Что такое бестрансформаторный блок питания
Бестрансформаторные блоки питания.
Сетевые понижающие источники питания с гасящими конденсаторами, а также
ключевые схемы бестрансформаторных преобразователей напряжения.
Решением данной проблемы при выполнении определенных условий может служить бестрансформаторный блок питания с гасящим конденсатором. Эти условия:
— полная автономность питаемого аппарата, т.е. к нему не должны подключаться никакие внешние устройства (например, к приемнику магнитофон для записи программы);
— диэлектрический (непроводящий) корпус и такие же ручки управления у самого блока питания и подключаемого к нему устройства.
Связано это с тем, что при питании от бестрансформаторного блока устройство находится под потенциалом сети, и прикосновение к его неизолированным элементам может хорошо «тряхнуть». Нелишне добавить, что при наладке таких блоков питания следует соблюдать правила техники безопасности и осторожность.
При необходимости использовать для наладки осциллограф блок питания нужно включать через разделительный трансформатор.
В самом простом виде схема бестрансформаторного блока питания имеет вид, показанный на рис.1.
Бестрансформаторные источники питания обычно собираются по классической схеме: гасящий конденсатор, выпрямитель переменного напряжения, конденсатор фильтра, стабилизатор. Емкостной фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения. Чем больше емкость конденсаторов фильтра, тем меньше пульсации и, соответственно, больше постоянная составляющая выходного напряжения. Однако в ряде случаев можно обойтись без фильтра, который зачастую является самым громоздким узлом такого источника питания.
Известно, что конденсатор, включенный в цепь переменного тока, сдвигает его фазу на 90°. Фазосдвигающий конденсатор применяют, например, при подключении трехфазного двигателя к однофазной сети. Если в выпрямителе применить фазосдвигающий конденсатор, обеспечивающий взаимное перекрытие полуволн выпрямленного напряжения, во многих случаях можно обойтись без громоздкого емкостного фильтра или существенно уменьшить его емкость. Схема подобного стабилизированного выпрямителя показана на рис.3.
Трехфазный выпрямитель VD1.VD6 подключен к источнику переменного напряжения через активное (резистор R1) и емкостное (конденсатор С1) сопротивления.
Выходное напряжение выпрямителя стабилизирует стабилитрон VD7. Фазосдвигающий конденсатор С1 должен быть рассчитан на работу в цепях переменного тока. Здесь, например, подойдут конденсаторы типа К73-17 с рабочим напряжением не ниже 400 В.
Такой выпрямитель можно применять там, где необходимо уменьшить габариты электронного устройства, поскольку размеры оксидных конденсаторов емкостного фильтра, как правило, гораздо больше, чем фазосдвигающего конденсатора сравнительно небольшой емкости.
Еще одно преимущество предложенного варианта состоит в том, что потребляемый ток практически постоянен (в случае постоянной нагрузки), тогда как в выпрямителях с емкостным фильтром в момент включения пусковой ток значительно превышает установившееся значение (вследствие заряда конденсаторов фильтра), что в некоторых случаях крайне нежелательно.
Описанное устройство можно применять и с последовательными стабилизаторами напряжения, имеющими постоянную нагрузку, а также с нагрузкой, не требующей стабилизации напряжения.
Совершенно простенький бестрансформаторный блок питания (рис.4) можно соорудить «на коленке» буквально за полчаса.
В другом бестрансформаторном источнике (рис.5) в качестве стабилизатора применена микросхема КР142ЕН8. Его выходное напряжение составляет 12 В. Если необходима регулировка выходного напряжения, то вывод 2 микросхемы DA1 подключают к общему проводу через переменный резистор, например, типа СПО-1 (с линейной характеристикой изменения сопротивления). Тогда выходное напряжение может изменяться в диапазоне 12. 22 В.
Несмотря на то, что теоретически конденсаторы в цепи переменного тока мощности не потребляют, реально в них из-за наличия потерь может выделяться некоторое количество тепла. Проверить пригодность конденсатора в качестве гасящего, для использования в бестрансформаторном источнике, можно просто подключив его к электросети и оценив температуру корпуса через полчаса. Если конденсатор успевает заметно разогреться, он не подходит. Практически не нагреваются специальные конденсаторы для промышленных электроустановок (они рассчитаны на большую реактивную мощность). Такие конденсаторы обычно используются в люминесцентных светильниках, в пускорегулирующих устройствах асинхронных электродвигателей и т.п.
Блок для питания портативного приемника (рис.7) легко помещается в его батарейный отсек. Диодный мост VD1 рассчитывается на рабочий ток, его предельное напряжение определяется напряжением, которое обеспечивает стабилитрон VD2. Элементы R3, VD2. VT1 образуют аналог мощного стабилитрона.
Для стабилизации напряжения бестрансформаторного блока питания с гасящим конденсатором можно использовать симметричные динисторы (рис.8).
При зарядке конденсатора фильтра С2 до напряжения открывания динистора VS1 он включается и шунтирует вход диодного моста. Нагрузка в это время получает питание от конденсатора С2. В начале следующего полупериода С2 вновь подзаряжается до того же напряжения, и процесс повторяется. Начальное напряжение разрядки конденсатора С2 не зависит от тока нагрузки и напряжения сети, поэтому стабильность выходного напряжения блока достаточно высокая.
Бестрансформаторный блок питания с регулируемым выходным напряжением показан на рис.10а.
Его особенность заключается в использовании регулируемой отрицательной обратной связи с выхода блока на транзисторный каскад VT1, включенный параллельно выходу диодного моста. Этот каскад является регулирующим элементом и управляется сигналом с выхода одно- каскадного усилителя на VT2.
Бестрансформаторный конденсаторный выпрямитель (рис.11) работает с автостабилизацией выходного напряжения. Это достигнуто за счет изменения времени подключения диодного моста к накопительному конденсатору. Параллельно выходу диодного моста включен транзистор VT1, работающий в ключевом режиме. База VT1 через стабилитрон VD3 соединена с накопительным конденсатором С2, отделенным по постоянному току от выхода моста диодом VD2 для исключения быстрого разряда при открытом VT1. Пока напряжение на С2 меньше напряжения стабилизации VD3, выпрямитель работает как обычно. При увеличении напряжения на С2 и открывании VD3 транзистор VT1 также открывается и шунтирует выход выпрямительного моста. Напряжение на выходе моста скачкообразно уменьшается практически до нуля, что приводит к уменьшению напряжения на С2 и выключению стабилитрона и ключевого транзистора.
Далее напряжение на конденсаторе С2 снова увеличивается до момента включения стабилитрона и транзистора и т.д. Процесс автостабилизации выходного напряжения очень похож на работу импульсного стабилизатора напряжения с широтно-импульсным регулированием. Только в предлагаемом устройстве частота следования импульсов равна частоте пульсаций напряжения на С2. Ключевой транзистор VT1 для уменьшения потерь должен быть с большим коэффициентом усиления, например, КТ972А, КТ829А, КТ827А и др. Увеличить выходное напряжение выпрямителя можно, применив более высоковольтный стабилитрон (цепочку низковольтных, соединенных последовательно). При двух стабилитронах Д814В, Д814Д и емкости конденсатора С1 2 мкФ выходное напряжение на нагрузке сопротивлением 250 Ом может составлять 23. 24 В.
А на следующей странице произведём онлайн расчёт элементов бестрансформаторного блока питания с гасящим конденсатором, построенного по схеме, изображённой на Рис.1.
Зачем нужны бестрансформаторные блоки питания
Компактные бестрансформаторные блоки питания часто используются для питания от электросети небольших маломощных устройств. В этой статье мы рассмотрим несколько аппаратных аспектов, а во второй части покажем, как смоделировать такую схему.
Если ток, потребляемый нагрузкой, составляет порядка нескольких десятков миллиампер, можно легко преобразовать входное напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока без необходимости использования громоздких и дорогих трансформаторов.
Бестрансформаторные блоки питания не только имеют меньший вес и габариты, но и дешевле. В зависимости от типа схемы, бестрансформаторные блоки питания делятся на две категории: емкостные и резистивные.
Ниже мы разберем характеристики каждого типа этих схем. В статье также даются практические советы о том, как выбрать мощность соответствующих электронных компонентов для этой системы и какие меры следует предпринять для повышения безопасности эксплуатации такого блока питания.
Бестрансформаторный емкостный блок питания
Схема бестрансформаторного емкостного блока питания показана на рисунке 1. Значения, указанные для компонентов, относятся к конкретной схеме блока питания, а формулы, позволяющие рассчитать эти значения, приведены ниже. L и N указывают, соответственно, «фазу» и «ноль» сетевого напряжения переменного тока, в то время как VOUT — выходное напряжение, а IOUT — выходной ток.
Пусковой ток (потенциально способный повредить компоненты) ограничивается резистором R1 и реактивным сопротивлением C1. Элемент D1 является диодом Зенера, который обеспечивает стабилизированное опорное напряжение, в то время как D2 представляет собой кремниевый диод с задачей выпрямления напряжения переменного тока.
Напряжение на нагрузке остается постоянным, пока выходной ток IOUT меньше или равен входному току IIN, значение которого можно рассчитать как:
Где VZ — напряжение стабилитрона, VRMS — это среднеквадратичное значение входного переменного напряжения, а f — его частота. Минимальное значение IIN должно соответствовать потребной мощности нагрузки, а его максимальное значение должно использоваться для выбора правильной номинальной мощности для каждого компонента. Выходное напряжение VOUT можно рассчитать как:
Где VD — напряжение прямого смещения на D2 (0,6–0,7v для обычного кремниевого диода). Что касается R1, рекомендуется выбирать элемент, по крайней мере, с удвоенной мощностью сравнительно с теоретическим значением PR1, определяемым по формуле:
Конденсатор C1, который дает название этому типу схемы, следует выбирать с напряжением, по крайней мере, вдвое превышающим напряжение сети переменного тока (например, 250v в США). Диод D1 должен иметь мощность, как минимум, в два раза превышающую теоретическое значение, определяемое следующей формулой:
То же самое относится к мощности диода D2, где значение постоянного напряжения 0,7v теперь может использоваться вместо VZ. Для C2 обычно применяется электролитический конденсатор с напряжением в два раза выше VZ.
Основные преимущества емкостной схемы, в сопоставлении с трансформаторным вариантом заключаются в меньших размерах, весе и стоимости. Сравнительно с конструкцией резистивного типа, представленным в следующем абзаце, эта схема позволяет получить более высокий уровень эффективности. К недостаткам можно отнести отсутствие изоляции от входного переменного напряжения и более высокую стоимость в отличии от резистивным прибором.
Бестрансформаторный резистивный блок питания
Схема типичного бестрансформаторного резистивного блока питания показана на рисунке 2. Опять же, выходное напряжение VOUT остается постоянным, пока ток IOUT меньше или равен входному току IIN, с той лишь разницей, что теперь ограничение пускового тока осуществляется только резистором R1. Выходное напряжение VOUT можно рассчитать по той же формуле, что и для емкостного блока питания, а входной ток IIN теперь можно получить, применив следующую формулу:
Как и в предыдущем случае, компоненты должны быть выбраны со значением мощности, по крайней мере, вдвое превышающим теоретическое значение, которое можно рассчитать, применив закон Ома ( P=R×I2 для резистора R1 и P=V×I для диодов D1 и D2 ). Электролитический конденсатор С2 должен иметь такое же значение, как в емкостном случае.
Преимущество резистивного источника питания в том, что он имеет меньшие размеры и вес в отличии от трансформаторной версии и представляет собой самое дешевое устройство. Однако даже в этом случае нет изоляции от сети переменного тока и КПД ниже, чем у емкостного варианта схемы.
Как повысить безопасность
Обе предложенные схемы имеют большой предел: они лишены какой-либо изоляции и защиты от сетевого напряжения, что представляет собой серьезную проблему безопасности. Однако путем внесения некоторых небольших изменений можно настроить обе цепи для удовлетворения этого требования. Модификации, показанные на рисунке 3, включают в себя эти добавления:
Бестрансформаторный блок питания
В каждой современной квартире имеется большое количество всевозможных гаджетов, требующих постоянного электрического питания. В основном они работают от различных батареек. Многие хозяева пытаются подключать эти устройства через обычные сетевые блоки питания на 12 В, но в большинстве случаев это не очень удобно. Основная причина заключается в больших размерах понижающих трансформаторов, которые требуют себе отдельного места. Выйти из положения поможет бестрансформаторный блок питания, изготовленный на основе гасящего конденсатора.
Общее устройство и принцип действия
Представленная схема отличается простотой, надежностью и эффективностью. Она может быть изготовлена не только методом навесного монтажа, но и в виде печатной платы. Данная схема на двенадцать вольт является рабочей, требуется лишь заранее рассчитать параметры балластового гасящего конденсатора и подобрать нужное значение тока для конкретного устройства. Практически можно сделать 5,5-вольтовый блок с возможностью увеличения напряжения до 25 В.
Основой устройства служит балластовый конденсатор, гасящий сетевое напряжение. После этого ток попадает в диодный выпрямитель, а второй конденсатор выполняет функцию фильтра. Иногда возникает необходимость быстро разрядить оба конденсатора. С этой целью в схеме предусмотрены резисторы R1 и R2. Еще один резистор R3 используется в качестве ограничителя тока при включении нагрузки.
Расчет балластного конденсатора выполняется до сборки схемы. Для этого используется простая формула С = 3200хI/Uc, в которой I является током нагрузки (А), Uc – сетевым напряжением, С – емкостью конденсатора (мкФ). Чаще всего такие расчеты используются для светодиодов.
В качестве примера можно взять любой прибор с током 150 мА. Это может быть обычная светодиодная лампа. Сетевое напряжение будет 230 В. Таким образом, 3200 х 0,15/230 = 2,08 мкФ. Номинал конденсатора выбирается наиболее близко к расчетному, то есть, его емкость составит 2,2 мкФ, а расчетное напряжение – 400 В.
Такой простейший бестрансформаторный блок не имеет гальванической развязки с питающей сетью. В связи с этим должна быть обеспечена надежная изоляция всех соединений, а само устройство – помещено в корпус из диэлектрического материала.
Основные рабочие схемы
В большинстве случаев используются две схемы источников БП. Как правило, каждый из них представляет собой бестрансформаторный блок питания с гасящим конденсатором, который служит основным элементом данных приборов. Теоретически считается, что в цепях переменного тока эти устройства вообще не потребляют мощности. Однако в реальности в конденсаторах возникают определенные потери, что приводит к выделению некоторого количества тепла.
Поэтому все конденсаторы подвергаются предварительной проверке на возможность использования его в блоке питания. Для этого их подключают к электрической сети и отслеживают колебания температуры через некоторый промежуток времени. Если конденсатор заметно разогревается, то его нельзя использовать в качестве конструктивного элемента. Допускается лишь незначительный нагрев, неспособный повлиять на общую работоспособность устройства.
1. 
Представленные на рисунках источники питания имеют конденсаторный делитель. На рисунке 1 представлен делитель общего назначения на 5 В, рассчитанный на токовую нагрузку до 0,3 А. На рисунке 2 отображается схема источника бесперебойного питания, который применяется в электронно-механических кварцевых часах.
В первой схеме делитель напряжения включает в себя бумажный конденсатор С1 и два оксидных конденсатора С2 и С3. Оба последних элемента составляют неполярное плечо, расположенное ниже С1. Его общая емкость составляет 100 мкФ. Составные части диодного моста, расположенные слева, выступают в качестве поляризующих диодов, предназначенных для оксидной пары С2 и С3. На схеме указаны номиналы элементов, в соответствии с которыми на выходе ток короткого замыкания будет равен 600 мА, а напряжение на конденсаторе С4 без нагрузки – 27 вольт.
2. 
Вторая схема бестрансформаторного блока питания предназначена для замены батареек (1,5В), используемых в качестве источника питания в электронно-механических часах. Напряжение, вырабатываемое блоком питания, составляет 1,4 В при средней токовой нагрузке 1 мА. Напряжение на конденсаторе С3 без нагрузки не превышает 12 В. Оно снимается с делителя, поступает на узел с элементами VD1 и VD2, где и происходит его выпрямление.
В каждом из этих вариантов рекомендуется использовать два дополнительных резистора вспомогательного назначения. Первый элемент с сопротивлением от 300 кОм до 1 мОм подключается параллельно с гасящим конденсатором. С помощью данного резистора ускоряется его разрядка, после того как устройство отключено от сети.
Другой резистор имеет сопротивление от 10 до 50 Ом и считается балластным. Он подключается в разрыв какого-либо сетевого провода последовательно с гасящим конденсатором. Данный резистор ограничивает ток, проходящий через диодный мост при подключении устройства к сети. Оба резистора должны обладать мощностью рассеяния не менее 0,5 Вт, позволяющей предотвратить вероятные поверхностные пробои этих деталей действием высокого напряжения. Балластный резистор снижает нагрузку на стабилитрон, но одновременно наблюдается рост средней мощности, потребляемой самим блоком питания.
Расчеты основных параметров
Для того чтобы устройство было работоспособным и надежно функционировало, необходимо выполнить предварительный расчет бестрансформаторного блока питания. С этой целью потребуется рассчитать основные параметры:
Заметки обо всем. Простые и опасные источники питания
О чем эта статья
В этой статье рассказано о принципах построения простейших бестрансформаторных источников питания.Тема не новая, но, как показал опыт, не всем известная и понятная. И даже, некоторым, интересная.
Прошу желающих и интересующихся читать, критиковать, уточнять и дополнять на почту shiotiny@yandex.ru или на мой сайт в раздел «Контакты».
Вступление
Не так давно один мой знакомый влез пальцами в некую схему, которую собирался починить (проводок отвалился — так что просто припаять его надо было на место). И его ударило током. Не сильно ударило, но ему хватило, чтобы удивиться: «как так — тут микроконтроллер стоит, что тут может стукнуть? Он же от 5 вольт питается!».
Его удивление быстро разъяснилось: схема оказалась с бестрансформаторным питанием и без гальванической развязки от сети.
Далее последовали вопросы уже в мою сторону. Сводились они к двум вещам: «А чё? Так можно делать?!» и «А как оно работает?».
Хотя я и не считаю себя экспертом в электронике, но делать подобные блоки питания мне приходилось. Так что пришлось взять ручку и листок и объяснить как оно работает. Благо это совсем не сложно.
Возможно, что и вам покажется интересной тема «бестрансформаторных» источников питания или, сокращённо, БИП. Кому-то для общего развития, а кому-то и для практического применения.
Источники питания от бытовой сети переменного тока
Сразу предупреждаю: я намеренно не коснусь тут импульсных источников питания. Это тема для другого разговора.
Вообще говоря, функции источника питания низковольтной электронной аппаратуры обычно состоят в следующем: обеспечить на выходе источника питания заданное напряжение при заданном диапазоне потребляемого тока. То есть, если выразиться формально, источник питания — это источник постоянного напряжения Uвых, который сохраняет Uвых=const при изменении потребляемого тока от Imin до Imax.
В «классическом» линейном источнике питания это происходит обычно так: входное сетевое напряжение понижается с помощью трансформатора, затем это напряжение выпрямляется и, наконец, стабилизируется с помощью линейного стабилизатора.
Структурная схема «классического» линейного источника питания показана на рисунке ниже. Одной из самых «неудобных» деталей такого источника питания является трансформатор: он дорогой и громоздкий.
Поэтому, радиолюбители и радиопрофессионалы искали способы — как отказаться от этот громоздкой и дорогой детали — трансформатора или хотя бы уменьшить его габариты и стоимость.
И такое решение нашлось: стали использовать реактивное сопротивление конденсатора Rc для того, чтобы «гасить» лишнее напряжение. Структурная схема «бестрансформаторного» источника питания (БИП) показана ниже.
Как видим, структура БИП почти не отличается от классического линейного источника питания. Разве что вместо трансформатора поставили гасящий конденсатор. Пусть вас не смущает и не обманывает сходство структуры этих источников питания на рисунке: внутри отличий масса.
Достоинства БИП: он относительно компактен, надёжен, дёшев, не боится короткого замыкания по выходу.
Но есть и существенные недостатки: он опасен с точки зрения прикосновения человека к элементам питаемого устройства. Да и максимальный ток, который может обеспечить такой источник питания — всего несколько сот миллиампер. При большем токе габариты конденсаторов велики и проще поставить трансформатор или вообще поставить импульсник.
Исходя из достоинств и недостатков БИП, область его применения — это хорошо изолированные маломощные устройства с питанием от бытовой электрической сети: одиноко стоящие датчики, устройства управления освещением, устройства включения вентиляции и обогрева и другие устройства малой мощности, работающие автономно.
Попробуем понять — как работает реальная схема БИП и как её рассчитать.
Теория практики и практика теории
Пример простейшей практической схемы
Так как раньше, до появления дешёвых «импульсников», БИП были наверное самым доступным способом уменьшить габариты и цену источника питания, то схем БИП в книгах и интернете — вагон и маленькая тележка. Но принцип работы почти у всех схем примерно одинаковый: один или несколько гасящих конденсаторов на входе, выпрямитель и выходной стабилизатор постоянного напряжения.
Давайте рассмотрим одну из простейших рабочих схем БИП, что показана на рисунке ниже.
Сразу видны все основные части схемы: гасящий конденсатор С1; двухполупериодный выпрямитель — диодный мост VD1 и сглаживающий конденсатор C2; стабилизатор напряжения — стабилитрон VS1; и, наконец, нагрузка — питаемое от источника устройство Rн.
Забудем о «лишних элементах» или «основная формула БИП»
Для простоты забудем пока о существовании резисторов R1 и R2: будем считать, что R2 отсутствует вообще, а R1 заменён на перемычку. Для всех расчётов это не существенно, а о назначении этих резисторов мы поговорим позже. То есть, временно, схема для нас будет выглядеть так, как на следующем рисунке.
Переменный ток сети питания, ограниченный гасящим конденсатором С1, протекает через точки 1 и 2 диодного моста VD1.
Постоянный ток, получаемый после выпрямления переменного диодным мостом VD1, протекает через стабилитрон и «нагрузку» Rн — питаемое устройство.
На схеме показано, как протекают все токи: Ic — переменный ток сети, Iн — постоянный ток нагрузки и Iст — постоянный ток стабилитрона.
Хоть я и написал «постоянный» и «переменный» токи — на самом деле это один и тот же ток. Просто диодный мост заставляет его течь через стабилитрон и нагрузку всегда в одну и ту же сторону.
Если считать, что мы измеряем действующее значение тока 
, то можно записать основную формулу работы нашей схемы БИП:
Это следует из первого закона Кирхгофа, который гласит, что сумма втекающих в любой узел токов равна сумме вытекающих из него токов и по сути является частной формулировкой закона сохранения массы/энергии.
Из этой формулы следует простой, но важный вывод: при неизменном напряжении сети 
, ток, потребляемый от питающей сети практически не изменяется при изменении сопротивления Rн в рабочем диапазоне токов — это ключевое отличие БИП от линейного источника питания с трансформатором.
Несмотря на то, что блок-схемы источников питания, приведённые в начале статьи очень похожи — работают очень по-разному: понижающий трансформатор в первой блок-схеме является источником напряжения, а гасящий конденсатор во второй блок-схеме является источником тока!
Но вернёмся к нашей схеме. Из последней формулы становится также ясно, что схема стабилизатора по сути является делителем тока между нагрузкой Rн и стабилитроном VS1.
Если нагрузку Rн оторвать совсем — то весь ток потечёт через стабилитрон. Если нагрузку Rн «закоротить» — весь ток потечёт через нагрузку, в обход стабилитрона.
А вот «отрывать» стабилитрон VS1 от схемы ни в коем случае нельзя! Если его оторвать, то все сетевое напряжение может податься на нагрузку Rн. Последствия будут, скорее всего, печальные.
Когда педантичность не нужна
В любом варианте — от полного отключения Rн до его «закоротки» — ток Ic, текущий через гасящий конденсатор C1 будет примерно равен 
; где — напряжение сети, а 
— сопротивление конденсатора С1.
Педанты и прочие любители точности могут меня упрекнуть, дескать я не учёл напряжение на диодном мосту (между точками 1 и 2). Поэтому напряжение на конденсаторе C1 будет несколько меньше, чем — напряжение в розетке.
Разумеется, строго формально, товарищи педанты будут правы. Но смею заметить, что если нагрузка у нас — маломощное устройство с питанием 5В или 12В, а напряжение «в розетке» около 220В, то падением напряжения на нагрузке можно смело пренебречь: разница в «точных» и «приблизительных» расчётах будет не более нескольких процентов.
Что такое сопротивление гасящего конденсатора ? Это реактивное сопротивление конденсатора: оно зависит от частоты напряжения, подаваемого на конденсатор и вычисляется по формуле: 
, где f — частота напряжения в Герцах, а С — ёмкость конденсатора в Фарадах. Так как частота сети у нас фиксирована и составляет 50Гц, то для инженерных расчётов можно использовать формулу: 
, откуда 
. Для педантов опять-таки напоминаю, что ёмкость конденсатора всегда имеет погрешность в несколько процентов (обычно — 5%-15%), поэтому точнее считать смысла не имеет.
Исходя из вышеприведённых формул, можно вычислить ёмкость конденсатора C1: 
. Напряжение сети нам известно. А ток можно посчитать, зная максимальный ток нагрузки и минимальный ток стабилизации стабилитрона VS1 (это справочный параметр).
Это теория. Попробую описать что-то вроде методики расчёта БИП «на пальцах».
Нужен ли нам БИП вообще?
Для начала решим вопрос — а надо ли вообще использовать в конкретном случае БИП?
Если ток нагрузки Rн больше 0.3-0.5А, то лучше БИП не использовать: мороки много, а выигрыша по габаритам и стоимости обычно мизер или нет вообще. Также обычно не стоит полагаться на БИП, если напряжение питания устройства больше, чем 24-27В. И не стоит забывать о безопасности!
Предположим, что нам надо питать простенькую схему на микроконтроллере, которая кушает умеренный ток миллиампер этак 100 при умеренном напряжении 3-6В. Схема изолирована и поэтому безопасна.
Как прикинуть ёмкость С1 и выбрать стабилитрон VS1?
Прежде всего, необходимо уточнить максимальный ток нагрузки Iнmax: рассчитать или измерить.
Затем, надо залезть в справочник и найти там стабилитрон. Да не абы какой, а на нужное напряжение Uвых.
При поиске стабилитрона надо учитывать, что его максимальный ток стабилизации Iстmax должен быть не меньше, чем (Iстmin+Iнmax). Почему так? Да чтобы, если вы оторвали нагрузку Rн, стабилитрон не сгорел. И наоборот — если нагрузка потребляет максимальный ток, то через стабилитрон течёт минимальный ток стабилизации Iстmin. Практически надо выбирать стабилитрон, чтобы его максимальный ток стабилизации Iстmax был больше, чем сумма токов (Iстmin+Iнmax) как минимум на 20%. Не забывайте, что в сети далеко не всегда 220В. Может быть и 250В запросто. Поэтому запас по току — не излишество, а разумная предосторожность.
Далее рассчитываем ёмкость гасящего конденсатора С1. Его реактивное сопротивление будет равно примерно: 
, а его ёмкость, соответственно, равна 
для сетевого напряжения с частотой 50Гц.
Не забывайте, что предельно допустимое напряжение конденсатора С1 должно быть не меньше 400В для бытовой сети в 220В. И, разумеется, конденсатор С1 не должен быть электролитическим: он работает в сети переменного тока.
Собственно, это самое важное — подбор стабилитрона и расчёт ёмкости конденсатора.
Тем, кому не ясно, что такое Iстmax и Iстmin, поясню подробнее.
Максимальный ток стабилизации стабилитрона Iстmax — это такой ток через стабилитрон, при превышении которого, стабилитрон выходит из строя.
Минимальный ток стабилизации стабилитрона Iстmin — это такой минимальный ток через стабилитрон, при котором напряжение на стабилитроне соответствует паспортным характеристикам.
То есть стабилитрон должен работать в таких условиях, что ток стабилизации Iст, протекающий через него, лежит в диапазоне 
.
Значения Iстmin и Iстmax для конкретного стабилитрона можно найти в справочнике и они всегда указаны в описании стабилитрона.
Итак, ещё раз, по пунктам, о том как рассчитать C1 и выбрать стабилитрон VS1.
Пример расчёта
Предположим, что напряжение питания нагрузки будет Uвых=5В и максимальный ток потребления нагрузки будет Iнmax=100мА.
Лезем в справочник и находим там такой стабилитрон: КС447А. Напряжение стабилизации около 5В. Iстmin=3мА, Iстmax=160мА.
Проверяем. Неравенство 
— выполняется, значит стабилитрон подходит по току.
Рассчитываем конденсатор С1: 
. Не забываем, что для бытовой сети 220В конденсатор С1 должен быть на напряжение 400В.
Фильтр или конденсатор С2
Диодный мост, как известно, не даёт выпрямленного напряжения: на его выходе напряжение пульсирующее.
Чтобы сгладить пульсации применяется фильтрующий конденсатор С2. Как рассчитать его ёмкость?
Как обычно, можно применить два метода — точный и упрощённый. Точный метод учитывает, что конденсатор разряжается по экспоненте и прочие нюансы. Но помня о том, что конденсаторы выбрать точно на нужную ёмкость нельзя (разброс ёмкости в 10-15% это норма), мы допустим некоторые упрощения, которые на результат практически не повлияют.
Чтобы понять, как рассчитать ёмкость конденсатора С2, вспомним, что такое выпрямитель. Посмотрим на рисунок ниже. Примерно так выглядят графики зависимости напряжений от времени в нашей схеме, использующей в качестве выпрямителя диодный мост.
Синяя линяя, обозначенная цифрой 1 — это переменное напряжение на входе диодного моста (точки 1 и 2 на схеме БИП).
Красная линия, обозначенная цифрой 2 — это напряжение на стабилитроне VS1, в отсутствие сглаживающего конденсатора С2 или пульсирующее напряжение (представим, что С2 временно «откусили» от схемы). И, наконец, зелёная линия, обозначенная цифрой 3 — это сглаженное выпрямленное напряжение, когда конденсатор С2 подключён.
Нефильтрованное (пульсирующее) напряжение на выходе выпрямителя (линия 2) по амплитуде чуть меньше, чем напряжение на входе выпрямителя (линия 1). Это объясняется просто: на диодах падает несколько десятых долей вольта.
Зелёная линия 3 показывает процесс заряда и разряда конденсатора С2. Максимальное напряжение, на которое способен зарядиться в нашей схеме — это напряжение на стабилитроне VS1. Затем конденсатор начинает разряжаться до тех пор, пока в следующем периоде не начнёт заряжаться вновь.
Амплитуда пульсаций — это напряжение, на которое успел разрядиться конденсатор С2 за один период пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя (линия 2).
Посчитать приближенно амплитуду пульсаций несложно, если принять ток разряда за константу — это будет максимальный ток потребления нагрузки Rн, который мы обозначили Iнmax.
По основной формуле конденсатора 
можно приблизительно посчитать, что: 
, где 
— это амплитуда пульсаций, a 
— период времени один период пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя (линия 2).
На рисунке наглядно видно, что период равен половине периода напряжения питающей сети, или 
, где f — частота напряжения питающей сети (50Гц).
Таким образом, подставив одну формулу в другую, получим: 
или 
.
Теперь самое сложное — выбрать, а какая же амплитуда пульсаций нас устроит? Если в нагрузке есть свой линейный стабилизатор, то в принципе достаточно, чтобы амплитуда пульсаций была на уровне 10-20%. Например, часто в самой нагрузке Rн есть какой-то стабилизатор — 7805 или AMS1117 или ещё что-то подобное.
Если же предполагается питать цифровую схему прямо от нашего БИП без дополнительной стабилизации — то коэффициент пульсаций более 5% лучше не задавать.
Предположим, что схема у нас питается от 5В и имеет максимальный ток потребления 100мА. Коэффициент пульсаций задан 5%. Это значит, что будет равна 5% от 5В или 0.25В. Частота сети — 50Гц.
Отсюда находим ёмкость конденсатора С2 — 
. Нехилая такая ёмкость! Тем более, что ближайшая бОльшая ёмкость 4700мкФ. Это довольно габаритный конденсатор даже на напряжение 10В.
Если же схема имеет внутри линейный стабилизатор, например AMS1117, то уровень пульсаций можно выбрать в 20%, при этом ёмкость конденсатора С2 будет всего около 1000мкФ.
Резисторы R1 и R2 — нужные и важные
Вернёмся к резисторам R1 и R2, о которых мы временно забыли.
С резистором R2 всё просто — он нужен для безопасности человека. То есть для того, чтобы конденсатор C1 разряжался после отключения схемы от питания. Иначе, если R2 не поставить, то конденсатор C1 будет довольно долго сохранять свой заряд после отключения питания от схемы. И если к нему прикоснуться — то вас ударит током. Очень неприятно. Резистор R2 можно не рассчитывать, а просто поставить любой сопротивлением 0.5 — 1 МОм. При таком сопротивлении ток через этот резистор будет мизерным и на работу схемы не повлияет.
С резистором R1 все сложнее. В процессе работы БИП он вроде бы не нужен. И это действительно так.
Но есть ещё момент включения БИП в сеть. И если в этот момент напряжение сети близко к амплитудному значению — то схема может сгореть. Даже почти наверняка сгорит.
Дело в том, что в момент включения, конденсатор С1 разряжен. А разряженный конденсатор на какое-то время (пока достаточно не зарядится) является по сути проводником. То есть все сетевое напряжение окажется на диодном мосту, нагрузке, стабилитроне и токи при этом будут просто огромны.
Поэтому и ставят резистор R1, функция которого — ограничить ток в момент включения. Например, если поставить R1 сопротивлением всего 10 Ом, то ток включения будет ограничен в самом худшем случае величиной около 30А. А такой ток в течении нескольких микросекунд уже вполне под силу выдержать большинству стабилитронов, не говоря уж о выпрямительных диодах диодного моста.
Обычно этот резистор так выбирают в пределах 10-30 Ом. Только имейте ввиду, что его мощность должна быть не меньше, чем 
= 
= <0.15А>^2 \cdot < 27Ом >\approx 0.61Вт$» data-tex=»inline»/>.
Рекомендуется ставить резистор R1 не «впритык» по мощности, а с запасом. Например, в нашем случае — это 1.5 — 2Вт. Греться будет меньше.
Кроме того, заметьте, что резисторы R1 и R2 должны быть рассчитаны на пиковое напряжение не менее 400В: напряжение сети в момент включения полностью подается на R1, в рабочем режиме почти все напряжение сети подается на R2, подключенный параллельно конденсатору C1.
Заключение
Надеюсь, что после прочтения, у читателей появилось понимание, что такое БИП и как оно работает.
Статья получилась несколько длиннее того, что хотелось бы. Но на самом деле тут рассмотрены только азы из азов. Если расписывать дальнейшие модификации БИП — то выйдет, наверное, брошюра или даже книга.
Прошу извинить за некоторые неточности и упрощения, которые, несомненно, бросятся в глаза опытным электронщикам.