Как рассчитать емкость конденсатора для понижения напряжения

Прежде чем приступить к расчету простого бестрансформаторного источника питания с гасящим конденсатором, давайте определимся с ориентацией:

1. мы не извращенцы, мы нормальные парни и порядочные дамы! И мы не тусуемся и не будем тусоваться с теми звездными, подключенными парнями, которые находят в этом не только недостатки, но и преимущества, как и другие ведьмы и волшебники.
2. дело не в том, что мы скупые или что-то в этом роде. Но мы — экономный народ, жадный до разума и выгоды, и нам неприятно и отвратительно видеть преждевременную гибель электрических устройств, будь то мыслительная машина или измерительный прибор.

Хорошо, с этим все ясно! А какие условия должны быть выполнены, если человек отчаянно хочет подключить электронное устройство к бестрансформаторному источнику питания?

Пожалуйста:
— Полная автономность питаемого устройства, т.е. к нему не должны быть подключены никакие внешние устройства ни на входе, ни на выходе, ни в других точках.

— Диэлектрический (непроводящий) корпус и одинаковые ручки управления как на самом блоке питания, так и на питаемом от него устройстве.

— Концентрированный контроль любого движения непослушных рук при настройке источника. Забудьте об измерительных приборах с питанием от сети. Схема проста, поверьте — она будет работать без всякого осциллографа.

Наиболее распространенная схема простого бестрансформаторного источника питания показана на рис.1.

Рис.1

Для ограничения пускового тока при подключении устройства к сети резистор R2 включен последовательно с конденсатором С1 и выпрямительным мостом Br1, а для разряда конденсатора при отключении параллельно ему установлен резистор R1.
Бестрансформаторный источник питания обычно представляет собой симбиоз выпрямителя и параметрического стабилизатора. Конденсатор переменного тока C1 является емкостным (реактивным, т.е. не потребляющим энергию) резистором Xc, величина которого определяется по формуле:
,
где F — частота сети (50 Гц); C — емкость конденсатора C1.

Ток, протекающий в источнике, определяется как
,
где Uc — напряжение сети (220 В); Ust — выходное напряжение, соответствующее напряжению пробоя стабилизатора.
Номинал резистора R2 был выбран исходя из значения ≈ 0,025Xc.

Нормальным режимом работы вышеуказанного источника питания является такой, при котором затвор находится в режиме обратного пробоя (режим стабилизации), так что выходное напряжение источника поддерживается с определенной точностью в широком диапазоне выходных токов нагрузки.
Очевидно, что для поддержания этого режима необходимо, чтобы ток, протекающий через затвор, находился в допустимом для полупроводника диапазоне: Ist.min
А поскольку Iin= Ist+Iin (см. рис.1), то простым дедуктивным электроанализом делаем глобальный вывод — номинал конденсатора С1 следует выбирать для входного тока Iin= In.max+Ist.min, где In.max — максимальный ток на выходе источника питания при заданном выходном напряжении, а Ist.min — минимальный ток стабилизации стабилитрона, определяемый характеристиками полупроводника.

Минимальная емкость сглаживающего конденсатора С2 в двойных полуволновых выпрямителях обычно рассчитывается из расчета 1 МкФ на миллиампер тока, потребляемого нагрузкой, оптимально — в 5-10 раз больше.

Это краткий теоретический обзор, теперь пора перейти к практической стороне дела:

ТАБЛИЦА ДЛЯ РАСЧЕТА НОМИНАЛОВ КОМПОНЕНТОВ БЕСТРАНСФОРМАТОРНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ.

Значение выходного напряжения (В) Максимальный выходной ток источника питания (мА) Минимальный ток стабилизирующего диода (мА) Емкость конденсатора C1 (мкФ) Сопротивление резистора R2 (Ом) Мощность, рассеиваемая R2 (Вт) Минимальная емкость C2 (Макф) Максимальный ток через автоматический выключатель Iст.макс (мА)

Схема, показанная на рис.1, имеет одну интересную особенность. По мере увеличения мощности, подаваемой на нагрузку, ток, протекающий через затвор, пропорционально уменьшается, что приводит к соответствующему увеличению эффективности источника питания. Т.е. при максимальном токе нагрузки потребляемая схемой мощность будет в основном определяться мощностью, рассеиваемой в защитном резисторе R2.

Конденсатор С1 должен быть рассчитан на минимальное напряжение 400 В, диодный мост — на такое же напряжение, стабилизатор выбирается исходя из необходимого напряжения стабилизации и максимально допустимого тока, на 20%-25% превышающего значение Iст.макс, рассчитанное в табл.

А нажав на стрелку «назад» в нижней части страницы, вы можете увидеть ряд других схемных решений, связанных с реализацией бестрансформаторных источников питания.

Рассмотрим в начале темы цепь, состоящую из резистора и конденсатора, соединенных последовательно с сетью. Импеданс такой цепи будет равен:

Среднеквадратичное значение тока, соответственно, находится из закона Ома, напряжение сети делится на сопротивление цепи:

Результатом для тока нагрузки и входного и выходного напряжений будет следующая зависимость:

И если выходное напряжение достаточно мало, то мы вправе считать, что эффективное значение тока примерно равно:

Однако давайте рассмотрим с практической точки зрения вопрос выбора гасящего конденсатора для подключения нагрузки переменного тока, рассчитанной на напряжение ниже стандартного сетевого напряжения.

Предположим, например, что у нас есть лампа накаливания мощностью 100 Вт с номинальным напряжением 36 В, и по какой-то невероятной причине нам нужно запитать ее от бытовой сети 220 В. Лампе необходим эффективный равный ток:

Тогда емкость требуемого гасящего конденсатора будет равна:

Имея такой конденсатор, мы получаем надежду на нормальное свечение лампы, надеемся, что она хотя бы не перегорит. Этот подход, при котором мы берем среднеквадратичное значение тока, приемлем для активных нагрузок, таких как лампа или нагреватель.

Но что если нагрузка нелинейная и коммутируется диодным мостом? Предположим, вам нужно зарядить свинцово-кислотный аккумулятор. Что дальше? Тогда зарядный ток будет импульсным для батареи и его значение будет меньше среднеквадратичного значения:

Радиолюбителю иногда может пригодиться источник питания, в котором гасящий конденсатор соединен последовательно с диодным мостом, на выходе которого, в свою очередь, установлен фильтрующий конденсатор значительной емкости, к которому подключена нагрузка постоянного тока. Это тип бестрансформаторного источника питания с конденсатором вместо понижающего трансформатора:

Здесь вся нагрузка нелинейная, ток уже не синусоидальный, и расчет нужно проводить немного по-другому. Идея заключается в том, что сглаживающий конденсатор с диодным мостом и нагрузкой будет выглядеть как симметричный устойчивый режим, поскольку пульсации при значительной емкости фильтра станут пренебрежимо малыми.

Когда напряжение на конденсаторе ниже определенного значения, мост закроется, а когда выше — потечет ток, но напряжение на выходе моста не увеличится. Рассмотрим этот процесс более подробно с помощью диаграмм:

В момент времени t1 напряжение сети достигло амплитуды, конденсатор C1 в этот момент также заряжен до максимально возможного значения за вычетом падения напряжения на мосту, которое будет примерно равно выходному напряжению. В этот момент ток через конденсатор C1 равен нулю. Далее напряжение сети начинает уменьшаться, напряжение моста также уменьшается, а напряжение на конденсаторе C1 пока не меняется, и ток через конденсатор C1 по-прежнему равен нулю.

Затем напряжение на мосте меняет знак, стремясь уменьшиться до минус Uin, и в этот момент ток устремляется через конденсатор C1 и через диодный мост. В дальнейшем напряжение на выходе моста не меняется, а ток в последовательной цепи зависит от скорости изменения напряжения питания, как если бы к сети был подключен только конденсатор C1.

Когда синусоидальная волна сети достигает противоположной амплитуды, ток через C1 снова становится нулевым, и процесс идет по кругу, повторяясь каждые полпериода. Видно, что ток протекает через диодный мост только между t2 и t3, а величину среднего тока можно вычислить, определив площадь заштрихованной фигуры под синусоидой, которая будет равна:

Если выходное напряжение схемы достаточно мало, то эта формула близка к полученной ранее. Если выходной ток установлен на ноль, получаем:

То есть, при отказе нагрузки выходное напряжение станет равным амплитуде сетевого напряжения. Это означает, что мы должны использовать в схеме такие элементы, чтобы каждый из них мог выдержать амплитуду напряжения питания.

Кстати, если уменьшить ток нагрузки на 10%, то выражение в скобках уменьшится на 10%, то есть выходное напряжение увеличится примерно на 30 В, если изначально мы имеем дело, скажем, с 220 В на входе и 10 В на выходе. Поэтому использование регулятора параллельно с нагрузкой абсолютно необходимо.

Но что если выпрямитель однополупериодный и полупериодный? Затем рассчитайте ток по этой формуле:

При низких выходных напряжениях ток нагрузки будет вдвое меньше, чем у полномостового выпрямителя. А выходное напряжение холостого хода в два раза выше, потому что мы имеем дело с удвоителем напряжения.

Таким образом, источник питания с гасящим конденсатором рассчитывается в следующем порядке:

Первым шагом является выбор выходного напряжения.

Затем определяются максимальный и минимальный токи нагрузки.

Затем определяются максимальное и минимальное напряжения питания.

Если ожидается, что ток нагрузки будет неустойчивым, необходимо использовать параллельный регулятор!

Наконец, рассчитывается емкость гасящего конденсатора.

Для схемы с полупериодным выпрямлением, при частоте сети 50 Гц, емкость рассчитывается по следующей формуле:

Округлите результат в соответствии с формулой до более высокой отметки (предпочтительно не более 10%).

Следующий шаг — найти ток стабилизации для максимального напряжения питания и минимального потребляемого тока:

Для схемы выпрямителя с одним полупериодом гасящий конденсатор и максимальный ток стабилизации рассчитываются по следующим формулам:

При выборе гасящего конденсатора лучше всего отдать предпочтение пленочным и бумажно-металлическим конденсаторам. Фольговые конденсаторы с небольшой емкостью до 2,2 мкФ для рабочего напряжения 250 В и более хорошо работают в этих схемах с питанием от сети 220 В. Если вам нужна большая емкость (свыше 10 мкФ), лучше выбрать конденсатор с рабочим напряжением 500 В и более.

Если перед вами когда-либо стояла задача снизить напряжение до какого-либо уровня, например, с 220 В до 12 В, то эта статья для вас.

Существует множество способов сделать это с помощью подручных материалов. В данном случае мы будем использовать один элемент — конденсатор.

В принципе, можно использовать обычный резистор, но в этом случае возникает проблема перегрева этой детали, и она может загореться.

Когда емкость используется в качестве понижающего элемента, ситуация иная.

Конденсатор, включенный в цепь переменного тока, имеет (в идеале) только реактивное сопротивление, значение которого можно найти по известной формуле.

Кроме того, мы включаем в нашу цепь какой-либо заряд (лампочка, дрель, стиральная машина), который также имеет некоторое сопротивление R

Таким образом, общее сопротивление цепи составит

Наша цепь является последовательной, поэтому общее напряжение цепи представляет собой сумму напряжений конденсатора и нагрузки

Используя закон Ома, рассчитаем ток, протекающий в этой цепи.

Как видите, зная параметры схемы, легко вычислить недостающие значения.

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

Обратите внимание, что в этой схеме нельзя использовать полярные конденсаторы, то есть конденсаторы, которые подключаются к электронной схеме строго в соответствии с указанной полярностью.

Необходимо также учитывать частоту сети f. И если в России частота составляет 50 Гц, то в Америке, например, 60 Гц. Это также влияет на окончательный расчет.

Примеры расчета

На лампу накаливания мощностью 36 Вт должно подаваться напряжение 12 В. Какая емкость понижающего конденсатора требуется здесь?

Если мы говорим об электрических сетях в России, то входное напряжение составляет 220 В, частота 50 Гц.

Ток, протекающий через лампочку, составляет 3 Ампера (36 разделить на 12). Тогда емкость согласно приведенной выше формуле будет равна:

Производные параметры понижающего конденсатора

Чтобы не переводить градусы минус пять в микро или мимли Фарады, воспользуемся этим ботом и получим следующее

Оцените статью
Добавить комментарий