В этой статье разберём на конкретных примерах схему, принцип работы и методику расчёта простейшего бестрансформаторного блока питания (ББП) с гасящим конденсатором.
Когда целесообразно использовать ББП
При разработке электронных средств отдельное внимание уделяется источникам питания. Приборы могут питаться либо от первичных источников (например, гальванические элементы в виде алкалиновых батарей, литий-ионовых аккумуляторов или же солнечные панели), либо от вторичных источников (преобразователи сетевого напряжения 220 VAC в требуемое постоянное).
В качестве блоков питания (БП) наиболее часто применяются вторичные источники. Как правило, используются либо линейные БП, либо импульсные. Их объединяет наличие трансформатора, который обеспечивает гальваническую развязку между сетью питания и потребляющей нагрузкой.
На сегодняшний день выпускаются недорогие импульсные блоки питания в различных форм-факторах (сетевой адаптер с вилкой, модуль для установки на печатную плату и т.д.). Это их отличает от линейных БП, в состав которых входят достаточно громоздкие и дорогие линейные трансформаторы.
Тем не менее, иногда нужно организовать простое питание с минимальными габаритами и минимумом затрат. Например, для работы слабомощной светодиодной подсветки в подвале или для дополнительного вентилятора охлаждения в приборе. В таких случаях как раз уместно применять бестрансформаторный БП.
Более конкретным примером применения ББП является фонарик с аккумулятором, у которого встроенное зарядное устройство построено как раз по данной схеме. Вилка для подключения к сети питания расположена на торце корпуса. Более подробно такие фонарики рассмотрим чуть позже.
Однако следует всегда помнить весьма существенный недостаток бестрансформаторных БП:

Схему БП и, по возможности, питаемую нагрузки, необходимо тщательно изолировать от внешней среды и прикосновений человека.
Подводя итог о целесообразности применения источников питания без трансформатора, следует понимать, что их допускается использовать в устройствах, при эксплуатации которых не предполагается непосредственное прикосновение человека. А ещё важно то, что целевое устройство не должно потреблять большие токи (не более 200…300 миллиампер). Ведь иначе габариты и стоимость комплектующих становятся сопоставимыми с относительно безопасными и надёжными импульсными БП.
Виды ББП
Выделяют три вида схем бестрансформаторных БП:
— с балластным резистором;
— с гасящим конденсатором (ГК);
— на базе импульсного AC/DC-преобразователя.
Блок питания на базе импульсного преобразователя, как правило, строится на базе специальных микросхем, средняя стоимость которых уже сопоставима с полноценным импульсным БП.
Схемы, в которых применяются балластный резистор и гасящий конденсатор, строятся по одному принципу, разница лишь только в ключевом пассивном элементе. Слова «балластный» и «гасящий» описывают главное назначение этих элементов: они рассеивают на себе лишнюю энергию, то есть гасят часть сетевого напряжения, снижая его до нужного уровня.
Резисторы должны быть рассчитаны на способность рассеивать весьма большую мощность (5…10 Вт и даже больше). По этой причине они используются достаточно редко в ББП.
А вот конденсатор при протекании через него переменного тока практически не греется. Он не потребляет энергию в виде рассеивания мощности, поскольку фазы тока и напряжения сдвинуты относительно друг друга на 90°. В течение одной четверти периода конденсатор заряжается, и энергия запасается в его электрическом поле, а в течение другой четверти периода ёмкость разряжается и отдаёт запасённую энергию обратно. Таким образом, средняя мощность за период равна нолю.
Это теоретически. На практике конденсаторы неидеальны, и имеют некоторое внутренне эквивалентное сопротивление, обусловленное особенностями конструкции и свойствами диэлектрика между обкладками (есть некоторые потери заряда ёмкости из-за утечки). Соответственно, если ёмкость неисправна или некачественная, то она может греться. Это крайне нежелательно, поскольку в скором времени может произойти пробой диэлектрика и выход из строя всего элемента.
Таким образом, в схемах ББП используют в качестве балластного элемента плёночные неполярные конденсаторы (например, К73-17), рассчитанные на рабочее напряжение не менее 400 В, а лучше — 630 В. Далее будем рассматривать схему бестрансформаторного БП с гасящим конденсатором (ГК).
Принцип построения ББП
Бестрансформаторный блок питания, в целом, имеет такую же структуру, что и классический линейный БП с трансформатором. Ниже на рисунке представлены структурные схемы соответствующих преобразователей:

Как видно, у них только одна явная отличительная черта: разные элементы на входе. На самом деле из-за разных принципов работы отличий намного больше. Поэтому не получится просто поменять трансформатор на конденсатор. Важно воспринимать такие устройства как отдельный вид схемотехнических решений вторичных источников питания.
Для наглядности рассмотрим следующий пример. Предположим, что в процессе изготовления некоего прибора выяснилось, что силовые ключи сильно греются. Для радиаторов необходимо активное охлаждение. Под рукой оказался вентилятор на 12 вольт и 120 мА. Покупать отдельный БП на такую малую нагрузку слишком избыточно. А формировать 12 вольт на базе имеющегося в приборе вторичного источника не совсем приемлемо. В данной ситуации применение бестрансформаторного БП как раз уместно в силу простоты, относительно малых габаритов и затрат.
Таким образом, давайте рассмотрим процесс построения и расчёта ББП для работы вентилятора охлаждения 12В/120мА, базовая структура которого представлена ниже:
Входная цепь
Входная цепь состоит из трёх элементов: гасящего конденсатора C1, высокоомного резистора R1 и низкоомного сопротивления R2.
Конденсатор обладает реактивным сопротивлением переменному току, который зависит от ёмкости компонента и от частоты сети. За счёт этого снижается амплитуда переменного напряжения в цепи, заменяя традиционный линейный трансформатор. Расчёт величины ёмкости рассмотрим чуть позже.
Резистор R1 необходим для того, чтобы разряжать ГК после отключения устройства от сети. Сопротивление порядка 1 МОм не будет влиять на работу БП в штатном режиме.
Резистор R2 используется для снижения пиковой величины пускового тока в момент включения в сеть. Если включение произойдёт в тот момент, когда синусоида сетевого напряжения находится в пике амплитуды, то в этот момент времени через разряженную ёмкость будет течь очень большой ток, что может повредить элементы устройства. Сопротивление в диапазоне 22…51 Ом оптимально подойдёт, поскольку такие номиналы не будут особо влиять на работу БП в штатном режиме, а пусковой ток значительно ослабнет. Важно применить резистор с номинальной мощностью рассеивания не менее 2 Вт.
Выпрямитель
Переменное напряжение преобразовывается двухполупериодным выпрямителем в виде диодного моста. Он может быть представлен в виде сборки из четырёх диодов типа 1N4007 (максимальный прямой ток 1 А, обратное напряжение 1000 В) или в виде компактной микросхемы с приблизительными параметрами (как в предлагаемом варианте — DF06 1А/600В).
Стабилизатор напряжения
После выпрямителя установлен стабилитрон VD2, который формирует нужный уровень выходного напряжения. При подборе указанного компонента необходимо учитывать не только номинальное напряжение стабилизации (Uстаб), но и максимальный ток стабилизации (Iст.макс). А величина Iст.макс должна быть несколько больше, чем максимальный ток нагрузки (Iнагр), как минимум на уровень минимального тока стабилизации (Iст.мин) с запасом 10…20 % от суммы Iнагр + Iст.мин.
Важность соблюдения данного условия обусловлено тем, что стабилитрон должен надёжно работать при крайних режимах эксплуатации: как при отсутствии нагрузки, так и в случае максимального потребления тока.
Если к выходу БП ничего не подключено, то через стабилитрон потечёт максимально возможный выходной ток, ограниченный лишь реактивным сопротивлением ГК.
А если выход БП максимально нагружен, то практически весь ток потечёт в обход стабилитрона. Но так как стабилитрон включён параллельно нагрузке, то они вместе образуют делитель тока, вследствие чего часть тока потечёт и через стабилитрон. И вот эта часть должна соответствовать Iст.мин, чтобы компонент вышел на штатный режим работы.
Если стабилитрон выйдет из строя, то на нагрузку будет приложено чрезмерно высокое напряжение, что может вывести её из строя. Но тут есть нюанс, о котором будет сказано позже.
Фильтр
Напряжение на выходе выпрямителя пульсирующее, поэтому необходимо применить фильтрующие конденсаторы.
Основную роль в фильтрации играет электролитический конденсатор C2. Номинальное рабочее напряжение для надёжности рекомендуется выбирать не менее чем с двукратным запасом относительно уровня на выходе стабилизатора. Это касается и конденсатора C3.
Что касается ёмкости, то будем руководствоваться принятым у радиолюбителей правилом: для приемлемой фильтрации питания при токе 1 А достаточно ёмкости конденсатора 2000…3000 мкФ. В нашем случае нет необходимости добиваться минимального уровня пульсаций, поэтому будем исходить из соображений оптимального соотношения ёмкость/габариты. Электролитический конденсатор на 1000мкФ/50В вполне подойдёт.
Ёмкость C3 фильтрует высокочастотные помехи. Типичным значением ёмкости для БП является 100 нФ.
Расчёт ключевых элементов ББП
1) Подбор стабилитрона
Для безопасной работы целевой нагрузки рекомендуется использовать стабилитрон. Как было указано выше, необходимо выполнять подбор элемента по значению номинального напряжения стабилизации, а также минимального и максимального токов стабилизации. Так как нам требуется питать вентилятор 12В/120мА, то выберем стабилитрон модели 1N5349B. Основные параметры выделены красным в таблице ниже:
Uст (Vz) = 12 В | Iст.мин. (Izk) = 1 мА | Iст.макс. (Izm) = 395 мА
2) Расчёт гасящего конденсатора
Конденсатор необходимо использовать неполярный, металлоплёночный (например, К73-17), рассчитанный на 400 В.
Ёмкость ГК C1 определяет максимальный ток, который способен будет выдавать БП:

где Iнагр = 120 мА;
Iст.мин = 1 мА;
f = 50 Гц — частота сети;
Uвх = 220 В — среднеквадратичное значение напряжения в сети;
Uнагр = 12 В;
π = 3,14.
Подставим значения в формулу и произведём расчёт:

Конденсатор ограничивает ток своим реактивным сопротивлением, которое рассчитывается по следующей формуле:

Посмотрим, какое сопротивление соответствует рассчитанной ёмкости C1:

Можно ли отказаться от стабилитрона?
Применение стабилитрона в ББП зависит от требуемого выходного напряжения и тока. Но можно ли обойтись без него? Для более полного понимания ситуации, рассмотрим ББП как делитель напряжения:
Верхним плечом делителя является ГК. Нижнее плечо включает в себя выпрямитель и нагрузку (а заодно и фильтр). Нагружая выход БП, цепь замыкается, и через всю схему течёт ток. При этом на конденсаторе падает большая часть напряжения, а остаток прикладывается к выпрямителю и нагрузке. Для удобства понимания будем оперировать значением реактивного сопротивления ГК.
К примеру, необходимо обеспечить 5В/100мА. Выполним примерный расчёт ёмкости ГК, не учитывая стабилитрон:

Вычислим реактивное сопротивление конденсатора:

Далее определим сопротивление, которое эквивалентно нижнему плечу, беря во внимание только нагрузку:

Зная значения сопротивлений для верхнего и нижнего плеч делителя, рассчитаем Uвых на нижнем плече:

Произведённый расчёт теоретический и приблизительный, и получается вполне неплохо. Но это только в том случае, если ёмкость ГК подобрана идеально. Ближайший номинал (надо выбирать в большую сторону) — 1,5 мкФ.
Но ёмкость конденсаторов всегда имеет некоторый разброс 10…20 %. Из-за этого нет гарантии, что выбранный конкретный экземпляр будет ровно 1,5 мкФ. Вполне возможно, что будет 1,8 мкФ. А это означает меньшее реактивное сопротивление, и, соответственно, меньшее напряжение падает на ГК. На нагрузку будет прикладываться уже несколько больше, чем 5 В. В зависимости от типа потребляющего устройства, это может быть весьма критично. Поэтому установка стабилитрона обеспечит дополнительную надёжность работы.
Эксперимент
Суммируя все проведённые выше расчёты и рассуждения, соберём макет БП для вентилятора охлаждения и проведём натурный эксперимент.
Подбирая стабилитрон, было предложено использовать 1N5349B со следующими параметрами: Uстаб = 12 В, Iст.мин = 1 мА, Iст.макс = 395 мА.
В качестве нагрузки для нашего БП предполагается применить кулер на 12В/120мА:
По результатам расчёта нам требуется ГК с ёмкостью 1,754 мкФ. Ближайший номинал — 1,8 мкФ. Но такие компоненты на 400 В не часто встречаются на практике. Поэтому возьмём два конденсатора по 1 мкФ и соединим их параллельно, получив суммарно 2 мкФ. Элементы с таким номиналом более широко распространены, да и по габаритам получится вполне компактно. Дополнительно получим небольшой запас по току.
При проведении эксперимента будем контролировать несколько параметров (токи и напряжение):
— суммарный (амперметр PA1);
— через стабилитрон (амперметр PA2);
— через вентилятор (амперметр PA3);
— на вентиляторе (вольтметр PV1).
Ниже представлены схема и фотография в сборе экспериментального макета ББП:


Аккумуляторный фонарик со встроенным зарядным устройством
Как упоминалось выше, многие бюджетные аккумуляторные фонарики имеют встроенное зарядное устройство, построенное как раз по схеме ББП. Ниже представлены фотографии одного из таких фонариков модели HG-528-5:

Корпус пластиковый, и все электронные компоненты полностью изолированы от контакта с руками. Для сетевой вилки предусмотрена защитная крышка. Тем не менее, при подзарядке аккумулятора необходимо проявлять осторожность.
Нагрузкой является набор из пяти светодиодов, подключенных параллельно друг другу. Последовательно этому набору включен общий токоограничивающий резистор R_load на 5 Ом.
В фонарике установлен свинцово-кислотный аккумулятор (4 В, 1 А/ч). При включении движкового переключателя S1 замыкается цепь для работы светодиодов от аккумулятора.
Зарядное устройство включает в себя ГК C1 с номинальной ёмкостью 820 нФ на 400 В. Конденсатор ограничивает зарядный ток до уровня примерно 56 мА. Резистор R2 разряжает ёмкость после отключения фонарика от сети.
Диоды VD1 и VD2 выполняют роль двухполупериодного выпрямителя.
В схеме отсутствует стабилитрон, поскольку применённый ГК с ёмкостью 820 нФ ограничивает Iнагр до 56 мА. Соответственно, если рассматривать ББП как резистивный делитель, то на нижнее плечо прикладывается примерно 5,5 В. А такая величина обеспечивает щадящий режим заряда аккумулятора на 4 В.
Выводы
Бестрансформаторные блоки питания с гасящими конденсаторами представляют собой компактное и эффективное решение для маломощной нагрузки. Принцип работы таких БП основан на использовании емкостного реактивного сопротивления для снижения напряжения. Это позволяет отказаться от дорогих линейных трансформаторов.
Преимущества:
— компактность: отказ от трансформатора позволяет существенно уменьшить размер и массу устройства;
— простота конструкции: использование доступных и недорогих элементов значительно упрощает конструкцию;
— энергетическая эффективность: в отличие от трансформаторных блоков, которые теряют энергию на преобразование, ББП имеют минимальные потери на пассивных компонентах.
Недостатки:
— опасность поражения током: отсутствует гальваническая развязка между сетью 220 вольт и пользователем;
— низкая мощность: ББП лучше всего работают для маломощных устройств. Разумным максимальным значением считается ток не более 300 мА, иначе теряется смысл в отказе от трансформатора из соображений габаритов.
Важно помнить, что бестрансформаторные БП подходят в основном для маломощных устройств, где важна компактность и эффективность. Также необходимо помнить, что из-за отсутствия гальванической развязки с сетью крайне важно тщательно изолировать токоведущие части устройства и соблюдать технику безопасности.