Расчёт блока питания с гасящим конденсатором + онлайн-калькулятор — radiohlam.ru
Осторожно, текст под спойлером перегружен физикой!
Итак, процессы в этой схеме будут достаточно нелинейны, поэтому при рассчётах придётся делать различные упрощения и допущения.
Для начала давайте будем считать, что ёмкость конденсатора C2 достаточна для полного сглаживания пульсаций напряжения после моста, то есть напряжение на конденсаторе C2 = const. Далее попробуем нарисовать пару графиков, — напряжение на входе моста (UM) и ток через конденсатор C1 (IC1), опираясь на график сетевого напряжения UС(t). Будем считать, что сетевое напряжение у нас изменяется по синусоидальному закону и имеет амплитуду Uca (вообще-то рисовать мы будем косинусоиду, нам так будет удобнее, но это по сути одно и то же, только косинусоида сдвинута относительно синусоиды на π/2).
Рассуждаем следующим образом: в каждый момент времени полное напряжение и полный ток в этой цепи можно описать следующими уравнениями:
UC=UC1+UМ (1), iC=iC1+iМ (2)
В момент времени t0 уравнение напряжения примет вид: Uca=UC1+UМ.
Поскольку Uca — это максимальное значение сетевого напряжения, то UC1 и UМ также в этот момент должны иметь максимальные значения (здесь в логике есть небольшой провал, максимум суммы — это не всегда сумма максимумов, функции могут быть сдвинуты по фазе, но… в общем, мы потом всё экспериментально проверим).
Максимальное значение U
Токи через конденсатор и мост в момент t0 равны нулю. Про мост я выше уже написал (если бы через него тек ток, то конденсатор C2 заряжался бы дальше), а через C1 ток не течёт, поскольку ток через конденсатор — это первая производная от напряжения, которая в точках экстремума обращается в ноль (значит когда напряжение на конденсаторе максимально — ток равен нулю).
Далее сетевое напряжение (
В момент, когда сетевое напряжение упадёт до значения Uca-2Uвых (момент времени t1) — напряжение на входе моста достигнет значения -Uвых (находим с помощью формулы 1), диоды моста откроются и в первичной цепи (через мост и конденсатор C1) потечёт ток. При этом напряжение на входе моста перестанет меняться (помните, мы договорились, что ёмкость
Обратите внимание, что напряжение на входе моста в этот момент равно -Uм, так что ток потечёт в обратную сторону от того направления, в котором он тёк до момента времени t0. Этот ток, поскольку он течёт в обратную сторону, начнёт перезаряжать конденсатор C1.
К моменту времени t3 напряжение в сети достигнет максимума, только с противоположной относительно момента t0 полярностью. Соответственно, для этого момента экстремума сетевого напряжения будут справедливы все те же рассуждения касательно напряжений и токов, которые мы использовали для момента
Далее, по мере роста сетевого напряжения, напряжение на конденсаторе C1 будет оставаться неизменным, а напряжение на входе моста будет расти.
В момент времени t4, когда сетевое напряжение вырастет до значения -(Uca-2Uвых), напряжение на входе моста достигнет значения Uвых, диоды моста откроются и в первичной цепи (через мост и конденсатор C1) снова потечёт ток. Этот ток снова будет перезаряжать конденсатор
В момент t6 напряжение на конденсаторе C1 достигнет максимального значения положительной полярности, а ток через C1 и мост упадёт до нуля.
Далее весь цикл повторится с самого начала.
Теперь давайте вспомним закон сохранения заряда. В соответствии с этим законом за один полный цикл через конденсатор C1, мост и нагрузку должно протекать одинаковое количество заряда. Поскольку ток нагрузки у нас постоянный, то количество заряда, протекающего через нагрузку за один цикл, можно найти по формуле Q=Iн*tцикла=Iн/fc, где fc — частота питающего сетевого напряжения. Количество заряда, протекающего через конденсатор
Подробные математические расчёты можно найти под вторым спойлером.
[свернуть]
Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания. . Обзоры товаров из Китая.
Блок питания с гасящим конденсатором представляет собой простейший вариант запитать какое нибудь маломощное устройство.При всей своей простоте он имеет и два минуса:
1. Он гальванически связан с сетью! потому такие БП используются там, где нет вероятности прикосновения к контактам.
Внимание, будьте очень аккуратны, не прикасайтесь к контактам этого БП когда он включен.
Простейшая схема данного БП выглядит так:
Как можно увидеть из схемы, последовательно с сетью стоит конденсатор. Он то и является балластом,, на котором гасится часть напряжения.
Конденсатор не пропускает постоянный ток, но так как в сети переменный и конденсатор в итоге постоянно перезаряжется, то и получается, что в таком случае ток на выходе есть. Причем сила тока напрямую зависит от емкости конденсатора.
Собственно потому для расчета емкости конденсатора необходимо знать как минимум выходной ток нашего будущего БП, причем надо учесть и потребление стабилизатора, обычно это несколько мА.
И так. Есть две формулы, сложная и простая.
Сложная — подходит для расчета при произвольном выходном напряжении.
Простая — подходит в ситуациях, когда выходное напряжение не более 10% от входного.
I — выходной ток нашего БП
Uвх — напряжение сети, например 220 Вольт
Uвых — напряжение на выходе БП (или до стабилизаторе если такой есть), например 12 Вольт.
С — собственно искомая емкость.
Например я хочу сделать БП с выходным током до 150мА. Пример схемы приведен выше, вариант применения — радиопульт с питанием 5 Вольт + реле на 12 Вольт.
Подставляем наши 0.15 Ампера и получаем емкость 2.18мкФ, можно взять ближайший номинал из стандартных — 2,2мкФ, ну или «по импортному» — 225.
Все как бы вроде хорошо, схема простая, но есть несколько минусов, которые надо исключить:
1. Бросок тока при включении может сжечь диодный мост.
2. При выходе из строя конденсатора может быть КЗ
3. Если оставить как есть, то вполне можно получить разряд от входного конденсатора, так как на нем может долго присутствовать напряжение даже после отключения БП от сети.
4. При снятии нагрузки напряжение на конденсаторе до стабилизатора поднимется до довольно большого значения.
Решения:
1. Резистор R1 последовательно с конденсатором
2. Предохранитель 0.5 Ампера.
3. Резистор R2 параллельно конденсатору.
4. Супрессор на 12 Вольт параллельно конденсатору после диодного моста. Я не рекомендую здесь использовать стабилитроны, супрессоры рассчитаны на большую мощность рассеивания и схема будет работать надежнее.
На схеме красным цветом я выделил новые компоненты, синим — небольшое дополнение в виде светодиода.
Но гасящие конденсаторы используют часто и в дешевых светодиодных лампах. Это плохо, так как у таких ламп меньше надежность и часто высокие пульсации света.
Ниже упрощенный вариант схемы такой лампы.
Попробуем рассчитать емкость для такого применения, но так как напряжение на выходе будет явно больше чем 1/10 от входного, то применим первую формулу.
В качестве выходного напряжения я заложил 48 Вольт, 16 светодиодов по 3 Вольта на каждом. Конечно это все условно, но близко к реальности.
Ток — 20мА, типичный максимальный ток для большинства индикаторных светодиодов.
У меня вышло, что необходим конденсатор емкостью 0.298 мкФ. Ближайший из распространенных номиналов — 0.27 или 0.33мкФ. Первый встречается гораздо реже, а второй уже будет давать превышение тока, потому можно составить конденсатор из двух параллельных, например по 0.15мкФ. При параллельном включении емкость складывается.
С емкостью разобрались, осталось еще пара моментов:
1. Напряжение конденсатора
2. Тип конденсатора.
С напряжением все просто, можно применить конденсатор на 400 Вольт, но надежнее на 630, хоть они и имеют больше размер.
С типом чуть сложнее. Для такого применения лучше использовать конденсаторы, которые изначально предназначены для такого использования, например К73-17, CL21, X2
На фото конденсатор CL21
А это более надежный вариант, не смотрите что на нем указано 280 Вольт, у него это значение переменного действующего напряжения и он будет работать надежнее, чем К73-17 или CL21.
Такие конденсаторы могут выглядеть и так
А вот теперь можно еще раз внимательно посмотреть, что надо для того, чтобы собрать такой «простой» блок питания и решить, нужен ли он.
В некоторых ситуациях да, он поможет, но он имеет кучу минусов, потому на мой взгляд лучше применить просто небольшой импульсный блок питания, который уже имеет стабилизированное выходное напряжение, гальваническую изоляцию и больший выходной ток.
Как пример таких блоков питания я могу дать ссылку на подробный обзор четырех вариантов, с тестами, схемами и осмотров.
Но можно поступить еще лучше. Сейчас получили распространение монолитные блоки питания. По сути кубик, в котором находится миниатюрный БП
Например HLK-PM01 производства Hi-link, стоимостью около двух долларов за штуку.
Или их китайский аналог TSP-05 производства Tenstar robot. Они немного дешевле, 1.93 доллара за штуку.
Практика показала, что качество у них сопоставимое.
Как я писал выше, они представляют из себя импульсный Бп в модульном исполнении. БП в пластмассовом корпусе залитый эпоксидной смолой.
Выпускаются на разные напряжения и способны поддерживать его на довольно стабильном уровне.
Внутренности поближе, на фото вариант от Hi-link
На этом вроде все. Надеюсь, что статья была полезна, постараюсь и в будущем находить интересные темы. Также интересны пожелания, что хотелось бы видеть в рубрике — Начинающим.
Расчет бестрансформаторного блока питания
радиоликбез
Расчет бестрансформаторного блока питания
Некоторые радиолюбители при конструировании сетевых блоков питания вместо понижающих трансформаторов применяют конденсаторы в качестве балластных, гасящих излишек напряжения (рис.1).
Неполярный конденсатор, включенный в цепь переменного тока, ведет себя как сопротивление, но, в отличие от резистора, не рассеивает поглощаемую мощность в виде тепла, что позволяет сконструировать компактный блок питания, легкий и дешевый. Емкостное сопротивление конденсатора при частоте f описывается выражением:
Величина емкости балластного конденсатора Cб определяется с достаточной точностью по формуле:
где Uc — напряжение сети, В;
IН — ток нагрузки, А;
UH — напряжение на нагрузке, В. Если UH находится в пределах от 10 до 20 В, то для расчета вполне приемлемо выражение:
Подставив значения Uc=220 В и UH=15 В, при Iн=0,5 А получим значения Сб=7,28 мкФ (1) и Сб=7,27 мкФ (2). Для обоих выражений получается весьма приличное совпадение, особенно если учесть, что емкость обычно округляют до ближайшего большего значения. Конденсаторы лучше подбирать из серии К73-17 с рабочим напряжением не ниже 300 В.
Используя эту схему, всегда нужно помнить, что она гальванически связана с сетью, и вы рискуете попасть под удар электрическим током с потенциалом сетевого напряжения. Кроме того, к устройству с бес-трансформа-торным питанием следует очень осторожно подключать измерительную аппаратуру или какие-нибудь дополнительные устройства, иначе можно получить совсем не праздничный фейерверк.
Для питания даже маломощных устройств лучше все-таки применять понижающие трансформаторы. Если напряжение его вторичной обмотки не соответствует требуемому (превышает), то вполне безопасно применить гасящий конденсатор в цепи первичной обмотки трансформатора для снижения напряжения или для включения трансформатора с низковольтной первичной обмоткой в сеть (рис.2) Балластный конденсатор в этом случае подбирается из расчета, чтобы при максимальном токе нагрузки выходное напряжение трансформатора соответствовало заданному.
Литература
1. Бирюков С.А. Устройства на микросхемах. — М., 2000.
И.СЕМЕНОВ,
г.Дубна Московской обл.
Читайте также: Источники питания
Заметки обо всем. Простые и опасные источники питания / Хабр
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 [email protected] 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»,
БИПбыли наверное самым доступным способом уменьшить габариты и цену источника питания, то схем
БИПв 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
R1и
R2: будем считать, что
R2отсутствует вообще, а
R1заменён 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
Rни 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
Rндо его «закоротки» — ток
Ic, текущий через гасящий конденсатор
C1будет 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.
- Определяем напряжение нагрузки Uвых. Оно нам, как правило, известно.
- Определяем максимальный ток нагрузки Iнmax. Можно измерить или рассчитать.
- Лезем в справочник и ищем стабилитрон на напряжение Uвых, такой, что выполняется условие . (0.8 — потому что мы хотим 20% запаса по току).
- Рассчитываем ёмкость гасящего конденсатора С1 по формуле
Пример расчёта
Предположим, что напряжение питания нагрузки будет
Uвых=5Ви 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
R1и
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 . Например, если общий ток, потребления схемы 150мА, то мощность резистора R1 сопротивлением 27 Ом должна быть не менее .
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.
Те, кто увидит ошибки или что-то, что стоит исправить и дополнить в разумных пределах — прошу не стесняться и писать в комментарии, на почту [email protected] или на мой
сайт в раздел «Контакты».
Заранее спасибо за отклики.
|
Блоки питания с балластным конденсатором и разделительным трансформатором завоевали популярность у радиолюбителей благодаря малым габаритам и тем, что они гальванически не связаны с сетью. Однако при разработке таких устройств необходимо учитывать ряд факторов, чтобы исключить аварийные ситуации, в результате которых могут выйти из строя не только источник питания, но и нагрузка. Автор статьи, обобщив опыт создания подобных устройств, рекомендует, на что следует обратить внимание при их конструировании и налаживании. В радиолюбительской практике широкое применение нашли источники с балластным конденсатором и разделительным трансформатором [1-6]. Подобное решение позволяет конструировать малогабаритные блоки питания. Рассмотрим некоторые вопросы проектирования таких устройств на примере маломощного источника питания, описанного в [1] (см. рисунок). Трансформатор Т1 выполняет функцию разделительного. Он работает при малом входном и выходном напряжении. Его конструкция весьма проста. Конденсатор С1 — балластный, а резистор R2 ограничивает импульс тока при включении. Напряжение на первичной обмотке трансформатора ограничивают стабилитроны VD1 и VD2. В колебательном контуре, состоящем из конденсатора С1, индуктивности первичной обмотки трансформатора L и приведенного к первичной обмотке сопротивления нагрузки Rн, возможен резонанс, который может привести к выходу из строя источника питания. Допустим, что в нагруженном источнике на первичной обмотке напряжение равно 20 В (типичный случай). Это означает, что приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки RН примерно в 10 раз меньше емкостного сопротивления |Xc1| конденсатора С1 и образует с ним делитель напряжения 10:1 (приближенно), т.е. |Хс1|=10Rн. При правильно рассчитанном трансформаторе индуктивное сопротивление первичной обмотки |XL| должно примерно в 10 раз превышать приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки Rн поэтому добротность упомянутого контура крайне низка, никакого резонанса быть не может. Совершенно иная ситуация возникает при отключенной нагрузке (на холостом ходу). Если выполняются указанные выше соотношения |Хс1|=10Rн и |ХL|=10Rн,то |Xc1|=|XL| и возникает резонанс. Если на вход вместо сетевого подать напряжение 1 …2 В, то на первичной обмотке ненагруженного трансформатора оно за счет резонанса увеличится в 10 и более раз — добротность получившегося контура достаточно большая, однако при подаче сетевого напряжения такого подъема не будет. С увеличением напряжения на обмотке сверх номинального (20 В) магнитопровод трансформатора входит в насыщение, его индуктивность уменьшается, и контур перестает быть настроенным в резонанс. Однако, если трансформатор выполнен с хорошим запасом по допустимому входному напряжению, подъем может быть весьма значительным. Это вызовет увеличение напряжения на конденсаторе С1 по сравнению с работой в номинальном режиме, и если конденсатор выбран без запаса — может произойти пробой. Возможны и другие не менее тяжелые последствия. Поэтому, как и для бестрансформаторного источника питания с балластным конденсатором, недопустима работа без номинальной нагрузки. Обычное решение — подключение стабилитрона к выходу источника или двух встречно-последовательно соединенных стабилитронов (или одного симметричного) к первичной обмотке (см. рисунок). Так задача решается для относительно маломощных блоков питания. Для аналогичных мощных устройств (очень простыми получаются зарядные устройства для автомобильных аккумуляторных батарей [2-4]) такими мерами не обойтись. Здесь можно подключить параллельно первичной или вторичной обмотке аналог симметричного динистора [7, рис. 5,а] или обеспечить релейную защиту от режима холостого хода [3]. Особое внимание необходимо уделить выбору балластного конденсатора по номинальному напряжению. Это наибольшее напряжение между обкладками конденсатора, при котором он способен надежно и длительно работать. Для большинства типов регламентируется номинальное напряжение постоянного тока. Допустимое напряжение переменного тока всегда меньше номинального, за исключением металлобумажных конденсаторов МБГЧ, К42-19, полипропиленовых К78-4 и полиэтилентерефталатных К73-17 на номинальное напряжение до 250 В включительно, у которых эти параметры равны. Поэтому при выборе типа и номинального напряжения необходимо воспользоваться справочником по электрическим конденсаторам и помнить, что расчет проводят для амплитудного значения переменного напряжения. В момент подключения (или отключения) блока питания к сети в его цепях
происходит переходный процесс, который через некоторое время сменяется установившимся режимом. Не вдаваясь в теоретические основы переходных процессов, отметим два закона коммутации:
При подключении блока питания к сети конденсатор еще не заряжен и падение напряжения на нем равно нулю. Ток в индуктивности не может возникнуть мгновенно, поэтому напряжение на резисторе равно нулю и сетевое напряжение полностью приложено к первичной обмотке трансформатора, которая рассчитана на существенно меньшее значение. Именно при включении возникает высокая опасность межвиткового пробоя и исчезает преимущество в простоте исполнения трансформатора с намоткой «внавал», чем он и заслужил широкую популярность у радиолюбителей. Особенно опасно подключение блока питания к сети, в которой в этот момент действует амплитудное или близкое к нему напряжение. Актуальное значение приобретает задача ограничения напряжения на первичной обмотке в момент подключения. Токоограничительный резистор не спасает в такой ситуации. Это заставляет искать иное решение, позволяющее предупредить возможность межвиткового пробоя в трансформаторе и защитить элементы блока питания от повышенного в десятки раз напряжения. Ограничитель напряжения на двух встречно-последовательно включенных параллельно первичной обмотке стабилитронах (см. рисунок) позволяет решить и эту задачу. Для каждого полупериода ограничитель работает как параметрический стабилизатор напряжения на первичной обмотке трансформатора. Балластную функцию выполняет при этом в основном токоограничительный резистор R2. Резистор должен быть рассчитан на кратковременный ток перегрузки, а стабилитроны, как правило, обеспечивают его. Если в номинальном режиме стабилитроны открываются и работают как стабилизаторы, может возникнуть разность амплитуд импульсов выпрямленного тока положительной и отрицательной полуволн. Такой эффект объясняется тем, что положительные полуволны стабилизирует один стабилитрон, а отрицательные — другой. Известно, что напряжение стабилизации двух экземпляров стабилитронов даже одной партии может значительно различаться. Это порождает дополнительную составляющую пульсации частоты 50 Гц, которую труднее подавить сглаживающим фильтром, чем 100 Гц. Для уменьшения дополнительной составляющей пульсации, возникающей из-за различия напряжения стабилизации, можно рекомендовать вместо встречно-последовательного соединения двух стабилитронов включить один стабилитрон в диагональ диодного моста параллельно первичной обмотке. Это позволит сохранить надежность блока питания. Если не предъявляются повышенные требования к стабильности выходного напряжения, можно рекомендовать подборку стабилитронов с минимальным напряжением стабилизации на 1…3 В больше максимального амплитудного напряжения на первичной обмотке в установившемся режиме. Параметрический стабилизатор в этом случае будет выполнять функции только ограничителя напряжения в момент включения и на холостом ходу. А после выхода блока питания на установившийся режим он автоматически отключается, значительно повышая экономичность блока. ЛИТЕРАТУРА Б. САДОВСКОВ |
Расчет конденсаторов шины питания мощных преобразовательных устройств Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Компоненты и технологии, № 2’2004 Компоненты
Расчет конденсаторов шины питания
мощных преобразовательных устройств
Одними из значимых элементов схемы и конструкции импульсного преобразователя являются конденсаторы шины питания. Неграмотный выбор ЭК и неправильный расчет режимов его работы может заметно снизить надежность аппаратуры и стать причиной неожиданных отказов. Компания RIFA предлагает методику расчета конденсаторов, позволяющую не только оценить мощность потерь в конкретных условиях эксплуатации, но и достаточно точно спрогнозировать срок их службы.
Андрей Колпаков
О!
собенностям топологии и конструкции преобразователей высокой мощности посвящено достаточно много литературы (см., например, [3, 4]). Технология выполнения соединений имеет решающее значение в устройствах, коммутирующих с высокими скоростями токи в десятки, сотни и даже тысячи ампер. Именно такие режимы работы характерны для современных мощных импульсных устройств, использующих в качестве силовых ключей транзисторы МО8БЕТ или ЮБТ. Неправильно выполненная топология шин, высокое значение распределенных паразитных индуктивностей проводников приводит к появлению импульсных перенапряжений, что подчас является причиной отказа силовых полупроводников. Распределенные параметры шин достаточно сложно поддаются расчету или измерению, серьезной проблемой является анализ уровня переходных перенапряжений, особенно в предельных режимах, таких, как режим аварийного отключения транзисторов при коротком замыкании нагрузки.
Не менее значимыми элементами схемы и конструкции импульсного преобразователя являются конденсаторы шины питания. Как правило, мы не особо задумываемся о расчете режимов при вы-
Рис. 1. Инвертор для ветрогенератора фирмы SEMIKRON. На рисунке видны силовые модули SKiiP IGBT и многослойные шины питания с установленными на них конденсаторами
боре электролитических конденсаторов (ЭК) для маломощных схем. Такая «невнимательность» совершенно недопустима при расчете конденсаторов силовой шины питания. Неграмотный выбор ЭК и неправильный расчет режимов его работы может заметно снизить надежность аппаратуры и стать причиной неожиданных отказов.
Как правило, производители ЭК в технической документации приводят минимальный набор параметров: предельное напряжение, допустимый ток пульсаций при заданной частоте, тангенс угла потерь, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), эквивалентная последовательная индуктивность (ESL). В спецификациях более «продвинутых» изготовителей ЭК можно найти таблицу поправочных коэффициентов для тока пульсаций и показатели надежности. Например, конденсаторы HU3/HU4 фирмы Hitachi имеют ресурс свыше 600 тыс. часов при номинальном токе пульсаций и температуре 50 °С. Этот же параметр не превышает 4 тыс. часов при предельной температуре. Однако при расчете схемы разработчику хотелось бы знать, сколько конкретно прослужат емкости при заданных рабочих режимах. Это необходимо и для определения минимального номинала ЭК, поскольку современные высоковольтные конденсаторы вносят значительный вклад в стоимость изделия и имеют существенные габариты.
Одним из мировых лидеров в производстве конденсаторов различного назначения, фирмой RIFA, разработана методика расчета, позволяющая не только оценить мощность потерь конденсаторов в конкретных условиях эксплуатации, по и достаточно точно спрогнозировать срок их службы. Подобный расчет может оказать неоценимую помощь разработчику силовой электронной техники.
Потери в ЭК
Суммарные потери проще всего оценить, зная ток утечки II, среднеквадратичное (RMS) значение переменного тока I, текущего через конденсатор, и значения эквивалентных сопротивлений ЭК.
Компоненты и технологии, № 2’2004
Общее омическое сопротивление И состоит из сопротивления металла и электролита.
Диэлектрические потери пропорциональны энергии, запасенной в конденсаторе: = Си2/2. Мощность Р[, рассеиваемая в ЭК, может быть записана следующим образом:
Pj = f х WC + R x I2
(1)
где f — частота перезаряда конденсатора.
Условимся, что ток через ЭК имеет синусоидальную форму. В этом случае потери будут составлять:
Pj = f х C х U2/2 + R x I2 (2)
Поскольку I = ю x C x U, а ю = 2n x f, то
Pj = U x I(1/4n + 2n x R x C x f) =
= U x I(A + B x f) (3)
Сомножитель (A + B x f) представляет собой известный всем cos ф. Однако пользоваться углом ф неудобно, так как обычно он близок к 90°, поэтому при расчетах ЭК применяют угол 8 = 90 — ф, называемый углом потерь. Таким образом, tan 8 = sin (90 — ф)/cos (90 — ф) = sin (90 — ф) так как cos (90 — ф) = 1. Формула приобретает простой и понятный вид:
P. = U х I х tan 8
(4)
ESR, Ohm
1,2 1,0 0,8 0,6 0,4( Ри
1000 2000 3000 4000 5000 6000 Частота, Гц 2. Зависимость ESR от частоты
величину каждой гармоники. Однако, если низшие гармоники достаточно велики и частотно зависимый компонент мал по сравнению с омическим сопротивлением, расчет становится простым. Обычно на частотах свыше 500 Гц практически не зависит от частоты.
Р1 = I2 х (при f > 500 Гц) (7)
Температура перегрева ЭК зависит от и среднеквадратичного значения переменного тока I. Назовем температуру в наиболее нагретой точке конденсатора (точке перегрева) ТЬ5, а температуру окружающей среды — Та. В рабочем диапазоне перегрев является линейной функцией мощности потерь Р. Тогда справедливо следующее соотношение:
Ths = Ta + Rth Х P
(8)
P
Il x Uop
(9)
Ошибка, возникающая из-за принятой аппроксимации, несущественна для расчетов потерь ЭК, а измерение tan 8 намного проще, чем cos ф. Этот параметр называется тангенсом угла потерь и приводится в данных на ЭК.
Подставляя в (2) U = Р(ю x C), получаем:
Pj = I2(R + k/(4n2x f x C)) (5)
Таким образом можно определить RS или ESR — эквивалентное последовательное сопротивление, значение которого также приводится в технических характеристиках (по крайней мере у серьезных производителей).
RS = R + k/(4n2 x f x C) (6)
Как видно из уравнения (6), параметр RS является частотно зависимым. Примерный вид графика зависимости RS от частоты приведен на рис. 2. Это несколько затрудняет расчет потерь. Кроме того, если ток имеет сложный спектральный состав, необходимо знать
LopR = f(D) x 2(85
-Ths)/12
(12)
Диаметр (мм) f(D)
35 30000
50 35000
65 45000
75 60000
Lop определяется, как время, в течение которого параметры ЭК находятся в пределах определенных допусков. У каждой фирмы-производителя значения допусков свои. RIFA так определяет предельное состояние ЭК:
• Изменение емкости более 15%.
• Увеличение tanS более чем в 1,3 раза.
• Увеличение ESR более чем в 2 раза.
Когда большое количество ЭК (назовем
его N0) испытывается при заданных условиях, то через определенное время некоторые параметры ЭК подойдут к своему предельному значению. Количество ЭК, сохраняющих свои параметры в пределах допусков, — R(t) будет со временем становиться все меньше в соответствии с выражением:
где Я(11 — тепловое сопротивление «точка перегрева — окружающая среда». Некоторые дополнительные потери Рь создает и ток утечки !ь:
R(t) = N0 х e
(13)
Однако данными потерями, как правило, можно пренебречь, особенно в соотношении с мощностью, рассеиваемой как самими конденсаторами, так и балластными резисторами при последовательном соединении конденсаторов./ио/ (10)
где иор — рабочее напряжение, ия — предельно допустимое напряжение, ЬорК — срок службы ЭК при напряжении ия.
Показатель степени п = 5 при 0,8ия < и < ия; п = 3 при 0,5ия < и < 0,8ия. Это означает, что снижение рабочего напряжения на 21% увеличивает срок службы вдвое. Если и < 0,5 ия, срок службы практически не зависит от напряжения.
Срок службы имеет экспоненциальную температурную зависимость. График зависимости может быть описан выражением:
1п(Ьор) = А -Б х Т (11)
Надежность ЭК оказывается тем выше, чем выше его диаметр. Формула, учитывающая диаметр, имеет следующий вид:
где — частота отказов.
Вероятность отказа F(t) можно определить как:
F(t) = 1 — = 1 — е-“ (14)
где Б^) — вероятность, что 1 конденсатор прослужит время і
Можно также определить зависимость срока службы Ьор от вероятности отказа следующим образом:
Ьор= Щ х 1п1/(1 — F) =
= т х 1п1/(1 — F) (15)
где т — среднее время между отказами.
Ьор и X экспоненциально зависят от температуры: X возрастает, а Ьор — снижается.
Упрощенное выражение для выглядит следующим образом:
X = 2,5 Х 10-7 Х 2(Ths-
(16)
Для 105° конденсаторов в показателе степени надо заменить 85 на 105.
Тепловая модель электролитического конденсатора
Токи перезаряда конденсатора вызывают потери на его омическом сопротивлении. Потери также создаются за счет тока утечки и изменения напряжения на диэлектрике. Эти потери проявляются в повышении температуры ЭК — ДТ, пропорциональном мощности потерь Р.
AT = Rth х P
(17)
(Для конденсаторов, рассчитанных на 105° вместо 85° в показателе степени должно быть 105)., зависящее от размера, формы теплостока и способа охлаждения.
На тепловые режимы при импульсном характере работы влияние оказывает также тепловая емкость конденсатора Ctll, которая зависит от массы и материала ЭК. В модели ЭК такую емкость можно было бы установить параллельно каждому сопротивлению. Однако емкостью, параллельной Rthca, можно пренебречь из-за низкой теплоемкости воздуха.
На рис. 3 приведены эквивалентные тепловые схемы для случая естественного охлаждения (слева) и установки ЭК на радиатор (справа). Tt — температура выводов конденсатора. Температура корпуса Tc измеряется в точке, противоположной выводам.
В таблице 1, приведенной ниже, приведены тепловые характеристики (при естественном охлаждении) некоторых типоразмеров ЭК фирмы RIFA.
Таблица 1. Тепловые сопротивления и тепловые емкости ЭК RIFA
Размер корпуса Rthhc, °C/^ Rthca, C/^ Cth, Дж/^
A/35х 51 0,8 9,8 68
B/35 х 60 0,8 9,0 81
C/35 х 75 1,0 8,2 101
D/35 х 95 1,3 7,6 127
H/50 х 75 0,6 5,7 205
J/50 х 95 0,6 5,2 260
K/50х105 0,7 5,1 287
O/65х105 0,4 3,8 486
R/65х145 0,7 3,5 671
L/75 х 78 0,5 3,6 482
T/75х105 0,4 3,3 647
U/75х115 0,5 3,2 708
V/75х145 0,7 3,0 893
X/75х 220 0,5 2,9 1351
M/90 х 78 0,5 2,9 692
N/90х98 0,5 2,6 868
Y/90х145 0,4 2,3 1283
5m
L2
0,5m з
L3
0,5m 4
U
0,5m 5
на первый взгляд, никаких проблем. Однако проблемы существуют и связаны они в первую очередь с возникновением переходных помех при включении из-за паразитной индуктивности соединительных проводов.
На рис. 4 показано параллельное соединение 4 конденсаторов С1…С4 емкостью по 3300 мкФ.
В схему включены сопротивления и индуктивности подводящих проводов, паразитные индуктивности ЭК и сопротивления Я (КЯ). Эпюры напряжений в точке 5 схемы (см. рис. 5) даны для двух значений температуры — 20 и 85 °С. Разница в переходном напряжении (135 В для 20 °С и 165 В для 85 °С) объясняется тем, что изменяет свое значение от 22 мОм при 20 °С до 7 мОм при 85 °С. Величина перенапряжения зависит и от номинала конденсатора. Интересно, что пик напряжения практически не зависит от величины нагрузки. Это объясняется тем, что импеданс схемы очень низок по сравнению с нагрузкой. Следует отметить, что в реальных схемах, как правило, используется режим «плавного» заряда, что необходимо для ограничения зарядного тока конденсаторов. В этом случае перенапряжения при включении не наблюдается.
Последовательное соединение ЭК используется для высоковольтных схем. При этом часто приходится включать конденсаторы последовательно — параллельно для получения необходимой величины емкости.
Анализ переходных искажений в комбинированной схеме производится аналогично описанному выше. Следует учесть паразитные параметры проводов между последовательно соединенными конденсаторами. Стоит по-
мнить и про разброс номиналов конденсаторов, который может привести к значительным перенапряжениям на некоторых из них.
Особенностью последовательного соединения ЭК является то, что параллельно каждому ЭК необходимо установить балластный резистор для устранения перекоса напряжения из-за разности токов утечки конденсаторов. Номиналы уравнивающих резисторов можно рассчитать по формуле:
Я = 1000/(0,015С) (17)
где С — емкость в мкФ, Я — сопротивление в кОм.
Формула 17 выведена на основании известного соотношения для тока утечки 1ь = к х х С х ия, где константа к = 3 х 10-3. Ток резистора 1я должен быть значительно больше тока утечки ЭК, который имеет разброс и зависит от условий эксплуатации. Обычно ток балластного резистора превышает номинальное значение тока утечки ЭК в 10. 20 раз. Часто оказывается, что правильно рассчитанный уравнивающий резистор рассевает довольно большую мощность и с этим приходится мириться.
На ЭК присутствует также переменное напряжение пульсаций. Резисторы обеспечивают уравнивание для постоянного тока и низких частот. На частотах порядка сотен герц и выше коэффициент деления напряжения определяется только соотношением емкостей.
Причины отказов ЭК
Основная причина деградации и выхода из строя ЭК — диффузия электролита через
Приведенные цифры являются основными данными для расчета нагрева ЭК, в какой бы схеме он не работал. К сожалению, в каталогах большинства фирм-производителей (и в отечественных ТУ тоже) тепловые характеристики конденсаторов не приводятся.
Параллельное и последовательное соединение ЭК
Соединение ЭК используется для повышения емкости, увеличения допустимого напряжения или тока пульсаций и не вызывает,
Рис. 5. Эпюры напряжений при включении схемы
Компоненты и технологии, № 2’2004
изолятор. Этот процесс ускоряется с ростом температуры и в основном определяет срок службы конденсатора.
Ниже некоторые причины, способные привести к преждевременному отказу ЭК:
• Переохлаждение (обычно ниже -30 °С). Приводит к резкому росту Е8Я и падению емкости.
• Перегрев (повышенная температура окружающей среды или превышение допустимого тока пульсаций). Приводит к росту ЕвЯ и тока утечки, падению емкости.
• Превышение рабочего напряжения. Приводит к росту ЕвЯ и падению емкости.
• Переходные перенапряжения. Могут привести к повышению тока утечки и внутреннему короткому замыканию ЭК.
• Воздействие высоких частот. Может привести к изменению емкости и Е8Я.
• Обратное напряжение. Может привести к повышению тока утечки, потере емкости, увеличению ЕБЯ, сокращению срока службы.
• Механические вибрации. Приводят к внутреннему короткому замыканию, увеличению тока утечки, потере емкости.
Выбор и расчет ЭК
Среднеквадратичное значение тока пульсаций IRMS
Этот наиболее важный параметр, который приходится оценивать при анализе практически любой схемы, в состав которой входят ЭК. Именно значение 1КМ5 определяет в основном потери в ЭК. Поэтому ведущие производители конденсаторов приводят в своих технических данных предельное значение 1ЯМ5, а не допустимую амплитуду напряжения пульсаций, как это принято в наших ТУ.
Рассмотрим для примера работу двухполу-периодного выпрямителя, схема которого приведена на рис. 6. Первичное напряжение — 50 Гц, 220 В. Сопротивление нагрузки — 80 Ом, емкость конденсатора — 500 мкФ.
На рис. 7 показаны токи конденсатора — импульсный 1срр и среднеквадратичный 1гт5С (вверху), напряжение на конденсаторе и выходное напряжение выпрямительного моста при отсутствии сглаживания (внизу). Предположим, что потерь в схеме нет. Заряд конденсатора начинается, когда выпрямленное напряжение превышает напряжение на ЭК.
и — время начала заряда, t2 — время начала разряда, t3 — время начала следующего периода заряда, то есть t3 = и + Т.
и = 310 х 8Іп(ю х 1) = 310 х 8Іп(2л х 50 х 1) 11 = 32,8 мс, і2 = 35 мс, і3 = 42,8 мс
(310 В — амплитуда входного напряжения).
Пиковый ток конденсатора 1срр (момент времени и):
Icpp = C х dU/dt = 500 х 10-6 х 310 х х (2п х 50) х cos(2n х 50 х 32,8 х 10-3) = 28 A
Ток разряда 1а определяется из соотношения:
1а х (13 — 12) = I х (12 — 11) х 0,5 1а = 0,5 х 28 х (35 — 32,8)/(42,8 — 35) = 3,6 А
Ток заряда ЭК имеет треугольную форму. Его среднеквадратичное значение 1гт5:
Irms=Icpp
ti-ti
3 Т
= 28.
35-32,8
3×10
= 8,5Л
Среднеквадратичное значение тока разрЯ-
ДО Irmsd:
, , їЗ-*2 42,8-35
Ігтвсі =МА———=3,6,1———=3,9 А
V Т V 10
Общее среднеквадратичное значение тока:
Ігшс = \ Iі гтя +12гт$с1 = Л8,52 +3,92 = 9,3
При выборе номинала конденсатора мы должны учитывать не только требования, предъявляемые к схеме, в которой он установлен, но и требования, предъявляемые к режимам работы самого ЭК. Причем последние, как правило, оказываются строже. Необходимо также учитывать разброс номиналов, временные изменения параметров и помнить о том, что ЭК должен оставаться в пределах заданных допусков в течение всего срока службы.
Обычно расчет номинала ЭК включает следующие действия:
• выбирается номинал конденсатора, обеспечивающий необходимую мощность нагрузки или заданное минимальное выпрямленное напряжение;
• найденное значение корректируется с учетом разброса номинала, временного и температурного изменения номинала;
• из каталога выбирается ближайшее минимальное значение номинала конденсатора;
• рассчитывается среднеквадратичное значение тока пульсаций для нового конденсатора, определяется температура нагрева ЭК и срок его службы.
Рассмотрим для примера методику выбора ЭК для простейшей схемы двухполупериод-ного выпрямителя, приведенной на рис. 6. Для упрощения расчета предположим, что диоды и сглаживающая емкость идеальные и схема не содержит паразитных сопротивлений. ЭК заряжается до амплитудного значения питающего напряжения, равного примерно 310 В. Форма напряжения на конденсаторе и токи через него приведены на эпюрах рис. 7. Для выбора номинала ЭК прежде всего необходимо знать параметры нагрузки. Иногда вместо сопротивления нагрузки задается потребляемая мощность P. Сопротивление нагрузки в этом случае можно определить из соотношения R = U2/P, где U — среднее значение выпрямленного напряжения.
Упрощенная методика расчета основана на положении, что падение напряжения на ЭК начинается на максимуме и происходит линейно, так как используется начальный участок экспоненты разряда.
Зададимся минимальным значением выпрямленного напряжения Umin = 250 В, что соответствует мощности примерно 750 Вт на сопротивлении нагрузки 80 Ом. Минимальное напряжение Umin присутствует на ЭК в момент времени
t3 = 1/ю х arcsin (250/310) = 13 х 10-3 с (18)
Максимум напряжения имеет место при t2 = 5 х 10-3 + n х T , где Т = 10 мс — период выпрямленного напряжения. Постоянная времени RC определяется по формуле:
RC= <2 =35х10~3
In
U тах U min
(19)
Откуда C = 437 мкФ.
Учитывая допуск (10%), мы должны соответственно увеличить номинал в 1,1 раза (С = 480 мкФ).
Конденсатор должен быть рассчитан на постоянное напряжение 350 В и выше. RIFA приводит в своих характеристиках для таких конденсаторов так называемый фактор
Компоненты и технологии, № 2’2004
старения (aging factor) у = 1 — 0,1 = 0,9. Коррекция значения емкости дает С = 530 мкФ.
Номинал ЭК необходимо также изменить с учетом уменьшения емкости при снижении температуры. Например, при -40 °С температурный коэффициент kt = 0,94. Следовательно, С = 564 мкФ. Таким образом, окончательное табличное значение номинала ЭК — 560 мкФ. Естественно, что минимальное выпрямленное напряжение при этом конденсаторе будет больше, чем 250 В.
Наконец мы приступаем к самому главному — к нахождению среднеквадратичного тока IRMS. Он максимален при максимальном значении номинала ЭК, который будет у нового конденсатора Cnew определяться допуском (+30%) и температурным коэффициентом (1,05 при 105 °С).
Cn
560 х 1,3 х 1,05 = 760 мкФ
Используя формулы 18 и 19, определим новые значения 13 и итЬ: 13 = 13,5 мс и ит;п = 270 В.4
3 Т
3×10
Irmsd = Id А——— = 3,
13,5-5
■ 2,1 А
Т V 10
1гтвс = \ ¡2rms+I2rmsd = -у/7,52 +2,72 = 8А
Все приведенные выше формулы и расчеты предназначены, во-первых, для лучшего понимания, а во-вторых, для людей, которые умеют и любят считать.
Более простой и быстрый способ получения значения 1гт5с (и, соответственно, более подходящий для инженеров) — моделирование схемы на Р8Р1СЕ. Нарисовав с помощью схемного редактора свою схему и задав соответствующие значения сопротивления нагрузки и сглаживающей емкости, вы можете мгновенно получить график среднеквадратичного значения тока конденсатора: ЯМ8(1с). Необходимо только учесть, что для быстрого получения установившегося значения среднеквадратичного тока следует задать соответствующее начальное напряжение на конденсаторе.
Однако мало найти среднеквадратичный ток через конденсатор, гораздо важнее выяснить, способен ли ЭК выдержать такой ток. Мы уже приводили значения тепловых сопротивлений для ЭК, имеющих различные размеры. В нашем случае (размер А35/51):
Я1Ь = Я&са + Я1ЬЬс = 9,8 + °,8 = I0,6 °С/Вт
Температура ЭК определяется рассеваемой мощностью, а она, в свою очередь, зависит от 1гт5с и ЕвЯ. Мы хотим, чтобы температура в самой нагретой точке ЭК составляла не более 105 °С. Если мы продолжим расчеты, то увидим, что перегрев ЭК оказывается совершенно недопустимым. Это наглядный пример того, как номинал конденсатора, удовлетворяющий техническим требованиям, предъявляемым к схеме, оказывается совершенно непригодным с точки зрения параметров ЭК. Поэтому для снижения тока вместо одного конденсатора 560 мкФ мы включим параллельно два по 470 мкФ и снизим тем самым 1гт5с до 5 А.
ЕБЯ(105 °С, 100 Гц) = 0,19 Ом
Мощность, рассеиваемая в конденсаторе Рс и перегрев ДТ:
Рс = 1гт5с2 х ЕБЯ = 25 х 0,19 = 4,7 Вт ДТ = Рс х = 4,7 х 10,6 = 50 °С
Значит, максимальная температура окружающей среды Та должна быть не выше
Татах = 105 — 50 = 55 °С.
Предельное состояние конденсатора наступает, когда Е8Я возрастает более чем в 2 раза по сравнению с начальным значением. Предположим, что это случится, когда емкость ЭК будет иметь минимальное значение. В наихудшем случае конденсатор работает при предельной температуре. Тогда емкость СоМ:
Coid = 0,9 х 0,9 х 1,05 х 470 = 400 мкФ
где 1,05 — коэффициент коррекции емкости при высокой температуре.
В этом случае Irmsoid = 4,8 A
AT = Pc X Rth = 4,82 X (2 X 0,19) x 10,6 = = 93 °C Tamax = 105 — 93 = 12 °C
Значит, в конце срока службы температура окружающей среды не должна превышать 12 °С. В противном случае срок службы ЭК будет много меньше паспортного значения. Таким образом, новый конденсатор может работать при Та = 55 °С и температура перегрева будет 105 °С, а срок службы Lop = 30000 часов. Если при такой же температуре будет работать «старый» ЭК, его температура перегрева будет 148 °С. Воспользовавшись формулой для срока службы, мы получим, что Lop = 2500 часов.
ESR увеличивается со временем, что приводит к росту температуры ЭК и сокращению срока службы. Однако одновременное снижение емкости уменьшает Irmsc, что несколько уравновешивает эффект от роста ESR.
Расчет Lop с учетом всех факторов чрезвычайно сложен, поэтому фирма EVOX RIFA предложила упрощенную методику с использованием графиков, отражающих основные зависимости параметров ЭК (см. рис. 8).
Пример: рассчитать для схемы однофазного выпрямителя минимальный срок службы ЭК с параметрами 470 мкФ, 400 В, 105 °C, размером 35×50, при условии, что температура окружающего воздуха — 40 °С.
1. Из справочных данных берется ESR для 20 °С и 100 Гц и пересчитывается с учетом частотного коэффициента kf (рис. 8.4). В нашем случае kf = 1.
ESR = 190 мОм.
2. Рассчитывается среднеквадратичное значение тока пульсаций (Irmsc = 5 A при установке двух ЭК в параллель), мощность потерь (4,7 Вт) и перегрев (50 °С). Эти цифры уже были получены в данной главе. При расчете мощности в том случае, если используется принудительное охлаждение, необходимо исправить значение теплового сопротивления с учетом (рис. 8.3).
3. Найденное значение ESR изменяется с учетом температурного коэффициента kt (рис. 8.5, кривая 2) при температуре перегрева для нового конденсатора Ths = Ta + + ДТ = 90 °С, kt = 0,8 — ESR = 190 х 0,8 = = 152 мОм. Теперь можно откорректировать значение температуры перегрева: Ths = = Ta + ДT = 40 °С + Pc х Rth = 40 + 25 х 0,152х х 10,6 = 80 °С
4. По (рис. 8.6) определяется срок службы Lop при температуре Ths = 80 °С — Lop = 15000.
5. Уточняется значение срока службы с учетом коэффициента нагрузки по напряжению ku = 310/400 = 0,78 по формуле (10) при n = 5 — Lop = 15000/(0,78)5 = 50000.
Заключение
Отметим, что электролитические конденсаторы долгое время не имели альтернативы для применения в силовых преобразователях благодаря высокой удельной емкости. В последнее время ситуация изменяется благодаря созданию принципиально новых технологий производства конденсаторов MPP, SMKP и MKP. Данные технологии были разработаны в компании ELECTRONICON Kondensatoren — одном из ведущих европейских предприятий, изготавливающих конденсаторы для силовых применений.
Конденсаторы MKP содержат металлизированные с двух сторон бумажные электроды с полипропиленовым диэлектриком, пропитанные маслом. Этот тип емкостей имеет низкое значение эквивалентной последовательной индуктивности (ESL), он специально разработан для использования в силовых шинах питания. Конденсаторы рассчитаны на работу при напряжении до 1300 В и имеют максимальную емкость 1500 мкФ. По сравнению с обычными ЭК с алюминиевой фольгой, СМКП способны работать при гораздо большем значении тока пульсаций. Основой почти всех конденсаторов ELEC-TRONICON является так называемый само-восстанавливающийся диэлектрик. На месте электрического пробоя в течение нескольких микросекунд испаряется слой металла и удаляется из центра пробоя. В результате образуется свободная от металла изолированная
Компоненты и технологии, № 2’2004
e-
e-
зона, предохраняющая от пробоя. В процессе и после пробоя конденсатор остается полностью работоспособным.
В таблице 2 приведены основные сравнительные характеристики стандартных ЭК с алюминиевой фольгой и конденсаторов МКР с полипропиленовым диэлектриком. Отметим, для того чтобы набрать аналогичный номинал (1100 мкФ) и обеспечить рабочее напряжение более 1100 В, необходимо соединить параллельно-последовательно 9 емкостей НР3! Таким образом, разница в цене (конденсаторы МКР, конечно, пока еще гораздо дороже стандартных) для высоковольтных применений может оказаться несущественной.
На рис. 1 показан модуль SEMISTACK разработанный фирмой SEMIKRON и предназначенный для применения в ветрогенераторе мощностью свыше 1 МВт. Модуль содержит конвертор и инвертор на интеллектуальных силовых модулях Trench IGBT SKiiP2403GB172 с рабочим напряжением 1700 В, размещен-
ных на теплоотводе с жидкостным охлаждением и блок конденсаторов 2 х [3 х (4 х 3 последовательно)] емкостью 3300 мкФ. Номинальные емкости и количество конденсаторов в сборке рассчитаны для получения уровня тока пульсаций, обеспечивающего высокую надежность изделия. На рисунке
Таблица 2. Сравнительные характеристики стандартных ЭК Hitachi и конденсаторов MKP Electronicon
Тип Ur, B RS мОм (20 °С) Rth, С/Вт Ir, A (RMS) W0 Вт с L„ нГн Размер, мм Срок службы, тыс. ч (75 °С, lRnom)
НР3-1000 мкФ Hitachi 450 110 8,9 4,35 20 40 х 81 19
MKP-1100 мкФ Electronicon 1100 0,4 1,7 100 665 50 116х230 100
Компоненты и технологии, № 2’2004
e-
видны полумостовые модули 8КпР, снаббер-ные емкости и многослойные силовые шины питания с установленными на них электролитическими конденсаторами. Непосредственно на выводах конденсаторов размещены балластные резисторы, имеющие специальные полосковые выводы. Такая конструкция обеспечивает высокую стойкость к механическим воздействиям и минимальные габариты.
На рис. 9 приведены сборки вЕМКТАСК, разработанные для стандартных применений. Разработка и изготовление таких модулей, а также модулей на заказ является одним из приоритетных направлений работы 8ЕМ1-КИОК В новейших сборках, разработанных в последние годы, стандартные ЭК практически полностью заменены на МКР. Это позволило повысить надежность изделий, уменьшить их габариты.
Литература
1. Hitachi AIC Compact Aluminium-Electrolytic Capacitors.
2. RIFA Electrolytic Capacitors. Theory and Application.
3. А. Колпаков. Топология частотных преобразователей средней и большой мощности // Компоненты и Технологии. 2002. № 2.
4. А. Колпаков. Особенности проектирования частотных преобразователей средней и большой мощности // Электронные компоненты. 2003. № 6.
РЕГУЛИРОВКА Uвых БЕСТРАНСФОРМАТОРНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ
Н.ЦЕСАРУК, г.Тула.Известные читателям [1…5] бестрансформаторные блоки питания с гасящим конденсатором (БПГК) (рис.1) обладают существенным недостатком — невозможностью плавно регулировать выходное напряжение. Его величина всегда фиксирована и однозначно определяется напряжением стабилизации примененного стабилитрона, и изменить его плавно нельзя. Во многих случаях такая регулировка необходима.
Рисунок 1 — Бестрансформаторные блоки питания
Предлагаю БПГК, позволяющий в широких пределах плавно изменять выходное напряжение (рис.2). Его особенность заключается в использовании регулируемой отрицательной обратной связи с выхода блока на транзисторный каскад VT1, включенный параллельно выходу диодного моста. Этот каскад является параллельным регулирующим элементом и управляется сигналом с выхода однокаскадного усилителя на VT2. Выходной сигнал VT2 зависит от разности напряжений, подаваемых с переменного резистора R7, включенного параллельно выходу блока питания, и источника опорного напряжения на диодах VD3, VD4.
Рисунок 2 — Схема блока питания
По существу, эта схема представляет собой регулируемый параллельный стабилизатор. Роль балластного резистора играет гасящий конденсатор С1, роль параллельного управляемого элемента — транзистор VT1.
Работает этот блок питания следующим образом. При включении в сеть транзисторы VT1 и VT2 заперты, через диод VD2 происходит заряд накопительного конденсатора С2. При достижении на базе транзистора VT2 напряжения, равного опорному на диодах VD3, VD4, транзисторы VT2, VT1 начинают отпираться. Транзистор VT1 шунтирует выход диодного моста, и его выходное напряжение начинает падать, что приводит к уменьшению напряжения на накопительном конденсаторе С2 и к запиранию транзисторов VT2 и VT1. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение шунтирования выхода диодного моста, увеличение напряжения на С2 и отпирание VT2, VT1, и т.д.
За счет действующей таким образом отрицательной обратной связи выходное напряжение остается постоянным (стабилизированным) при включенной нагрузке R9 и без нее, на холостом ходу. Его величина зависит от положения движка потенциометра R7. Верхнему (по схеме) положению движка соответствует большее выходное напряжение. Максимальная выходная мощность приведенного устройства равна 2 Вт. Пределы регулировки выходного напряжения — от 16 В до 26 В, а при закороченном диоде VD4 пределы регулировки — от 15 В до 19,5 В. В этих диапазонах при отключении R9 (сброс нагрузки) увеличение выходного напряжения не превышает одного процента. Блок питания по схеме рис.2 не боится короткого замыкания нагрузки.
Транзистор VT1 работает в переменном режиме: при работе на нагрузку R9 — в линейном режиме, на холостом ходу- в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с частотой пульсации напряжения на конденсаторе С2 — 100 Гц. При этом импульсы напряжения на коллекторе транзистора VT1 имеют пологие фронты.
Линейный режим является облегченным, транзистор VT1 нагревается мало и может работать практически без радиатора. Небольшой нагрев имеет место в нижнем положении движка потенциометра R7 при минимальном выходном напряжении. На холостом ходу, с отключенной нагрузкой R9, тепловой режим транзистора VT1 ухудшается в верхнем положении движка R7. В этом случае транзистор VT1 должен быть установлен на небольшой радиатор, например в виде алюминиевой пластинки квадратной формы со стороной 3 см, толщиной 1…2 мм.
Регулирующий транзистор VT1 — средней мощности, с большим коэффициентом передачи (составной). Его коллекторный ток должен быть в 2…3 раза больше максимального тока нагрузки. Коллекторное напряжение VT1 должно быть не меньше максимального выходного напряжения блока питания.
В качестве VT1 могут быть использованы п-р-п транзисторы КТ972А, КТ829А, КТ827А и т.д. Транзистор VT2 работает в режиме малых токов, поэтому годится любой маломощный р-п-р транзистор — КТ203А…В, КТ361А…Г, КТ313А, Б, КТ209А, Б и т.д.
Емкость гасящего конденсатора С1 может быть ориентировочно определена по методикам [3, 5]. Критерием правильности выбора емкости С1 является получение на нагрузке требуемого максимального напряжения. Если его емкость искусственно уменьшить на 20…30%, то максимальное выходное напряжение на номинальной нагрузке не будет обеспечено.
Другим критерием правильности выбора С1 является неизменность характера осциллограммы напряжения на выходе диодного моста (рис.3). Осциллограмма напряжения имеет вид последовательности выпрямленных синусоидальных полуволн сетевого напряжения с ограниченными (уплощенными) вершинами положительных полусинусоид. Амплитуды ограниченных вершин являются переменной величиной, зависят от положения движка потенциометра R7 и меняются линейно при его вращении. Но каждая полуволна должна обязательно доходить до нуля, наличие постоянной составляющей (как показано на рис.3 пунктиром) не допускается, т.к. при этом нарушается режим стабилизации.
Рисунок 3
Уровень пульсации на нагрузке для схемы рис.2 — не более 70 мВ. Резисторы R1, R2-защитные. Они предохраняют регулирующий транзистор VT1 от выхода из строя вследствие перегрузки по току при переходных процессах в момент включения блока в сеть (из-за дребезга контактов соединительной пары сетевая вилка-розетка).
По принципу приведенной схемы могут быть построены аналогичные блоки питания на другие требуемые значения мощности.
Литература
1. Дорофеев М. Бестрансформаторный с гасящим конденсатором. — Радио, 1995, N1, С.41; N2, С.36, 37.
2. Хухтитков Н. Зарядное устройство. — Радио,1993, N5, С.37.
3. Бирюков С. Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором. — Радио, 1997, N5, С.48-50.
4. Ховайко О. Источник питания с конденсаторным делителем напряжения. — Радио, 1997, N11, С.56.
5. Банников В. Упрощенный расчет бестрансформаторного блока питания. — Радиолюбитель, 1998, N1, С.14-16; N2.C.16, 17.
(РЛ 5-99)
Выпрямитель— Последовательные конденсаторы в ЭПРА люминесцентной лампы
Я, должно быть, пропустил это, когда его спросили в январе.
Это хорошо описанный вопрос, и Ал ответил на часть своего вопроса очень хорошо. Впоследствии он удалил его, но, надеюсь, вскоре он будет восстановлен.
Сначала я отвечу на основные вопросы, а затем вернусь и расскажу о некоторых умных аспектах схемы.
Q: Итак, теперь у меня есть один старый 15 мкФ и один новый 22 мкФ [последовательно]…. Будут ли проблемы?
A: Наверное, нет.
Когда вы заряжаете два конденсатора последовательно, так что через оба конденсатора проходит одинаковый ток f, как здесь, на конденсаторе большего размера будет меньшее повышение напряжения. Это будет примерно обратно пропорционально их емкости. Два конденсатора близки по номиналу (15/22 = ~ 0,7). Значения электролитических конденсаторов могут отличаться в более широких пределах (в зависимости от спецификации). Более старый конденсатор, вероятно, потерял некоторую емкость с возрастом.Таким образом, более старый маленький, вероятно, будет иметь более высокое напряжение для запуска после завершения зарядки. Это смещает среднюю точку напряжения конденсатора.
Однако, как вы правильно заметили в своем удаленном ответе (пожалуйста, отмените удаление), когда конденсаторы разряжаются, они будут электрически подключены параллельно bu = t за диодами, так что конденсатор с несколько более высоким напряжением начнет разряжаться первым, а когда выходное напряжение упадет. к напряжению нижнего колпачка, второй колпачок «включится» плавно.Это окажет некоторое влияние на токи пульсаций конденсатора, и более высокое напряжение МОЖЕТ больше нагружать старый конденсатор, но в целом он должен работать нормально. Возможно, новый конденсатор, который не совпадает со старым, должен иметь несколько НИЖНЮЮ емкость, чтобы на него приходилось больше нагрузки. НО должно быть ОК.
Это изображение Ала процесса разряда. Конденсатор с более высоким напряжением разрядится первым.
Q: Эти колпачки окружены множеством диодов.Я ожидаю, что обычно потенциалы вокруг этих крышек и между ними составляют -162В, 0В, + 162В. Когда я заменил один из них другим, я, вероятно, сдвинул центральный потенциал за пределы идеального нуля. Здесь это имеет значение?
A: То же, что и выше. Это сердце трассы Valley Fill. Шапки начисляются ПРО Vinpeak / 2. Все должно быть достаточно хорошо.
Q: Обратите внимание, что причина, по которой вместо одного на 400 В используются два странных конденсатора, вероятно, просто из-за недостатка места.
А: Нет.Как указано выше. это обеспечивает пассивную коррекцию коэффициента мощности за счет значительного увеличения периода проводимости входных диодов. Он также обеспечивает Vsupply на половине пика Vin в период долины.
Q: Резисторы 0R5 на эмиттерах каждого транзистора теперь 0R56. Я не понимаю … опасно это изменение или нет.
A: Это нормально. Эмиттерные резисторы представляют собой резисторы для измерения тока, которые обеспечивают подачу напряжения через диод D1 D2 для запуска SCR1, который завершает полупериод переключения тока через D3.Мне пришлось бы потратить больше времени на эту схему, чтобы понять все нюансы, и я почти уверен, что это не на 100% правильно, но дает достаточно хорошее представление о том, что происходит. Увеличение резисторов до 5R6 с 5R увеличивает напряжение на них в 5,6 / 5 ~ = 12%, поэтому они вызывают отключение схемы при очень немного меньших токах, вызывая очень немного более низкую яркость. Вы вряд ли заметите разницу визуально.
Заполняющий контур долины:
A Valley Fill Circuit — это образец блестящей черной магии с незапамятных времен, позволяющий добиться удивительно хорошей коррекции коэффициента мощности в резистивной нагрузке, которую обычно обеспечивает высокочастотный инвертор постоянной яркости.
Вместо того, чтобы продолжать петь им дифирамбы — вот несколько ссылок на базовые и более умные версии и некоторые обсуждения. С ними стоит познакомиться, если вы с ними еще не встречались.
IR (среди лидеров рынка) AN1074 — Новый контур заполнения долины — Новая схема недорогого электронного балласта Пассивное заполнение долины с дополнительными контурами управления для снижения общего количества Гармоническое искажение и низкий пик-фактор — улучшенная пассивная магия.
+ ____________________________
Очень умная схема, которая, кажется, дает существенный выигрыш по сравнению с традиционными схемами. Улучшенная форма пассивного тока заполнения долины — 1997
- Оригинальный формирователь тока с заполнением впадин допускает входной ток проводимость от 30 ° до 150 °, а затем от 210 ° до 330 °.Из-за неоднородности от 0 ° до 30 ° и от 150 ° до 210 °, существенные количество гармоник было внесено во входной ток форма волны. В этой статье представлена улучшенная версия заливки впадин. схема, которая увеличивает угол проводимости почти до 360 °, таким образом снижение нежелательных гармоник, а также улучшение линии электропередачи текущая форма волны. Улучшения сделаны с помощью пассивных компонентов. Моделирование SPICE сравнивает исходную схему с различными улучшенными варианты схемы.Коэффициент мощности 98% достигается с этим новым схема.
Полезное обсуждение EDAboard
Реферат IEEE — представляющий интерес] Схема с переключением впадин
И снова схема коррекции высокого коэффициента мощности с использованием низкоуровневой перекачки заряда для недорогих электронных балластов
Связанные
Какие типы балластов доступны для использования с металлогалогенными лампами? | Галогенид металла средней мощности | Ответы на освещение
Какие типы балластов доступны для использования с металлогалогенными лампами?
Обычно используемые балластные системы с пусковым электродом для металлогалогенных ламп (MH) для ламп MH средней мощности включают автотрансформатор с высоким реактивным сопротивлением (HX-HPF), автотрансформатор постоянной мощности (CWA), изолированный трансформатор постоянной мощности (CWI) и регулируемую задержку (магниторегулируемые) балласты.
Для ламп MH с импульсным пуском требуется другой тип балласта, чем для ламп MH с пусковым датчиком. Балластные системы MH с импульсным пуском включают в себя автотрансформатор сверхпостоянной мощности (SCWA), линейный реактор и балласты с регулируемой задержкой. Описание каждого из этих типов балласта было взято из литературы производителей и кратко изложено ниже.
Некоторые производители предлагают твердотельные электронные балласты для ламп MH. Производители заявляют, что эти балласты обеспечивают лучшую производительность в меньшем корпусе, имеют высокий коэффициент мощности, экономят больше энергии, выделяют меньше тепла, имеют изменение выходной мощности менее 3% и имеют более низкие затраты на техническое обслуживание.Производители также заявляют, что высокочастотное зажигание уменьшает почернение на стенках дуговых трубок, что обеспечивает лучшее сохранение просвета, лучшую стабильность цвета и более длительный срок службы лампы. Кроме того, электронные балласты могут уменьшить яркость лампы до 33% от полной светоотдачи. Две проблемы с электронными балластами, работающими на высоких частотах, — это акустический резонанс и электромагнитные помехи. Некоторые производители используют прямоугольный сигнал низкой частоты, чтобы избежать этой проблемы. Эти балласты обычно доступны для ламп мощностью менее 150 Вт (Вт), но более высокая мощность становится все более доступной.Магнитные балласты по-прежнему являются наиболее распространенными балластами, используемыми с лампами MH средней мощности.
Автотрансформатор с высоким реактивным сопротивлением (HX-HPF): Эти балласты аналогичны по характеристикам балластам реактора (обсуждаются ниже), но их дополнительные катушки позволяют им запускать лампу от напряжения питания, которое ниже, чем необходимое для запуска лампы. В результате эти балласты больше, тяжелее и менее эффективны, чем балласты реакторов, но их можно использовать в самых разных приложениях, поскольку они имеют возможность многозадачности.Типичный диапазон пик-фактора тока (CCF) для этих балластов составляет от 1,4 до 1,6. Большинство балластов HX-HPF рассчитаны на работу с колебаниями напряжения питания на 5%, что приводит к колебаниям мощности лампы от 9 до 12%.
Автотрансформатор постоянной мощности (CWA): Также известные как балласты свинцового типа, балласты CWA являются наиболее распространенными балластами, используемыми в лампах MH мощностью 175 Вт или выше. Этот тип балласта имеет другую конструкцию, чем балласты реактора и автотрансформатора с высоким реактивным сопротивлением (HX-HPF).Балласты CWA обеспечивают лучшее регулирование мощности лампы, но они тяжелее, больше, менее эффективны и дороже, чем модели с реакторами или HX-HPF. Балласты CWA имеют тенденцию быть выше в CCF, как правило, в диапазоне от 1,6 до 1,8 и с высоким коэффициентом мощности (0,9) из-за конденсатора. Они рассчитаны на колебания напряжения питания от 10% и выше.
Изолированный трансформатор постоянной мощности (CWI): Этот пускорегулирующий аппарат аналогичен конструкции CWA, но имеет гальваническую развязку между первичной и вторичной обмотками.Они очень распространены на канадском рынке, но они крупнее и менее эффективны, чем стили CWA.
Супер автотрансформатор постоянной мощности (SCWA): Эта двухкатушечная балластная система используется для управления лампами MH с импульсным пуском. Высокий коэффициент мощности достигается за счет последовательного включения конденсатора с лампой. Эти балласты имеют хорошую регулировку лампы и могут выдерживать колебания напряжения до 45%.
Импульсный запуск линейного реактора: Этот балласт, запальник и конденсатор однокатушечного реактора используются для управления лампой MH с импульсным запуском.Он доступен только с напряжением 277 вольт, и это очень эффективная система, поскольку конструкция с одной катушкой снижает как потребляемую мощность лампы W на 8%, так и потери мощности до 50% по сравнению с балластом SCWA.
Регулируемая задержка (магнитная регулировка): Эта конструкция балласта является наиболее сложной и обеспечивает максимальную регулировку мощности лампы. Он обеспечивает регулировку напряжения и форму волны в цепи, которая является наиболее благоприятной для срока службы лампы и поддержания светового потока. Эти балласты больше и менее эффективны, чем другие типы, но их следует использовать, когда ожидается большое изменение входного напряжения.Типичный диапазон CCF для балластов с магнитной регулировкой составляет от 1,4 до 1,6. Они рассчитаны на работу с колебаниями напряжения питания от 10% и выше, что приводит к колебаниям мощности лампы примерно на 5%. Однако в регионах, где ожидаются колебания напряжения в сети более 10%, они не будут работать эффективно.
(PDF) Одноступенчатый электронный балласт с выпрямителем класса E в качестве корректора коэффициента мощности
148 ОПЕРАЦИИ IEEE ПО ЦЕПЯМ И СИСТЕМАМ — I: ОБЫЧНЫЕ ДОКУМЕНТЫ, ТОМ.53, НЕТ. 1 ЯНВАРЯ 2006 г.
Камон Джирасериаморнкул родился на Пхукете,
Таиланд, в 1975 году. Он получил степень бакалавра английского языка. степень
и M.Eng. степень в области электротехники от
Технологический университет Короля Монгкута Тон-
бури (KMUTT), Бангкок, Таиланд, в 1997 году и
2001, соответственно, где он в настоящее время работает
над докторской степенью. степень в области электротехники и вычислительной техники
инженер.
В 2003 и 2004 годах он был научным сотрудником
на кафедре электротехники,
Государственный университет Райта, Дейтон, Огайо.Его научные интересы
— высокочастотные преобразователи мощности и электронные балласты.
Казимерчук Мариан К. (M’91 – SM’91 – F’04)
получил степень магистра, доктора и доктора наук. степени
Варшавский технологический университет, Варшава, Польша,
в 1971, 1978 и 1984 годах, соответственно, все в области электроники
.
Он был преподавателем и научным сотрудником
с 1972 по 1978 год и доцентом с
с 1978 по 1984 год на кафедре электроники,
Институт радиоэлектроники, Варшавский университет
технологий, Польша.В 1984 году он работал инженером по проекту
в Design Automation, Inc., Лексингтон,
, Массачусетс. В 1984 и 1985 годах он был приглашенным профессором кафедры
электротехники и вычислительной техники Политехнического института Вирджинии и государственного университета
, Блэксбург. С 1985 года он работает на кафедре
электротехники в Государственном университете Райта, Дейтон, штат Огайо, где в настоящее время является профессором
. Его исследовательские интересы включают высокочастотные и высокоэффективные
импульсные усилители мощности, резонансные и ШИМ преобразователи постоянного / постоянного тока
, инверторы постоянного / переменного тока, высокочастотные выпрямители, коррекцию коэффициента мощности, моделирование
и управление преобразователями мощности, высокочастотными магнитными устройствами, силовыми полупроводниковыми приборами
, электронными балластами, радиопередатчиками, датчиками и сверхпроводимостью
.Он является соавтором книг
Resonant Power Converter
(Wiley, 1995), Electronic Devices, A Design Approach (Prentice-Hall, 2004),
и Lab Manual for Electronic Circuits (Prentice-Hall, 2004). Он опубликовал
более 250 технических статей, 95 из которых опубликованы в публикациях IEEE. He
также имеет восемь патентов.
Профессор Казимерчук был удостоен награды IEEE Harrell V. Noble Award
за его вклад в области аэрокосмической, промышленной и силовой электроники
в 1991 году.Он также является лауреатом Президентской премии 1991 года за факультет Ex-
в области исследований, Колледжа инженерии и компьютера
за преподавание естественных наук в 1993 и 2000 годах, Президентской премии 1995 года за выдающийся преподаватель —
Ulty Member, 1996 года. –2000 Заслуженный профессор Университета Брейдж Голдинг
премии за исследования от Государственного университета Райта, награды Колледжа
за профессиональные услуги в 1997 и 2002 годах и награды Совета попечителей
за 2004 год.Он был младшим редактором IEEE T
RANSACTIONS ON
CIRCUITS AND
SYSTEMS — I: REGULAR PAPERS
(ранее IEEE TRANSACTIONS
ON
CIRCUITS AND SYSTEMS 9000) ОБРАЗЦЕВЫЕ ОБЪЕКТЫ И СИСТЕМЫ 9000 I
в 1993–1995, 1997–2001, 2002–2003 и 2004–2005 годах. Он является младшим редактором IEEE T
RANSACTIONS OF INDUSTRONICS OF INDUSTRONICS. Он был
младшим редактором журнала Journal of Circuits, Systems and Computers.Он был
членом комитета по сверхпроводимости Общества силовой электроники IEEE
. Он был и является председателем Технического комитета CAS по энергетическим системам и силовым электронным схемам в 2001–2002 и 2004–2005 годах. Он был
председателем, сопредседателем и членом программного комитета национального симпозиума по схемам и системам IEEE Inter-
. Он является членом Тау Бета Пи.
Итда Буньяронате родилась в Накорнпатоме,
Таиланд, в 1974 году.Он получил B.Eng. степень
в области электроники и телекоммуникаций
Технологического университета короля Монгкута
Тонбури (KMUTT), Бангкок, Таиланд, в 1996 году,
и M.Eng. и к.т.н. степени в области электротехники и
электроники из Ниппонского технологического института
, Сайтама, Япония, в 1999 и 2002 годах,
соответственно.
Он работал в инженерном отделе электроники и телекоммуникаций, KMUTT, с 2002 по
2003, где он в настоящее время является доцентом инженерного отдела электротехники.Его исследовательские интересы включают высокочастотные и высокопроизводительные импульсные преобразователи мощности
, инверторы ZVS и ZCS, одноступенчатые корректоры коэффициента мощности
для преобразователей переменного тока в постоянный ток низкой / высокой плотности, компактные инверторы
для электролюминесцентных ламп. устройства и техника с расширенным спектром
nique для привода переменного тока.
Косин Чамнонгтай (S’88 – M’90) родился в
Бангкоке, Таиланд, в 1960 году. Он получил степень бакалавра английского языка.
степень в области прикладной электронной техники, полученная в Университете электросвязи
(UEC), Токио,
Япония, в 1985 г.Англ. степень в области электротехники
, полученная в Ниппонском технологическом институте (NIT),
Сайтама, Япония, в 1987 г., и D.Eng. степень в области электротехники
от Университета Кейо, Токио,
Япония, в 1991 году.
Он работал в инженерном отделе электроники и телекоммуникаций, Университет Кинга Монгкута
Технологии Тонбури (KMUTT), Бангкок , Таиланд, в качестве лектора
в 1991 году и доцента в 1993 году, и он был доцентом профессора
там с 1996 года.Его текущие исследовательские интересы включают обработку изображений, компьютерное зрение
, зрение роботов и обработку естественного языка.
Д-р Чанмонгтай является членом IPS, TRS, Института электротехники,
инженеров по связи и коммуникациям, Япония, и ECTI.
Люминесцентные лампы — Руководство по устройству электроустановок
Подробнее см. Также «Схемы освещения».
Люминесцентные лампы и сопутствующее оборудование
Мощность Pn (ватт), указанная на лампе люминесцентной лампы, не включает мощность, рассеиваемую в балласте.
Ток определяется по формуле: Ia = Pballast + PnUCosφ {\ displaystyle {\ mbox {Ia}} = {\ frac {{\ mbox {P}} _ {\ mbox {ballast}} + {\ mbox {Pn} }} {{\ mbox {UCos}} \ varphi}}}
Где U = напряжение, приложенное к лампе вместе с соответствующим оборудованием.
Если для балласта не указано значение потерь мощности, можно использовать значение 25% от Pn.
Стандартные трубчатые люминесцентные лампы
С (если не указано иное):
- cos φ = 0,6 без коррекции коэффициента мощности (PF) [1] конденсатор
- cos φ = 0.86 с коррекцией коэффициента мощности [1] (одинарная или сдвоенная трубка)
- cos φ = 0,96 для ЭПРА.
Если для балласта не указано значение потерь мощности, можно использовать значение 25% от Pn.
На рисунке A6 приведены эти значения для различных схем балласта.
Рис. A6 — Потребление тока и потребляемая мощность люминесцентных ламп обычных размеров (при 230 В, 50 Гц)
| Расположение ламп, стартеров и балластов | Мощность трубки (Вт) [a] | Ток (А) при 230 В | Длина трубки (см) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Магнитный балласт | Электронный балласт | ||||||||
| Без конденсатора коррекции коэффициента мощности | С конденсатором коррекции коэффициента мощности | ||||||||
| Одинарная трубка | 18 | 0.20 | 0,14 | 0,10 | 60 | ||||
| 36 | 0,33 | 0,23 | 0,18 | 120 | |||||
| 58 | 0,50 | 0,36 | 0,28 | 150 | |||||
| Двойные трубы | 2 х 18 | 0,28 | 0,18 | 60 | |||||
| 2 х 36 | 0,46 | 0.Мощность в ваттах, указанная на трубкеКомпактные люминесцентные лампыКомпактные люминесцентные лампы обладают такими же экономичными и долговечными характеристиками, как и классические лампы. Они обычно используются в общественных местах, которые постоянно освещаются (например, коридоры, коридоры, бары и т. Д.), И могут устанавливаться в ситуациях, которые иначе освещаются лампами накаливания (см. Рис. A7). Рис. A7 — Потребление тока и потребляемая мощность компактных люминесцентных ламп (при 230 В — 50 Гц)
| |||||||