РадиоЛоцман - Все об электронике

Простой AC/DC источник питания без индуктивных компонентов

Texas Instruments TPS7A78 TLV704

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2019

Texas Instruments

Одной из наиболее распространенных задач при создании промышленного источника питания является преобразование переменного напряжения в постоянное. Превращение переменного напряжения в постоянное необходимо практически каждому приложению – от зарядных устройств сотовых телефонов до микроволновых печей. Нередко это преобразование происходит с использованием трансформатора и выпрямителя, как показано на Рисунке 1. В этой схеме напряжение понижается трансформатором во столько раз, во сколько различается число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Простейший способ преобразования переменного напряжения в постоянное с использованием трансформатора и линейного регулятора.
Рисунок 1. Простейший способ преобразования переменного напряжения
в постоянное с использованием трансформатора и линейного
регулятора.

Решение с трансформатором имеет ряд недостатков. Как вы, вероятно, знаете, трансформатор работает, преобразуя магнитный поток в электрический ток. В результате этого преобразования трансформатор создает много электромагнитных помех. Кроме того, пульсации выходного напряжения трансформатора очень велики, и для их фильтрации требуется конденсатор большой емкости. В случае маломощных приложений возможен более простой и менее затратный подход, позволяющий отказаться от индуктивных компонентов. Подобно тому, как два резистора образуют делитель напряжения, можно использовать конденсатор для создания сопротивления переменному току (реактивного сопротивления), на котором будет падать напряжение, прежде чем оно достигнет источника питания. Эта конфигурация обычно называется решением с гасящим конденсатором.

Типичная схема с гасящим конденсатором нуждается в стабилитроне, который принимает на себе необходимый приложению ток, когда нагрузка не подключена. Этот стабилитрон должен быть таким, чтобы входное напряжение линейного регулятора (LDO) не превышало максимального допустимого значения.

Один из недостатков топологии с гасящим конденсатором заключается в том, что ее КПД не очень высок из-за того, что на резисторе и LDO регуляторе очень много энергии рассеивается в виде тепла. Но даже если LDO регулятор не стабилизирует напряжение, КПД все равно низок из-за мощности, рассеиваемой в стабилитроне.

Схема с гасящим конденсатором и LDO регулятором для входного напряжения 110 В AC, выходного напряжения 5 В DC и тока нагрузки 30 мА.
Рисунок 2. Схема с гасящим конденсатором и LDO регулятором для
входного напряжения 110 В AC, выходного напряжения 5 В DC
и тока нагрузки 30 мА.

Чтобы улучшить КПД этой системы, нужно оптимизировать три основных компонента: демпфирующий резистор, стабилитрон и падение напряжения на LDO регуляторе. Уравнение 1 показывает, как рассчитать КПД базового решения с гасящим конденсатором, показанного на Рисунке 2.

  (1)

POUT – выходная мощность,
PIN – входная мощность,
VOUT – выходное напряжение.

Поскольку решение с гасящим конденсатором является весьма распространенной конфигурацией источника питания в промышленных приложениях, таких, например, как электронные приборы учета и средства автоматизация производства, компания TI разработала микросхему, ориентированную на оптимизацию КПД и размеров схем, использующих архитектуру с гасящим конденсатором. В микросхему TPS7A78 интегрированы многие из дискретных компонентов, требуемых для реализации такой архитектуры, включая активный мостовой выпрямитель. В регуляторе TPS7A78, разработанном специально для работы с использованием гасящего конденсатора, предусмотрен ряд функций, повышающих общий КПД системы. Например, TPS7A78 содержит каскад с коммутируемыми конденсаторами, понижающий входное напряжение в четыре раза и, соответственно, во столько же раз уменьшающий входной ток, что позволяет использовать гасящий конденсатор меньшего размера. Это дает возможность уменьшить габариты решения, его стоимость и потребляемую мощность.

Решение с гасящим конденсатором и микросхемой TPS7A78 для тока нагрузки 30 мА.
Рисунок 3. Решение с гасящим конденсатором и микросхемой TPS7A78 для тока нагрузки 30 мА.

Чтобы понять, насколько выше может быть КПД схемы, основанной на TPS7A78, чем при использовании гасящего конденсатора и линейного регулятора, давайте сравним традиционное решение, показанное на Рисунке 2, с решением на TPS7A78, показанным на Рисунке 3. В традиционном решении с гасящим конденсатором и линейным регулятором КПД системы составляет 11%. КПД схемы на основе TPS7A78, если микросхема сконфигурирована для питания такой же нагрузки, может превышать 40% благодаря меньшему входному току, проходящему через гасящий конденсатор, и меньшему сопротивлению демпфирующего резистора.

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments TPS7A78
  2. Datasheet Texas Instruments TLV704

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: How to make a simple nonmagnetic AC/DC power supply

TPS7A78 на РадиоЛоцман.Цены
ПоставщикПроизводительНаименованиеЦена
ЭлитанTexas InstrumentsTPS7A78EVM-0112 650 руб.
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Непонятно, как рассчитан КПД, ну и хрен с ним. Главное, какая будет экономия и срок окупаемости ?
  • Всё "красиво" НО вот отсутствие развязки от сети весьма напрягает....
  • Что касается данной темы и расчета КПД. Кому то непонятен расчет КПД? Ну утрированно, Вы вообще по учебнику будете бред считать. Но с того, что учили и что описывается в статье - наибольший КПД без отвязки от сети был при использовании латора, если учесть мощность потребления в 5 - 10 вт от блока питания, Вам ни кто не запрещает взять колечко ферритовое диаметром 5-10мм (что есть из хлама) с сделать (мини латор), после сего для отделения от сети, как описывается установить кондеры меньшей емкости и при этом получить КПД % на 30 больше, чем в статье.
  • ЛАТР (лабораторный авто-трансформатор) из "колечка" диаметром 10 мм - это Очень круто!!! :)
  • +1, может ответите о чем я писал? Какая мощность колечка диаметром в 5 - 10 мм? Тем более, если необходимо 5-10Вт мощности? Может назовете номер патента росийской федерации на который я ссылался, сказав, что КПД будет больше на 30%, а стоимость 10 -50 центов, в зависимости от Вт или кВт?
  • Уважаемый Владимир, здесь не викторина "Что, где, когда" . Имеете что-то сказать по существу - милости просим. Порадуемся вместе. Если с колечка 10 мм сможете получить киловатт - расскажите как и я сниму шляпу. С уважением...
  • Очередная статья от "мЭтров" и очередной ляп. 1) Рис.2. Где емкость на входе LDO? Без нее никакого постоянного "5В" на его выходе не будет. 2) Формула (1). С какой стати при расчете мощности берется амплитудное значение синуса? (корень из 2 умноженное на Vac). Но даже если считать по их формуле, то КПД будет 2,75%, а не 11% как они пишут в статье, что кстати еще больше оправдывает применение TPS7A78 :) 3) Импеданс Z(С1) = 1440 Ом и соизмерим с сопротивлением R1, поэтому в формуле (1) должна фигурировать геометрическая сумма сопротивлений С1 и R1. ЗЫ. Реальный КПД схемы на гасящем конденсаторе из статьи = 6,2%, поэтому интегральное решение тут однозначно выигрывает.
  • =Alexandr111;326639]Очередная статья от "мЭтров" и очередной ляп. Вы же не 1 день на форуме, да и ники те же, как и ответы и ляпы. Гы-гы, как с 6 палаты - это +: Подборка материала к печати, штат не тот, каждый выживает, как может: Не уподобайтесь мне, будете в минусах, хотя я ими не пользуюсь. Что касается гадания о патенте, думаю вы согласитесь, как говорил "великий комбинатор" - кроме 12 слов, типа гы-гы желательно еще что то знать. Что касается самого патента, как бы сатиричто это не выглядело, патент затрагивает основы электротехники, очень прост в формулировке учебников высших учебных заведений и на этом данное изучение проходит мимо формулировки. После чего, народ, получивший высшее образование, говорит, что там нет увеличения мощности. Но в последние годы эту тему пытаются свести на нет, существенно уменьшая потребление приборов и удержать подобную информацию от грандиозного скандала с довольно большими исками. Так что за патент, сатир?
  • [b]Владимир_666[/b], Вы умудряетесь настолько "наукообразить" свои посты, что приходится сталкиваться с реальными трудностями при проникновении в их потаённые смыслы. Очевидно, что эта задача для современной молодёжи, дерзновенно отвергающей "старую физику", которую не имело смысла изучать в школе. :)
  • Да понятно, статья написана ради рекламирования своей продукции, ну и пусть их. Беда в том, что они поставили приличный резистивный баласт (470 Ом) не объяснив зачем он собственно нужен. Если он нужен чтобы ограничить начальный ток, то можно было поставить NTC термистор, типо тех, что ставят на входе импульсных БП. Тогда и КПД поднимется в разы. Но всё равно без гальван.развязки от сети это тухлая затея. Для питания светодиодной лампы в которую никто не влезет еще куда ни шло, а вот в серьезное оборудование такую шляпу ставить в голову не придет.
  • =САТИР;326789][b]Владимир_666[/b], Вы умудряетесь настолько "наукообразить" свои посты, что приходится сталкиваться с реальными трудностями при проникновении в их потаённые смыслы. .... Я не пытаюсь разнообразить. И я не отношусь к молодежи, может кто то и относит к ней возраст за 50. У меня есть знакомая, которая спрашивает, кто тебе больше нравится, Тесла или Эдисон, на что я в последнее время отвечаю - Мельниченко. Не вдаваясь в подробности истории о сжигании церковью бабулек на костре и что могло быть с информации в закромах папули Теслы. Мы имели 2 новаторов в эл. оборудовании и выбрали не то, что лучше, а то, что выгодно коммерсантам. В обычной школе я, Вы изучали бред, начиная с истории государства. Но прогресс идет вперед и кто хочет, кто нет, но приходится лазить в закромах за 100 летними разработками, далее штуки, которые болтаются, увы не пускают. А законы электротехники - мощности: активная, реактивная, полная. Посчитать колечко от необходимой мощности - формул валом, учитывая частоту, да, ферритовое колечко не работает как обычный латр (вопрос парня был о КПД), при этом размеры будут меньше. Можно описать еще 1 простой способ, у нас многие знают, как запускаются движки, уменьшив размеры кондеров (диодный мост и электролиты).
Полный вариант обсуждения »