Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Zasilacze beztransformatorowe - część 1 - projektowanie

ghost666 20 Jan 2021 17:18 4143 27
  • Do zasilania niewielkich urządzeń małej mocy z sieci energetycznej często stosuje się kompaktowe zasilacze beztransformatorowe. W poniższym artykule przeanalizujemy kilka aspektów sprzętowych, a w drugiej części przyjrzymy się, jak symulować działanie takiego obwodu, by wspomóc się podczas projektowania.

    Jeśli prąd pobierany przez obciążenie jest rzędu kilkudziesięciu miliamperów, możliwe jest bezproblemowe przetwarzanie wejściowego napięcia przemiennego na napięcie stałe bez konieczności stosowania nieporęcznych i drogich transformatorów. Oprócz mniejszej wagi i wymiarów, rozwiązania beztransformatorowe są również tańsze. W zależności od rodzaju obwodu zasilacze beztransformatorowe dzielą się na dwie kategorie: pojemnościowe i rezystancyjne. Przeanalizujemy poniżej cechy charakterystyczne każdego z tych typów obwodów. W artykule znajdziemy także praktyczne wskazówki, jak dobrać moc komponentów elektronicznych, których to dotyczy, do tego układu i jakie środki należy podjąć w celu poprawy bezpieczeństwa eksploatacji takiego zasilacza.

    Beztransformatorowy zasilacz pojemnościowy

    Schemat beztransformatorowego zasilacza pojemnościowego przedstawiono na rysunku 1. Wartości wskazane dla komponentów odnoszą się do konkretnego układu, a wzory pozwalające obliczyć te wartości podano poniżej. L i N oznaczają odpowiednio linię fazy i zero napięcia sieci prądu przemiennego, podczas gdy VOUT to napięcie wyjściowe z zasilacza. Prąd wyjściowy oznaczony jest IOUT.

    Prąd rozruchowy (potencjalnie mogący uszkodzić komponenty zasilacza) jest ograniczony przez rezystor R1 i reaktancję kondensatora C1. D1 to dioda Zenera zapewniająca stabilizację napięcia odniesienia, natomiast dioda D2 to zwykła dioda krzemowa (prostownicza), której zadaniem jest prostowanie napięcia przemiennego.

    Zasilacze beztransformatorowe - część 1 - projektowanie
    Rys.1. Pojemnościowy zasilacz beztransformatorowy. (Za: Microchip).


    Napięcie na obciążeniu pozostaje stałe, dopóki prąd wyjściowy IOUT jest mniejszy lub równy prądowi wejściowemu IIN, którego wartość można obliczyć jako:

    $$I_{IN} = \frac {\sqrt {2V_{RMS}} - V_Z} {2 (\frac {1}{2 \times \pi \times \f \times C_1} +R_1)} \qquad (1)$$

    Gdzie VZ to napięcie Zenera, VRMS to wartość skuteczna napięcia wejściowego AC, a f to jego częstotliwość. Minimalna wartość IIN powinna odpowiadać zapotrzebowaniu na moc obciążenia, a maksymalna wartość służy do doboru odpowiedniej mocy znamionowej dla każdego elementu. Napięcie wyjściowe VOUT można obliczyć jako:

    $$V_{OUT} = V_Z - V_D \qquad (2)$$

    Gdzie VD to napięcie polaryzacji D2 w kierunku przewodzenia - spadek napięcia na diodzie (typowo 0,6–0,7 V dla zwykłej diody krzemowej). Jeśli chodzi o R1, wskazane jest, aby dobrać element o mocy co najmniej dwukrotnie większej w stosunki do wartości teoretycznej mocy rozpraszanej na R1 (PR1), która opisana jest wzorem:

    $$P_{R1} = I^2 \ times R = (V_{RMS} \times 2 \times \pi \times \f \times C_1)^2 \times R_1 \qquad (3)$$

    Kondensator C1, od którego pochodzi nazwa tego typu obwodu, powinien być wybrany z napięciem co najmniej dwa razy większym niż napięcie sieci prądu przemiennego (na przykład 250 V w USA, w Polsce stosuje się typowo 400 V). Dioda D1 powinna mieć co najmniej dwukrotnie większą moc w stosunku do wartości teoretycznej określonej następującym wzorem:

    $$P_{D1} = I \times V_Z \qquad (4)$$

    To samo dotyczy mocy diody D2, gdzie tylko zamiast VZ można teraz zastosować stałą wartość spadku napięcia, na przykład 0,7 V dla typowej krzemowej diody prostowniczej. W przypadku C2 zwykle stosuje się kondensator elektrolityczny o napięciu co najmniej dwa razy większym niż VZ.

    Główne zalety rozwiązania pojemnościowego w porównaniu z rozwiązaniem opartym na transformatorze to zmniejszony rozmiar, waga i koszty. W porównaniu z rozwiązaniem typu rezystancyjnego, przedstawionym poniżej, układ ten pozwala na uzyskanie wyższej sprawności. Wadą z kolei jest brak izolacji galwanicznej napięcia wyjściowego od sieci energetycznej oraz wyższy koszt niż rozwiązania opartego na rezystancji.

    Beztransformatorowy zasilacz rezystancyjny

    Schemat typowego rezystancyjnego zasilacza beztransformatorowego przedstawiono na rysunku 2. Ponownie, napięcie wyjściowe VOUT pozostaje stałe tak długo, jak prąd IOUT jest mniejszy lub równy prądowi wejściowemu IIN, z tą różnicą, że teraz ograniczenie prądu rozruchowego jest realizowane tylko przez rezystor R1. Napięcie wyjściowe VOUT można obliczyć przy użyciu tego samego wzoru, co w przypadku zasilacza pojemnościowego, natomiast prąd wejściowy IIN można teraz wyznaczyć, stosując następujący wzór:

    $$I_{IN} = \frac {\sqrt {2V_{RMS} - V_Z} {2R_1} \qquad (5)$$

    Zasilacze beztransformatorowe - część 1 - projektowanie
    Rys.2. Rezystancyjny zasilacz beztransformatorowy. (Za: Microchip)


    Podobnie jak w poprzednim przypadku, komponenty muszą być dobrane z wartością mocy co najmniej dwukrotnie wyższą od teoretycznej, którą można obliczyć stosując prawo Ohma (P = R × I^2 dla rezystora R1 i P = V × I dla diod D1 i D2). Kondensator elektrolityczny C2 należy dobrać tak jak w przypadku wersji pojemnościowej.

    Zasilacz rezystancyjny ma tę zaletę, że ma mniejszy rozmiar i wagę w porównaniu z obwodem opartym na transformatorze i stanowi absolutnie najtańsze rozwiązanie zasilania sieciowego. Jednak także w tym przypadku nie ma izolacji galwanicznej od sieci prądu przemiennego, a dodatkowo sprawność jest niższa niż w rozwiązaniu pojemnościowym.

    Jak zwiększyć bezpieczeństwo

    Obydwa proponowane układy mają swoje ograniczenia: są pozbawione jakiejkolwiek izolacji i ochrony przed napięciem sieciowym, co stanowi poważny problem bezpieczeństwa dla użytkownika. Jednakże, dzięki niewielkim modyfikacjom możliwe jest dostosowanie obydwu przedstawionych obwodów do realnego użytku i zapewnienie spełniania minimalnych norm bezpieczeństwa. Modyfikacje pokazane są na rysunku 3 i obejmują:

    * Dodanie bezpiecznika chroniącego przed nadmiernym prądem wejściowym;
    * Dodanie warystora chroniącego przed stanami nieustalonymi;
    * Rezystor R2 (R3) połączony równolegle z C1 (C3) w celu poprawy odporności elektromagnetycznej;
    * Podzielenie R1 na dwa rezystory R1 i R2 w celu zapewnienia lepszej ochrony przed stanami przejściowymi napięcia oraz zapobiegania powstawaniu łuków elektrycznych (tylko dla obwodu rezystancyjnego).

    Zasilacze beztransformatorowe - część 1 - projektowanie
    Rys.3. Modyfikacje układów poprawiające ich bezpieczeństwo. (Za: Microchip)


    Źródło: Link

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 10248 posts with rating 8528, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • OxomiOxomi
  • #2
    rosomak19
    Level 20  
    Na pewno przyda się ten opis i wyjaśnienie nie jednemu . Ja osobiście korzystam z takiego rozwiązania ,do softstartu mojego toroida 1.5kVA we wzmacniaczu . Działa bez problemowo już kilka ładnych lat.
    Zasilacze beztransformatorowe - część 1 - projektowanie
  • OxomiOxomi
  • #4
    krzbor
    Level 20  
    Uważam, że to zły pomysł lokowanie C1 i R1 na linii N. W takim układzie całe "niskie napięcie" jest na potencjale sieci. Znaczna część tego typu urządzeń jest podłączana na stale, gdzie znamy położenie przewodów L i N. C1 i R1 powinny być na linii L - wówczas układ w części niskiego napięcia jest na poziomie "0". Choć układ nie jest galwanicznie izolowany od sieci, to po stronie niskiego napięcia nie mamy wysokich potencjałów względem ziemi. Prosty przykład - układ posiada czujnik temperatury (np. podłogi w ogrzewaniu podłogowym). Przewód łączący czujnik musi wytrzymać 230V różnicy potencjału, gdy układ jest na wysokim poziomie.
  • #5
    _Arecki_
    Level 15  
    We wzorze (1) jest błąd.
    Patrząc na jednostki byłoby odejmowanie woltów od pierwiastka z woltów.

    ghost666 wrote:


    Napięcie na obciążeniu pozostaje stałe, dopóki prąd wyjściowy IOUT jest mniejszy lub równy prądowi wejściowemu IIN, którego wartość można obliczyć jako:

    $$I_{IN} = \frac {\sqrt {2V_{RMS}} - V_Z} {2 (\frac {1}{2 \times \pi \times \f \times C_1} +R_1)} \qquad (1)$$


    Powinno być:
    $$I_{IN} = \frac {\sqrt {2}V_{RMS} - V_Z} {2 (\frac {1}{2 \times \pi \times f \times C_1} +R_1)} \qquad $$

    Ten sam błąd jest we wzorze (5), chociaż w tym momencie jest on nieczytelny.
  • #6
    Justyniunia
    Level 34  
    Temat ciekawy, zwłaszcza że mam kilka urządzeń w których mam tylko 230V i 12V, a potrzebuję zasilić wentylator 24V/120mA.
    Czy macie jakieś sprawdzone schematy, może jest jakiś kalkulator dla wyliczenia pojemności według zapotrzebowania na prąd?
    Jestem bardziej praktykiem jak teoretykiem i pewnie szybciej dobiorę taki kondensator eksperymentalnie, niz wylicze jego pojemność.
    Te wzory mnie przerażają.
  • #8
    kris8888
    Level 33  
    Odnośnie zasilaczy beztransformatorowych opartych o szeregową reaktancję pojemnościową, na której wytraca się napięcie to tutaj: https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?t=3728531&highlight=
    była ciekawa dyskusja na temat problemów z utratą pojemności kondensatorów w takich zasilaczach. Zjawisko obserwowane w przypadku niektórych typów kondensatorów. Trzeba to mieć na uwadze stosując tego typu zasilacz.
  • #9
    andrzejlisek
    Level 28  
    Czy przypadkiem linie L i N nie powinny być odwrotnie oznaczone, a bezpiecznik na tej linii, na której jest R1, R2 i D2?

    Co prawda przy prądzie przemiennym nie ma znaczenia, jak się podłączy, jednak narysowane podłączenie spowoduje, że na masie będzie faza. Czy to ma znaczenie, to zależy od zastosowania.
  • #10
    rosomak19
    Level 20  
    r3w4rd wrote:
    W schemacie masz błąd. Niepotrzebny jest węzeł przy złączu J1.1, który idzie na bezpieczniki.

    Dokładnie ,z tym ,że ja mam zrobione w ogóle inaczej tą część. Co do pojawienia napięć sieci ,to układ jest odizolowany ,także nikt łapek tam nie wepcha . W swoim układzie mam jeden bezpiecznik na linii L ,z kolei ta linia jest podłączona do gniazda w którym nie ma możliwości zmiany między L i N ,tak samo przewód zasilający. Także jeśli nikt nie pozamieniał przewodów w gniazdkach i L jest po lewej to jest git. Choć muszę przyznać ,że w wersji testowej (kilkuletniej : ) ) układ działał niezawodnie, niezależnie od podania L i N .
  • #11
    acctr
    Level 17  
    krzbor wrote:
    Uważam, że to zły pomysł lokowanie C1 i R1 na linii N. W takim układzie całe "niskie napięcie" jest na potencjale sieci. Znaczna część tego typu urządzeń jest podłączana na stale, gdzie znamy położenie przewodów L i N.

    Nie do końca taki zły. Na powyższych schematach brakuje istotnego fragmentu - elementu sterującego odbiornikiem. Oczywiście nie jest tak, że każdy układ z zasilaczem beztransformatorowym musi takowy posiadać. Jeśli układ nie steruje żadnym odbiornikiem sprawa jest prosta - jest zamknięty w obudowie i praktycznie nie ma różnicy, czy większość PCB jest na potencjale L czy N.

    W przypadku, gdy układ steruje odbiornikiem, np lampką, wentylatorem, itp oznacza to, że z układu wychodzi przewód do zasilania tego odbiornika. I teraz pytanie na jakim potencjale znajduje się odbiornik gdy element sterujący jest otwarty (czyli nie przewodzi)?
    Oczywiście to zależy od umiejscowienia tego elementu. Może on załączać obwód z góry (L) lub od dołu (N). Jeżeli element sterujący zamyka obwód od strony L w spoczynku mamy na odbiorniku potencjał N, jeśli zamyka od dołu (N) to mamy potencjał L.

    Jeżeli elementem sterującym jest przekaźnik, to nie ma problemu, ponieważ jest pełna izolacja. Ale co jeśli chcemy sterować triakiem, np z nóżki MCU? Wtedy między bramką a katodą musi istnieć niewielkie napięcie (około 5V). Żeby spełnić warunek potencjału N na wyłączonym odbiorniku trzeba dać triak u góry, czyli L jako punkt współny między układem a odbiornikiem. Tym samym reaktancja zasilacza musi znaleźć się na dole, czyli na linii N.
  • #13
    acctr
    Level 17  
    krzbor wrote:
    Czy takie coś można stosować w tego typu zasilaczach?

    Jako ogranicznik prądu nie można, ponieważ kondensatory elektrolityczne poza dużą pojemnością mają słabe parametry istotne w pracy przy wysokich napięciach.
    Głównie chodzi o właściwości dielektryka. Najczęściej używa się kondensatorów polipropylenowych z metalizacją MKP i klasą bezpieczeństwa X2.
    Można też stosować poliestrowe, ale na napięcie co najmniej 630V prądu stałego.
  • #14
    pawelr98
    Level 39  
    Warto też wspomnieć o innych beztransformatorowcach, układów na tyrystorach i triakach.
    Odpowiedni kąt zapłonu i można uzyskać nie dziesiątki miliamper, a setki lub całe ampery prądu przy niskim napięciu.

    Jak mam robić soft-start to wolę stosować przekaźnik na cewce 110V DC niż stosować wielkie kondensatory do zbijania napięcia.
    Dioda, rezystor 10kΩ 0.25W i kondensator 1µF 400V równolegle do cewki (nie trzyma przy jednopołówkowym i braku filtracji).
    Opóźnienie załączenia wprowadzane przez mosfet z członem RC w bramce.
  • #15
    Justyniunia
    Level 34  
    A kondensatory rozruchowe? Są takie, stosunkowo małe, oznaczone CBB61, podobno do silników.
    Mam uszkodzony sterownik radiowy do światła i wentylatora w łazience. Tam siedzą takie kondensatory i są łączone przekaźnikami w szereg z silnikiem, pewnie dla różnych prędkości.
  • #16
    Pablo2015
    Level 18  
    Autorze @ghost666 chapeau bas! Jak dla mnie jest to najlepszy artykuł na elektrodzie spośród wszystkich które widziałem! Piszę to z czystą świadomością i radością, że coś takiego się pojawiło.
    Całkiem rzadko pisze komentarze na elektrodzie, ponieważ niestety społeczeństwo użytkowników to spora liczba malkontentów, osób które wiedzą wszystko ale jak przyjdzie do realizacji to nie wiedzą nic...
    Do użytkowników:
    @rosomak19
    Podałeś przykład zasilacza do soft startu. Zaproponuj co dopisać do artykułu, ten link i komentarz w takiej formie nic nie wnosi.
    @SylwekK
    Tabelki są ok dla doświadczonych osób- przyspieszają pracę. Nowicjusz będzie z niej korzystał nie mając wiedzy skąd wzięły się te wartości. To trochę jak korzystanie z gotowych modułów ;p.
    @kris8888
    Jw.- komentarz wg. mnie nic nie wnosi. Zaproponuj co dopisać do artykułu.
    @pawelr98
    Zaproponuj co dopisać do artykułu, ten link i komentarz w takiej formie nic nie wnosi.

    Jeśli czyta to jakaś moderacja, to może warto wprowadzić jakiś dział, gdzie zamieszczony będzie cykl artykułów j/w zawierające algorytmy step-by-step jak policzyć elementy do podstawowych układów ele.. Oczywiście na stronach anglojęzycznych takie artykuły są już od dobrych 10 lat, a w PL jak w lesie...

    Często widzę podejście jak poniżej:

    Zasilacze beztransformatorowe - część 1 - projektowanie

    Może warto coś z tym zrobić? Wystarczy że osoba która to przeczyta zmieni podejście.
    Z poważaniem
  • #17
    SylwekK
    Level 31  
    Pablo2015 wrote:
    Tabelki są ok dla doświadczonych osób- przyspieszają pracę. Nowicjusz będzie z niej korzystał nie mając wiedzy skąd wzięły się te wartości. To trochę jak korzystanie z gotowych modułów ;p.


    Po części się zgadzam, ale... Nowicjusz zazwyczaj i tak nie wie skąd co się wzięło i robi po prostu jak na schemacie, a nie projektuje od zera. Natomiast jeśli ktoś się bierze za projektowanie urządzeń sieciowych to raczej musi mieć trochę doświadczenia i wiedzieć co robi :)
  • #19
    metalMANiu
    Level 18  
    __Maciek__ wrote:
    Ja ze swojej strony wspomnę przy tym jeszcze o innym podejściu i "nowych" wynalazkach .. typu AL5890 .. źródło prądowe z wyprostowanego napięcia sieciowego
    https://pl.mouser.com/datasheet/2/115/AL5890-1274651.pdf

    ( może ktoś stosował do innych celów niż zasilanie LED? )

    Wynalazek fajny i wygodny w stosowaniu. Gdzie to można kupić i za ile?
  • #20
    Justyniunia
    Level 34  
    Są też do power LED 350mA (można łączyć równolegle dla uzyskania 700mA i więcej)
    AMC7135
    VNK11 350A

    Kondensator 2.5uF sprawdził się idealnie do mojego wiatraka.
    Wrócę z pracy to zamieszczę płytkę, jakby ktoś chciał wykonać.
  • #21
    acctr
    Level 17  
    Niestety cudów nie ma i ten układ AL5890 i jemu podobne do czego innego niż zasilanie LED się nie nadaje. Jaka moc się na nim wydzieli łatwo policzyć. Między innymi przez jego stosowanie można podziwiać efekt stroboskopowy w "nowoczesnym" oświetleniu LED.
  • #22
    Janusz_kk
    Level 29  
    acctr wrote:
    Niestety cudów nie ma i ten układ AL5890 i jemu podobne do czego innego niż zasilanie LED się nie nadaje.

    Nadaje, tylko potrzebuje odpowiednie chłodzenie.
  • #23
    fokulec
    Level 11  
    Cytowane w artykule @ghost666 schematy i wartości elementów projektowane były dla amerykanckiego napięcia 120V AC (AN954 f-my Microchip). Przy europejskim 230V należy zmienić wartości napięcia kondensatora C1 (@acctr), a w układzie rezystancyjnym - rys. 2 - wartość R1 należy zwiększyć do ok. 3,6 kom i jego moc aż do 15-20W, przy założeniu takiej samej obciążalności.
    Trochę temu naprawiając robota kuchennego znamienitej (z nazwy) firmy stwierdziłem, że zastosowany jest tam taki układ zasilania mikrokontrolera, pobierający ok. 7W mocy!
    Rocznie daje to ponad 60kWh. Kenwood w porozumieniu z operatorem energetycznym pozbawił mnie z ponad 100 zł.
    Oczywiście dobudowałem włącznik sieciowy, koszt zwrócił sie po 3 miesiącach.
  • #24
    Justyniunia
    Level 34  
    A to zrobiony przeze mnie zasilacz.
    Zasilacze beztransformatorowe - część 1 - projektowanie
    Zasilacze beztransformatorowe - część 1 - projektowanie

    Prócz elementów ograniczających prąd i rezystora rozladowujacego (C 2.5uF, R 51R i 1M):
    Mostek, Zener 24V i kondensator 100uF.
  • #25
    acctr
    Level 17  
    Justyniunia wrote:
    Prócz elementów ograniczających prąd i rezystora rozladowujacego (C 2.5uF, R 51R i 1M):
    Mostek, Zener 24V i kondensator 100uF.

    Zastosowałaś dużą pojemność, co razem z prostownikiem mostkowym daje na wyjściu prąd rzędu 140mA. To nie za dużo na tę diodkę Zenera? Szybko licząc 24 * 0,14 = 3,36 W mocy strat. Patrząc w datasheeta BZP630 Ptot = 250 mW, czyli nieco ponad 13 razy przekroczona moc strat.

    Tak na marginesie - czym przycinasz swoje płytki? wygląda, że krawędzie idą idealnie po linii prostej :)
  • #26
    Justyniunia
    Level 34  
    Gdyby wentylator stracił połączenie z płytką, pewnie wszystko poszło by z dymem.

    Czyli chcąc wykonać taki zasilacz 24V 120mA zgodnie ze sztuką, wychodzi na to, że trzeba by dołożyć do Zenera tranzystor.
    Zaraz okaże się, że rozmiarami przekroczymy zasilacz na tradycyjnym transformatorku sieciowym i prostowniku.

    Gdzie leży granica, sens stosowania? Dla jakich napięć i prądów?

    Płytki tnę brzeszczotem i wygładzam pilnikiem.
  • #27
    acctr
    Level 17  
    Justyniunia wrote:
    Gdzie leży granica, sens stosowania? Dla jakich napięć i prądów?

    Chyba nie ma na to prostego przepisu, trzeba brać pod uwagę kilka kryteriów: komplikacja układu, waga, cena, wymiary, efektywność energetyczna, bezpieczeństwo.
  • #28
    ElPieso
    Level 2  
    xD, to jakiś troll art czy co?
    "Autorze @ghost666 chapeau bas! Jak dla mnie jest to najlepszy artykuł na elektrodzie spośród wszystkich które widziałem! "
    To na poważnie?
    W czasach, gdy zasilacz USB kosztuje parę zł, a za podobne pieniądze da się kupić całkiem sensowną przetwornicę, bawienie się w w obwody bez izolacji, z mini sprawnością to jakiś żart chyba.
    Już nie wspomnę, że tego typu art powinien być opatrzony ostrzeżeniem, jakby ktoś małosprytny chciał tym zasilić lampkę dla teściowej [tak, lakoniczna uwaga o braku izolacji galwanicznej to za mało]...