Блок питания от розетки до пяти вольт: выпрямитель, фильтр, стабилизатор

Ардуино питается от USB, датчик — от батарейки, но рано или поздно устройству нужен собственный блок питания от сети. Внутри старого зарядника или адаптера от роутера, если его разобрать, найдётся одна и та же цепочка: трансформатор, четыре диода, толстый электролит и что-то, что держит напряжение ровным. Каждая ступень решает свою задачу, и если понять, какую именно, дальше можно считать детали самому, а не подбирать наугад.

В симуляторе PinPort эту цепочку можно пройти по шагам: от одного диода до законченного блока из одиннадцати деталей. Ниже — что происходит на каждой ступени и какие числа за этим стоят.

Откуда берётся переменное напряжение и почему его понижают

В розетке 230 В действующего значения, амплитуда синусоиды — 230 × √2 ≈ 325 В. Электронике нужны единицы вольт, поэтому первым стоит трансформатор: он понижает напряжение и заодно отделяет схему от сети гальванически. Во вторичной обмотке получается, например, 12 В действующих, то есть около 17 В амплитуды.

В аналоговых схемах PinPort трансформатора нет: вместо вторичной обмотки стоит источник переменного напряжения, у которого задаются амплитуда, частота и внутреннее сопротивление. Важно не перепутать: в свойствах указана именно амплитуда, а не действующее значение. Источник «15 В · 50 Гц» соответствует обмотке примерно на 15 / 1,41 ≈ 10,6 В действующих.

Всё, что дальше, работает только за трансформатором. Подключать выпрямитель и конденсатор напрямую к сети нельзя: на электролите будет больше 300 В, а вся схема окажется под сетевым потенциалом.

Выпрямитель: один диод или мост

Диод пропускает ток только в одну сторону. Поставьте его последовательно с нагрузкой — и от синусоиды останется верхняя половина. В примере однополупериодный выпрямитель источник даёт амплитуду 10 В на резистор 1 кОм, и осциллограф показывает горбы высотой около 9 В с паузами между ними: вольт теряется на открытом диоде.

У такой схемы два недостатка. Половина каждого периода пропадает, и в паузах нагрузку нечем питать. А ток через обмотку трансформатора течёт только в одну сторону, что подмагничивает сердечник.

Диодный мост из четырёх диодов переворачивает нижнюю полуволну вверх. В каждый полупериод ток идёт через два диода, поэтому потеря удваивается: при той же амплитуде 10 В горбы в примере с мостом выходят около 8 В. Зато горбов вдвое больше, их частота — 100 Гц вместо 50, и средний ток через нагрузку тоже вдвое выше. Для фильтра это главное: конденсатору придётся «держать» напряжение 10 мс, а не 20.

Схема	Диодов в цепи тока	Потеря на пике	Частота пульсаций
Однополупериодная	1	около 1 В	50 Гц
Мост	2	около 2 В	100 Гц

Сглаживающий конденсатор и расчёт пульсаций

После моста напряжение постоянное по знаку, но не по величине: оно падает до нуля сто раз в секунду. Электролитический конденсатор параллельно нагрузке заряжается на вершине каждого горба и отдаёт заряд в паузе. Напряжение на нём проседает, пока диоды закрыты, и подскакивает обратно на следующей вершине. Размах этой пилы и называют пульсациями.

Оценка выводится из определения ёмкости. За время между вершинами t = 1/(2f) нагрузка забирает заряд Q = I × t, и напряжение падает на ΔU = Q / C:

ΔU = I / (2 × f × C)

Посчитаем для примера со сглаживающим фильтром: амплитуда 15 В, мост, конденсатор 1000 мкФ, нагрузка 470 Ом.

1. На конденсаторе около 13 В: 15 В минус падение на двух диодах.
2. Ток нагрузки I = 13 / 470 ≈ 28 мА.
3. Пульсации ΔU = 0,028 / (2 × 50 × 0,001) ≈ 0,28 В.

Формула завышает результат: конденсатор подзаряжается не мгновенно, а в течение части горба, и реальная пауза чуть короче 10 мс. Для прикидки этого достаточно, а запас получается в безопасную сторону.

Два следствия, которые стоит помнить. Во-первых, пульсации пропорциональны току: удвоили нагрузку — удвоили размах. Во-вторых, диоды проводят только короткими импульсами на вершинах, пока напряжение на входе выше, чем на конденсаторе. Средний ток при этом тот же, что у нагрузки, поэтому импульсный ток через диоды и обмотку в несколько раз больше среднего. Мост берут с запасом по току, а электролит — с запасом по напряжению: в примере стоит конденсатор на 25 В при 15 В амплитуды.

Стабилитрон: как удержать 5,1 В при скачущем входе

Даже с хорошим фильтром напряжение на конденсаторе зависит от сети (плюс-минус 10 %) и от нагрузки. Стабилитрон решает это обратным пробоем: пока через него идёт ток в обратном направлении, напряжение на нём почти не меняется. Последовательно с ним ставят гасящий резистор, на котором и остаётся вся разница между входом и выходом.

В примере со стабилитроном источник 12 В, гасящий резистор 330 Ом, стабилитрон 5,1 В и нагрузка 1 кОм. Посчитаем токи:

1. Через гасящий резистор: (12 − 5,1) / 330 ≈ 20,9 мА.
2. Через нагрузку: 5,1 / 1000 = 5,1 мА.
3. Остаток через стабилитрон: 20,9 − 5,1 ≈ 15,8 мА.

При 15 В на входе через резистор пойдёт 30 мА, при 9 В — 11,8 мА. Нагрузке по-прежнему нужно 5,1 мА, остальное забирает стабилитрон, и вольтметр показывает те же 5,1 В. Но если опустить вход до 6 В, через резистор сможет пройти только 2,7 мА, а нагрузка хочет больше. Стабилитрон выходит из пробоя, схема превращается в делитель 330 / 1000, и на выходе остаётся около 4,5 В.

Отсюда правило расчёта, которое разобрано в примере расчёт параметрического стабилизатора: резистор считают по худшему случаю.

R = (U_вх_макс − U_ст) / (I_ст_мин + I_н)
R = (15 − 5,1) / (0,005 + 0,010) = 660 Ом → берём 620 Ом

Затем проверяют мощность резистора и стабилитрона. Для стабилитрона худший случай — отключённая нагрузка: весь ток идёт через него.

Слабое место параметрического стабилизатора — ток. Чтобы отдать нагрузке 100 мА, резистор придётся уменьшить настолько, что при снятой нагрузке стабилитрон будет рассеивать ватт и больше.

Транзистор-повторитель: ток даёт он, напряжение задаёт стабилитрон

Решение — разделить обязанности. Стабилитрон задаёт напряжение на базе n-p-n транзистора, а ток нагрузке идёт через транзистор из коллектора. Эмиттер повторяет базу с отставанием на падение перехода база-эмиттер, около 0,7 В. От стабилитрона теперь требуется только базовый ток, то есть ток нагрузки, делённый на коэффициент усиления.

В примере стабилизатор на стабилитроне и транзисторе стоит стабилитрон 5,6 В, резистор 1 кОм и нагрузка 47 Ом при входе 15 В:

1. Выход: 5,6 − 0,7 ≈ 4,9 В.
2. Ток нагрузки: 4,9 / 47 ≈ 104 мА.
3. Мощность на транзисторе: (15 − 4,9) × 0,104 ≈ 1,05 Вт.

Третья строка — цена линейной схемы. Всё лишнее напряжение, умноженное на ток, превращается в тепло. Так же работает и 7805: внутри него точный источник опорного напряжения с усилителем ошибки вместо стабилитрона, но силовой транзистор греется точно так же, и при 15 В на входе и 1 А нагрузки ему придётся рассеять 10 Вт.

В блоке питания целиком все ступени собраны вместе: источник с амплитудой 15 В, мост, электролит 1000 мкФ, гасящий резистор 330 Ом, стабилитрон 5,1 В, мощный n-p-n, нагрузка 100 Ом и зелёный светодиод через 470 Ом. Вольтметр на выходе показывает около 4,4 В: 5,1 минус переход транзистора. Через нагрузку идёт около 44 мА, через светодиод — около 5 мА, а ток стабилитрона задаёт гасящий резистор, и от нагрузки он почти не зависит: транзистор забирает из этого тока в базу меньше миллиампера.

С конденсатора при этом уходит около 70 мА: примерно 50 мА через транзистор и порядка 20 мА через гасящий резистор. Пульсации по той же формуле — около 0,7 В. Стабилизатор их проглатывает, потому что даже во впадине на конденсаторе остаётся больше 12 В, а стабилитрону нужно чуть больше 5.

Типичные ошибки при сборке блока питания

• Амплитуда вместо действующего значения. Обмотка «12 В» даёт после моста и фильтра не 12, а около 15 В на холостом ходу. Электролит на 16 В в такой схеме работает на пределе.
• Электролит наоборот. Полярный конденсатор, включённый задом наперёд, в жизни греется и вздувается. В примере с фильтром разбор схемы предупреждает об этом, стоит развернуть деталь.
• Стабилитрон как обычный диод. Катод, полоска на корпусе, должен смотреть на плюс. Иначе стабилитрон открывается в прямом направлении и на выходе 0,7 В.
• Мало запаса по входу. Стабилизатору нужно, чтобы во впадине пульсаций вход оставался выше выхода плюс падение на регулирующем элементе. Для 7805 это около 2 В: при 5 В на выходе впадина не должна опускаться ниже 7 В.
• Забыли про тепло. Мощность линейного стабилизатора считается одной строкой, (U_вх − U_вых) × I, и её стоит посчитать до того, как выбирать корпус и радиатор.

Что в итоге

Блок питания — это четыре независимых решения. Трансформатор понижает и развязывает, мост делает ток однонаправленным и удваивает частоту пульсаций, конденсатор сглаживает с размахом I/(2fC), стабилизатор убирает остаток и держит выход при любой нагрузке. Для десятков миллиампер хватит стабилитрона с резистором, для сотен нужен транзистор, а там, где разница напряжений велика и ток большой, линейную схему меняют на импульсную. Числа для каждого шага считаются на бумаге за минуту, а в симуляторе их можно сразу проверить вольтметром и осциллографом.

Попробуйте в симуляторе