Снижение напряжения конденсатором: Расчет понижающего конденсатора

Расчет понижающего конденсатора

Полученные параметры понижающего конденсатора

 

Если у Вас когда нибудь возникала задача понизить напряжение до какого либо уровня, например с 220 Вольт то 12В, то это статья для Вас.

Есть масса способов это сделать подручными материалами. В нашем случае  мы будем использовать одну деталь – ёмкость.

В принципе мы можем использовать и обычное сопротивление, но  в этом случае, у нас возникнет  проблема перегрева данной детали, а там и до пожара недалеко.

 

В случае, когда в виде понижающего элемента используется ёмкость, ситуация другая.

Ёмкость, включенная в цепь переменного тока обладает (в идеале) только реактивным сопротивлением, значение котрого находится по общеизвестной формуле.

Кроме этого в нашу цепь мы включаем какую то нагрузку ( лампочку, дрель, стиральную машину),  которая обладает тоже каким то сопротивлением R

 

Таким образом общее сопротивление цепи будет находиться как 

 

Наша цепь последовательна, а следовательно общее напряжение цепи есть сумма напряжений на конденсаторе и на нагрузке

 

По закону ома, вычислим ток, протекающий в этой цепи.

Как видите  легко зная параметры цепи, вычислить недостающие значения.

А вспомнив как вычисляется мощность  легко рассчитывать параметры конденсатора основываясь на потребляемую мощность нагрузки.

 

Учитывайте что в такой схеме нельзя использовать полярные конденсаторы то есть такие что включаются в электронную схему в строгом соответствии с указанной полярностью.

Кроме этого необходимо учитывать и частоту сети

f. И если у нас в России частота 50Гц, то например в Америке частота 60Гц. Это тоже влияет на окончательне расчеты.

Примеры расчета

 

Необходимо запитать лампочку мощностью 36Вт, рассчитанное на напряжение 12В. Какая ёмкость понижающего конденсатора тут необходима?

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

 

Ток проходящий через лампочку  равен  3 Ампера (36 делим на 12). Тогда ёмкость по вышенаписанной формуле будет равна:

Полученные параметры понижающего конденсатора

C = 4.334146654694E-5 Фарад  I = 3 Ампер  P = 36 Ватт  Ua = 220 Вольт  Ub = 12 Вольт  f = 50 Герц

 

Что бы не переводит степени минус пятой степени в микро или мимли Фарады, воспользуемся вот этим ботом и получим 

Полученный результат конвертации

полученное число = 0.0433414665469миллиФарад

Альтернативное представление

что нам нужен конденсатор  ёмкостью 43 мкФ.

 

• Сопротивление. Зависимость от температуры >>

Гасящий конденсатор вместо гасящего резистора

Иногда возникает задача понизить переменное напряжение сети 220 вольт до некоторого заданного значения, причем применение понижающего трансформатора (в таком случае) не всегда бывает целесообразным. Скажем, низкочастотный понижающий трансформатор, выполненный традиционно на трансформаторном железе, способный преобразовать мощность 200 Ватт, весит больше килограмма, не говоря о высокой стоимости. Следовательно в некоторых случаях можно применить гасящий резистор, который ограничит ток, однако при этом на самом гасящем резисторе выделится мощность в виде тепла, а это не всегда является приемлемым. Например, если нужно запитать 200 Ваттную лампу только на половину ее наминала, потребовалось бы рассеять мощность в 100 Ватт на гасящем резисторе, а это крайне сомнительное решение. Весьма удобной альтернативой, для данного примера, может служить применение гасящего конденсатора, емкостью около14мкф, (такой можно собрать из трех металлопленочных типа К73-17 по 4,7мкф, рассчитанных на 250в, а лучше – на 400в) это позволит получить нужный ток без необходимости рассеивать значительную мощность в виде тепла. Рассмотрим физическую сторону этого решения. Как известно, конденсатор, включенный в цепь переменного тока, является реактивным элементом, обладающим емкостным сопротивлением, связанным с частотой переменного тока в цепи, а также с собственной емкостью. Чем больше емкость конденсатора и чем выше частота переменного напряжения в цепи, тем больший ток проходит через конденсатор, значит емкостное сопротивление конденсатора обратно пропорционально его емкости, а также частоте переменного тока, в цепи, куда он включен. Это видно и из формулы для емкостного сопротивления конденсатора: Если в цепь переменного тока включены последовательно резистор (активная нагрузка) и конденсатор, то их общее сопротивление можно найти по формуле: А поскольку и то Итак, зная напряжение на нагрузке, силу тока нагрузки и напряжение на гасящем конденсаторе, можно определить емкость гасящего конденсатора, который нужно включить последовательно нагрузке для получения требуемых параметров питания: Рассмотрим пример: требуется запитать лампу накаливания мощностью 100 Ватт, рассчитанную на напряжение 110 вольт от розетки 220 вольт. В первую очередь найдем значение рабочего тока лампы: Получим значение тока лампы равное 0,91 А. Теперь можно найти требуемое значение емкости гасящего конденсатора, она будет равна 15,2 мкФ. Следует отметить, что этот расчет верен для чисто активной нагрузки, когда имеет место эффективное значение. При использовании же выпрямителя, необходимо учесть, что эффективное значение тока будет немного меньше в силу действия пульсаций. Также следует помнить, что в качестве гасящих конденсаторов, полярные конденсаторы применять ни в коем случае нельзя.

Лучшее сочетание вакуумных и          полупроводниковых характеристик – однотактный гибридный усилитель звука.           Мы не создаём иллюзий,           Мы делаем звук живым!

Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания. . Обзоры товаров из Китая.

Блок питания с гасящим конденсатором представляет собой простейший вариант запитать какое нибудь маломощное устройство.

При всей своей простоте он имеет и два минуса:
1. Он гальванически связан с сетью! потому такие БП используются там, где нет вероятности прикосновения к контактам.

2. Такой Бп имеет не очень большой выходной ток. При увеличении выходного тока надо увеличивать емкость гасящего конденсатора и его габариты становятся существенными.

Внимание, будьте очень аккуратны, не прикасайтесь к контактам этого БП когда он включен.

Простейшая схема данного БП выглядит так:

Как можно увидеть из схемы, последовательно с сетью стоит конденсатор. Он то и является балластом,, на котором гасится часть напряжения.
Конденсатор не пропускает постоянный ток, но так как в сети переменный и конденсатор в итоге постоянно перезаряжется, то и получается, что в таком случае ток на выходе есть. Причем сила тока напрямую зависит от емкости конденсатора.

Собственно потому для расчета емкости конденсатора необходимо знать как минимум выходной ток нашего будущего БП, причем надо учесть и потребление стабилизатора, обычно это несколько мА.

И так. Есть две формулы, сложная и простая.
Сложная – подходит для расчета при произвольном выходном напряжении.
Простая – подходит в ситуациях, когда выходное напряжение не более 10% от входного.
I – выходной ток нашего БП
Uвх – напряжение сети, например 220 Вольт
Uвых – напряжение на выходе БП (или до стабилизаторе если такой есть), например 12 Вольт.
С – собственно искомая емкость.

Например я хочу сделать БП с выходным током до 150мА. Пример схемы приведен выше, вариант применения – радиопульт с питанием 5 Вольт + реле на 12 Вольт.
Подставляем наши 0.15 Ампера и получаем емкость 2.18мкФ, можно взять ближайший номинал из стандартных – 2,2мкФ, ну или “по импортному” – 225.

Все как бы вроде хорошо, схема простая, но есть несколько минусов, которые надо исключить:
1. Бросок тока при включении может сжечь диодный мост.
2. При выходе из строя конденсатора может быть КЗ

3. Если оставить как есть, то вполне можно получить разряд от входного конденсатора, так как на нем может долго присутствовать напряжение даже после отключения БП от сети.
4. При снятии нагрузки напряжение на конденсаторе до стабилизатора поднимется до довольно большого значения.

Решения:
1. Резистор R1 последовательно с конденсатором
2. Предохранитель 0.5 Ампера.
3. Резистор R2 параллельно конденсатору.
4. Супрессор на 12 Вольт параллельно конденсатору после диодного моста. Я не рекомендую здесь использовать стабилитроны, супрессоры рассчитаны на большую мощность рассеивания и схема будет работать надежнее.

На схеме красным цветом я выделил новые компоненты, синим – небольшое дополнение в виде светодиода.

Но гасящие конденсаторы используют часто и в дешевых светодиодных лампах. Это плохо, так как у таких ламп меньше надежность и часто высокие пульсации света.

Ниже упрощенный вариант схемы такой лампы.

Попробуем рассчитать емкость для такого применения, но так как напряжение на выходе будет явно больше чем 1/10 от входного, то применим первую формулу.
В качестве выходного напряжения я заложил 48 Вольт, 16 светодиодов по 3 Вольта на каждом. Конечно это все условно, но близко к реальности.
Ток – 20мА, типичный максимальный ток для большинства индикаторных светодиодов.

У меня вышло, что необходим конденсатор емкостью 0.298 мкФ. Ближайший из распространенных номиналов – 0.27 или 0.33мкФ. Первый встречается гораздо реже, а второй уже будет давать превышение тока, потому можно составить конденсатор из двух параллельных, например по 0.15мкФ. При параллельном включении емкость складывается.

С емкостью разобрались, осталось еще пара моментов:
1. Напряжение конденсатора
2. Тип конденсатора.

С напряжением все просто, можно применить конденсатор на 400 Вольт, но надежнее на 630, хоть они и имеют больше размер.

С типом чуть сложнее. Для такого применения лучше использовать конденсаторы, которые изначально предназначены для такого использования, например К73-17, CL21, X2
На фото конденсатор CL21

А это более надежный вариант, не смотрите что на нем указано 280 Вольт, у него это значение переменного действующего напряжения и он будет работать надежнее, чем К73-17 или CL21.

Такие конденсаторы могут выглядеть и так

А вот теперь можно еще раз внимательно посмотреть, что надо для того, чтобы собрать такой “простой” блок питания и решить, нужен ли он.
В некоторых ситуациях да, он поможет, но он имеет кучу минусов, потому на мой взгляд лучше применить просто небольшой импульсный блок питания, который уже имеет стабилизированное выходное напряжение, гальваническую изоляцию и больший выходной ток.
Как пример таких блоков питания я могу дать ссылку на подробный обзор четырех вариантов, с тестами, схемами и осмотров.

Но можно поступить еще лучше. Сейчас получили распространение монолитные блоки питания. По сути кубик, в котором находится миниатюрный БП
Например HLK-PM01 производства Hi-link, стоимостью около двух долларов за штуку.

Или их китайский аналог TSP-05 производства Tenstar robot. Они немного дешевле, 1.93 доллара за штуку.
Практика показала, что качество у них сопоставимое.

Как я писал выше, они представляют из себя импульсный Бп в модульном исполнении. БП в пластмассовом корпусе залитый эпоксидной смолой.
Выпускаются на разные напряжения и способны поддерживать его на довольно стабильном уровне.

Внутренности поближе, на фото вариант от Hi-link

На этом вроде все. Надеюсь, что статья была полезна, постараюсь и в будущем находить интересные темы. Также интересны пожелания, что хотелось бы видеть в рубрике – Начинающим.

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 shiotiny@yandex.ru или на мой сайт в раздел «Контакты».

Вступление

Не так давно один мой знакомый влез пальцами в некую схему, которую собирался починить (проводок отвалился — так что просто припаять его надо было на место). И его ударило током. Не сильно ударило, но ему хватило, чтобы удивиться: «как так — тут микроконтроллер стоит, что тут может стукнуть? Он же от 5 вольт питается!».

Его удивление быстро разъяснилось: схема оказалась с бестрансформаторным питанием и без гальванической развязки от сети.

Далее последовали вопросы уже в мою сторону. Сводились они к двум вещам: «А чё? Так можно делать?!» и «А как оно работает?».

Хотя я и не считаю себя экспертом в электронике, но делать подобные блоки питания мне приходилось. Так что пришлось взять ручку и листок и объяснить как оно работает. Благо это совсем не сложно.

Возможно, что и вам покажется интересной тема «бестрансформаторных» источников питания или, сокращённо, БИП. Кому-то для общего развития, а кому-то и для практического применения.

Источники питания от бытовой сети переменного тока

Сразу предупреждаю: я намеренно не коснусь тут импульсных источников питания. Это тема для другого разговора.

Вообще говоря, функции источника питания низковольтной электронной аппаратуры обычно состоят в следующем: обеспечить на выходе источника питания заданное напряжение при заданном диапазоне потребляемого тока. То есть, если выразиться формально, источник питания — это источник постоянного напряжения Uвых, который сохраняет Uвых=const при изменении потребляемого тока от Imin до Imax.

В «классическом» линейном источнике питания это происходит обычно так: входное сетевое напряжение понижается с помощью трансформатора, затем это напряжение выпрямляется и, наконец, стабилизируется с помощью линейного стабилизатора.

Структурная схема «классического» линейного источника питания показана на рисунке ниже. Одной из самых «неудобных» деталей такого источника питания является трансформатор: он дорогой и громоздкий.

Поэтому, радиолюбители и радиопрофессионалы искали способы — как отказаться от этот громоздкой и дорогой детали — трансформатора или хотя бы уменьшить его габариты и стоимость.

И такое решение нашлось: стали использовать реактивное сопротивление конденсатора Rc для того, чтобы «гасить» лишнее напряжение. Структурная схема «бестрансформаторного» источника питания (БИП) показана ниже.

Как видим, структура БИП почти не отличается от классического линейного источника питания. Разве что вместо трансформатора поставили гасящий конденсатор. Пусть вас не смущает и не обманывает сходство структуры этих источников питания на рисунке: внутри отличий масса.

Достоинства БИП: он относительно компактен, надёжен, дёшев, не боится короткого замыкания по выходу.

Но есть и существенные недостатки: он опасен с точки зрения прикосновения человека к элементам питаемого устройства. Да и максимальный ток, который может обеспечить такой источник питания — всего несколько сот миллиампер. При большем токе габариты конденсаторов велики и проще поставить трансформатор или вообще поставить импульсник.

Исходя из достоинств и недостатков БИП, область его применения — это хорошо изолированные маломощные устройства с питанием от бытовой электрической сети: одиноко стоящие датчики, устройства управления освещением, устройства включения вентиляции и обогрева и другие устройства малой мощности, работающие автономно.

Попробуем понять — как работает реальная схема БИП и как её рассчитать.

Теория практики и практика теории

Пример простейшей практической схемы

Так как раньше, до появления дешёвых «импульсников», БИП были наверное самым доступным способом уменьшить габариты и цену источника питания, то схем БИП в книгах и интернете — вагон и маленькая тележка. Но принцип работы почти у всех схем примерно одинаковый: один или несколько гасящих конденсаторов на входе, выпрямитель и выходной стабилизатор постоянного напряжения.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Когда педантичность не нужна

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

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

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

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

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

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

Нужен ли нам БИП вообще?

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

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

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

Как прикинуть ёмкость С1 и выбрать стабилитрон VS1?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

• 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 shiotiny@yandex. ru или на мой
сайт в раздел «Контакты».

Заранее спасибо за отклики.

Выпрямитель и простейший блок питания, как это сделать самому

Выпрямитель и простейший блок питания, как это сделать самому

Блок питания (БП) — устройство, предназначенное для формирования напряжения, необходимого системе, из напряжения электрической сети.

Выпрямитель – это устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. Это одна из самых часто встречающихся деталей в электроприборах, начиная от фена для волос, заканчивая всеми типами блоков питания с выходным напряжением постоянного тока. Есть разные схемы выпрямителей и каждая из них в определённой мере справляется со своей задачей. В этой статье мы расскажем о том, как сделать однофазный выпрямитель, и зачем он нужен.

Определение

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный. Слово «постоянный» не совсем корректно, дело в том, что на выходе выпрямителя, в цепи синусоидального переменного напряжения, в любом случае окажется нестабилизированное пульсирующие напряжение. Простыми словами: постоянное по знаку, но изменяющееся по величине.

Различают два типа выпрямителей:

– Однополупериодный. Он выпрямляет только одну полуволну входного напряжения. Характерны сильные пульсации и пониженное относительно входного напряжение.

– Двухполупериодный. Соответственно, выпрямляется две полуволны. Пульсации ниже, напряжение выше чем на входе выпрямителя – это две основных характеристики.

Что значит стабилизированное и нестабилизированное напряжение?

Стабилизированным называется напряжение, которое не изменяется по величине независимо ни от нагрузки, ни от скачков входного напряжения. Для трансформаторных источников питания это особенно важно, потому что выходное напряжение зависит от входного и отличается от него на Ктрансформации раз.

Нестабилизированное напряжение – изменяется в зависимости от скачков в питающей сети и характеристик нагрузки. С таким блоком питания из-за просадок возможно неправильное функционирование подключенных приборов или их полная неработоспособность и выход из строя.

Выходное напряжение

Основные величины переменного напряжения – амплитудное и действующее значение. Когда говорят «в сети 220В переменки» имеют в виду действующее напряжение.

Если говорят об амплитудной величине, то имеют в виду, сколько вольт от нуля до верхней точки полуволны синусоиды.

Опустив теорию и ряд формул можно сказать, что действующее напряжение в 1.41 раз меньше амплитудного. Или:

Uа=Uд*√2

Амплитудное напряжение в сети 220В равняется:

220*1.41=310

Схемы

Однополупериодный выпрямитель состоит из одного диода. Он просто не пропускает обратную полуволну. На выходе получается напряжение с сильными пульсациями от нуля до амплитудного значения входного напряжения.

Если говорить совсем простым языком, то в этой схеме к нагрузке поступает половина от входного напряжения. Но это не совсем корректно.

Двухполупериодные схемы пропускают к нагрузке обе полуволны от входного. Выше в статье упоминалось об амплитудном значении напряжения, так вот напряжение на выходе выпрямителя то же ниже по величине, чем действующее переменное на входе.

Но, если сгладить пульсации с помощью конденсатора, то, чем меньшими будут пульсации, тем ближе напряжение будет к амплитудному.

О сглаживания пульсаций мы поговорим позже. А сейчас рассмотрим схемы диодных мостов.

Их две:

1. Выпрямитель по схеме Гретца или диодный мост;

2. Выпрямитель со средней точкой.

Первая схема более распространена. Состоит из диодного моста – четыре диода соединены между собой «квадратом», а в его плечи подключена нагрузка. Выпрямитель типа «мост» собирается по схеме приведенной ниже:

Её можно подключить напрямую к сети 220В, так сделано в современных импульсных блоках питания, или на вторичные обмотки сетевого (50 Гц) трансформатора. Диодные мосты по этой схеме можно собирать из дискретных (отдельных) диодов или использовать готовую сборку диодного моста в едином корпусе.

Вторая схема – выпрямитель со средней точкой не может быть подключена напрямую к сети. Её смысл заключается в использовании трансформатора с отводом от середины.

По своей сути – это два однополупериодных выпрямителя, подключенные к концам вторичной обмотки, нагрузка одним контактом подключается к точке соединения диодов, а вторым – к отводу от середины обмоток.

Её преимуществом перед первой схемой является меньшее количество полупроводниковых диодов. А недостатком – использование трансформатора со средней точкой или, как еще называют, отводом от середины. Они менее распространены чем обычные трансформаторы со вторичной обмоткой без отводов.

Сглаживание пульсаций

Питание пульсирующим напряжением неприемлемо для ряда потребителей, например, источники света и аудиоаппаратура. Тем более, что допустимые пульсации света регламентируются в государственных и отраслевых нормативных документах.

Для сглаживания пульсаций используют фильтры – параллельно установленный конденсатор, LC-фильтр, разнообразные П- и Г-фильтры…

Но самый распространенный и простой вариант – это конденсатор, установленный параллельно нагрузке. Его недостатком является то, что для снижения пульсаций на очень мощной нагрузке придется устанавливать конденсаторы очень большой емкости – десятки тысяч микрофарад.

Его принцип работы заключается в том, что конденсатор заряжается, его напряжение достигает амплитуды, питающее напряжение после точки максимальной амплитуды начинает снижаться, с этого момента нагрузка питается от конденсатора. Конденсатор разряжается в зависимости от сопротивления нагрузки (или её эквивалентного сопротивления, если она не резистивная). Чем больше емкость конденсатора – тем меньшие будут пульсации, если сравнивать с конденсатором с меньшей емкостью, подключенного к этой же нагрузке.

Простым словами: чем медленнее разряжается конденсатор – тем меньше пульсации.

Скорости разряда конденсатора зависит от потребляемого нагрузкой тока. Её можно определить по формуле постоянной времени:

t=RC,

где R – сопротивление нагрузки, а C – емкость сглаживающего конденсатора.

Таким образом, с полностью заряженного состояния до полностью разряженного конденсатор разрядится за 3-5 t. Заряжается с той же скоростью, если заряд происходит через резистор, поэтому в нашем случае это неважно.

Отсюда следует – чтобы добиться приемлемого уровня пульсаций (он определяется требованиями нагрузки к источнику питания) нужна емкость, которая разрядится за время в разы превышающее t. Так как сопротивления большинства нагрузок сравнительно малы, нужна большая емкость, поэтому в целях сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя применяют электролитические конденсаторы, их еще называют полярными или поляризованными.

Обратите внимание, что путать полярность электролитического конденсатора крайне не рекомендуется, потому что это чревато его выходом из строя и даже взрывом. Современные конденсаторы защищены от взрыва – у них на верхней крышке есть выштамповка в виде креста, по которой корпус просто треснут. Но из конденсатора выйдет струя дыма, будет плохо, если она попадет вам в глаза.

Расчет емкости ведется исходя из того какой коэффициент пульсаций нужно обеспечить. Если выражаться простым языком, то коэффициентом пульсаций показывает, на какой процент проседает напряжение (пульсирует).

Чтобы посчитать емкость сглаживающего конденсатора можно использовать приближенную формулу:

C=3200*Iн/Uн*Kп,

Где Iн – ток нагрузки, Uн – напряжение нагрузки, Kн – коэффициент пульсаций.

Для большинства типов аппаратуры коэффициент пульсаций берется 0.01-0.001. Дополнительно желательно установить керамический конденсатор как можно большей емкости, для фильтрации от высокочастотных помех.

Как сделать блок питания своими руками?

Простейший блок питания постоянного тока состоит из трёх элементов:

1. Трансформатор;

2. Диодный мост;

3. Конденсатор.

Если нужно получить высокое напряжение, и вы пренебрегаете гальванической развязкой то можно исключить трансформатор из списка, тогда вы получите постоянное напряжение вплоть до 300-310В. Такая схема стоит на входе импульсных блоков питания, например, такого как у вас на компьютере.

Это нестабилизированный блок питания постоянного тока со сглаживающим конденсатором. Напряжение на его выходе больше чем переменное напряжение вторичной обмотке. Это значит, что если у вас трансформатор 220/12 (первичная на 220В, а вторичная на 12В), то на выходе вы получите 15-17В постоянки. Эта величина зависит от емкости сглаживающего конденсатора. Эту схему можно использовать для питания любой нагрузки, если для нее неважно, то, что напряжение может «плавать» при изменениях напряжения питающей сети.

Важно:

У конденсатора две основных характеристики – емкость и напряжение. Как подбирать емкость мы разобрались, а с подбором напряжения – нет. Напряжение конденсатора должно превышать амплитудное напряжение на выходе выпрямителя хотя бы в половину. Если фактическое напряжение на обкладках конденсатора превысит номинальное – велика вероятность его выхода из строя.

Старые советские конденсаторы делались с хорошим запасом по напряжению, но сейчас все используют дешевые электролиты из Китая, где в лучшем случае есть малый запас, а в худшем – и указанного номинального напряжения не выдержит. Поэтому не экономьте на надежности.

Стабилизированный блок питания отличается от предыдущего всего лишь наличием стабилизатора напряжения (или тока). Простейший вариант – использовать L78xx или другие линейные стабилизаторы, типа отечественного КРЕН.

Так вы можете получить любое напряжение, единственное условие при использовании подобных стабилизаторов, это то, напряжение до стабилизатора должно превышать стабилизированную (выходную) величину хотя бы на 1.5В. Рассмотрим, что написано в даташите 12В стабилизатора L7812:

Входное напряжение не должно превышать 35В, для стабилизаторов от 5 до 12В, и 40В для стабилизаторов на 20-24В.

Входное напряжение должно превышать выходное на 2-2.5В.

Полная версия даташита https://www.jameco.com/Jameco/Products/ProdDS/889305.pdf

Т.е. для стабилизированного БП на 12В со стабилизатором серии L7812 нужно, чтобы выпрямленное напряжение лежало в пределах 14.5-35В, чтобы избежать просадок, будет идеальным решением применять трансформатора с вторичной обмоткой на 12В.

Но выходной ток достаточно скромный – всего 1.5А, его можно усилить с помощью проходного транзистора. Если у вас есть PNP-транзисторы, можно использовать эту схему:

На ней изображено только подключение линейного стабилизатора «левая» часть схемы с трансформатором и выпрямителем опущена.

Если у вас есть NPN-транзисторы типа КТ803/КТ805/КТ808, то подойдет эта:

Стоит отметить, что во второй схеме выходное напряжение будет меньше напряжения стабилизации на 0.6В – это падение на переходе эмиттер база. Для компенсации этого падения в цепь был введен диод D1.

Можно и в параллель установить два линейных стабилизатора, но не нужно! Из-за возможных отклонений при изготовлении нагрузка будет распределяться неравномерно и один из них может из-за этого сгореть.

Установите и транзистор, и линейный стабилизатор на радиатор, желательно на разные радиаторы. Они сильно греются.

Регулируемые блоки питания

Простейший регулируемый блок питания можно сделать с регулируемым линейным стабилизатором LM317, её ток тоже до 1.5 А, вы можете усилить схему проходным транзистором, как было описано выше.

Вот более наглядная схема для сборки регулируемого блока питания.

Чтобы получить больший ток можно и использовать более мощный регулируемый стабилизатор LM350.

В последних двух схемах есть индикация включения, которая показывает наличие напряжения на выходе диодного моста, выключатель 220В, предохранитель первичной обмотки.

Вот пример регулируемого зарядного устройства для аккумулятора с тиристорным регулятором в первичной обмотке, по сути такой же регулируемый блок питания.

Кстати похожей схемой регулируют и сварочный ток:

Заключение

Выпрямитель используется в источниках питания для получения постоянного тока из переменного. Без его участия не получится запитать нагрузку постоянного тока, например светодиодную ленту или радиоприемник.

Также используются в разнообразных зарядных устройствах для автомобильных аккумуляторов, есть ряд схем с использованием трансформатора с группой отводов от первичной обмотки, которые переключаются галетным переключателем, а во вторичной обмотке установлен только диодный мост. Переключатель устанавливают со стороны высокого напряжения, так как, там в разы ниже ток и его контакты не будут пригорать от этого.

По схемам из статьи вы можете собрать простейший блок питания как для постоянной работы с каким-то устройством, так и для тестирования своих электронных самоделок.

Схемы не отличаются высоким КПД, но выдают стабилизированное напряжение без особых пульсаций, следует проверить емкости конденсаторов и рассчитать под конкретную нагрузку. Они отлично подойдут для работы маломощных аудиоусилителей, и не создадут дополнительного фона. Регулируемый блок питания станет полезным автолюбителями и автоэлектрикам для проверки реле регулятора напряжения генератора.

Регулируемый блок питания используется во всех областях электроники, а если его улучшить защитой от КЗ или стабилизатором тока на двух транзисторах, то вы получите почти полноценный лабораторный блок питания.

Ранее ЭлектроВести писали, что компании Nissan Energy и OPUS Campers представили любопытную новинку — концептуальный автомобиль-кемпер Nissan x OPUS. Главная идея Nissan x OPUS заключается в том, чтобы обеспечить путешественников электроэнергией вдали от цивилизации. Для этого предлагается использовать отработанные аккумуляторные батареи электромобилей.

По материалам: electrik.info.

Включение сглаживающих конденсаторов при повышенном высоком напряжении

Наконец-то наступает момент, когда можно приступить к рассмотрению законченных и имеющих практическое применение схем блоков высоковольтного и низковольтного источников питания. Так как к схеме предусилителя всегда предъявляются более жесткие требования, необходимо рассмотрение начать со схемы источника питания, предназначенного для предусилительных каскадов. После этого можно будет просто использовать уже рассмотренные в деталях блоки для применения в других низкочастотных каскадах. Однако, прежде чем начать рассмотрение конкретных схем, необходимо разобраться с техническими требованиями к источникам питания и их разумному выбору. Выбор высоковольтного напряжения Хотя параметры источника питания должны задаваться таким образом, чтобы соответствовать требованиям нагрузки (то есть в нашем случае аудиоусилителя), предварительный расчет источника питания дает неплохую возможность оценить, как именно необходимо его спроектировать, чтобы обеспечить необходимую величину питающего напряжения и при этом избежать ситуации, когда предъявляемые к техническим характеристикам блока питания чрезмерные требования приведут к слишком большим расходам на этапе практического воплощения его схемы. В современной аппаратуре, включая как бытовую технику, так и компьютеры, с целью снижения себестоимости, уменьшения массо-габаритных показателей, на сегодняшний день наиболее часто используются не линейные, а импульсные источники питания. В импульсных источниках питания сетевое напряжение выпрямляется непосредственно (без трансформации), на выходе выпрямителя используется накопительный конденсатор. В Европе напряжение сетевого питания варьируется от 220 до 240 В, что приводит к значению напряжения на выходе выпрямителя порядка 325 В постоянного тока. В силу этого конденсаторы, рассчитанные на рабочее напряжение 385 В и имеющие небольшую собственную индуктивность, оказываются вполне доступными как по их номенклатуре, так и по стоимости, что делает их применение оправданным. Благодаря этой причине, конденсаторы, рассчитанные именно на рабочее напряжение 385 В являются наиболее ходовыми из относительно высоковольтных. Итак, именно выбор рабочего напряжения сглаживающего накопительного конденсатора зачастую определяет верхний порог выбора питающего анодного напряжения усилителя. Исходя из вышесказанного, на начальном этапе проектирования можно считать, что в наличии есть выпрямленное напряжение 230 В на вторичной обмотке трансформатора и электролитический конденсатор на рабочее напряжение 385 В (как наиболее доступный) постоянного тока в качестве накопительного. При таком выборе питающего напряжения, вполне реализуема простейшая схема мостового выпрямления, нагруженная на один из сглаживающих фильтров, рассмотренных выше. С учетом падения напряжения на стабилизаторах напряжения и развязывающих демпферах, установленных между отдельными каскадами, можно предположить, что окончательное значение высоковольтного напряжения на лампах каждого каскада можно принять равным примерно 285 В. Именно по этой причине большинство схем, рассчитывались исходя из значения высокого напряжения 285 В. Время от времени при проектировании усилителей возникает потребность применять более высокие значения питающего напряжения, однако, это вызывает дорогостоящие последствия, что станет вполне очевидным из следующего раздела. В случаях, когда необходимо использовать более высокое значение высокого напряжения, например напряжения 430 В для пары ламп EL34, то сглаживающий конденсатор, рассчитанный на рабочее напряжение 450 В (такие конденсаторы также доступны в продаже), зачастую будет оказываться под более высоким напряжением в случае, если сетевое напряжение вдруг возрастет на 10% (значение, которое допускается существующими нормами на электросети). Существует два варианта избежать пробоя конденсатора: либо использовать конденсатор, рассчитанный на более высокие значения рабочего напряжения, который, как правило, будет бумажным или пленочным пластиковым типом конденсаторов, имеющих невысокое значение емкости, либо использовать последовательное включение одинаковых по емкости электролитических конденсаторов, чтобы получить необходимое значение результирующего рабочего напряжения такой конденсаторной батареи. В случае, когда два конденсатора включены последовательно, ток, протекающий по ним, будет одинаковым, а заряды, накопленные на их обкладках, также будут равны (так как Q = It). Если значения емкости конденсаторов будут равны, то будут равны и напряжения на них (Q = CV). К сожалению, даже если емкости конденсаторов будут равны, маловероятно, что значения токов утечки отдельно взятых электролитических конденсаторов окажутся равными, поэтому падения напряжения на конденсаторах также окажутся не равными друг другу. С целью выровнять падения напряжений и предохранить каждый конденсатор от превышения допустимого рабочего напряжения на нем, параллельно каждому конденсатору необходимо будет включить резистор (рис. 6.40), поэтому образующаяся цепь делителя напряжения заставит падения напряжения на конденсаторах быть равными. Рис. 6.40 Стабилизирующие резисторы выравнивают падения напряжения на конденсаторах Для того, чтобы гарантировать правильную работу, по цепи делителя напряжения должен будет протекать ток, величина которого должна, по крайней мере, в десять раз превышать ожидаемое значение токов утечки конденсаторов. Для этих целей чаще всего используются резисторы с сопротивлением 220 кОм. Исходя из этого, а также из требуемого тока делителя, необходимо рассчитать требуемую мощность рассеяния резисторов. Разумеется, — рассеяние этих резисторов является бесполезными потерями энергии. Гораздо более рациональным способом является использование двух раздельных высоковольтных обмоток трансформатора с соответствующими цепями выпрямления и сглаживания пульсаций, и последовательным включением результирующих плавающих выходных напряжений для получения необходимого значения высоковольтного напряжения (рис. 6.41). Этот способ гарантирует, что напряжение на каждом из конденсаторов не превысит допустимого рабочего значения, однако, конструкция силового трансформатора при этом заведомо усложнится. Необходимость разряда высоковольтных конденсаторов В обеих предыдущих схемах, используемых для получения составного высоковольтного конденсатора, предназначенного для работы при напряжениях, превышающих значения рабочих напряжений каждого из отдельных конденсаторов, оказалось, что у одного из конденсаторов его отрицательный вывод будет отсоединен от шины с потенциалом земли. Это обстоятельство имеет очень большое значение, так как потенциал металлического корпуса электролитического конденсатора почти не отличается от потенциала его минусового вывода. Таким образом, корпуса при повышенных напряжениях должны быть не только изолированы от земляной шины (или шасси), но так же должны быть изолированы соответствующим образом, чтобы не допустить поражения электрическим током при случайном прикосновении к ним. Рис. 6.41 Схема высоковольтного, превышающего значение 340 В, источника выпрямленного напряжения с электролитическими конденсаторами Высоковольтный источник питания представляет собой источник повышенной электрической опасности, поэтому необходимо, чтобы всегда предпринимались меры для полного разряда накопительного и других сглаживающих конденсаторов после выключения питания оборудования. Следовательно, в каждом высоковольтном источнике питания должна быть предусмотрена цепь с чисто омическим сопротивлением, подключенная к точке с нулевым потенциалом и обеспечивающая стекание заряда с конденсаторов. Наиболее простым способом осуществить эту цель является подключение резистора с сопротивлением 220 Ом и мощностью рассеяния 2 Вт параллельно выводам накопительного электролитического конденсатора (как это было сделано в предыдущем случае), который не только разряжает этот конденсатор, но также разряжает последовательно включенные высоковольтные конденсаторы.

Накачка и сброс — больше энергии, чем вы ожидали!

В статье рассмотрен метод заряда блока конденсаторов для накопления энергии, обеспечивающий достаточный запас мощности для питания всех типов нагрузок. Описана схема обратноходового преобразователя с высокой выходной мощностью, использованного для заряда блока суперконденсаторов. Статья представляет собой перевод [1].

Введение

Разработчики часто сталкиваются с трудностями при создании высокоэффективных преобразователей мощности. Причина — необходимость уменьшить тепловыделение в ограниченной области, чтобы обеспечить другие подсистемы большей входной мощностью или сберечь электроэнергию из соображений экологичности. Что же должен сделать разработчик, когда от него требуется обеспечить выходную мощность, превосходящую входную мощность на 50 или 100%? Эта на первый взгляд невыполнимая задача может быть решена, хотя и с некоторыми ограничениями. Некоторые виды нагрузки требуют большие мощности лишь в относительно короткие периоды времени продолжительностью в миллисекунды, секунды или даже минуты. В статье рассматривается, как этого можно добиться, заряжая блок конденсаторов для накопления энергии (накачка), пока она не потребуется, и разряжая конденсаторы на нагрузку контролируемым образом (сброс).
Все источники подводимого электропитания имеют ограниченные предельные значения тока, напряжения или мощности. Из-за наличия внутреннего сопротивления выходное напряжение батарей падает при большой нагрузке, тем самым косвенно устанавливая наибольший выходной ток для стабилизации напряжения на нагрузке. Практически все адаптеры питания рассчитаны на наибольший уровень выходной мощности. При превышении этого уровня адаптер питания может перейти в режим защиты от перегрузки по току, либо может даже сработать предохранитель для защиты источника входного питания. Интерфейс USB используется как источник питания с напряжением 5 В с выходным током всего 0,1A, но при необходимости может обеспечивать максимальный выходной ток до 0,5 A. Такая величина тока ограничивает мощность этого чрезвычайно распространенного источника питания величиной всего 2,5 Вт. Дополнительную выходную мощность можно получить только от источника накопленной энергии, например от конденсатора или батареи.

Тип нагрузки имеет значение

Передача тока в нагрузку от заряженного конденсатора определяется переносом требуемого количества заряда в течение определенного периода времени. В терминах подводимой мощности этот процесс можно определить с помощью уравнения:

P = 0,5C_bulk(V_i² – V_f²),       (1)

 

где C_bulk — емкость заряжаемого конденсатора; V_i — начальное напряжение конденсатора, а V_f — конечное напряжение после разряда.
Эта концепция проста в реализации: следует зарядить конденсатор большой емкости до начального высокого напряжения и дать ему разрядиться до заданного уровня; при этом ток подается в нагрузку в условиях временной перегрузки по току. В конце цикла разряда на конденсаторе останется напряжение V_f, и потребуется повторный заряд конденсатора до напряжения V_i. Мощность, которую должен поддерживать конденсатор большой емкости, равна подводимой к нагрузке мощности за вычетом мощности, которая обеспечивается входным источником питания во время разряда. При расчете КПД всех импульсных преобразователей не следует занижать требуемую величину емкости конденсатора. Уравнение (1) представляет собой выражение для напряжения на конденсаторе при подаче постоянной мощности на нагрузку. Однако это является наихудшей ситуацией, поскольку не всякая нагрузка требует постоянной мощности.
Примером нагрузки постоянной мощности служит вход регулируемого импульсного источника питания. Для поддержания постоянной мощности по мере уменьшения входного напряжения импульсного источника питания входной ток должен возрастать. Нагрузка может быть резистивной или проявлять себя как источник постоянного тока. На рисунке 1 показаны разрядные характеристики трех типов нагрузки. Все характеристики начинаются в одной точке, соответствующей начальному напряжению, но затем они расходятся. Ток постоянного сопротивления изменяется противоположно току постоянной мощности и снижается при уменьшении напряжения, постепенно стабилизируясь по мере разряда. Разряд на нагрузку в режиме постоянного тока происходит линейно до нулевого напряжения, причем обеспечивается одинаковый ток, независимо от напряжения на конденсаторе. Разряд в режиме постоянной мощности, в свою очередь, происходит быстрее всего из-за резкого возрастания разрядного тока по мере уменьшения напряжения. В зависимости от типа нагрузки необходимая емкость может существенно изменяться, поэтому всегда полезно знать характер конкретной нагрузки.
При использовании блока конденсаторов разработчик должен также решить, до каких пределов его можно будет разряжать. Существуют два возможных способа. Первый состоит в непосредственном подключении нагрузки к блоку конденсаторов. Перепад напряжения на конденсаторах должен находиться в допустимых для нагрузки эксплуатационных пределах. Обычная полупроводниковая нагрузка допускает отклонение лишь 3—5% от номинального напряжения. Это существенно ограничивает допустимое падение напряжения и принуждает использовать конденсаторы большой емкости. В этом случае не требуется дополнительной стабилизации напряжения.

Рис. 1. Тип нагрузки определяет разрядную характеристику конденсатора

Второй способ допускает большие перепады напряжения и использует дополнительный стабилизатор между конденсатором и нагрузкой. Стабилизатор может быть понижающим, повышающим или даже SEPIC-преобразователем, в зависимости от размаха напряжения на входе, выходе и конденсаторе. При большом перепаде напряжения на конденсаторе более эффективно используется запасенная энергия, что минимизирует величину необходимой емкости. Уменьшение требуемой емкости может снизить общие затраты, даже с учетом расходов на дополнительный стабилизатор.

Некоторые суперконденсаторы оказываются несовершенными

Преимущество суперконденсаторов — плотность энергии, которая в 1000—10000 раз превышает плотность энергии электролитических конденсаторов. В настоящее время часто используются конденсаторы с номинальным значением емкости 100 Ф и более. Многие из них предназначены для приложений с малым потреблением тока, например для резервных запоминающих устройств. Конденсаторы таблеточного типа часто имеют эквивалентное последовательное сопротивление (equivalent series resistance — ESR) 100 Ом и более. Разработчик должен определить максимальное допустимое ESR исходя из разрядного тока и падения напряжения. Современные типы суперконденсаторов имеют очень малую величину ESR, сравнимую с аналогичным показателем для керамических конденсаторов.
На схеме, представленной на рисунке 2, были выбраны суперконденсаторы с малым ESR, поскольку они должны служить источником тока в сотни миллиампер. Питание схемы осуществляется от порта USB с предельным значением входной мощности 2,5 Вт. Выходное напряжение преобразователя составляет 7 В на импульсной нагрузке 4,2 Вт в течение 4 с, а затем 0,7 Вт в течение 15 с. Изолированный обратноходовой преобразователь с контроллером TPS40210 использован для заряда блока суперконденсаторов до напряжения 13,5 В во время режима малой нагрузки. Допускается разряд конденсатора приблизительно до 9,5 В через 4 с режима большой нагрузки. В течение этого периода входной ток стабилизируется на уровне не более 0,5 A (2,5 Вт) и измеряется резистором с помощью операционного усилителя. Если величина входного тока стремится превысить 0,5 A, эта токовая петля управляется напряжением вторичного контура. Во время регулирования входного тока входная мощность продолжает подаваться на вторичный контур, но ограничена уровнем 2,5 Вт, тогда как дополнительная мощность подается на нагрузку блоком конденсаторов.

Рис. 2. Пример схемы обратноходового преобразователя, заряжающего блок суперконденсаторов, для питания большой нагрузки

На рисунке 3 показаны графики изменения тока и напряжения. Во время импульса тока нагрузки 0,6 А (нижняя кривая) напряжение на суперконденсаторе (верхняя кривая) снижается приблизительно до 4 В. Это значение является входным напряжением для синхронного понижающего DC/DC-преобразователя типа TPS62110, стабилизирующего выходное напряжение на уровне 7 В (средний сигнал). Когда выходной ток нагрузки при напряжении 7 В уменьшается до 0,1 A, блок конденсаторов повторно полностью заряжается до 13,5 В. Во время этих ступенчатых изменений режимов нагрузки и больших перепадов входного напряжения выходное напряжение остается стабильным с небольшими отклонениями.

Рис. 3. Импульсы тока нагрузки (нижний сигнал) разряжают блок конденсаторов (верхний сигнал), но напряжение на выходе стабилизировано (средний сигнал) (масштаб: 2 В/деление, 0,2 A/деление, 5 с/деление)

На рисунке 4 показаны сигналы в момент подачи напряжения 4,5 В на вход USB. При включении блок конденсаторов первоначально разряжен, а обратноходовой преобразователь немедленно переключается в режим ограничения входного тока, поскольку выходная нагрузка ведет себя как короткозамкнутая. Блок конденсаторов медленно заряжается до напряжения 13,5 В со скоростью, которая определяется ограничением по входной мощности 2,5 Вт и потерями, связанными с КПД обратноходового преобразователя. Когда напряжение достигает 13,5 В, вторичный контур принимает управление на себя, позволяя уменьшить входной ток. В этом примере выходная нагрузка отсутствует, хотя для полного заряда конденсаторов требуется приблизительно 18 с. Время запуска будет еще более продолжительным, если подключить внешнюю нагрузку. Это является одним из недостатков, связанных с наличием накопительного конденсатора большой емкости.  

Рис. 4. Заряд батареи конденсаторов может быть медленным при подаче напряжения питания во время запуска (Масштаб: 2В/деление, 5 с/деление)

Заключение

Схема, представленная в этой статье, обеспечивает построение изолированного источника питания, мощность которого больше мощности входного источника питания. Хранение энергии в конденсаторе большой емкости имеет свои недостатки, в частности, высокую стоимость суперконденсаторов и продолжительное время запуска. Тип нагрузки непосредственно влияет на величину необходимой емкости для длительной поддержки требуемой величины напряжения. Нагрузка с постоянной мощностью, например такая как стабилизирующий импульсный преобразователь, представляет собой наиболее тяжелый вид нагрузки и может разрядить накопительный конденсатор быстрее, чем резистивная нагрузка или нагрузка по постоянному току. Однако если в схеме предусмотреть возможность значительного снижения напряжения на накопительном конденсаторе, после которого включен импульсный стабилизатор, то можно удовлетворить потребности в энергии для самой большой нагрузки.

Литература

Как уменьшить пульсации напряжения?

Введение

Пульсация напряжения означает величину переменного напряжения, которое появляется на постоянном напряжении. Основная причина пульсаций напряжения заключается в том, что преобразователь преобразует переменное напряжение в постоянное, но переменное напряжение невозможно полностью устранить. Например, на рис. 1 представлена ​​принципиальная схема полного мостового выпрямителя с конденсатором, подключенным к выходной стороне. Пунктирная линия – это форма волны напряжения до полного мостового выпрямителя, сплошная линия – форма волны напряжения после конденсаторной фильтрации, а пульсирующее напряжение относится к размаху сплошной линии.

Пульсации напряжения, показанные на рисунке 1, представляют собой низкочастотные пульсации напряжения. В более высокочастотных приложениях, таких как преобразователи переменного тока в постоянный или постоянного тока в постоянный, частота пульсаций напряжения может быть выше. На рисунке 2 представлена ​​принципиальная схема преобразователя постоянного тока в постоянный. Шумы напряжения генерируются во время переключения MOSFET и передаются на выходную сторону через трансформатор. И, наконец, пульсация, измеренная на выходном конденсаторе, представляет собой пульсацию напряжения, содержащую шумовые составляющие.

Общий метод измерения напряжения заключается в использовании пробника напряжения для измерения выходной или нагрузочной стороны, как показано на рисунке 3. И отображение объема выходного напряжения с помощью осциллографа. Однако, если использовать те же методы для измерения пульсаций напряжения, форма волны будет восприимчива к помехам.

На рисунке 4 показано напряжение пульсаций, измеренное с помощью обычного метода измерения. Видно, что шумовая часть значительно выше. В основном это связано с длинным заземляющим проводом зонда.Путь измерения для пробника эквивалентен увеличению паразитной индуктивности, которая вызывает шум в форме волны выходного напряжения. Это не вызвано конвертером, и здесь легко ошибиться. Итак, правильный метод измерения очень важен.

На рис. 5 показан правильный метод измерения пульсаций. Из рисунка видно, что к выходу преобразователя подключен конденсатор фильтра. Цель состоит в том, чтобы подавить шум, поэтому емкость конденсатора обычно не слишком велика, в основном на уровне 0.От 1 мкФ до 1 мкФ. И зонд должен использовать метод короткого заземления для измерения. Точка измерения должна измениться от нагрузки к выходному конденсатору. Цель состоит в том, чтобы избежать измерения шума. На рисунке 6 показана разница между рябью короткого заземления и отсутствием короткого заземления. Пульсации напряжения преобразователя можно правильно измерить, если использовать правильные методы.

Большинство измерений пульсаций напряжения выполняются, когда осциллограф находится близко к преобразователю.Если расстояние относительно велико, использование пробника напряжения для измерения может оказаться неприемлемым. Более подходящим методом является использование разъема BNC 50 Ом и коаксиального кабеля для измерения на больших расстояниях, как показано на рисунке 7. Следует отметить, что чем короче длина кабеля от выходного конца коаксиального кабеля до конденсатора и осциллографа, тем меньше вероятность получения помех.

В этой статье используется пробник напряжения и метод короткого заземления, а для измерения пульсаций напряжения используется полоса пропускания 20 МГц.

Внешний контур для уменьшения пульсации и шума

Ниже перечислены четыре внешних цепи и объяснена теория схемы.

Как показано на рисунке 8, подключение конденсатора к выходу преобразователя – простой способ уменьшить пульсации выходного напряжения.

В качестве примера возьмем полный мостовой преобразователь.

Vpp – это размах пульсаций напряжения.

I – выходной ток.

f – рабочая частота.

C – емкость.

Как показано в формуле (1), пульсации напряжения обратно пропорциональны емкости. То есть, чем больше емкость, тем меньше пульсации напряжения. Это показывает, что внешний конденсатор помогает подавить пульсации напряжения.

Фильтр нижних частот может быть хорошим выбором для уменьшения пульсации напряжения больше, чем конденсатор, как показано на рисунке 9.

Может использовать частотную характеристику для расчета параметров L и C.

f ₀ – частота среза.

Q – коэффициент качества.

R _L – Выходная нагрузка.

Возьмите формулу (3) в формулу (2), и она может вычислить L и C соответственно, как показано в формулах (4) и (5).

Коэффициент качества связан с импедансом нагрузки и LC-фильтром, который можно разделить на три кривые чрезмерного демпфирования, критического демпфирования и недостаточного демпфирования, как показано на рисунке 10.В идеале использование критического демпфирования в качестве параметров LC-фильтра является наиболее подходящим.

Из-за того, что внутри преобразователя есть переключающие компоненты, он будет генерировать переключающий шум. Эти шумы также могут передаваться на выходную сторону. А дроссельный фильтр синфазного режима может ограничить этот вид шума, как показано на рисунке 11.

Дроссельный фильтр синфазного сигнала обычно используется в качестве фильтра электромагнитных помех. Однако внутри синфазного фильтра все еще есть индуктивность рассеяния.Индуктивность рассеяния действует как индуктор дифференциального режима, и он аналогичен фильтру скорости LC. Таким образом, катушка индуктивности синфазного фильтра все еще может оказывать некоторое влияние на подавление пульсаций напряжения.

На рисунке 12 показана схема умножителя емкости, которая может уменьшить пульсации на выходе транзистора и R, C. Для выходной стороны это имеет эффект усиления C1, аналогично добавлению большой емкости на выходной стороне. Он подходит для уменьшения пульсаций напряжения и ограничения размера.

Как показано на рисунке 13 (a), это RC-фильтр нижних частот в схеме. Если вы хотите подавить пульсации напряжения, емкость C1 должна быть очень большой. Если к нему добавить транзистор, как показано на рисунке 13 (b), ток, подаваемый C1 на выход, будет примерно в β раз меньше. Другими словами, емкость C1 увеличивается на выходе примерно в β раз.

Схема умножителя емкости также имеет недостатки, потому что напряжение транзистора Vce будет изменяться в зависимости от выходного тока, что вызовет определенное падение напряжения на выходе, диапазон может быть от 0.От 65 В до 3 В. Следовательно, это подходит для приложений с малым током и невысокой точностью напряжения, например, для усилителя OP или источника питания DAC.

Приложение

Далее будет использоваться конкретный преобразователь постоянного тока в постоянный для измерения разницы пульсаций напряжения до и после с помощью различных схем уменьшения пульсаций напряжения.

Преобразователь представляет собой широкий диапазон входного напряжения от 9 до 36 В на входе, регулируемый преобразователь на выходе 5 В, выходная мощность 30 Вт, выходной ток 6 А, характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1 Технические характеристики преобразователя постоянного / постоянного тока

Преобразователь постоянного тока в постоянный	PF30WR4-2405
Входное напряжение	24 В постоянного тока
Выход	5 В постоянного тока / 6A
Рабочая частота	400 кГц
Пульсация и шум	75 мВ (макс.)

На рисунке 14 показана форма волны пульсаций напряжения на выходе при использовании метода короткого заземления.В связи с отсутствием дополнительной схемы шумоподавления. Видно, что размах пульсаций выходного напряжения и шума составляет около 445,9 мВ при отсутствии внешнего конденсатора.

Для подавления пульсаций выходного напряжения и шума наиболее распространенным и простым способом является добавление конденсатора.

На рисунке 15 показаны пульсации выходного напряжения, измеренные внешним MLCC емкостью 22 мкФ. Из рисунка видно, что пульсирующее напряжение снизилось с 445,9 мВ до примерно 30 мВ.

Кроме того, на Рисунке 16 показана форма сигнала для удвоенного выходного конденсатора.Пульсации выходного напряжения становятся ниже, а значение размаха составляет 19,5 мВ. Следовательно, внешний конденсатор на выходе преобразователя может эффективно подавлять пульсации выходного напряжения.

Рис. 17 представляет собой принципиальную схему фильтра нижних частот. Из таблицы технических характеристик преобразователя рабочая частота преобразователя составляет 400 кГц. Сначала установите частоту среза на 40 кГц, а коэффициент качества на 0,707. С помощью уравнений 4 и 5 можно получить индуктивность 4.69 мкГн, а емкость – 3,376 мкФ. Наконец, выберите индуктивность 4,7 мкГн и два MLCC по 2,2 мкФ в качестве выходного фильтра нижних частот.

На рисунке 18 представлена ​​форма волны пульсаций выходного напряжения. Есть сравнение до и после фильтра. Фильтр нижних частот, пульсации и шум эффективно подавляются.

На рисунке 19 схематично показан дроссель синфазного сигнала в качестве выходного фильтра. В этом эксперименте в качестве железного сердечника использовался ферритовый сердечник Mn-Zn из A151, T16x12x8C.Количество обмоток – 10. Основная индуктивность составляет 0,35 мГн, а индуктивность рассеяния – 3,18 мкГн. C1 и C2 составляют 0,22 мкФ MLCC.

На рисунке 20 схематически показан фильтр синфазных помех. Можно видеть, что индуктивность рассеяния используется в качестве индуктивности дифференциального режима, которая такая же, как у двух фильтров нижних частот, поэтому эффект подавления пульсаций выходного напряжения должен быть лучше, чем у одиночного фильтра нижних частот.

Рисунок 21 – это форма сигнала измерения. Это правда, что пульсации напряжения ниже, чем у одиночного фильтра нижних частот, но недостатком является то, что он занимает больше места.

На рис. 22 показана принципиальная схема этого эксперимента со следующими параметрами.

Q1 – это 2SCR552PT100, это транзистор ROHM.

R1 составляет 1 кОм.

C1 составляет 4,7 мкФ.

Так как емкостной умножитель подходит для низкого уровня мощности или сигнала. Поскольку это приведет к падению напряжения, он не подходит для сильноточных приложений. Таким образом, выходной ток этого эксперимента ограничен 0,2 А.

Рисунок 23 – это тестовый сигнал.Он может видеть разницу между фильтром до и после. Пульсации до подавления составляют около 97 мВ, а после подавления – 12,8 мВ, что может уменьшить пульсации напряжения. Недостатком является то, что его можно использовать только на уровне сигнала, в момент более высокой выходной мощности.

Заключение

В этой статье рассказывается о формировании пульсации и шума, а также о методе измерения. Также предоставляет четыре вида методов снижения пульсации и шума и проводит эксперимент для каждого типа фильтра.

Таблица 2 показывает сравнительную таблицу для четырех методов, чем ниже оценка, тем лучше.

Судя по общей оценке, только добавление конденсаторов является наиболее подходящим методом подавления пульсаций, который не только имеет наименьшую громкость, но и имеет определенный эффект.

Второй и третий – это фильтр нижних частот и фильтр синфазных помех. Поскольку у него есть внешние катушки индуктивности и синфазный дроссель, пространство для разводки больше, чем у конденсатора, но эффект лучше. Поэтому во многих приложениях с низкой пульсацией используются эти два метода.

Четвертый – это схема умножителя емкости, которая хорошо влияет на подавление пульсаций напряжения, но ее можно использовать только для низкого уровня тока или сигнала, что ограничивает область применения.

Таблица 2 Сравнительная таблица фильтров

	С	LC фильтр	Фильтр CMC	Умножитель C
Кол-во деталей	1	2	3	3
Пространство листа	1	2	3	3
Подавление пульсаций и шума	2	1	1	1
Выходной ток	1	1	1	3

1 → хорошо, 2 → средний, 3 → плохо

CTC является профессиональным поставщиком услуг для высокопроизводительных модулей питания (преобразователь переменного тока в постоянный и преобразователь постоянного тока в постоянный) для критически важных приложений по всему миру уже 30 лет.Наша основная компетенция заключается в разработке и поставке продуктов с использованием передовых технологий, конкурентоспособных цен, чрезвычайно гибких сроков поставки, глобального технического обслуживания и высококачественного производства (Сделано в Тайване).

CTC – единственная корпорация, имеющая сертификаты ISO-9001, IATF-16949, ISO22613 (IRIS) и ESD / ANSI-2020. Мы можем на 100% гарантировать, что не только продукт, но и наши рабочие процессы и услуги будут соответствовать системе управления качеством для каждого высокотехнологичного приложения с самого начала. От проектирования до производства и технической поддержки, каждая деталь эксплуатируется в соответствии с высочайшими стандартами.

Цепи постоянного тока

, содержащие резисторы и конденсаторы

1. Устройство синхронизации в системе стеклоочистителей прерывистого действия автомобиля основано на постоянной времени RC и использует конденсатор емкостью 0,500 мкФ и переменный резистор. В каком диапазоне должен изменяться R для достижения постоянных времени от 2,00 до 15,0 с?

2. Кардиостимулятор срабатывает 72 раза в минуту, каждый раз, когда конденсатор емкостью 25,0 нФ заряжается (батареей, включенной последовательно с резистором) до 0,632 от его полного напряжения.В чем ценность сопротивления?

3. Продолжительность фотографической вспышки связана с постоянной времени RC , которая составляет 0,100 мкс для определенной камеры. (а) Если сопротивление импульсной лампы составляет 0,0400 Ом во время разряда, каков размер конденсатора, обеспечивающего его энергию? (б) Какова постоянная времени зарядки конденсатора, если сопротивление зарядки составляет 800 кОм?

4. Конденсаторы емкостью 2,00 и 7,50 мкФ могут быть подключены последовательно или параллельно, как и конденсатор емкостью 25 мкФ.0- и резистор 100 кОм. Вычислите четыре постоянные времени RC , которые можно получить при последовательном соединении полученной емкости и сопротивления.

5. После двух постоянных времени, какой процент конечного напряжения, ЭДС, находится на первоначально незаряженном конденсаторе C , заряженном через сопротивление R ?

6. Резистор 500 Ом, незаряженный конденсатор 1,50 мкФ и ЭДС 6,16 В соединены последовательно. а) Каков начальный ток? (b) Что такое постоянная времени RC ? (c) Каков ток через одну постоянную времени? (d) Какое будет напряжение на конденсаторе после одной постоянной времени?

7.Дефибриллятор сердца, используемый на пациенте, имеет постоянную времени RC 10,0 мс из-за сопротивления пациента и емкости дефибриллятора. (a) Если дефибриллятор имеет емкость 8,00 мкФ, каково сопротивление пути, проходящего через пациента? (Вы можете пренебречь емкостью пациента и сопротивлением дефибриллятора.) (B) Если начальное напряжение составляет 12,0 кВ, сколько времени потребуется, чтобы упасть до 6,00 × 10 ² В?

8. У монитора ЭКГ постоянная времени RC должна быть меньше 1.00 × 10 ² мкс, чтобы иметь возможность измерять изменения напряжения за небольшие промежутки времени. (а) Если сопротивление цепи (в основном из-за сопротивления груди пациента) составляет 1,00 кОм, какова максимальная емкость цепи? (б) Будет ли сложно на практике ограничить емкость до значения, меньшего, чем значение, указанное в (а)?

9. На рис. 7 показано, как истекающий резистор используется для разряда конденсатора после отключения электронного устройства, что позволяет человеку работать с электроникой с меньшим риском поражения электрическим током.а) Что такое постоянная времени? (b) Сколько времени потребуется, чтобы снизить напряжение на конденсаторе до 0,250% (5% от 5%) от его полного значения после начала разряда? (c) Если конденсатор заряжен до напряжения В ₀ через сопротивление 100 Ом, рассчитайте время, необходимое для повышения до 0,865 В ₀ (это примерно две постоянные времени).

Рисунок 7.

10. Используя точную экспоненциальную обработку, найдите, сколько времени требуется, чтобы разрядить конденсатор емкостью 250 мкФ через резистор 500 Ом до 1.00% от исходного напряжения.

11. Используя точную экспоненциальную обработку, найдите, сколько времени требуется для зарядки первоначально незаряженного конденсатора 100 пФ через резистор 75,0 МОм до 90,0% от его конечного напряжения.

12. Integrated Concepts Если вы хотите сфотографировать пулю, летящую со скоростью 500 м / с, то очень короткая вспышка света, производимая разрядом RC через импульсную трубку, может ограничить размытие. Предполагая, что перемещение 1,00 мм за одну постоянную RC является приемлемым, и учитывая, что вспышка приводится в действие конденсатором емкостью 600 мкФ, каково сопротивление в импульсной лампе?

13. Integrated Concepts Мигающая лампа в рождественской серьге основана на разряде конденсатора RC через его сопротивление. Эффективная продолжительность вспышки составляет 0,250 с, в течение которых она дает в среднем 0,500 Вт при среднем 3,00 В. а) Какую энергию она рассеивает? б) Сколько заряда проходит через лампу? (c) Найдите емкость. (г) Какое сопротивление лампы?

14. Integrated Concepts Конденсатор емкостью 160 мкФ, заряженный до 450 В, разряжается через 31.Резистор 2 кОм. (а) Найдите постоянную времени. (b) Рассчитайте повышение температуры резистора, учитывая, что его масса составляет 2,50 г, а его удельная теплоемкость [латекс] 1,67 \ frac {\ text {кДж}} {\ text {кг} \ cdotº \ text {C}} \\ [/ latex], учитывая, что большая часть тепловой энергии сохраняется за короткое время разряда. (c) Рассчитайте новое сопротивление, предполагая, что это чистый углерод. (d) Кажется ли это изменение сопротивления значительным?

15. Необоснованные результаты (a) Рассчитайте емкость, необходимую для получения постоянной времени RC , равной 1.00 × 10 ³ с резистором 0,100 Ом. б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие допущения ответственны?

16. Создай свою проблему Рассмотрим вспышку камеры. Составьте задачу, в которой вы вычисляете размер конденсатора, который накапливает энергию для лампы-вспышки. Среди факторов, которые необходимо учитывать, – это напряжение, приложенное к конденсатору, энергия, необходимая для вспышки, и соответствующий заряд, необходимый для конденсатора, сопротивление импульсной лампы во время разряда и желаемая постоянная времени RC .

17. Создайте свою проблему Рассмотрим перезаряжаемый литиевый элемент, который будет использоваться для питания видеокамеры. Постройте задачу, в которой вы вычисляете внутреннее сопротивление ячейки во время нормальной работы. Кроме того, рассчитайте минимальное выходное напряжение зарядного устройства, которое будет использоваться для зарядки литиевого элемента. Среди факторов, которые следует учитывать, – ЭДС и полезное напряжение на клеммах литиевого элемента, а также ток, который он должен обеспечивать в видеокамере.

Что такое Ripple? – Sunpower UK

Что такое Ripple?

Величина переменного напряжения, накладываемого на выход постоянного тока, указывается в размахе напряжения или выражается в процентах от номинального выходного напряжения.

Регулировка и содержание пульсаций – два критических параметра, которые важны для выходной мощности источника питания. Поставки высокого качества хорошо регулируются и имеют небольшую рябь. Во время преобразования переменного тока в постоянный в источнике питания результирующий выходной постоянный ток пульсирует в ритме с частотой сети, которая составляет 50 или 60 Гц в зависимости от местоположения. Частота пульсаций соответствует частоте сети переменного тока независимо от частоты коммутации и обычно совпадает с частотой сети для полумостовых выпрямителей и дважды для полного моста.

Пульсация способствует постоянному изменению напряжения на выходе выпрямителя, которое проявляется как пульсирующее напряжение, возрастающее от нуля до максимума и обратно до минимума. Пульсации напряжения не подходят для большинства чувствительного электронного оборудования, а ток, возникающий из-за пульсаций напряжения, может со временем вызвать нагрев и повреждение конденсаторов.

Рисунок 1: Форма выходного сигнала со сглаживающим конденсатором и без него

Пульсация появляется на выходе из-за того, что во время активного полупериода энергия поступает от вторичной обмотки, которая питается от первичной, поэтому выход следует за возрастающим напряжением.В периоды, когда первичная обмотка не передает напряжение на вторичную, например, при переходе через ноль, ток нагрузки исходит из энергии, накопленной в конденсаторе на выходе.

Поскольку эта энергия уменьшается со временем по мере разряда компонента, выходное напряжение немного уменьшается. Таким образом, выходное напряжение будет варьироваться между высокими и низкими точками в зависимости от величины пульсаций напряжения.

Величина пульсации зависит от многих факторов, и чем ниже, тем лучше для наиболее чувствительного оборудования.Пульсации приводят к потерям мощности и перегреву компонентов, а следовательно, к риску повреждения в дополнение к неэффективности. Поэтому важно устранить или минимизировать пульсации на выходе. Это делается с помощью цепей фильтров, которые обычно состоят из параллельного конденсатора или последовательной катушки индуктивности, либо того и другого.

Коэффициент пульсации

Количество пульсаций в источниках питания часто обозначается коэффициентом пульсаций:

Где – Vripple (rms) – это действующее значение пульсаций напряжения на выходе, а Vdc – абсолютное значение постоянного значения постоянного тока на выходе источника питания.

Уменьшение пульсаций в источниках питания

Пульсации можно уменьшить с помощью сглаживающих конденсаторов, которые преобразуют напряжение пульсаций в более плавное постоянное напряжение. Для этого широко используются алюминиевые электролитические конденсаторы с емкостью 100 мкФ и более. Повторяющиеся импульсы постоянного тока заряжают конденсатор до пикового напряжения. Факторы, которые следует учитывать при выборе конденсатора, – это рабочее напряжение и значение емкости. Низкая емкость не будет эффективной, и конденсаторы могут быть подключены параллельно для увеличения значения, если ток нагрузки не слишком велик.

Где I (нагрузка) – ток нагрузки, f – частота, а C – емкость сглаживающего конденсатора.

Допустимое напряжение пульсаций составляет около 100 мВ от пика до пика. Большинство хороших источников питания имеют показатели пульсации и шума выше 10 мВ (среднеквадратичное значение), в то время как значения SMPS могут составлять 50 мВ или меньше, однако источники с более высоким током, вероятно, будут иметь несколько более высокие значения.

Более эффективным методом уменьшения пульсаций напряжения является добавление π-фильтра (пи-фильтра) на выходе выпрямителя.Этот фильтр нижних частот состоит из двух сглаживающих конденсаторов, а также дросселя для обеспечения высокого сопротивления пульсации переменного тока.

Рисунок 2: Пи-фильтр

Эффекты ряби

В то время как некоторое оборудование может работать с рябью, некоторые чувствительные звуковые и тестовые инструменты не очень хорошо работают с источниками, имеющими высокую пульсацию. Некоторые из эффектов ряби включают:

• Отрицательно влияет на чувствительные приборы
• Может вызвать нагревание и повреждение конденсаторов
• Вносит шум в аудиосхемы
• мешает отображению телевизора
• Вызывает ошибки в цифровых схемах, неправильные выводы в логических схемах и повреждение данных.

Схемы сглаживания конденсаторов и расчеты »Электроника

Накопительные конденсаторы используются для сглаживания необработанной выпрямленной волны в источнике питания – важно выбрать правильный конденсатор с правильным значением и номинальным током пульсаций.

---

Пособие и руководство по схемам источника питания Включает:
Обзор электронных компонентов источника питания Линейный источник питания Импульсный источник питания Защита от перенапряжения Характеристики блока питания Цифровая мощность Шина управления питанием: PMbus Бесперебойный источник питания

---

В источнике питания, будь то линейный источник питания или импульсный источник питания, использующий источник питания переменного тока и диодные выпрямители, необработанный выпрямленный выход обычно сглаживается с помощью накопительного конденсатора перед подачей на какие-либо регуляторы или другие подобные электронная схема.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

идеально подходят для работы в качестве сглаживающих конденсаторов, поскольку многие электролитические компоненты способны обеспечивать достаточно высокую емкость и выдерживать уровень пульсаций тока, необходимый для сглаживания формы волны.

По сути, схема сглаживания заполняет основные провалы в необработанной выпрямленной форме волны, так что схема линейного регулятора или импульсного источника питания может работать правильно. Они изменяют форму волны от той, которая изменяется от нуля до пикового напряжения в течение цикла входящей формы волны мощности, и меняют ее на такую, где изменения намного меньше.По сути, они сглаживают форму волны, и отсюда и название.

Поскольку сглаживающие конденсаторы используются как в источниках питания с линейным стабилизатором, так и в импульсных источниках питания, они составляют важную часть многих из этих электронных схем.

Двухполупериодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором

Основы сглаживания конденсатора

Конденсаторное сглаживание используется для большинства типов источников питания, будь то линейный регулируемый источник питания, импульсный источник питания или даже просто сглаженный и нерегулируемый источник питания.

Типичный электролитический конденсатор, используемый для сглаживания

Необработанный постоянный ток, подаваемый диодным выпрямителем сам по себе, будет состоять из серии полусинусоидальных волн с напряжением, изменяющимся от нуля до √2-кратного среднеквадратичного напряжения (без учета диодных и других потерь).

Форма волны такого рода не будет использоваться для питания схем, потому что любые аналоговые схемы будут иметь огромный уровень пульсаций, наложенных на выход, и любые цифровые схемы не будут работать, потому что питание будет отключаться каждые полупериод.

Конденсаторное сглаживание обеспечивает правильную работу следующих каскадов линейно регулируемого источника питания или импульсного источника питания.

Для сглаживания выхода выпрямителя используется накопительный конденсатор, размещенный на выходе счетчика параллельно с нагрузкой.

Сглаживание работает, потому что конденсатор заряжается, когда напряжение выпрямителя превышает напряжение конденсатора, а затем, когда напряжение выпрямителя падает, конденсатор обеспечивает требуемый ток из своего накопленного заряда.

Таким образом, конденсатор может обеспечивать заряд, когда он не поступает от выпрямителя, и, соответственно, напряжение изменяется значительно меньше, чем при отсутствии конденсатора.

Конденсаторное сглаживание не обеспечивает полной стабильности напряжения, всегда будет некоторое изменение напряжения. Фактически, чем выше емкость конденсатора, тем больше сглаживание, а также чем меньше потребляемый ток, тем лучше сглаживание.

Сглаживающее действие накопительного конденсатора

Следует помнить, что единственный путь разрядки конденсатора, помимо внутренней утечки, – это через нагрузку к выпрямителю / системе сглаживания.Диоды предотвращают обратный ток через трансформатор и т. Д.

Еще один момент, о котором следует помнить, заключается в том, что сглаживание конденсатора не дает какой-либо формы регулирования, и напряжение будет меняться в зависимости от нагрузки и любых изменений на входе.

Регулировка напряжения может быть обеспечена линейным регулятором или импульсным источником питания.

Емкость сглаживающего конденсатора

Выбор емкости конденсатора должен соответствовать ряду требований. В первом случае значение должно быть выбрано так, чтобы его постоянная времени была намного больше, чем временной интервал между последовательными пиками выпрямленного сигнала:

Где:
R _{нагрузка} = общее сопротивление нагрузки для источника питания
C = значение емкости конденсатора в фарадах
f = частота пульсаций – это будет вдвое больше линейной частоты, чем используется двухполупериодный выпрямитель.

Сглаживающий конденсатор пульсации напряжения

Поскольку на выходе выпрямителя, использующего схему сглаживающего конденсатора, всегда будет некоторая пульсация, необходимо иметь возможность оценить приблизительное значение. Чрезмерное указание емкости конденсатора приведет к увеличению стоимости, размера и веса, а недостаточное указание приведет к снижению производительности.

Пульсации от пика до пика для выходного сигнала сглаживающего конденсатора в источнике питания (полная волна)

На приведенной выше диаграмме показаны пульсации для двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором.Если бы использовался полуволновой выпрямитель, то половина пиков была бы потеряна, а пульсации были бы примерно вдвое больше напряжения.

Для случаев, когда пульсации мала по сравнению с напряжением питания – что почти всегда имеет место – можно рассчитать пульсации, зная условия цепи:

Двухполупериодный выпрямитель

Однополупериодный выпрямитель

Эти уравнения обеспечивают более чем достаточную точность. Хотя разряд конденсатора для чисто резистивной нагрузки является экспоненциальным, погрешность, вносимая линейным приближением, очень мала для низких значений пульсаций.

Также стоит помнить, что вход регулятора напряжения – это не чисто резистивная нагрузка, а нагрузка с постоянным током. Наконец, допуски электролитических конденсаторов, используемых для сглаживающих схем выпрямителя, велики – в лучшем случае ± 20%, и это скроет любые неточности, вносимые допущениями в уравнениях.

Пульсации тока

Две из основных характеристик конденсатора – это его емкость и рабочее напряжение. Однако для приложений, где могут протекать большие уровни тока, как в случае сглаживающего конденсатора выпрямителя, важен третий параметр – его максимальный ток пульсаций.

Ток пульсации не равен току питания. Есть два сценария:

• Ток разряда конденсатора: В цикле разряда максимальный ток, подаваемый конденсатором, возникает, когда выходной сигнал схемы выпрямителя падает до нуля. В этот момент весь ток в цепи подается конденсатором. Это равно полному току цепи.

  Пиковый ток, подаваемый конденсатором в фазе разряда

• Ток зарядки конденсатора: В цикле зарядки сглаживающего конденсатора конденсатор должен заменить весь потерянный заряд, но этого можно добиться только тогда, когда напряжение выпрямителя превышает напряжение сглаживающего конденсатора.Это происходит только в течение короткого периода цикла. Следовательно, ток в этот период намного выше. Чем больше конденсатор, тем лучше он уменьшает пульсации и тем короче период заряда.

  Более короткое время зарядки приводит к очень большим уровням пикового тока, поскольку сглаживающий конденсатор должен поглотить достаточный заряд для периода разряда за очень короткое время.

  Период, в течение которого конденсатор источника питания заряжается

Пи-секционные сглаживающие сети

В некоторых приложениях линейный регулятор напряжения не будет использоваться, может потребоваться улучшенная форма сглаживания.Это может быть обеспечено использованием двух конденсаторов и последовательной катушки индуктивности или резистора.

Подход сглаженного источника питания используется в некоторых высоковольтных системах и в некоторых других специализированных областях, но он не так распространен, как источники питания с линейным регулированием и импульсные источники питания, которые обеспечивают гораздо лучшее регулирование и сглаживание.

Этот подход также можно увидеть во многих старинных беспроводных устройствах, где использование линейно регулируемого источника питания было невозможно.

Пи-секционный сглаживающий фильтр

Существует два варианта сглаживающей системы Пи-секции.При наличии двух конденсаторов между линией и землей последовательным элементом служил индуктор или резистор. Катушка индуктивности стоила намного дороже и обеспечивала лучшую производительность, но резистор был гораздо более дешевым вариантом, хотя он рассеивал больше энергии.

Сглаживающие конденсаторы являются важными элементами как линейных источников питания, так и импульсных источников питания, и поэтому они широко используются.

При выборе емкостного конденсатора для сглаживания приложений в источнике питания важно не только значение емкости для обеспечения требуемого снижения пульсации напряжения, но также очень важно гарантировать, что номинальный ток пульсации конденсатора не будет превышен.Если потребляется слишком большой ток, конденсатор нагревается и его ожидаемый срок службы сокращается, или в крайних случаях он может выйти из строя, иногда катастрофически.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

Измерение и уменьшение пульсаций выходного напряжения для регуляторов постоянного и постоянного тока

Загрузите эту статью в формате PDF.

Многие современные серверы, а также телекоммуникационное и сетевое оборудование оснащены несколькими регуляторами напряжения на системной плате, обеспечивающими питание ИС или подсхем. Эти шины питания часто имеют очень жесткие допуски по напряжению (монолитные системы питания (MPS).

Пульсация и источник шума

Пульсации на выходе с полной полосой пропускания обычно включают в себя пульсации НЧ и ВЧ шум. На рис. 1 показано, что низкочастотные пульсации в понижающих преобразователях представляют собой переменную составляющую выходного напряжения.

% {[data-embed-type = “image” data-embed-id = “5df275faf6d5f267ee216504” data-embed-element = “aside” data-embed-align = “left” data-embed-alt = “Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Files Рисунок 1 “data-embed-src =” https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/07/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Figure_1.png?auto=format&fit=max&w=1440 “data-embed-caption =” “]}%

1. Этот сигнал показывает пульсации выходного напряжения и шум.

Однако в практических схемах есть еще один компонент переменного тока, который называется высокочастотным (ВЧ) шумом. Этот шум всегда возникает при включении и выключении переключателя. На рисунке 2 показана практическая схема выходного каскада понижающего преобразователя.

% {[data-embed-type = “image” data-embed-id = “5df275faf6d5f267ee216506” data-embed-element = “aside” data-embed-align = “left” data-embed-alt = “Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Файлы Рисунок 2 “data-embed-src =” https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/07/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Figure_2.png?auto=format&fit=max&w=1440 “data-embed-caption =” “]}%

2. Выходной каскад понижающего преобразователя показан здесь в виде практической схемы.

Принимая во внимание рабочие условия ВЧ, реальная катушка индуктивности работает как емкостное сопротивление, а реальный конденсатор – как индуктивное сопротивление. Поэтому схему выходного каскада можно упростить (рис.3) . ВЧ-шум вызван в основном высоким значением dV / dt связи переключателя через паразитную емкость индуктора (CL) и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL).

% {[data-embed-type = “image” data-embed-id = “5df275faf6d5f267ee216508” data-embed-element = “aside” data-embed-align = “left” data-embed-alt = “Сайты электронного дизайна Файлы Electronicdesign com Рисунок 3 «data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/07/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Figure_3.png? auto = format & fit = max & w = 1440 “data-embed-caption =” “]}%

3. Из-за реальных характеристик катушки индуктивности и конденсатора схема выходного каскада понижающего преобразователя в высокочастотной области может быть упрощена.

Настройка измерения выхода

Чтобы получить точный экспериментальный результат, очень важно иметь правильную установку для измерения. Традиционный метод заключается в использовании пассивных пробников с сопротивлением 1 МОм (рис. 4) . Эта установка не может обеспечить истинную пульсацию напряжения и шум, потому что большая петля улавливает большую часть окружающего шума и вносит паразитную индуктивность. Рисунок 5 показывает гораздо меньшую площадь контура, чем у пассивного пробника, основанного на коаксиальном кабеле с сопротивлением 50 Ом. Коаксиальные кабели имеют несколько преимуществ, включая хорошее экранирование, небольшую площадь контура и отсутствие затухания сигнала.

% {[data-embed-type = “image” data-embed-id = “5df275faf6d5f267ee21650a” data-embed-element = “aside” data-embed-align = “left” data-embed-alt = “Сайты электронного дизайна Файлы Electronicdesign com Рис. 4 3 “data-embed-src =” https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/07/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Figure_4_3.png? auto = format & fit = max & w = 1440 “data-embed-caption =” “]}%

4. Обычным методом измерения пульсаций является использование пассивного пробника.

% {[data-embed-type = “image” data-embed-id = “5df275faf6d5f267ee21650c” data-embed-element = “aside” data-embed-align = “left” data-embed-alt = “Сайты электронного дизайна Файлы Electronicdesign com Рис. 5 3 “data-embed-src =” https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/07/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Figure_5_3.png? auto = format & fit = max & w = 1440 “data-embed-caption =” “]}%

5. Использование коаксиального кабеля с сопротивлением 50 Ом минимизирует площадь контура для измерения пульсаций.

Рисунок 6 сравнивает пульсацию на выходе при одинаковых рабочих условиях. Коаксиальный кабель эффективно снижает высокочастотный шум. В следующем разделе все экспериментальные результаты основаны на коаксиальном кабеле с сопротивлением 50 Ом.

% {[data-embed-type = “image” data-embed-id = “5df275faf6d5f267ee21650e” data-embed-element = “aside” data-embed-align = “left” data-embed-alt = “Сайты электронного дизайна Файлы Electronicdesign com Рис. 6a и B “data-embed-src =” https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/07/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Figure_6aAndB.png?auto=format&fit=max&w=1440 “data-embed-caption =” “]}%

6. Измерение пульсаций на выходе в полной полосе пропускания неидеально при использовании десяти пассивных пробников с сопротивлением 1 МОм (a). Измерение пульсаций на выходе в полной полосе пропускания значительно меньше при использовании коаксиального кабеля 50 Ом (b).

Уменьшение пульсации на выходе

Как обсуждалось ранее, ВЧ-шум связан с катушкой индуктивности, выходным конденсатором и напряжением коммутационного узла.Для уменьшения ВЧ-шума можно использовать три метода:

1. Уменьшите скачок напряжения коммутационного узла.

2. Уменьшите сопротивление катушки индуктивности в высокочастотном режиме.

3. Уменьшите сопротивление выходного конденсатора в высокочастотном режиме.

Для метода 1 наиболее эффективной стратегией является снижение скорости нарастания переключателя при включении и выключении. Это может быть реализовано путем добавления резистора начальной загрузки последовательно или демпфирующей RC-цепи.

Как только выбросы коммутационных узлов уменьшены до минимума, петля шумовой связи может быть оптимизирована.Во-первых, выберите катушку индуктивности с низкой паразитной емкостью в соответствии с таблицей данных поставщика. Во-вторых, минимизируйте импеданс выходного конденсатора около частоты шума-звонка. Обычно частота шумового звонка в понижающем преобразователе составляет около нескольких сотен мегагерц.

Керамические конденсаторы

X5R / X7R популярны для снижения пульсаций при полной полосе пропускания из-за их более низкого ESR и ESL по сравнению с электролитическими конденсаторами и танталовыми конденсаторами. Как правило, керамический конденсатор меньшего размера приводит к снижению импеданса на высоких частотах.Однако небольшой керамический конденсатор также имеет ограниченное значение емкости. Следовательно, обычный керамический конденсатор X5R / X7R – не лучший способ снизить импеданс примерно до нескольких сотен мегагерц.

% {[data-embed-type = “image” data-embed-id = “5df275faf6d5f267ee216510” data-embed-element = “aside” data-embed-align = “left” data-embed-alt = »Сайты электронного дизайна Файлы Electronicdesign com Рисунок 7 «data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/07/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Figure_7.png? auto = format & fit = max & w = 1440 “data-embed-caption =” “]}%

7. Использование конденсатора NP0 обеспечивает меньшее сопротивление, чем конденсатор X7R на 1000 пФ (размер 0603).

На рисунке 7 показан керамический конденсатор NP0, выбранный для снижения ВЧ-шума из-за его характеристики с низким импедансом. Кроме того, характеристика импеданса также связана со значением емкости (фиг. 8) . По частоте шума ВЧ-звонка для этого случая подходит конденсатор NP0 на несколько сотен пикофарад.

% {[data-embed-type = “image” data-embed-id = “5df275faf6d5f267ee216512” data-embed-element = “aside” data-embed-align = “left” data-embed-alt = “Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Файлы Рисунок 8 “data-embed-src =” https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/07/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Figure_8.png?auto=format&fit=max&w=1440 “data-embed-caption =” “]}%

8. Конденсаторы NP0 разной емкости (размер 0603) приводят к некоторому изменению импеданса.

На прикладной схеме (рис. 9) конденсатор NP0 размещен рядом с ИС, а точка измерения пульсации расположена на конце выходного конденсатора. Таким образом, большая часть ВЧ-шума фильтруется конденсатором NP0, а большая часть НЧ пульсаций фильтруется конденсатором большой емкости X5R / X7R.

% {[data-embed-type = “image” data-embed-id = “5df275faf6d5f267ee216514” data-embed-element = “aside” data-embed-align = “left” data-embed-alt = “Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Файлы Рисунок 9 “data-embed-src =” https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/07/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Figure_9.png?auto=format&fit=max&w=1440 “data-embed-caption =” “]}%

9. Схема применения регулятора COT работает с конденсатором NP0 или LICC.

Рисунок 10 сравнивает пульсации выходного напряжения с обычным керамическим конденсатором и конденсатором NP0, что доказывает пригодность конденсатора NP0. Использование NP0 значительно снижает высокочастотный шум.

% {[data-embed-type = “image” data-embed-id = “5df275faf6d5f267ee216516” data-embed-element = “aside” data-embed-align = “left” data-embed-alt = “Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Файлы Рисунок 10a B “data-embed-src =” https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/07/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Figure_10a_b.png?auto=format&w=it= 1440 “data-embed-caption =” “]}%

10. Пульсации выходного напряжения во всей полосе пропускания при использовании конденсатора 1х180 пФ 0603 X7R и конденсатора 3х100 мкФ 1206 X7R являются значительными (a).Пульсации выходного напряжения во всей полосе пропускания при использовании конденсатора 0603 NP0 1×180 пФ и конденсатора 1206 X7R 3×100 мкФ минимальны.

Заключение

В этой статье был проанализирован источник пульсаций на выходе регулятора напряжения постоянного / постоянного тока, сравнились различные схемы измерения и обсуждалось, как уменьшить пульсации на выходе. Регуляторы COT оптимизируют скачок напряжения SW, импеданс катушки индуктивности и импеданс выходного конденсатора в высокочастотном диапазоне, тем самым уменьшая пульсации на выходе и высокочастотный шум.Коаксиальный кабель с сопротивлением 50 Ом – идеальный инструмент для измерения пульсаций выходного напряжения. MPQ8633B, разработанный Monolithic Power Systems, является примером регулятора COT, хорошо подходящего для решения этих проблем.

Вейран Дай (Weiran Dai) – инженер по приложениям для монолитных энергетических систем.

% {[data-embed-type = “image” data-embed-id = “5df275bcf6d5f267ee1f771f” data-embed-element = “aside” data-embed-alt = “Electronicdesign Com Sites Electronicdesign com Источники файлов Esb Lookin For Parts Banner Заглавные буквы 0 “data-embed-src =” https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2012/07/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_SourceESB_Lookin_For_Parts_BannerCAPS_0.png?auto=format&fit=max&w=1440} “data-embed”

Fsect4.PDF

% PDF-1.6 % 3 0 obj > эндобдж 105 0 объект [/ CalGray>] эндобдж 106 0 объект [/ CalRGB>] эндобдж 107 0 объект > поток application / pdf

Неизвестно

Fsect4.PDF

Среда, 29 июля 1998 г. 1:01:09 PMAcrobat PDFWriter 3.0 для Windows Microsoft Word 2012-06-12T12: 48: 12-04: 002012-06-12T12: 48: 12-04: 00uuid: 57a21a6c-d787-4a74-b8c2 -8c4e46d02a7auuid: 4b87336f-6f39-4491-86ec-995b34114f63 конечный поток эндобдж 108 0 объект > эндобдж 104 0 объект > эндобдж 5 0 obj > эндобдж 44 0 объект > эндобдж 65 0 объект > эндобдж 84 0 объект > эндобдж 83 0 объект > / Тип / Страница >> эндобдж 88 0 объект > / ProcSet 2 0 R >> / Тип / Страница >> эндобдж 91 0 объект > / ProcSet 2 0 R >> / Тип / Страница >> эндобдж 92 0 объект > поток ѐ`.q] р + 9

Метод разрешения последовательных / параллельных цепей

Метод разрешения последовательных / параллельных цепей

Применено Отдел науки Шерил Деллай Физика Инструктор

Метод разрешения серии / параллельности Схемы

от Шерил Кей Деллай

Департамент прикладных наук, Глендейл Общественный колледж, Глендейл, Аризона

В любом исследовании электрических цепей начало у студентов есть проблемы с правильным определением и расчетом соответствующие значения.Чем сложнее схема, тем сложнее Это. Используемый мной метод решает эти проблемы.

Это четырехэтапный метод, основанный на сокращении все в помеченный стол. Когда ученик впервые начинает решать схем, мне также требуется перерисовка схемы на каждом шаге в процессе.

Найдите емкость C, заряд Q, электрический потенциал разность (напряжение) V и электрическая потенциальная энергия.

Шаг первый

Обозначьте все соединения в цепи (рис. 1).В приведенном выше случае имеется 6 переходов (a, b, c, d, e, f)

Шаг второй

Определите самые глубокие уровни схемы отслеживая ветви. В случае выше Branch cd самая глубокая ветвь и должна быть решена в первую очередь. Филиал быть второй; Филиал af является третьим.

Шаг третий

В самом глубоком круге ответвления серия и параллельные части и пометьте их. Напишите компоненты ветки и расположение (последовательно / параллельно) в таблице (Таблица I), как показано.На Рисунке 1 Ветвь CD расположена параллельно. Каждый рука имеет более одного конденсатора. Эти руки необходимо обработать в первую очередь.

Правая рука (См. Рисунок 2)

Конденсаторы 3,00 мФ & 4,00 мФ последовательно и должен быть уменьшен до конденсатора A (1,71 мФ). )

Левая рука (см. Рисунок 2)

Конденсаторы 9.00 мФ & 8,00 мФ последовательно и должен быть уменьшен до конденсатора B (4,24 мФ).

Перерисовывайте схему после каждого сокращения.

Конденсаторы A и B включены параллельно на рисунке. 2 КД филиала .Уменьшаем их до конденсатора С (5,95 мФ). На данный момент мы устранили Branch cd и можно перейти к Branch be and Branch af .

На рисунке 3 Ветвь быть параллельна расположение. В правом плече более одного конденсатора. Эта ветка be рука должна быть обработана в первую очередь. В этот момент Филиал будет является частью параллельной компоновки в Branch af .

Филиал ВЭ

Правая рука

Конденсаторы C 5.95 мФ & 2,00 мФ последовательно и должен быть уменьшен до конденсатора D (1,50 мФ).

Конденсатор центрального рычага 7,00 мФ

Филиал АФ

Конденсатор левой руки 6,00 мФ

Конденсаторы D, 6,00 мФ & 7,00 мФ параллельны в Филиал а.ф. . Уменьшаем их до конденсатора E (14,5 мФ). На данный момент мы устранили Филиал af .

В приведенном ниже случае (рис. 5) мы имеем серию расположение. Конденсаторы Е 14.5, 5,00 мФ & 1,00 мФ последовательно и должен быть уменьшен до конденсатора F (0,79 мФ) на рисунке 6.

Шаг четвертый

Теперь схема имеет эквивалентную емкость. Нам нужно найти общий заряд и полную потенциальную энергию используя заданную разность электрических потенциалов.

Теперь мы вернемся к таблице.

Если ветвь параллельна, электрический потенциал разница (напряжение) такая же, а заряд – аддитивный (q _итого = S q _и ).

Если ответвление идет последовательно, взимается то же самое, а разность электрических потенциалов (напряжение) складывается (V _всего = S V _и ).

Потенциальная энергия всегда складывается (U _всего = S U _и ).

Разберем каждый эквивалентный конденсатор когда мы возвращаемся вверх по столу.

Конденсатор F представляет собой последовательную комбинацию. Таким образом, заряд конденсаторов 1,00 мФ, 5,00 мФ и конденсатор E (14,50 mF) – это полный заряд (78.80 мКл), а электрический потенциал разности (напряжения) должны составлять общий электрический потенциал разность 100 вольт (напряжение). Если нет, значит, была ошибка. сделано при расчете емкости. Это внутренняя проверка эта таблица предоставляет.

Затем мы должны пробить конденсатор E. Конденсатор E – параллельная комбинация. Таким образом, разность электрических потенциалов (напряжение) 5,44 В на E – это такой же электрический потенциал разница как (напряжение) на конденсаторах 6,00 мФ, 7,00 мФ, и конденсатор D (1.50 мФ). Заряд каждого из этих конденсаторов должен соответствовать заряду на конденсаторе E. Если это не так, была сделана ошибка при вычислении емкость.

Повторяем этот процесс, пока не закончим Таблица.

Студенты могут заполнить такую ​​таблицу в 10 минут.

Таблица I

	Емкость	Заряд	Напряжение	Энергия
	мФ	мкл	Вольт	мДж
Серия	3.00		0,78	0,92
А	4,00	2,34	0,59	0,69
Серия	9,00		0,64	1,86
В	8.00	5,79	0,72	2,10
Параллельный	А 1.71	2,34		1,60
С	В 4,24	5,79	1,37	3.96
Серия	С 5.95		1,37	5,56
D	2,00	8,14	4,07	16,55
Параллельный	D 1,50	8.14		22,11
E	7,00	38,05	5,44	103,42
	6,00	32,62		88,65
Серия	E 14.50		5,44	214,18
Ф	1,00	78,80	78,80	3104,99
	5,00		15,76	621,00
Итого	0.79	78,80	100,00	3940,17

Это эквивалентная цепь сопротивления и Таблица. Найдите сопротивление R, ток i, разность электрических потенциалов. (напряжение) В, а мощность П.

Таблица II

	Сопротивление	Текущий	Напряжение	Мощность
	Вт	Ампер	Вольт	Вт
Серия	3.00		8,21	22,47
А	4,00	2,74	10,95	29,96
Серия	9,00		10,14	11.43
В	8,00	1,13	9,02	10,16
Параллельный	А 7,00	2,74		52,43
С	В 17.00	1.13	19,16	21,59
Серия	С 4,96		19,16	74,02
D	2,00	3,86	7,73	29,86
Параллельный	D 6.96	3,86		103,88
E	7,00	3,84	26,89	103,26
	6,00	4,48		120,48
Серия	E 2.21		26,89	327,62
Ф	1,00	12,19	12,19	148,49
	5,00		60,93	742,45
Итого	8.21	12,19	100,00	1218,57

Возврат На домашнюю страницу Шерил Деллай

Сообщайте о проблемах по адресу: gary.