Блок живлення (або безтрансформаторний LED драйвер) на конденсаторі, що гасить, розрахунок

Іноді в недорогих світлодіодних лампочках із супермаркету замість драйвера з дроселем можна знайти плату, посипану лише кількома деталями, головна з яких — великий плівковий конденсатор. Це і є класичний безтрансформаторний блок живлення на гасячому конденсаторі.

Багато хто дивиться на такі схеми зі зневагою, називаючи їх пережитком минулого. Але закони фізики не старіють. За грамотного розрахунку ця схема здатна пережити саму лампу і працювати дуже довго, якщо використовувати якісні компоненти. Я хочу коротко розповісти, як це працює і як зібрати дійсно надійний світлодіодний драйвер на гасячому конденсаторі своїми руками. Можна навіть навісним монтажем.

1. Що таке блок живлення на гасячому конденсаторі?

Блок живлення на гасячому конденсаторі — це найпростіша схема перетворення високої мережевої напруги (230 В змінного струму) в низьку постійну напругу для живлення не дуже потужного навантаження. На відміну від сучасних імпульсних блоків живлення, тут немає високочастотних трансформаторів і ключів. Зниження напруги відбувається виключно за рахунок реактивного опору гасячого конденсатора. Це максимально дешевий блок живлення, але при цьому надійний.

2. Гасячий конденсатор — це своєрідний «резистор для змінного струму», який не гріється.

Якби ми спробували погасити зайві 200 Вольт звичайним резистором, щоб заживити гірлянду світлодіодів, цей резистор працював би як пічка, виділяючи десятки Ват тепла. Шалена праска. Гасячий конденсатор (зазвичай це завадопригнічуючий плівковий конденсатор класу X2) використовує свою ємність для обмеження змінного струму. Струм витрачається на нескінченний цикл заряду і розряду пластин конденсатора з частотою мережі (50 Гц). Головна магія в тому, що на реактивному опорі активна теплова потужність не виділяється — конденсатор залишається абсолютно холодним.

3. Принцип дії простими словами

Змінний струм із розетки проходить через гасячий конденсатор, який суворо дозує (обмежує) кількість ампер. Далі цей обмежений змінний струм потрапляє на діодний міст, де випрямляється, перетворюючись на пульсуючий постійний струм. Електролітичний конденсатор (фільтр) згладжує ці пульсації, щоб діоди не мерехтіли. Вуаля — рівний постійний струм подається на світлодіоди. Звісно, певний рівень пульсації залишається, але він не надто великий і з ним можна боротися, додавши, наприклад, LC ланцюг або трохи збільшивши ємність вихідного конденсатора. Глобально краще використовувати низький струм і високу напругу, ніж навпаки, для отримання потрібної потужності.

Іноді прості схеми блоків живлення на гасячому конденсаторі застосовують для живлення мікроконтролерів. Нижче наведено приклад найпростішої схеми, де в якості стабілізатора напруги застосовано стабілітрон з номіналом 5.1V, потужністю 1Вт. У цій схемі навіть не передбачений захисний резистор або термістор NTC, про що я розповім нижче.

4. Термістор NTC, навіщо, чому?

Якщо схема така ідеальна, чому є проблема при включенні вимикача? Проблема в пусковому струмі. Повністю розряджений вихідний конденсатор (він же згладжувальний конденсатор) у перші мілісекунди включення має нульовий опір. Якщо ви замкнули ланцюг рівно на піку мережевої синусоїди (вітаємо, це джекпот), у схему вдаряє колосальний кидок струму, пробиваючи діодний міст або не пробиваючи, але підпалюючи трохи контакти вимикача — це точно. Іноді навіть може автомат спрацювати.

Щоб цього уникнути, у ланцюг ставлять термістор (NTC), наприклад, популярний 10D-9.

Як він працює: Коли схема вимкнена, термістор холодний і має опір близько 10 Ом. При включенні він приймає удар струму на себе, захищаючи діоди. Потім від протікання робочого струму він нагрівається, і його опір падає майже до 0 Ом. Захист спрацював, а зайве тепло під час роботи більше не виділяється.

Замінити NTC можна найпростішим резистором, номіналом від 30 до 100 Ом, це знизить ККД блоку живлення і збільшить нагрівання. Резистор повинен мати досить велику потужність розсіювання. Розрахунок потужності резистора виконується за формулою: P = I² * R; де P — потужність резистора, I — струм, що протікає в ланцюзі (струм який обмежує конденсатор) у квадраті, R — опір резистора.

5. Чому ця схема ідеально підходить для світлодіодів і може працювати як світлодіодний драйвер?

Світлодіодам не важлива напруга, їм потрібен стабільний струм. Струм, як відомо, регулюється через напругу і загальний опір ланцюга. Оскільки мережева напруга (230 В) у багато разів більша, ніж падіння напруги на ланцюжку світлодіодів (наприклад, 30 В), гасячий конденсатор бере на себе левову частку напруги мережі. В таких умовах конденсатор починає поводити себе як джерело струму. Невеликі коливання температури світлодіодів або зміна їх опору майже ніяк не впливають на загальний струм у ланцюзі. Вони отримують рівно ті міліампери, які пропустив через себе конденсатор. Ну прям казка, але на жаль, не все так просто.

6. Переваги та недоліки (Чи надійно це?)

Переваги:

• Абсолютна надійність (за вірного розрахунку): У схемі немає складних мікросхем, які можуть згоріти від перегріву. Якщо конденсатор X2 підібраний із запасом за напругою (400 В), а на вході стоїть термістор — схема працює десятиліттями. Якщо згладжувальний електролітичний конденсатор після діодного моста не висохне. Але ця проблема вирішувана. Напишу про це у висновку.
• Відсутність радіоперешкод: Схема не генерує високочастотний «сміття» в ефір і дроти, чим часто грішать дешеві імпульсні драйвери. Дешевий, китайський.
• Дешевизна: Собівартість комплектуючих буквально кілька доларів, навіть якщо вибирати виключно фірмові, надійні компоненти.

Недоліки та Ризики:

• СМЕРТЕЛЬНА НЕБЕЗПЕКА(!!!): Схема не має гальванічної розв'язки від електромережі. Усі елементи, включаючи самі світлодіоди, знаходяться під фазною напругою. Торкання працюючої плати руками неприпустимо. Найкраще використовувати через ПЗВ (пристрій захисного відключення).
• Обмеження за потужністю: Схема має сенс тільки для струмів до 100-150 мА. Якщо ви спробуєте витягнути 700 мА, гасячий конденсатор буде розміром з цеглину, а пускові струми почнуть вибивати автомати в щитку. Хоча 700мА отримати теж можна, але в 99% це не має сенсу.
• Низький коефіцієнт потужності (Cos φ): Для промислових масштабів такий тип навантаження, ймовірно, не найкраще рішення. А взагалі в промисловості застосовується куди більш хитра технологія, за фактом не складніша, але куди крутіша, але про це як-небудь в іншій статті...

7. Де це застосовується сьогодні?

У промисловості такі схеми не ставлять на потужні верстати або освітлення цехів — там панують імпульсні блоки з гальванічною розв'язкою.

Однак у побуті ця топологія безсмертна. На гасячих конденсаторах працюють: дешеві світлодіодні лампи (груші, свічки, кукурудзи), розумні реле для систем «розумного дому» (яким потрібне живлення без нульового проводу), нічники, індикатори на приладових панелях та деяка інша електроніка в добре ізольованих корпусах.

8. Висновки

Блок живлення на гасячому конденсаторі — це класика, як Вівальді або Моцарт. Якщо потрібно заживити невелику світлодіодну лампу з 10-20 послідовних світлодіодів і світлодіодний модуль буде надійно захований в ізольованому пластиковому корпусі, це рішення заощадить вам гроші, і за наявності хорошого охолодження така світлодіодна лампа може без вимкнень пропрацювати добрий десяток років.

Головне — завжди робіть математичний розрахунок під свої задачі та обирайте якісні компоненти, особливо згладжувальний конденсатор. До речі, тут можна використовувати збірку з плівкових конденсаторів, з'єднаних паралельно: вони не сохнуть, як електроліти, і працюють десятками років. Або можна вибрати дорогі танталові конденсатори. Щоб спростити розрахунки, я створив віджет, за допомогою якого можна підібрати потрібні параметри елементів приблизно за 9 секунд. Діодний міст — будь-який, бажано на струм від 2-х ампер і напругу від 1000 вольт (стандарт майже для всіх діодних мостів).