Гасящий конденсатор расчет: Расчёт блока питания с гасящим конденсатором + онлайн-калькулятор — radiohlam.ru

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 (U_M) и ток через конденсатор C₁ (I_C1), опираясь на график сетевого напряжения U_С(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:

U_C=U_C1+U_М (1), i_C=i_C1+i_М (2)

В момент времени t₀ уравнение напряжения примет вид: Uca=U_C1+U_М. Поскольку Uca — это максимальное значение сетевого напряжения, то U_C1 и U_М 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_М равно Uвых, поскольку если бы напряжение на мосту поднималось выше, то и конденсатор C₂ заряжался бы до большего напряжения (мост бы открылся и к конденсатору C₂ потёк бы зарядный ток, увеличивая напряжение на нём).

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 (U_C) начинает уменьшаться. При этом напряжение на C₁ не меняется (тока-то через мост нет, заряд на C₁ не меняется), следовательно вместе с падением U_C уменьшается напряжение на входе моста.

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

C₂ достаточно большая для того, чтобы полностью сгладить пульсации).

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 t₀. То есть, к этому моменту конденсатор C₁ полностью перезарядится (напряжение на нём достигнет максимального значения отрицательной полярности), а ток через

C₁ и мост упадёт до нуля.

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 C₁, но уже напряжением положительной полярности.

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 C₁, будет равно площади под графиком тока (заштрихованная площадь графика I_C1(t)). Остаётся только найти эту площадь, приравнять её к заряду, протекающему за один цикл через нагрузку, и выразить из полученного выражения необходимую ёмкость конденсатора C₁ в зависимости от тока нагрузки.

Подробные математические расчёты можно найти под вторым спойлером.

[свернуть]

Расчет емкости гасящего конденсатора для паяльника

радиоликбез

В статье приводится методика расчета емкости гасящего конденсатора и напряжения но его выводах в цепи активной нагрузки,в частности паяльника, которая позволяет существенно сократить объем вычислений ,сведя их до минимума, что упрощает расчеты и сокращает время, необходимое для выбора гасящего конденсатора требуемой емкости и соответствующего номинального напряжения.

 

 

В приведенном материале предлагается методика расчета емкости конденсатора и напряжения на нем при его последовательном включении с паяльником, причем рассматриваются два варианта. В первом варианте необходимо уменьшить мощность паяльника на требуемую величину с помощью гасящего конденсатора, а во втором – включить низковольтный паяльник в сеть 220 В, погасив излишек напряжения конденсатором.

Осуществление первого варианта (рис.1) предполагает два вычисления с исходными данными (ток, потребляемый паяльником из сети I и сопротивление паяльника R1), затем два промежуточных вычисления (ток, потребляемый паяльником при меньшей его мощности на требуемую величину II и емкостное сопротивление конденсатора Rc) и, наконец, два последних вычисления, которые дают искомые

рис.1

величины емкость конденсатора С на частоте 50 Гц и напряжение на выводах конденсатора Uc). Таким образом, для решения задачи по первому варианту необходимо осуществить 6 вычислений.

По второму варианту (рис.2), чтобы решить задачу, необходимо произвести с исходными данными два вычисления, как и в первом варианте, а именно: найти ток

I, потребляемый паяльником из сети, и сопротивление паяльника R, затем следует одно промежуточное вычисление, из которого, как и в первом варианте, находится емкостное сопротивление конденсатора Rc и, наконец, два последних вычисления, из которых определяют емкость конденсатора С при частоте 50 Гц и на-

рис.2

пряжение на выводах конденсатора Uc. Таким образом, для решения задачи по второму варианту необходимо осуществить пять вычислений.

Решение задач по обоим вариантам требует определенных затрат во времени. Методика не позволяет сразу в одно действие, минуя исходные и промежуточные расчеты, определить емкость гасящего конденсатора и соответственно напряжение на его выводах.

Удалось найти выражения, которые позволяют сразу в одно действие вычислить емкость гасящего конденсатора, а затем напряжение на его выводах для первого варианта. Подобным образом получено выражение для определения емкости гасящего конденсатора для второго варианта.

Вариант 1. Располагаем паяльником 100 Вт 220 В и желаем эксплуатировать его при мощности 60 Вт, используя при этом последовательно включенный с ним гасящий конденсатор. Исходные данные: номинальная мощность паяльника Р = 100 Вт; номинальное напряжение сети U = 220 В; требуемая мощность паяльника Р1 = 60 Вт. Требуется вычислить емкость конденсатора и напряжение на его выводах согласно рис.1. Формула для расчета емкости гасящего конденсатора имеет вид:

С = Р∙10⁶/2πf₁U²(P/P₁ – 1)^0,5(мкФ).

При частоте питающей сети = 50 Гц формула принимает вид:

С =3184,71 Р/U²(Р/Р₁– 1)^0,5 =

=3184,71-100 /220²( 100/60-1 )=8,06 мкФ.

В контрольном примере емкость конденсатора равняется 8,1 мкФ, т.е. имеем полное совпадение результата. Напряжение на выводах конденсатора равно

Uс = (РР₁)^0,5 ∙10⁶/2πf₁СU (В).

При частоте сети f₁ = 50 Гц формула упрощается:

Uc = 3184,71 (PP₁)^0,5/CU =

= 3184,71(60∙100)^0,5/8,06 • 220 =

= 139,1 В.

В контрольном примере Uc = 138 В, т.е. практическое совпадение результата. Таким образом, для решения задачи по первому варианту вместо шести вычислений нужно сделать всего два (без промежуточных расчетов). При необходимости емкостное сопротивление конденсатора можно сразу вычислить по формуле:

Rc = U²(P/P, – 1)^0,5/Р =

= 220²

( 100/60 – 1)^0,5/100 = 395,2 Ом.

В контрольном примере Rc = 394 Ом, т.е. практическое совпадение.

Вариант 2. Располагаем паяльником мощностью 25 Вт, напряжением 42 В и хотим включить его в сеть 220 В. Необходимо рассчитать емкость гасящего конденсатора, последовательно включенного в цепь паяльника, и напряжение на его выводах согласно рис.2. Исходные данные: номинальная емкость паяльника Р = 25 Вт; номинальное напряжение Ur = 42 В; напряжение сети U = 220 В. Формула для расчета емкости конденсатора имеет вид:

С = Р∙10⁶/2πf₁Ur(U² – Ur²)^0,5 мкФ.

При частоте сети f₁ = 50 Гц формула принимает вид:

С = 3184,71 P/Ur(U² – Ur²)^0,5 =

= 3184,71 -25/42(220² – 42²) =

= 8,77 мкФ.

Напряжение на выводах конденсатора легко определить, пользуясь исходными данными, по теореме Пифагора:

Uc = (U² – Ur

2)^0,5 = (220² – 42²) =

= 216 В.

Таким образом, для решения задачи по второму варианту вместо пяти вычислений необходимо осуществить только два. При необходимости величину емкостного сопротивления конденсатора, для данного варианта, можно определить по формуле:

Rc = Ur(U² – Ur²)^0,5/P =

= 42(220² – 42²)/25 = 362,88 Ом.

По контрольному примеру Rc = 363 Ом. Гасящий конденсатор С на приведенных рисунках желательно зашунтировать разрядным резистором МЛТ-0,5 номиналом 300…500 кОм.

Выводы. Предлагаемая методика расчета емкости гасящего конденсатора и напряжения на его выводах позволяет существенно сократить объем вычислений, сведя их до минимума.

К. В. Коломойцев.

Читайте также: Расчет бестрансформаторного блока 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», БИП были наверное самым доступным способом уменьшить габариты и цену источника питания, то схем БИП в книгах и интернете — вагон и маленькая тележка. Но принцип работы почти у всех схем примерно одинаковый: один или несколько гасящих конденсаторов на входе, выпрямитель и выходной стабилизатор постоянного напряжения.

Давайте рассмотрим одну из простейших рабочих схем БИП, что показана на рисунке ниже.

Сразу видны все основные части схемы: гасящий конденсатор С1; двухполупериодный выпрямитель — диодный мост VD1 и сглаживающий конденсатор C2; стабилизатор напряжения — стабилитрон VS1; и, наконец, нагрузка — питаемое от источника устройство Rн.

Забудем о «лишних элементах» или «основная формула БИП»

Для простоты забудем пока о существовании резисторов R1 и R2: будем считать, что R2 отсутствует вообще, а R1 заменён на перемычку. Для всех расчётов это не существенно, а о назначении этих резисторов мы поговорим позже. То есть, временно, схема для нас будет выглядеть так, как на следующем рисунке.

Переменный ток сети питания, ограниченный гасящим конденсатором С1, протекает через точки 1 и 2 диодного моста VD1.

Постоянный ток, получаемый после выпрямления переменного диодным мостом VD1, протекает через стабилитрон и «нагрузку» Rн — питаемое устройство.

На схеме показано, как протекают все токи: Ic — переменный ток сети, Iн — постоянный ток нагрузки и Iст — постоянный ток стабилитрона.

Хоть я и написал «постоянный» и «переменный» токи — на самом деле это один и тот же ток. Просто диодный мост заставляет его течь через стабилитрон и нагрузку всегда в одну и ту же сторону.

Если считать, что мы измеряем действующее значение тока , то можно записать основную формулу работы нашей схемы БИП:

Это следует из первого закона Кирхгофа, который гласит, что сумма втекающих в любой узел токов равна сумме вытекающих из него токов и по сути является частной формулировкой закона сохранения массы/энергии.

Из этой формулы следует простой, но важный вывод: при неизменном напряжении сети , ток, потребляемый от питающей сети практически не изменяется при изменении сопротивления Rн в рабочем диапазоне токов — это ключевое отличие БИП от линейного источника питания с трансформатором.

Несмотря на то, что блок-схемы источников питания, приведённые в начале статьи очень похожи — работают очень по-разному: понижающий трансформатор в первой блок-схеме является источником напряжения, а гасящий конденсатор во второй блок-схеме является источником тока!

Но вернёмся к нашей схеме. Из последней формулы становится также ясно, что схема стабилизатора по сути является делителем тока между нагрузкой Rн и стабилитроном VS1.

Если нагрузку Rн оторвать совсем — то весь ток потечёт через стабилитрон. Если нагрузку Rн «закоротить» — весь ток потечёт через нагрузку, в обход стабилитрона.

А вот «отрывать» стабилитрон VS1 от схемы ни в коем случае нельзя! Если его оторвать, то все сетевое напряжение может податься на нагрузку Rн. Последствия будут, скорее всего, печальные.

Когда педантичность не нужна

В любом варианте — от полного отключения Rн до его «закоротки» — ток Ic, текущий через гасящий конденсатор C1 будет примерно равен ; где — напряжение сети, а — сопротивление конденсатора С1.

Педанты и прочие любители точности могут меня упрекнуть, дескать я не учёл напряжение на диодном мосту (между точками 1 и 2). Поэтому напряжение на конденсаторе C1 будет несколько меньше, чем — напряжение в розетке.

Разумеется, строго формально, товарищи педанты будут правы. Но смею заметить, что если нагрузка у нас — маломощное устройство с питанием 5В или 12В, а напряжение «в розетке» около 220В, то падением напряжения на нагрузке можно смело пренебречь: разница в «точных» и «приблизительных» расчётах будет не более нескольких процентов.

Что такое сопротивление гасящего конденсатора ? Это реактивное сопротивление конденсатора: оно зависит от частоты напряжения, подаваемого на конденсатор и вычисляется по формуле: , где f — частота напряжения в Герцах, а С — ёмкость конденсатора в Фарадах. Так как частота сети у нас фиксирована и составляет 50Гц, то для инженерных расчётов можно использовать формулу: , откуда . Для педантов опять-таки напоминаю, что ёмкость конденсатора всегда имеет погрешность в несколько процентов (обычно — 5%-15%), поэтому точнее считать смысла не имеет.

Исходя из вышеприведённых формул, можно вычислить ёмкость конденсатора C1: . Напряжение сети нам известно. А ток можно посчитать, зная максимальный ток нагрузки и минимальный ток стабилизации стабилитрона VS1 (это справочный параметр).

Это теория. Попробую описать что-то вроде методики расчёта БИП «на пальцах».

Нужен ли нам БИП вообще?

Для начала решим вопрос — а надо ли вообще использовать в конкретном случае БИП?

Если ток нагрузки Rн больше 0.3-0.5А, то лучше БИП не использовать: мороки много, а выигрыша по габаритам и стоимости обычно мизер или нет вообще. Также обычно не стоит полагаться на БИП, если напряжение питания устройства больше, чем 24-27В. И не стоит забывать о безопасности!

Предположим, что нам надо питать простенькую схему на микроконтроллере, которая кушает умеренный ток миллиампер этак 100 при умеренном напряжении 3-6В. Схема изолирована и поэтому безопасна.

Как прикинуть ёмкость С1 и выбрать стабилитрон VS1?

Прежде всего, необходимо уточнить максимальный ток нагрузки Iнmax: рассчитать или измерить.

Затем, надо залезть в справочник и найти там стабилитрон. Да не абы какой, а на нужное напряжение Uвых.

При поиске стабилитрона надо учитывать, что его максимальный ток стабилизации Iстmax должен быть не меньше, чем (Iстmin+Iнmax). Почему так? Да чтобы, если вы оторвали нагрузку Rн, стабилитрон не сгорел. И наоборот — если нагрузка потребляет максимальный ток, то через стабилитрон течёт минимальный ток стабилизации Iстmin. Практически надо выбирать стабилитрон, чтобы его максимальный ток стабилизации Iстmax был больше, чем сумма токов (Iстmin+Iнmax) как минимум на 20%. Не забывайте, что в сети далеко не всегда 220В. Может быть и 250В запросто. Поэтому запас по току — не излишество, а разумная предосторожность.

Далее рассчитываем ёмкость гасящего конденсатора С1. Его реактивное сопротивление будет равно примерно: , а его ёмкость, соответственно, равна для сетевого напряжения с частотой 50Гц.

Не забывайте, что предельно допустимое напряжение конденсатора С1 должно быть не меньше 400В для бытовой сети в 220В. И, разумеется, конденсатор С1 не должен быть электролитическим: он работает в сети переменного тока.

Собственно, это самое важное — подбор стабилитрона и расчёт ёмкости конденсатора.

Тем, кому не ясно, что такое Iстmax и Iстmin, поясню подробнее.

Максимальный ток стабилизации стабилитрона Iстmax — это такой ток через стабилитрон, при превышении которого, стабилитрон выходит из строя.

Минимальный ток стабилизации стабилитрона Iстmin — это такой минимальный ток через стабилитрон, при котором напряжение на стабилитроне соответствует паспортным характеристикам.

То есть стабилитрон должен работать в таких условиях, что ток стабилизации Iст, протекающий через него, лежит в диапазоне .

Значения Iстmin и Iстmax для конкретного стабилитрона можно найти в справочнике и они всегда указаны в описании стабилитрона.

Итак, ещё раз, по пунктам, о том как рассчитать C1 и выбрать стабилитрон VS1.

• 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=5В и максимальный ток потребления нагрузки будет Iнmax=100мА.

Лезем в справочник и находим там такой стабилитрон: КС447А. Напряжение стабилизации около 5В. Iстmin=3мА, Iстmax=160мА.

Проверяем. Неравенство — выполняется, значит стабилитрон подходит по току.

Рассчитываем конденсатор С1: . Не забываем, что для бытовой сети 220В конденсатор С1 должен быть на напряжение 400В.

Фильтр или конденсатор С2

Диодный мост, как известно, не даёт выпрямленного напряжения: на его выходе напряжение пульсирующее.

Чтобы сгладить пульсации применяется фильтрующий конденсатор С2. Как рассчитать его ёмкость?

Как обычно, можно применить два метода — точный и упрощённый. Точный метод учитывает, что конденсатор разряжается по экспоненте и прочие нюансы. Но помня о том, что конденсаторы выбрать точно на нужную ёмкость нельзя (разброс ёмкости в 10-15% это норма), мы допустим некоторые упрощения, которые на результат практически не повлияют.

Чтобы понять, как рассчитать ёмкость конденсатора С2, вспомним, что такое выпрямитель. Посмотрим на рисунок ниже. Примерно так выглядят графики зависимости напряжений от времени в нашей схеме, использующей в качестве выпрямителя диодный мост.

Синяя линяя, обозначенная цифрой 1 — это переменное напряжение на входе диодного моста (точки 1 и 2 на схеме БИП).

Красная линия, обозначенная цифрой 2 — это напряжение на стабилитроне VS1, в отсутствие сглаживающего конденсатора С2 или пульсирующее напряжение (представим, что С2 временно «откусили» от схемы). И, наконец, зелёная линия, обозначенная цифрой 3 — это сглаженное выпрямленное напряжение, когда конденсатор С2 подключён.

Нефильтрованное (пульсирующее) напряжение на выходе выпрямителя (линия 2) по амплитуде чуть меньше, чем напряжение на входе выпрямителя (линия 1). Это объясняется просто: на диодах падает несколько десятых долей вольта.

Зелёная линия 3 показывает процесс заряда и разряда конденсатора С2. Максимальное напряжение, на которое способен зарядиться в нашей схеме — это напряжение на стабилитроне VS1. Затем конденсатор начинает разряжаться до тех пор, пока в следующем периоде не начнёт заряжаться вновь.

Амплитуда пульсаций — это напряжение, на которое успел разрядиться конденсатор С2 за один период пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя (линия 2).

Посчитать приближенно амплитуду пульсаций несложно, если принять ток разряда за константу — это будет максимальный ток потребления нагрузки Rн, который мы обозначили Iнmax.

По основной формуле конденсатора можно приблизительно посчитать, что: , где — это амплитуда пульсаций, a — период времени один период пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя (линия 2).

На рисунке наглядно видно, что период равен половине периода напряжения питающей сети, или , где f — частота напряжения питающей сети (50Гц).

Таким образом, подставив одну формулу в другую, получим: или .

Теперь самое сложное — выбрать, а какая же амплитуда пульсаций нас устроит? Если в нагрузке есть свой линейный стабилизатор, то в принципе достаточно, чтобы амплитуда пульсаций была на уровне 10-20%. Например, часто в самой нагрузке Rн есть какой-то стабилизатор — 7805 или AMS1117 или ещё что-то подобное.

Если же предполагается питать цифровую схему прямо от нашего БИП без дополнительной стабилизации — то коэффициент пульсаций более 5% лучше не задавать.

Предположим, что схема у нас питается от 5В и имеет максимальный ток потребления 100мА. Коэффициент пульсаций задан 5%. Это значит, что будет равна 5% от 5В или 0.25В. Частота сети — 50Гц.

Отсюда находим ёмкость конденсатора С2 — . Нехилая такая ёмкость! Тем более, что ближайшая бОльшая ёмкость 4700мкФ. Это довольно габаритный конденсатор даже на напряжение 10В.

Если же схема имеет внутри линейный стабилизатор, например AMS1117, то уровень пульсаций можно выбрать в 20%, при этом ёмкость конденсатора С2 будет всего около 1000мкФ.

Резисторы R1 и R2 — нужные и важные

Вернёмся к резисторам R1 и R2, о которых мы временно забыли.

С резистором R2 всё просто — он нужен для безопасности человека. То есть для того, чтобы конденсатор C1 разряжался после отключения схемы от питания. Иначе, если R2 не поставить, то конденсатор C1 будет довольно долго сохранять свой заряд после отключения питания от схемы. И если к нему прикоснуться — то вас ударит током. Очень неприятно. Резистор R2 можно не рассчитывать, а просто поставить любой сопротивлением 0.5 — 1 МОм. При таком сопротивлении ток через этот резистор будет мизерным и на работу схемы не повлияет.

С резистором R1 все сложнее. В процессе работы БИП он вроде бы не нужен. И это действительно так.

Но есть ещё момент включения БИП в сеть. И если в этот момент напряжение сети близко к амплитудному значению — то схема может сгореть. Даже почти наверняка сгорит.

Дело в том, что в момент включения, конденсатор С1 разряжен. А разряженный конденсатор на какое-то время (пока достаточно не зарядится) является по сути проводником. То есть все сетевое напряжение окажется на диодном мосту, нагрузке, стабилитроне и токи при этом будут просто огромны.

Поэтому и ставят резистор R1, функция которого — ограничить ток в момент включения. Например, если поставить R1 сопротивлением всего 10 Ом, то ток включения будет ограничен в самом худшем случае величиной около 30А. А такой ток в течении нескольких микросекунд уже вполне под силу выдержать большинству стабилитронов, не говоря уж о выпрямительных диодах диодного моста.

Обычно этот резистор так выбирают в пределах 10-30 Ом. Только имейте ввиду, что его мощность должна быть не меньше, чем . 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.

Бестрансформаторный блок питания. Расчет. Ч2

   

   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

   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.

   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

 

   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.

   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.

   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.

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. 

   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.

 

   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.

   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.

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

   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.

Подключение двигателя через гасящий конденсатор. – Электропривод

ALP, А что значит попаду в резонанс? Тут же двигатель в цепи, вроде бы не должен?

Это так, к слову пришлось, просто нельзя сказать, что контура нет.

Добротность контура маленькая, двигатели конструктивно делаются, чтобы давить добротность, не повредить резонансом , если вдруг угадишь. (резонансные двигатели – совсем другая тема).

Чем грозит потеря оборотов, сопротивление в обмотке упадет?

Да, и по теории электрических машин, вырастит ток, потому они и горят при механической перегрузке или недостаточном напряжении питания (когда номинальная нагрузка становится больше фактической мощности двига).

Но у вас ток будет ограничен, однако в зависимости от нагрузки, можно получить рабочий ток больше нормы, даже с “ограничителем”.

 

Токи то пусковые будет гасить?

Да и пусковые и рабочие, пусковые будут гасится больше (в %), чем рабочие, в рабочем режиме может сложится так, что будет нехватать напряжения для работы насоса, короче, ну не расскажешь всего, надо учебник сюда переписать.

 

В общем, гасите стартовые, чем хотите, хоть резистором (лампочками), хоть емкостью, хоть индуктивностью, но после старта замкните этот балластник, можно реле времени, можно в рукопашную.

Это чтобы не вылавливать компромисс между мягким стартом и нормальной работой, подбирать придётся только старт.

 

К стати, лампы в этом плане удобны тем, что при снижении тока сопротивление сильно падает и после мягкого старта можно получить практически полное напряжение питания нагруженного двига. По этому принципу работают специальные пусковые термисторы, я их подбирал по току – параллелил, чтобы движки не горели при частом включении (до 40 раз в минуту).

Бестрансформаторные сетевые источники питания с гасящим конденсатором

Автор: Лупенко Александр

Несколько схем и расчет бестрансформаторных блоков питания с гасящим конденсатором

Сетевой источник питания с гасящим конденсатором (рис. 1), по сути, есть делитель напряжения, у которого верхнее плечо – конденсатор, а нижнее представляет собой сложную нелинейную диодно-резисторно-конденсаторную цепь. Этим и определены недостатки (и достоинства, конечно) таких устройств.

Рисунок 1:

Для того чтобы источник мог работать в широком интервале тока нагрузки с высоким КПД, достаточно входной делитель напряжения выполнить чисто реактивным, например, конденсаторным (рис. 2).

Рисунок 2:

Он позволяет дополнительно стабилизировать выходное напряжение источника последовательно включенным компенсационным или импульсным стабилизатором, чего нельзя делать в обычном источнике с гасящим конденсатором. Как показано в статье С. Бирюкова “Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором” – “Радио”, 1997, N 5, с. 48-50, – последовательный стабилизатор можно использовать только при ограничении напряжения на его входе, что опять-таки заметно снижает КПД.

Источник с конденсаторным делителем напряжения целесообразно использовать для совместной работы с импульсными стабилизаторами. Идеально подходит он для устройства, длительно потребляющего малый ток, но требующего в определенный момент резкого его увеличения. Пример – квартирное сторожевое устройство на микросхемах “МОП с исполнительным узлом на реле и звуковом сигнализаторе.

Ток, потребляемый конденсаторным делителем, будет иметь фазовый сдвиг в 90 град. относительно напряжения сети, поэтому делитель напряжения на реактивных элементах не требует охлаждения. Исходя из вышесказанного, ток через делитель вроде бы можно выбрать сколь угодно большим. Однако неоправданное увеличение тока делителя приведет к активным потерям в проводах и к увеличению массы и объема устройства. Поэтому целесообразно принять ток через делитель напряжения в пределах 0,5…3 от максимального тока нагрузки.

Расчет источника с емкостным делителем несложен. Как следует из ф-лы (2) в упомянутой статье, выходное напряжение Uвых и полный выходной ток (стабилитрона и нагрузки Iвых) источника по схеме 1,а связаны следующим образом:

Iвых = 4fC1(2Uc-Uвых)

Эта формула пригодна и для расчета источника с конденсаторным делителем, в ней просто надо заменить С1 на суммарную емкость параллельно соединенных конденсаторов С1 и С2, показанных на рис./2/(C1+C2)-2Un.

Емкость и рабочее напряжение конденсатора С2 выбирают исходя из необходимого выходного напряжения – соотношение значений емкости С1/С2 обратно пропорционально значениям падающего на С1и С2 напряжения. Например, если С1″ =1 мкф, а С2=4 мкФ, то напряжение Uc1 будет равно 4/5 напряжения сети, a Uc2=Uc/5, что при напряжении сети Uc = 220 В соответствует 186 и 44 В. Необходимо учесть, что амплитудное значение напряжения почти в 1,5 раза превышает действующее, и выбрать конденсаторы на соответствующее номинальное напряжение.

Несмотря на то, что теоретически конденсаторы в цепи переменного тока мощности не потребляют, реально в них из-за наличия потерь может выделяться некоторое количество тепла. Проверить заранее пригодность конденсатора для использования в источнике можно, просто подключив его к электросети и оценив температуру корпуса через полчаса. Если конденсатор С1 успевает заметно разогреться, его следует счесть непригодным для использования в источнике.

Практически не нагреваются специальные конденсаторы для промышленных электроустановок – они рассчитаны на большую реактивную мощность. Такие конденсаторы используют в люминесцентных светильниках, в пускорегулирующих устройствах асинхронных электродвигателей и т. п.

Ниже представлены две практические схемы источников питания с конденсаторным делителем: пятивольтный общего назначения (рис. 3) на ток нагрузки до 0,3 А и источник бесперебойного питания для кварцованных электронно-механических часов (рис. 4).

Рисунок 3:

Рисунок 4:

Делитель напряжения пятивольтного источника состоит из бумажного конденсатора С1 и двух оксидных С2 и СЗ, образующих нижнее по схеме неполярное плечо емкостью 100 мкФ. Поляризующими диодами для оксидной пары служат левые по схеме диоды моста. При номиналах элементов, указанных на схеме, ток замыкания (при Rн=0) равен 600 мА, напряжение на конденсаторе С4 в отсутствие нагрузки – 27 В.

Электронно-механические часы обычно питают от одного гальванического элемента напряжением 1,5 В. Предлагаемый источник вырабатывает напряжение 1,4 В при среднем токе нагрузки 1 мА. Напряжение, снятое с делителя С1С2, выпрямляет узел на элементах VD1, VD2. СЗ. Без нагрузки напряжение на конденсаторе СЗ не превышает 12В.

---

---

Бестрансформаторный блок питания: схемы и расчет

В каждой современной квартире имеется большое количество всевозможных гаджетов, требующих постоянного электрического питания. В основном они работают от различных батареек. Многие хозяева пытаются подключать эти устройства через обычные сетевые блоки питания на 12 В, но в большинстве случаев это не очень удобно. Основная причина заключается в больших размерах понижающих трансформаторов, которые требуют себе отдельного места. Выйти из положения поможет бестрансформаторный блок питания, изготовленный на основе гасящего конденсатора.

Общее устройство и принцип действия

Представленная схема отличается простотой, надежностью и эффективностью. Она может быть изготовлена не только методом навесного монтажа, но и в виде печатной платы. Данная схема на двенадцать вольт является рабочей, требуется лишь заранее рассчитать параметры балластового гасящего конденсатора и подобрать нужное значение тока для конкретного устройства. Практически можно сделать 5,5-вольтовый блок с возможностью увеличения напряжения до 25 В.

Основой устройства служит балластовый конденсатор, гасящий сетевое напряжение. После этого ток попадает в диодный выпрямитель, а второй конденсатор выполняет функцию фильтра. Иногда возникает необходимость быстро разрядить оба конденсатора. С этой целью в схеме предусмотрены резисторы R1 и R2. Еще один резистор R3 используется в качестве ограничителя тока при включении нагрузки.

Расчет балластного конденсатора выполняется до сборки схемы. Для этого используется простая формула С = 3200хI/Uc, в которой I является током нагрузки (А), Uc – сетевым напряжением, С – емкостью конденсатора (мкФ). Чаще всего такие расчеты используются для светодиодов.

В качестве примера можно взять любой прибор с током 150 мА. Это может быть обычная светодиодная лампа. Сетевое напряжение будет 230 В. Таким образом, 3200 х 0,15/230 = 2,08 мкФ. Номинал конденсатора выбирается наиболее близко к расчетному, то есть, его емкость составит 2,2 мкФ, а расчетное напряжение – 400 В.

Такой простейший бестрансформаторный блок не имеет гальванической развязки с питающей сетью. В связи с этим должна быть обеспечена надежная изоляция всех соединений, а само устройство – помещено в корпус из диэлектрического материала.

Основные рабочие схемы

В большинстве случаев используются две схемы источников БП. Как правило, каждый из них представляет собой бестрансформаторный блок питания с гасящим конденсатором, который служит основным элементом данных приборов. Теоретически считается, что в цепях переменного тока эти устройства вообще не потребляют мощности. Однако в реальности в конденсаторах возникают определенные потери, что приводит к выделению некоторого количества тепла.

Поэтому все конденсаторы подвергаются предварительной проверке на возможность использования его в блоке питания. Для этого их подключают к электрической сети и отслеживают колебания температуры через некоторый промежуток времени. Если конденсатор заметно разогревается, то его нельзя использовать в качестве конструктивного элемента. Допускается лишь незначительный нагрев, неспособный повлиять на общую работоспособность устройства.

1.

Представленные на рисунках источники питания имеют конденсаторный делитель. На рисунке 1 представлен делитель общего назначения на 5 В, рассчитанный на токовую нагрузку до 0,3 А. На рисунке 2 отображается схема источника бесперебойного питания, который применяется в электронно-механических кварцевых часах.

В первой схеме делитель напряжения включает в себя бумажный конденсатор С1 и два оксидных конденсатора С2 и С3. Оба последних элемента составляют неполярное плечо, расположенное ниже С1. Его общая емкость составляет 100 мкФ. Составные части диодного моста, расположенные слева, выступают в качестве поляризующих диодов, предназначенных для оксидной пары С2 и С3. На схеме указаны номиналы элементов, в соответствии с которыми на выходе ток короткого замыкания будет равен 600 мА, а напряжение на конденсаторе С4 без нагрузки – 27 вольт.

2.

Вторая схема бестрансформаторного блока питания предназначена для замены батареек (1,5В), используемых в качестве источника питания в электронно-механических часах. Напряжение, вырабатываемое блоком питания, составляет 1,4 В при средней токовой нагрузке 1 мА. Напряжение на конденсаторе С3 без нагрузки не превышает 12 В. Оно снимается с делителя, поступает на узел с элементами VD1 и VD2, где и происходит его выпрямление.

В каждом из этих вариантов рекомендуется использовать два дополнительных резистора вспомогательного назначения. Первый элемент с сопротивлением от 300 кОм до 1 мОм подключается параллельно с гасящим конденсатором. С помощью данного резистора ускоряется его разрядка, после того как устройство отключено от сети.

Другой резистор имеет сопротивление от 10 до 50 Ом и считается балластным. Он подключается в разрыв какого-либо сетевого провода последовательно с гасящим конденсатором. Данный резистор ограничивает ток, проходящий через диодный мост при подключении устройства к сети. Оба резистора должны обладать мощностью рассеяния не менее 0,5 Вт, позволяющей предотвратить вероятные поверхностные пробои этих деталей действием высокого напряжения. Балластный резистор снижает нагрузку на стабилитрон, но одновременно наблюдается рост средней мощности, потребляемой самим блоком питания.

Расчеты основных параметров

Для того чтобы устройство было работоспособным и надежно функционировало, необходимо выполнить предварительный расчет бестрансформаторного блока питания. С этой целью потребуется рассчитать основные параметры:

• Емкостное сопротивление. При включении конденсатора в цепь переменного тока, он начинает оказывать влияние на силу тока, протекающего по этой цепи, то есть на определенном этапе он становится сопротивлением. Чем больше емкость конденсатора и частота переменного тока, тем меньше величина емкостного сопротивления и наоборот. Для расчетов используется формула X_C = 1 /(2πƒC), где Х_С – емкостное сопротивление, f – частота, С – емкость. Ускорить расчеты и получить точные данные поможет онлайн-калькулятор, в который достаточно лишь ввести исходные данные.
• Сопротивление нагрузки (Rн). Его расчет позволяет выяснить, до какого значения Rн может быть уменьшено, чтобы Напряжение нагрузки стало равным напряжению стабилизации. Когда необходимо изготовить блок питания своими руками, рекомендуется воспользоваться справочной таблицей, поскольку формулы слишком сложные и не дают точных результатов.
• Напряжение гасящего конденсатора. Этот показатель обычно составляет не менее 400 В, при сетевом напряжении 220 вольт. В некоторых случаях используется более мощный элемент, с номинальным напряжением 500 или 600 В. Для бестрансформаторных блоков подходят не все типы конденсаторов. Например, устройства МБПО, МБГП, МБМ, МБГЦ-1 и МБГЦ-2 не могут работать в цепях переменного тока, в которых амплитудное значение напряжения более 150 В.

От вопросов и ответов

с TJ Byers

Срок службы реле

Вопрос:

Я использую реле DPDT для управления двигателем постоянного тока на 90 В, который тянет 1,5 А при полной нагрузке. Контакты реле рассчитаны на 10 ампер при 240 В переменного тока. Проблема в том, что контакты приварены. Из древних воспоминаний я извлек идею о том, что я видел конденсатор, используемый на контактах для уменьшения дуги. Я просмотрел большую часть своих старых ресурсов по электротехнике и не нашел почти ничего, связанного с этой идеей.

Чтобы посчитать, что мне нужно, я выкопал формулу, что I = C dv / dt. Предполагая, что изменение напряжения (dv) составляет 90 вольт, время (dt) составляет 1 мс, а ток составляет 1,5 ампер, я придумываю уравнение, что C (емкость, которая мне нужна) = 0,001 (1,5 / 90) или примерно 1,6. мФ для адекватного поглощения искры. Я подключил к точкам конденсатор на 2,2 мФ, 250 В, и, похоже, он работает без сбоев. У меня вопрос, а я хоть близко?

Грег Смит
через Интернет

Ответ:

Вы пришли к правильному ответу окольным путем – и ошиблись в своих вычислениях.Ответ на ваше уравнение на самом деле 16 мФ, а не 1,6 мФ, но 1,6 мФ – правильное значение. Практическое правило для этого метода – от 0,5 до 1,0 мФ на ампер. В вашем случае 1,5 ампера составляют 1,5 мФ – очень близко к вашему «расчету» 1,6 мкФ. Однако вы были правы, выбрав для этого приложения конденсатор на 250 вольт. Правило большого пальца говорит от 200 до 300 вольт.

Однако следует соблюдать осторожность при использовании этого метода. По мере увеличения емкости увеличиваются и заряд, и количество накопленной энергии в конденсаторе.Это энергия и ток, которые должны отводиться через контакты – со скоростью I = C dv / dt, когда они замыкаются. (Видите, где играет ваша формула?)

Этого скачка тока может быть достаточно для сваривания контактов и фактически отмены вашего решения. Идеальный способ подавить дугу без риска повреждения контактов при последующем замыкании – это добавить резистор последовательно с конденсатором, как показано ниже. Сопротивление резистора обычно составляет от 0,5 до 1,0 Ом на вольт – в вашем случае около 50 Ом.Таким образом, правило без математики – 1 мФ на ампер и 0,5 Ом на вольт.

Чтобы выразить это математически, нам не потребуется ничего, кроме закона Ома и формулы заряда конденсатора. Когда точки разделяются (прерываются), текущий поток хочет продолжать течь, и он будет делать это, зажигая дугу. Критерии создания и поддержания дуги сложны, но достаточно сказать, что после того, как дуга зажжена, ее труднее погасить, потому что она создает свою собственную самоподдерживающуюся среду – так же, как лесной пожар создает свои собственные ветры, чтобы кормить себя.

Условия, необходимые для зажигания дуги, зависят от напряжения на размыкающих контактах (промежутке) и тока в данный момент. Теперь, если мы поместим конденсатор на контакты, крышка будет действовать как короткое замыкание при размыкании контактов. В этот момент крышка начинает заряжаться по формуле t = RC, где R можно рассчитать из R = E / I, где E – напряжение на точках, а I – ток, протекающий во время разрыва.

Если мы сможем сбалансировать время зарядки конденсатора и время, необходимое для того, чтобы контакты открылись достаточно широко, чтобы напряжение не могло перепрыгнуть через промежуток, дуга подавляется.Обычно это 0,1 мс для ретрансляции кадров описываемого вами типа. Подставляя эти значения в наши уравнения, мы получаем R = 90 В / 1,5 А = 60 Ом. Вычисляя емкость, получаем C = t / R = 0,0001 / 60 = 1,67 мФ.

Забудьте об этом, если вы пытаетесь вычислить математику для ограничителя переменного напряжения. Синусоидальная волна самозатухает, потому что она пересекает ноль. То есть два раза в каждом цикле напряжение на контактах равно нулю, поскольку напряжение меняется с положительного на отрицательное.В таких условиях поддерживать дугу очень сложно – это подтвердят многие сварщики.

Конденсаторный источник питания для светодиодов. Расчет гасящего конденсатора. Есть несколько существенных недостатков

Что-то меня часто начинало спрашивать, как подключить микроконтроллер или какую низковольтную схему напрямую к 220 без использования трансформатора. Желание вполне очевидное – трансформатор, даже импульсный, очень громоздкий. И воткнуть его, например, в цепь управления люстры, помещенной прямо в выключатель, при всем желании не получится.Возможно выдолбление ниши в стене, но это не наш метод!

Тем не менее, есть простое и очень компактное решение – делитель на конденсаторе.

Правда, у конденсаторных блоков питания нет изоляции от сети, так что если вдруг в нем что-то перегорит, или выйдет из строя, то запросто может обыграть вас током, либо сжечь вашу квартиру, ну и угробить компьютер на время приятная вещь, в общем, безопасность техники здесь нужно соблюдать как никогда – это описано в конце статьи.В общем, если я не убедил вас в том, что бестрансформаторные блоки питания – зло, то он и сам злой Буратино, я тут ни при чем. Ладно, ближе к теме.

Помните обычный резистивный делитель?

Казалось бы, в чем проблема, выбрал требуемые номиналы и получил необходимое напряжение. Потом поправил и профит. Но не все так просто – такой делитель может и сможет дать необходимое напряжение, но совсем не даст нужный ток.Потому что сопротивления очень высокие. А если пропорционально уменьшить сопротивления, то через них будет протекать большой ток, который при напряжении 220 вольт даст очень большие тепловые потери – резисторы нагреются как печка и в результате либо выйдут из строя, либо запустят Огонь.

Все меняется, если один из резисторов заменить конденсатором. Суть в том, что как вы помните из статьи про конденсаторы, напряжение и ток на конденсаторе не совпадают по фазе.Те. когда напряжение максимально, ток минимален, и наоборот.

Поскольку у нас напряжение переменное, конденсатор будет постоянно разряжаться и заряжаться, а особенность разрядки-заряда конденсатора заключается в том, что когда он имеет максимальный ток (в момент зарядки), то минимальное напряжение и устанавливается. Когда он уже заряжен и нагрузка на него максимальна, то ток равен нулю. Соответственно, в данной ситуации мощность тепловых потерь, выделяемая на конденсаторе (P = U * I), будет минимальной.Те. он даже не потеет. А реактивное сопротивление конденсатора Xc = -1 / (2pi * f * C).

Теоретическое отступление

В цепи есть три типа сопротивлений:

Активное – резистор (R)
Реактивное – конденсатор (X c) и катушка (XL)
Суммарное сопротивление цепи (импеданс) Z = (R 2 + (XL + X c) 2) 1/2

Активное сопротивление всегда постоянно, а реактивное сопротивление зависит от частоты.
X L = 2pi * f * L
Xc = -1 / (2pi * f * C)
Знак реактивного сопротивления элемента указывает на его природу.Те. если больше нуля, то это индуктивные свойства, если меньше нуля – емкостные. Из этого следует, что индуктивность может компенсироваться емкостью и наоборот.

f – текущая частота.

Соответственно, при постоянном токе при f = 0 и XL катушки становится равным 0 и катушка превращается в обычный кусок провода только с одним активным сопротивлением, а Xc конденсатора уходит в бесконечность, превращая его в разомкнутая цепь.

Получается, что у нас такая схема:

Все, в одном направлении ток течет через один диод, в другом – через второй.В результате в правой части схемы у нас уже не изменение, а пульсирующий ток – одна полуволна синусоиды.

Добавьте сглаживающий конденсатор, чтобы напряжение было тише, микрофарады при 100 и вольт при 25, электролит:

В принципе уже готов, единственное, поставить стабилитрон на такой ток, чтобы он не сдох при отсутствии нагрузки вообще, потому что тогда ему придется отдаться за всех, притаскивая весь ток, который может дать БП.

А вы ему поможете, легонец. Установите токоограничивающий резистор. Правда, это сильно снизит нагрузочную способность блока питания, но нам этого достаточно.

Ток, который может дать эта схема, может быть, ЕМНИП, приблизительно рассчитан по формуле:

I = 2F * C (1.41U – Uвых / 2).

• F – частота питания. У нас 50 Гц.
• C – вместимость
• U – напряжение в розетке
• Uout – выходное напряжение

Сама формула получена из жутких интегралов сигналов тока и напряжения.В принципе, можно и самому погуглить по ключевому слову “расчет гасящего конденсатора”, материала предостаточно.

В нашем случае получается, что I = 100 * 0,46E-6 (1,41 * U – Uвых / 2) = 15мА

Не феерия, но для МК + ЦОП + оптоинтерфейса более чем достаточно. И большего обычно не требуется.

Добавьте пару конденсаторов для дополнительной фильтрации мощности, и вы можете использовать:

Потом как обычно все протравил и припаял:

Схема много раз проверена и работает.Однажды засунул в систему управления обогревом термостекла. Сиденья были из спичечных коробок, а безопасность обеспечивалась полным остеклением всего блока.

БЕЗОПАСНОСТЬ

В этой схеме отсутствует развязка напряжения от цепи питания, что означает, что цепь ОЧЕНЬ ОПАСНА с точки зрения электробезопасности.

Поэтому к его установке и выбору комплектующих необходимо отнестись предельно ответственно. А также аккуратно и очень бережно обращайтесь с ним при настройке.

Во-первых, обратите внимание, что один из выводов идет на GND прямо из розетки. Это значит, что фаза может быть в зависимости от того, как вилка вставлена ​​в розетку.

Поэтому строго соблюдайте ряд правил:

• 1. Номинальные значения следует устанавливать с запасом на максимально возможное напряжение. Особенно это касается конденсатора. У меня 400 вольт, но это тот, который был в наличии. Лучше бы вообще до 600 вольт, т.к. в электросети иногда бывают скачки напряжения, намного превышающие номинальное.Стандартные блоки питания в силу своей инерции легко переживут это, а вот конденсатор может пробиться – только представьте последствия. Хорошо, если нет огня.
• 2. Эта цепь должна быть тщательно изолирована от окружающей среды. Надежный корпус, чтобы ничего не торчало. Если схема монтируется в стене, то она не должна касаться стен. В общем, все это плотно упаковываем в пластик, остекловываем и закапываем на глубину 20 метров. :)))))
• 3. При установке никогда не касайтесь руками каких-либо элементов цепи.Не сомневайтесь, что на выходе есть 5 вольт. Поскольку пять вольт существуют исключительно относительно себя. Но что касается экологии, там 220 все те же.
• 4. После отключения крайне желательно разрядить гасящий конденсатор. Потому что в нем заряд 100-200 вольт, и если нечаянно ткнуть куда-то не в том месте, палец поранится. Вряд ли смертельно, но и приятного мало, а от неожиданности можно причинить вред.
• 5.Если используется микроконтроллер, то его прошивка должна производиться ТОЛЬКО при его полном отключении от сети. Причем выключать его нужно, вытаскивая из розетки. Если этого не сделать, то с вероятностью, близкой к 100%, компьютер будет убит. И скорее всего все.
• 6. То же самое и с подключением к компьютеру. С таким блоком питания запрещено подключать через USART, запрещено подключать землю.

Если вы все еще хотите общаться с компьютером, используйте потенциально разделенные интерфейсы.Например, радиоканал, инфракрасная передача, в худшем случае, разделение оптопары RS232 на две независимые части.

Если у вас когда-либо стояла задача понизить напряжение до любого уровня, например с 220 Вольт до 12 В, то эта статья для вас.

Есть много способов сделать это с подручными материалами. В нашем случае мы будем использовать одну деталь – контейнер.

В принципе можно использовать обычное сопротивление, но в этом случае у нас будет проблема перегрева этой детали, а там она недалеко от огня.

В случае использования цистерны в качестве опускного элемента ситуация иная.

Емкость, включенная в цепь переменного тока, имеет (в идеале) только реактивное сопротивление, значение которого находится по известной формуле.

Кроме того, в нашу схему мы включаем какую-то нагрузку (лампочку, дрель, стиральную машинку), которая тоже имеет какое-то сопротивление R

Таким образом, общее сопротивление цепи будет равно

.

Наша схема согласована, поэтому полное напряжение схемы является суммой напряжений на конденсаторе и нагрузке

По закону Ома вычисляем ток, протекающий в этой цепи.

Как видите, зная параметры схемы легко вычислить недостающие значения.

А помня, как рассчитывается мощность, легко рассчитать параметры конденсатора исходя из потребляемой мощности нагрузки.

Имейте в виду, что в такой схеме нельзя использовать полярные конденсаторы, то есть те, которые включены в электронную схему в строгом соответствии с указанной полярностью.

Кроме того, необходимо учитывать частоту сети. f … А если у нас в России частота 50 Гц, то например в Америке частота 60 Гц. Это также влияет на окончательные расчеты.

Примеры расчетов

Необходимо запитать лампочку 36Вт, рассчитанную на напряжение 12В. Какая ёмкость понижающего конденсатора здесь нужна?

Если речь идет об электрических сетях в России, то входное напряжение 220 Вольт, частота 50 Гц.

Ток, проходящий через лампочку, составляет 3 А (36, разделенные на 12).Тогда вместимость по приведенной выше формуле будет равна:

Полученные параметры понижающего конденсатора

В самом начале темы, касательно выбора гасящего конденсатора, рассмотрим схему, состоящую из последовательно включенных в сеть резистора и конденсатора. Суммарное сопротивление такой цепи будет равно:

Действующее значение тока соответственно находится по закону Ома, напряжение сети делится на полное сопротивление цепи:

В результате для тока нагрузки и входных и выходных напряжений получаем следующее соотношение:

А если выходное напряжение достаточно мало, то вправе считать его примерно равным:

Однако рассмотрим с практической точки зрения вопрос выбора гасящего конденсатора для подключения нагрузки к сети переменного тока, рассчитанной на напряжение меньше стандартной сети.

Допустим, у нас есть лампа накаливания мощностью 100 Вт, рассчитанная на 36 вольт, и по какой-то невероятной причине нам нужно запитать ее от бытовой сети 220 вольт. Лампе необходим эффективный ток, равный:

Тогда емкость необходимого гасящего конденсатора будет равна:

Имея такие, получаем надежду получить нормальное свечение лампы, надеемся, что хоть она не перегорит. Такой подход, если исходить из действующего значения тока, приемлем для активных нагрузок, таких как лампа или нагреватель.

А что делать, если нагрузка нелинейная и включается через? Допустим, вам нужно зарядить свинцово-кислотный аккумулятор. Что тогда? Тогда зарядный ток для АКБ будет пульсирующим, и его значение будет меньше действующего значения:

Иногда радиолюбителю может быть полезно иметь источник питания, в котором гасящий конденсатор включен последовательно с диодным мостом, на выходе которого, в свою очередь, есть фильтрующий конденсатор значительной емкости, на который подается постоянный ток. нагрузка подключена.Получается этакий бестрансформаторный блок питания с конденсатором вместо понижающего трансформатора:

Здесь нагрузка в целом будет нелинейной, а ток перестанет быть синусоидальным, и придется проводить вычисления несколько иначе. Дело в том, что сглаживающий конденсатор с диодным мостом и нагрузкой внешне проявит себя как симметричный стабилитрон, потому что пульсации при значительной емкости фильтра станут незначительными.

Когда напряжение на конденсаторе меньше определенного значения, мост замыкается, а если оно выше, ток будет течь, но напряжение на выходе моста не повысится. Рассмотрим процесс более подробно с графиками:

В момент времени t1 сетевое напряжение достигло амплитуды, конденсатор C1 также заряжается в этот момент до максимально возможного значения за вычетом падения напряжения на мосту, которое будет примерно равно выходному напряжению.Ток через конденсатор С1 в этот момент равен нулю. Далее напряжение в сети стало снижаться, напряжение на мосту тоже, но на конденсаторе С1 пока не меняется, а ток через конденсатор С1 по-прежнему равен нулю.

Далее напряжение на мосту меняет знак, стремясь к уменьшению до минус Uin, и в этот момент ток устремляется через конденсатор С1 и диодный мост. Далее напряжение на выходе моста не меняется, а ток в последовательной цепи зависит от скорости изменения напряжения питания, как если бы к сети был подключен только конденсатор С1.

Когда синусоида сети достигает противоположной амплитуды, ток через C1 снова становится равным нулю, и процесс будет идти по кругу, повторяясь каждые полупериод. Очевидно, что ток через диодный мост протекает только в интервале между t2 и t3, а значение среднего тока можно рассчитать, определив площадь нарисованной цифры под синусоидой, которая будет равна:

Если выходное напряжение схемы достаточно мало, то эта формула приближается к полученной ранее.Если выходной ток установить равным нулю, то получим:

То есть при отключении нагрузки выходное напряжение станет равным амплитуде сетевого !!! Это означает, что такие компоненты следует использовать в схеме, чтобы каждый из них выдерживал амплитуду питающего напряжения.

Кстати, при уменьшении тока нагрузки на 10% выражение в скобках уменьшится на 10%, то есть выходное напряжение увеличится примерно на 30 вольт, если изначально мы имеем дело, скажем, с 220 вольт на вход и 10 вольт на выходе.Таким образом, использование стабилитрона параллельно нагрузке строго обязательно !!!

Что делать, если выпрямитель полуволновой? Тогда сила тока должна быть рассчитана по следующей формуле:

При низких значениях выходного напряжения ток нагрузки будет вдвое меньше, чем при полном мостовом выпрямлении. А напряжение на выходе без нагрузки будет вдвое больше, так как здесь мы имеем дело с удвоителем напряжения.

Итак, блок питания с гасящим конденсатором рассчитывается в следующем порядке:

Первый шаг – выбрать выходное напряжение.

Затем определяются максимальный и минимальный токи нагрузки.

Если предполагается, что ток нагрузки является переменным, требуется стабилитрон, параллельный нагрузке!

Наконец, рассчитывается емкость гасящего конденсатора.

Для схемы с двухполупериодным выпрямлением при частоте сети 50 Гц емкость определяется по следующей формуле:

Результат, полученный по формуле, округляется в сторону большей емкости (желательно не более 10%).

Следующим шагом является определение тока стабилизации стабилитрона для максимального напряжения питания и минимального тока потребления:

Для схемы однополупериодного выпрямления гасящий конденсатор и максимальный ток стабилитрона рассчитываются по следующим формулам:

При выборе гасящего конденсатора лучше ориентироваться на пленочные и металлобумажные конденсаторы. В этих схемах хорошо работают пленочные конденсаторы небольшой емкости – до 2,2 мкФ на рабочее напряжение 250 вольт при питании от сети 220 вольт.Если вам нужна большая емкость (более 10 мкФ), лучше выбрать конденсатор на рабочее напряжение 500 вольт и более.

Андрей Повный

Прочитав этот заголовок, кто-то может спросить: «Почему?» Да, если просто воткнуть в розетку, даже включив по определенной схеме, практического значения не имеет, никакой полезной информации не принесет. Но если этот же светодиод подключить параллельно ТЭНу, управляемому терморегулятором, то можно визуально контролировать работу всего устройства.Иногда такое указание позволяет избавиться от множества мелких проблем и неприятностей.

В свете уже сказанного задача кажется тривиальной: достаточно поставить ограничивающий резистор необходимого номинала, и вопрос решен. Но все это хорошо, если запитать светодиод выпрямленным постоянным напряжением: поскольку светодиод был подключен в прямом направлении, он остался прежним.

При работе от переменного напряжения все не так просто. Дело в том, что помимо прямого напряжения на светодиод будет действовать еще и напряжение обратной полярности, потому что каждый полупериод синусоиды меняет свой знак на противоположный.Это обратное напряжение не загорится светодиодом, но может очень быстро выйти из строя. Поэтому необходимо принять меры по защите от этого «вредного» напряжения.

В случае сетевого напряжения демпфирующий резистор должен рассчитываться на основе значения напряжения 310 В. Почему? Здесь все очень просто: это 220В, значение амплитуды будет 220 * 1,41 = 310В. Амплитуда напряжения в корне в два (1,41) раза больше текущего, и об этом нельзя забывать.Это прямое и обратное напряжение, приложенное к светодиоду. Сопротивление демпфирующего резистора должно быть рассчитано исходя из значения 310 В, и именно из этого напряжения, только обратной полярности, необходимо защитить светодиод.

Как защитить светодиод от обратного напряжения

Практически для всех светодиодов обратное напряжение не превышает 20В, так как на них никто не собирался делать высоковольтный выпрямитель. Как избавиться от такой напасти, как уберечь светодиод от этого обратного напряжения?

Оказывается, все очень просто.Первый способ – включить последовательно со светодиодом обычный с высоким обратным напряжением (не ниже 400В), например 1N4007 – обратное напряжение 1000В, прямой ток 1А. Именно он не подаст на светодиод высокое напряжение отрицательной полярности. Схема такой защиты представлена ​​на рис. 1а.

Второй способ, не менее эффективный, заключается в простом обходе светодиода с другим диодом, подключенным в обратном направлении – параллельно, рис. 1б. При таком способе защитный диод даже не обязательно должен быть с высоким обратным напряжением, достаточно любого маломощного диода, например, КД521.

Более того, можно просто включить наоборот – параллельно два светодиода: поочередно открываясь, они сами будут защищать друг друга и даже оба будут излучать свет, как показано на рисунке 1c. Это уже третий способ защиты. Все три схемы защиты показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Светодиодные схемы защиты от обратного напряжения

Ограничительный резистор в этих схемах имеет сопротивление 24КОм, что при действующем напряжении 220В обеспечивает ток около 220/24 = 9.16мА, можно округлить до 9. Тогда мощность гасящего резистора будет 9 * 9 * 24 = 1944мВт, почти два Вт. И это несмотря на то, что ток через светодиод ограничен 9 мА. Но длительное использование резистора на максимальной мощности ни к чему хорошему не приведет: сначала он почернеет, а потом полностью сгорит. Чтобы этого не произошло, рекомендуется установить последовательно два резистора 12K мощностью 2Вт каждый.

Если выставить текущий уровень 20мА, то будет еще больше – 20 * 20 * 12 = 4800мВт, почти 5Вт! Естественно, что печь такой мощности для обогрева помещения не может себе позволить никто.Это на основе одного светодиода, а что, если есть целое?

Конденсатор – безвыходное сопротивление

В схеме, показанной на рисунке 1а, защитный диод D1 «отсекает» отрицательный полупериод переменного напряжения, поэтому мощность гасящего резистора уменьшается вдвое. Но, тем не менее, мощность остается довольно значительной. Поэтому его часто используют как ограничивающий резистор: он будет ограничивать ток не хуже резистора, но выделять тепло не будет. Недаром конденсатор часто называют безбатковым сопротивлением.Этот способ включения показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема включения светодиода через балластный конденсатор

Тут вроде все нормально, есть даже защитный диод VD1. Но две детали не приводятся. Во-первых, конденсатор С1 после отключения схемы может оставаться в заряженном состоянии и накапливать заряд, пока кто-нибудь не разрядит его рукой. И это, поверьте, когда-нибудь обязательно произойдет. Удар током, конечно, не смертельный, но довольно чувствительный, неожиданный и неприятный.

Поэтому, чтобы избежать такой неприятности, эти гасящие конденсаторы зашунтированы резистором с сопротивлением 200 … 1000 кОм. Такая же защита установлена ​​в бестрансформаторных источниках питания с гасящим конденсатором, в оптопарах и некоторых других схемах. На рисунке 3 этот резистор обозначен R1.

Рисунок 3. Схема подключения светодиода к осветительной сети

Помимо резистора R1 на схеме присутствует резистор R2.Его цель – ограничить пусковой ток через конденсатор при подаче напряжения, что помогает защитить не только диоды, но и сам конденсатор. Из практики известно, что при отсутствии такого резистора конденсатор иногда обламывается, его емкость становится намного меньше номинальной. Излишне говорить, что конденсатор должен быть керамическим на рабочее напряжение не менее 400 В или специально для работы в цепях переменного тока на напряжение 250 В.

Еще одна важная роль отводится резистору R2: при пробое конденсатора он работает как предохранитель.Конечно, светодиоды тоже придется заменить, но хотя бы соединительные провода останутся целыми. На самом деле так в любом работает предохранитель – транзисторы сгорели, а печатная плата осталась практически целой.

На схеме, представленной на рисунке 3, показан только один светодиод, хотя на самом деле их можно включать последовательно по несколько штук. Защитный диод полностью справится со своей задачей в одиночку, а вот емкость балластного конденсатора придется рассчитывать, хоть приблизительно, но все же.

Чтобы рассчитать сопротивление демпфирующего резистора, необходимо вычесть падение напряжения на светодиоде из напряжения питания. Если несколько светодиодов соединены последовательно, то просто сложите их напряжения, а также вычтите из напряжения питания. Зная это остаточное напряжение и необходимый ток, по закону Ома очень просто рассчитать сопротивление резистора: R = (U-Ud) / I * 0,75.

Здесь U – напряжение питания, Ud – падение напряжения на светодиодах (если светодиоды подключены последовательно, то Ud – это сумма падений напряжения на всех светодиодах), I – ток через светодиоды, R – сопротивление демпфирующего резистора.Здесь как всегда напряжение в Вольтах, ток в Амперах, результат в Ом, 0,75 – коэффициент повышения надежности. Эта формула уже приводилась в статье.

Величина прямого падения напряжения для светодиодов разного цвета разная. При токе 20 мА красные светодиоды имеют 1,6 … 2,03 В, желтые 2,1 … 2,2 В, зеленые 2,2 … 3,5 В, синие 2,5 … 3,7 В. Наибольшее падение напряжения имеют светодиоды белого цвета с широким спектром излучения 3,0 … 3,7 В. Нетрудно заметить, что разброс этого параметра довольно большой.

Вот падение напряжения всего нескольких типов светодиодов, только по цвету. На самом деле этих цветов намного больше, и точное значение можно узнать только в технической документации на конкретный светодиод. Но зачастую этого и не требуется: для получения приемлемого для практики результата достаточно подставить в формулу какое-то среднее значение (обычно 2В), конечно, если это не гирлянда из сотен светодиодов.

Для расчета емкости гасящего конденсатора эмпирическая формула С = (4.45 * I) / (U-Ud) используется,

где C – емкость конденсатора в микрофарадах, I – ток в миллиамперах, U – пиковое напряжение сети в вольтах. При использовании цепочки из трех последовательно соединенных белых светодиодов Uд составляет около 12 В, U – пиковое напряжение сети 310 В, для ограничения тока на уровне 20 мА используется конденсатор емкостью

.

C = (4,45 * I) / (U-Ud) = C = (4,45 * 20) / (310-12) = 0,29865 мкФ, почти 0,3 мкФ.

Ближайшее стандартное значение емкости конденсатора равно 0.15 мкФ, поэтому для использования в этой схеме вам придется использовать два параллельно соединенных конденсатора. Здесь необходимо сделать заметку: формула действительна только для переменного напряжения частотой 50 Гц. Для других частот результаты будут неверными.

Сначала необходимо проверить конденсатор

Перед использованием конденсатора его необходимо проверить. Для начала просто включите 220В в сеть, лучше через предохранитель на 3 … 5А, а через 15 минут проверьте наощупь, есть ли заметный нагрев? Если конденсатор холодный, можно его использовать.В противном случае обязательно возьмите еще один и сначала проверьте его. Ведь 220В уже не 12, тут все несколько иначе!

Если эта проверка прошла успешно, конденсатор не нагрелся, тогда вы можете проверить, была ли ошибка в расчетах, имеет ли конденсатор правильную емкость. Для этого необходимо как и в предыдущем случае включить конденсатор в сеть, только через амперметр. Естественно, амперметр должен быть переменного тока.

Напоминаем, что далеко не все современные цифровые мультиметры могут измерять переменный ток: простые дешевые устройства, например, очень популярные среди радиолюбителей, способны измерять только постоянный ток, который такой амперметр покажет при измерении переменного тока, никто не знает. Скорее всего, это будет цена дерева или температура на Луне, а не переменный ток через конденсатор.

Если измеренный ток примерно такой, как выяснилось при расчете по формуле, то можно смело подключать светодиоды.Если вместо ожидаемых 20 … 30мА получилось 2 … 3А, то либо ошибка в расчетах, либо неправильно считана маркировка конденсатора.

Выключатели с подсветкой

Здесь можно остановиться еще на одном способе включения светодиода в используемую осветительную сеть. Если разобрать такой выключатель, то обнаружишь, что там нет защитных диодов. Так все ли написано выше чепухи? Вовсе нет, просто нужно внимательнее посмотреть на разобранный переключатель, а точнее на номинал резистора.Как правило, его номинал составляет не менее 200 кОм, а может и чуть больше. В то же время очевидно, что ток через светодиод будет ограничен примерно 1 мА. Автоматический выключатель с подсветкой показан на Рисунке 4.

Рисунок 4. Схема подключения светодиода в выключателе с подсветкой

Здесь одним резистором убивают несколько “зайцев одним выстрелом”. Конечно, ток через светодиод будет небольшим, светиться он будет слабо, но достаточно ярко, чтобы разглядеть это свечение в комнате темной ночью.Но днем ​​в этом свечении вообще нет необходимости! Так позвольте себе незаметно светиться.

В этом случае обратный ток тоже будет слабым, настолько слабым, что он никак не сможет сжечь светодиод. Отсюда экономия ровно на один защитный диод, описанный выше. Выпуск миллионов, а может быть, даже миллиардов коммутаторов в год дает значительную экономию.

Казалось бы, прочитав статьи о светодиодах, все вопросы по их применению ясны и понятны.Но есть еще много тонкостей и нюансов при включении светодиодов в различных схемах. Например, параллельное и последовательное соединение, или, другими словами, хорошие и плохие схемы.

Иногда хочется собрать гирлянду из нескольких десятков светодиодов, но как рассчитать? Сколько светодиодов можно подключить последовательно при питании от источника питания 12 или 24 В? Эти и другие вопросы будут рассмотрены в следующей статье, которую мы назовем «Хорошие и плохие схемы для переключения светодиодов».

Некоторые радиолюбители при проектировании сетевых источников питания вместо понижающих трансформаторов используют конденсаторы в качестве балласта , демпфирующие перенапряжения (рис.1).

Неполярный конденсатор, подключенный к цепи переменного тока, ведет себя как сопротивление, но, в отличие от резистора, не рассеивает поглощенную мощность в виде тепла, что позволяет разработать компактный источник питания, который является легким и дешевым. Емкость конденсатора на частоте f описывается выражением:

Величина емкости балластного конденсатора Cb определяется с достаточной точностью по формуле:

где U c – напряжение сети, В;

I Н – ток нагрузки, А;

U H – напряжение на нагрузке, В.Если U H находится в диапазоне от 10 до 20 В, то для расчета вполне приемлемо выражение:

Подставляя значения U c = 220 В и UH = 15 В, при I n = 0,5 А получаем значения Sb = 7,28 мкФ (1) и Sb = 7,27 мкФ ( 2). Оба выражения вполне соответствуют друг другу, особенно если учесть, что емкость обычно округляется до ближайшего большего значения. Лучше выбирать конденсаторы из серии К73-17 с рабочим напряжением не менее 300 В.

При использовании этой схемы вы всегда должны помнить, что она гальванически подключена к сети, и вы рискуете получить удар электрическим током с потенциалом сетевого напряжения. Кроме того, измерительную аппаратуру или любые дополнительные устройства следует очень аккуратно подключать к прибору с бестрансформаторным питанием, иначе можно получить совсем не праздничный салют.

Для питания даже маломощных устройств лучше использовать понижающие трансформаторы. Если напряжение его вторичной обмотки не соответствует требуемому (превышает), то вполне безопасно использовать гасящий конденсатор в цепи первичной обмотки трансформатора для понижения напряжения или для подключения трансформатора к низковольтному. первичная обмотка в сеть (рис.2) Балластный конденсатор в данном случае выбирается из расчета, чтобы при максимальном токе нагрузки выходное напряжение трансформатора соответствовало заданному.

Литература

1. Бирюков С.А. Устройства на микросхемах. – М., 2000.

.

И. СЕМЕНОВ,

дубна, Московская область

Использовать конденсатор в качестве сопротивления

Другой способ снизить напряжение питания компрессора немного расточителен, но достаточно прост и совсем не дорог.Отличается высокой надежностью. (Мое мнение, что он надежнее промышленного LATR.). Из недостатков метод не универсален. А еще надо немножко посчитать и замерить, т.е. напрячься, любимые …
Он состоит в простом – последовательно с обмоткой компрессора включен гасящий резистор. На этом резисторе гасится (падает) часть сетевого напряжения, в результате чего рабочая обмотка компрессора хронически теряет мощность. Номинал этого резистора зависит не только от того, какую часть 220 (240) Вольт мы хотим погасить, но и от мощности самого компрессора.Для простоты мы можем сосредоточиться на тех же обсуждаемых 10%, которые мы хотим выплатить. Те. резистор должен «взять» около 20 Вольт, а оставшиеся 200-220 Вольт отдать компрессору.

Ниже приводится упрощенный метод расчета этого резистора для инженеров, не занимающихся электроникой (я специально упрощаю расчет, чтобы не оставлять в расчетах непонятных мест, которые очень мало влияют на конечный результат).

Расчет гасящего резистора

1.Прочтите на этикетке или внизу данные компрессора о его потребляемой мощности.

Пример:

Пусть наш компрессор на 22 ватта, а для упрощения возьмем сетевое напряжение равным 220 вольт. Тогда ток, протекающий через компрессор, будет равен:

I = P / U = 22/220 = 0,1 Ампер

Наша задача – погасить около 20 вольт. Тогда по закону Ома сопротивление такого резистора должно быть:

R = U / I = 20/0.1 = 200 Ом

Мощность резистора определяется по такой же простой формуле:

P = U x I = 20 x 0,1 = 2 Вт

Мощность резистора пожаротушения следует брать с запасом не менее чем на 50% от расчетного значения. Но лучше запас сделать побольше. Ближайший стандартный номинал – резистор на 200 Ом мощностью 5 Вт. Если поставить резистор на 10 ватт, станет только лучше – тогда вообще не нагреется.

В компрессорную коробку можно встроить резистор

А.Сделать это еще проще, – выбрать для компрессора отдельный удлинитель с тройником и установить резистор в корпус тройника, включив его последовательно с нагрузкой (т. Е. С компрессором).

Повторяю, описанный выше метод расчета номинала резистора не совсем точен. Считается все немного иначе. Но для наших целей такого приблизительного расчета вполне достаточно. Ставите резистор на 200, 210 или 220 Ом, – на конечный результат это особо не повлияет.Отмечу только, что резисторы лучше выбирать такие же «лопатки», или хотя бы современные отечественные. На фото пример правильного резистора, китайские ватты, указанные на их резисторах, заметно отличаются от заявленных. И, конечно, в меньшем направлении.

Предупреждение! Никакие другие устройства в эту тройку быть не могут. Потому что при подключении другого устройства нужно пересчитать номинал гасящего резистора.
Напишите «Компрессор!» С фломастером на этой футболке, чтобы не забыть, что эта футболка перестала быть футболкой общего назначения.
(Выделение отдельного блока для такого жизненно важного объекта, как компрессор в системе аквариума, вряд ли можно считать неприемлемой расточительностью. 😉

Выпрямители для зарядки аккумуляторных батарей, малогабаритных осветительных ламп и других устройств с рабочим напряжением ниже напряжения сети обычно подключаются к нему через трансформатор или последовательно с дополнительными резисторами, на которых гасится повышенное напряжение. В то же время на гасящем резисторе выделяется большая мощность, которая рассеивается в виде тепла.

Но известно, что конденсатор, подключенный к цепи переменного тока, имеет частотно-зависимое сопротивление, называемое реактивным сопротивлением. С его помощью также можно подавить чрезмерное сетевое напряжение, при этом не будет высвобождаться реактивная мощность, что является большим преимуществом конденсатора перед гасящим резистором.

Поскольку полное сопротивление Z цепи, состоящей из последовательно соединенных нагрузок с активным сопротивлением R H и конденсатора с реактивным сопротивлением X c, равно Z = √ R H 2 + X C 2, прямой расчет емкости гасящего конденсатора довольно сложен.Для его определения проще использовать номограмму, представленную на рис. 1.

На нем по оси абсцисс – сопротивления RH в кОм, по оси ординат – емкости C гасящих конденсаторов в микрофарадах, а по оси, проведенной под углом 45 ° к оси абсцисс, – полное сопротивление Z цепь в кОм.

Для использования номограммы сначала необходимо определить R H и Z согласно закону Ома или формуле мощности.

На оси абсцисс номограммы находится расчетное значение R H, и от этой точки проводится вертикальная линия, параллельная оси ординат.Затем на наклонной оси находится ранее определенное значение Z. От исходной точки через точку Z проводится дуга, которая должна пересекать линию, проведенную параллельно ординатам оспы. От точки пересечения проведена линия, параллельная оси абсцисс. Точка пересечения этой линии с осью ординат будет указывать на требуемую емкость гасящего конденсатора.

Пример 1 . Определите емкость конденсатора, который необходимо подключить последовательно с лампой 127 В 25 Вт, чтобы ее можно было включить в сеть переменного тока напряжением 220 В.Находим R H:

R H = U 2 / P = 127 2/25 = 640 Ом

где U – напряжение, на которое рассчитана осветительная лампа, P – мощность лампы. Для определения Z необходимо узнать ток I, протекающий в цепи:

I = P / U = 25/127 = 0,2А

Тогда Z равно:

Z = 220 / 0,2 = 1100 Ом

Способ определения емкости гасящего конденсатора по расчетным предварительным данным показан на номограмме жирными линиями.

Пример 2 . Мостовой выпрямитель (рис.2) с выходным напряжением U о = 18 В и током нагрузки IH = 20 мА необходимо запитать от сети напряжением 127 В. Найдите конденсатор С 1, который необходимо подключить в к выпрямителю, чтобы погасить чрезмерное напряжение.

Определить сопротивление нагрузки:

R H = U o / I H = 18 / 0,02 = 900 Ом

и полная зольность:

Для подавления напряжения можно использовать только бумажные конденсаторы, предназначенные для работы в цепи переменного тока (типы МБМ, МБГП, БМТ и др.). Их рабочее напряжение для большей надежности должно в два-три раза превышать напряжение, которое необходимо погасить.

Зарядные устройства малой мощности для герметичных аккумуляторных батарей, блоки питания для светодиодных ламп, блоки питания для низковольтных низковольтных устройств обычно подключаются к первичной сети переменного тока 220 вольт через понижающие трансформаторы или дополнительные резисторы. При этом на гасящем резисторе выделяется большая ненужная мощность в виде тепла, а трансформаторы имеют большие габариты и вес.

Конечно, можно использовать и малогабаритные трансформаторы, но из-за использования в них очень тонких обмоточных проводов надежность таких блоков питания резко снижается. Известно, что конденсатор, установленный в цепи переменного тока, имеет реактивное сопротивление, которое зависит от частоты переменного тока, протекающего через его пластины. Использование конденсаторов позволяет подавить чрезмерное напряжение, при этом мощность на реактивном сопротивлении не распределяется, и это большое преимущество конденсатора перед резистором.Один из методов расчета гасящего конденсатора, сейчас хочу предложить другой, по номограмме.
Так как полное сопротивление Z цепи, состоящей из последовательно соединенных нагрузок с активным сопротивлением Rн и гасящего конденсатора с реактивным сопротивлением Xc, равно

Прямой расчет емкости гасящего конденсатора довольно сложен.

Следовательно, проще пользоваться номограммой. На ней по оси абсцисс отложены значения сопротивлений нагрузки Rн в килоомах, а по оси ординат – значения емкостей гасящих конденсаторов в микрофарадах.Ось, проведенная под углом в сорок пять градусов, представляет собой полное сопротивление цепи Z в килоомах.
Для использования номограммы необходимо определить сопротивление нагрузки – Rн. Rн = I2 R = U2 / R и полное сопротивление цепи Z.
Пример. Мостовой выпрямитель с выходным напряжением 12 вольт и током нагрузки 120 мА необходимо запитать от сети переменного тока 220 вольт. Необходимо найти емкость гасящего конденсатора, включенного последовательно с выпрямительным диодным мостом.
Во-первых, нам нужно определить сопротивление нагрузки. Rn = U / I = 12 В / 0,12 А = 100 Ом. Теперь определяем сопротивление цепи в сети переменного тока 220 вольт. Z = 220 В / 0,12 А = 1833 Ом. Далее определяем емкость гасящего конденсатора по номограмме. Для этого восстанавливаем перпендикуляр от точки на оси абсцисс, соответствующей сопротивлению 100 Ом. Через точку, расположенную на оси Z и соответствующую сопротивлению 1833 Ом, проведите дугу B с центром в точке 0, пока она не пересечется с перпендикуляром A.Получаем точку C, которую проецируем на ось Y – ось резервуара. Получаем необходимую емкость гасящего конденсатора, примерно 1,8 мкФ. Все просто и удобно. Успехов. К.В.Ю.
Использованная литература: журнал “Радио” № 7 за 1970 год. Автор статьи Шишков В.
Картинку номограммы в формате sPlan можно скачать здесь.

В радиолюбительской практике и в промышленном оборудовании источником электрического тока обычно являются гальванические элементы, батареи или промышленная сеть на 220 вольт.Если рация портативная (мобильная), то использование силовых аккумуляторов оправдывает себя такой необходимостью. Но если радиоустройство используется стационарно, имеет большой ток потребления, эксплуатируется при наличии бытовой электросети, то питать его от батареек практически и экономически невыгодно. Для питания различных устройств низким напряжением от бытовой сети 220 вольт существуют различные типы и типы преобразователей низковольтных бытовых сетей 220 вольт. Как правило, это схемы трансформаторного преобразования.Силовые схемы трансформатора строятся по двум вариантам:

1. «Трансформатор – Выпрямитель – Стабилизатор» – классическая силовая схема с простотой конструкции, но большими габаритами;

2. № «Выпрямитель – генератор импульсов – трансформатор – выпрямитель – стабилизатор» – схема импульсного источника питания, имеющая малые габаритные размеры, но имеющую более сложную конструктивную схему.

Важнейшим преимуществом этих схем питания является наличие гальванической развязки первичных и вторичных цепей питания.Это снижает риск поражения человека электрическим током, а также предотвращает выход оборудования из строя из-за возможного замыкания токоведущих частей устройства на ноль. Но иногда возникает необходимость в простой, малогабаритной схеме питания, в которой не важно наличие гальванической развязки. И тогда мы можем собрать простой конденсаторной цепи питания . Принцип его работы заключается в «поглощении избыточного напряжения» на конденсаторе. Чтобы понять, как происходит это поглощение, рассмотрим работу простейших.

Делитель напряжения состоит из двух резисторов R1 и R2 . Резистор R1 – ограничительный, или иначе называемый инкрементным. Резистор R2 – нагрузка ( Rn ), он же внутреннее сопротивление нагрузки.

Допустим, нам нужно получить напряжение 12 вольт от напряжения 220 вольт. Указанное U2 = 12 вольт должно приходиться на сопротивление нагрузки R2 . Это значит, что оставшееся напряжение U1 = 220 – 12 = 208 вольт должно приходиться на сопротивление R1 .

Предположим, что в качестве сопротивления нагрузки мы используем катушку электромагнитного реле, а активное сопротивление катушки реле R2 = 80 Ом . Тогда по закону Ома ток, протекающий через обмотку реле, будет равен: Ichains = U2 / R2 = 12/80 = 0,15 ампер . Указанный ток должен протекать через резистор R1 . Зная, что на этом резисторе должно упасть напряжение U1 = 208 вольт , по закону Ома определяем его сопротивление:

R1 = UR1 / I цепь = 208/0.15 = 1387 Ом .

Определить мощность резистора R1: P = UR1 * I цепочка = 208 * 0,15 = 31,2 Вт .

Чтобы этот резистор не прогревался от рассеиваемой на нем мощности, реальное значение его мощности нужно увеличить в два раза, это будет примерно 60 Вт . Размеры такого резистора впечатляют. И вот конденсатор нам пригодился!

Мы знаем, что у любого конденсатора в цепи переменного тока есть такой параметр, как «реактивное сопротивление» – сопротивление радиоэлемента меняется в зависимости от частоты переменного тока.Реактивное сопротивление конденсатора определяется по формуле: Где p – число ПИ = 3,14, f – частота Гц), ОТ – емкость конденсатора (фарад).

Заменив резистор R1 на бумажный конденсатор ОТ , мы «забудем», что такое резистор внушительных размеров.

ИЗ должно быть примерно равно рассчитанному ранее значению R1 = Xc = 1387 Ом .

Преобразовав формулу, заменив значения ОТ и Xc , определяем значение емкости конденсатора:
C1 = 1 / (2 * 3.14 * 50 * 1387) = 2,3 * 10-6 Ф = 2,3 мкФ

Это может быть несколько конденсаторов необходимой суммарной емкости, соединенных параллельно или последовательно.

Схема бестрансформаторного (конденсаторного) питания будет выглядеть так:

Но изображенная схема будет работать, но не так, как мы планировали! Заменив массивный резистор R1 на один-два небольших конденсатора, мы выиграли в размере, но не учли одно – конденсатор должен работать в цепи переменного тока, а обмотка реле в цепи постоянного тока.На выходе нашего делителя напряжение переменного тока, и его нужно преобразовать в постоянное. Это достигается введением в схему диодного выпрямителя, разделяющего входную и выходную цепь, а также элементов, сглаживающих пульсации переменного напряжения в выходной цепи.

В итоге схема бестрансформаторного (конденсаторного) питания будет выглядеть так:

Конденсатор С2 – сглаживание пульсаций. Чтобы исключить опасность поражения электрическим током от накопленного в конденсаторе С1 напряжения, в цепь R1 вводится резистор, который шунтирует конденсатор своим сопротивлением.При работе схемы не мешает ее большое сопротивление, а после отключения схемы от сети на время, определяемое секундами, через резистор R1 происходит разряд конденсатора . Время разряда определяется по обычной формуле:

Чтобы в следующий раз не проделывать все вышеперечисленные расчеты, выведем окончательную формулу для расчета емкости конденсатора в бестрансформаторной (конденсаторной) цепи питания.При известных значениях входного и выходного напряжения, а также сопротивления R2 (это – сопротивление нагрузки Rn ) значение сопротивления R1 находится в соответствии с п. 3 статьи «»:

Объединение По двум формулам находим окончательную формулу расчета емкости конденсатора бестрансформаторной силовой цепи:

, где Rn P1 .

Учитывая, что при работе от переменного напряжения в конденсаторе происходят процессы перезарядки, а также сдвиг фазы тока относительно фазы напряжения, необходимо вывести конденсатор на напряжение 1.В 5 … 2 раза больше напряжения, подаваемого в силовую цепь. При сети 220 вольт конденсатор должен быть рассчитан на рабочее напряжение не менее 400 вольт .

Используя приведенную выше формулу, можно рассчитать значение емкости бестрансформаторной силовой цепи для любого устройства, работающего в режиме постоянной нагрузки. Для работы в условиях переменной нагрузки также изменяются ток и напряжение выходной цепи. Стабилитроны или эквивалентные транзисторные схемы, ограничивающие выходное напряжение до необходимого уровня, обычно используются для стабилизации выходного напряжения.Одна из этих схем представлена ​​на рисунке ниже.

Вся схема подключена к сети 220 вольт постоянно, а реле P1 включается и выключается переключателем S1 . Полупроводниковое устройство, такое как транзистор, также можно использовать в качестве переключателя. Транзисторный каскад VT1 включен параллельно нагрузке, это исключает повышение напряжения во вторичной цепи. Когда нагрузка отключена, через транзисторный каскад протекает ток.Если бы этого каскада не было, то при отключении S1 и отсутствии другой нагрузки на выводах конденсатора C2 напряжение могло достигнуть максимального сетевого напряжения 315 вольт.

Стоит отметить, что при расчете схем автоматики с реле необходимо учитывать, что напряжение срабатывания реле, как правило, равно его номинальному (паспортному) значению, а напряжение удержания реле в во включенном состоянии примерно в 1,5 раза меньше номинального.Поэтому при расчете схемы, показанной выше, оптимально рассчитать конденсатор для режима удержания, а напряжение стабилизации сделать равным номинальному (или немного выше номинального). Это позволит всей схеме работать в режиме пониженного тока, что увеличивает надежность. Таким образом, для расчета емкости конденсатора С1 в цепи с коммутируемой нагрузкой параметр Uв берем не 12 вольт, а в полтора раза меньше – 8 вольт, а для расчета ограничивающего (стабилизирующего) транзистора каскад – номинал 12 вольт. С1 = 1 / (2 * 3,14 * 50 * ((220 * 80) / 8 – 80)) = 1,5 мкФ В качестве стабилизирующего элемента на малых токах можно использовать стабилитрон. На большие токи стабилитрон не подходит – слишком мала рассеиваемая мощность. Поэтому в этом случае оптимально использовать транзисторную схему стабилизации напряжения. Расчет каскада стабилизирующих транзисторов основан на использовании порога открытия биполярного транзистора, когда напряжение база-эмиттер достигает 0,65 вольт (на кристалле кремния).Но учтите, что для разных транзисторов это напряжение колеблется в пределах 0,1 вольт не только по типам, но и по экземплярам транзисторов. Поэтому напряжение стабилизации на практике может незначительно отличаться от расчетного значения.
Расчет делителя смещения ступени стабилизации проводится все по тем же формулам делителя напряжения, с известным Uin.дел. = 12 вольт , Uвых. сдел. = 0,65 Вольт и ток транзисторного делителя, который должен быть примерно в двадцать раз меньше тока, протекающего через конденсатор С1 .Этот ток найти несложно: Ideal. = Уин.дел. / (20 * Rn) = 12 / (20 * 80) = 0,0075 ампер , где Rn – сопротивление нагрузки, в нашем случае это сопротивление обмотки реле P1 , равное 80 Ом .

Номиналы резисторов R1 и R2 определяются по формулам, ранее опубликованным в статье «»:, где Rtotal – полное сопротивление резисторов делителя смещения VT1 , которое находится по закону Ома. :

Итак: Rtotal = 12/0.0075 = 1600 Ом ;

R3 = 0,65 * 1600/12 = 86,6 Ом 82 Ом ;

R2 = 1600 – 86,6 = 1513,4 Ом , в номинальном диапазоне ближайший номинал 1,5 кОм .

Зная падение напряжения на резисторах и ток делителя, не забудьте рассчитать их общую мощность. С запасом, общую мощность R2 выбираем 0,25 Вт, а R3 – 0,125 Вт.Вообще вместо резистора R2 лучше поставить стабилитрон, в этом случае это может быть D814G, KS211 (с любым индексом), D815D, либо KS212 (с любым индексом). Я специально научил вас рассчитывать резистор.

Транзистор тоже подбирается с запасом мощности приходящейся на его переходе. Как выбрать транзистор в такие стабилизирующие каскады, подробно рассказано в статье «». Для лучшей стабилизации можно использовать схему «составной транзистор».

Считаю, что статья достигла своей цели, все “разжевана” до мелочей.

RC-цепочка с мигающей неоновой лампой

Неоновая лампа обладает особыми физическими свойствами. Лампа проводит ток только тогда, когда напряжение на лампе достигает определенного уровня, называемого «напряжением пробоя». Схема мигания использует это свойство, помещая конденсатор параллельно лампочке, а резистор большого номинала – последовательно с двумя, чтобы ограничить ток. Источником для схемы является высоковольтный источник постоянного тока, немного превышающий напряжение пробоя лампы.Для этой демонстрации лампа имеет напряжение пробоя от 50 до 70 В, поэтому используется источник постоянного тока 75 В. Этого можно добиться, используя источник питания среднего напряжения.

Лампа саморегулирует свое напряжение до определенной точки; это можно продемонстрировать, увеличив напряжение источника и измерив падение напряжения на лампе с помощью мультиметра. Однако, чтобы не повредить лампу, мы рекомендуем не превышать в два раза напряжение пробоя лампы – 150 В для этой демонстрации. Также не забудьте обратить внимание на номинальное напряжение используемых конденсаторов; выбирайте конденсаторы с номинальным напряжением, значительно превышающим применяемый источник.

Конденсатор будет заряжаться до тех пор, пока не достигнет напряжения пробоя лампы, а затем быстро разрядится, ненадолго включив лампу, пока напряжение на конденсаторе не упадет ниже напряжения пробоя лампы. Конденсатор заряжается и разряжается в зависимости от постоянной времени схемы τ, где τ = R * C. Для зарядки и разрядки конденсатора требуется около 5τ секунд, поэтому лампочка в приведенной выше схеме будет иметь постоянную времени τ = 1 с и будет мигать с интервалом около 5 секунд.

Чтобы изменить временной интервал мигания лампочки, измените значение емкости цепи. Более высокая емкость означает более быструю вспышку; меньшая емкость, более медленная вспышка. Добавление переключателя с другим конденсатором параллельно обеспечит быструю и легкую демонстрацию этого явления.

Когда переключатель разомкнут, схема будет вести себя так же, как и более простая схема, описанная выше. Когда он закрыт, общая емкость будет 3,2 мкФ, постоянная времени будет τ = 3.2 с, и лампочка будет мигать с интервалом примерно в 16 секунд.

* Примечание для инструкторов: эту демонстрацию можно легко настроить, заменив конденсаторы на большие или меньшие, чтобы увеличить или уменьшить интервал мигания по желанию. При замене конденсаторов обязательно проверьте их номинальное напряжение, как указано выше, и вставьте их с правильной полярностью: отрицательная клемма к черному зажиму, положительная клемма к красному.Не заменяйте резистор для изменения временного интервала, так как это может помешать работе схемы.

Реле

(Часть 2), схемы защиты контактов Реле

Часть 2

Elliott Sound Products

Реле и способы их использования – Часть 2

© 2015, Род Эллиотт (ESP)
Обновлено в августе 2020 г.

Вершина

---

Указатель статей
Основной указатель

---

Содержание

---

Введение

В статье «Введение в реле» рассматриваются катушка, схемы драйверов, а также обсуждаются материалы и характеристики контактов.Это часть 2 статьи, в которой контакты рассматриваются более подробно. В частности, мы рассмотрим множество различных способов повреждения контактов и защиты от искрения. Однако не с использованием специализированных устройств – в этом разделе просто описаны способы использования доступных реле для отключения «сложных» нагрузок без излишней нагрузки на контакты.

Конечно, существует бесчисленное множество различных нагрузок и источников питания, и можно только взглянуть на общие принципы.Некоторые из них представляют собой примеры из «учебников», которые использовались в течение многих лет с разумным успехом. Это схемы, которые вы часто видите на схемах продуктов и примечаниях к применению, и они обычно дают неплохие результаты.

Нагрузки

переменного тока могут быть особенно тяжелыми, если нагрузка индуктивная. Трансформаторы и двигатели попадают в эту категорию, и есть некоторые уловки, которые могут минимизировать пусковой ток при подключении и напряжение обратного хода при срабатывании реле. Даже некоторые резистивные нагрузки могут вызвать проблемы, особенно если нагрузка представляет собой лампу накаливания, которая вызывает очень высокий пусковой ток.В некоторых случаях можно будет получить очень надежную операцию переключения при нулевом напряжении только с помощью твердотельного реле (SSR), но даже электромеханические реле могут быть удивительно точными, если вы захотите добавить микроконтроллер, который контролирует Фаза переменного тока и проверяет время срабатывания реле.

Наука, лежащая в основе контактных материалов, очень сложна, и у меня нет необходимого оборудования для исследования контактных поверхностей на молекулярном уровне. Кое-что из того, что вы прочтете ниже, может показаться научной фантастикой, но ссылки достаточно ясно покажут, что все эти эффекты существуют, какими бы маловероятными они ни казались.Если у вас есть доступ к микроскопу, вы можете поискать себя сами, но чтобы увидеть настоящие проблемы, вам понадобится электронный микроскоп – далеко за пределами моего ценового диапазона.

Некоторые реле имеют так называемые «раздвоенные» контакты. Это просто означает, что контактный рычаг разделен на две части с контактным материалом на каждой из двух секций. В зависимости от того, как это делается, это может уменьшить дребезг контактов, если две секции имеют разную ширину и, следовательно, имеют разную механическую резонансную частоту.

Твердотельные реле (SSR) также рассматриваются здесь, и в первую очередь те, которые используют SCR (кремниевые выпрямители) или TRIAC (двунаправленные SCR).Общий термин для них – тиристоры, что представляет собой сокращение, основанное на комбинации версии с вакуумной лампой, называемой тиратрон + транзистор. Эти устройства предлагают исключительно быстрое переключение и бывают самых разных стилей. Поскольку они являются полупроводниками, в большинстве случаев вам необходимо включить радиатор, чтобы поддерживать рабочую температуру ниже номинального максимума. В некоторых случаях вы можете заменить EMR на SSR, но существуют правила проектирования, которые необходимо соблюдать, чтобы предотвратить сбой SSR, нагрузки или того и другого.Общие принципы описаны, но невозможно объяснить все в одной статье, и я не собираюсь даже пытаться. На эту тему написаны целые книги, так что я едва могу поцарапать поверхность.

Нижеследующее адаптировано из таблицы данных реле ^[8] и показывает кривые снижения номинальных характеристик как для переменного, так и для постоянного тока. Чтобы реле соответствовало ожидаемому сроку службы, ток и напряжение не должны превышать пределы, указанные красными кривыми. В случае превышения номинальных значений в контактах реле возникнет искрение, которое либо сократит срок службы, либо разрушит контакты реле.Серьезная перегрузка (например, 14 А при 56 В для схемы защиты усилителя мощности постоянного тока) приведет к выходу из строя реле – вероятно, при первом использовании!

Рисунок 0.1 – Номинальные характеристики контактов реле

Приведенный выше график, возможно, является наиболее важным графиком, который вы когда-либо видели, когда речь идет о переключении реле постоянного тока. Само реле особого значения не имеет, потому что обычно меняется только максимальный ток. Данные могут быть экстраполированы для реле с более высоким током, но если в техническом описании конкретно не представлен аналогичный график, показывающий более высокую коммутационную способность по постоянному току, предположим, что 30 В постоянного тока является максимально допустимым напряжением для номинального тока.Понижение тока, требуемое при более высоких напряжениях, очень очевидно. При 40 В постоянного тока допустимый ток снижается до менее 2 А с абсолютным максимальным напряжением 100 В постоянного тока при 500 мА или меньше. Игнорируйте это на свой страх и риск!

Рейтинги и ограничения реле не являются предметом споров и не указывают на то, что номинальные значения могут быть превышены за счет срока службы контактов. Эти пределы следует считать абсолютными , и если контакты реле когда-либо создают устойчивую дугу, реле выходит из строя.Фотография на рис. 4.0 – прекрасный пример катастрофического отказа. Это может произойти при первом срабатывании реле при чрезмерном напряжении и токе – «второго шанса» нет.

---

1 – Износ механического контакта

Контакты большинства реле предназначены для небольшого скольжения при размыкании и замыкании. Этот процесс помогает поддерживать контакты в чистоте и предназначен для удаления оксидов, сульфидов и других загрязнений с поверхностей. Когда производитель реле указывает максимальное количество операций (обычно от 100 000 до 1 000 000), это может относиться только к механическому сроку службы, когда контакты «сухие» (не пропускающие ток).Иногда вы увидите две цифры: одна – это механический ресурс, а другая – срок службы при полной номинальной нагрузке.

Реле

являются исключением, поскольку они герметично закрыты для исключения внешнего загрязнения и обычно используют контактные материалы, которые не требуют протирки для поддержания проводимости. Информацию об использованных материалах см. В Части 1 этой статьи.

Поскольку контактные поверхности трутся друг о друга, всегда будет небольшой износ, а поскольку оксиды тверже основного материала, мельчайшие частицы оксида могут действовать как абразив и увеличивать контактный износ.Когда реле спроектировано для использования скользящих контактов, это учитывается при изготовлении реле, но если реле используется в зоне, где наблюдается значительная вибрация, износ может ускориться. Это реальное явление, но оно редко является причиной выхода из строя контактов, если реле не работает всухую в течение миллионов циклов. В этом случае следует использовать полупроводниковый переключатель.

Одна вещь, которую вы должны сделать, чтобы гарантировать минимальный износ контактов с реле постоянного тока, – это убедиться, что пульсации напряжения на источнике постоянного тока не настолько велики, чтобы вызывать какое-либо гудение или движение якоря.Использование нефильтрованного или плохо фильтрованного источника постоянного тока вызовет механическое движение якоря и контактов, что ускорит механический износ. Напряжение пульсаций P-P обычно не должно превышать 10% от значения постоянного тока (например, амплитуда пульсаций 1,2 В от источника питания 12 В). Лучше меньше, но обычно это не является абсолютно необходимым.

---

2 – Контактное плавление

Основная проблема всех электромеханических реле (ЭМИ) – контактная дуга. Однако задолго до возникновения дуги возникает небольшая проблема плавления контактов.Конечно, не весь контакт, но, возможно, всего несколько молекул. Этот эффект происходит, когда контакты замыкаются (замыкаются) и размыкаются (размыкаются). Когда мы исследуем даже самую гладкую поверхность под мощным микроскопом, совершенно очевидно, что она совсем не гладкая.

Итак, хотя контакты нового реле могут выглядеть идеально гладкими, при просмотре с большим увеличением вы обнаружите, что это не так. Эта общая неровность называется «неровностью», и она существует даже на поверхностях, которые кажутся зеркально гладкими.Неизбежно, что на атомном или молекулярном уровне будут высокие и низкие точки, и по мере использования реле они будут перемещаться, поскольку материал контакта плавится и переносится с одного контакта на другой. Это не опечатка или шутливый комментарий – это действительно случается. В основном это на молекулярном уровне, и это даже происходит, когда реле переключает небольшой ток. Тем не менее, реле, используемое для переключения уровней сигнала 1 В RMS при, возможно, миллиамперах или около того, никогда не будет иметь дуги, а мощности недостаточно, чтобы что-либо расплавить.

Ток ниже 1 А может привести к плавлению достаточно малой точки контакта. Учтите, что вы можете получить предохранители с номиналом менее 50 мА, поэтому совершенно очевидно, что если проводник достаточно тонкий, его можно заставить плавиться при удивительно низких токах. Конечно, масса самого контакта действует как радиатор, поэтому не ожидайте, что ваши контакты будут немедленно уничтожены – может потребоваться более 100000 операций, прежде чем вы даже сможете увидеть какие-либо точечные пятна. Миграция и / или испарение металла на атомном или молекулярном уровне может перемещать только несколько молекул каждый раз, и если полярность является случайной (с подачей переменного тока и нагрузкой), то миграция выравнивается – любой материал, потерянный с одной полярностью, восстанавливается, когда полярность меняется.

Температура частей контактов реле в момент включения или отключения может легко достигать более 4500 ° C, как раз в критической точке, где весь ток сосредоточен в очень небольшом участке общей поверхности. В том, что это произойдет, можно сказать наверняка из-за микроскопических пиков и впадин на поверхности. Неизбежно будут пики, которые образуют начальный или конечный контакт, и из-за того, что они настолько малы, плотность тока чрезвычайно высока. Контактный материал расплавится и может буквально взорваться от точки контакта из-за достигнутых очень высоких температур.Окружающий воздух перегревается, ионизируется, и именно ионы воздуха и металла в конечном итоге (ну, примерно через несколько микросекунд) создают дугу.

Описанные процессы плавления очень недолговечны и могут существовать только нано или микросекунды. В общем, некоторая степень контактного плавления будет, даже если в вашем приложении никогда не возникает видимой дуги. При относительно низких напряжениях и токах можно ожидать, что часть контактного материала плавится каждый раз, когда контакты размыкаются или замыкаются.Это означает, что между контактами будет передаваться небольшое количество материала.

Материал	Электропроводность	Напряжение расплава	Напряжение дуги	Ток дуги
Медь	100%	0,43	13	0,43
Золото	77%	0,43	15	0.38
Никель	25%	0,65	14	0,5
Палладий	16%	0,57	15	0,5
Чистое серебро	105%	0,37	12	0,4
Вольфрам	31%	0,75	15	1,0

Таблица 2.1 – Материалы контактов, напряжение расплава, напряжение и ток дуги

Примечание: Медь является справочным материалом в приведенной выше таблице.Другие материалы показаны относительно проводимости меди.

Расплавленный контактный материал будет иметь тенденцию собираться на катодном (отрицательном) контакте, и часто будет происходить потеря материала из-за кипения и / или горения расплавленного контактного материала, в результате чего расплавленный материал диспергируется. Хотя эти эффекты находятся на молекулярном уровне, после десятков тысяч операций всегда будут какие-то видимые повреждения. Если контакты занижены, реле выйдет из строя преждевременно.

В таблице «напряжение плавления» относится к напряжению, которое существует между каждой из контактных поверхностей, при условии, что между ними существует молекулярный мостик (например, пара высоких точек). Если напряжение на мосту превышает указанное значение, материал расплавится. Размер моста не имеет значения, но в большинстве случаев он будет микроскопически маленьким. Напряжение и ток дуги обсуждаются в следующем разделе.

---

3 – Контактная дуга

Если вам показалось, что кое-что из вышеперечисленного немного пугает, примите во внимание, что все меняется к худшему, когда ток составляет несколько ампер, и именно тогда мы должны найти способы минимизировать дугу.Электрическая дуга может достигать температуры более 19 000 ° C и ничем не отличается от процесса дуговой сварки, когда расплавленный материал транспортируется от сварочного стержня к свариваемой поверхности. Наихудший вариант – постоянный ток, потому что ток всегда в одном и том же направлении, поэтому материал обычно мигрирует от катода к аноду, унося с собой атомные или молекулярные частицы материала. При переменном токе (и при условии случайного переключения) полярность контактных электродов изменится, поэтому некоторый материал перемещается сначала в одну сторону, затем в другую.Во всех случаях, когда возникает дуга, будут некоторые потери материала из-за разбрызгивания, и не все молекулы из одного контакта собираются другим. Когда происходит перенос материала через переменный ток, испаренный металл будет стремиться мигрировать от более горячего электрода к более холодному.

Дуга может возникать при размыкании или замыкании контактов, и это во многом зависит от контактной поверхности и характера нагрузки. Если дуга будет продолжаться, контакты будут разрушены. Устойчивые дуги обычно могут возникать только при размыкании контактов, поскольку дуга автоматически гаснет, как только контакты соприкасаются друг с другом.Однако, если повреждение контактов настолько велико, что контактные поверхности соприкасаются на короткое время только в период отскока контакта, между контактами вполне может возникнуть дуга. Изначально зазор может составлять всего несколько микрометров, но если дуга сохраняется, не потребуется много времени, чтобы контакты полностью разрушились.

Различные металлы имеют разное напряжение и ток, которые приводят к образованию дуги, и это показано в Таблице 2.1. Если напряжение и ток ниже минимального, дуга не возникает.Однако, если напряжение или ток выше номинального значения дуги для используемого материала контактов, возникнет дуга. Иногда для удаления оксидов (или сульфидов в случае серебра) требуется небольшое количество дуги при работе с контактными материалами, но все дуги разрушительны и должны быть остановлены как можно быстрее.

Если напряжение и ток ниже значений, приведенных в Таблице 2.1, дуга обычно не возникает. Если напряжение или ток превышают пороговое значение дуги для используемого контактного материала, возникает дуга.Напряжение и / или ток не обязательно должны быть установившимися, и мгновенные переходные процессы могут вызвать дугу. Как только напряжение и ток упадут ниже заданных значений, дуга обычно гаснет при условии, что зазор между контактами достаточно велик.

Контакты реле спроектированы так, чтобы разделиться на достаточное расстояние, чтобы дуга продолжалась до тех пор, пока ее полное сопротивление не станет достаточно высоким, чтобы ток дуги больше не поддерживался. Из-за различий между переменным и постоянным током мощность реле на 10 А при 250 В будет значительно снижена, если оно будет использоваться с постоянным током.Обычно можно увидеть реле 250 В переменного тока со сниженным до 30 В постоянного тока для его номинального тока (вы можете четко увидеть номинальные значения на реле Zettler на фотографии ниже – в центре вверху на рисунке). Если вы решите игнорировать максимальное напряжение (особенно с постоянным током), вы можете ожидать, что реле выйдет из строя. Это может произойти в самый первый раз, и отказ, вызванный серьезной дугой, будет полным и постоянным. Однако есть способы подавления дуги, и это основная цель этой второй части статей о реле.

Рисунок 3.1 – Выбор реле

Выбор реле такой же, как и в Части 1, и снова показан здесь для справки. В большинстве проведенных мною тестов использовалось восьмеричное реле по той простой причине, что крышка легко снимается. Нет смысла пытаться наблюдать дугу, если вы не видите или не снимаете крышку. В некотором смысле это «несправедливый» тест, потому что реле имеет очень надежные контакты и большое разделение, но тенденции все еще очень очевидны, и легко увидеть, имеет ли методика значение или нет.

---

4 – Дугогасящий

За прошедшие годы было разработано несколько различных методов гашения контактной дуги, а в некоторых случаях возможно вообще предотвратить возникновение дуги. Последнее – идеальный случай, и хорошо спроектированная схема демпфирования может быть удивительно эффективной. Эти методы в равной степени применимы к переключателям, поскольку они также имеют контакты и часто работают при напряжениях, превышающих их номинальные значения. Большие и прочные тумблеры могут справиться со значительным количеством злоупотреблений, как и большие реле.Идея здесь состоит в том, чтобы сделать все возможное, чтобы предотвратить злоупотребления и разрешить использование меньшего и более дешевого реле (или переключателя). В качестве альтернативы, если переключатель или реле останется прежним, мы можем ожидать, что они прослужат в течение всего срока службы оборудования.

Используемые методы зависят от нагрузки и питания. Некоторые методы гашения дуги применимы только к постоянному току, а другие могут использоваться с переменным или постоянным током. Переменный ток всегда проще, потому что ток проходит через ноль 100 или 120 раз в секунду в зависимости от частоты сети.Более высокие частоты (например, 400 Гц, обычно используемые в электрических системах самолетов) могут создавать дополнительные проблемы, но большинство деталей самолетов являются специальными предметами и здесь не рассматриваются.

Подавление дуги часто требуется для уменьшения радиопомех, особенно если оборудование будет использоваться где-то рядом с AM-радиоприемниками или там, где недопустимы электромагнитные помехи, потому что это вызовет неисправность другого оборудования. Первые использованные радиопередатчики были основаны на искровом разряднике – причудливом названии контактов, поддерживающих дугу.Создаваемый радиочастотный шум является широкополосным и может распространяться на удивительное расстояние. Ранние радиопередачи (или беспроводные, как это было известно в то время) через Атлантический океан использовали передатчики с искровым разрядником.

При замыкании контактов часто возникает небольшая дуга. Такое, казалось бы, странное поведение обычно является результатом отскока контакта. Контакты реле и переключателя почти никогда не достигают идеального контакта при работе, даже если это кажется невооруженным глазом. Осциллограф четко покажет, что контакты замыкаются, размыкаются и снова замыкаются несколько раз при срабатывании реле или переключателя.Контакты и поддерживающие рычаги обладают массой и упругостью, и когда две контактные поверхности сводятся вместе, они отскакивают несколько раз, прежде чем сойтись, и контакты будут касаться друг друга должным образом. Когда (а не если) это происходит, дуга возникает каждый раз, когда контакты разъединяются, и, поскольку соответствующие расстояния обычно очень малы, дугу легко поддерживать в течение нескольких микросекунд, когда контакты разъединяются.

Чтобы вы не подумали, что я преувеличиваю и что это не может быть так плохо, как я утверждаю, обратите внимание на следующую фотографию.На фото вы видите все, что осталось от верхнего контакта после продолжительной дуги. Показанное реле представляет собой промышленный тип для тяжелых условий эксплуатации, и внутренне оно почти идентично тому, которое я использовал для некоторых испытаний (но не до разрушения).

Рисунок 4.0 – Результат длительной дуги

Иногда самый простой способ получить более широкое расстояние между контактами и снизить вероятность возникновения дуги – это использовать последовательно два или более комплектов контактов. Увеличивая эффективный общий зазор между контактами, вы получаете гораздо большее номинальное напряжение, не влияя на ток.Даже в этом случае вам нужно использовать методы, предотвращающие образование дуги – видеть реле с непрерывной дугой на 5 А или более – страшная вещь, и вы сразу понимаете, что если она не остановится быстро , у вас будет ex-relay на вашем рабочем месте. Если это произойдет, контактные рычаги могут нагреться до такой высокой температуры, что они потеряют свою эластичность («пружину») и не будут обеспечивать надлежащее контактное давление. Это займет всего пару секунд!

---

4.1 – Цепи демпфера R / C

Простым, эффективным и очень распространенным методом является использование резистора и конденсатора последовательно между контактами.Такое расположение обычно называют «демпферной» схемой, и они широко используются во всевозможных различных конструкциях. Конденсатор поглощает часть энергии, которая в противном случае рассеивалась бы в дуге, и если мы уменьшим доступную энергию, мы можем ожидать, что дуга гаснет быстрее, чем это было бы без демпферной цепи. Обратите внимание, что добавление демпфера, как показано, просто уменьшает дугу и предполагает, что реле используется при токе, не превышающем его номинальный ток. Добавление демпфера помогает минимизировать EMI (электромагнитные помехи), создаваемые дугой, но не означает , что пределы реле могут быть превышены!

Рисунок 4.1 – Базовая схема демпфера

Есть некоторые «практические правила», которые применяются к демпферам, используемым через контакты, и они дают дизайнеру хорошее место для начала. Следующие элементы попадают в эту категорию – это не единственный диапазон значений, который можно использовать, но вы должны с чего-то начать …

R1 – от 0,5 до 1 Ом на контактное напряжение
C1 – от 500 нФ до 1 мкФ на контактный усилитель

Например, если вы хотите переключить 48 В постоянного тока на 10 А, R1 может быть 24 Ом, а C1 – около 20 мкФ.Если переключается переменный ток, последовательное сопротивление R1 + C1 должно быть большим по сравнению с сопротивлением нагрузки, иначе ток будет подаваться на нагрузку даже при разомкнутых контактах. Поскольку переменный ток менее проблематичен, чем постоянный, значение емкости можно значительно уменьшить, и я бы предположил, что для C1 потребуется самое большее около 1 мкФ. Это ограничивает ток примерно до 15 мА, когда контакты разомкнуты при питании 48 В 50 Гц. Это только пример, и ваша нагрузка должна быть тщательно протестирована, чтобы убедиться, что остаточный ток не создает больше проблем.

Хотя это может показаться маловероятным, этот базовый демпфер на удивление эффективен. Я тестировал нагрузку 40 В постоянного тока при 4 А, используя резистор 10 Ом и конденсатор 1 мкФ, и единственное свидетельство дуги возникло, когда контакты замыкали . Это произошло из-за дребезга контакта. Без демпфера при размыкании контактов возникла очень заметная дуга, как и ожидалось. В случае, если вам интересно, резистор предназначен для поддержания тока на управляемом уровне, когда контакты замыкаются, и его не следует пропускать – даже если действие гашения дуги намного лучше без сопротивления.

Пока контакты разомкнуты, C1 заряжается до полного напряжения питания. Конденсатор обычно представляет собой металлизированный пленочный тип с очень низким ESR . Когда контакт замыкается, крышка закорачивается, и пиковый ток может быть чрезвычайно высоким. Это может привести к серьезной эрозии контактов из-за плавления, как обсуждалось выше, и в худшем случае контакты свариваются. Это в любом случае имеет тенденцию происходить, и обычно возвратная пружина достаточно сильна, чтобы разорвать сварной шов, когда реле обесточено.Если ток достаточно высок, в какой-то момент в будущем сварной шов станет постоянным или произойдет такая сильная эрозия контактов, что реле выйдет из строя.

R1 в показанной цепи ограничивает пиковый ток до 2 А, но его можно дополнительно уменьшить, чтобы улучшить гашение дуги при размыкании контактов. Когда контакты впервые размыкаются, в идеале использовать только конденсатор, так как он будет поддерживать напряжение на контактах ниже напряжения дуги в течение нескольких микросекунд, необходимых для того, чтобы зазор стал достаточно широким, чтобы предотвратить возникновение дуги.Как уже говорилось, это создаст очень высокий пиковый ток при замыкании контактов, поэтому я предлагаю использовать следующую схему. Обратите внимание, что только может использоваться с DC.

Рисунок 4.2 – Улучшенный демпферный контур

Добавление D1 означает, что конденсатор находится почти прямо напротив контактов, поэтому может поглощать почти полную энергию, которая в противном случае создала бы дугу. D1 должен иметь номинальный импульсный ток 1 мс, что на не менее совпадает с током нагрузки, но желательно намного больше.Контактный ток при замыкании контактов ограничен R1 (и, конечно, нагрузкой), поэтому R1 может иметь гораздо большее значение, чем без диода. Для обычных приложений оно должно быть примерно в 10 раз больше, чем вы использовали бы без диода, поэтому около 240 Ом вполне нормально. Усовершенствованная версия должна быть способна почти полностью предотвратить искрение, если конденсатор имеет соответствующий размер. Большая емкость означает лучшую способность гашения дуги, но пиковый ток диода увеличивается, поэтому может потребоваться диод большего размера.

Эта схема особенно хорошо подходит для использования через резервный переключатель постоянного тока, который используется во многих гитарных усилителях. Они часто вообще не имеют схемы защиты, и единственная причина, по которой устойчивая дуга не возникает при размыкании переключателя, заключается в том, что ток сравнительно низкий, обычно менее 100 мА. Добавление схемы на рис. 4.2 полностью устранит дугу, если колпачок подобран правильно, и он должен быть рассчитан не менее чем на 1 кВ для большинства вентильных усилителей.

В любой схеме выбор конденсатора имеет решающее значение.Используемый колпачок должен выдерживать пиковый ток и, естественно, требует номинального напряжения, значительно превышающего напряжение источника. Сетевые конденсаторы X-класса – хороший выбор для большинства приложений, поскольку они имеют высокое номинальное напряжение и предназначены для защиты от скачков напряжения и шума, которые обычно возникают в сети. В любом случае, конденсатор, который вы используете, должен выдерживать высокий импульсный ток, и это необходимо проверить по техническим характеристикам. Если вы используете любую старую крышку, которая попадется под руку, вы, вероятно, столкнетесь с горьким разочарованием, когда крышка в конечном итоге выйдет из строя и контакты реле сгорят или крышка закорочена.То же самое касается и экономии диодов.

Демпферная цепь («традиционная» или «улучшенная») должна располагаться как можно ближе к контактам реле. Длинные выводы означают индуктивность, и это может частично свести на нет преимущества схемы. В идеале общая длина выводов не должна превышать ~ 25 мм, чтобы паразитная индуктивность оставалась низкой.

Ранее я упоминал, что большинство тестов проводилось с использованием восьмеричного реле, показанного на рисунке 3.1. Примечательно, что при токе 5 А постоянного тока и напряжении без нагрузки 80 В даже это реле могло поддерживать дугу на контактах при полном размыкании.Реле имеет расстояние между контактами около 0,8 мм, и хотя это не кажется большим, но оно значительно больше, чем у большинства реле меньшего размера, используемых в проектах электроники. Другой, который я измерил, имеет контактный зазор всего 0,3 мм. Используя усиленный демпфер, дуга была незначительной при размыкании контактов – большую часть времени дуги не было вообще, но иногда была видна небольшая вспышка. Я использовал только конденсатор 1 мкФ для начальных испытаний, и увеличение его до 5 мкФ почти полностью устранило дугу.Последовательно подключив контакты (см. Раздел «Последовательные контакты» ниже), можно было переключать 5А при напряжении без нагрузки 80В без демпфера! Ну, пока не решилось развить непрерывную дугу при незначительном повышении напряжения!

Если ожидается, что реле будет обрабатывать это напряжение и ток в реальной цепи, я бы использовал емкость не менее 10 мкФ и сильноточный диод (не менее 3 А). Даже тогда, прежде чем решить, что он справится со своей задачей, я настаивал на тестировании схемы как минимум на 10 000 операций и использовал регистратор данных для записи каждого обрыва, чтобы убедиться, что дуги не было вообще для всех 10 000 операций.Я бы не стал использовать его без присмотра без этого теста, и, конечно же, не стал бы предлагать его в качестве проекта или использовать в коммерческом дизайне, пока не был бы абсолютно уверен, что он подходит для поставленной задачи.

В некоторых случаях демпфер устанавливается параллельно с нагрузкой. Конденсатор в этом случае выполняет почти ту же функцию, поскольку он поддерживает напряжение нагрузки, так что, когда контакты размыкаются, напряжение на них на мгновение составляет всего несколько вольт. Выбор конденсатора и резистора такой же, как и раньше, и резистор по-прежнему используется для ограничения пикового тока в конденсаторе при замыкании контактов.Без резистора ток ограничен только импедансом цепи и ESR конденсатора, поэтому будет протекать очень высокий пиковый ток.

Демпферы

могут использоваться с резистивными или индуктивными нагрузками, а стандартная версия работает с переменным и постоянным током. Однако ни в коем случае нельзя предполагать, что все будет хорошо только потому, что вы выполнили приведенные здесь или в другом месте расчеты. Каждый случай должен быть тщательно протестирован, потому что требуется только один случай, когда дуга решает стать непрерывной и реле выходит из строя, а также, вполне возможно, другие схемы.С переменным током часто можно обойтись практически всем, но любое применение постоянного тока создает особые проблемы и требует не менее особого внимания.

Если это вообще возможно, следует переключить источник переменного тока для постоянного тока. Если постоянный ток получается от мостового выпрямителя и фильтрующего конденсатора, переключение переменного тока на выпрямитель предпочтительнее переключения постоянного тока, но, конечно, это не всегда удобно или применимо. Многое можно получить, используя реле MOSFET или дискретный переключатель MOSFET для постоянного тока, но все же требуется большая осторожность, чтобы пиковый ток находился в пределах номинальных значений MOSFET.Кроме того, остерегайтесь режима отказа MOSFET, который очень близок ко второму пробою биполярных транзисторов.

---

4.2 – Цепи подавления диодов

Когда у вас есть источник постоянного тока и нагрузка индуктивная, даже кажущиеся безопасными напряжения и токи могут вызвать серьезное искрение. Так же, как катушки реле имеют обратную ЭДС, то же самое происходит и с другими индуктивными нагрузками. К ним относятся другие (обычно более крупные) реле, двигатели, соленоиды всех типов, магнитные муфты и т. Д. Добавление диода параллельно нагрузке устранит противо-ЭДС, как это происходит с катушкой реле, и снова увеличит расцепление. время подключенного реле, соленоида или сцепления.Является ли это проблемой или нет, зависит от приложения.

Использование диода параллельно с нагрузкой не означает, что больше ничего делать не нужно, особенно если нагрузка потребляет большой ток или для работы требуется высокое напряжение. Дополнительный диод только подавляет обратную ЭДС нагрузки, но не защищает контакты от дуги постоянного тока. В таких случаях вам, вероятно, потребуется использовать демпферный диод и , как показано на рис. 4.3

.

Рисунок 4.3 – Улучшенная цепь демпфера и индуктивная нагрузка

Хотя вы можете подумать, что вышеизложенное является излишним, что-то подобное часто необходимо, если нагрузка работает от высокого напряжения.Любое постоянное напряжение выше 30 В или около того означает, что потребуются специализированные реле, но даже реле, рассчитанное на 30 В постоянного тока, может работать при более высоких напряжениях, если будут приняты надлежащие меры предосторожности. Данные производителя обычно предполагают, что вы будете использовать реле «в том виде, в каком оно было куплено», без каких-либо корректирующих мер. Если вы будете осторожны, проведете тесты и примените правильную схему гашения дуги, вы сможете увеличить номинальное напряжение. Насколько сильно зависит от самого реле, и у одних будет встроенный запас прочности, у других – нет.Вы никогда не узнаете, пока он не будет протестирован, а в некоторых случаях это будет означать очень тщательно разработанный тест, который наказывает контакты вплоть до отказа.

Хорошо, средний любитель не собирается разрабатывать испытательный стенд и проводить тесты на этом уровне, но если бы вы занимались производством аэрокосмической продукции, выбора не было бы. Главное здесь то, что тестирование необходимо, по крайней мере, на базовом уровне. То, что кажется, что оно должно работать нормально, может или не может на самом деле работать так, как ожидалось, в реальных условиях жизни.

---

4.3 – Ограничители переходного напряжения

Для нагрузок переменного тока и некоторых нагрузок постоянного тока, где использование диода замедлит время срабатывания электромагнитного клапана или другого привода, можно использовать TVS или MOV . Это ограничит переходный процесс до заранее установленного максимума, и, хотя они будут задерживать время восстановления, задержку можно уменьшить до точки, где, надеюсь, это не проблема. TVS-диоды доступны в широком диапазоне напряжений и бывают двух видов – однонаправленные и двунаправленные.Они похожи на стабилитроны, но способны выдавать гораздо более высокий мгновенный пиковый ток – типичный 30-вольтовый TVS может выдерживать более 500 А, мгновенную мощность 15 кВт или более. Продолжительность пикового тока, конечно, должна быть очень короткой при максимальных номинальных значениях и обычно составляет менее 1 мс.

С любым TVS вам также нужно быть осторожным с емкостью перехода. Для устройств с низким напряжением это может быть более 5 нФ, а емкость и индуктивность нагрузки образуют параллельную настроенную цепь.Опять же, это зависит от приложения, вызовет ли это проблему или нет. Приложения переменного тока должны использовать двунаправленный TVS-диод, а однонаправленные устройства подходят для использования с цепями постоянного тока.

MOV

– это еще один способ минимизировать переходные процессы высокого напряжения, но их напряжение пробоя не определено должным образом, поэтому в вашей схеме необходимо использовать контакты с достаточным зазором, чтобы гарантировать, что напряжение пробоя наихудшего случая все еще находится в установленных пределах.

Рисунок 4.4 – Использование TVS или MOV с индуктивной нагрузкой

Вы можете использовать один или другой – TVS или MOV, в зависимости от схемы, вероятных переходных процессов напряжения и характера самой нагрузки.Для приложений постоянного тока можно использовать однонаправленный TVS-диод, но не в том случае, если он вызовет проблемы с нагрузкой. Чаще всего это замедленная реакция из-за тока, генерируемого противо-ЭДС.

---

4.4 – Последовательные контакты

Самый простой способ получить более высокое напряжение от реле – это использовать два набора контактов последовательно. На номинальный ток это не влияет, но эффективный зазор открытого контакта удваивается, поэтому отключение дуги становится менее сложной задачей. Однако в данном случае термин «высокое напряжение» означает не киловольты, а напряжение переменного тока ниже 500 В или напряжение постоянного тока ниже 100 В или около того.Другое дело – настоящие высоковольтные реле, которые могут иметь контакты в вакууме или в инертном газе под давлением.

Использование обычных реле при напряжении выше их расчетного возможно, просто путем последовательного соединения контактов. Вы должны быть уверены в том, что диэлектрическая прочность изоляции контактов соответствует поставленной задаче (в этом могут помочь таблицы данных), и в целом вы можете ожидать небольшой или нулевой помощи от производителей реле, потому что вы используете продукт таким образом, чтобы не было предназначено.Пример такого расположения показан ниже.

Рисунок 4.5 – Последовательные контакты, демпфирующая цепь и индуктивная нагрузка

Расположение контактов не обязательно должно быть точно таким, как показано выше, и в некоторых случаях будет зависеть от распиновки контактов реле и компоновки печатной платы. Тем не менее, конечный результат должен быть проверен, потому что могут быть зазоры между базовыми выводами реле или печатными платами, которые не способны выдерживать полное напряжение без пробоя.

Используя эту схему, обычное двухполюсное реле, рассчитанное на 30 В при 10 А постоянного тока, теперь может использоваться с источником питания 60 В постоянного тока.Схема демпфера по-прежнему является очень хорошей идеей, и ее не следует упускать. При использовании с переменным током теоретически он сможет переключать 500 В, но изоляция и / или расстояние между выводами могут быть недостаточно хорошими для этого. Максимальное напряжение, указанное в таблице данных, действительно является максимальным и никогда не должно превышаться.

Рисунок 4.6 – Максимальная отключающая способность нагрузки постоянного тока

Приведенный выше график был взят из таблицы данных монтажного реле на печатной плате Schrack RT2. Это ясно показывает, что при максимальном номинальном токе 8 А напряжение постоянного тока не должно превышать 32 В для одной пары контактов или 64 В для двух последовательно соединенных наборов контактов.По мере уменьшения тока нагрузки вы можете подавать большее напряжение, но абсолютное максимальное напряжение постоянного тока ограничено до 300 В из-за зазора между базовыми выводами реле (только 2,5 мм между центрами выводов для контактных выводов). Как отмечено на самом графике, эти напряжения относятся к резистивной нагрузке. Это не указано, поэтому предположите, что указанные напряжения и токи применимы, когда нет демпфирующей цепи, параллельной контактам. Однако даже с демпфером лучше не превышать рекомендованные производителем напряжения и токи.

---

5 – изменение полярности

Никогда не используйте пару контактов DPDT на одном реле для изменения полярности двигателя или другой нагрузки. Это может быть экономично, но катастрофа ждет своего часа. В большинстве реле зазоры между контактами малы, и подача полного напряжения на нормально разомкнутые и нормально замкнутые контакты вызывает проблемы. В случае возникновения дуги она будет подключена непосредственно к источнику питания и будет иметь очень низкое последовательное сопротивление (как показано на рисунке 5.1). На диаграмме ниже показаны правильные и неправильные способы сделать это.

В большинстве случаев применения двигателей вам необходимо иметь возможность выключить двигатель в любом случае, поэтому использование двух реле не является серьезным недостатком. Другая проблема с использованием одного реле заключается в том, что его можно переключать с прямого на обратное без промежуточного периода остановки, поэтому двигатель будет потреблять очень высокий ток и может быть поврежден. Схема обозначена как «НЕ делайте этого!» положительно опасен для источника питания, двигателя и реле.

Рисунок 5.1 – Использование реле для изменения полярности

В обоих случаях реле показаны обесточенными.Для правильного переключения двигателя используйте два реле («Сделайте это вместо» на рисунке). Схема не слишком отличается от транзисторного «H-моста», и, как и в случае с транзисторной версией, вы должны убедиться, что оба реле никогда не могут работать одновременно с , так как это приведет к короткому замыканию источника питания. Если вы используете реле с тремя наборами контактов, можно разработать блокировку, которая предотвратит одновременное включение обоих реле. Схема блокировки также может быть реализована электронным способом в схеме, которая управляет катушками реле.

Я показал оба реле как DPDT (2-Form-C), но вы можете использовать 2-Form-A (двухполюсные, только нормально разомкнутые контакты), и вам нужно только учитывать общие принципы гашения дуги. . На контактах с низким напряжением всегда будет только незначительное искрение, но для более высоких напряжений вам потребуется использовать демпферы для гашения дуги. Во второй цепи есть два набора контактов, соединенных последовательно, поэтому реле на 30 В постоянного тока могут выдерживать напряжение 60 В постоянного тока.

Когда срабатывает реле 1, положительное питание подключается к левой стороне двигателя, а отрицательное – к правой.Реле 2 меняет полярность. Когда оба реле находятся в состоянии покоя (обесточены), двигатель обесточен. Конечно, это не единственный способ сделать это, но общие принципы останутся такими же.

Рисунок 5.2 – Альтернативное использование реле для изменения полярности (с оговорками!)

Иногда требуется, чтобы двигатель остановился как можно быстрее. Самый простой способ добиться этого – закоротить двигатель, когда он выключен. На рис. 5.2 показано, как это можно сделать.Когда оба реле обесточены или находятся под напряжением, двигатель закорочен либо на положительное, либо на отрицательное напряжение. Это снимает любые ограничения на одновременное включение обоих реле, но в то же время двигатель всегда закорачивает , когда он не работает. Для некоторых приложений это хорошо, но не всегда.

Когда оба реле обесточены, обмотки двигателя подключены к + ve. Если срабатывает реле 1, ток течет через нормально замкнутые контакты реле 2, через двигатель, а затем на GND (отрицательное питание) через нормально разомкнутые контакты реле 1.Процесс обратный, когда реле 2 находится под напряжением.

Выберите метод, обеспечивающий необходимую функциональность, с коротким замыканием двигателя или без него, когда он не используется. Имейте в виду, что закорачивание работающего двигателя может вызвать серьезное механическое напряжение, и это не всегда лучший вариант. Вам нужно будет проверить свой двигатель, чтобы убедиться, что напряжение короткого замыкания на максимальной скорости не создает проблем.

Вы должны быть абсолютно уверены в том, что дуга, возникающая из размыкающихся контактов под нагрузкой, не может поддерживаться.Если это произойдет, реле и источник питания выйдут из строя, будет много дыма, и после того, как постоянный ток проявит самое худшее, останется совсем немного. Это хороший и простой способ реверсировать двигатель, но он несет в себе опасность, которую вы должны понимать. Выбор реле – критическое , если вы используете этот метод.

---

6 – Пусковой ток

Многие нагрузки показывают значительный пусковой ток, что создает значительную нагрузку на контакты при их замыкании. Некоторые примеры перечислены ниже, но существует множество вариантов.Вольфрамовые лампы постепенно выводятся из употребления во всем мире, но они по-прежнему будут использоваться во многих промышленных процессах и никогда не исчезнут полностью. Тороидальные трансформаторы намного хуже, чем трансформаторы с ламинированием E-I, и некоторые электронные нагрузки включают в себя активные ограничители пускового тока, но большинство из них этого не делают. Паразитная емкость на длинных участках проводки может показаться маловероятным источником пускового тока, но это может быть реальной проблемой, особенно с учетом очень низкого импеданса. Я предлагаю вам прочитать статью «Снижение бросков тока» для получения дополнительной информации.

Примеры нагрузок, которые вызывают значительные переходные процессы пускового тока при замыкании контакта, следующие …

1 – Вольфрамовые лампы, у которых сопротивление холоду составляет от 7% до 10% от их нормального рабочего сопротивления
2 – Трансформаторы и пускорегулирующие устройства, у которых пусковой ток может в 5-20 раз превышать нормальный рабочий ток
3 – Электронные нагрузки, обычно источники питания для приборов, компьютеры, освещение и т. д.
4 – Большие соленоиды переменного тока и большинство двигателей
5 – Конденсаторы, подключенные к контактам или емкостным нагрузкам без (или недостаточного) сопротивления последовательного ограничения тока
6 – Паразитная емкость в длинных кабелях

У любителей или даже промышленных дизайнеров мало вариантов выбора – используйте реле с прочными контактами и контакты с хорошей теплопроводностью и электропроводностью, а также ингибиторы сварки.Обычно это означает сплав серебро + оксид кадмия для контактов или, возможно, оксид серебра и олова. Для большинства функций переключения мощности используются реле на 10 А, 250 В переменного тока по очень разумной цене, и особенно для любительских приложений, немногим схемам нужно больше. Например, было бы глупо сэкономить несколько центов на реле 5А для цепи 4А. Промышленные системы, конечно, очень разные, особенно потому, что некоторое оборудование может подвергать реле мучительным циклам включения / выключения.

Для больших тороидальных трансформаторов (мощностью более 300 ВА) рекомендуется схема «плавного пуска», такая как Project 39.В нем используются реле, рекомендуемые типы реле – 10 А, 250 В. Они были выбраны, потому что я знаю, что они возьмут на себя злоупотребления, они легко доступны и недороги. В целом, устройство плавного пуска настоятельно рекомендуется для использования с трансформаторами, и, если возможно, пиковый пусковой ток не должен быть больше максимального номинального тока реле. Это обеспечивает долгий срок службы контактов при нормальном использовании.

Ограничитель броска тока также может использоваться с лампами с вольфрамовой нитью накаливания, и это не только снижает очень сильные выбросы тока, но и продлевает срок службы ламп, так как уменьшаются термические и магнитные удары.Лампы также могут быть полезны, если они управляются твердотельным реле с переключением при переходе через ноль. Это не так хорошо, как правильно спроектированный ограничитель броска тока, но он действительно значительно снижает пусковой ток для ламп малой мощности. Нити лампы очень высокой мощности обладают значительной тепловой инерцией, поэтому переключение при нулевом напряжении может быть не таким успешным.

Пусковые «события» не ограничиваются индуктивными нагрузками, вольфрамовой нитью накала или электронными нагрузками. Многие установленные системы люминесцентного освещения имеют конденсаторы коррекции коэффициента мощности (PFC), подключенные параллельно к каждому светильнику, и они почти полностью замыкаются в момент включения.Начальный импульсный ток может быть удивительно высоким и ограничен только импедансом проводки. Эти схемы вызывают большую нагрузку на любой переключатель или реле, которое используется для управления ими, но есть несколько доступных коммерческих устройств плавного пуска. Это становится чрезвычайно сложной проблемой для больших инсталляций, и, хотя это очень интересно, невозможно попытаться охватить ее здесь. Конденсаторы PFC также используются в двигателях и других индуктивных нагрузках, и там они тоже вызывают проблемы.

---

7 – Индуктивные нагрузки

Большинство индуктивных нагрузок имеют стальной сердечник, и высокий пусковой ток вызван насыщением сердечника при подаче питания. Это относится ко всем индуктивным нагрузкам с питанием от переменного тока – постоянный ток отличается и будет рассмотрен отдельно. Очень немногие индуктивные нагрузки переменного тока могут вообще не использовать железный сердечник, поэтому насыщение не является проблемой. Однако я не могу придумать ничего подобного, так что нет особого смысла обсуждать то, что вряд ли можно найти в каком-либо реальном приложении.

Хотя это может показаться неправдой, оптимальная часть формы волны переменного тока для переключения любой индуктивной нагрузки находится на пике формы волны переменного тока. Можно было бы подумать, что нулевое напряжение было бы идеальным, но было бы очень неправильно. Это просто из-за того, как работает индуктор. При начальном высоком напряжении ток не может увеличиваться мгновенно, а увеличивается со скоростью, определяемой индуктивностью и сопротивлением / импедансом цепи. Если у нас есть сопротивление цепи 10 Ом и мы подаем 325 В постоянного тока на катушку индуктивности 10H, начальный ток равен нулю, а через 10 мс ток возрастет только до 313 мА.Пройдет более 2,5 секунд, прежде чем ток поднимется до 30 А, а максимальный ток ограничен сопротивлением. Однако это предполагает, что катушка индуктивности не насыщается, а их очень мало.

Трансформатор или другая индуктивная нагрузка переменного тока может иметь индуктивность 10 Гн, а ток намагничивания в установившемся режиме обычно будет меньше 50 мА – часто намного меньше (особенно для тороидальных трансформаторов). Прежде чем продолжить это обсуждение, я настоятельно рекомендую вам прочитать статью «Снижение пускового тока».В эту статью включены осциллограммы и другой материал, который полностью объясняет это явление и способы борьбы с ним.

Если сеть на какую-либо индуктивную нагрузку переключается на пике формы сигнала переменного тока, пусковой ток ограничивается сравнительно безопасным значением. Это может быть объединено со схемой плавного пуска, использующей резисторы или термисторы, в сочетании с реле для их короткого замыкания после окончания броска тока. Во многих конструкциях, использующих термисторы, эта часть отсутствует, поэтому после кратковременного отключения электроэнергии пиковый ток ограничивается только сопротивлением проводки и цепи, поскольку термисторы все еще горячие и имеют минимальное сопротивление.Это может создать хаос, например, сработавшие автоматические выключатели, что вызовет потенциально опасную ситуацию.

Хотя переключение на пике формы сигнала переменного тока очень желательно для минимизации пускового тока, оно также создает очень быстрый импульс нарастания в сети, что может создать проблемы с другим оборудованием. Также очень сложно добиться какой-либо точности с помощью ЭМИ, потому что у каждого типа будет разное время втягивания, оно меняется с возрастом и даже может зависеть от температуры.Как только ЭМИ синхронизируются с сетью, мы также получаем проблему однонаправленного переноса материала контактов – точно так же, как мы это делаем с постоянным током. Если это будет предпринято, микроконтроллер необходимо запрограммировать, чтобы обеспечить возможность переключения полярности сети, чтобы реле работало в течение 50% времени с положительными полупериодами и 50% времени с отрицательными полупериодами. циклы. Почему микроконтроллер? Чрезвычайно сложно даже попытаться синхронизировать переключение, используя что-либо еще.

Рисунок 7.1 – Гибридное электромеханическое и твердотельное реле

Единственный разумный способ попробовать любую форму переключения, которая синхронизирована с формой сигнала сети, – это использовать твердотельное реле (SSR). Несмотря на их потенциальные проблемы (особенно с электронными нагрузками), они могут срабатывать очень точно в нужное вам время, а для сложных нагрузок вы можете просто включить электромеханическое реле параллельно. Это не так глупо, как может показаться на первый взгляд. SSR обеспечивает точный контроль точки переключения сигнала переменного тока, и ему нужно быть в цепи всего пару миллисекунд.

Общая идея показана выше. Для срабатывания схемы оба входа будут иметь высокий уровень вместе. SSR сработает немедленно, и через несколько миллисекунд контакты замкнутся. Для выключения сначала отключается ЭМИ, и должно пройти достаточно времени, чтобы контакты были полностью разомкнуты. Затем привод к SSR можно снять, и он выключится сам по себе, когда ток пройдет через ноль. Вы можете спросить, зачем был включен демпфер. Возможно, вам это не понадобится, но если между реле и нагрузкой имеется значительная линейная индуктивность, существует вероятность того, что индуктивный «толчок» (противо-ЭДС) может повторно запустить SSR.Демпфер замедляет быстрые импульсы нарастания и предотвращает перенапряжение из-за обратной ЭДС от нагрузки или проводки.

Даже если он используется для больших токовых нагрузок, SSR должен работать в холодном режиме, потому что он должен обрабатывать только половину цикла переменного тока. Тепловой инерции корпуса будет достаточно для предотвращения перегрева при достаточно низком рабочем цикле переключения. Для быстрого переключения SSR может потребоваться радиатор, но он будет намного меньше, чем в случае без реле.

Когда EMR вступает во владение, устраняются многие и «интересные» проблемы, которые могут возникнуть с SSR и электронной нагрузкой.Когда нагрузка выключена, EMR всегда должен отключаться первым, чтобы ток нагрузки прерывался SSR. 20 мс (16,66 мс для 60 Гц) – достаточно времени, чтобы это происходило плавно и чисто – каждый раз. Я построил устройство для проверки пускового тока, в котором есть именно это – SSR используется для замыкания и размыкания цепи, а электромеханическое реле передает ток после его срабатывания.

Индуктивные нагрузки имеют не только проблему броска тока, но и при разрыве цепи, когда нагрузка потребляет ток, также возникают проблемы с обратной ЭДС, которые обсуждались ранее.Решение с параллельным реле + SSR также решает эту проблему, потому что SSR всегда прекращает проводить ток, когда ток проходит через ноль. SSR не имеет дуги, и хотя нормальное реле имеет полное напряжение на своих контактах, дуги не будет, потому что они полностью разомкнуты к тому времени, когда SSR размыкает цепь.

Преимущества гибридного решения не были проигнорированы, и они используются в промышленных приложениях. Некоторые производители создают гибридные комбинации SSR / EMR со встроенной необходимой логикой.Одно из основных указанных преимуществ – это рассеивание самого SSR, которое будет составлять около 1 Вт на каждый ампер тока нагрузки. По сравнению с этим обычное реле имеет чрезвычайно низкие потери, поэтому это позволяет изготавливать реле очень высокой мощности без необходимости в радиаторе и без эрозии контактов, которая сопровождает все ЭМИ, коммутирующие значительный ток и напряжение.

Очень важно понимать, что SSR, использующие TRIAC или SCR , не могут использоваться с DC. Оба этих устройства требуют, чтобы ток упал до нуля, прежде чем они отключатся, а с постоянным током этого не происходит.Существует устройство, называемое тиристором «выключения затвора» (тиристор GTO-SCR или GTO), но его обычно довольно сложно использовать, и он в основном используется в крупных промышленных контроллерах. Они обычно используются в инверторах большой мощности и приводах двигателей с регулируемой скоростью и здесь не рассматриваются, поскольку не используются в качестве заменителей реле.

Также важно отметить, что SSR не обеспечивают полную изоляцию цепи, которую вы получаете с EMR. Всегда будет некоторый ток утечки, потому что тиристоры являются полупроводниковыми устройствами и не имеют бесконечного импеданса в выключенном состоянии.Демпферная цепь (если используется) усугубляет утечку, поскольку конденсатор пропускает переменный ток, пропорциональный его величине. При применении необходимо учитывать ток утечки, так как он может вызвать сбои в работе некоторых нагрузок.

Индуктивные нагрузки

постоянного тока включают катушки реле, электромагнитные клапаны, магнитные муфты или тормоза, а также двигатели. Диод, подключенный параллельно нагрузке, устранит противо-ЭДС, но, как упоминалось ранее, это замедлит срабатывание соленоидов всех типов (включая реле).Средства точно такие же, как те, которые обсуждались для реле в Части 1 этой статьи, и могут включать только диод, когда время срабатывания не критично, или диод плюс резистор или стабилитрон, если можно допустить небольшую задержку. Если требуется минимально возможная задержка, вам необходимо использовать двунаправленный TVS или, возможно, MOV, а коммутационное устройство (или SSR) должно быть рассчитано на наихудший пик напряжения при отключении питания.

Как и в случае любой нагрузки постоянного тока, искрение контактов является основной проблемой.При напряжении ниже 30 В и токе менее 10 А есть много недорогих реле, которые отлично справятся со своей задачей, но более высокое напряжение создаст проблемы. Схемы демпфирования – это начало, но вам также может потребоваться использовать последовательные контакты, чтобы гарантировать, что дуга может быть погашена со 100% надежностью. По возможности используйте полевой МОП-транзистор, IGBT или транзистор с достаточно высоким номинальным напряжением, чтобы выдерживать любую противо-ЭДС (конечно, после фиксации с помощью TVS или MOV). Без зажимов ожидайте пиковое напряжение от 500 В до 2 кВ, особенно в цепях с высокой индуктивностью.

---

8 – Электронные нагрузки

В большинстве регионов полностью емкостные нагрузки очень редки, но, как упоминалось выше, существует бесчисленное множество мест, где конденсаторы используются параллельно с индуктивными нагрузками для улучшения коэффициента мощности схемы. Это создает проблемы из-за очень высокого пускового тока, и может потребоваться включение последовательных катушек индуктивности, чтобы снизить бросок тока до приемлемого уровня.

Не являясь емкостной как таковой, очень распространенной нагрузкой являются импульсные источники питания.Это , а не емкостные нагрузки в строгом смысле слова, потому что они выпрямляют сеть и сглаживают выход постоянного тока с помощью конденсатора. Крышка фильтра не отражает емкостную нагрузку, потому что диоды в мостовом выпрямителе предотвращают «видимость» емкости снаружи схемы. Этот момент был упущен многими людьми (включая инженеров-электриков, которым следовало бы знать лучше), и это правда, верите вы мне или нет.

Если емкость действительно вызывает серьезные проблемы, так это в момент включения.Колпачок полностью разряжен и в течение первых нескольких микросекунд действует как короткое замыкание. Пусковой ток ограничен только последовательным сопротивлением цепи. Попытка использовать любой тиристорный SSR для этих нагрузок – катастрофа, и в статье «Диммеры и светодиоды» есть несколько интересных снимков с осциллографа, которые показывают, что может пойти не так. Это становится интересным, когда предполагается, что тиристорный контроллер полностью включен. Нет проблем с резистивными или даже индуктивными нагрузками, но с электронными нагрузками все иначе.Поскольку они настолько распространены, их поведение необходимо изучить.

Типичная электронная нагрузка показана ниже, но импульсный источник питания заменен резистором, потребляющим ту же мощность, что и сам источник. Проблемы вызваны мостовым выпрямителем и конденсатором, а не схемой переключения. Тиристор не может оставаться включенным, если ток через него меньше тока удержания – это значение, указанное в таблице данных. С электронной нагрузкой ток не может течь до тех пор, пока входящее напряжение не станет выше, чем напряжение на конденсаторе фильтра.Следовательно, SSR на основе TRIAC или SCR ничего не делает, пока пиковое сетевое напряжение не станет немного выше, чем напряжение конденсатора, даже при подаче непрерывного или импульсного тока затвора. Когда SSR включается, он делает это с очень быстрым нарастанием . Единственное, что ограничивает пик тока, – это индуктивность и сопротивление сетевой проводки, а также любые (токарные) цепи ограничения в нагрузке.

Рисунок 8.1 – Электронная нагрузка с контролем SSR

Схема для электронной нагрузки очень распространена и используется при сетевом напряжении и низких напряжениях после трансформатора.Паразитная индуктивность выводов не включена, но в самой нагрузке есть токен ограничивающий резистор, рассчитанный на то, чтобы его рассеивание не превышало 5 Вт. Как только схема переходит в «установившееся состояние», SSR не может проводить, пока входящий пик сети не станет немного выше, чем напряжение конденсатора, и он снова отключится, как только ток прекратится. Это произойдет сразу после пика формы сигнала переменного тока. Поскольку период проводимости такой короткий, пиковый ток должен быть намного выше обычного.Этот тип нагрузки в лучшие времена развивает большой пиковый ток – SSR только усугубляет ситуацию.

Для моделирования электронной нагрузки я использовал 230 В переменного тока при 50 Гц, а выходная мощность составляла 300 Вт, рассеиваемая нагрузочным резистором. Пиковый ток, показанный на графике ниже, составляет 84 А и остается выше 42 А в течение 50 мкс. Среднеквадратичный ток составляет 5,3 А – в четыре раза больше, чем должно быть для нагрузки 300 Вт. Это никогда не станет очевидным, если вы не проведете тщательных измерений формы сигнала тока. Это необходимо сделать с помощью осциллографа, потому что немногие измерители RMS могут работать с очень высоким отношением пикового среднего значения, и они будут показывать низкие значения.SSR должен сработать всего через 500 мкс после того, как входящий переменный ток сравняется с напряжением постоянного тока на C1, чтобы сгенерировалась форма тока ниже.

Рисунок 8.2 – Электронная нагрузка с контролем SSR; Формы сигналов

Красный график – это напряжение постоянного тока, зеленый – входной ток сети, а синий – входное напряжение сети. С переключателем или обычным реле общая мощность нагрузки не изменяется, но пиковый ток ограничивается 10 А, а среднеквадратичный ток составляет 2,7 А – существенная разница.Это причина того, что тиристорные SSR (SCR или TRIAC) никогда не следует использовать с этим типом электронной нагрузки. Схема и моделирование были немного преувеличены для ясности, потому что на самом деле будет большее сопротивление (в основном из-за подачи питания от сети), а также будут небольшие катушки индуктивности на сетевой стороне выпрямителя, чтобы минимизировать помехи. Пиковый ток в «реальной» цепи, управляемой таким образом, вероятно, будет меньше половины измеренного здесь, но при пиках 40 А это по-прежнему вызывает большие нагрузки на компоненты.Это также повторяющийся высокий ток, поэтому SSR необходимо рассчитывать на пиковый ток наихудшего случая – непрерывно.

Другое дело – гибридное реле. Если он предназначен для включения при переходе через нуль сети и сразу после этого нагрузка принимается ЭМИ, то проблем нет. Пусковой ток сведен к минимуму, контактная дуга отсутствует, и нагрузка отключится при отсутствии тока. Это идеальная ситуация, которая может быть достигнута только с помощью гибридной цепи SSR + EMR. Электронные нагрузки создают особые проблемы, но если вы не исследовали их досконально (с помощью стендовых тестов для проверки вашей теории), довольно легко упустить проблемы, и в итоге вы получите оборудование, которое выходит из строя без видимой причины.

На случай, если вам интересно, использование SSR с переключением при нулевом напряжении, но без параллельного EMR, вероятно, вообще не будет работать. К тому времени, когда входящее пиковое напряжение станет достаточно высоким, чтобы позволить току течь, схема детектора пересечения нуля будет запрещать переключение, поэтому ничего не произойдет. SSR с переключением при нулевом напряжении может работать только в том случае, если он закорочен контактами реле до завершения первого полупериода.

---

9 – Гибридные реле Выше были предложены гибридные реле

, и хотя вы, безусловно, можете построить свои собственные, вы также можете купить их готовыми ^[7] (только пример, другие также существуют).Они производятся несколькими разными компаниями и разработаны специально для решения проблем как SSR, так и EMR, как описано выше. Исключается контактная дуга, поэтому срок службы ЭМИ не сокращается из-за дуговой коррозии, а тепловые проблемы твердотельных реле устраняются системой байпаса. Радиатор не нужен, потому что мощность рассеивается всего 10 мс или около того. Однако, вероятно, будет ограничение на количество циклов включения / выключения за определенный период.

Не надейтесь, что вы сможете сразу броситься и купить его, потому что они считаются достаточно специализированными промышленными устройствами, но они существуют.Как описано ранее в этой статье, наиболее распространенной схемой является TRIAC для выполнения фактического переключения с параллельным подключением электромеханического реле для управления током нагрузки. Больше нет необходимости в радиаторе для секции SSR, потому что он находится внутри цепи в течение очень короткого времени, а EMR не страдает от искрения, потому что он предназначен для открытия первым. По прошествии достаточного времени, чтобы убедиться, что контакты разомкнуты, SSR отключается. Это занимает всего несколько миллисекунд, поэтому в большинстве приложений не возникает проблем с синхронизацией.

Еще одним важным преимуществом является то, что EMI (электромагнитные помехи) практически сведены к нулю, потому что нет дуги от контактов. Это может быть более важным, чем что-либо еще в крупных центрах обработки данных (как только один пример), где EMI ​​может нанести ущерб близлежащим компьютерным системам. Большинство из них предназначены только для переменного тока, и хотя нет никаких причин, по которым гибридное реле MOSFET не может быть произведено (что позволило бы работать на постоянном токе), я нашел только пару ссылок при поиске.

Внимание! Есть два типа гибридного реле.Один использует геркон для активации TRIAC или двухсторонних SCR, и хотя это действительно подходит для термина “ гибридный ”, это не так. что здесь обсуждается. Единственный гибрид, который действительно заслуживает этого титула, – это полупроводниковый переключатель с параллельно включенным электромагнитным реле, который обеспечивает преимущества, описанные в этом разделе. Гибриды тростниковых реле (довольно) легко доступны, но не обеспечивают каких-либо значительных преимуществ при нормальном использовании по сравнению с оптоизолированными SSR. Они являются полезными для продуктов, которые нуждаются в невосприимчивость к ионизирующему излучению (где фотодиоды будут проводить из-за радиационной бомбардировки, т.е.грамм. Рентгеновские лучи, гамма-лучи и т. Д.).

О внутренней схеме каких-либо гибридных реле не так много информации. Хотя есть принципиальные схемы, большинство из них значительно упрощены. Одна из наиболее полных схем, найденных при поиске изображений, была показана на рис. 7.1 на этой странице, и даже она значительно упрощена, поскольку не показывает схему управления, необходимую для обеспечения разомкнутости ЭМИ до того, как привод будет удален из Раздел SSR. Не то чтобы это было особенно сложно – оба реле включаются одновременно (SSR всегда будет первым проводить), а простой таймер гарантирует, что EMR будет деактивирован, возможно, за 10 мс до того, как привод SSR будет удален.

Похоже, что гибридные реле – сравнительно «новые» компоненты, которые еще не реализовали свой потенциал. Простые функции переключения – наиболее распространенный процесс в энергетических приложениях, и, вероятно, это лишь вопрос времени, когда гибриды станут более доступными. Сказав это, я, конечно, не стал бы предлагать вам затаить дыхание в ожидании – многие люди в отрасли, вероятно, даже не знают, что эти продукты существуют. Однако это, безусловно, один из лучших способов обеспечить длительный срок службы контактов и низкий уровень электромагнитных помех для любой системы переключения.

Следует отметить, что гибридные реле не подходят для приложений, критичных к безопасности, где может быть обязательным, чтобы защита обеспечивалась механическим разделением контактов без какой-либо части, замыкающей сами контакты. Поскольку они используют полупроводники, они могут (а некоторые будут) выходить из строя, и наиболее распространенным видом отказа любого полупроводника является короткое замыкание. Однако при правильном использовании это, возможно, одно из лучших решений, доступных в настоящее время. Стоимость (конечно) здесь принимается во внимание, и я не смог найти какую-либо информацию о ценах на какое-либо гибридное реле, доступное в настоящее время.

Одна область, где гибридное реле MOSFET было бы идеальным, – это защита громкоговорителей от постоянного тока. Напряжения постоянного тока выше 30 В при любом значительном токе, как известно, трудно прервать, что вызывает большую разрушительную дугу на контактах, которая может вывести из строя реле (а также «защищенные» громкоговорители). Гибридное решение устраняет эти трудности, а параллельное ЭМИ означает отсутствие дополнительных искажений, поскольку полевые МОП-транзисторы закорочены при нормальной работе. К сожалению, это не так просто, как кажется, из-за требований к плавающим источникам питания для обеспечения напряжения затвора MOSFET.Гибридные реле более подробно обсуждаются в статье «Гибридные реле с использованием полевых МОП-транзисторов, симисторов и тиристоров».

---

Выводы

Для обеспечения максимального срока службы контактов решающее значение имеет гашение дуги. Лучшее решение – это в первую очередь предотвращение зажигания дуги, но этого может быть очень сложно добиться. Мы надеемся, что использование демпферов, диодов, TVS или MOV предотвратит возникновение дуги или, по крайней мере, отведет достаточно энергии от дуги, чтобы она могла погаснуть задолго до того, как контакты достигли максимального расстояния.

Чтобы получить надежное решение, нужно поэкспериментировать, но если этого не сделать, всегда есть риск. Как уже отмечалось, постоянный ток – это в корне зло, и может быть очень сложно предотвратить образование дуги, если у вас напряжение выше 30 В или около того. Хотя твердотельные реле могут решить эту проблему, они не всегда подходят. Большинство SSR не могут использоваться со звуковыми сигналами, потому что они создают серьезные искажения. Двунаправленные реле MOSFET – одно из решений, но они дороги и, вероятно, так и останутся.

Можно использовать гибридные реле

, и проявив некоторую изобретательность, вы можете создать свое собственное, используя обычное реле, симистор и оптрон, простой детектор перехода через нуль для получения контрольной точки и микроконтроллер для отслеживания времени. Это можно сделать с помощью бюджетного 8-контактного микроконтроллера для большинства приложений, и это совсем не сложно. Если нагрузка индуктивная, вам необходимо включить (или около) на пике формы волны переменного тока, а для емкостных, электронных или резистивных нагрузок (включая лампы накаливания) вам необходимо включить сразу после перехода через ноль.

Электромеханические реле почти всегда будут иметь меньшие потери, чем их «твердотельные» эквиваленты. Большинство SSR на основе TRIAC и SCR будут показывать падение напряжения около 1 В, и устройство будет рассеивать около 1 Вт на ампер тока нагрузки. Итак, если ток составляет 10 А, вы должны иметь возможность рассеивать 10 Вт тепла – для этого требуется радиатор. Эквивалентное ЭМИ может иметь контактное сопротивление менее 25 миллиом (0,025 Ом), поэтому рассеиваемая мощность контакта будет не более 2,5 Вт для того же тока.

Даже это больше, чем вы обычно найдете. Обратите внимание, что вы не можете измерить сопротивление омметром, потому что нет достаточного тока для обеспечения правильного контакта. Я проверил восьмеричное реле, которое использовал для большей части своих тестов, и мой омметр показал более 0,6 Ом, но тест с использованием постоянного тока 1 А и измерения напряжения на контактах показал, что фактическое сопротивление составляло 12 миллиом. Это дает рассеиваемую мощность 12 мВт при токе 1 А (рассчитывается как I²R), что легко регулируется самим контактным узлом.Если предположить, что сопротивление не падает дальше при более высоких токах, контактный узел будет нагреваться при 10 А (1,2 Вт), но он спроектирован так, чтобы выдерживать тепло. Большинство силовых реле будут похожи.

---

Часть 1 – Типы, выбор и катушки

---

Список литературы

1 Relay Care
2 ENG_CS_13C3236_AppNote_0513_Relay_Contact_Life_13c3236r.pdf
3 ENG_CS_13C3203_Contact_Arc_Phenomenon_AppNote_0412.pdf
4 ENG_CS_13C9134.pdf
5 SSR + EMR Hybrid Relays
6 Solid State Relay Handbook
7 Hybrid Relay Switching – Echola Power Systems (Исходная ссылка исчезла, но есть некоторая информация в сети.)
8 NAiS COMPACT PC BOARD POWER RELAY – JW Реле (Matsushita Electric Works, Ltd.)

---

---

Указатель статей
Основной указатель

Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, помимо прочего, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2014.Воспроизведение или переиздание любыми средствами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещено международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только для личного использования, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки при создании проекта. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

Журнал изменений: страница создана, авторские права © Род Эллиотт, 5 декабря 2014 г./ Обновлено в августе 2020 г. – добавлен рисунок 0.1 и текст.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Бестрансформаторный блок питания с гасящим конденсатором. Бестрансформаторная мощность. Принцип действия. Часть 1

Для любых электронных схем требуется источников питания . И если одно устройство может работать напрямую от сети, то другим нужны разные напряжения: для цифровых микросхем, как правило, + 5В (для логики TTL) или + 7..9В (для технологий CMOS).
Кстати, что это: TTL и CMOS читать можно
Для разных игрушек обычно требуется +5… 12V. для питания светодиодов +3 .. + 5В, для усилителей вообще разнообразно ..

В общем, так или иначе, встает вопрос сделать источник питания , и не просто источник, а такой, чтобы он отвечал соответствующим требованиям: необходимое напряжение и ток на выходе, наличие защиты и скоро.

Мы выделили отдельную категорию источникам питания, которая называется Блоки питания (материалы в категории), здесь мы рассмотрим самый простой вариант Бестрансформаторный блок питания для простых изделий, которые можно изготовить буквально за пару минут. .Вот его диаграмма:

Конечно, мощность такого источника небольшая и его можно использовать только для самых простых схем, но самое главное, чтобы он был стабилизирован.

Это знак «+», микросхемы на отрицательное напряжение имеют маркировку 79XX.

На схеме выше выходное напряжение составляет + 5В (в зависимости от типа используемого KENENKI), но при необходимости его также можно изменить, установив другую микросхему.
Только в этом случае необходимо будет обратить внимание на стабилитрон на входе: он должен быть выбран таким, чтобы напряжение на входе и выходе RCC имело минимальную разницу 2В.

Ну и это еще не все: даже используя микросхему со стандартным выходным напряжением, вы все равно можете немного изменить выходное напряжение при необходимости (например, получить 7,5 В или 6,5). Для этого нужно добавить в микросхему дополнительную схему из диодов или стабилитронов, и вы можете прочитать, как это сделать.

Даже такой простой источник питания можно «запитать немного больше», то есть добиться более высокого тока в нагрузке. Но тогда потребуется введение дополнительных балластных резисторов на входе.Так, например, вот схема бестрансформаторного блока питания с выходным напряжением + 12В

Когда мы имеем дело с устройствами, работающими от источника питания низкого напряжения, у нас обычно есть несколько вариантов их питания. Помимо простых, но дорогих и громоздких трансформаторов можно использовать бестрансформаторный источник питания .

Например, вы можете получить 5 вольт из 220 вольт с помощью гасящего резистора или реактивного сопротивления конденсатора.Однако это решение подходит только для устройств с очень низким потреблением тока. Если нам нужен больший ток, например, для питания цепи светодиода, то здесь мы столкнемся с пределом производительности.

Если какое-то устройство потребляет большой ток и принципиально необходимо его запитать от сети 220 вольт, то есть одно оригинальное решение. Он заключается в использовании для питания только части синусоиды в период ее роста и спада, т.е.в момент, когда напряжение в сети равно или меньше требуемого значения.

Описание работы бестрансформаторного блока питания

Особенность схемы заключается в управлении моментом открытия MOSFET-транзистора – VT2 (IRF830). Если текущее значение входного сетевого напряжения ниже напряжения стабилизации стабилитрона VD5 за вычетом падения напряжения на резисторе R3, то транзистор VT1 закроется. Благодаря этому через резистор R4 на транзистор VT2 проходит положительное напряжение, в результате чего он находится в открытом состоянии.

Ток протекает через транзистор VT2, и текущее значение напряжения сети соответствует зарядному конденсатору C2. Конечно, напряжение в сети падает до нуля, поэтому необходимо включить в схему диод VD7, который не дает конденсатору разряжаться обратно в цепь питания.

Когда входное напряжение сети превышает порог, ток, проходящий через стабилитрон VD5, приводит к открытию транзистора VT1. Транзистор шунтирует затвор транзистора VT2 своим коллектором, в результате VT2 закрывается.Таким образом, конденсатор С2 заряжается только необходимым напряжением.

Мощный транзистор VT2 открывается только при низком напряжении, поэтому его общая рассеиваемая мощность в цепи очень мала. Конечно, стабильность питания зависит от управляющего напряжения стабилитрона, поэтому, например, если мы хотим запитать схему с микроконтроллером, то выход нужно дополнить маленьким.

Резистор R1 защищает цепь и снижает скачки напряжения при первом использовании.Стабилитрон VD6 ограничивает максимальное напряжение на управляющем электроде транзистора VT2 в районе 15 вольт. Естественно, что при переключении транзистора VT2 возникают электромагнитные помехи. Чтобы избежать передачи помех в сеть, во входной цепи используется простой LC-фильтр, состоящий из компонентов L1 и C1.

статей мы начали знакомство с искусством исцеления компьютерных блоков питания. Продолжим это увлекательное дело и внимательно рассмотрим их высоковольтную часть.

Проверка высоковольтной части блока питания

После осмотра платы и восстановления пайка следует проверить предохранитель мультиметром (в режиме измерения сопротивления).

Надеюсь, вы хорошо поняли и запомнили меры предосторожности , , изложенные ранее!

Если он перегорел, это обычно свидетельствует о неисправности в высоковольтной части.

Чаще всего неисправность предохранителя видна (если стекло) визуально: внутри «грязь» («грязь» – испарившаяся свинцовая резьба).

Иногда стеклянная трубка разлетается на части.

В этом случае необходимо проверить (тем же тестером) исправность высоковольтных диодов, силовых ключевых транзисторов и силового транзистора резервного источника напряжения. Силовые транзисторы высоковольтной части обычно располагаются на общем радиаторе.

При перегоревшем предохранителе клеммы коллектор-эмиттер часто коротко «звенят», и вы можете проверить это, не паяя транзистор. С полевыми транзисторами дело обстоит несколько сложнее.

О том, как проверить полевые и биполярные транзисторы, можно прочитать и.

Высоковольтная часть находится в той части платы, где расположены высоковольтные конденсаторы (они больше по объему, чем низковольтные). Эти конденсаторы указывают их емкость (330-820 мкФ) и рабочее напряжение (200-400 В).

Возможно, вас не удивит, что рабочее напряжение может составлять 200 В. В большинстве схем эти конденсаторы соединены последовательно, так что их общее рабочее напряжение будет составлять 400 В.Но есть и схемы с одним конденсатором на рабочее напряжение 400 В (или даже больше).

Часто бывает, что вместе с силовыми элементами выходят из строя электролитические конденсаторы – как низковольтные, так и высоковольтные (высоковольтные – реже).

В большинстве случаев это хорошо видно – вздуваются конденсаторы, лопается их верхняя крышка.

В самых тяжелых случаях из них течет электролит. Он лопается не просто так, а там, где его толщина меньше.

Это сделано специально, чтобы обойтись кровью. Раньше этого не делали, а во время взрыва конденсатор разлетелся своими внутренностями далеко вокруг. А с монолитными алюминиевыми ножнами можно было попасть и в лоб.

Все такие конденсаторы необходимо заменить на аналогичные. Следы электролита на плате следует аккуратно удалить.

Электролитические конденсаторы блока питания и ESR

Напоминаем, что в источниках питания используются специальные низковольтные конденсаторы с низким ESR (эквивалентное последовательное сопротивление, EPS).

Аналогичные установлены на материнских платах компьютеров.

Их можно узнать по маркировке.

Например, конденсатор CapXon с низким ESR имеет маркировку «LZ». «Обычный» конденсатор не имеет букв LZ. Каждая компания производит большое количество различных типов конденсаторов. Точное значение ESR конкретного типа конденсатора можно найти на сайте производителя.

Производители блоков питания часто экономят на конденсаторах, ставя обычные с более высоким EPS (а они дешевле).Иногда даже пишут «Low ESR» на батареях конденсаторов.

Это розыгрыш, и такие конденсаторы лучше сразу заменить .

В наиболее сложном режиме конденсаторы фильтра работают на шинах +3,3 В, +5 В, +12 В, так как по ним циркулируют большие токи.

Бывают и «мерзкие» случаи, когда со временем высыхают конденсаторы малой емкости в источнике дежурного напряжения. При этом их емкость уменьшается, а СОЭ растет.

Или емкость немного падает, а ESR сильно растет.Однако никаких внешних изменений формы может и не быть, так как их размеры и вместимость невелики.

Это может привести к изменению значения напряжения резервного источника. Если оно меньше нормы, главный инвертор блока питания вообще не включится.

Если он больше, компьютер выйдет из строя и «зависнет», так как часть компонентов материнской платы находится под именно этим напряжением.

Емкость можно измерить.

Однако большинство тестеров могут измерять емкость только до 20 мкФ, что явно недостаточно для .

Обратите внимание, что измерить СОЭ штатным тестером невозможно.

Нужен специальный измеритель СОЭ!

Для конденсаторов большой емкости значение ESR может составлять десятые или сотые доли Ом, а для конденсаторов малой емкости – десятые или единицы Ом.

Если он больше, такой конденсатор необходимо заменить.

Если такого счетчика нет, то «подозрительный» конденсатор необходимо заменить новым (или заведомо исправным).

Отсюда мораль – не оставлять источник дежурного напряжения в блоке питания включенным.Чем меньше времени он проработает, тем дольше будут сохнуть в нем конденсаторы.

По окончании работы необходимо либо снять напряжение с помощью переключателя фильтра, либо вынуть вилку кабеля питания из розетки.

В заключение скажем еще несколько слов

Об элементах высоковольтной части блока питания

В недорогих, маломощных (до 400 Вт) мощных биполярных транзисторах 13007 или 13009 с токами коллектора 8 и 12 А соответственно и напряжением между эмиттером и коллектором 400 В.часто используются как ключевые.

В качестве резервного источника напряжения можно использовать силовой полевой транзистор 2N60 с током стока 2 А и напряжением сток-исток 600 В.

Однако полевые транзисторы могут использоваться как ключевые, так и биполярные в источнике дежурного режима.

При отсутствии необходимых транзисторов их можно заменить аналогами.

Аналоги биполярных транзисторов должны иметь рабочее напряжение между эмиттером и коллектором и ток коллектора не ниже, чем у заменяемых.

Аналоги полевых транзисторов должны иметь рабочее напряжение сток-исток и ток стока не ниже, чем у сменного, а сопротивление открытого канала «сток-исток» не выше , чем у заменяемого.

Внимательный читатель может спросить: «Почему сопротивление этого канала должно быть не выше? Ведь чем больше значение параметров, тем как бы лучше? ”

Отвечаю – при таком же рабочем токе на канале с более высоким сопротивлением в соответствии с законом Джоуля-Ленца большая мощность будет рассеиваться.А, следовательно, он (то есть весь транзистор) будет сильнее греться.

Лишнее тепло нам ни к чему!

У нас блок питания, а не радиатор отопления!

На этом, друзья, сегодня закончим. Нам еще предстоит познакомиться с лечением низковольтной части, чем мы и займемся в следующей статье.

Увидимся в блоге!

Для работы микроконтроллерных устройств

требуется постоянное стабилизированное напряжение 3,3-5 В.Обычно это напряжение получается из переменного сетевого напряжения с использованием трансформаторного источника питания, и в простейшем случае это следующая схема.

Понижающий трансформатор, диодный мост, сглаживающий конденсатор и линейный / импульсный стабилизатор. Кроме того, такой источник может включать предохранитель, схемы фильтров, схему плавного пуска, схему защиты от перегрузки и т. Д.
Этот источник питания (с соответствующим выбором компонентов) позволяет получать большие токи и имеет гальваническую развязку от сети переменного тока. сеть, что важно для безопасной работы устройства.Однако такой источник может иметь большие габариты благодаря трансформатору и фильтрующим конденсаторам.
В некоторых устройствах на микроконтроллерах гальваническая развязка 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 небольшой 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 действия бестрансформаторного источника питания

Резистор R1 разряжает конденсатор C1, когда цепь отключена от сети. Это необходимо для того, чтобы источник питания не сотрясал вас при прикосновении к входным контактам.
При подключении источника питания к сети разряженный конденсатор C1 является, грубо говоря, проводником, и через стабилитрон VD1 на короткое время протекает огромный ток, который может его вывести из строя. Резистор R2 ограничивает пусковой ток при включении устройства.

«Пусковой ток» в начальный момент включения цепи. Напряжение сети отображается синим цветом, ток, потребляемый источником питания, – красным. Для наглядности текущий график увеличен в несколько раз.

Если подключить схему к сети в момент, когда напряжение пересекает ноль, броска не будет. Но какова вероятность того, что у вас все получится?
Любой конденсатор сопротивляется протеканию переменного тока. (Для постоянного тока конденсатор открыт.) Величина этого сопротивления зависит от частоты входного напряжения и емкости конденсатора и может быть рассчитана по формуле. Конденсатор С1 играет роль балластного сопротивления, на которое будет падать большая часть входного напряжения сети.

У вас может возникнуть резонный вопрос: а почему нельзя вместо С1 поставить штатный резистор? Можно, но на нем будет рассеиваться мощность, в результате чего он нагреется. С конденсатором этого не происходит – активная мощность, выделяемая на нем за один период сетевого напряжения, равна нулю.В расчетах мы коснемся этого момента.

Итак, часть входного напряжения падает на конденсаторе С1. (Падение напряжения на резисторе R2 не может быть учтено, так как оно имеет небольшое сопротивление.) Оставшееся напряжение будет приложено к стабилитрону VD1.
В положительном полупериоде входное напряжение ограничивается стабилитроном на уровне его номинального напряжения стабилизации. В отрицательном полупериоде входное напряжение будет подаваться на стабилитрон в прямом направлении, и стабилитрон будет иметь напряжение примерно минус 0.7 Вольт.

Естественно, такое пульсирующее напряжение не подходит для питания микроконтроллера, поэтому после стабилитрона идет цепочка из полупроводникового диода VD2 и электролитического конденсатора С2. Когда напряжение на стабилитроне положительное, через диод VD2 течет ток. В этот момент конденсатор С2 заряжен и нагрузка запитана. Когда напряжение на стабилитроне падает, диод VD2 блокируется, и конденсатор C2 отдает накопленную энергию нагрузке.
Напряжение на конденсаторе C2 будет колебаться (пульсации). В положительном полупериоде сетевого напряжения оно увеличится до Ust минус напряжение на VD2, в отрицательный полупериод упадет из-за 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 меньше будут эти пульсации.
Если ток нагрузки и пульсации небольшие, то после конденсатора С2 уже можно ставить нагрузку, но для устройств на микроконтроллерах лучше все же использовать схему со стабилизатором.Если правильно рассчитать номиналы всех компонентов, то на выходе стабилизатора мы получим постоянное напряжение.
Схему можно улучшить, добавив к ней диодный мост. Тогда блок питания будет использовать оба полупериода входного напряжения – как положительный, так и отрицательный. Это позволит получить лучшие параметры пульсации с меньшим конденсатором C2. Диод между стабилитроном и конденсатором можно исключить из этой схемы.

Продолжение следует…

Многие радиолюбители не рассматривают блоки питания без трансформаторов. Но, несмотря на это, они используются довольно активно. В частности, в охранных устройствах, в цепях радиоуправления люстры, нагрузках и во многих других устройствах. В этом видеоуроке рассмотрим простую конструкцию такого выпрямителя на 5 В, 40-50 мА. Однако можно изменить схему и получить практически любое напряжение.

Бестрансформаторные источники также используются в качестве зарядных устройств и используются для питания светодиодных ламп и китайских фонарей.

Для радиолюбителей есть все в этом китайском магазине.

Анализ схем.

Рассмотрим простую бестрансформаторную схему. Напряжение от сети 220 вольт через ограничивающий резистор, который одновременно действует как предохранитель, поступает на гасящий конденсатор. На выходе также присутствует сетевое напряжение, но ток многократно снижается.

Схема бестрансформаторного выпрямителя

Далее, к полуволновому диодному выпрямителю, на его выходе получаем постоянный ток, который стабилизируется с помощью стабилизатора VD5 и сглаживается конденсатором.В нашем случае конденсатор 25 В, 100 мкФ, электролитический. Еще один небольшой конденсатор установлен параллельно с блоком питания.

Далее идет линейный регулятор напряжения. В данном случае использовался линейный стабилизатор 7808. В схеме допущена небольшая опечатка, выходное напряжение на самом деле примерно 8 В. Зачем в схеме линейный стабилизатор, стабилитрон? В большинстве случаев не допускается подача стабилизаторов напряжения выше 30 В к линейным стабилизаторам напряжения. Поэтому в схеме нужен стабилитрон.Номинальный выходной ток в большей степени определяется емкостью гасящего конденсатора. В этом варианте он имеет емкость 0,33 мкФ при номинальном напряжении 400 В. Разрядный резистор сопротивлением 1 МОм установлен параллельно конденсатору. Номинал всех резисторов может быть 0, 25 или 0,5 Вт. Это резистор для того, чтобы после отключения схемы от сети конденсатор не удерживал остаточное напряжение, то есть разряжался.

Диодный мост можно собрать из четырех выпрямителей на 1 А.Обратное напряжение диодов должно быть не менее 400 В. Также можно использовать готовые диодные сборки типа КЦ405. В справочнике нужно посмотреть допустимое обратное напряжение через диодный мост. Стабилитрон предпочтительно составляет 1 Вт. Напряжение стабилизации этого стабилитрона должно быть от 6 до 30 В, не более. Ток на выходе схемы зависит от номинала этого конденсатора. При емкости 1 мкФ ток будет около 70 мА. Не следует увеличивать емкость конденсатора более 0.5 мкФ, так как довольно большой ток, конечно, сгорает стабилитрон. Эта схема хороша тем, что она малогабаритная, собрать можно из подручных средств. Но недостаток в том, что он не имеет гальванической развязки от сети. Если вы собираетесь его использовать, то обязательно используйте его в закрытом корпусе, чтобы не касаться высоковольтных частей схемы. И, конечно, не стоит связывать с этой схемой большие надежды, так как выходной ток схемы небольшой. То есть достаточно для питания маломощных устройств током до 50 мА.В частности, питание светодиодов и конструкция светодиодных фонарей и ночников. Первый пуск нужно производить последовательно с лампочкой.

В этом варианте есть резистор на 300 Ом, который на случай выхода из строя. У нас уже нет этого резистора на плате, поэтому мы добавили лампочку, которая будет немного загораться во время работы нашей схемы. Для проверки выходного напряжения воспользуемся самым обычным мультиметром, постоянным счетчиком 20 В. Подключаем схему к сети 220 В.Так как у нас есть защитный свет, он спасет ситуацию, если в цепи возникнут какие-то проблемы. Соблюдайте особую осторожность при работе с высоким напряжением, так как в цепь все равно подается 220 В.

Заключение

На выходе 4,94, то есть почти 5 В. При токе не более 40-50 мА. Отлично подходит для светодиодов малой мощности. Запитать светодиодные линейки от этой схемы можно, только при этом заменив стабилизатор на 12-вольтовый, например 7812. В принципе, на выходе можно получить любое напряжение в разумных пределах.Вот и все. Не забудьте подписаться на канал и оставить свой отзыв о дальнейших видео.