Шокирующая правда о бестрансформаторных источниках питания

Бестрансформаторные источники питания часто встречаются на Hackaday, особенно в недорогих продуктах, где стоимость трансформатора значительно увеличит спецификацию. Но бестрансформаторные источники питания – палка о двух концах. Это название? Не кликбейт. Копание в устройстве с бестрансформаторным питанием может превратить ваш осциллограф в дымящуюся кучу или привести к удару электрическим током, если вы не разберетесь в этом и не примете надлежащие меры предосторожности.

Но это не пугалка. Бестрансформаторные конструкции хороши на своем месте, и вы, вероятно, когда-нибудь столкнетесь с ними, потому что они используются во всем: от светодиодных лампочек до переключателей IoT WiFi. Мы собираемся рассмотреть, как они работают, а также как безопасно их проектировать и работать с ними, потому что никогда не знаешь, когда захочешь что-нибудь взломать.

Вот изюминка: бестрансформаторные источники питания можно безопасно использовать только в ситуациях, когда все устройство может быть закрыто и никто не может случайно коснуться какой-либо его части. Это означает отсутствие физических электрических соединений внутри и снаружи — RF и IR являются честной добычей. И когда вы работаете с ним, вы должны знать, что любая часть схемы может находиться под сетевым напряжением. Теперь читайте дальше, чтобы понять, почему!

Бестрансформаторный источник питания (TPS) — это, по сути, просто делитель напряжения, который принимает 115 или 220 В переменного тока от вашей стены и делит его до любого напряжения, которое вы хотите. Если это напряжение должно быть постоянным, оно выпрямляется с помощью нескольких диодов и, возможно, регулируется до максимального напряжения, но мы доберемся до этого через минуту.

Обычно делители напряжения постоянного тока состоят из пары резисторов. В совокупности они определяют ток, протекающий по пути, и затем можно выбрать верхний резистор, чтобы уменьшить разницу между входным напряжением и желаемым выходным напряжением. Если в нашем случае эта разница составляет одну или двести вольт, даже если ей нужно пройти всего несколько десятков миллиампер, этот резистор быстро нагреется.

Лучшим компонентом для использования в верхней части делителя является конденсатор, реактивное сопротивление которого выбрано таким образом, чтобы обеспечить желаемое «сопротивление» при любой частоте сети, в которой вы живете. Например, предположим, что вам нужно 25 миллиампер при напряжении 5 В, а вы находитесь в Америке и вам нужно снизить напряжение 110 В. R = V / I = 4400 Ом. Используя реактивное сопротивление конденсатора, это C = 1/(2 * пи * 60 Гц * 4400) = 0,6 мкФ. Если вам нужен больший ток, используйте конденсатор большей емкости, и наоборот. Это так просто!

Полностью разработанная конструкция TPS требует еще нескольких деталей. В целях безопасности и для ограничения пускового тока хорошей идеей будет установка предохранителя и токоограничивающего резистора мощностью один ватт на входе. Разрядный резистор большого номинала, включенный параллельно с реактивным конденсатором, не позволит ему удерживать высокое напряжение и не даст вам ударить током, когда цепь отключена.

Говоря об этом конденсаторе, это критически важная часть схемы с точки зрения безопасности. Он подвергается постоянному воздействию высокого переменного напряжения, и в случае короткого замыкания на выходе «5 В» будет напряжение сети, и детали могут загореться. Это работа для конденсатора класса X. В основном вы увидите их с маркировкой X1 или X2, причем X1 способен выдерживать более высокие скачки напряжения. Подойдет любой из них, просто убедитесь, что он имеет класс X и соответствует уровню напряжения вашей сети.

После конденсатора проходящий через него переменный ток необходимо выпрямить в постоянный ток. Здесь подойдет обычный полу- или двухполупериодный выпрямитель: несколько диодов и сглаживающий конденсатор большой емкости. Если нагрузка непостоянна, вы, вероятно, захотите ограничить максимальное напряжение, воспринимаемое конденсатором, с помощью стабилитрона, чтобы избыточный ток шунтировался на землю, когда нагрузка потребляет менее 25 миллиампер, на которые мы рассчитывали. Эти детали воспринимают только низкое напряжение, поэтому особых требований здесь нет.

Наконец, обратите внимание, что существует множество возможных конфигураций этой схемы. Вместо того, чтобы сбрасывать большую часть напряжения между напряжением и нашим устройством, можно также подключить наше устройство напрямую к проводу под напряжением, установив конденсатор в нижней части делителя напряжения — та же схема перевернута. Разумеется, предохранитель и предохранительные резисторы могут быть расположены в любом месте цепи. Но основы те же: конденсатор действует как одно плечо делителя напряжения, за которым следует некоторое выпрямление и регулирование, а нагрузка — как другое плечо.