Заметки обо всем. Простые и опасные источники питания / Хабр

О чем эта статья

В этой статье рассказано о принципах построения простейших бестрансформаторных источников питания.Тема не новая, но, как показал опыт, не всем известная и понятная. И даже, некоторым, интересная.

Прошу желающих и интересующихся читать, критиковать, уточнять и дополнять на почту [email protected] или на мой сайт в раздел «Контакты».

Вступление

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

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

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

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

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

Источники питания от бытовой сети переменного тока

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

Вообще говоря, функции источника питания низковольтной электронной аппаратуры обычно состоят в следующем: обеспечить на выходе источника питания заданное напряжение при заданном диапазоне потребляемого тока. То есть, если выразиться формально, источник питания — это источник постоянного напряжения

Uвых, который сохраняет Uвых=const при изменении потребляемого тока от Imin до Imax.

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

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

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

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

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

внутри отличий масса.

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

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

Исходя из достоинств и недостатков БИП

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

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

Теория практики и практика теории

Пример простейшей практической схемы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Из этой формулы следует простой, но важный вывод: при неизменном напряжении сети , ток, потребляемый от питающей сети практически не изменяется при изменении сопротивления

Rн в рабочем диапазоне токов — это ключевое отличие БИП от линейного источника питания с трансформатором.

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

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

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

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

Когда педантичность не нужна

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

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

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

Что такое сопротивление гасящего конденсатора ? Это реактивное сопротивление конденсатора: оно зависит от частоты напряжения, подаваемого на конденсатор и вычисляется по формуле: , где

f — частота напряжения в Герцах, а С — ёмкость конденсатора в Фарадах. Так как частота сети у нас фиксирована и составляет 50Гц, то для инженерных расчётов можно использовать формулу: , откуда . Для педантов опять-таки напоминаю, что ёмкость конденсатора всегда имеет погрешность в несколько процентов (обычно — 5%-15%), поэтому точнее считать смысла не имеет.

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

VS1 (это справочный параметр).

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

Нужен ли нам БИП вообще?

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

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

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

Как прикинуть ёмкость С1 и выбрать стабилитрон VS1?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

• Определяем напряжение нагрузки Uвых. Оно нам, как правило, известно.
• Определяем максимальный ток нагрузки Iнmax. Можно измерить или рассчитать.
• Лезем в справочник и ищем стабилитрон на напряжение Uвых, такой, что выполняется условие . (0.8 — потому что мы хотим 20% запаса по току).
• Рассчитываем ёмкость гасящего конденсатора С1 по формуле

Пример расчёта

Предположим, что напряжение питания нагрузки будет Uвых=5В и максимальный ток потребления нагрузки будет Iнmax=100мА.

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

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

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

Фильтр или конденсатор С2

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Резисторы R1 и R2 — нужные и важные

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

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

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

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

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

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

Обычно этот резистор так выбирают в пределах 10-30 Ом. Только имейте ввиду, что его мощность должна быть не меньше, чем . Например, если общий ток, потребления схемы 150мА, то мощность резистора R1 сопротивлением 27 Ом должна быть не менее .

Рекомендуется ставить резистор R1 не «впритык» по мощности, а с запасом. Например, в нашем случае — это 1.5 — 2Вт. Греться будет меньше.

Кроме того, заметьте, что резисторы R1 и R2 должны быть рассчитаны на пиковое напряжение не менее 400В: напряжение сети в момент включения полностью подается на R1, в рабочем режиме почти все напряжение сети подается на R2, подключенный параллельно конденсатору C1.

Заключение

Надеюсь, что после прочтения, у читателей появилось понимание, что такое БИП и как оно работает.

Статья получилась несколько длиннее того, что хотелось бы. Но на самом деле тут рассмотрены только азы из азов. Если расписывать дальнейшие модификации БИП — то выйдет, наверное, брошюра или даже книга.

Прошу извинить за некоторые неточности и упрощения, которые, несомненно, бросятся в глаза опытным электронщикам.

Те, кто увидит ошибки или что-то, что стоит исправить и дополнить в разумных пределах — прошу не стесняться и писать в комментарии, на почту [email protected] или на мой
сайт в раздел «Контакты».

Заранее спасибо за отклики.

РЕГУЛИРОВКА Uвых БЕСТРАНСФОРМАТОРНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ

Н.ЦЕСАРУК, г.Тула.

Известные читателям [1…5] бестрансформаторные блоки питания с гасящим конденсатором (БПГК) (рис.1) обладают существенным недостатком — невозможностью плавно регулировать выходное напряжение. Его величина всегда фиксирована и однозначно определяется напряжением стабилизации примененного стабилитрона, и изменить его плавно нельзя. Во многих случаях такая регулировка необходима.

Рисунок 1 — Бестрансформаторные блоки питания

Предлагаю БПГК, позволяющий в широких пределах плавно изменять выходное напряжение (рис.2). Его особенность заключается в использовании регулируемой отрицательной обратной связи с выхода блока на транзисторный каскад VT1, включенный параллельно выходу диодного моста. Этот каскад является параллельным регулирующим элементом и управляется сигналом с выхода однокаскадного усилителя на VT2. Выходной сигнал VT2 зависит от разности напряжений, подаваемых с переменного резистора R7, включенного параллельно выходу блока питания, и источника опорного напряжения на диодах VD3, VD4.

Рисунок 2 — Схема блока питания

По существу, эта схема представляет собой регулируемый параллельный стабилизатор. Роль балластного резистора играет гасящий конденсатор С1, роль параллельного управляемого элемента — транзистор VT1.

Работает этот блок питания следующим образом. При включении в сеть транзисторы VT1 и VT2 заперты, через диод VD2 происходит заряд накопительного конденсатора С2. При достижении на базе транзистора VT2 напряжения, равного опорному на диодах VD3, VD4, транзисторы VT2, VT1 начинают отпираться. Транзистор VT1 шунтирует выход диодного моста, и его выходное напряжение начинает падать, что приводит к уменьшению напряжения на накопительном конденсаторе С2 и к запиранию транзисторов VT2 и VT1. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение шунтирования выхода диодного моста, увеличение напряжения на С2 и отпирание VT2, VT1, и т.д.

За счет действующей таким образом отрицательной обратной связи выходное напряжение остается постоянным (стабилизированным) при включенной нагрузке R9 и без нее, на холостом ходу. Его величина зависит от положения движка потенциометра R7. Верхнему (по схеме) положению движка соответствует большее выходное напряжение. Максимальная выходная мощность приведенного устройства равна 2 Вт. Пределы регулировки выходного напряжения — от 16 В до 26 В, а при закороченном диоде VD4 пределы регулировки — от 15 В до 19,5 В. В этих диапазонах при отключении R9 (сброс нагрузки) увеличение выходного напряжения не превышает одного процента. Блок питания по схеме рис.2 не боится короткого замыкания нагрузки.

Транзистор VT1 работает в переменном режиме: при работе на нагрузку R9 — в линейном режиме, на холостом ходу- в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с частотой пульсации напряжения на конденсаторе С2 — 100 Гц. При этом импульсы напряжения на коллекторе транзистора VT1 имеют пологие фронты.

Линейный режим является облегченным, транзистор VT1 нагревается мало и может работать практически без радиатора. Небольшой нагрев имеет место в нижнем положении движка потенциометра R7 при минимальном выходном напряжении. На холостом ходу, с отключенной нагрузкой R9, тепловой режим транзистора VT1 ухудшается в верхнем положении движка R7. В этом случае транзистор VT1 должен быть установлен на небольшой радиатор, например в виде алюминиевой пластинки квадратной формы со стороной 3 см, толщиной 1…2 мм.

Регулирующий транзистор VT1 — средней мощности, с большим коэффициентом передачи (составной). Его коллекторный ток должен быть в 2…3 раза больше максимального тока нагрузки. Коллекторное напряжение VT1 должно быть не меньше максимального выходного напряжения блока питания.

В качестве VT1 могут быть использованы п-р-п транзисторы КТ972А, КТ829А, КТ827А и т.д. Транзистор VT2 работает в режиме малых токов, поэтому годится любой маломощный р-п-р транзистор — КТ203А…В, КТ361А…Г, КТ313А, Б, КТ209А, Б и т.д.

Емкость гасящего конденсатора С1 может быть ориентировочно определена по методикам [3, 5]. Критерием правильности выбора емкости С1 является получение на нагрузке требуемого максимального напряжения. Если его емкость искусственно уменьшить на 20…30%, то максимальное выходное напряжение на номинальной нагрузке не будет обеспечено.

Другим критерием правильности выбора С1 является неизменность характера осциллограммы напряжения на выходе диодного моста (рис.3). Осциллограмма напряжения имеет вид последовательности выпрямленных синусоидальных полуволн сетевого напряжения с ограниченными (уплощенными) вершинами положительных полусинусоид. Амплитуды ограниченных вершин являются переменной величиной, зависят от положения движка потенциометра R7 и меняются линейно при его вращении. Но каждая полуволна должна обязательно доходить до нуля, наличие постоянной составляющей (как показано на рис.3 пунктиром) не допускается, т.к. при этом нарушается режим стабилизации.

Рисунок 3

Уровень пульсации на нагрузке для схемы рис.2 — не более 70 мВ. Резисторы R1, R2-защитные. Они предохраняют регулирующий транзистор VT1 от выхода из строя вследствие перегрузки по току при переходных процессах в момент включения блока в сеть (из-за дребезга контактов соединительной пары сетевая вилка-розетка).

По принципу приведенной схемы могут быть построены аналогичные блоки питания на другие требуемые значения мощности.

Литература

1. Дорофеев М. Бестрансформаторный с гасящим конденсатором. — Радио, 1995, N1, С.41; N2, С.36, 37.

2. Хухтитков Н. Зарядное устройство. — Радио,1993, N5, С.37.

3. Бирюков С. Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором. — Радио, 1997, N5, С.48-50.

4. Ховайко О. Источник питания с конденсаторным делителем напряжения. — Радио, 1997, N11, С.56.

5. Банников В. Упрощенный расчет бестрансформаторного блока питания. — Радиолюбитель, 1998, N1, С.14-16; N2.C.16, 17.

(РЛ 5-99)

Нравится

Твитнуть

Как рассчитать и подобрать гасящий конденсатор

В самом начале темы, что касается подбора гасящего конденсатора, рассмотрим схему, состоящую из резистора и конденсатора, соединенных последовательно в сеть. Полное сопротивление такой цепи будет равно:

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

В итоге для нагрузки ток и входное и выходное напряжения, получаем следующее соотношение:

А если выходное напряжение достаточно мало, то мы вправе считать действующее значение тока примерно равным:

Однако рассмотрим с практической точки зрения вопрос выбора гасящего конденсатора для включения в Сеть переменного тока нагрузки рассчитана на напряжение ниже стандартного напряжения сети.

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

Тогда емкость необходимого гасящего конденсатора будет равна:

Имея такой конденсатор, мы обретаем надежду получить нормальное свечение лампы, надеемся, что она хотя бы не перегорит. Такой подход, если исходить из действующего значения тока, приемлем для активных нагрузок, таких как лампа или обогреватель.

А если нагрузка нелинейная и включена через диодный мост? Предположим, вам нужно зарядить свинцово-кислотный аккумулятор. Что тогда? Тогда зарядный ток для аккумулятора будет пульсирующим, и его значение будет меньше действующего значения:

Иногда радиоисточнику может пригодиться источник питания, в котором гасящий конденсатор включен последовательно с диодным мостом, выходом которого, в свою очередь, является фильтрующий конденсатор значительной емкости, к которому подключена нагрузка постоянного тока. Получается эдакий бестрансформаторный источник питания с конденсатором вместо понижающего трансформатора:

Здесь нагрузка в целом будет нелинейной, а ток станет далеко не синусоидальным, и надо будет проводить расчеты немного по-другому. Дело в том, что сглаживающий конденсатор с диодным мостом и нагрузкой внешне будет проявлять себя как симметричный стабилитрон, т. к. пульсации при значительной емкости фильтра станут незначительными.

При напряжении на конденсаторе меньше некоторого значения мост закроется, а если выше — ток пойдет, но напряжение на выходе моста не увеличится. Рассмотрим процесс подробнее с графиками:

В момент времени t1 напряжение сети достигло амплитуды, конденсатор С1 в этот момент также заряжается до максимально возможного значения за вычетом падения напряжения на мосту, которое будет примерно равно выходному Напряжение. Ток через конденсатор С1 в этот момент равен нулю. Далее напряжение в сети стало уменьшаться, напряжение на мосту тоже, но на конденсаторе С1 оно еще не изменилось, и ток через конденсатор С1 по-прежнему равен нулю.

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

Когда синусоида сети достигает противоположной амплитуды, ток через С1 снова становится равным нулю и процесс идет по кругу, повторяясь каждые полпериода. Очевидно, что ток через диодный мост течет только в промежутке между t2 и t3, и среднее значение тока можно рассчитать, определив площадь закрашенной фигуры под синусоидой, которая будет равна:

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

То есть при обрыве нагрузки выходное напряжение станет равным напряжению сети!!! Поэтому в схеме следует использовать такие компоненты, чтобы каждый из них выдерживал амплитуду питающего напряжения.

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

А если выпрямитель однополупериодный? Тогда ток необходимо рассчитать по следующей формуле:

При малых значениях выходного напряжения ток нагрузки станет вдвое меньше, чем при выпрямлении полным мостом. А напряжение на выходе без нагрузки будет в два раза больше, так как здесь мы имеем дело с удвоителем напряжения.

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

• Прежде всего, выберите, каким будет выходное напряжение.

• Затем определите максимальный и минимальный токи нагрузки.

• Далее определите максимальное и минимальное напряжение питания.

• Если предполагается, что ток нагрузки нестабилен, необходим стабилитрон параллельно нагрузке!

• Наконец, вычисляется емкость гасящего конденсатора.

Для схемы с однополупериодным выпрямлением, для частоты сети 50 Гц емкость находится по следующей формуле:

Полученный по формуле результат округляют в сторону большей номинальной емкости (желательно не более 10%).

Следующим шагом является нахождение тока стабилизации стабилитрона при максимальном напряжении питания и минимальном токе потребления:

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

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

Бестрансформаторная катушка Тесла

Бестрансформаторная катушка Тесла

Прямое соединение «Tesla» лупа»

(или бестрансформатор 6-го порядка многорезонансная сеть с распределенной емкостью нагрузки)

---

Продолжение обучения о напрямую связанные множественные резонансные сети, работающие как Тесла устройства, подобные катушкам, я построил систему 6-го порядка, что эквивалентно к «лупе Тесла», но без трансформатора. Принципиальная схема показана ниже:

Эта схема имеет несколько потенциальных преимуществ по сравнению с более простой катушкой Теслы с прямой связью: Быстрая энергия перевод с C ₁ на распределенный терминал емкость C ₃ , что приводит к меньшему потери, большая эффективность и нечувствительность к настройке точность. Более широкие вырезы на первичных сигналах имеют тенденцию вызвать быстрое гашение искрового промежутка на первой ступени, захват всей энергии в высоковольтной части цепи. Конструкция ограничена отсутствием дополнительной степени свобода, которую дает трансформер в классической лупе схема, при этом максимальный коэффициент усиления по напряжению определяется соотношениями среди резонансных частот, но бестрансформаторный конструкция проще.

Система рассчитана на три резонансные частоты, в соотношении 5:6:7. Таким образом, он может передавать энергию в C ₁ до C ₃ без учета потерь всего за три цикла (за 12,5 мкс), вместо 11 циклов (за 37,6 мкс) необходимый по системе с прямой связью 4-го порядка с тем же входом (идентичным) и выходом (почти идентичным) емкости.

Блок питания представляет собой трансформатор для неоновых вывесок 5000 В, 30 мА с один плавающий выход, который заряжает конденсатор С ₁ , который затем разряжается через многократный разрядник, запуская переходная передача энергии. C ₁ — 5,09 нФ Конденсатор «MMC», тот же, что я использовал с Система 4-го порядка. L ₃ , выходной резонатор катушка 28,2 мГн, терминал с телескопической антенной, NST и искровой разрядник тоже одинаковы. Их описание может быть видно здесь. Две другие катушки L ₁ , с 87 мкГн, выполненный с 42 витками изолированного 1 мм ² провод через трубку из ПВХ 8,8 см и L ₂ , с 1521 мкГн, 257 витков магнитной проволоки №18, также поверх ПВХ трубка. C ₂ представляет собой плоскую пластину высокого напряжения. конденсатор, который дал наилучшую настройку с другими элементами с 257 пФ. Никаких фильтров или специальных схем защиты не было. в комплекте, так как мощность не высокая. Заземление идет просто металлическое ведро в земле. Компоненты просто расположенные над столом, соединенные между собой гибкими проводами с клеммы на концах, между латунными винтами и гайками, установленными в элементы. Изолирующие опоры вставляются ниже плавающей элементы.

C ₂ с первой попытки был регулируемым конденсатор из ПВХ-трубки с неподвижной внутренней пластиной из алюминиевая фольга и регулируемая внешняя пластина. Хорошо работал на низких мощность, но при работе на полную мощность строительство привело к много корона и прогрессивное изменение емкости из-за поверхностного износ ПВХ, вероятно, с отложением металла, что увеличил емкость и расстроил систему. Когда я пытался улучшить изоляцию, нанеся воск по краям плиты, он вышел из строя почти сразу с проколом. Затем был изготовлен новый конденсатор с простой две плоские пластины, приклеенные к акриловой пластине, соприкасающиеся с клеммы, прикрепленные к пластинам, с размерами, рассчитанными на результат 247 пФ. Но из-за ошибки (не учел бахрому поля на границах пробного конденсатора, сделанного для определения диэлектрическая проницаемость акриловой пластины) получилось меньше, с 211 пФ. Я понял, однако, что корона вокруг пластин увеличит эффективную емкость примерно на правильное количество. Конденсатор работал хорошо. я не пытался улучшите его изоляцию на первых испытаниях (и пластины бы должны быть немного больше без короны).

Полученная производительность была несколько лучше, чем с Система 4-го порядка, о чем свидетельствует наличие стримеров идущий не только от оконечной антенны, но и от диска у основания терминала. Он также производит своего рода корону дымка вокруг терминала, которой не наблюдалось в более простом система. Также очевидно, что разрядник работает холоднее и быстрее. более стабильный и менее шумный способ. Вентилятор, показанный на картинке, за зазором, на самом деле не нужно. Выход не такой чувствителен к длине антенны (и емкости С ₃ ) как в системе 4-го порядка. Стримеры можно получить из терминала, даже закрывая кончик антенна с полусферой большего радиуса кривизны. Дуги до наземных целей может достигать 20 см. Конденсатор С ₂ , со всей этой короной, рассеивает некоторую энергию, но система работает очень хорошо даже с этим.

Дизайн:

Эта система может быть разработана с использованием «множественного резонанса». сети» [1]. Идея состоит в том, чтобы вся энергия изначально хранится в C ₁ переведен на C ₃ после нескольких циклов колебаний, при нулевых напряжениях и токах в остальных элементах в тот момент, когда происходит передача полный. Выберите сначала соотношение трех резонансов частоты в виде трех целых чисел k , l и м имеющие нечетные отличия, определяющие режим. В этом случае я использовал k = 5, l = 6 и m = 7, режим 5:6:7. Режим выбирается исходя из полученного элемента значения, особенно на коэффициент конденсатора, который определяет напряжение прирост. Более быстрый режим с более низкими множителями приводит к большему КПД, но меньший коэффициент усиления по напряжению. Так как у меня было С ₁ , Я просто выбрал самый быстрый режим, в результате чего получилось C ₃ . Нормализованный план с C ₃ =1 и резонансами при k , l , amd m можно получить рад/с из формул ниже:

Коэффициент усиления по напряжению:

Для получения окончательных требуемых значений можно запустить от измеряемой вторичной обмотки L _{3концевая} и в наличии C _1final , так как это больше сложно настроить и вычислить L _1final , L _2final , C _{2конечный} и C _{3конечный} сохраняя те же соотношения:

L _1конец = L ₁ L _3конец / L _{3
9 0098 л 2конечный = л 2 L 3-концевой / L 3
C 2-концевой = C 2 90 098 C 1конец / C 1
C 3конец = C 3 C 1конец / C 1}

В моем примере, начиная с к = 5, л =6, м =7, л _3конец =28,2 мГн, и C _1final =5,09 нФ, результаты:

Нормализованная схема:
C ₃ = 1 F
L ₃ = 0,0277778 H
C _{2 90 098 = 18,1258741 F
L 2 = 0,0015319 H
C 1 = 328,8008705 F
L 1 = 0,0000894 H}

Конечный контур:
C _{3конечный} = 15. 4805 пФ
л _{3концевая} = 28200 мкГн
C _{2конечный} = 280,5975 пФ
л _{2конечный} = 1555,1870 мкГн
C _1конец =:5090 пФ
L _1конец = 90,7721 мкГн

C ₃ регулируется по длине антенны в терминале (почти на всю длину для лучших результатов). Система колеблется при кф ₀ , левый ₀ и средний ₀ где:

f ₀ = (1/(2p))( L ₃ C ₁ /( L _{3-конечный} C _1конец )) ^1/2 = 40,1469 кГц.

Итак, кф ₀ = 200,7 кГц, нч ₀ = 240,9 кГц и мф ₀ = 281,0 кГц. Полная передача энергии происходит за 1/(2 f ₀ ) = 12,5 мкс, после 3 кажущихся полных циклов напряжения в течение С ₁ .

Фактические измеренные значения рассчитанные элементы: л ₁ =86,61 мкГн и л ₂ =1521 мкГн. C ₂ определен экспериментально, т.к. поглощает емкости л ₂ , л ₃ , и взаимосвязей. Оптимальное значение оказалось 247. пФ, и фиксированный конденсатор был рассчитан на это значение.

Осциллограммы напряжения:

Ниже показаны формы сигналов напряжения, наблюдаемые в течение C ₁ , C ₂ и C ₃ в маломощный тест с заменой блока питания и искрового промежутка низкоимпедансным генератором прямоугольных импульсов. В _{С 1} (слева) и В _{С 2} (в центре) были измерены напрямую. В _{С 3} (справа) было измерено путем размещения щупа осциллографа близко к терминал, не прикасаясь к нему. 3 цикла или В _{С 1} необходимы для полной передачи энергии, показывая, что система работает очень близко к режиму 5:6:7. Идеал формы волны.

[1] ACM de Queiroz, «Множественный резонанс сетях, «Транзакции IEEE по схемам и системам I, Vol. 49, № 2, февраль 2002 г., стр. 240-244.

Посмотреть другие ссылки о множественном резонансе сети здесь. Программа Multires может сделать все проектные расчеты для этой схемы и других низкочастотных множественных резонансные контуры разных порядков и мод..

Предупреждение:

Это устройство питается от источник питания с достаточным напряжением, и особенно достаточно тока, чтобы нанести смертельный удар током. НСТ, клеммы С ₁ , л ₁ , и искровой разрядник нельзя трогать ни при каких обстоятельствах, пока система находится под напряжением.