Расчёт гасящего конденсатора

Как работает схема

Конденсатор C1 включён последовательно с сетью. Его сопротивление переменному току X = 1 / (2πfC): у 0,68 мкФ на частоте 50 Гц это 4,7 кОм. Ток через такое сопротивление почти не зависит от того, что стоит после моста, потому что выходное напряжение мало по сравнению с амплитудой сети. Поэтому схема ведёт себя как источник тока: стабилитрон VD2 держит напряжение на выходе, а ток, который не забирает нагрузка, проходит через него.

Формулы

За каждый полупериод C1 перезаряжается от −(Uпик − Uвых − 2Uд) до +(Uпик − Uвых − 2Uд), и весь этот заряд через мост уходит на выход. Отсюда средний выпрямленный ток:

В однополупериодной схеме в отрицательный полупериод конденсатор перезаряжается через отдельный диод, и на выход приходит заряд только одного полупериода:

Ёмкость выбирают по худшему случаю — минимальному напряжению сети и минимальной ёмкости с учётом допуска δ, а ток закладывают с запасом на стабилитрон:

Падение на диоде Uд калькулятор принимает равным 0,8 В. Формулы выведены для идеальных диодов и постоянного выходного напряжения и совпадают с численным моделированием схемы. Резистор R1 в десятки и сотни ом на ток почти не влияет: его сопротивление складывается с сопротивлением конденсатора в квадратуре.

Пример: 12 В и 20 мА от сети 230 В

Сеть 230 В ±10 %, мостовой выпрямитель, конденсатор с допуском ±10 %, на стабилитроне при полной нагрузке оставляем 5 мА.

• Ёмкость. Минимальная амплитуда сети — 207 · √2 = 292,7 В. C_мин = 25 мА / (4 · 50 · (292,7 − 12 − 1,6) · 0,9) ≈ 0,50 мкФ, ставим 0,68 мкФ.
• Ток. С этим конденсатором схема отдаёт от 34 мА (сеть 207 В, ёмкость −10 %) до 51 мА (сеть 253 В, ёмкость +10 %), при номинальной сети — 42 мА. Нагрузке в худшем случае остаётся до 29 мА.
• Стабилитрон. Без нагрузки через него идёт весь ток: 12 В · 51 мА ≈ 0,62 Вт. Нужен стабилитрон на 1 Вт, например 1N4742A.
• R1 = 100 Ом рассеивает около 0,35 Вт, а при включении на пике сети через него проходит бросок до 3,6 А.
• R2 — не больше 568 кОм, подойдёт 560 кОм или два резистора по 270 кОм последовательно.

Выбор деталей

• C1 — только помехоподавляющий конденсатор класса X2 на 275–310 В переменного напряжения для сети 230 В. X2 рассчитаны на постоянную работу от сети и импульсные перенапряжения, металлоплёночные восстанавливаются после локального пробоя. Обычный конденсатор на постоянное напряжение здесь ставить нельзя.
• R1 — 47–220 Ом с запасом по мощности, лучше невозгораемый: при аварии он должен перегореть, а не загореться.
• R2 — сотни килоом. На нём почти всё напряжение сети, а предельное рабочее напряжение обычных резисторов 0,25 Вт — около 200–250 В, поэтому ставят два резистора последовательно.
• Мост — диоды 1N4007 или готовый мост на 1 А: ток мал, но обратное напряжение должно быть с запасом больше амплитуды сети.
• VD2 — стабилитрон по мощности без нагрузки с запасом; как его выбирать, разобрано в калькуляторе параметрического стабилизатора.
• C2 — электролитический конденсатор на напряжение выше напряжения стабилитрона. Пульсации можно оценить сверху: ΔU ≤ I_н · 10 мс / C2, при 20 мА и 220 мкФ это не больше 0,9 В.

Однополупериодная схема

В однополупериодной схеме вместо моста стоят два диода: один ведёт ток на выход, второй перезаряжает C1 в отрицательный полупериод. Иногда роль второго диода играет сам стабилитрон, включённый в прямом направлении. Деталей меньше, но для того же тока нужна примерно вдвое большая ёмкость: в примере выше — 1 мкФ вместо 0,68 мкФ. Кроме того, общий провод выхода соединён с одним из проводов сети напрямую, и при перевёрнутой вилке это может оказаться фаза.

Безопасность

Схема не изолирована от сети. Все её точки, включая выход и общий провод, находятся под опасным напряжением относительно земли, даже если нагрузка питается от 5 В. Поэтому:

• устройство собирают в закрытом корпусе без доступных прикосновению металлических частей;
• отлаживают схему от изолированного источника питания, а не от сети;
• компьютер, программатор и осциллограф с заземлённым щупом к работающей схеме не подключают;
• связь с внешними цепями делают через оптроны или другие изолирующие элементы.

Если устройству нужны сотни миллиампер или гальваническая развязка, выбирайте трансформатор или импульсный источник — о них в разделе «Питание».