Jak obliczyć pojemność kondensatora ograniczającego prąd w prostym zasilaczu

Zasilacz z kondensatorem ograniczającym prąd to najprostszy sposób na zasilenie jakiegoś urządzenia o małej mocy.

Mimo całej swojej prostoty ma też dwie wady:
1. Jest galwanicznie połączony z siecią! Dlatego takie zasilacze stosuje się tam, gdzie nie ma ryzyka dotknięcia styków.
2. Taki zasilacz nie zapewnia zbyt dużego prądu wyjściowego. Żeby go zwiększyć, trzeba zwiększyć pojemność kondensatora ograniczającego prąd, a jego wymiary stają się wtedy znaczące.

Uwaga, zachowajcie szczególną ostrożność i nie dotykajcie styków tego zasilacza, gdy jest włączony.

Najprostszy schemat takiego zasilacza wygląda tak:


Jak widać na schemacie, szeregowo z siecią jest podłączony kondensator. To on pełni funkcję balastu, na którym odkłada się część napięcia.
Kondensator nie przepuszcza prądu stałego, ale ponieważ w sieci płynie prąd przemienny, a kondensator jest stale ładowany i rozładowywany, na wyjściu pojawia się prąd. Jego natężenie zależy bezpośrednio od pojemności kondensatora.

Aby obliczyć pojemność kondensatora, trzeba więc znać co najmniej prąd wyjściowy naszego przyszłego zasilacza. Należy też uwzględnić pobór prądu przez stabilizator, zwykle wynoszący kilka mA.

No dobrze. Są dwa wzory: skomplikowany i prosty.
Skomplikowany nadaje się do obliczeń dla dowolnego napięcia wyjściowego.
Prosty sprawdza się w sytuacjach, gdy napięcie wyjściowe nie przekracza 10% napięcia wejściowego.
I — prąd wyjściowy naszego zasilacza
Uwe — napięcie sieci, na przykład 220 V
Uwy — napięcie na wyjściu zasilacza (lub przed stabilizatorem, jeśli jest zastosowany), na przykład 12 V.
C — szukana pojemność.


Załóżmy, że chcę zbudować zasilacz o prądzie wyjściowym do 150 mA. Przykładowy schemat znajduje się powyżej, a jego zastosowanie to pilot radiowy zasilany napięciem 5 V oraz przekaźnik na 12 V.
Podstawiamy nasze 0,15 A i otrzymujemy pojemność 2,18 µF. Można wybrać najbliższą standardową wartość — 2,2 µF, albo, jak to się mówi „po importowemu”, 225.


Niby wszystko wygląda dobrze: schemat jest prosty, ale ma kilka wad, które trzeba wyeliminować:
1. Prąd udarowy przy włączaniu może spalić mostek prostowniczy.
2. Awaria kondensatora może spowodować zwarcie.
3. Jeśli zostawimy układ bez zmian, można zostać porażonym przez kondensator wejściowy, ponieważ napięcie może się na nim utrzymywać jeszcze długo po odłączeniu zasilacza od sieci.
4. Po odłączeniu obciążenia napięcie na kondensatorze przed stabilizatorem wzrośnie do dość dużej wartości.


Rozwiązania:
1. Rezystor R1 szeregowo z kondensatorem.
2. Bezpiecznik 0,5 A.
3. Rezystor R2 równolegle do kondensatora.
4. Transil 12 V równolegle do kondensatora za mostkiem prostowniczym. Nie polecam stosować tu diod Zenera — transile są przystosowane do rozpraszania większej mocy, dzięki czemu układ będzie działał pewniej.

Na schemacie nowe elementy zaznaczyłem na czerwono, a niewielki dodatek w postaci diody LED — na niebiesko.


Kondensatory ograniczające prąd są też często stosowane w tanich żarówkach LED. To kiepskie rozwiązanie, bo takie żarówki są mniej niezawodne i często mocno migoczą.
Poniżej uproszczony schemat takiej żarówki.


Spróbujmy obliczyć pojemność dla takiego zastosowania. Ponieważ napięcie wyjściowe będzie wyraźnie większe niż 1/10 napięcia wejściowego, zastosujemy pierwszy wzór.
Przyjąłem napięcie wyjściowe 48 V — 16 diod LED po 3 V każda. Oczywiście to tylko przybliżenie, ale dość bliskie rzeczywistości.
Prąd wynosi 20 mA — to typowy maksymalny prąd większości diod LED sygnalizacyjnych.

Wyszło mi, że potrzebny jest kondensator o pojemności 0,298 µF. Najbliższe popularne wartości to 0,27 lub 0,33 µF. Pierwsza występuje znacznie rzadziej, a druga spowoduje już przekroczenie prądu. Można więc złożyć kondensator z dwóch połączonych równolegle, na przykład po 0,15 µF. Przy połączeniu równoległym pojemności się sumują.


Pojemność mamy już ustaloną, zostały jeszcze dwie kwestie:
1. Napięcie kondensatora
2. Typ kondensatora.

Z napięciem sprawa jest prosta: można zastosować kondensator na 400 V, ale bezpieczniej wybrać model na 630 V, choć jest większy.

Z typem jest nieco trudniej. Do takiego zastosowania lepiej użyć kondensatorów przeznaczonych właśnie do tego celu, na przykład K73-17, CL21, X2
Na zdjęciu kondensator CL21


A to bardziej niezawodne rozwiązanie. Nie sugerujcie się tym, że podano na nim 280 V — jest to wartość napięcia przemiennego skutecznego, dlatego będzie działał pewniej niż K73-17 lub CL21.


Takie kondensatory mogą też wyglądać tak


A teraz można jeszcze raz uważnie przyjrzeć się temu, co jest potrzebne do zbudowania takiego „prostego” zasilacza, i zdecydować, czy jest nam potrzebny.
W niektórych sytuacjach się przyda, ale ma mnóstwo wad. Dlatego moim zdaniem lepiej zastosować po prostu niewielki zasilacz impulsowy, który ma już stabilizowane napięcie wyjściowe, izolację galwaniczną i większy prąd wyjściowy.
Jako przykłady takich zasilaczy mogę podać link do szczegółowego testu czterech modeli, wraz z testami, schematami i oględzinami.


Można jednak zrobić to jeszcze lepiej. Ostatnio coraz popularniejsze są zasilacze monolityczne. W zasadzie to kostka, w której mieści się miniaturowy zasilacz impulsowy.
Na przykład HLK-PM01 firmy Hi-link, kosztujący około dwóch dolarów za sztukę.


Albo ich chiński odpowiednik TSP-05 firmy Tenstar robot. Są nieco tańsze — 1,93 dolara za sztukę.
Praktyka pokazała, że ich jakość jest porównywalna.


Jak pisałem wyżej, są to zasilacze impulsowe w wersji modułowej. Zasilacz w plastikowej obudowie, zalany żywicą epoksydową.
Są produkowane na różne napięcia i potrafią utrzymywać je na dość stabilnym poziomie.


Zbliżenie na wnętrze — na zdjęciu wariant firmy Hi-link


To chyba wszystko. Mam nadzieję, że artykuł był przydatny. Postaram się również w przyszłości wyszukiwać ciekawe tematy. Chętnie poznam też Wasze sugestie — co chcielibyście zobaczyć w dziale „Dla początkujących”.