Блок питания (или бестрансформаторный LED драйвер) на гасящем конденсаторе, расчет

Иногда в недорогих светодиодных лампочках из супермаркета вместо драйвера с дросселем можно найти плату, усыпанную всего несколькими деталями, главная из которых — крупный пленочный конденсатор. Это и есть классический бестрансформаторный блок питания на гасящем конденсаторе.

Многие смотрят на такие схемы с пренебрежением, называя их пережитком прошлого. Но законы физики не стареют. При грамотном расчете эта схема способна пережить саму лампу и работать очень долго, если использовать качественные компоненты. Я хочу коротко рассказать, как это работает и как собрать действительно надежный светодиодный драйвер на гасящем конденсаторе своими руками. Можно даже навесным монтажом.

1. Что такое блок питания на гасящем конденсаторе?

Блок питания на гасящем конденсаторе — это простейшая схема преобразования высокого сетевого напряжения (230 В переменного тока) в низкое постоянное напряжение для питания не очень мощной нагрузки. В отличие от современных импульсных блоков питания, здесь нет высокочастотных трансформаторов и ключей. Снижение напряжения происходит исключительно за счет реактивного сопротивления гасящего конденсатора. Это максимально дешевый блок питания, но при этом надежный.

2. Гасящий конденсатор — это своеобразный «резистор для переменного тока», который не греется.

Если бы мы попытались погасить лишние 200 Вольт обычным резистором, чтобы запитать гирлянду светодиодов, этот резистор работал бы как печка, выделяя десятки Ватт тепла. Сумасшедший утюг. Гасящий конденсатор (обычно это помехоподавляющий пленочный конденсатор класса X2) использует свою емкость для ограничения переменного тока. Ток тратится на бесконечный цикл заряда и разряда пластин конденсатора с частотой сети (50 Гц). Главная магия в том, что на реактивном сопротивлении активная тепловая мощность не выделяется — конденсатор остается абсолютно холодным.

3. Принцип действия простыми словами

Переменный ток из розетки проходит через гасящий конденсатор, который строго дозирует (ограничивает) количество ампер. Далее этот ограниченный переменный ток попадает на диодный мост, где выпрямляется, превращаясь в пульсирующий постоянный ток. Электролитический конденсатор (фильтр) сглаживает эти пульсации, чтобы диоды не мерцали. Вуаля — ровный постоянный ток подается на светодиоды. Конечно, некоторый уровень пульсации остается, но он не слишком велик и с ним можно бороться, добавив, например, LC цепь или немного увеличив емкость выходного конденсатора. Глобально лучше использовать низкий ток и высокое напряжение, чем наоборот, для получения нужной мощности.

Иногда простые схемы блоков питания на гасящем конденсаторе применяют для питания микроконтроллеров. Ниже представлен пример простейшей схемы, где в качестве стабилизатора напряжения применен стабилитрон с номиналом 5.1V, мощностью 1Вт. В этой схеме даже не предусмотрен защитный резистор или термистор NTC, о чем я расскажу ниже.

4. Термистор NTC, зачем, почему?

Если схема так идеальна, почему есть проблема при включении выключателя? Проблема в пусковом токе. Полностью разряженный выходной конденсатор (он же сглаживающий конденсатор) в первые миллисекунды включения имеет нулевое сопротивление. Если вы замкнули цепь ровно на пике сетевой синусоиды (поздравляем, это джекпот), в схему ударяет колоссальный бросок тока, пробивая диодный мост или не пробивая, но подпаливая немного контакты выключателя — это точно. Иногда даже может автомат сработать.

Чтобы этого избежать, в цепь ставят термистор (NTC), например, популярный 10D-9.

Как он работает: Когда схема выключена, термистор холодный и имеет сопротивление около 10 Ом. При включении он принимает удар тока на себя, защищая диоды. Затем от протекающего рабочего тока он нагревается, и его сопротивление падает почти до 0 Ом. Защита сработала, а лишнее тепло во время работы больше не выделяется.

Заменить NTC можно простейшим резистором, номиналом от 30 до 100 Ом, это снизит КПД блока питания и увеличит нагрев. Резистор должен иметь весьма большую рассеиваемую мощность. Расчет мощности резистора выполняется по формуле: P = I² * R; где P — мощность резистора, I — ток протекающий в цепи (ток который ограничивает конденсатор) в квадрате, R — сопротивление резистора.

5. Почему эта схема идеально подходит для светодиодов и может работать как светодиодный драйвер?

Светодиодам не важно напряжение, им нужен стабильный ток. Ток, как известно, регулируется через напряжение и общее сопротивление цепи. Поскольку сетевое напряжение (230 В) во много раз больше, чем падение напряжения на цепочке светодиодов (например, 30 В), гасящий конденсатор берет на себя львиную долю напряжения сети. В таких условиях конденсатор начинает вести себя как источник тока. Небольшие колебания температуры светодиодов или изменение их сопротивления почти никак не влияют на общий ток в цепи. Они получают ровно те миллиамперы, которые пропустил через себя конденсатор. Ну прям сказка, но увы, не все так просто.

6. Преимущества и недостатки (Надежно ли это?)

Преимущества:

• Абсолютная надежность (при верном расчете): В схеме нет сложных микросхем, которые могут сгореть от перегрева. Если конденсатор X2 подобран с запасом по напряжению (400 В), а на входе стоит термистор — схема работает десятилетиями. Если сглаживающий электролитический конденсатор после диодного моста не высохнет. Но эта проблема решаема. Напишу про это в выводе.
• Отсутствие радиопомех: Схема не генерирует высокочастотный «мусор» в эфир и провода, чем часто грешат дешевые импульсные драйверы. Дешевый, китайский.
• Дешевизна: Себестоимость комплектующих буквально несколько долларов, даже если выбирать исключительно фирменные, надежные компоненты.

Недостатки и Риски:

• СМЕРТЕЛЬНАЯ ОПАСНОСТЬ(!!!): Схема не имеет гальванической развязки от электросети. Все элементы, включая сами светодиоды, находятся под фазным напряжением. Касание работающей платы руками недопустимо. Лучше всего использовать через УЗО.
• Ограничение по мощности: Схема имеет смысл только для токов до 100-150 мА. Если вы попытаетесь вытянуть 700 мА, гасящий конденсатор будет размером с кирпич, а пусковые токи начнут выбивать автоматы в щитке. Хотя 700мА получить тоже можно, но в 99% это не имеет смысла.
• Низкий коэффициент мощности (Cos φ): Для промышленных масштабов такой тип нагрузки, вероятно, не лучшее решение. А вообще в промышленности применяется куда более хитрая технология, по факту не сложнее, но куда более крутая, но об этом как-нибудь в другой статье...

7. Где это применяется сегодня?

В промышленности такие схемы не ставят на мощные станки или освещение цехов — там царят импульсные блоки с гальванической развязкой.

Однако в быту эта топология бессмертна. На гасящих конденсаторах работают: дешевые светодиодные лампы (груши, свечки, кукурузы), умные реле для систем «умного дома» (которым нужно питание без нулевого провода), ночники, индикаторы на приборных панелях и некоторая другая электроника в хорошо изолированных корпусах.

8. Выводы

Блок питания на гасящем конденсаторе — это классика, как Вивальди или Моцарт. Если нужно запитать небольшую светодиодную лампу из 10-20 последовательных светодиодов и светодиодный модуль будет надежно спрятан в изолированном пластиковом корпусе, это решение сэкономит вам деньги, и при наличии хорошего охлаждения такая светодиодная лампа может без выключений проработать с добрый десяток лет.

Главное — всегда делайте математический расчет под свои задачи и выбирайте качественные компоненты, особенно сглаживающий конденсатор. К слову, тут можно использовать сборку из пленочных конденсаторов, соединенных параллельно: они не сохнут, как электролиты, и работают десятками лет. Или можно выбрать дорогие танталовые конденсаторы. Чтобы упростить расчеты, я создал виджет, с помощью которого можно подобрать нужные параметры элементов приблизительно за 9 секунд. Диодный мост — любой, желательно на ток от 2-х ампер и напряжение от 1000 вольт (стандарт почти для всех диодных мостов).