Автономный источник питания для маломощных нагрузок на основе гасящего конденсатора

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2016

Akshay Mehta, Texas Instruments

Electronic Design

Питание маломощных нагрузок постоянным напряжением могут обеспечить бестрансформаторные AC/DC источники, использующие конденсатор в качестве токоограничительного элемента

Малопотребляющим приложениям, таким как счетчики расхода энергии, часто требуются простые источники, преобразующие энергию сети переменного тока в напряжение 3.3 В, используемое для питания микроконтроллера и зарядки литий-ионного аккумулятора до напряжения 4.2 В. Вы можете решить эту задачу, используя сетевой трансформатор или внешний источник питания на основе AC/DC преобразователя. Обоим подходам присущи общеизвестные недостатки, связанные с сочетанием веса, размеров и сложности. Более простыми решениями являются двухполупериодная схема на основе гасящего конденсатора с мостовым выпрямителем (Рисунок 1) и аналогичная однополупериодная схема.

Рисунок 1.	Для двухполупериодной схемы с гасящим конденсатором и мостовым выпрямите лем не нужен трансформатор. Максимальный ток схемы определяется реактивным сопротивлением конденсатора C1.

Входная часть таких схем известна как «гасящий конденсатор». Идея, описываемая в статье, применима и к двух-, и к однополупериодным реализациям этой схемы, где в качестве не имеющего потерь резистора используется сетевой конденсатор C₁, реактивное сопротивление которого устанавливает максимальный ток, отдаваемый на вход DC/DC регулятора.

Стабилитроны ограничивают входное напряжение до уровня, допустимого для DC/DC преобразователя в отсутствие нагрузки, преобразуя, таким образом, сетевое напряжение в промежуточное постоянное напряжение V_DC. Входное напряжение DC/DC преобразователя (V_DC = V_IN) выбирают относительно высоким, чтобы ток, идущий через гасящий конденсатор, оставался небольшим. Затем, воспользовавшись понижающим преобразователем с широким диапазоном входных напряжений V_IN, промежуточное нестабилизированное напряжение можно преобразовать в стабилизированное постоянное напряжение, соответствующее требованиям нагрузки.

Высокий коэффициент понижения дает возможность уменьшить входные токи DC/DC преобразователей, в качестве которых можно использовать такие микросхемы понижающих регуляторов, как LMR14006, LMR16006 и LM46000. Чем выше коэффициент понижения, тем меньше может быть емкость конденсатора C₁, и, соответственно, меньше кажущаяся мощность, потребляемая от сети. Это поможет таким приложениям, как интеллектуальные сетевые счетчики расхода энергии, в соблюдении строгих ограничений по максимуму видимой потребляемой мощности, типичное значение которого составляет 8 В×А.

На Рисунке 2 показан вариант схемной реализации однополупериодной схемы с гасящим конденсатором. В связи с тем, что отрицательные полуволны входного напряжения в этой схеме не используются, ток, который она способна отдавать на вход V_IN понижающего преобразователя, будет меньше, чем в варианте с двухполупериодным выпрямителем. Таким образом, в таких приложениях, как устройства зарядки аккумуляторов, где для быстрого заряда от выхода DC/DC преобразователя потребуется относительно большой ток, предпочтительнее двухполупериодный выпрямитель.

Рисунок 2.	Ток, отдаваемый на вход VIN понижающего преобразователя однополупериодной схемой, меньше, чем в варианте с двухполупериодным выпрямителем.

Важнейшим преимуществом этих схем являются их размеры. Происходящее в последние годы снижение габаритов измерительных приборов, используемых в интеллектуальных энергосетях, стало сильно ограничивать доступное пространство печатной платы. Попытка воспользоваться более традиционным AC/DC преобразователем означала бы не только увеличение площади печатной платы, но и существенное усложнение, а как следствие – и удорожание схемы. Схемы с гасящими конденсаторами намного дешевле, поскольку единственным компонентом, способным выдерживать сетевое напряжение, в них должен быть конденсатор C₁.

Хотя эти схемы просты в настройке, вы должны принять все возможные меры предосторожности, создав лабораторный прототип и добавив соответствующие цепи фильтрации и защиты, исключающие возможность получения потенциально смертельных травм. Пользователь должен обязательно удостовериться, что устройство, которое предполагается питать от описанной схемы, и в том числе, его нагрузка, полностью изолировано от любых контактов с заземленными предметами, включая людей, животных и измерительное оборудование.

Ссылки

Материалы по теме