Схемы бестрансформаторного сетевого питания микроконтроллеров
Бестрансформаторные источники питания проще в изготовлении и дешевле, чем трансформаторные, однако они представляют определённую опасность для жизни человека при налаживании, ремонте и в эксплуатации. Неосторожное прикосновение одновременно ктоковедущей части и к заземлённой поверхности может окончиться весьма плачевно.
Схемы без гальванической развязки применяют в тех конструкциях, где не требуется постоянное присутствие человека или обеспечена надёжная изоляция от поражения током. Стоит отметить, что использовать такие источники питания целесообразно только при небольших токах нагрузки, так как в противном случае размеры и стоимость нужных компонентов растут очень быстро.
Различают следующие разновидности бестрансформаторных блоков питания:
- с балластным резистором во входной цепи;
- с балластным конденсатором во входной цепи;
- с импульсным неизолированным AC/DC-преобразователем.
Балластными резисторами и конденсаторами гасится излишек сетевого напряжения. Соответственно резисторы должны быть рассчитаны на большую мощность рассеяния, а конденсаторы должны быть плёночными, например, К73-17, желательно с рабочим напряжением не менее 630 В. Запас нужен, потому что допустимое переменное напряжение КАС на частоте 50 Гц у данного класса конденсаторов значительно меньше допустимого постоянного напряжения KDC (Табл. 6.2).
Схемы балластного типа «не любят» частых включений/выключений, поскольку в начальный момент времени возникают всплески напряжения. Если имеется возможность, то лучше вообще обойтись без сетевого тумблера, что значительно продлит ресурс работы устройства. Оптимальная сфера применения балластных схем — маломощные приборы с круглосуточным режимом функционирования.
Импульсные сетевые бестрансформаторные преобразователи напряжения носят название AC/DC («переменное» АС в «постоянное» DC). Они обеспечивают высокий КПД и малые габариты, но генерируют импульсные помехи достаточно высокой частоты и амплитуды. Кроме того, микросхемы, применяемые в этих преобразователях, к числу дешёвых и широкораспространённых не относятся.
На Рис. 6.3, а. м показаны схемы бестрансформаторного питания с балластными резисторами и конденсаторами, а на Рис. 6.4, а. г — с микросхемами импульсных AC/DC-преобразователей.
Рис. 6.3. Схемы бестрансформаторного питания с балластными элементами (начало):
а) диоды VD1. VD4 должны выдерживать обратное напряжение не менее 400 В. Резисторы Rl, R2 являются балластными для стабилитрона VD5. Сопротивление резистора R3 выбирается так, чтобы выходное напряжение не превышало +5.25 В при любом токе нагрузки. ФНЧ на элементах C1, R3, С2 сглаживает сетевые пульсации удвоенной частоты 100 Гц;
б) аналогично Рис. 6.3, а, но параллельные балластные резисторы заменяются последовательно включёнными резисторами RL..R3, RС-фильтр заменяется LC-фильтром LI, C1, а также добавляется предохранитель FUI. Максимально допустимый ток через дроссель LI должен быть с запасом больше, чем ток нагрузки;
в) полная классическая схема источника питания с балластным конденсатором C1. Резистор R1 ограничивает начальный ток заряда конденсатора С2 и является обязательным в подобных схемах. Резистор R2 быстро разряжает конденсатор C1 после отключения вилки от сети 220 В. Сборка диодов VD1 выпрямляет напряжение и может быть заменена двумя диодами типа 1 N4004. 1 N4007. Конденсатор С2 сглаживает сетевые пульсации, а конденсатор СЗ устраняет ВЧ-помехи. Выходное напряжение зависит от параметров стабилитрона VD2 и тока нагрузки;
г) питание от трёхфазной сети через балластные резисторы RL..R3. Стабилитрон VD4 нужен, чтобы микросхема DA1 не вышла из строя от высокого входного напряжения при обрыве нагрузки в цепи +5 В или при резком снижении тока потребления;
Рис. 6.3. Схемы бестрансформаторного питания с балластными элементами (продолжение):
д) стабилитроны VD3, VD4 имеют повышенную мощность рассеяния 1. 3 Вт и выполняют предварительное ограничение напряжения. Стабилизатор на микросхеме DA I обеспечивает выходное напряжение;
е) двухполупериодный выпрямитель с диодным мостом VD1 и светодиодной индикацией наличия питания. Резистор R3 определяет ток в нагрузке, а также яркость свечения индикатора HLI. Выходное напряжение зависит от параметров стабилитрона VD2 и тока нагрузки;
ж) двухполярный источник питания. Для полной симметрии схемы желательно обеспечить одинаковые токовые нагрузки по цепям +5 и -5 В;
з) разделение выходного напряжения на две отдельные ветви для исключения взаимных помех, например, для питания МК и для управление тиристором. Стабилитрон VD1 ограничивает напряжение на уровне +5.6 В. Диоды VD2, VD3 снижают его до +4.8. +5 В в каждом канале;
Рис. 6.3. Схемы бестрансформаторного питания с балластными элементами (окончание):
и) получение двух напряжений от одного источника питания. Суммарный ток нагрузки состоит из суммы токов в каналах +9. +12 В и +5 В. При значительных колебаниях тока нагрузки следует выбрать стабилитрон VD3 с повышенной мощностью рассеяния 1. 3 Вт;
к) стабилитроны VDI, VD2 одновременно служат стабилизаторами и выпрямителями. Стабилитроны следует выбирать мощные, с запасом по току;
л) вместо одного применяются два балластных конденсатора C1, С2, которые могут быть рассчитаны на меньшее допустимое напряжение;
м) в закрытом состоянии тиристора VS1 ток на бестрансформаторный стабилизатор напряжения (C1. CJ, RL..R3, VDI, VD2) проходит через нагрузку RH. Ввиду низкого значения тока, нагрузка не работает в полную мощность, например, лампа не светится, вентилятор не крутится и т.д. После включения тиристора VSI, в нагрузку RH подаётся полная мощность, а напряжение на выходе стабилизатора снижается с +5 до +2.7 В. Чтобы МК нормально функционировал, он должен быть широкодиапазонным по питанию и иметь возможность организации рестарта.
Рис. 6.4. Схемы сетевых бестрансформаторных блоков питаь с AC/DC-преобразователями:
а) типовая схема включения импульсного AC/DC-преобразователя напряжения на микросхеме DA1 фирмы ROHM;
б) типовая схема включения импульсного AC/DC-преобразователя напряжения на микросхеме DA1 фирмы Power Integrations. Дроссели LI, L2снижают уровень пульсаций;
в) формирователь двух популярных у радиолюбителей напряжений питания +5 и +3.3 В. Микросхема DA1 — это импульсный АC1DC-преобразователь напряжения фирмы Supertex;
т) DAI — это импульсный АC1DC-преобразователь напряжения фирмы Supertex. Общий ток нагрузки по выходам +18 и +5 В не должен превышать 40 мА.
Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.
Источник
Использование сети 220 В в микроконтроллерах
Сеть 220 В в большинстве случаев является основным источником питания для устройств, содержащих МК. Кроме того, она может служить информационным и управляющим каналом. Актуальными являются следующие задачи:
- измерение сетевой частоты и сетевого напряжения;
- проверка наличия сетевого питания при переходе на резервный источник;
- передача по сетевым проводам информационных сигналов;
- тактирование работы устройства от сетевой частоты;
- определение момента перехода переменного напряжения через нуль, чтобы коммутировать различные нагрузки с минимальным уровнем помех.
Стандартами стран СНГ допускается разброс сетевого напряжения в диапазоне 187. 242 В и изменение частоты в пределах 49. 51 Гц. Однако эти параметры варьируются в зависимости от страны и континента (Табл. 3.1), что надо учитывать при разработке продукции на экспорт.
Таблица 3.1. Стандарты электрических сетей в разных странах
| Напряжение [В] | Частота [Гц] | Страны мира |
| 220 | 50 | Страны СНГ, Аргентина, Германия, Греция, Египет, Китай и другие |
| 230 | 50 | Бангладеш, Индия, Маврикий, Новая Зеландия, Танзания и другие |
| 240 | 50 | Австралия, Великобритания, Кипр, ОАЭ, Судан, Уганда и другие |
| 110 | 60 | Багамские острова, Гаити, Гондурас, Южная Корея и другие |
| 120 | 60 | Венесуэла, Канада, Колумбия, Коста-Рика, Куба, Либерия, США и другие |
| 127 | 60 | Мексика |
| 100 | 50/60 | Япония |
Для адаптации напряжения сети 220 В к низковольтным входам МК используют резистивные делители (Рис. 3.1, а. з), оптическую (Рис. 3.2, а. ж) и трансформаторную (Рис. 3.3, а. з) развязку. В двух последних случаях гарантируется гальваническая изоляция первичных и вторичных цепей, что повышает безопасность.
ВНИМАНИЕ! Здесь и далее при настройке и эксплуатации устройств, которые не имеют гальванической развязки от промышленной сети переменного тока, следует соблюдать повышенную осторожность и правила электробезопасности.
Рис. 3.1. Схемы неизолированных датчиков сетевого напряжения 220 В <начало):
а) диод VD1 отсекает отрицательную полуволну напряжения, резистором R2 регулируется амплитуда сигнала на входе МК (частота 50 Гц), конденсатор С1 устраняет помехи;
б) на вход МК поступает сигнал удвоенной частоты 100 Гц от мостового выпрямителя;
в) провод питания МК +5 В гальванически связан с сетыо 220 В. Резистор R1 ограничивает ток через внутренние защитные диоды МК (0.1. 0.3 мА). Частота сигнала 50 Гц;
г) транзисторы VTI, VT2 образуют двухсторонний ограничитель напряжения с нагрузкой в виде резистора R2. Транзистор VT3 — усилитель-инвертор. Конденсатор С1 защищает МК от коммутационных помех, которые могут возникать в сети 220 В при работе тиристоров;
д) МК проверяет исправность симистора VS1 и отсутствие обрыва в нагрузке Конденсатор С1 имеет большую ёмкость, поэтому на входе МК напряжение усредняется. Резистором R2 устанавливается порог напряжения, ниже которого считается, что произошла авария;
е) для устройств, которые критичны к полярности включения вилки в сетевую розетку, «нуль» (N) и «фазу» (L) определяют стандартным прибором электрика «светящаяся отвёртка»;
ж) двухстороннее ограничение сетевого напряжения внутренними диодами МК. Конденсатор С1 высоковольтный (250 В переменного напряжения) на случай обрыва резистора R3.
Рис. 3.2. Схемы датчиков сетевого напряжения 220 В с оптической изоляцией (начало):
а) фототранзисторы оптопары VU1 закрываются на 0.1. 0.2 мс в момент перехода сетевого напряжения через нуль. Точная длительность подбирается резистором R2, частота 100 Гц;
б) формирователь импульсов с частотой 50 Гц. Двойная гальваническая развязка: на оптопа-ре VU1 и на трансформаторе 77. Коллекторной нагрузкой оптопары служит внутренний резистор МК. Диод Шоттки VD1 защищает излучатель оптопары VU1 от обратного напряжения;
в) аналогично Рис. 3.2, а, но на двух отдельных оптопарах и без транзисторного ключа;
г) МК проверяет отсутствие обрыва в нагрузке по наличию импульсных сигналов с частотой 50 Гц. Диоды VD1. VD6 запараллелены (встречно) для максимальной симметрии схемы;
Рис. 3.2. Схемы датчиков сетевого напряжения 220 В с оптической изоляцией (окончание)’.
д) двухкаскадный формирователь сетевых импульсов на транзисторах VTI, VT2. Частота сигнала на входе МК 100 Гц. Питание первичной стороны формирователя осуществляется от параметрического стабилизатора, собранного на элементах R3, VD2, VD3, С1. Диодный мост VD1 должен быть рассчитан на обратное напряжение не менее 400 В;
е) индикатор наличия сетевого напряжения с гальванической развязкой на оптопаре VU1. Элементы С1, R2 служат соответственно реактивным и активным балластом для стабилитрона VD5. При отключении сети 220 В конденсатор С1 быстро разряжается через резистор R1 (доли секунды). Это повышает безопасность, иначе конденсатор может разрядиться через тело человека, если случайно прикоснуться к обесточенной сетевой вилке руками;
ж) светодиод HL1 индицирует наличие сетевого питания и защищает излучатель оптопа-ры VU1 от обратного напряжения. Резистор RI при положительной полуволне задаёт ток через оптопару, а при отрицательной — через светодиод HL1. Частота импульсов на входе МК 50 Гц.
Рис. 3.3. Схемы датчиков сетевого напряжения 220 В с трансформаторной развязкой <начало):
а) транзисторный формирователь импульсов с частотой 100 Гц. Конденсатор С2 подавляет импульсные помехи. Резистор RI подбирается так, чтобы транзистор VT1 был гарантированно открыт при самом низком сетевом напряжении. Оно, в свою очередь, определяется коэффициентом передачи трансформатора 77. Напряжение с диодного моста VD1. VD4 поступает также в систему основного питания, которая формирует напряжение +5 В для МК;
б) детектор перехода сетевого напряжения через нуль. Компаратор DA1 увеличивает крутизну фронтов сигнала и повышает помехоустойчивость. Выход компаратора (открытый коллектор) нагружен на «pull-up» резистор R3. Диоды VD5, VD6 ограничивают напряжение на входах компаратора на уровне 0.6. 0.7 В при положительной полуволне сетевого напряжения, а диоды, входящие в мост VDI. VD4, — при отрицательной полуволне;
в) на резисторе R2 выделяется пульсирующее напряжение частотой 100 Гц. Конденсатор С1 подавляет ВЧ-помехи. Элементы VD3, R1 защищают МК от всплесков сетевого напряжения. Диоды VD1, VD2должны соединяться с адаптером А1 отдельными проводами;
г) с диодного моста VDI. VD4 пульсирующее напряжения частотой 100 Гц поступает на входы аналогового компаратора МК. Стабилитроны VD5, VD6 должны иметь пороговое напряжение ниже, чем напряжение питания М К (в данном случае это+5 В). Диоды VD7, VD8защищают М К от большого разбаланса напряжений на входах компаратора;
Рис. 3.3. Схемы датчиков сетевого напряжения 220 В с трансформаторной развязкой (окончание):
д) формирователь прямоугольных импульсов ТТЛ-уровня из переменного сетевого напряжения 9. 12 В. Задействуется свободный канал микросхемы DA1 (драйвер интерфейса RS-232), имеющий на входе триггер Шмитта. Цепочка RI, С2служит фильтром ВЧ-помех;
е) резисторы R2, R3 образуют делитель с уровнем +2.5 В, чтобы АЦП МК работал в линейном режиме. Частота импульсов, снимаемых с диодного ограничителя VD3, VD4, — 50 Гц;
ж) аналогично Рис.3.3, г, но с двумя парами ограничительных диодов Шоттки VD2. VD5. Это, очевидно, перестраховка на случай выхода из строя диодов, находящихся в мосту VDI;
з) амплитуда входного напряжения МК с частотой пульсаций 100 Гц регулируется резистором R2. Конденсатор большой ёмкости С1 при отключении сети поддерживает некоторое время напряжение питания +5 В, чтобы МК успел корректно закончить программные процедуры.
Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. (Выпуск 1)
Источник
