая емкость C1 и резистор r2 большого номинала для ее разрядки. Средняя часть схемы такая же. На выходе установлен дополнительный неполярный конденсатор C3.

Дальнейшее усовершенствование предполагает установку на выходе БП стабилизатора VR1 на транзисторах или микросхеме.

Эти блоки опасны, так как их детали находятся под напряжением 220 В. При отсутствии нагрузки (если испорчен стабилизатор) потенциал на выходе будет равен сетевому.

Принципиальная электрическая схема

Преимущество этой схемы в том, что здесь избыточная энергия не рассеивается в виде тепла (как при использовании резистора).

Здесь предохранитель на 200 мА защищает цепь от короткого замыкания или отказа компонентов. Варистор на 275В предохраняет схему от скачков напряжения. Основной частью этого источника питания является конденсатор С1 (X типа), так как на нем падает основная часть избыточного напряжения электросети.

Резистор R1 предназначен для разрядки конденсатора C1 при отключении питания, что предотвращает любые удары, вызванные зарядом конденсатора.

Резистор R2 предназначен для предотвращения чрезмерного переходного тока, который может протекать при включении источника питания (во время заряда C1). Полупроводники D1…D4 представляют собой мостовой выпрямитель, который выпрямляет переменное напряжение. Среди них D1 и D2 — стабилитроны, а D3 и D4 – диоды. Таким образом, выпрямленное напряжение будет ограничено напряжением стабилитронов. Конденсатор C2 — это фильтрующий конденсатор, который фильтрует выпрямленное напряжение от помех.

Работу бестрансформаторного источника питания демонстрирует выше приведенное изображение, которое не требует какого-либо особого пояснения.

В положительном полупериоде полупроводники D1 и D4 смещены в прямом направлении, и ток течет через нагрузку. Выходное напряжение будет ограничено стабилитроном D1. В отрицательном полупериоде полупроводники D2 и D3 смещены в прямом направлении, и выходное напряжение будет ограничиваться стабилитроном D2.

Принцип работы

Бестрансформаторный блок на транзисторах работает следующим образом. 220 В выпрямляется мостом с конденсатором и поступает на стабилизаторы. Они все выполнены по одной схеме, но рассчитаны на разные напряжения. Первый ограничивает потенциал сети на уровне 150-180 В, второй стабилизатор сокращает его примерно в 2-3 раза. Третий выдает нужное напряжение. Меняя стабилитрон D3, можно получить бестрансформаторный БП, например, на 12 или 5 вольт.

Блок с RC-цепочкой является делителем напряжения. В его верхнем (по схеме) плече стоит конденсатор C1, представляющий для переменного тока реактивное (совсем не потребляет энергию) сопротивление. В нижней части расположен диодный мост VD1-4 с нагрузкой (стабилитрон, транзистор, микросхема и пр.).

Входное напряжение приходит на делитель, выпрямляется мостом и поступает на стабилизатор, который ограничивает его до необходимого значения.

Схемы бестрансформаторного сетевого питания микроконтроллеров

Бестрансформаторные источники питания проще в изготовлении и дешевле, чем трансформаторные, однако они представляют определённую опасность для жизни человека при налаживании, ремонте и в эксплуатации. Неосторожное прикосновение одновременно ктоковедущей части и к заземлённой поверхности может окончиться весьма плачевно.

Схемы без гальванической развязки применяют в тех конструкциях, где не требуется постоянное присутствие человека или обеспечена надёжная изоляция от поражения током. Стоит отметить, что использовать такие источники питания целесообразно только при небольших токах нагрузки, так как в противном случае размеры и стоимость нужных компонентов растут очень быстро.

Различают следующие разновидности бестрансформаторных блоков питания:

с балластным резистором во входной цепи;
с балластным конденсатором во входной цепи;
с импульсным неизолированным AC/DC-преобразователем.

Балластными резисторами и конденсаторами гасится излишек сетевого напряжения. Соответственно резисторы должны быть рассчитаны на большую мощность рассеяния, а конденсаторы должны быть плёночными, например, К73-17, желательно с рабочим напряжением не менее 630 В. Запас нужен, потому что допустимое переменное напряжение КАС на частоте 50 Гц у данного класса конденсаторов значительно меньше допустимого постоянного напряжения KDC (Табл. 6.2).

Схемы балластного типа «не любят» частых включений/выключений, поскольку в начальный момент времени возникают всплески напряжения. Если имеется возможность, то лучше вообще обойтись без сетевого тумблера, что значительно продлит ресурс работы устройства. Оптимальная сфера применения балластных схем — маломощные приборы с круглосуточным режимом функционирования.

Импульсные сетевые бестрансформаторные преобразователи напряжения носят название AC/DC («переменное» АС в «постоянное» DC). Они обеспечивают высокий КПД и малые габариты, но генерируют импульсные помехи достаточно высокой частоты и амплитуды. Кроме того, микросхемы, применяемые в этих преобразователях, к числу дешёвых и широкораспространённых не относятся.

На Рис. 6.3, а…м показаны схемы бестрансформаторного питания с балластными резисторами и конденсаторами, а на Рис. 6.4, а…г — с микросхемами импульсных AC/DC-преобразователей.

Рис. 6.3. Схемы бестрансформаторного питания с балластными элементами (начало):

а) диоды VD1…VD4 должны выдерживать обратное напряжение не менее 400 В. Резисторы Rl, R2 являются балластными для стабилитрона VD5. Сопротивление резистора R3 выбирается так, чтобы выходное напряжение не превышало +5.25 В при любом токе нагрузки. ФНЧ на элементах C1, R3, С2 сглаживает сетевые пульсации удвоенной частоты 100 Гц;

б) аналогично Рис. 6.3, а, но параллельные балластные резисторы заменяются последовательно включёнными резисторами RL..R3, RС-фильтр заменяется LC-фильтром LI, C1, а также добавляется предохранитель FUI. Максимально допустимый ток через дроссель LI должен быть с запасом больше, чем ток нагрузки;

в) полная классическая схема источника питания с балластным конденсатором C1. Резистор R1 ограничивает начальный ток заряда конденсатора С2 и является обязательным в подобных схемах. Резистор R2 быстро разряжает конденсатор C1 после отключения вилки от сети 220 В. Сборка диодов VD1 выпрямляет напряжение и может быть заменена двумя диодами типа 1 N4004… 1 N4007. Конденсатор С2 сглаживает сетевые пульсации, а конденсатор C3 устраняет ВЧ-помехи. Выходное напряжение зависит от параметров стабилитрона VD2 и тока нагрузки;

г) питание от трёхфазной сети через балластные резисторы RL..R3. Стабилитрон VD4 нужен, чтобы микросхема DA1 не вышла из строя от высокого входного напряжения при обрыве нагрузки в цепи +5 В или при резком снижении тока потребления;

Рис. 6.3. Схемы бестрансформаторного питания с балластными элементами (продолжение):

д) стабилитроны VD3, VD4 имеют повышенную мощность рассеяния 1…3 Вт и выполняют предварительное ограничение напряжения. Стабилизатор на микросхеме DA I обеспечивает выходное напряжение;

е) двухполупериодный выпрямитель с диодным мостом VD1 и светодиодной индикацией наличия питания. Резистор R3 определяет ток в нагрузке, а также яркость свечения индикатора HLI. Выходное напряжение зависит от параметров стабилитрона VD2 и тока нагрузки;

ж) двухполярный источник питания. Для полной симметрии схемы желательно обеспечить одинаковые токовые нагрузки по цепям +5 и -5 В;

з) разделение выходного напряжения на две отдельные ветви для исключения взаимных помех, например, для питания МК и для управление тиристором. Стабилитрон VD1 ограничивает напряжение на уровне +5.6 В. Диоды VD2, VD3 снижают его до +4.8…+5 В в каждом канале;

Рис. 6.3. Схемы бестрансформаторного питания с балластными элементами (окончание):

и) получение двух напряжений от одного источника питания. Суммарный ток нагрузки состоит из суммы токов в каналах +9…+12 В и +5 В. При значительных колебаниях тока нагрузки следует выбрать стабилитрон VD3 с повышенной мощностью рассеяния 1…3 Вт;

к) стабилитроны VDI, VD2 одновременно служат стабилизаторами и выпрямителями. Стабилитроны следует выбирать мощные, с запасом по току;

л) вместо одного применяются два балластных конденсатора C1, С2, которые могут быть рассчитаны на меньшее допустимое напряжение;

м) в закрытом состоянии тиристора VS1 ток на бестрансформаторный стабилизатор напряжения (C1…CJ, RL..R3, VDI, VD2) проходит через нагрузку RH. Ввиду низкого значения тока, нагрузка не работает в полную мощность, например, лампа не светится, вентилятор не крутится и т.д. После включения тиристора VSI, в нагрузку RH подаётся полная мощность, а напряжение на выходе стабилизатора снижается с +5 до +2.7 В. Чтобы МК нормально функционировал, он должен быть широкодиапазонным по питанию и иметь возможность организации рестарта.

Рис. 6.4. Схемы сетевых бестрансформаторных блоков питаь с AC/DC-преобразователями:

а) типовая схема включения импульсного AC/DC-преобразователя напряжения на микросхеме DA1 фирмы ROHM;

б) типовая схема включения импульсного AC/DC-преобразователя напряжения на микросхеме DA1 фирмы Power Integrations. Дроссели LI, L2снижают уровень пульсаций;

в) формирователь двух популярных у радиолюбителей напряжений питания +5 и +3.3 В. Микросхема DA1 — это импульсный АC1DC-преобразователь напряжения фирмы Supertex;

т) DAI — это импульсный АC1DC-преобразователь напряжения фирмы Supertex. Общий ток нагрузки по выходам +18 и +5 В не должен превышать 40 мА.

Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.

Рабочие схемы

Все описанные устройства выполнены на распространенных радиоэлементах. Ниже приведены схемы с обозначением всех деталей.

В БП с транзисторными стабилизаторами КТ940А можно заменить на высоковольтный, выдерживающий более 250 В, а КТ815Г — на другой, с минимальным напряжением 80 В. При указанных деталях устройство может выдать до 300 мА. Для увеличения силы тока надо транзисторы установить на радиаторы. Если вместо стабилитрона КС512А поставить Д814Д, то выходной ток устройства уменьшится до 200 мА.

Традиционный бестрансформаторный блок на 12 В с RC-цепочкой выдает всего 20-40 мА. Если после моста установить мощный стабилитрон Д815Ж, который ограничит напряжение до 16-19 В, и дополнить схему стабилизатором на транзисторе, то выходной ток повысится до 120 мА. Для его увеличения до 180 мА необходимо параллельно конденсаторам C1, C2 припаять еще один такой же.

Более стабилен блок на микросхеме 78L08 (российское обозначение КР142Б). При указанных деталях он выдает до 200 мА.

Расчет параметров

Для предотвращения пробоя деталей бестрансформаторных схем их необходимо правильно рассчитать. Для каждого устройства существует свой метод.

Транзисторный блок считают по закону Ома: U=I×R. Необходимо рассчитать сопротивления R1, R2, R3 исходя из величины, напряжения и тока, которые выдерживает каждый стабилитрон.

R=U макс/I мин.

Расчет балластного конденсатора для блоков с RC-цепочкой производится по следующей формуле C = I эфф/2*3,14*f *√(Uп²-Uв²), где:

С — емкость балласта (фарад);
Uп и Uв — питающее и выходное напряжения (вольт);
I эфф — ток нагрузки;
f — частота сигнала на входе устройства (герц).

Так как 1 фарад = 1 млн микрофарад, то формулу можно упростить:

C = 3200*I эфф/√(Uп²-Uв²).

Сопротивление R1 (кОм) примерно равняется 0,025 от величины балластного конденсатора. Его мощность не должна быть ниже 1 Вт (оптимально 2-5 Вт).

Если ручной подсчет неудобен, найдите и используйте калькулятор в режиме онлайн.

Общее устройство и принцип действия

Представленная схема отличается простотой, надежностью и эффективностью. Она может быть изготовлена не только методом навесного монтажа, но и в виде печатной платы. Данная схема на двенадцать вольт является рабочей, требуется лишь заранее рассчитать параметры балластового гасящего конденсатора и подобрать нужное значение тока для конкретного устройства. Практически можно сделать 5,5-вольтовый блок с возможностью увеличения напряжения до 25 В.

Основой устройства служит балластовый конденсатор, гасящий сетевое напряжение. После этого ток попадает в диодный выпрямитель, а второй конденсатор выполняет функцию фильтра. Иногда возникает необходимость быстро разрядить оба конденсатора. С этой целью в схеме предусмотрены резисторы R1 и R2. Еще один резистор R3 используется в качестве ограничителя тока при включении нагрузки.

Расчет балластного конденсатора выполняется до сборки схемы. Для этого используется простая формула С = 3200хI/Uc, в которой I является током нагрузки (А), Uc – сетевым напряжением, С – емкостью конденсатора (мкФ). Чаще всего такие расчеты используются для светодиодов.

В качестве примера можно взять любой прибор с током 150 мА. Это может быть обычная светодиодная лампа. Сетевое напряжение будет 230 В. Таким образом, 3200 х 0,15/230 = 2,08 мкФ. Номинал конденсатора выбирается наиболее близко к расчетному, то есть, его емкость составит 2,2 мкФ, а расчетное напряжение – 400 В.