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 |
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 >>
При всей своей простоте он имеет и два минуса:
1. Он гальванически связан с сетью! потому такие БП используются там, где нет вероятности прикосновения к контактам.
Внимание, будьте очень аккуратны, не прикасайтесь к контактам этого БП когда он включен.
Простейшая схема данного БП выглядит так:
Как можно увидеть из схемы, последовательно с сетью стоит конденсатор. Он то и является балластом,, на котором гасится часть напряжения.
Конденсатор не пропускает постоянный ток, но так как в сети переменный и конденсатор в итоге постоянно перезаряжется, то и получается, что в таком случае ток на выходе есть. Причем сила тока напрямую зависит от емкости конденсатора.
Собственно потому для расчета емкости конденсатора необходимо знать как минимум выходной ток нашего будущего БП, причем надо учесть и потребление стабилизатора, обычно это несколько мА.
И так. Есть две формулы, сложная и простая.
Сложная – подходит для расчета при произвольном выходном напряжении.
Простая – подходит в ситуациях, когда выходное напряжение не более 10% от входного.
I – выходной ток нашего БП
Uвх – напряжение сети, например 220 Вольт
Uвых – напряжение на выходе БП (или до стабилизаторе если такой есть), например 12 Вольт.
С – собственно искомая емкость.
Например я хочу сделать БП с выходным током до 150мА. Пример схемы приведен выше, вариант применения – радиопульт с питанием 5 Вольт + реле на 12 Вольт.
Подставляем наши 0.15 Ампера и получаем емкость 2.18мкФ, можно взять ближайший номинал из стандартных – 2,2мкФ, ну или "по импортному" – 225.
Все как бы вроде хорошо, схема простая, но есть несколько минусов, которые надо исключить:
1. Бросок тока при включении может сжечь диодный мост.
2. При выходе из строя конденсатора может быть КЗ
3. Если оставить как есть, то вполне можно получить разряд от входного конденсатора, так как на нем может долго присутствовать напряжение даже после отключения БП от сети.
4. При снятии нагрузки напряжение на конденсаторе до стабилизатора поднимется до довольно большого значения.
Решения:
1. Резистор R1 последовательно с конденсатором
2. Предохранитель 0.5 Ампера.
3. Резистор R2 параллельно конденсатору.
4. Супрессор на 12 Вольт параллельно конденсатору после диодного моста. Я не рекомендую здесь использовать стабилитроны, супрессоры рассчитаны на большую мощность рассеивания и схема будет работать надежнее.
На схеме красным цветом я выделил новые компоненты, синим – небольшое дополнение в виде светодиода.
Но гасящие конденсаторы используют часто и в дешевых светодиодных лампах. Это плохо, так как у таких ламп меньше надежность и часто высокие пульсации света.
Ниже упрощенный вариант схемы такой лампы.
Попробуем рассчитать емкость для такого применения, но так как напряжение на выходе будет явно больше чем 1/10 от входного, то применим первую формулу.
В качестве выходного напряжения я заложил 48 Вольт, 16 светодиодов по 3 Вольта на каждом. Конечно это все условно, но близко к реальности.
Ток – 20мА, типичный максимальный ток для большинства индикаторных светодиодов.
У меня вышло, что необходим конденсатор емкостью 0.298 мкФ. Ближайший из распространенных номиналов – 0.27 или 0.33мкФ. Первый встречается гораздо реже, а второй уже будет давать превышение тока, потому можно составить конденсатор из двух параллельных, например по 0.15мкФ. При параллельном включении емкость складывается.
С емкостью разобрались, осталось еще пара моментов:
1. Напряжение конденсатора
2. Тип конденсатора.
С напряжением все просто, можно применить конденсатор на 400 Вольт, но надежнее на 630, хоть они и имеют больше размер.
С типом чуть сложнее. Для такого применения лучше использовать конденсаторы, которые изначально предназначены для такого использования, например К73-17, CL21, X2
На фото конденсатор CL21
А это более надежный вариант, не смотрите что на нем указано 280 Вольт, у него это значение переменного действующего напряжения и он будет работать надежнее, чем К73-17 или CL21.
Такие конденсаторы могут выглядеть и так
А вот теперь можно еще раз внимательно посмотреть, что надо для того, чтобы собрать такой "простой" блок питания и решить, нужен ли он.
В некоторых ситуациях да, он поможет, но он имеет кучу минусов, потому на мой взгляд лучше применить просто небольшой импульсный блок питания, который уже имеет стабилизированное выходное напряжение, гальваническую изоляцию и больший выходной ток.
Как пример таких блоков питания я могу дать ссылку на подробный обзор четырех вариантов, с тестами, схемами и осмотров.
Но можно поступить еще лучше. Сейчас получили распространение монолитные блоки питания. По сути кубик, в котором находится миниатюрный БП
Например HLK-PM01 производства Hi-link, стоимостью около двух долларов за штуку.
Или их китайский аналог TSP-05 производства Tenstar robot. Они немного дешевле, 1.93 доллара за штуку.
Практика показала, что качество у них сопоставимое.
Как я писал выше, они представляют из себя импульсный Бп в модульном исполнении. БП в пластмассовом корпусе залитый эпоксидной смолой.
Выпускаются на разные напряжения и способны поддерживать его на довольно стабильном уровне.
Внутренности поближе, на фото вариант от Hi-link
На этом вроде все. Надеюсь, что статья была полезна, постараюсь и в будущем находить интересные темы. Также интересны пожелания, что хотелось бы видеть в рубрике – Начинающим.
В данной статье поговорим про бестрансформаторное электропитание.
В радиолюбительской практике, да и в промышленной аппаратуре источником электрического тока обычно являются гальванические элементы, аккумуляторы, или промышленная сеть 220 вольт. Если радиоприбор переносной (мобильный), то использование батарей питания себя оправдывает такой необходимостью. Но если радиоприбор используется стационарно, имеет большой ток потребления, эксплуатируется в условиях наличия бытовой электрической сети, то питание его от батарей практически и экономически не выгодно. Для питания различных устройств низковольтным напряжением от бытовой сети 220 вольт существуют различные виды и типы преобразователей напряжения бытовой сети 220 вольт в пониженное. Как правило, это схемы трансформаторного преобразования.
Схемы трансформаторного питания строятся по двум вариантам
1. «Трансформатор – выпрямитель — стабилизатор» — классическая схема питания, обладающая простотой построения, но большими габаритными размерами;
2. «Выпрямитель — импульсный генератор – трансформатор – выпрямитель – стабилизатор» — схема импульсного источника питания, обладающая малыми габаритными размерами, но имеющая более сложную схему построения.
Самое главное достоинство указанных схем питания – наличие гальванической развязки первичной и вторичной цепи питания. Это снижает опасность поражения человека электрическим током, и предотвращает выход аппаратуры из строя по причине возможного замыкания токоведущих частей устройства на «ноль». Но иногда, возникает потребность в простой, малогабаритной схеме питания, в которой наличие гальванической развязки не важно. И тогда мы можем собрать простую конденсаторную схему питания. Принцип её работы заключается в «поглощении лишнего напряжения» на конденсаторе. Для того, чтобы разобраться в том, как это поглощение происходит, рассмотрим работу простейшего делителя напряжения на резисторах.
Делитель напряжения состоит из двух резисторов R1 и R2. Резистор R1 – ограничительный, или по другому называется добавочный. Резистор R2 – нагрузочный (Rн), он же является внутренним сопротивлением нагрузки.
Предположим, что нам необходимо из напряжения 220 вольт получить напряжение 12 вольт. Указанные U2 = 12 вольт должны падать на сопротивлении нагрузки R2. Это означает, что остальное напряжение U1 = 220 – 12 = 208 вольт должно падать на сопротивлении R1.
Допустим, что в качестве сопротивления нагрузки мы используем обмотку электромагнитного реле, а активное сопротивление обмотки реле R2 = 80 Ом. Тогда по закону Ома, ток, протекающий через обмотку реле, будет равен: Iцепи = U2/R2 = 12/80 = 0,15 ампер. Указанный ток должен течь и через резистор R1. Зная, что на этом резисторе должно падать напряжение U1 = 208 вольт, по закону Ома определяем его сопротивление:
R1 = UR1 / Iцепи = 208/0,15 = 1 387 Ом.
Определим мощность резистора R1: Р = UR1 * Iцепи = 208 * 0,15 = 31,2 Вт.
Для того, чтобы этот резистор не грелся от рассеиваемой на нём мощности, реальное значение его мощности необходимо увеличить в раза два, это приблизительно составит 60 Вт. Размеры такого резистора довольно внушительны. И вот здесь нам пригодится конденсатор!
Мы знаем, что любой конденсатор в цепи переменного тока обладает таким параметром, как «реактивное сопротивление» — сопротивление радиоэлемента изменяющееся в зависимости от частоты переменного тока. Реактивное сопротивление конденсатора определяется по формуле:
где п – число ПИ = 3,14, f – частота (Гц), С – ёмкость конденсатора (фарад).
Заменив резистор R1 на бумажный конденсатор С, мы «забудем» что такое резистор внушительных размеров.
Реактивное сопротивление конденсатора С должно приблизительно равняться ранее рассчитанному значению R1 = Хс = 1 387 Ом.
Преобразовав формулу заменив местами величины С и Хс, мы определим значение ёмкости конденсатора:
С1 = 1 / (2*3,14*50*1387) = 2,3*10-6 Ф = 2,3 мкФ
Это может быть несколько конденсаторов с требуемой общей ёмкостью, включенных параллельно, или последовательно.
Схема бестрансформаторного (конденсаторного) питания будет выглядеть следующим образом:
Но изображённая схема работать будет, но не так как мы планировали! Заменив массивный резистор R1 на один, или два малогабаритных конденсатора, мы выиграли в размерах, но не учли одно — конденсатор должен работать в цепи переменного тока, а обмотка реле – в цепи постоянного тока. На выходе нашего делителя переменное напряжение, и его необходимо преобразовать в постоянное. Это достигается вводом в схему диодного выпрямителя разделяющего входную и выходную цепь, а так же элементов сглаживающих пульсацию переменного напряжения в выходной цепи.
Окончательно, схема бестрансформаторного (конденсаторного) питания будет выглядеть следующим образом:
Конденсатор С2 — сглаживающий пульсации. Для исключения опасности поражения электрическим током от накопленного напряжения в конденсаторе С1, в схему введен резистор R1, который шунтирует конденсатор своим сопротивлением. При работе схемы он своим большим сопротивлением не мешает, а после отключения схемы от сети, в течение времени, определяемого секундами, через резистор R1 происходит разряд конденсатора. Время разряда определяется обыкновенной формулой:
Для того, чтобы следующий раз не делать все вышеперечисленные расчёты, выведем окончательную формулу расчёта ёмкости конденсатора схемы бестрансформаторного (конденсаторного) питания. При известных значениях входного и выходного напряжения, а также сопротивления R2 (оно же — сопротивление нагрузки Rн), значение сопротивления R1 находится в соответствии с пунктом 3 статьи «Делитель напряжения«:
Объединив две формулы, находим конечную формулу расчета ёмкости конденсатора схемы бестрансформаторного питания:
где Rн – сопротивление нагрузки, в нашем случае это – сопротивление обмотки реле Р1.
Учитывая, что при работе в переменном напряжении в конденсаторе происходят перезарядные процессы, а также сдвиг фазы тока по отношению к фазе напряжения, необходимо брать конденсатор на напряжение в 1,5…2 раза больше того напряжения, которое подаётся в цепь питания. При сети 220 вольт, конденсатор должен быть рассчитан на рабочее напряжение не менее 400 вольт.
По указанной выше формуле можно рассчитать значение ёмкости схемы бестрансформаторного питания для любого устройства, работающего в режиме постоянной нагрузки. Для работы в условиях переменной нагрузки, меняется также ток и напряжение выходной цепи. Для стабилизации выходного напряжения обычно применяют стабилитроны, или эквивалентные транзисторные схемы, ограничивающие выходное напряжение на необходимом уровне. Одна из таких схем показана на рисунке ниже.
Вся схема включена в сеть 220 вольт постоянно, а реле Р1 включается в цепь и выключается с помощью выключателя S1. В качестве выключателя может быть и полупроводниковый прибор, например транзистор. Транзисторный каскад VT1 включен параллельно нагрузке, он исключает увеличение напряжения во вторичной цепи. Когда нагрузка отключена, ток течёт через транзисторный каскад. Если бы этого каскада не было, то при отключении S1 и отсутствии другой нагрузки, на выводах конденсатора С2 напряжение могло бы достигнуть максимального сетевого – 315 вольт.
Стоит отметить, что при расчёте схем автоматики с реле, необходимо учитывать, что напряжение срабатывания реле, как правило, равно его номинальному (паспортному) значению, а напряжение удержания реле во включенном состоянии приблизительно в 1,5 раза меньше номинального. Поэтому, рассчитывая схему, изображённую выше, оптимально вести расчёт конденсатора для режима удержания, а напряжение стабилизации сделать равным номинальному (или чуть выше номинального). Это позволит работать всей схеме в режиме меньших токов, что повышает надёжность. Таким образом, для расчета емкости конденсатора С1 в схеме с коммутируемой нагрузкой, параметр Uвх мы берём равным не 12 вольт, а в полтора раза меньше – 8 вольт, а для расчёта ограничительного (стабилизирующего) транзисторного каскада – номинальное 12 вольт.
С1 = 1 / ( 2 * 3,14 * 50 * ( (220 * 80) / 8 – 80 ) ) = 1,5 мкФВ качестве стабилизирующего элемента при малых токах можно использовать стабилитрон. При больших токах стабилитрон не годится – слишком малая у него рассеиваемая мощность. Поэтому в таком случае оптимально использовать транзисторную схему стабилизации напряжения. Расчёт стабилизирующего транзисторного каскада основан на использовании порога открытия биполярного транзистора, при достижении напряжения база-эмиттер 0,65 вольта (на кристалле кремния). Но учтите, что для разных транзисторов это напряжение колеблется в пределах 0,1 вольта, не только по типам, но и по экземплярам транзисторов. Поэтому напряжение стабилизации на практике может немного отличаться от рассчитанного значения.
Расчёт делителя смещения каскада стабилизации проводится всё по тем же формулам делителя напряжения, при известных Uвх.дел. = 12 вольт, Uвых.дел. = 0,65 вольт и токе транзисторного делителя, который должен быть приблизительно в двадцать раз меньше тока протекающего через ёмкость С1. Этот ток легко найти:Iдел. = Uвх.дел. / (20*Rн) = 12 / (20 * 80) = 0,0075 ампер,
где Rн – сопротивление нагрузки, в нашем случае это – сопротивление обмотки реле Р1, равное 80 Ом.
Номиналы резисторов R1 и R2 определяются по формулам, ранее опубликованным в статье «Делитель напряжения«:
, 
где Rобщ – общее сопротивление резисторов делителя смещения транзистора VT1, которое находится по закону Ома:
Итак: Rобщ = 12 / 0,0075 = 1600 Ом ;
R3 = 0,65 * 1600 / 12 = 86,6 Ом , по номинальному ряду, ближайший номинал – 82 Ом;
R2 = 1600 – 86,6 = 1513,4 Ом , по номинальному ряду, ближайший номинал – 1,5 кОм.
Зная падение напряжения на резисторах и ток делителя, не забудьте рассчитать их габаритную мощность. С запасом, габаритную мощность R2 выбираем в 0,25 Вт, а R3 – в 0,125 Вт. Вообще, вместо резистора R2 лучше поставить стабилитрон, в данном случае это может быть Д814Г, КС211(с любым индексом), Д815Д, или КС212(с любым индексом). Я научил вас рассчитывать резистор намеренно.
Транзистор выбирается также с запасом падающей на его переходе мощности. Как выбирать транзистор в подобных стабилизирующих каскадах, хорошо описано в статье «Компенсационный стабилизатор напряжения«. Для лучшей стабилизации, возможно использование схемы «составного транзистора».
Думаю, что статья своей цели достигла, «разжёвано» всё до каждой мелочи.
гасящий конденсатор за место трансформатора
Конденсатор в качестве понижающего трансформатора
Конденсатор при включении в цепь с переменным напряжением обладает реактивным сопротивлением. Его сопротивление меняется в зависимости от частоты.
Благодаря этому свойству конденсатора его возможно использовать за место гасящего резистора.При этом на конденсаторе не выделяет тепло, что является большим преимуществом над обычным резистором.
Расчет номиналов такого конденсатора достаточно сложен, для упрощения расчета предлагаю воспользоваться номограммой, представленной ниже.
Из данного рисунка видно, что для определения емкости конденсатора нам необходимо знать Rн-сопротивление нагрузки. Z-сопротивление цепи.
Если эти значения известны достаточно взять циркуль, приложить его в начало координат и провести дугу через ось Z. Затем от оси Rн провести параллельную линию оси ординат. Точка пересечения дуги и линии и будет емкость нашего конденсатора.
Пример 1
У нас имеется паяльник на напряжение 127В мощностью 25 Вт. Требуется рассчитать гасящий конденсатор для включения его в розетку 220В.
Rн=〖Uвых〗^2/Pн=〖127〗^2/25=645 Ом
Где, U- необходимое напряжение на нагрузке (в нашем случае на паяльнике). P- мощность нагрузки.
Затем рассчитываем ток проходящий через нагрузку
Iн=Pн/Uвых=25/127=0.2 А
Затем рассчитываем сопротивление цепи Z
Z=Uвх/Iн=220/0,2=1100 Ом
На номограмме данные значения выделены, нам нужен конденсатор на 3,5 мкФ.
Пример 2
Нам необходимо запитать постоянным током устройство рассчитанное на напряжение 18В и ток 20мА. При этом напряжение сети 127В.
Внимание схема работает от 220В, развязки от сети нет. Будьте внимательны, соблюдайте технику безопасности!
Rн=Uвых/Iн=18/0,02=900 Ом Z=Uвх/Iн=127/0,02=6,35 кОм
Данный пример на номограмме выделен пунктиром. Емкость конденсатора составляет 0,51 мкФ.
Конденсаторы в качестве гасящего элемента следует выбирать бумажные. С запасом по напряжению в 2-3 раза, превышающего напряжение которое нужно погасить.
Основными достоинствами его являются малые габариты, дешевизна и простота устройства, именно по этому его часто используют например, в терморегуляторах тёплого пола, блоках управления бытовыми холодильниками, блоках дистанционного управления люстрами, базы электрочайников с сенсорным управлением и подобных малогабаритных устройствах с сетевым питанием. Не смотря на все положительные качества есть и недостатки, пожалуй самый большой из которых это отсутствие гальванической развязки с питающей сетью и невысокий ток нагрузки.
Отсутствие гальванической развязки требует от мастера повышенного внимания при ремонте и наладке схемы!
Для начала рассмотрим типовую схему такого источника
Это самый стандартный вариант, встречающийся в 80% случаев, в остальных 20% могут присутствовать изменения которые не меняют принципа диагностики и ремонта.
Назначение элементов схемы:
-> Резистор(R1) является токоограничивающим, он ограничивает ток заряда конденсатора в момент включения в сеть т.к. разряженный конденсатор имеет низкое сопротивление, а следовательно потребляет значительный ток, так же в некоторых схемах он используется разрывной и одновременно служит плавким предохранителем
-> Конденсатор (С1) является основным элементом схемы. За счет своего реактивного сопротивления он гасит излишний ток. Напряжение же получается лишь тогда, когда появляется нагрузка, его величина подчиняется закону ома.
-> Резистор(R2) – разряжающий. Он служит для того чтобы разрядить конденсатор, иначе при отключении от сети вилка устройства будет биться током, во многих схемах не имеющих разъемных соединений, например в термостате теплого пола, датчиках движения его не ставят.
-> Диодный мост(Br1) служит для выпрямления тока, в целях экономии его часто заменяют на однополупериодный выпрямитель состоящий из одного диода.
-> Конденсатор(С2) необходим для сглаживания пульсаций выпрямленного тока.
-> Стабилитрон(D1) стабилизирует напряжение. Т.к. конденсатор ограничивает ток, то напряжение в отсутствии нагрузки было бы равно сетевому, а так же при изменении тока нагрузки скакало в широких пределах, стабилитрон же является постоянной нагрузкой в цепи и не позволяет напряжению превышать определенный порог, равный его напряжению стабилизации
Самая частая неисправность с которой подобные устройства заходят на ремонт «Не включается, не светится» и подобные выражения, которые сообщает клиент мастеру.
При данных признаках в большинстве случаев происходит пробой стабилитрона, т.к. он «сдерживает» напряжение при изменении нагрузки или скачках напряжения в сети, а в отсутствии нагрузки вся выработанная мощность БП рассеивается на нем в виде тепла.
С такой проблемой был принят в ремонт термостат тёплого пола Electrolux
Подключаем к питанию, проводим замеры питающего напряжения. Удобнее и быстрее всего произвести замер в очевидных точках, если есть микросхемы, на питающих выводах, на сглаживающем конденсаторе, и т. д.
Когда выяснено, что проблема с питающими линиями, более детально осматриваем цепи питания и воспроизводим схему питания устройства
Данная схема очень типичная, кроме наличия 2 стабилитронов, включенных последовательно, Это необходимо для питания напряжением 12В цепей управления и 17В для запитки реле.(Реле в этом регуляторе используется на 24В, выбранное производителем пониженное напряжение 17В позволяет реле уверенно срабатывать и при этом иметь минимальный нагрев)
Диагностируется данная проблема просто: Находим стабилитрон и мультиметром в режиме прозвонки производим измерение на его выводах При исправном стабилитроне на экране прибора будет какое либо значение много больше нуля, при не исправном раздастся писк свидетельствующий о коротком замыкании.
Если при диагностике обнаружен перегоревший плавкий предохранитель, то в первую очередь проверяем сам гасящий конденсатор на пробой.
Далее удаляем стабилитрон и прозваниваем без него. Короткое скорее всего пропадёт.
Так же, чтобы убедиться проверяем стабилитрон.
А далее заменяем его на исправный, если есть следы свидетельствующие о перегреве (потемнение платы) то заменяем его на стабилитрон с большей мощностью рассеяния или заменяем на включенные параллельно с выравнивающими резисторами
Далее проверяем результат нашего ремонта
При включении в сеть загорелся светодиод «Нагрев» и отчетливо слышен щелчок реле.
|
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.
А поскольку и то
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, |
Конденсаторное питание | Электроника для всех
Что то часто меня стали спрашивать как подключить микроконтроллер или какую низковольтную схему напрямую в 220 не используя трансформатор. Желание вполне очевидное — трансформатор, пусть даже и импульсный, весьма громоздок. И запихать его, например, в схему управления люстрой размещенной прям в выключателе не получится при всем желании. Разве что нишу в стене выдолбить, но это же не наш метод!
Тем не менее простое и очень компактное решение есть — это делитель на конденсаторе.
Правда конденсаторные блоки питания не имеют развязки от сети, поэтому если вдруг в нем что нибудь перегорит, или пойдет не так, то он запросто может долбануть тебя током, или сжечь твою квартиру, ну а комп угробить это вообще за милое дело, в общем технику безопасности тут надо чтить как никогда — она расписана в конце статьи. В общем, если я тебя не убедил что бестрансформаторные блоки питания это зло — то сам себе злой Буратино, я тут не причем. Ну ладно, ближе к теме.
Помните обычный резистивный делитель?
Казалось бы, в чем проблема, выбрал нужные номиналы и получил искомое напряжение. Потом выпрямил и Profit. Но не все так просто — такой делитель может и сможет дать нужное напряжение, но вот совершенно не даст нужный ток. Т.к. сопротивления сильно велики. А если сопротивления пропорционально уменьшать, то через них насквозь пойдет большой ток, что при напряжении в 220 вольт даст очень большие тепловые потери — резисторы будут греть как печка и в итоге либо выйдут из строя, либо пожар устроят.
Все меняется если один из резисторов заменить на конденсатор. Суть в чем — как вы помните из статьи про конденсаторы, напряжение и ток на конденсаторе не совпадают по фазе. Т.е. когда напряжение в максимуме — ток минимален, и наоборот.
Так как у нас напряжение переменное, то конденсатор будет постоянно разряжаться и заряжаться, а особенность разряда-заряда конденсатора в том, что когда у него максимальный ток (в момент заряда), то минимальное напряжение и наборот. Когда он уже зарядился и напруга на нем максимальная, то ток равен нулю. Соответственно, при таком раскладе, мощность тепловых потерь, выделяемая на конденсаторе (P=U*I) будет минимальной. Т.е. он даже не вспотеет. А рективное сопротивление конденсатора Xc=-1/(2pi*f*C).
Теоретическое отступление
В цепи бывают три вида сопротивлений:Активное — резистор (R)
Реактивное — конденсатор (Xс) и катушка(XL)
Полное же сопротивление цепи (импенданс) Z=(R2+(XL+Xс)2)1/2
Да, чистые активные и реактивные элементы бывают только в теории. Например, у катушки есть индуктивное сопротивление — витки, активное сопротивление — сопротивление проволки и емкостное сопротивление — паразитные конденсаторы образующиеся между витками катушки.
Даже обычный проводник имеет какую то паразитную емкость и индуктивность.
Активное сопротивление всегда постоянно, а реактивное зависит от частоты.
XL=2pi*f * L
Xc=-1/(2pi*f*C)
Знак реактивного сопротивления элемента указывает на его характер. Т.е. если больше нуля, то это индуктивные свойства, если меньше нуля то емкостные. Из этого следует, что индуктивность можно скомпенсировать емкостью и наоборот.
f — частота тока.
Соответственно, на постоянном токе при f=0 и XL катушки становится равен 0 и катушка превращается в обычный кусок провода с одним лишь активным сопротивлением, а Xc конденсатора при этом уходит в бесконечность, превращая его в обрыв.
Эта зависимость от частоты также показывает почему в высокочастотных устройствах простые, казалось бы, дорожки печатной платы начинают вести себя как детали — а просто из за возросшей частоты их паразитные значения реактивных сопротивлений возрастают до ощутимых величин.
Получается у нас вот такая вот схема:
Теперь надо что-то сделать с тем, что у нас переменка. Не велика проблема — добавим парочку диодов (можно, конечно, и диодный мост, будет эффективней, но с двумя диодами проще) диоды должны быть на ток около ампера, не меньше. И чтобы обратное напряжение было вольт на 500. 1N4007, например, или похожий по параметрам:
Все, в одну сторону ток течет через один диод, в другую через второй. В итоге, в правой части цепи у нас уже не переменка, а пульсирующий ток — одна полуволна синусоиды.
Добавим сглаживающий конденсатор, чтобы сделать напряжение поспокойней, микрофарад на 100 и вольт на 25, электролит:
Но есть тут одна заковыка — у нас напряжение на нагрузке зависит от сопротивления нагрузки. Т.е. если у тебя схема, включенная вместо Rн снизила потребление тока, то соответственно напряжение на ней вырастет. А для всякой нежной электроники это черевато.
Лечится стабилитроном на нужное нам напряжение. Питать мы собираемся микроконтроллер, так что на 5 вольт:
В принципе уже готово, единственно что надо поставить стабилитрон на такой ток, чтобы он не сдох когда нагрузки нет вообще, ведь тогда отдуваться за всех придется ему, протаскивая весь ток который может дать БП.
А можно ему помочь слегонца. Поставить резистор токоограничительный. Правда это сильно снизит нагрузочную способность блока питания, но нам хватит и этого.
Ток который эта схема может отдать можно, ЕМНИП, примерно вычислить по формуле:
I = 2F * C (1.41U — Uвых/2).
- F — частота питающей сети. У нас 50гц.
- С — емкость
- U — напряжение в розетке
- Uвых — выходное напряжение
Сама формула выводится из жутких интегралов от формы тока и напряжения. В принципе можешь сам ее нагуглить по кейворду «гасящий конденсатор расчет», материала предостаточно.
В нашем случае получается что I = 100 * 0.46E-6 (1.41*U — Uвых/2) = 15мА
Не феерия, но для работы МК+TSOP+оптоинтерфейс какой- нибудь более чем достаточно. А большего обычно и не требуется.
Еще добавить парочку кондеров для дополнительной фильтрации питания и можно использовать:
Еще добавил резюк на 43ом 1Вт, чтобы кондер при втыкании кондер заряжался не так быстро и не было броска тока. На печатке он здоровый такой, возле разьема.
Печатная плата простая и вопросов по ее разводке под другую форму корпуса ни у кого не возникнет. Я же ее тут сделал просто для примера, поэтому не смотрите на ее большие размеры. Я не мельчил:
Как всегда, прикладываю LAY файл.
После чего, как обычно, все вытравил и спаял:
Схема многократно проверена и работает. Я ее когда то пихал в систему управления нагревом термостекла. Места там было со спичечный коробок, а безопасность гарантировалась тотальной остекловкой всего блока.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
В данной схеме нет никакой развязки по напряжению от питающей цепи, а значит схема ОЧЕНЬ ОПАСНА в плане электрической безопасности.
Поэтому надо крайне ответственно подходить к ее монтажу и выбору компонентов. А также внимательно и очень осторожно обращаться с ней при наладке.
Во первых, обратите внимание, что один из выводов идет к GND напрямую из розетки. А это значит что там может быть фаза, в зависимости от того как воткнули вилку в розетку.
Поэтому неукоснительно соблюдайте ряд правил:
- 1. Номиналы надо ставить с запасом на как можно большее напряжение. Особенно это касается конденсатора. У меня стоит на 400вольт, но это тот что был в наличии. Лучше бы вообще вольт на 600, т.к. в электросети иногда бывают выбросы напряжения намного превышающие номинал. Стандартные блоки питания за счет своей инерционности его переживут запросто, а вот конденсатор может и пробить — последствия представьте себе сами. Хорошо если не будет пожара.
- 2. Эта схема должна быть тщательным образом заизолирована от окружающей среды. Надежный корпус, чтобы ничего не торчало наружу. Если схема монтируется в стену, то она не должна касаться стен. В общем, пакуем все это дело наглухо в пластик, остекловываем и закапываем на глубине 20метров. :)))))
- 3. При наладке ни в коем случае не лезть руками ни к одному из элементов цепи. Пусть вас не успокаивает что там на выходе 5 вольт. Так как пять вольт там исключительно относительно самой себя. А вот по отношению к окружающей среде там все те же 220.
- 4. После отключения крайне желательно разрядить гасящий конденсатор. Т.к. в нем остается заряд вольт на 100-200 и если неосторожно сунуться куда нибудь не туда больно цапнет за палец. Вряд ли смертельно, но приятного мало, а от неожиданности можно и бед натворить.
- 5. Если используется микроконтроллер , то прошивку его делать ТОЛЬКО при полном выключении из сети. Причем выключать надо выдергиванием из розетки. Если этого не сделать, то с вероятностью близкой к 100% будет убит комп. Причем скорей всего весь.
- 6. То же касается и связи с компом. При таком питании запрещено подключаться через USART, запрещено обьединять земли.
Если все же хотите связь с компом, то используйте потенциально разделенные интерфейсы. Например, радиоканал, инфракрасную передачу, на худой конец разделение RS232 оптронами на две независимые части.
В общем, я настоятельно НЕ РЕКОМЕНДУЮ пользоваться такой схемой включения. И если можно от нее избавиться, то от нее нужно избавиться. Перейдя на традиционные схемы блоков питания с развязкой от сети.
Ну и, как обычно, видеосьемка процесса запуска девайса от розетки через такой вот БП:
Offtop:
Для троллей я заготовил много вкусной еды — энджой!
Соотношение тока и напряжения конденсатора
- Образование
- Наука
- Электроника
- Соотношение тока и напряжения конденсатора
Джон Сантьяго
Конденсаторы накапливают энергию для последующего использования. Напряжение и ток конденсатора связаны между собой. Соотношение между напряжением и током конденсатора определяет его емкость и его мощность. Чтобы увидеть, как связаны ток и напряжение на конденсаторе, необходимо взять производную от уравнения емкости q (t) = Cv (t) , то есть
Поскольку дк (т) / дт является током через конденсатор, вы получаете следующее соотношение i-v :
Это уравнение говорит вам, что когда напряжение на конденсаторе не меняется, ток не течет; чтобы протекать ток, напряжение должно меняться.Для постоянного источника батареи конденсаторы действуют как разомкнутые цепи, потому что нет тока.
Напряжение на конденсаторе плавно изменяется (и его производные также являются плавно меняющимися функциями), поэтому мгновенных скачков напряжения не происходит.
Точно так же, как у вас нет пробелов в скоростях, когда вы ускоряете или замедляете свой автомобиль, у вас нет пробелов в напряжениях. Масса автомобиля вызывает плавный переход при движении от 55 миль в час до 60 миль в час.
Аналогичным и аналогичным образом можно представить емкость C как массу в мире схем, которая вызывает плавный переход при изменении напряжения от одного значения к другому.
Чтобы выразить напряжение на конденсаторе через ток, вы интегрируете предыдущее уравнение следующим образом:
Вторым слагаемым в этом уравнении является начальное напряжение на конденсаторе в момент времени t = 0.
Вы можете увидеть характеристику i-v на графиках, показанных здесь.Левая диаграмма определяет линейную зависимость между зарядом q , хранящимся в конденсаторе, и напряжением v на конденсаторе. На правой диаграмме показана зависимость тока между током и производной напряжения дв C (т) / dt по всему конденсатору по времени t .
Думайте о емкости С как о константе пропорциональности, как резистор действует как константа в законе Ома.
Об авторе книги
Джон М. Сантьяго младший, доктор философии, служил в ВВС США (ВВС США) в течение 26 лет. В течение этого времени он занимал различные руководящие должности в области управления техническими программами, развития приобретения и исследования операций. Находясь в Европе, он возглавлял более 40 международных научно-технических конференций / семинаров.
,
Низковольтный силовой конденсаторПродолжение второй части – конденсаторных батарей в энергосистеме (вторая часть)
Максимально допустимый ток
Конденсаторные блоки должны быть пригодны для непрерывной работы при среднеквадратичном значении тока, в 1,3 раза превышающем ток, возникающий при номинальном синусоидальном напряжении и номинальной частоте, исключая переходные процессы. Учитывая допуски на емкость 1,1 кН, максимально допустимый ток может составлять до 143 В.
Эти факторы максимального тока предназначены для учета комбинированного воздействия гармоник и перенапряжений вплоть до 1,10 ООН включительно, согласно IS 13340.
Разгрузочное устройство
Каждый конденсаторный блок или блок должен быть снабжен непосредственно подключенным разрядным устройством. Разрядное устройство должно снизить остаточное напряжение от значения амплитуды номинального значения UN до 50 В или менее в течение 1 мин после того, как конденсатор отключен от источника питания.Между конденсатором и разрядным устройством не должно быть выключателя, предохранителя или любого другого изолирующего устройства.
Разрядное устройство не является заменой для короткого замыкания клемм конденсатора и заземления перед началом работы.
Где:
t = время для разряда от UN Jr до UR,
R = равно сопротивлению разряда
C = номинальная емкость (пФ) на фазу,
U N = номинальное напряжение блока (В),
U R = допустимое остаточное напряжение
k = коэффициент, зависящий от подключений как к сопротивлению, так и к блоку конденсатора, значение к следует принимать согласно IS13340
Конфигурация конденсаторного банка
К конденсаторам с дельта-соединением обычно применяются классы напряжения 2400 В или менее.
В трехфазной системе , для подачи той же реактивной мощности, звездообразному соединению требуется конденсатор с емкостью, в три раза превышающей конденсатор, соединенный треугольником. Кроме того, конденсатор со звездообразным соединением подвергается воздействию напряжения на 3 ниже и протекает через ток на 3 выше, чем подключенный конденсатор и треугольник.
для трехфазного соединения STAR
Емкость конденсаторной батареи C = Q c / (2πF r U r 2 )
Номинальный ток компонентов I RC = 2πF r CU r / √3
Линия ток I = I RC
Трехфазное треугольное соединение
Емкость конденсаторной батареи C = Q c / (2πF r U r 2 .3)
Номинальный ток компонентов I RC = 2πF r CU r
Ток линии I = I RC / √3
Где,
U r = номинальное напряжение, которое конденсатор должен выдерживать бесконечно;
F r = номинальная частота
Q c = обычно выражается в кВАр ( реактивная мощность батареи конденсаторов)
При определении размера конденсаторной батареи на любой шине необходимо проверить рост напряжения из-за установки конденсаторов в условиях полной и малой нагрузки.Рекомендуется ограничить рост напряжения максимум 3% от напряжения шины в условиях малой нагрузки. Повышение напряжения из-за установки конденсатора можно рассчитать по следующему выражению.
Падение / Повышение Напряжения из-за Переключения
Включение или выключение большого блока нагрузки вызывает изменение напряжения. Приблизительное значение можно оценить по:
Изменение напряжения ≅ нагрузка в МВА / уровень неисправности в МВА
Переключение конденсаторной батареи вызывает изменение напряжения, которое можно оценить следующим образом:
Изменение напряжения rating номинал конденсаторной батареи в МВА / уровень отказа системы в МВА
Где,
% V C =% изменения или повышения напряжения из-за конденсатора
% X =% Реактивность оборудования e.грамм. Трансформатор
Если конденсаторная батарея подключена к STAR, то требуемое значение C будет выше по сравнению со значением C в соединении DELTA для того же значения требуемой кВАР. Более высокое значение C приведет к более высокому повышению напряжения в системе, что приведет к ложному отключению оборудования, оснащенного защитой от перенапряжения.
Распространена практика оставлять подключенные к звездам конденсаторные батареи незаземленными (есть отдельная причина оставить их незаземленными) при использовании в системе или использовать соединенные треугольником банки для предотвращения протекания токов третьей гармоники в систему питания через заземленные нейтральный.
Большие конденсаторные батареи могут быть подключены в STAR незаземленными, STAR заземленными или треугольными. Однако неразрывное соединение предпочтительно с точки зрения защиты. Для незаземленной системы STAR, соединяющей одноконденсаторные блоки параллельно через напряжение между фазой и нейтралью, ток повреждения через любой предохранитель или прерыватель конденсаторной батареи ограничен конденсаторами в двух исправных фазах. Кроме того, заземляющий тракт для гармонических токов отсутствует для незаземленного банка.
Однако для заземленных или соединенных треугольником банков ток утечки может достичь полного значения короткого замыкания из системы, поскольку звуковые фазы не могут ограничивать ток.
Расстройка конденсаторных батарей
На промышленной установке, содержащей конденсаторы для коррекции коэффициента мощности, искажения гармоник могут быть увеличены из-за взаимодействия между конденсаторами и рабочим трансформатором. Это называется гармоническим резонансом или параллельным резонансом. Важно отметить, что сами конденсаторы не являются основной причиной гармоник, а только усугубляют потенциальные проблемы с гармониками.Часто проблемы, связанные с гармониками, не проявляются, пока не будут применены конденсаторы для коррекции коэффициента мощности.
В отстроенных системах реакторы устанавливаются последовательно с конденсаторами и предотвращают резонансные условия путем смещения резонансной частоты конденсатор / сеть ниже первой доминирующей гармоники (обычно 5-й).
Полное сопротивление конденсатора уменьшается с увеличением частоты. Способность конденсатора подавлять гармонику уменьшается с увеличением частоты. Это предлагает путь низкого сопротивления к гармоническим токам.Эти гармонические токи, добавленные к основному току конденсаторов, могут создавать опасные перегрузки по току на конденсаторе. Каждый из гармонических токов вызывает падение напряжения на конденсаторе. Это падение напряжения добавляется к основному напряжению. Таким образом, при наличии гармоник рекомендуется более высокое номинальное напряжение конденсатора. Это перенапряжение может быть намного выше допустимого значения 10% при наличии резонанса.
Другим важным аспектом является резонанс, который может возникнуть, когда p.f. Конденсаторы образуют последовательный или параллельный резонансный контур с полным сопротивлением питающего трансформатора.Если резонансная частота этой LC-цепи совпадает с одной из присутствующих гармоник, амплитуда тока гармоники, протекающего через LC-цепь, умножается в несколько раз, что приводит к повреждению конденсаторов, питающего трансформатора и других сетевых компонентов.
Меры предосторожности при включении конденсаторной батареи
Убедитесь, что в системе достаточно нагрузки. Нормальный ток включаемого конденсатора при 440 вольт, скажем, 100 ампер. Поэтому минимальный ток нагрузки, при котором конденсатор должен быть включен, составляет 130-150 ампер.
Если один конденсаторный блок уже включен и необходимо добавить второй, тогда минимальный ток нагрузки в этой шинной системе должен быть равен или больше, чем суммарный ток конденсатора двух банков, по крайней мере, в от 1,35 до 1,5 .
После выключения конденсатора – подождите не менее одной минуты, прежде чем включать его. Заземлите все клеммы под напряжением только после ожидания в течение одной минуты, прежде чем прикасаться к ним гаечным ключом и т. Д. Если вышеуказанные меры предосторожности не соблюдаются, это может привести к опасным ситуациям как для установки, так и для персонала.
Отключайте конденсаторы, когда не хватает нагрузки. Это ДОЛЖНО. Если конденсаторы остаются включенными, когда нет нагрузки или меньше нагрузки, то коэффициент мощности переходит на ведущую сторону, и напряжение системы возрастает, что может привести к повреждению конденсаторов, а также другого электрического оборудования и вызвать серьезные помехи.)
Если напряжение сети превышает номинальное напряжение конденсатора, не включайте конденсаторы. По мере наращивания нагрузки напряжение в сети будет падать.Включайте конденсаторы только тогда.
Работа конденсаторной батареи и связь с гармониками в системе
Гармоникаможет быть уменьшена путем ограничения нелинейной нагрузки до 30% максимальной мощности трансформатора. Делая это, мы гарантируем, что энергосистема не превысит 5% уровня искажения напряжения стандарта IEEE 519. Однако, с установленными конденсаторами коррекции коэффициента мощности, могут возникнуть резонирующие условия, которые потенциально могут ограничить процент нелинейных нагрузок до 15% от мощность трансформатора.
Используйте следующее уравнение, чтобы определить, может ли возникнуть резонансное условие на распределении:F R = √кВА SC / кВА RC
Где,
F R = резонансная частота, кратная основной частоте
кВА SC = ток короткого замыкания в точке исследования
кВА RC = номинальная емкость конденсатора при напряжении системы
Если F R равно или замкнуто для характеристической гармоники, такой как 5-я или 7-я, существует вероятность возникновения резонансного условия.Почти все проблемы гармонических искажений возникают, когда частота параллельного резонанса близка к пятой или седьмой гармонике, поскольку они являются наиболее мощными составляющими тока гармоники. Одиннадцатая и тринадцатая гармоники также могут быть оценены.
Истинный и рабочий коэффициент мощности, особенно в отношении приводов с регулируемой скоростью?
Коэффициент мощности приводов с регулируемой скоростью – В случае шестиступенчатых преобразователей и преобразователей тока, коэффициент мощности будет определяться типом используемого внешнего интерфейса.При использовании SCR коэффициент мощности будет относительно низким при пониженных скоростях. Когда используются диоды с прерывателем постоянного тока, коэффициент мощности будет таким же, как у ШИМ-инвертора, который относительно высок (близок к единице) на всех скоростях.
Фактический коэффициент мощности – это отношение реальной мощности, используемой в киловаттах (кВт), к общему количеству киловольт-ампер. Коэффициент мощности смещения – это мера сдвига фаз между напряжением и током на основной частоте. Фактический коэффициент мощности включает в себя влияние гармоник на напряжение и ток.Коэффициент мощности смещения можно скорректировать с помощью конденсаторных батарей. Приводы с регулируемой скоростью имеют различные характеристики коэффициента смещения в зависимости от типа выпрямителя.
Приводы с переменной скоростью типас широтно-импульсной модуляцией используют диодный мостовой выпрямитель и имеют коэффициенты мощности смещения, очень близкие к единице. Однако гармоническое искажение входного тока может быть очень высоким для этих приводов с переменной скоростью, что приводит к низкому коэффициенту истинной мощности. Фактический коэффициент мощности составляет приблизительно 60%, несмотря на то, что коэффициент мощности смещения очень близок к единице.В этом случае истинный коэффициент мощности может быть существенно улучшен за счет применения входных дросселей или трансформаторов, которые уменьшают искажения тока.
Конденсаторные батареи не обеспечивают улучшение коэффициента мощности для этого типа преобразователей частоты и могут ухудшить коэффициент мощности, увеличив уровни гармоник.
,Больше новостей
