Бестрансформаторный блок питания для светодиодов своими руками. Бестрансформаторные блоки питания_1 - Блоки питания (бестрансформаторные) - Источники питания

Данный БП отличается высокой стабильностью, тепловыделение на компонентах не наблюдается, если даже перегрузить выход. Устройство не содержит труднодоступных компонентов.

Блок питания работает на бестрансформаторной основе, состоит из гасящей цепи, диодного выпрямителя, маломощного стабилитрона на 9 вольт и стабилизатора напряжения на 5 вольт. Стабилитрон тут нужно ставить обязательно, в противном случае на вход стабилизатора будет поступать напряжение более 100 вольт, это приведет к перегреву стабилизатора и в конце концов он выйдет из строя.

Конденсаторы сглаживают сетевые пульсации. Диоды можно использовать буквально любые - с допустимым током более 1А и напряжением более 250 вольт, я к примеру взял мост КЦ405В.

Стабилитрон тоже любой с напряжением стабилизации от 6 до 15 вольт. В качестве стабилизатора поставил широко применяемый - 7805. Это мощный импортный стабилизатор на 5 вольт, используется в цифровой технике (автомагнитолы,ФМ-модуляторы и т. п.)

Устройством был заряжен мобильный телефон NOKIA N-95, емкость аккумулятора 1150мА/ч. Телефон полностью зарядился за 5 часов.
Из основных достоинств данной схемы можно выделить то, что схема не "бьет током", это делает ее полностью безопасным. В китайских светодиодных фонариках стоят аналогичные схемы, но в отличии от приведенной схемы, там нет стабилитронов, поэтому после диодного выпрямителя напряжение опасно для человека!
Выходной ток не превышает 150 мА, этого вполне хватит для зарядки пальчиковых аккумуляторов и аккумуляторных батарей, мобильных телефонов и других автономных устройств

Список радиоэлементов

Устройства на микроконтроллерах требуют для своей работы постоянного стабилизированного напряжения величиной 3.3 - 5 Вольт. Как правило, такое напряжение получают из переменного сетевого напряжения с помощью трансформаторного источника питания и в простейшем случае он представляет собой следующую схему.

Понижающий трансформатор, диодный мост, сглаживающий конденсатор и линейный/импульсный стабилизатор. Дополнительно такой источник может содержать в себе предохранитель, цепи фильтрации, схему плавного включения, схему защиты от перегрузки и т.д.
Данный источник питания (при соответствующем выборе компонентов) позволяет получать большие токи и имеет гальваническую развязку от сети переменного тока, что немаловажно для безопасной работы с устройством. Однако, такой источник может иметь большие габариты, благодаря трансформатору и фильтрующим конденсаторам.
В некоторых устройствах на микроконтроллерах гальванической развязки от сети не требуется. Например, если устройство представляет собой герметичный блок, с которым конечный пользователь никак не контактирует. В этом случае, если схема потребляет относительно невысокий ток (десятки миллиампер), ее можно запитать от сети 220 В с помощью бестрансформаторного источника питания.
В этой статье мы рассмотрим принцип работы такого источника питания, последовательность его расчета и практический пример использования.

Принцип работы бестрансформаторного источника питания

Резистор R1 разряжает конденсатор C1, когда схема отключена от сети. Это нужно для того, чтобы источник питания не ударил тебя током при прикосновении к входным контактам.
При подключении источника питания к сети, разряженный конденсатор C1 представляет из себя, грубо говоря, проводник и через стабилитрон VD1 кратковременно протекает огромный ток, способный вывести его из строя. Резистор R2 ограничивает бросок тока в момент включения устройства.

"Бросок тока" в начальный момент включения схемы. Синим цветом нарисовано сетевое напряжение, красным ток потребляемый источником питания. Для наглядности график тока увеличен в несколько раз.

Если ты подключишь схему к сети в момент перехода напряжения через ноль, броска тока не будет. Но какова вероятность, что у тебя это получится?
Любой конденсатор оказывает сопротивление протеканию переменного тока. (По постоянному току конденсатор представляет собой обрыв.) Величина этого сопротивления зависит от частоты входного напряжения и емкости конденсатора и может быть вычислена по формуле. Конденсатор С1 выполняет роль балластного сопротивления, на котором будет падать большая часть входного напряжения сети.

У тебя может возникнуть резонный вопрос: а почему нельзя поставить вместо C1 обычный резистор? Можно, но на нем будет рассеиваться мощность, в результате чего он будет греться. С конденсатором этого не происходит - активная мощность выделяемая на нем за один период сетевого напряжения равна нулю. В расчетах мы коснемся этого момента.

Итак, на конденсаторе C1 упадет часть входного напряжения. (Падение напряжения на резисторе R2 можно не учитывать, так как он имеет маленькое сопротивление.) Оставшееся напряжение окажется приложенным к стабилитрону VD1.
В положительный полупериод входное напряжение будет ограничиваться стабилитроном на уровне его номинального напряжения стабилизации. В отрицательный полупериод входное напряжение будет прикладываться к стабилитрону в прямом направлении и на стабилитроне будет напряжение примерно минус 0.7 Вольт.

Естественно такое пульсирующее напряжение не годится для запитывания микроконтроллера, поэтому после стабилитрона стоит цепочка из полупроводникового диода VD2 и электролитического конденсатора C2. Когда напряжение на стабилитроне положительное, через диод VD2 протекает ток. В этот момент заряжается конденсатор C2 и запитывается нагрузка. Когда напряжение на стабилитроне падает, диод VD2 запирается и конденсатор C2 отдает запасенную энергию в нагрузку.
Напряжение на конденсаторе C2 будет колебаться (пульсировать). В положительный полупериод сетевого напряжения оно будет расти до значения Uст минус напряжение на VD2, в отрицательный полупериод падать вследствие разряда на нагрузку. Амплитуда колебаний напряжения на C2 будет зависеть от его емкости и тока потребляемого нагрузкой. Чем больше емкость конденсатора C2 и чем меньше ток нагрузки, тем меньшей величины будут эти пульсации.
Если ток нагрузки и пульсации небольшие, то после конденсатора C2 уже можно ставить нагрузку, но для устройств на микроконтроллерах лучше все-таки использовать схему со стабилизатором. Если мы правильно рассчитаем номиналы всех компонентов, то на выходе стабилизатора получим постоянное напряжение.
Схему можно улучшить, добавив в нее диодный мост. Тогда источник питания будет использовать оба полупериода входного напряжения – и положительный, и отрицательный. Это позволит при меньшей емкости конденсатора C2 получить лучшие параметры по пульсациям. Диод между стабилитроном и конденсатором из этой схеме можно исключить.

Продолжение следует...

бестрансформаторный блок питания своими руками

Это достаточно простая схема бестрансформаторного блока питания . Устройство выполнена на доступных элементах и в предварительной наладке не нуждается. В качестве диодного выпрямителя использован готовый мост серии КЦ405В (Г), также можно использовать любые диоды с напряжением не менее 250 вольт.

Электросхема показана на рисунке:

Неполярный конденсатор подобрать на 400-600 вольт, от его емкости зависит сила тока на выходе. Резистор с сопротивлением от 75 до 150 килоом. После диодного моста напряжение порядка 100 вольт, его нужно уменьшит. Для этих целей использован отечественный стабилитрон серии Д814Д.

После стабилитрона уже получаем напряжение 9 вольт, можно также использовать буквально любые стабилитроны на 6-15 вольт. На выходе использован типовой микросхемный стабилизатор на 5 вольт, вся основная нагрузка лежит именно на нем, поэтому стабилизатор следует прикрутить на небольшой теплоотвод, желательно заранее намазав термопастой.

Полярные конденсаторы предназначены для гашения и фильтрации сетевых помех . Устройство работает очень стабильно , но имеет всего один недостаток - малый выходной ток. Ток можно увеличить подбором конденсатора и резистора, в токогасящей цепи.

Устройство сейчас активно используется для маломощных конструкций. Выходной ток достаточно велик, чтобы зарядить мобильный телефон, питать светодиоды и небольшие лампы накаливания. Видео с экспериментами и замерами приводим ниже:

Часто нужно запитать свои самоделки, а блока питания на нужное напряжение нет. Конечно, для проверки можно воспользоваться батарейками. Подобрать нужное количество, для получения нужного напряжения, но для постоянной работы такой подход нерационален. Давайте рассмотрим варианты изготовления блоков питания для светодиодов от простого и дешевого к более сложному и дорогому.

Бестрансформаторный блок питания для светодиодов

Суть такого блока заключается в использовании балластного (гасящего) конденсатор. На нашем сайте есть подробная статья о таком БП, в которой вы можете найти . В общем виде схема выглядит следующим образом:

Такой вариант имеет массу недостатков:

1. Нет стабилизации выходного напряжения;
2. нет гальванической развязки (трансформатора);
3. нет разряжающего резистора на балластном конденсаторе, поэтому есть риск поражения электрическим током от C1.

Приняв эти недостатки и доработав схему, получаем следующее бестрансформаторное питание светодиодов на 12В.

Вместо D1, микросхемы линейного стабилизатора L7812, может быть установлена любая другая на необходимое напряжение (7805 и т.д. а также отечественные стабилизаторы КРЕН).

Альтернативный вариант схемы БП для светодиодной ленты, при сборе своими руками – вместо линейного стабилизатора использовать стабилитрон или параметрический стабилизатор из стабилитрона и транзистора. Преимуществом такого решения есть гибкость в настройке напряжения стабилизации, ведь если у вас нет подходящего стабилитрона, вы можете два других соединить последовательно и добиться нужной величины напряжения.

Для изготовления самодельного блока питания для светодиодной ленты подойдёт отечественный стабилитрон серии Д818Д, рассчитанный на напряжение порядка 12-13 В.

Другой способ стабилизации – собрать стабилизатор тока на двух транзисторах. Ток стабилизации задается резистором R2.

R2 = 0,7 * Iст; R1 = 3,9кОм.

Стабилизатор тока стремится выдать заданный ток, это оптимальный вариант для бестрансформаторного питания отдельных светодиодов.

Переделка готовых БП для работы со светодиодами

Начнем с самых распространённых блоков питания – зарядных устройств от мобильного телефона. Выходное напряжение от 5 до 9 вольт постоянного тока, стабилизированная схема и гальваническая развязка от сети. Это делает использование подобных схем блока питания для светодиодной ленты безопаснее предыдущего варианта.

Самым простым вариантом будет использование токоограничительного резистора, для удобства есть .

Схемы дешевых блоков питания от зарядок

Для начала взгляните на схемы от различных зарядных устройств, с виду они отличаются, а принципиально – идентичны (картинки можно листать ).

Большинство зарядных устройств для мобильного телефона построены на базе блокинг-генератора, или как его еще называют – автогенератора.

Выпрямленное напряжение поступает на схему, состоящую из силового транзистора, который управляется через базовую обмотку и резистор смещения базы, трансформатора, и цепи обратной связи. Это простейший импульсный блок питания. Подойдет как схема для блока питания светодиодной ленты, если её немного модернизировать.

Принцип работы

Обмотки трансформатора подключены таким образом, чтобы на базе транзистора и коллекторной обмотки, напряжения наводились в противофазе, иначе говоря «наоборот». Когда транзистор открывается до конца через резистор базы, нарастание тока в коллекторной обмотке прекращается и на базовой обмотке возникает противо-ЭДС, закрывающее транзистор. Ток в коллекторной цепи снижается, а после достижения нулевого значения процесс повторяется.

Однако это описание очень упрощено, дано только для понимания общего принципа возникновения колебаний высокой частоты переменного тока на импульсном трансформаторе.

Вы могли заметить, что на каждой из схем выше я обвел красным цветом один из элементов – это стабилитрон (диод Зенера). Он установлен как раз в цепи обратной связи по напряжению. Когда выходное напряжение достигает напряжения стабилизации, в работу вступает отрицательная обратная связь, которая закрывает транзистор.

В более дорогих (см. вторую схему) обратная связь заведена через оптопару, это повышает надежность схемы в целом.

Обобщенная схема блокинг-генератора изображена на рисунке ниже, все остальные компоненты в зарядных устройствах нужны для стабилизации (обратной связи), индикации, защиты от аварийных режимов работы и т.д.

Делаем блок питания

Раз стабилитрон имеет напряжение стабилизации — с его помощью осуществляется обратная связь. Значит, чтобы изменить выходное напряжение, нужно его заменить на другой по величине Uстаб.

Выходное напряжение зарядного устройства приблизительно равно номиналу стабилизатора . Оно отличается от номинального на стабилитроне от 0,3 до 1В и зависит от некоторых особенностей схемы. Обратите внимание, в приведенных примерах стоят стабилитроны от 5 до 7 вольт.

При изменении выходного напряжения изменяется и ток, который может выдать зарядное устройство. Причем изменение тока обратно-пропорционально величине изменения напряжения. Т.е. увеличив напряжение наполовину, допустим до 7,5 вольт, ток упадет в два раза.

Чтобы своими руками сделать блок питания для светодиодов, нужно определиться как вы будете подключать нагрузку, чтобы сделать выводы о необходимом напряжении.

Если вы собираетесь питать один светодиод или несколько соединенных параллельно, вам нужно выходное напряжение порядка 3-х вольт (). Далее подобрать необходимый стабилитрон, например подобный – на 3,3В. При параллельном подключении не забудьте проверить напряжение через каждый из светодиодов и скорректировать его дополнительным резистором.

Многие блоки питания, не только зарядки для мобильных, сделаны по этой схеме. Более мощные и дорогие модели (незначительно), и модели с другими силовыми схемами оборудованы несколько иной и более простой в настройке обратной связью. Зачастую которая выполнена на микросхеме TL431 (или любые другие буквы и «431» в названии).

Эта интегральная микросхема выполняет роль обычного стабилитрона. Отличия в том, что TL431 – это регулируемый стабилитрон и имеет корпус с 3-мя выводами

Выходное напряжение задается изменением соотношения резисторов R1 и R2 (см. следующую схему), далее размещена типовая схема блока питания с TL431. Кругом обведены резисторы, которые нужно подбирать для подстройки, формула подбора такова:

Vout = 1 + (R1 / R2) * Vref , где Vref – приблизительно 2,5В

Мнемоническое правило: В обвязке TL431 есть 2 резистора, задающие напряжение стабилизации. Верхний чем больше – тем выше напряжение, соответственно, чем ниже сопротивление, тем меньшее напряжение выдаст БП. Нижний – наоборот, чем больше сопротивление – тем ниже напряжение (верхний повышает, нижний уменьшает).

3 варианта блока питания из зарядного

Первый вариант . Вы можете сделать регулируемый блок питания таким образом: замените один из резисторов потенциометр, в зависимости от того куда вы его впаяете (вместо верхнего или нижнего) пределы регулировки будут изменяться.

Идеальный вариант поставить последовательно постоянный резистор и потенциометр, выставив за счет постоянного минимальный уровень напряжения на выходе блока питания, воспользовавшись приведенной формулой.

Описанными способами можно своими руками сделать блок питания для светодиодной ленты практически из любого старого блока питания, зарядного устройства и пр. Однако в некоторых случаях придется доматывать вторичную обмотку несколькими витками, этот способ несколько труднее и рассматривать его не будем.

Вторая схема. Регулировка аналогична, на R7 и R5.

Подобный блок питания, сделанный своими руками, превосходит бестрансформаторное питание светодиодов по всем параметрам. А что насчет цены – то не забывайте о том, что порывшись у себя в кладовой – вы наверняка найдете парочку заготовок.

Третий вариант – это модернизировать или доделать старые трансформаторные блоки питания.

Если выходное напряжение с диодного моста превышает 14 вольт, установите L7812 по указанной схеме и получите готовый БП для LED ленты, сделанный своими руками.

Если вы хотите сделать блок питания для отдельных светодиодов, схема изменится только номиналом стабилизатора – нужно будет установить 3-хвольтовую модель (7803). Или собрать параметрический стабилизатор как было описано выше. Такой блок питания лучше чем первый рассмотренный, но хуже чем второй. Он больше и имеет меньший КПД.

Блок питания для LED ленты из зарядного от ноутбука

Блоки питания от ноутбуков, мониторов и другой бытовой и компьютерной техники имеют напряжение от 12 до 19 и более Вольт. Если напряжение 12В – отлично, это идеально для светодиодной ленты. Но как изменить выходное напряжение, если оно не подходит под ваши нужды?

Вот такой регулируемый импульсный понижающий преобразователь напряжения выполнен на довольно старой надёжной и популярной микросхеме – LM2596. Модель, которая изображена на фото, имеет регулировку напряжения и тока, что позволяет его использовать как драйвер для мощных светодиодов, обеспечивающий очень качественное питание.

На фотографии видно в обозначении сокращение ADJ (adjustable) – что говорит о том, что это регулируемая модель. В продаже есть готовые схемы и отдельные ИМС для работы с фиксированным выходным напряжением, а именно: 3В, 5В и 12В. В вариантах на ток 2 и 3 Ампера каждая, имеют немного упрощённую схему.

Назначение элементов описано , разница лишь в том, что на схеме выше отсутствует стабилизация тока и нет регулировки напряжения, как в предыдущем фото.

Понижающие преобразователи напряжения на LM2596 довольно популярны. Найти их можно в магазинах радиодеталей, но на Aliexpress можно купить в разы дешевле.

Схема их подключения проста, входные и выходные контакты подписаны, некоторые платы поставляются с запаянными зажимными клеммами. Подключите его к готовому БП на более высокое напряжение (от ноутбука, например) и блок питания для светодиодных ламп готов.

Такой вариант подходит для начинающих, если вы не хотите влезать в схему с паяльником или нет возможности добраться до элементов блока для модификации схемы (в случае трудно разбираемого корпуса и когда детали залиты компаундом).

Ремонт блока питания светодиодной ленты

Многие блоки питания, рассчитанные на среднюю и большую мощность (30 и более Вт), построены на интегральном драйвере со встроенным силовым ключом, типа KA5l0365, FSDH065RN и т.д. Такие решения применяются и в бытовой технике, например, в блоках питания DVD проигрывателей. Такие микросхемы взаимозаменяемы, стоит только определить цоколевку сгоревшего чипа и установить тот, который вам удалось найти.

Для ремонта блока питания для светодиодной ленты на 12В (и не только), схема почти не изменяется. Нужно совершить подключение подобно тому, что изображено ниже. Разумеется, с учетом распиновки.

Более сложные и надежные блоки построены на ШИМ-контроллерах:

• TL494;
• KIA494AP;
• MB3759;
• KA7500;

Они аналогичны, ниже схема блока питания для светодиодной ленты с их использованием:

ШИМ-контроллер расположен в нижней части схемы, с помощью P1 (справа на схеме) осуществляется регулировка. Подбирая его величину, можно добиться нужного напряжения на выходе, чем-то похоже на регулировку 431 стабилизатора.

Даже если на вашем блоке нет потенциометра или подстроечника, вы можете его установить самостоятельно, заменив постоянный, аналогично приведенной мной схеме.

При ремонте смотрите на сигнал на выходе ШИМ, силовые ключи Т12 и Т13 подключенные к выводам 8 и 11 TL494.

На картинке ниже более наглядно изображена регулировка, потенциометр подключается к 1 вывод ИМС.

Таким образом вы можете своими руками экспериментальным путем сделать питание для светодиодной ленты из любого БП на 494 ШИМ-контроллере.

Практически все блоки питания можно своими руками перенастроить в узких пределах на необходимое напряжение питания светодиодной ленты. При этом вы обойдетесь минимальными затратами.

Итак, давайте разберем последовательность расчета бестрансформаторного источника питания, рассмотренного в предыдущей статье. Описанная метода не претендует на истину в последней инстанции и может отличаться от других источников. Дополнительную информацию по такой схеме можно почерпнуть на зарубежных ресурсах, погуглив в сети запрос "capacitor power supply".

рис. 1

1. Рассчитываем ток нагрузки

Первое от чего мы должны отталкиваться при расчете бестрансформаторного источника питания - это ток нагрузки. На рисунке 1 он обозначен как Iam, а в качестве нагрузки выступает резистор R3. Заменим этот резистор небольшой схемой с микроконтроллером и определим потребляемый ею ток.

рис. 2

Сделать это можно двумя способами:
- путем расчета, просуммировав примерное потребление всех компонентов схемы,
- с мощью амперметра включенного между источником напряжения и нашей схемой.

Второй способ, конечно, будет точнее, но он осуществим только при наличии собранной схемы. Попробуем выполнить теоретический расчет.

В схеме на рисунке 2 три основных потребителя - стабилизатор 7805, микроконтроллер ATtiny13 и светодиод. Для простоты положим, что микроконтроллер при подаче питания всего лишь зажигает светодиод, а потом крутится в бесконечном цикле.
Ток покоя стабилизатора 7805 по даташиту равен 5 мА (параметр quiescent current). При изменении тока нагрузки и входного напряжения значение тока покоя меняется на 0.5 - 0.8 мА. Значение небольшое и можно им пренебречь.
Оценить потребление микроконтроллера ATtiny13 можно по графику Active Supply Current vs. VCC, представленнму в даташите в разделе Electric Characteristics. Допустим, у нас напряжение питания 5 Вольт, а тактовая частота - 9.6 МГц. При таких условиях attiny13 потребляет в активном режиме 5.5 мА.
Ток светодиода рассчитываем по формуле:

Iled = (Upin - Uled)/R2

где Upin - напряжение логической единицы на выводе микроконтроллера, В; Uled - прямое падение напряжения на светодиоде, В.

Для зеленого светодиода прямое падение напряжения равно примерно 2 В, Upin примерно 5 В, значит ток через светодиод будет равен:

Iled = (5 - 2)/330 = 9 мА.

Если быть честным, то при любом вытекающем токе напряжение на выводе микроконтроллера будет меньше напряжения питания. В чем можно убедиться, изучив график I/O Pin Source Current vs. Output Voltage (Low Power Ports, VCC = 5V), представленный в даташите. При токе 9 мА, напряжение на выводе микроконтроллера ATtiny13 будет примерно 4.8 В. Но мы, опять таки, не учитываем такие мелочи в расчете.

Итого: 5 + 5.5 + 9 = 19.5 мА.
Реальное значение потребляемого тока 18.6 мА.

Как видишь, разница незначительная. Округлим расчетное значение в большую сторону и будем отталкиваться от значения Iam = 20 мА.

2. Рассчитываем входной ток источника питания

Ток нагрузки нам известен, теперь нужно рассчитать значение тока на входе источника питания. На рисунке 1 он обозначен как Iac. В отличие от постоянного тока нагрузки, ток на входе бестрансформаторного источника питания переменный. А переменный ток характеризуется такими величинами как амплитудное и действующее значение.
Амплитудное значение переменного тока - это максимальное значение тока за период колебания. Действующее значение переменного тока - это такая величина постоянного тока, который за время равное одному периоду колебания переменного тока, выделит на том же сопротивлении R такое же количество тепла, что и переменный ток.
Для переменного тока, изменяющегося по синусоидальному закону, амплитудное и действующее значения связаны следующим соотношением:

где Iac - действующее значение, А; а Im - амплитудное, А.

Действующее значение переменного тока на входе схемы Iac рассчитывается из тока нагрузки Iam по следующей формуле:

Таким образом, ток на входе схемы будет равен:

Iac = 20*2.221 = 44,4 мA действующее значение
Im = 44*1.41 = 62.6 мA амплитудное значение

3. Определяем входное напряжение стабилизатора

У всех линейных стабилизаторов, к которым относится и микросхема 7805, есть такой параметр как dropout напряжение - наименьшая разность напряжений между входом и выходом. Этот параметр определяет минимальное входное напряжение стабилизатора, при котором он все еще будет работать в номинальном режиме. Для микросхемы 7805 выходное напряжение равно 5 В, а типовое dropout напряжение равно 2 В. Значит минимальное входное напряжение для стабилизатора 7805 будет составлять 5 + 2 = 7 В. С учетом того, что на конденсаторе С2 напряжение будет пульсировать, 7 Вольт - это минимальное значение пульсирующего напряжения. Накинем 1 В для запаса и будем отталкиваться от значения 8 Вольт.

В качестве стабилизатора не обязательно выбирать микросхему 7805, можно использовать то, что есть под рукой. При этом нужно учитывать следующие параметры:
- максимальное входное напряжение стабилизатора,
- максимальный выходной ток стабилизатора,
- dropout напряжение,
- максимальная рассеиваемая мощность.

4.Рассчитываем емкость сглаживащего конденсатора C2

Нагрузка у нас запитывается от сети во время положительного полупериода входного напряжения. Во время отрицательного полупериода нагрузка получает энергию от конденсатора С2. За время отрицательного полупериода он не должен успеть разрядиться до напряжения меньше 8 В. Этого не случиться, если начальное напряжение на конденсаторе и его емкость достаточны для поддержания заданного тока нагрузки.

Емкость сглаживающего конденсатора рассчитывается по следующей формуле.

C > Iam/(2*f*dU),

где Iam - ток нагрузки, А; f - частота переменного напряжения, Гц; С - емкость конденсатора, Ф; dU - размах пульсаций, В.

dU = Umax - Umin

Umin у нас равно 8 В.
Umax выбираем из следующих соображений. Большее напряжение позволяет использовать конденсатор меньшей емкости, но сильнее нагружает стабилизатор, который вынужден гасить на себе остаточное напряжение. Меньшее напряжение разгружает стабилизатор напряжения, но требует конденсатор большей емкости.
Я выбрал 9.3 В.

С2 > 0.02/(2*50*(9.3 - 8)) = 0.000153 Ф = 153 мкФ

Выбираем большее соседнее значение из ряда Е12 – 180 мкФ.
Также не забываем про максимальное напряжение, на которое рассчитан конденсатор. Берем с полуторным или двойным запасом, например на 16 Вольт.

5.Выбираем стабилитрон VD1

Требуемое номинальное напряжение стабилитрона равно максимальному напряжению на сглаживающем конденсаторе С2 плюс величина падения напряжения на диоде VD2, то есть:

9.3 + 0.7 = 10 В.

0.7 - это значение падения напряжения на диоде, включенном в прямом направлении. Стандартное значение, используемое в инженерных расчетах.

Помимо номинального напряжения стабилизации также важны такие параметры стабилитрона как номинальный и максимальный токи стабилизации, максимальный постоянный прямой ток, максимальный импульсный ток и рассеиваемая мощность.

Для данной схемы я выбрал стабилитрон 1N4740А, который имеет следующие характеристики:

- номинальное напряжение стабилизации 10 В,
- номинальный ток стабилизации 25 мА,
- максимальный ток стабилизации 91 мА,
- максимальный импульсный ток 454 мА,
- максимальный ток в прямом направлении 200 мА,
- рассеиваемая мощность 500 мВт.

В положительный полупериод сетевого напряжения через стабилитрон может протекать ток в диапазоне от 0 до 62 мА (Im). Если нагрузка будет потреблять меньший ток, стабилитрон будет брать часть тока на себя, если нагрузка отключится, весь входной ток будет протекать через стабилитрон. Поэтому максимальный ток стабилизации стабилитрона должен быть больше амплитудного значения входного тока. В нашем случае > 62 мА. У стабилитрона 1N4740 максимальный ток стабилизации 91 мА, значит, по этому параметру он подходит.

В отрицательный полупериод стабилитрон будет работать как обычный диод, и через него будет протекать весь входной ток источника питания. Нагрузка в этот момент запитывается от конденсатора C2. В прямом направлении стабилитрон выдерживает 200 мА, это больше амплитудного значения входного тока (62 мА), значит, по этому параметру он тоже подходит.

Рассчитаем максимальную мощность, которая будет рассеиваться на стабилитроне. В положительный полупериод сетевого напряжения на стабилитроне будет 10 В, в отрицательный полупериод Ud = 1.2 В (значение из даташита для тока 200 мА). Для расчета возьмем среднее значение переменного тока за полпериода. Оно рассчитывается по формуле:

Iav = (2 * Im)/3.14 = 0.637*Im

где Im - амплитудное значение переменного тока, А.

Максимальная мощность рассеиваемая на стабилитроне будет равна:

P = (0.637 * Im)*Ust + (0.637 * Im)*Ud = (0.637 * Im)*(Ust + Ud)
P = 0.637*62*(10 + 1.2) = 442 мВт

Такая мощность будет рассеиваться на стабилитроне в худшем случае - когда через него будет идти весь ток нагрузки. На практике значение мощности будет меньше, так как в положительный полупериод через стабилитрон будет протекать меньший ток. По этому параметру стабилитрон тоже проходит.

6. Выбираем диод VD2

Ток нагрузки Iam = 20 мА.
Максимальное обратное напряжение на диоде приблизительно равно номинальному напряжению стабилитрона VD1, то есть 10 В.
Мощность, рассеиваемая на диоде, равна P = Ud*Iam = 0.7 * 20 = 14 мВт.
Берем по каждому из этих значений двойной запас и выбираем диод. Я выбрал диод 1N4148.

7. Рассчитываем резистор R2

Сетевое напряжение бытовой электросети составляет 220 В. Эта так называемое действующее значение. Действующее значение в корень из 2 раз меньше амплитудного значения. Я уже говорил об этом выше.
Амплитудное значение сетевого напряжения составляет:

Um = 220 * 1.41 = 311 В

В начальный момент включения схемы, когда конденсатор C1 разряжен, может происходить бросок тока. Нужно подобрать такой номинал резистора R2, чтобы при максимальном входном напряжении импульсный ток через стабилитрон был меньше 454 мА.

R2 > Um/Ispike = 311/450 = 691 Ом

Выбираем ближайшее значение из ряда E24 - 750 Ом

Мощность рассеиваемая на этом резисторе будет равна

Pr = Iac * Iac * R = 44 * 44 * 750 Ом = 1.5 Вт

Берем 2 ваттный резистор.

8. Рассчитываем и выбираем конденсатор С1

Номинал конденсатора С1 рассчитывается по следующей формуле:

где Iac – действующее значение тока в цепи, А; Uac – минимальное действующее значение напряжения в цепи, В; f – частота переменного напряжения, Гц; R – сопротивление резистора R2, Ом.

Формула выведена из закона Ома для цепи переменного тока, состоящей из конденсатора и резистора.

Все величины известны:

Iac = 44 мА
Uac = 220 В
R2 = 750 Ом
f = 50 Гц

Подставляем их формулу и получаем значение C1. Оно будет равно 650 нФ. Возьмем большее соседнее значение из ряда Е12 - 680 нФ.

Рабочее напряжение С1 должно быть больше чем Um = 311 В. Можно взять конденсатор с рабочим напряжением 400 В, но лучше взять конденсатор рассчитанный на 600 В.

В качестве C1 нужно выбирать конденсаторы, предназначенные для работы в цепях переменного тока, например отечественные металлопленочные конденсаторы К73-17 или их импортные аналоги. Если не удается подобрать конденсатор нужное емкости, можно соединить два конденсатора меньшей емкости параллельно.

9. Выбираем резистор R2

Резистор R1 выбираем номиналом 1.5-2 МОм. Мощность, которая будет рассеиваться на этом резисторе, можно грубо оценить по формуле:

P = (Uac*Uac)/R1 = (220*220)/1500000 = 32 мВт

Выбираем резистор мощностью 0.125 - 0.25 Вт.

Конечный вариант схемы

Разъем Х1 для подключения устройства к сети.
Разъем Х3 для подачи постоянного напряжения при отладке и программировании устройства.

Несколько слов о правилах безопасности

Ну и напоследок о самом главном.
Не подключайте устройство с бестрансформаторным источником питания к компьютеру или программатору, когда оно запитано от сети. Что-то из них может сгореть.
Для программирования или отладки устройства запитывайте его от отдельного источника постоянного напряжения, когда оно отключено от сети.
Не дотрагивайтесь до элементов и проводников устройства, когда оно подключено к сети, это может привести к поражению электрическим током.
Не подключайтесь к работающему устройству осциллографом.