Бестрансформаторный источник питания 5 В — резистор, диод и стабилитрон

Бестрансформаторный источник на резисторе, диоде и стабилитроне даёт 5 В при токе около 8 мА. Сеть 230 В гасится резистором R1 = 12 кОм, диод D1 оставляет положительные полупериоды, а стабилитрон D2 держит 5,2 В.

Вся схема, включая «пять вольт» на выходе, находится под потенциалом сети, поэтому трогать её под напряжением нельзя.

Для светодиода или датчика в закрытом корпусе схема работает. Для всего остального берите готовый блок с гальванической развязкой.

Иногда для маленькой нагрузки — светодиода, датчика, микроконтроллера в закрытом корпусе — ставить трансформатор жалко. Тогда напряжение сети гасят резистором и стабилизируют стабилитроном.

Ниже — схема, расчёт токов и мощностей, вариант с гасящим конденсатором X2, ошибки и вопросы.

Схема

Сеть через резистор R1 и диод D1 заряжает конденсатор C1 только на положительных полупериодах. Стабилитрон D2 срезает напряжение на 5,2 В, C2 сглаживает высокочастотные помехи.

Неоновая лампа через R2 показывает, что схема под напряжением, — чтобы никто не полез внутрь.

Расчёт тока и мощностей

Амплитуда сети 230 В равна 230 · 1,41 ≈ 325 В. Среднее значение положительного полупериода — амплитуда, делённая на π: 325 / 3,14 ≈ 103 В.

• 
  Средний ток.(103 − 5,2) / 12 000 ≈ 8,2 мА при нулевой нагрузке; это весь ток, который может отдать схема.
• 
  Амплитуда тока.(325 − 5,2) / 12 000 ≈ 27 мА на пике полупериода.
• 
  Мощность R1.Действующее значение тока примерно половина амплитуды, 13,5 мА; P = I² · R = 0,0135² · 12 000 ≈ 2,2 Вт.
• 
  Мощность стабилитрона.5,2 В · 8,2 мА ≈ 43 мВт при пустой нагрузке; на пике — около 140 мВт, меньше допустимых 250 мВт.

Резистор на 10 Вт взят с большим запасом по мощности, и в закрытом корпусе это оправданно.

Неоновая лампа и R2: при 100 кОм ток около 1–2 мА, а мощность на R2 порядка 0,2 Вт. Берите резистор не меньше 0,5 Вт и с запасом по рабочему напряжению: амплитуда сети 325 В.

Что нужно знать о токе нагрузки

Нагрузка получает не более 8,2 мА, и часть этого тока должна идти через стабилитрон, чтобы он стабилизировал. Если нагрузка берёт больше, напряжение падает ниже 5 В.

Диод D1 должен выдерживать обратное напряжение с запасом над амплитудой сети 325 В: проверьте это по даташиту выбранного диода (1N4007 или аналога).

Гасящий конденсатор X2 вместо резистора

Вместо резистора напряжение можно гасить конденсатором, который почти не греется. Его сопротивление на частоте 50 Гц Xc = 1 / (2 · π · f · C), а ток I ≈ U / Xc.

• 
  0,1 мкФ.Xc = 1 / (2 · π · 50 · 0,1 · 10⁻⁶) ≈ 31,8 кОм; I ≈ 230 / 31 800 ≈ 7,2 мА.
• 
  0,33 мкФ.Xc ≈ 9,6 кОм; I ≈ 24 мА.
• 
  0,47 мкФ.Xc ≈ 6,8 кОм; I ≈ 34 мА.
• 
  Ток стабилитрона.Если нагрузки нет, весь этот ток уходит в стабилитрон, и его мощность растёт.

Если нагрузки нет, весь ток уходит в стабилитрон: при 0,33 мкФ это 5,2 В · 24 мА ≈ 125 мВт, то есть половина допустимых 250 мВт (оценка). Режим стабилитрона проверяйте по его мощности.

Конденсатор для сети ставят только класса X2 на 275 В переменного тока и выше. Параллельно ему нужен разрядный резистор: 1 МОм при 0,33 мкФ даёт постоянную времени 0,33 с (мощность на нём 230² / 10⁶ ≈ 53 мВт).

Для такой схемы нужен также предохранитель на входе (инерционный) и ограничивающий бросок резистор. Схему с конденсатором собирают с мостом или двумя диодами, чтобы ток шёл в оба полупериода.

Подробности по классу X2: см. даташит на конденсатор Vishay MKP 335 5 X2 (275 В переменного тока, стандарт IEC 60384-14).

Что взять вместо

Безопаснее готовый маломощный модуль питания с трансформатором или импульсный модуль с гальванической развязкой: опасная часть закрыта корпусом, а на выходе безопасные 5 В.

Если нужно именно собрать, начните со статьи «Какой блок питания собрать».

Типовые ошибки

Где пригодится сегодня

Такие схемы встречаются внутри выключателей с подсветкой и дешёвых таймеров. Собирать новую стоит только для закрытых, полностью изолированных конструкций и если вы точно понимаете, что делаете.

Что в итоге

Подходит: слабый светодиод в закрытом корпусе, из которого не торчит ничего металлического. Не подходит: всё остальное. Для любой нагрузки от нескольких миллиампер берите готовый блок питания.

Общий обзор вариантов питания — в материале «Какой блок питания собрать». Правила безопасности при работе с сетью разобраны в статье про УЗО и дифавтомат.

Частые вопросы

Сколько тока даёт бестрансформаторный источник?

С резистором 12 кОм и диодом средний ток около 8,2 мА: (103 − 5,2) / 12 000. Это весь ток схемы, часть которого идёт через стабилитрон.

Нагрузка в несколько миллиампер возможна, больше уже нет.

Можно ли питать от такого источника микроконтроллер или USB?

Для маломощного микроконтроллера в закрытом корпусе можно, но все разъёмы под напряжением сети. Подключать USB или провода наружу нельзя.

Для любой нагрузки с доступными разъёмами берите блок с гальванической развязкой.

Какой конденсатор нужен вместо резистора?

Конденсатор класса X2 на 275 В переменного тока и выше, с разрядным резистором параллельно. Ток считают по Xc = 1 / (2πfC): для 0,1 мкФ около 7 мА.

Обычный плёночный конденсатор для сети не подходит: он не рассчитан на импульсы.

Нужен ли предохранитель?

Да, на входе. Он защищает проводку при пробое диода или конденсатора.

Берите инерционный предохранитель на небольшой ток с запасом над током схемы и закрытый корпус.

Где взять готовый модуль питания в России?

Маломощные модули питания с трансформатором или импульсные с гальванической развязкой продаются в магазинах радиодеталей и на маркетплейсах.

Выбирайте модуль с нужным напряжением, током и указанной изоляцией между входом и выходом.

Полезно при расчёте

• Стабилитрон: параметрический стабилизаторБалластный резистор по худшему случаю, мощность резистора и стабилитрона
• Закон Ома и мощностьПо любым двум из четырёх величин U, I, R, P — две остальные