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 2 - symulacje

ghost666 05 Jul 2021 18:04 2475 4
  • Zasilacz bez transformatora - to nie jest magia ani sen. W poprzedniej części omówiliśmy projektowanie i konstrukcję tego rodzaju obwodów.

    W przypadku małych obciążeń możliwe jest obniżenie napięcia z 230 V (AC) do kilku woltów (na przykład 5, 12 lub 24) przy użyciu samego jedynie rezystora ograniczającego prąd, jak widać na schemacie ideowym pokazanym na rysunku 1. Sprawność takiego układu jest wyjątkowo niska (<1%), ponieważ większość energii jest tracona jako ciepło na rezystorze R1. Element ten w rzeczywistości musi wykonać dużo pracy, aby obniżyć napięcie z 230 V (AC) RMS do 12 V (DC). W tym przykładzie ten element liniowy rozprasza średnio 22 W. Dlatego musi być zwymiarowany na co najmniej 50 W. Moc jego rozpraszania można wyznaczyć z modelu, korzystając ze wzoru:

    $$P = V(N_3, N_2) \times I(R_1) \qquad (1)$$

    Zasilacze beztransformatorowe - część 2 - symulacje
    Rys.1. Schemat zasilacza beztransformatorowego, wykorzystującego duży opornik do redukcji napięcia.


    Na wykresie znajdują się trzy węzły: N1, N2 i N3. Z wartościami zastosowanych komponentów, napięcia przejściowe (w ciągu jednej sekundy) są pokazane na wykresach na rysunku 2. Wykresy na rysunku 2a pokazują, ile potrzeba czasu, aby wyjście osiągnęło napięcie 12 V. Czas ten zależy od stałej czasowej układu określanej przez kondensator C1. W tym przykładzie czasy ładowania kondensatorów są następujące:

    * C1 = 100 uF, T = 25 ms
    * C1 = 470 uF, T = 130 ms
    * C1 = 1000 uF, T = 290 ms
    * C1 = 4700 uF, T = 1,38 s
    * C1 = 10 000 uF, T = 3 s

    Zasilacze beztransformatorowe - część 2 - symulacje
    Rys.2. Napięcia przejściowe schematu zasilania bez transformatora z rezystorem.


    Przy stałej rezystancji obciążenia tętnienia napięcia wyjściowego zależy od pojemności kondensatora C1. Im większą pojemność ma kondensator, tym mniejsze tętnienia napięcia wyjściowego. Używając powyższych kondensatorów, poziom tętnień (rysunek 3), mierzony jako napięcie międzyszczytowe sygnału kształtuje się następująco:

    * C1 = 100 µF, tętnienie = 1,17 Vpp
    * C1 = 470 µF, tętnienie = 261,7 mVpp
    * C1 = 1000 µF, tętnienie = 121,58 mVpp
    * C1 = 4700 µF, tętnienie = 25,3 mVpp
    * C1 = 10 000 µF, tętnienie = 11,89 mVpp

    Zasilacze beztransformatorowe - część 2 - symulacje
    Rys.3. Tętnienia napięcia wyjściowego.


    Co jednak istotniejsze, niż tętnienia, na rysunku 3 zauważyć można, że napięcie wyjściowe z omawianego zasilacza nie osiąga pożądanego napięcia 12 V, a jedynie około 11,3 V. Okazuje się, że nawet bez podłączonego obciążenia napięcie wyjściowe jest zawsze mniejsze niż 12 V (patrz rysunek 4). Ten spadek napięcia jest powodowany przez diodę D2. Dioda Schottkiego umieszczona w tym miejscu, mogłaby go zmniejszyć, jednakże nie do zera.

    Zasilacze beztransformatorowe - część 2 - symulacje
    Rys.4. Dioda D2 powodująca spadek napięcia wyjściowego.


    Kondensator poprawia sytuację

    Jak widać na schemacie na rysunku 5, dodanie kondensatora poliestrowego szeregowo do linii zasilającej poprawia sprawność systemu. W tej konfiguracji sprawność wynosi już około 18%.

    Zasilacze beztransformatorowe - część 2 - symulacje
    Rys.5. Schemat zasilacza beztransformatorowego z rezystorem i kondensatorem.


    Ponieważ maksymalne napięcie na kondensatorze jest większe niż 320 V, konieczne jest wybranie elementu mogącego pracować do napięcia co najmniej 650 V, jak pokazano na rysunku 6.

    Zasilacze beztransformatorowe - część 2 - symulacje
    Rys.6. Maksymalne napięcie na kondensatorze jest większe niż 320 V.


    W tej konfiguracji rezystor R1 rozprasza tylko 0,5 W, ale zawsze lepiej jest zastosować element o nominalnej mocy równej co najmniej 2 W. Kondensator C2 działa jako rezystor i ma pewną reaktancję pojemnościową przy częstotliwości 50 Hz. Dokładniej, reaktancja pojemnościowa kondensatora, przy częstotliwości f, jest wyrażona następującym wzorem:

    $$\chi_C = \frac {1} {2 \times \pi \times f \times C} \qquad (2)$$

    Z powyższego wzoru wynika, że kondensator C2 ma reaktancję równą 6772,55 Ω przy częstotliwości 50 Hz, ale w przeciwieństwie do rezystora nie generuje on ciepła. Napięcie wyjściowe układu również wynosi 12 V pomniejszone o spadek napięcia na diodzie D1.

    Uwaga

    Gdy obwód zostanie wyłączony, kondensator C2 może pozostawać naładowany przez długi czas. Zalecane jest podłączenie rezystora o wysokiej rezystancji równolegle do tego elementu, jak pokazano na rysunku 7. Opornik ten, np. o rezystancji 470 kΩ, nie wpływa na normalne działanie obwodu. W standardowych warunkach pracy jest na nim rozpraszane około 100 mW ciepła. Całkowite rozładowanie kondensatora C2 następuje w ciągu około 1 sekundy, ale już po 0,4 sekundy wartość napięcia na tym elemencie nie jest niebezpieczna dla człowieka.

    Zasilacze beztransformatorowe - część 2 - symulacje
    Rys.7. Rezystor R2 połączony równolegle z kondensatorem C2, aby rozładować go w momencie wyłączenia zasilacza.


    Źródło: https://www.powerelectronicsnews.com/power-supply-design-notes-simulating-a-power-supply-without-transformer/

    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 10446 posts with rating 8804, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Altium Designer Computer ControlsAltium Designer Computer Controls
  • #2
    acctr
    Level 20  
    Trzeba zaznaczyć, że R2 powinien być przeznaczony do pracy pod tak dużym napięciem. Dlatego zwykle stosuje się dwa lub więcej szeregowo połączonych "zwyczajnych" oporników 1/4 W.
  • Altium Designer Computer ControlsAltium Designer Computer Controls
  • #5
    acctr
    Level 20  
    dktr wrote:
    Czy jest realne skonstruowanie takiego prostego zasilacza 3.3V ~600mA np dla układów na esp8266?

    Teoretycznie jest to możliwe, ale będzie to przypominało grzejące się, nieefektywne monstrum. Lepiej już zastosować jakąś SMPS albo nawet zwykłe trafo z pełnookresowym mostkiem prostowniczym.

    W artykule mało zostało napisane o przeznaczeniu rezystora szeregowego z kondensatorem ograniczającym prąd oraz o poborze mocy przez taki zasilacz.
    Rezystora nie można całkiem zastąpić zworą, ponieważ w momencie przyłączenia zasilacza do sieci można natrafić na szczyt sinusoidy i reaktancja kondensatora wtedy nie będzie rzędu kiloomów lecz pojedynczych omów. Rezystor stanowi zabezpieczenie przed takim "szczęśliwym trafem". Duży rezystor to z kolei większe straty mocy i jeszcze mniejsza sprawność.
    Do tego dochodzi konieczność zastosowania sporego kondensatora C2 (kilkanaście mikrofaradów), dużego kondensatora filtrującego (około 10mF), problemy ze stabilnością zasilania, tętnienia, itd..

    Największe zalety tego typu zasilacza widać, gdy zapotrzebowanie na prąd wynosi jakieś 20mA, a są to: waga, liczba elementów, prostota działania.
    Przydatny kalkulator do obliczania zasilacza znajduje się tutaj: http://www.nomad.ee/micros/transformerless/index.shtml