Что делать если нет нужного номинала - Радиолюбитель

Зачем включать конденсатор между генератором и трансформатором теория и схемы

Задаваемый многими пользователями вопрос, зачем же включать конденсатор между генератором и трансформатором блока питания (БП) обычно рассматривается с точки зрения экономии потребляемой энергии. Согласно общему правилу уменьшить ток через первичную обмотку удается различными способами, включая использование последовательно включенного резистора.

Также можно увеличить число витков в первичной катушке трансформаторного изделия. Однако наиболее простым и экономичным способом его ограничения является установка гасящего конденсатора на входе трансформатора питания (ТП).

Особенности включения и теоретическое обоснование

Специфика работы конденсатора, включенного последовательно с входом ТП, сводится к двум моментам. Первый состоит в переходных процессах, протекающих в реактивных элементах при их мгновенном подключении к сети. Если не вникать в тонкости импульсной техники, то все эти явления следует свести к следующим особенностям коммутации электрических цепей:

  • Ток в обмотке, обладающей индуктивным сопротивлением, не может изменяться скачкообразно, то есть он какое-то время будет тем же, что в момент подключения.
  • Напряжение на самом конденсаторе также не может меняться скачком, и после резкого включения некоторое время имеет то же значение, что и прежде.

В момент подключения к сети конденсатор пока не заряжен и его гасящие свойства еще не проявились. Ток в первичной обмотке ТП также еще не вырос до нужного значения, вследствие чего все сетевое напряжение приложено к ней.

Важно! Особо опасен случай, когда момент коммутации (подключения) совпадает со временем действия амплитудного значения сетевого напряжения.

Из теоретических выкладок следует, что действие конденсатора проявляется в полной мере, если своевременно учесть все перечисленные выше моменты.

С другой стороны для описываемой ситуации характерны резонансные явления, происхождение которых проще понять из приведенной схемы . Из нее следует, что подключенный последовательно конденсатор вместе с индуктивностью первичной катушки образует колебательный контур.

Схема

Резонанс

При определенных условиях на входе трансформатора подключенного через конденсатор возможно явление резонанса, которое может быть объяснено следующим образом:

  • И конденсатор и первичная катушка смещают фазу переменного напряжения практически одинаково, то есть на 90° (в векторном представлении она сдвигается в противоположные стороны).
  • Из этого следует, что в точке соединения этих элементов как будто включен виртуальный генератор (рис.2), работающий синхронно с сетевым источником.
  • Векторное наложение этих двух составляющих и приводить к резкому возрастанию амплитуды суммарного сигнала, а причиной этому является гасящий конденсатор в первичной цепи трансформатора.

Обратите внимание! Такое совпадение фаз возможно лишь в ситуации с виртуальным генератором, тогда как реальные их аналоги не приводят к описанному эффекту.

На практике характеристики колебаний задаются более мощными источниками, вынуждающими слабые автоматически подстраиваться под них. Это необычное резонансное явление в свое время было отмечено родоначальником кибернетики Н. Винером. Оно же используется для рекуперации мощности ветровых станций, существенно повышающих КПД источников альтернативной энергии.

Блок питания с трансформатором и гасящим конденсатором

Типичным примером того, как можно гасить излишки напряжения, не снижая при этом КПД модуля питания, является классический БП с балластной цепочкой (фото слева). Подключив трансформатор через конденсатор, установленный между генератором напряжения и первичной обмоткой ТП, удается обеспечить следующие преимущества:

  • Уменьшаются габариты трансформатора (за счет снижения числа витков и меньших размеров магнитопровода).
  • Изделие становится более компактным и легким.
  • Удается реализовать щадящий режим работы обеих обмоток.

Благодаря такой схеме включения за счет резонансных явлений амплитуда напряжения на входе многократно возрастает. При этом необходимость подавать на первичную обмотку ТП полное сетевое напряжение отпадает, что приводит к существенной экономии энергии.

Дополнительная информация! Следует иметь в виду, что если включение трансформатора через конденсатор осуществлено некорректно, то из-за резонансных явлений может быть поврежден не только сам блок питания, но и подсоединенная к нему дорогостоящая нагрузка.

Именно поэтому при проектировании схем с конденсаторами в первичной цепи трансформатора необходимо принимать меры, позволяющие не допустить аварийной ситуации. Они обычно сводятся к тому, что в гасящей цепочке устанавливаются дополнительные элементы, ограничивающие размах колебаний.

Их назначение может быть представлено следующим образом:

  • Конденсаторная первичная обмотка трансформатора осуществляет разделение высоковольтной и низковольтной составляющих питающей цепи.
  • Резистор R2 выполняет функцию элемента, задающего ток через встречно включенные стабилитроны, ограничивающие напряжение после конденсаторного элемента.
  • За счет их подсоединения параллельно обмотке трансформатора удается поддерживать потенциал в этой точке на уровне пробоя полупроводниковых элементов.

В качестве примера рассмотрим расчеты включений трансформаторов через конденсатор для двух случаев: когда к БП подключена нагрузка, а также вариант работы в режиме холостого хода (передаточный коэффициент ТП равен десяти).

Читайте также:  Блок предохранителей ВАЗ 2109, 2108, 21099

Под нагрузкой

Предположим, что в нагруженном на Rн источнике питания на первичной обмотке действует определенное напряжение, не превышающее 20-ти Вольт. В этом случае приведенное к ней значение Rн составляет приблизительно десятую часть емкостного сопротивления |Xc1|, образуя делитель напряжения 10:1 (ориентировочно). Иначе результат расчета можно представить так: |Хс1|=10Rн.

При правильно рассчитанном трансформаторе ТП индуктивное сопротивление входной обмотки |XL| будет примерно в 10 раз меньше приведенного к первичной цепи Rн. Сопротивления этих элементов взаимно компенсируются, а добротность образованного ими контура будет крайне низка. Никаких резонансных явлений в этом случае наблюдаться не будет.

Холостой ход

Совершенно другая ситуация складывается в режиме с отключенной нагрузкой (сдвиг фаз равен нулю). В этом случае выведенные выше соотношения выглядят так: |Хс1|=10Rн и |ХL|=10Rн, то есть |Xc1|=|XL| и создаются условия для возникновения резонанса напряжений. Если на вход подключать генератор с пониженным напряжением порядка 1-2 Вольта – на первичной обмотке не нагруженного ТП оно увеличится в 10 и более раз (за счет резонанса).

Важно! Если продолжать увеличивать напряжение выше 20-ти Вольт магнитный сердечник трансформатора начнет насыщаться, его индуктивность при этом уменьшается, и контур потеряет резонансные свойства.

Но если трансформаторное изделие изготовлено с большим запасом по мощности и если еще больше увеличивать входное напряжение, то резонансные явления могут достичь значительной величины. А это приведет к существенному возрастанию его падения на конденсаторе С1, предельные параметры которого (по максимальному напряжению) придется выбирать с большим запасом.

Из проведенного анализа следует важный вывод, определяющий допустимость рабочих режимов в схемных решениях с подключаемым через конденсатор питающим трансформатором. Он заключается в следующих основных положениях:

  • При подключенной нагрузке угроза перенапряжений из-за резонансных явлений в цепочке последовательно включенного конденсатора, как правило, невелика.
  • В режиме холостого хода этот элемент подвергается большей опасности и если он выбран без требуемого запаса по предельному напряжению – возможен пробой обкладок конденсатора.
  • При эксплуатации конструкций, построенных на основе данного схемного решения (как и в случае бестрансформаторного включения с гасящей емкостью) работа без нагрузки недопустима.

Дополнительная информация! В конкретных ситуациях для исключения негативных последствий параллельно первичной катушке устанавливаются два встречно включенных стабилитрона, рассчитанных на соответствующее напряжение пробоя.

Эти элементы выполняют чисто ограничительную функцию.

Подключение без трансформатора

В определенных условиях нагрузку к высоковольтной сети допускается включать непосредственно через конденсатор вместо трансформатора используемый в данном схемном решении.

У этого вида организации электропитания имеются свои преимущества и недостатки. Первые состоят в следующем:

  • При данном способе ограничения сетевого напряжения схема преобразовательного устройства существенно упрощается.
  • Снижаются его габариты и масса, а экономичность напротив – повышается.
  • Такой блок питания удобен в пользовании и прост в ремонте.

Однако за все перечисленные достоинства приходится расплачиваться одним, но очень существенным недостатком, касающимся безопасности пользования этим устройством.

Важно! В отличие от трансформаторной схемы включения, при которой опасный потенциал 220 Вольт отделен от выходных цепей изолированными катушками, в данном случае налицо прямая электрическая связь.

А это чревато последствиями в виде поражения током случайно прикоснувшегося к нагрузочной цепи пользователя. Указанная опасность может возникнуть при непредвиденном пробое входного конденсатора с замыканием обкладок и попадании напряжения 220 Вольт непосредственно на выход устройства. Другим не менее неприятным последствием такой неисправности станет сгорание подключенной к БП нагрузки (а это может быть и дорогой смартфон, например).

Заключение

В заключительной части обзора отметим, что, разобравшись с тем, зачем нужен конденсатор на входе трансформатора, можно смело применять это схемное решение на практике. При этом всегда нужно помнить о тех ограничениях и особенностях подключения, которые исключат нежелательные последствия использования этого приема.

rcl-radio.ru

Сайт для радиолюбителей

Расчет емкости балластного конденсатора для бестрансформаторного блока питания

Бестрансформаторные источники питания с гасящим конденсатором удобны своей простотой, имеют малые габариты и массу, но не всегда применимы из-за гальванической связи выходной цепи с сетью 220 В.

В бестрансформаторном источнике питания к сети переменного напряжения подключены последовательно соединенные конденсатор и нагрузка. Неполярный конденсатор, включенный в цепь переменного тока, ведет себя как сопротивление, но, в отличие от резистора, не рассеивает поглощаемую мощность в виде тепла.

Для расчета емкости гасящего конденсатора используется следующая формула:

С — емкость балластного конденсатора (Ф); Iэфф — эффективный ток нагрузки; f — частота входного напряжения Uc (Гц); Uс — входное напряжение (В); Uн — напряжение нагрузки (В).

Для удобства расчетов, можно воспользоваться онлайн калькулятором

Конструкция бестрансформаторных источников и устройств, питающихся от них, должна исключать возможность прикосновения к любым проводникам в процессе эксплуатации. Особое внимание нужно уделить изоляции органов управления.

Расчёт блока питания с гасящим конденсатором + онлайн-калькулятор

Представленная и описанная в этой статье схема позволяет изготовить малогабаритный блок питания для низкоточных схем, преобразующий переменное сетевое напряжение в постоянное напряжение заданного уровня.

Читайте также:  Автоодеяло своими руками - как и из чего изготовить

Принцип действия схемы очень простой — последовательно с выпрямительным мостом (с которого снимается рабочее напряжение на сглаживающий конденсатор и нагрузку) включен конденсатор, на котором гасится избыточное напряжение. Собственно, из-за этого гасящего конденсатора схема и получила своё название. Другое название этого конденсатора — балластный, соответственно, другое название схемы — схема с балластным конденсатором.

Добавлю некоторые пояснения касательно предложенной схемы. Почему в качестве балласта используется именно конденсатор, а не резистор? Потому что резистор, при протекании через него электрического тока, очень сильно нагревается, в то время как конденсатор не греется совсем (за исключением небольшого нагрева, обусловленного омическим сопротивлением обкладок и выводов). Почему же тогда всегда вместо резисторов конденсаторами для гашения «лишнего» напряжения не пользуются? Потому что через конденсатор может протекать только переменный ток, а постоянный — никак.

Так же, как и рассмотренный ранее блок питания с конденсаторным делителем, блок питания с гасящим конденсатором относится к бестрансформаторным и не имеет гальванической развязки с сетью 220В, то есть прикосновение к любой его части запрещено и может вызвать поражение электрическим током. Тем не менее, существует масса вариантов, для которых применение такого блока питания вполне оправдано, например, в малогабаритных корпусированных приборах с микроконтроллерным управлением, когда случайное прикосновение к токоведущим частям исключено, большой ток не нужен, а размер критически важен.

Логическое обоснование расчётов и математический вывод формул, позволяющих связать ток нагрузки с ёмкостью гасящего конденсатора, я убрал под спойлер, чтобы не травмировать психику тех, кто не особо силён в физике и математике, а также чтобы не перегружать лишней информацией тех, кому это просто не интересно.

Итак, процессы в этой схеме будут достаточно нелинейны, поэтому при рассчётах придётся делать различные упрощения и допущения.

Для начала давайте будем считать, что ёмкость конденсатора C2 достаточна для полного сглаживания пульсаций напряжения после моста, то есть напряжение на конденсаторе C2 = const. Далее попробуем нарисовать пару графиков, — напряжение на входе моста (UM) и ток через конденсатор C1 (IC1), опираясь на график сетевого напряжения UС(t). Будем считать, что сетевое напряжение у нас изменяется по синусоидальному закону и имеет амплитуду Uca (вообще-то рисовать мы будем косинусоиду, нам так будет удобнее, но это по сути одно и то же, только косинусоида сдвинута относительно синусоиды на π/2).

Рассуждаем следующим образом: в каждый момент времени полное напряжение и полный ток в этой цепи можно описать следующими уравнениями:

В момент времени t уравнение напряжения примет вид: Uca=UC1+UМ. Поскольку Uca — это максимальное значение сетевого напряжения, то UC1 и UМ также в этот момент должны иметь максимальные значения (здесь в логике есть небольшой провал, максимум суммы — это не всегда сумма максимумов, функции могут быть сдвинуты по фазе, но… в общем, мы потом всё экспериментально проверим).

Максимальное значение UМ равно Uвых, поскольку если бы напряжение на мосту поднималось выше, то и конденсатор C2 заряжался бы до большего напряжения (мост бы открылся и к конденсатору C2 потёк бы зарядный ток, увеличивая напряжение на нём).

Токи через конденсатор и мост в момент t равны нулю. Про мост я выше уже написал (если бы через него тек ток, то конденсатор C2 заряжался бы дальше), а через C1 ток не течёт, поскольку ток через конденсатор — это первая производная от напряжения, которая в точках экстремума обращается в ноль (значит когда напряжение на конденсаторе максимально — ток равен нулю).

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

В момент, когда сетевое напряжение упадёт до значения Uca-2Uвых (момент времени t1) — напряжение на входе моста достигнет значения -Uвых (находим с помощью формулы 1), диоды моста откроются и в первичной цепи (через мост и конденсатор C1) потечёт ток. При этом напряжение на входе моста перестанет меняться (помните, мы договорились, что ёмкость C2 достаточно большая для того, чтобы полностью сгладить пульсации).

Обратите внимание, что напряжение на входе моста в этот момент равно -Uм, так что ток потечёт в обратную сторону от того направления, в котором он тёк до момента времени t. Этот ток, поскольку он течёт в обратную сторону, начнёт перезаряжать конденсатор C1.

Читайте также:  Не смотря на высокий рейтинг надежности внедорожников Subaru выясняем, насколько бесхлопотен сегодня

К моменту времени t3 напряжение в сети достигнет максимума, только с противоположной относительно момента t полярностью. Соответственно, для этого момента экстремума сетевого напряжения будут справедливы все те же рассуждения касательно напряжений и токов, которые мы использовали для момента t. То есть, к этому моменту конденсатор C1 полностью перезарядится (напряжение на нём достигнет максимального значения отрицательной полярности), а ток через C1 и мост упадёт до нуля.

Далее, по мере роста сетевого напряжения, напряжение на конденсаторе C1 будет оставаться неизменным, а напряжение на входе моста будет расти.

В момент времени t4, когда сетевое напряжение вырастет до значения -(Uca-2Uвых), напряжение на входе моста достигнет значения Uвых, диоды моста откроются и в первичной цепи (через мост и конденсатор C1) снова потечёт ток. Этот ток снова будет перезаряжать конденсатор C1, но уже напряжением положительной полярности.

В момент t6 напряжение на конденсаторе C1 достигнет максимального значения положительной полярности, а ток через C1 и мост упадёт до нуля.

Далее весь цикл повторится с самого начала.

Теперь давайте вспомним закон сохранения заряда. В соответствии с этим законом за один полный цикл через конденсатор C1, мост и нагрузку должно протекать одинаковое количество заряда. Поскольку ток нагрузки у нас постоянный, то количество заряда, протекающего через нагрузку за один цикл, можно найти по формуле Q=Iн*tцикла=Iн/fc, где fc — частота питающего сетевого напряжения. Количество заряда, протекающего через конденсатор C1, будет равно площади под графиком тока (заштрихованная площадь графика IC1(t)). Остаётся только найти эту площадь, приравнять её к заряду, протекающему за один цикл через нагрузку, и выразить из полученного выражения необходимую ёмкость конденсатора C1 в зависимости от тока нагрузки.

Подробные математические расчёты можно найти под вторым спойлером.

Итак, для заряда протекающего за один период через конденсатор С1 можно записать:

Косинусы найдём из графика сетевого напряжения, учитывая, что оно у нас на графике изменяется как раз по косинусоидальному закону, а так же учитывая его значения в моменты времени t1 и t3 (об этом мы говорили выше):

Максимальное значение тока через конденсатор C1 можно определить из формулы, связывающей ток, напряжение и реактивное сопротивление конденсатора:

Подставив всё это в выражение для заряда, получаем:

Используя полученное выражение и закон сохранения заряда находим ток через нагрузку:

Если выходное напряжение много меньше сетевого питающего напряжения, то можно считать, что Uca-Uвых≈Uca. Тогда формулу можно переписать в упрощённом виде:

Можно наоборот, выразить ёмкость конденсатора C1 через ток нагрузки:

Упрощённый вариант формулы:

Итак, в результате расчётов мы получили следующие формулы:

Обратите внимание, что в полученных формулах используется амплитудное значение сетевого напряжения, которое в корень из 2 раз больше действующего.

Кроме того, следует обратить внимание, что если ток нагрузки приравнять к нулю, то выходное напряжение схемы станет равно амплитуде сетевого напряжения (так что электролит скорее всего сразу пробьёт).

Ладно, самое главное мы посчитали, но это ещё не всё. Нужно учесть, что ток нагрузки и напряжение сети могут изменяться. Обеспечить работоспособность схемы во всём диапазоне питающих напряжений и рабочих токов — задача для стабилитрона. Рабочий диапазон токов нагрузки находится исходя из следующих соображений:

  • При максимальном токе нагрузки и минимальном напряжении сети через стабилитрон должен протекать ток чуть больше минимального тока стабилизации (иначе выходное напряжение схемы будет меньше заданного)
  • При минимальном токе нагрузки и максимальном питающем напряжении ток через стабилитрон должен быть чуть меньше максимального тока стабилизации (иначе стабилитрон попросту сгорит)

В окончательном, рабочем варианте добавим в схему пару резисторов:

  • резистор с сопротивлением порядка 1 мегаома параллельно конденсатору C1 (через него конденсатор будет разряжаться при выключении схемы из сети)
  • резистор с сопротивлением около сотни Ом, включенный последовательно с конденсатором и мостом (он будет работать как предохранитель и вместо него можно поставить обычный предохранитель)

Рабочий вариант схемы:

Online-калькулятор для расчёта блока питания с балластным конденсатором:

(для правильности расчётов используйте в качестве десятичной точки точку, а не запятую)

1) Исходные данные:

2) Расчётные данные:

Если в результате расчётов минимальный ток стабилитрона получился отрицательным — значит выбранная ёмкость конденсатора недостаточна для указанного тока нагрузки. Нужно либо увеличить ёмкость конденсатора, либо уменьшить максимальный ток нагрузки. Если же вы получили слишком большой максимальный ток стабилитрона, значит ёмкость наоборот слишком большая.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector