Все своими руками Использование конденсатора в качестве сопротивления

Опубликовал admin | Дата 10 ноября, 2014

     Маломощные зарядные устройства для герметизированных малогабаритных аккумуляторов, блоки питания для светодиодных ламп, блоки питания для низковольтных слаботочных устройств обычно подключают к первичной сети переменного тока 220 вольт через понижающие трансформаторы или добавочные резисторы. При этом на гасящем резисторе выделяется большая бесполезная мощность в виде тепла, а трансформаторы имеют большие габариты и вес.

      Можно конечно применить малогабаритные трансформаторы, но из-за применения в них очень тонких обмоточных проводов, резко уменьшается надежность таких блоков питания. Известно, что конденсатор, установленный в цепи переменного тока, обладает реактивным сопротивлением, которое зависит от частоты переменного тока, протекающего через его обкладки. Использование конденсаторов позволяет гасить излишнее напряжение, при этом мощность на реактивном сопротивлении не выделяется и это является большим преимуществом конденсатора перед резистором.

Один из методов расчета гасящего конденсатора я уже приводил ранее, теперь хочу предложить еще один, с использованием номограммы.
     Так как полное сопротивление Z цепи, составленной из последовательно включенных нагрузки с активным сопротивлением Rн и гасящего конденсатора с реактивным сопротивлением Хс равно

то прямой расчет емкости гасящего конденсатора довольно сложен.

     Поэтому проще воспользоваться номограммой. На ней по оси абсцисс отложены величины сопротивлений нагрузки Rн в килоомах, а по оси ординат отложены величины емкостей гасящих конденсаторов в микрофарадах. По оси, проведенной под углом сорок пять градусов – полные сопротивления Z цепи в килоомах.

Чтобы воспользоваться номограммой, надо определить сопротивление нагрузки — Rн. Rн = I2•R = U2/R и полное сопротивление цепи Z.
Пример. Мостовой выпрямитель с выходным напряжением 12 вольт и током нагрузки 120 мА необходимо питать от сети переменного тока 220 вольт. Надо найти емкость гасящего конденсатора, подключенного последовательно выпрямительному диодному мосту.
Для начала нам необходимо определить сопротивление нагрузки. Rн = U/I = 12 В / 0,12 А = 100 Ом. Теперь определяем полное сопротивление цепи в сети переменного тока 220 вольт. Z = 220 В/0,12 А = 1833 Ом. Далее определяем емкость гасящего конденсатора по номограмме. Для этого из точки на оси абсцисс, соответствующей сопротивлению 100 Ом восстановим перпендикуляр. Через точку, находящуюся на оси Z и соответствующей сопротивлению 1833 Ома, проводим дугу В с центром в точке 0, до пересечения с перпендикуляром А. Получаем точку С, которую проектируем на оси Y – ось емкости. Получаем необходимую емкость гасящего конденсатора, примерно 1,8 мкф. Все просто и удобно. Успехов. К.В.Ю.
Используемая литература: журнал «Радио» № 7 за 1970 год. Автор статьи В. Шишков
Скачать рисунок номограммы можно в формате sPlan здесь.

Скачать “Использование конденсатора в качестве сопротивления” Nomogramma.rar – Загружено 2256 раз – 2 КБ

Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».

Просмотров:17 566

советы электрику

3)пайка транзисторов

Выводы транзистора паяют в определенной последовательности, предотвращающей его выход из строя, — сначала вывод базы, затем эмиттера, и в последнюю очередь коллектора. Аналогично поступают и с полевым транзистором: сначала припаивают вывод затвора, а после — истока и стока;

4)индикатор включения

Для индикации включения в сеть той или иной самоделки параллельно первичной обмотке трансформатора включают световой индикатор — лампу ТН — 0,2 или ТН — 0,3. Для ограничения тока через лампу последовательно с ней (подобно конденсатору на рис.1) включают резистор мощностью не менее 0,5Вт. Яркость свечения лампы зависит от этого резистора. Однако, ставить резистор сопротивлением менее 200кОм не рекомендуется.

 

5)

лужение нихромового провода

Проволочные резисторы маленького номинала чаще всего самостоятельно изготавливают из нихрома. При этом всегда возникает проблема обеспечения надежного электрического соединения с медным проволочным выводом — ведь нихром плохо поддается лужению с обычным канифольным флюсом. Значительно легче облудить конец нихромового провода, если в качестве флюса использовать обычную лимонную кислоту в порошке. На деревянную подставку насыпают очень немного (две спичечные головки) порошка лимонной кислоты, кладут на порошок зачищенный конец провода и с некоторым усилием водят по нему жалом горячего паяльника. Порошок плавится и хорошо смачивает провод. Залуженный проводник кладут на канифоль и еще разоблуживают — это необходимо для того, чтобы удалить с провода остатки лимонной кислоты.

Описанным способом можно лудить мелкие предметы из стали и других металлов.

6) неполярный конденсатор из двух полярных

Если вам когда-либо понадобится обычный неполярный конденсатор большой емкости, например, для запуска асинхронного двигателя, а найти таковой будет сложно, можно воспользоваться еще одни хитрым советом. Такой конденсатор можно составить из двух полярных электролитических конденсаторов, соединенных последовательно. Для этого их требуется соединить друг с другом минусовыми выводами. Но необходимо помнить, что емкость каждого из применяемых электролитических конденсаторов должна быть вдвое больше требуемой емкости неполярного конденсатора, потому как при последовательном соединении конденсаторов их емкостя складываются по формуле для нахождения общего сопротивления двух параллельно включенных сопротивлений. Эту формулу можно посмотреть здесь. Только вместо значений сопротивлений необходимо подставить значения емкости

Бестрансформаторное электропитание.Конденсатор вместо резистора

Другой способ уменьшения напряжения питания компрессора немного расточительный, но достаточно простой и совсем не затратный. Отличается при этом повышенной надежностью. (Мое мнение, — он надежней промышленного ЛАТР-а.). Из недостатков, — способ не отличается универсальностью. И еще дополнительно придется немного посчитать и померить, т.

е. напрячь себя, любимого…
Заключается он в простом, — последовательно с обмоткой компрессора включается гасящий р езистор. На этом резисторе гасится (падает) часть сетевого напряжения, и в итоге рабочая обмотка компрессора хронически недополучает питание. Номинал этого резистора зависит не только от того какую часть от 220 (240) Вольт мы хотим погасить, но еще и от мощности самого компрессора. Для упрощения можно остановиться на тех же обсуждаемых 10%, которые хотим погасить. Т.е. резистор должен на себя «принять» порядка 20 Вольт, а остальные 200-220 Вольт отдать компрессору.

Ниже приведена упрощенная методика расчета этого резистора для НЕ-электронщиков (специально упрощаю расчет, дабы не плодить в расчетах непонятные места, которые на конечный результат очень мало влияют.)

Расчет гасящего резистора

1. Читаем на этикетке или на нижней стороне компрессора данные о его потребляемой мощности.

Пример:

Пусть наш компрессор 22 Ватт, а сетевое напряжение для упрощения примем равным 220 Вольт.

Тогда ток, протекающий через компрессор, будет равен:

I=P/U= 22/220= 0,1 Ампер

Нашей задачей является погасить порядка 20 Вольт. Тогда по закону Ома сопротивление такого резистора должно быть:

R=U/I = 20/0,1 = 200 Ом

Мощность резистора определяется по тем же простым формулам:

P=U х I = 20 х 0,1 = 2 Ватт

Мощность гасящего резистора следует брать обязательно с запасом, — как минимум, на 50% больше от расчетного значения . Но лучше запас делать еще бО льшим. Ближайшим стандартным номиналом является резистор 200 Ом мощностью 5 Ватт. Если поставите 10-ваттный резистор, то будет только лучше, — тогда он совсем не будет греться.

Можно встроить резистор в коробку компрессора. Можно еще проще поступить, — выделить для компрессора отдельный удлинитель с тройником, и вмонтировать резистор в корпус тройника, включив его последовательно с нагрузкой (т.е. с компрессором).

Повторюсь, — описанная выше методика вычисления номинала резистора не совсем точная. Считается это все несколько иначе. Но для наших целей вполне достаточно и такого приблизительного подсчета. Поставите Вы резистор номиналом 200, 210, или 220 Ом, — особо это не скажется на конечном результате. Отмечу лишь, что резисторы лучше выбирать те же «совковые», или хотя бы современные отечественные. На фото пример правильного резистора. Китайские же Ватты, указанные на их резисторах, заметно отличаются от заявленных. И, разумеется, в меньшую сторону.

Предупреждение! В этот тройник нельзя будет включать другие приборы. Потому что при подключении другого прибора нужно пересчитать номинал гасящего резистора.
Напишите на этом тройнике фломастером «Компрессор!», чтобы не забывать о том, что этот тройник перестал быть тройником общего назначения.
(Вряд ли можно посчитать недопустимой расточительностью выделение отдельной колодки для такого жизненно важного узла, как компрессор в аквариумной системе. 😉

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 .

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.

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 » «:

Объединив две формулы, находим конечную формулу расчета ёмкости конденсатора схемы бестрансформаторного питания:

где Rн 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 мкФ В 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 » «: , 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 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 » «. Для лучшей стабилизации, возможно использование схемы «составного транзистора».

Думаю, что статья своей цели достигла, «разжёвано» всё до каждой мелочи.

Маломощные зарядные устройства для герметизированных малогабаритных аккумуляторов, блоки питания для светодиодных ламп, блоки питания для низковольтных слаботочных устройств обычно подключают к первичной сети переменного тока 220 вольт через понижающие трансформаторы или добавочные резисторы. При этом на гасящем резисторе выделяется большая бесполезная мощность в виде тепла, а трансформаторы имеют большие габариты и вес.

Можно конечно применить малогабаритные трансформаторы, но из-за применения в них очень тонких обмоточных проводов, резко уменьшается надежность таких блоков питания. Известно, что конденсатор, установленный в цепи переменного тока, обладает реактивным сопротивлением, которое зависит от частоты переменного тока, протекающего через его обкладки. Использование конденсаторов позволяет гасить излишнее напряжение, при этом мощность на реактивном сопротивлении не выделяется и это является большим преимуществом конденсатора перед резистором. Один из методов расчета гасящего конденсатора , теперь хочу предложить еще один, с использованием номограммы.
Так как полное сопротивление Z цепи, составленной из последовательно включенных нагрузки с активным сопротивлением Rн и гасящего конденсатора с реактивным сопротивлением Хс равно

То прямой расчет емкости гасящего конденсатора довольно сложен.

Поэтому проще воспользоваться номограммой. На ней по оси абсцисс отложены величины сопротивлений нагрузки Rн в килоомах, а по оси ординат отложены величины емкостей гасящих конденсаторов в микрофарадах. По оси, проведенной под углом сорок пять градусов – полные сопротивления Z цепи в килоомах.
Чтобы воспользоваться номограммой, надо определить сопротивление нагрузки — Rн. Rн = I2 R = U2/R и полное сопротивление цепи Z.
Пример. Мостовой выпрямитель с выходным напряжением 12 вольт и током нагрузки 120 мА необходимо питать от сети переменного тока 220 вольт. Надо найти емкость гасящего конденсатора, подключенного последовательно выпрямительному диодному мосту.
Для начала нам необходимо определить сопротивление нагрузки. Rн = U/I = 12 В / 0,12 А = 100 Ом. Теперь определяем полное сопротивление цепи в сети переменного тока 220 вольт. Z = 220 В/0,12 А = 1833 Ом. Далее определяем емкость гасящего конденсатора по номограмме. Для этого из точки на оси абсцисс, соответствующей сопротивлению 100 Ом восстановим перпендикуляр. Через точку, находящуюся на оси Z и соответствующей сопротивлению 1833 Ома, проводим дугу В с центром в точке 0, до пересечения с перпендикуляром А. Получаем точку С, которую проектируем на оси Y – ось емкости. Получаем необходимую емкость гасящего конденсатора, примерно 1,8 мкф. Все просто и удобно. Успехов. К.В.Ю.
Используемая литература: журнал «Радио» № 7 за 1970 год. Автор статьи В. Шишков
Скачать рисунок номограммы можно в формате sPlan здесь.

Выпрямители для зарядки аккумуляторных батарей, осветительные лампы небольшой мощности и другие устройства, с рабочим напряжением меньше напряжения сети, обычно подключают к ней через трансформатор или последовательно с добавочными резисторами, на которых гасится излишнее напряжение. При этом на гасящем резисторе выделяется большая мощность, которая рассеивается в виде тепла.

Но известно, что конденсатор, установленный к цепи переменного тока, обладает сопротивлением, зависящим от частоты и называемым реактивным. Используя его, также можно гасить излишнее напряжение сети, причем мощность на реактивном сопротивлении не выделяется, что является большим преимуществом конденсатора перед гасящим резистором.

Так как полное сопротивление Z цепи, составленной из последовательно включенных нагрузки с активным сопротивлением R H и конденсатора с реактивным сопротивлением Х с равно Z=√R H 2 +X C 2 , то непосредственный расчет емкости гасящего конденсатора довольно сложен. Для определения ее проще пользоваться номограммой, приводимой на рис. 1.

На ней по оси абсцисс отложены сопротивления R H в кОм, по оси ординат — емкости С гасящих конденсаторов в мкФ и по оси, проведенной под углом 45° к оси абсцисс,- полные сопротивления Z цепи в кОм.

Чтобы воспользоваться номограммой, предварительно нужно по закону Ома или формуле мощности определить R H и Z.

На оси абсцисс номограммы находят вычисленное значение R H и проводят из этой точки вертикальную прямую, параллельную оси ординат. Затем на наклонной оси отыскивают ранее определенное значение Z. Из точки начала координат через точку Z проводят дугу, которая должна пересечь линию, проведенную параллельно осп ординат. Из точки пересечения ведут линию, параллельную оси абсцисс. Точка, где эта линия встретится с осью ординат, укажет искомую емкость гасящего конденсатора.

Пример 1 . Определить емкость конденсатора, который нужно соединить последовательно с осветительной лампой 127 В 25 Вт, чтобы се можно было включить н сеть переменного тока напряжением 220 В. Находим R H:

R H =U 2 /P=127 2 /25=640 Ом

где U — напряжение, на которое рассчитана осветительная лампа, Р — мощность лампы. Чтобы определить Z, нужно узнать ток I, протекающий в цепи:

I=P/U=25/127=0,2A

Тогда Z равно:

Z=220/0,2=1100 Ом

Как найти емкость гасящего конденсатора, пользуясь вычисленными предварительными данными, показано на номограмме жирными линиями.

Пример 2 . Мостовой выпрямитель (рис. 2) с выходным напряжением U вых = 18 В и током нагрузки I H = 20mA необходимо питать от сети с напряжением 127 В. Найти емкость конденсатора С 1 , который нужно подключить последовательно выпрямителю, чтобы погасить излишнее напряжение.

Определяем сопротивление нагрузки:

R H =U вых /I H =18/0,02=900 Ом

и полное сопротивление пепи:

Для гашения напряжения можно использовать только бумажные конденсаторы, предназначенные для работы в цепи переменного тока (типов МБМ, МБГП, БМТ и др.). Их рабочее напряжение для большей надежности работы должно превышать в два-три раза напряжение, которое нужно погасить.

Заметки обо всем. Простые и опасные источники питания / Хабр

О чем эта статья

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

Прошу желающих и интересующихся читать, критиковать, уточнять и дополнять на почту shiotiny@yandex. ru или на мой сайт в раздел «Контакты».

Вступление

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

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

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

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

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

Источники питания от бытовой сети переменного тока

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Теория практики и практика теории

Пример простейшей практической схемы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Когда педантичность не нужна

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

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

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

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

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

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

Нужен ли нам БИП вообще?

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

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

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

Как прикинуть ёмкость С1 и выбрать стабилитрон VS1?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Пример расчёта

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

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

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

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

Фильтр или конденсатор С2

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Резисторы R1 и R2 — нужные и важные

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение

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

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

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

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

Заранее спасибо за отклики.

Резисторы, ток и напряжение

Как получить 12В из подручных средств

Самый простой способ получить напряжение 12В – это соединить последовательно 8 пальчиковых батареек по 1,5 В.

Или использовать готовую 12В батарейку с маркировкой 23АЕ или 27А, такие используются в пультах дистанционного управления. В ней внутри подборка из маленьких «таблеток», которые вы видите на фото.

Мы рассмотрели набор вариантов для получения 12В в домашних условиях. Каждый из них имеет свои плюсы и минусы, различную степень эффективности, надежности и КПД. Какой вариант лучше использовать, вы должны выбрать самостоятельно исходя из возможностей и потребностей.

Также стоит отметить, что мы не рассмотрели один из вариантов. Получить 12 вольт можно и от блока питания для компьютера формата ATX. Для его запуска без ПК нужно замкнуть зеленый провод на любой из черных. 12 вольт находятся на желтом проводе. Обычно мощность 12В линии несколько сотен Ватт и ток в десятки Ампер.

Теперь вы знаете, как получить 12 Вольт из 220 или других доступных значений. Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Наверняка вы не знаете:

• Как выпаивать радиодетали из плат
• Как проверить диодный мост
• Как определить емкость конденсатора
• Маркировка резисторов по мощности и сопротивлению

Опубликовано:
08.05.2018
Обновлено: 08.05.2018

Как уменьшить вольтаж трансформатора

Как уменьшить вольтаж на трансформаторе.

Привет коллеги!

В этой статье я расскажу вам, как из трансформатора с выходом 32 В, сделать трансформатор с выходом 12 В. Иными словами — уменьшить вольтаж трансформатора.

Для примера, возьму транс от китайского ч/б телевизора «Jinlipu».

Я думаю, очень многие встречались с ним или подобным.

Итак, для начала нам нужно определить первичную и вторичные обмотки. Чтобы это сделать, нужен обычный омметр. Замеряем сопротивление на выводах трансформатора.

На первичной обмотке сопротивление больше, чем на вторичной и составляет, обычно, не менее 85 Ом.После того, как мы определили эти обмотки, можно приступать к разбору трансформатора. Нужно отделить друг от друга Ш-образные пластины.

Для этого нам понадобятся некоторые инструменты, а именно: круглогубцы, плоскогубцы, маленькая отвёрточка для «подцепа» пластин, кусачки, нож.

Чтобы вытащить самую первую пластинку, придётся потрудиться, но потом остальные пойдут, как «по маслу»

Работать нужно очень осторожно, так как легко можно порезаться о пластины

Конкретно на этом трансформаторе нам известно, что на выходе у него 32 В.

В случае, когда мы этого не знаем, нужно перед разбором обязательно замерить напряжение, чтобы в дальнейшем мы смогли вычислить, сколько витков идёт на 1 В.

 После того, как пластины были извлечены, нужно снять с обмоток пластмассовый корпус. Делаем это смело, так как на работу трансформатора это никак не повлияет.

Затем находим на вторичной обмотке доступный для размотки контакт и кусачками «откусываем» его от места спайки. Далее начинаем разматывать обмотку, при этом обязательно считаем количество витков. Чтобы проволока не мешала, её можно наматывать на линейку или что-то подобное.

Так как на этом трансформаторе на вторичной обмотке 3 вывода (два крайних и один средний), то логично предположить, что напряжение на среднем выводе равняется 16В, ровно половина от 32В. Разматываем обмотку до среднего контакта, т.е. до половины, и подсчитываем количество витков, которое мы размотали.

(Если у трансформатора два вывода на вторичной обмотке, то разматываем «на глаз» до половины, считаем витки при этом, затем отрезаем размотанную проволоку, зачищаем её конец, припаиваем назад к контакту и собираем трансформатор, делая всё то же, что при разборке, только в обратном порядке.

Количество витков, которое вы размотали, равняется 105. Значит 105 витков приходится на 17В (35В-18В=17В). Отсюда следует, что на 1В приходится примерно 6,1 витков (105/17=6,176). Теперь, чтобы нам убавить напряжение ещё на 6В (18В-12В=6В), вам нужно размотать примерно 36,6 витков (6,1*6=36,6). Можно округлить эту цифру до 37.

Для этого вам нужно опять разобрать трансформатор и проделать эту «процедуру».). В нашем случае, дойдя до половины обмотки, у нас получилось 106 витков. Значит эти 106 витков приходятся на 16В. Вычисляем сколько витков приходится на 1В (106/16=6,625) и отматываем ещё примерно 26,5 витков (16В-12В=4В; 4В*6,625витков=26,5 витков).

Затем «откусываем» отмотанную проволоку, зачищаем от лака её конец, залуживаем и припаиваем к контакту на трансформаторе, от которого он был «откусан».

Остаётся замерить напряжение, которое у нас получилось:

Поздравляю вас, коллеги, всё получилось отлично!

В следующей статье я расскажу, как из этого трансформатора сделать блок питания постоянного тока на 12В.

Гасящий конденсатор вместо резистора

Иногда возникает задача понизить переменное напряжение сети 220 вольт до некоторого заданного значения, причем применение понижающего трансформатора (в таком случае) не всегда бывает целесообразным.

Скажем, низкочастотный понижающий трансформатор, выполненный традиционно на трансформаторном железе, способный преобразовать мощность 200 Ватт, весит больше килограмма, не говоря о высокой стоимости.

Следовательно в некоторых случаях можно применить гасящий резистор, который ограничит ток, однако при этом на самом гасящем резисторе выделится мощность в виде тепла, а это не всегда является приемлемым.

Например, если нужно запитать 200 Ваттную лампу только на половину ее наминала, потребовалось бы рассеять мощность в 100 Ватт на гасящем резисторе, а это крайне сомнительное решение.

Весьма удобной альтернативой, для данного примера, может служить применение гасящего конденсатора, емкостью около14мкф, (такой можно собрать из трех металлопленочных типа К73-17 по 4,7мкф, рассчитанных на 250в, а лучше – на 400в) это позволит получить нужный ток без необходимости рассеивать значительную мощность в виде тепла.

Рассмотрим физическую сторону этого решения. Как известно, конденсатор, включенный в цепь переменного тока, является реактивным элементом, обладающим емкостным сопротивлением, связанным с частотой переменного тока в цепи, а также с собственной емкостью.

Чем больше емкость конденсатора и чем выше частота переменного напряжения в цепи, тем больший ток проходит через конденсатор, значит емкостное сопротивление конденсатора обратно пропорционально его емкости, а также частоте переменного тока, в цепи, куда он включен.

Это видно и из формулы для емкостного сопротивления конденсатора:

Если в цепь переменного тока включены последовательно резистор (активная нагрузка) и конденсатор, то их общее сопротивление можно найти по формуле:

А посколькуито

Итак, зная напряжение на нагрузке, силу тока нагрузки и напряжение на гасящем конденсаторе, можно определить емкость гасящего конденсатора, который нужно включить последовательно нагрузке для получения требуемых параметров питания:

Рассмотрим пример: требуется запитать лампу накаливания мощностью 100 Ватт, рассчитанную на напряжение 110 вольт от розетки 220 вольт. В первую очередь найдем значение рабочего тока лампы:

Получим значение тока лампы равное 0,91 А. Теперь можно найти требуемое значение емкости гасящего конденсатора, она будет равна 15,2 мкФ.

Следует отметить, что этот расчет верен для чисто активной нагрузки, когда имеет место эффективное значение. При использовании же выпрямителя, необходимо учесть, что эффективное значение тока будет немного меньше в силу действия пульсаций. Также следует помнить, что в качестве гасящих конденсаторов, полярные конденсаторы применять ни в коем случае нельзя.

Лучшее сочетание вакуумных и          полупроводниковых характеристик — однотактный гибридный усилитель звука.

          Мы не создаём иллюзий,          Мы делаем звук живым!

Два простых способа снизить напряжение на электролампах

Если надоело постоянно менять перегоревшие лампы, воспользуйтесь одним из приведенных советов. Но во всех случаях успех достигается за счет существенного снижения напряжения.

В дневное и особенно в ночное время напряжение в сети нередко достигает 230-240В что приводит к ускоренному выгоранию нитей накала электроламп.

Подсчитано,что повышение напряжения всего лишь на 4% по сравнению с номинальным(то есть с 220 до 228В) сокращает срок службы электроламп на 40%, а при повышенном «питании» в 6% этот срок снижается более чем наполовину. 

В то же время уменьшение напряжения на лампах всего на 8%(до 200-202В) увеличивает «стаж» их работы в 3,5 раза, при 195В он возрастает почти в 5 раз

Разумеется с понижением напряжения, снижается и яркость свечения, но во многих случаях, в частности в служебных помещениях, и в местах общего пользования, это обстоятельство не так уж и важно

Как же снизить напряжение на электролампах? Существуют два простых способа.

Первый-включают последовательно две лампы (рис 1). А какую же лампу взять в качестве дополнительной?. Можно такую же, как и основная. Но тогда обе лампы будут светить слабо.

Лучше всего подбирать лампу так, чтобы мощности ламп отличались в 1,5-2 раза, например 40 и 75 Вт, 60 и 100 Вт и.т.д.

Тогда лампа меньшей мошности будет светиться достаточно ярко, а более мощная слабее, выполняя роль своеобразного балласта, гасящего избыточное напряжение (рис.2.).

На первый взгляд выигрыша нет-ведь приходится использовать сразу две лампы вместо одной. Но вот что показывает простейший расчет; падение напряжения на лампах при последовательном соединении распределяется обратно пропорционально их мощности.

Поэтому при напряжении в сети 220В (возьмем пару ламп на 40 и 75 Вт) на 40- ваттной лампе напряжение будет около 145В, а на её 75-ваттной «партнерше»-чуть больше 75В.

Так как долговечность зависит от величины напряжения, понятно, что менять придется в основном лампу меньшей мощности. Да и та, как показывает практика, в худшем случае служит не менее года.

В обычных условиях за это же время приходится менять от 5 до 8 ламп (имеется в виду ежесуточная работа в течении 12 часов). Как видите, экономия весьма ощутима.

Другой способ-последовательное включение лампы и полупроводникового диода. Благодаря малым размерам его можно установить в конусе выключателя между клеммой и одним из подводящих проводов. При этом варианте происходит едва заметное мерцание ламп (за счет однополупериодического выпрямления переменного тока), а среднее значение напряжения на них составляет около 155В.Теперь о выборе типа диода. Он должен иметь определенный запас по допустимому току и быть рассчитан на напряжение не ниже 400В. Из миниатюрных диодов этому требованию отвечают серии КД150 и КД209. Однако диоды марки КД105 следует применять с лампами, у которых мощность не превышает 40Вт, а диоды КД209 (с любым буквенным индексом)-для совместной работы с 75-ватными осветительными приборами. Разумеется использовать можно и более мощные диоды других типов, но тогда их придется устанавливать вне выключателя. Правильно подобранный диод служит практически неограниченное время. Теперь разберем ещё один вопрос. Как быть тем, если в доме общий выключатель на весь подъезд? В этом случае устанавливают один диод большой мощности. Его крепят на металлическом уголке, привинчивают шурупами к стене рядом с выключателем, и закрывают кожухом с веньтиляционными отверстиями. Рекомендуемые типы диодов: КД202М, Н,Р или С, КД203, Д232-Д234, Д246-248 с любым буквенным индексом. При выборе типа диода помните, что его максимально допустимый  рабочий ток (указан в паспорте полупроводникового прибора) на 20-25% должен превышать суммарный  ток, потребляемый одновременно всеми  лампами, относящимися к данному выключателю. Если диод допускает ток всех лампочек (его нетрудно посчитать разделив общую мощность всех ламп на напряжение сети 220В ) не должен превышать 4А.

Как повышают и понижают напряжение?

Повышение и понижение напряжения осуществляют с помощью трансформаторов.

Трансформатор состоит из двух катушек изолированного провода, намотанных на общий стальной сердечник (рис. 16.4).

На одну катушку (называемую первичной обмоткой) подают переменный ток одного напряжения, а с другой катушки (вторичной обмотки) снимают переменный ток другого напряжения.

Рис. 16.4. Повышающий и понижающий трансформаторы.

Оно сосредоточено в основном внутри стального сердечника, поэтому обе обмотки пронизываются одним и тем же переменным магнитным потоком.

Поэтому вследствие явления электромагнитной индукции в каждом витке каждой обмотки возникает одна и та же ЭДС индукции.

Суммарная ЭДС в каждой из катушек равна сумме ЭДС во всех ее витках, так как витки соединены друг с другом последовательно. Поэтому отношение напряженийина вторичной и первичной обмотках равно отношению числа витков в них:Например, если во вторичной обмотке в 10 раз больше витков, чем в первичной, напряжение во вторичной обмотке будет в 10 раз больше, чем в первичной.

Если напряжение во вторичной обмотке трансформатора больше, чем в первичной, его называют повышающим, а если меньше, то понижающим.

Основными потребителями электроэнергии являются производство и транспорт. На бытовые нужды приходится не более 5-10% всей производимой электроэнергии.

Рис. 16.5. Основные этапы производства, передачи и потребления электроэнергии.

Статьи энциклопедии

Понижаем постоянное напряжение

При конструировании электроники часто возникает необходимость понижения напряжения имеющегося блока питания. Мы также рассмотрим несколько типовых ситуаций.

Если вы работаете с микроконтроллерами – могли заметить, что некоторые из них работают от 3 Вольт. Найти соответствующие блоки питания бывает непросто, поэтому можно использовать зарядное устройство для телефона. Тогда вам нужно понизить его выход с 5 до 3 Вольт (3,3В). Это можно сделать, если опустить выходное напряжение блока питания путём замены стабилитрона в цепи обратной связи. Вы можете добиться любого напряжения как повышенного, так и пониженного – установив стабилитрон нужного номинала. Определить его можно методом подбора, на схеме ниже он выделен красным эллипсом.

А на плате он выглядит следующим образом:

На следующем видео автор демонстрирует такую переделку, только не на понижение, а на повышение выходных параметров.

На зарядных устройствах более совершенной конструкции используется регулируемый стабилитрон TL431, тогда регулировка возможна заменой резистора или соотношением пары резисторов, в зависимости от схемотехники. На схеме ниже они обозначены красным.

Кроме замены стабилитрона на плате ЗУ, можно опустить напряжение с помощью резистора и стабилитрона – это называется параметрический стабилизатор.

Еще один вариант – установить в разрыв цепи цепочку из диодов. На каждом кремниевом диоде упадёт около 0,6-0,7 Вольт. Так опустить напряжение до нужного уровня можно, набрав нужное количество диодов.

Часто возникает необходимость подключить устройство к бортовой сети автомобиля, оно колеблется от 12 до 14,3-14,7 Вольт. Чтобы понизить напряжение постоянного тока с 12 до 9 Вольт можно использовать линейный стабилизатор типа L7809, а, чтобы опустить с 12 до 5 Вольт – используйте L7805. Или их аналоги ams1117-5.0 или ams1117-9.0 или amsr-7805-nz и подобные на любое нужное напряжение. Схема подключения таких стабилизаторов изображена ниже.

Напоследок рекомендуем просмотреть видео, на которых наглядно рассмотрены способы понижения напряжения:

Вот и все наиболее рациональные варианты, позволяющие понизить напряжение постоянного и переменного тока. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

Подключение светодиода к сети 220В: все схемы и расчеты

Светоиндикация – это неотъемлемая часть электроники, с помощью которой человек легко понимает текущее состояние прибора. В бытовых электронных устройствах роль индикации, выполняет светодиод, установленный во вторичной цепи питания, на выходе трансформатора или стабилизатора. Однако в быту используется и множество простых электронных конструкций, неимеющих преобразователя, индикатор в которых был бы нелишним дополнением. Например, вмонтированный в клавишу настенного выключателя светодиод, стал бы отличным ориентиром расположения выключателя ночью. А светодиод в корпусе удлинителя с розетками будет сигнализировать о наличии его включения в электросеть 220 В.

Ниже представлено несколько простых схем, с помощью которых даже человек с минимальным запасом знаний электротехники сможет подключить светодиод к сети переменного тока.

Схемы подключения

Светодиод – это разновидность полупроводниковых диодов с напряжением и током питания намного меньшим, чем в бытовой электросети. При прямом подключении в сеть 220 вольт, он мгновенно выйдет из строя. Поэтому светоизлучающий диод обязательно подключается только через токоограничивающий элемент. Наиболее дешевыми и простыми в сборке является схемы с понижающим элементом в виде резистора или конденсатора.

Важный момент, на который нужно обратить внимание при подключении светодиода в сеть переменного тока – это ограничение обратного напряжения. С этой задачей легко справляется любой кремниевый диод, рассчитанный на ток не менее того, что течет в цепи. Подключается диод последовательно после резистора или обратной полярностью параллельно светодиоду.

Существует мнение, что можно обойтись без ограничения обратного напряжения, так как электрический пробой не вызывает повреждения светоизлучающего диода. Однако обратный ток может вызвать перегрев p-n перехода, в результате чего произойдет тепловой пробой и разрушение кристалла светодиода.

Вместо кремниевого диода можно использовать второй светоизлучающий диод с аналогичным прямым током, который подключается обратной полярностью параллельно первому светодиоду.

Отрицательной стороной схем с токоограничивающим резистором является необходимость в рассеивании большой мощности. Эта проблема становится особо актуальной, в случае подключения нагрузки с большим потребляемым током. Решается данная проблема путем замены резистора на неполярный конденсатор, который в подобных схемах называют балластным или гасящим.

Включенный в сеть переменного тока неполярный конденсатор, ведет себя как сопротивление, но не рассеивает потребляемую мощность в виде тепла.

В данных схемах, при выключении питания, конденсатор остается не разряженным, что создает угрозу поражения электрическим током. Данная проблема легко решается путем подключения к конденсатору шунтирующего резистора мощностью 0,5 ватт с сопротивлением не менее 240 кОм.

Расчет резистора для светодиода

Во всех выше представленных схемах с токоограничивающим резистором расчет сопротивления производится согласно закону Ома: R = U/I, где U – это напряжение питания, I – рабочий ток светодиода. Рассеиваемая резистором мощность равна P = U * I. Эти данные можно рассчитать при помощи онлайн калькулятора.

Важно. Если планируется использовать схему в корпусе с низкой конвекцией, рекомендуется увеличить максимальное значение рассеиваемой резистором мощности на 30%.

Расчет гасящего конденсатора для светодиода

Расчёт ёмкости гасящего конденсатора (в мкФ) производится по следующей формуле: C = 3200*I/U, где I – это ток нагрузки, U – напряжение питания. Данная формула является упрощенной, но ее точности достаточно для последовательного подключения 1-5 слаботочных светодиодов.

Важно. Для защиты схемы от перепадов напряжения и импульсных помех, гасящий конденсатор нужно выбирать с рабочим напряжением не менее 400 В.

Конденсатор лучше использовать керамический типа К73–17 с рабочим напряжением более 400 В или его импортный аналог. Нельзя использовать электролитические (полярные) конденсаторы.

Это нужно знать

Главное – это помнить о технике безопасности. Представленные схемы питаются от 220 В сети переменного тока, поэтому требуют во время сборки особого внимания.

Подключение светодиода в сеть должно осуществляться в четком соответствии с принципиальной схемой. Отклонение от схемы или небрежность может привести к короткому замыканию или выходу из строя отдельных деталей.

При первом включении, сборки рекомендуется дать поработать некоторое время, чтобы убедиться в ее стабильности и отсутствии сильного нагрева элементов.

Для повышения надёжности устройства рекомендуется использовать заранее проверенные детали с запасом по предельно допустимым значениям напряжения и мощности.

Собирать бестрансформаторные источники питания следует внимательно и помнить, что они не имеют гальванической развязки с сетью. Готовая схема должна быть надёжно изолирована от соседних металлических деталей и защищена от случайного прикосновения. Демонтировать её можно только с отключенным напряжением питания.

Небольшой эксперимент

Чтобы немного разбавить скучные схемы, предлагаем ознакомится с небольшим экспериментом, который будет интересен как начинающим радиолюбителям, так и опытным мастерам.

15 РАЗЛИЧНЫЕ СОВЕТЫ

Знаете ли Вы?

14-20. При намотке катушки индуктивности проводом в эмалевой изоляции необходимо учитывать, что загрязненность рук может значительно снизить добротность катушки, поэтому провод при намотке следует придерживать через лоскут хлопчатобумажной ткани. Еще лучше производить намотку в тонких хлопчатобумажных перчатках.

14-21. Чтобы предупредить образование «барашков» на проводе, нужно перед намоткой катушки надеть йа провод полихлорвиниловую трубку диаметром 4 — 5 и длиной 100 — 150 мм. Под тяжестью трубки обмоточный провод натягивается, что не дает ему скручиваться и в то же время не мешает намотке.

14-22. Для экранирования контурных катушек, высокочастотных трансформаторов и дросселей можно использовать корпуса от неисправных стартеров для ламп дневного света. Через отверстие в донышке можно вести подстройку катушки индуктивности.

14-23. На частотах выше 10 МГц хороший экранирующий эффект дает медная пленка толщиной всего 0,1 мм, поэтому для этих частот экран можно спаять из фольгировэнного изоляционного материала.

14-24. Для фиксации положения карбонильных сердечников в катушке можно использовать полоску из полиэтиленовой пленки подходящей толщины, опустив ее в каркас перед ввинчиванием сердечника. Пленка заполнит зазор в резьбе и не позволит сердечнику самопроизвольно перемещаться.

15-1. Определение цоколевки транзистора. Если обозначение транзистора, нанесенное на его корпусе, стерлось или нет под рукой справочника по полупроводниковым приборам, то для определения цоколевки транзистора и структуры его проводимости можно воспользоваться тестером.

Сначала определяют базовый вывод транзистора. Для этого плюсовый щуп прибора (в режиме измерения малых сопротивлений) подключают к одному из выводов транзистора, а минусовый [Минусовым щупом здесь и далее назван тот щуп, который подключен к так называемой общей клемме прибора, иногда маркируемой знаком « — » (применительно к режимам измерений токов и напряжений). В режиме измерения сопротивлений полярность напряжения на зажимах прибора обратная.] — поочередно к двум остальным. Если тестер в обоих случаях показывает высокое сопротивление или в одном низкое, а в другом высокое, то его плюсовый щуп нужно подключить к другому выводу и снова измерить сопротивление между ним и остальными двумя выводами, пока не удастся найти вывод, имеющий малое сопротивление относительно двух других выводов. Найденный таким образом вывод является базовым, а транзистор имеет структуру п — р — п.

Если приведенным выше способом найти базовый вывод не удается, необходимо изменить полярность подключения тестера, т. е. к одному из выводов подключить минусовый щуп тестера, и затем найти базовый вывод р — n — p-транзистора.

Определение базового вывода большинства широко распространенных низкочастотных транзисторов упрощается, если помнить, что они выполнены с выводом базы на корпус.

С помощью тестера можно определить и выводы эмиттера и коллектора маломощных транзисторов. Для этого между предполагаемым выводом коллектора и базовым выводом подключают резистор сопротивлением в 1 кОм. Затем плюсовый щуп тестера подключают к предполагаемому выводу коллектора, а минусовый — к предполагаемому выводу эмиттера п — р — я-транзистора и определяют сопротивление по прибору. После этого предполагают иное расположение выводов коллектора и эмиттера и снова измеряют сопротивление. Плюсовый щуп тестера будет соединен с коллектором в том случае, когда сопротивление между выводами окажется минимальным.

У р — п — р-транзисторов коллекторный и эмиттер-ный выводы можно определить таким же способом, но сопротивление между эмиттером и коллектором окажет-.ся меньшим, когда с коллектором будет соединен минусовый щуп тестера.

При этом нужно помнить, что у всех мощных транзисторов, предназначенных для крепления на радиаторах, коллектор выведен на корпус. У всех высокочастотных транзисторов, кроме экранированных (FT311, ГТ313) и коаксиальной конструкции, вывод коллектора тоже соединен с корпусом.

15-2. Измерение входного сопротивления вольтметра можно осуществить с помощью источника питания, внутренним сопротивлением которого по сравнению с входным сопротивлением вольтметра можно пренебречь. Таким источником может быть выпрямитель, свежая батарея или отдельный элемент, заряженный аккумулятор. Входное сопротивление вольтметра, особенно лампового или транзисторного, как правило, достаточно велико. Такой вольтметр, подключенный к батарее, покажет значение ЭДС батареи (E). Для повышения точности измерения напряжение источника питания и предел измерения вольтметра желательно выбрать такими, чтобы стрелка отклонилась почти на всю шкалу. После этого между источником напряжения и входом вольтметра включают резистор, сопротивление которого R известно с достаточной точностью. Из-за падения напряжения на этом резисторе показания вольтметра уменьшаются до значения U. Теперь входное сопротивление вольтметра можно определить по формуле

Простые магнитоэлектрические и транзисторные вольтметры (отдельные или входящие в состав авометра), у которых при переходе от одного предела измерения к другому переключают добавочные резисторы, имеют различное входное сопротивление на разных пределах измерения. Такие приборы принято характеризовать входным сопротивлением, отнесенным к одному вольту предела шкалы. Это сопротивление для данного вольтметра неизменно для всех пределов (поддиапазонов) измерения.

15-3. Измерение внутреннего сопротивления микроамперметра можно осуществить, если подключить его к источнику питания через переменный резистор. Затем, изменяя сопротивление резистора, установить ток I, такой, чтобы стрелка прибора отклонилась на всю шкалу. Далее прибор шунтируют резистором Rm с таким сопротивлением, чтобы ток Iп, протекающий через прибор, был не менее половины тока полного отклонения.

Рис. 15-1. Вольтметр с растянутой шкалой

Если сопротивление рамки г много меньше добавочного сопротивления (включенной части переменного резистора), то общий ток в цепи после подключения к прибору шунта существенно не изменится и ток через Rш можно считать равным Iш=I — Iп. Так как при параллельном соединении rI=RшIш, то сопротивление рамки прибора может быть вычислено по следующей формуле:

r=Rш (I/Iп — 1).

Использование резистора Кш с отклонением от номинала ±5 % дает вполне допустимую в любительской практике погрешность измерения сопротивления рамки прибора.

15-4. Вольтметр с «растянутой» шкалой позволяет измерять малые относительно номинала U изменения напряжения ±ДU. Такая необходимость возникает при контроле напряжений вторичных источников питания в аппаратуре с помощью встроенных измерительных приборов, напряжения питающей сети, при оценке степени разряженности аккумуляторных батарей и т. п.

Измерять малые изменения напряжения обычным вольтметром затруднительно. Задачу можно решить расширением рабочего участка шкалы измерительного прибора, применив в измерительной схеме пороговый элемент (рис. 15-1), в качестве которого используется стабилитрон Д1 с пороговым значением напряжения UCT = U — ДU. По достижении напряжения стабилизации диод обратимо пробивается и при значительном увеличении тока через него напряжение на нем мало изменяется. Встречное включение второго такого же стабилитрона Д2 позволяет уменьшить суммарную температурную нестабильность диодов.

Напряжение, поданное на вход схемы, распределяется между резистором R и стабилитронами Д1 и Д2. Поскольку на стабилитронах падение напряжения практически неизменно, то падение напряжения на резисторе равно разности между входным напряжением и Uст. Таким образом, измерительный прибор показывает не значение входного напряжения, а только его изменение (в интервале от 0 до 2ДU). Это значительно увеличивает разрешающую способность шкалы прибора.

Сопротивление резистора определяют традиционным для схемы стабилизации способом: R=2ДU/Iст.макс (2ДU — предел измерения прибора; IСт — ток стабилизации).

Для контроля степени разряженности, например, двенадцативольтовой кислотной аккумуляторной батареи диоды можно подобрать из нескольких диодов типа Д810 или Д814В с напряжением стабилизации 10 В; вольтметр — с пределом измерения 3 В; резистор — сопротивлением 120 Ом. Шкалу измерительного прибора нужно проградуировать в пределах от 10 до 13 В.

15-5. Определение числа витков обмоток трансформатора, если неизвестны его тип или параметры,

производится следующим образом.

Пользуясь омметром, определяют расположение выводов всех обмоток трансформатора. Так как накальная обмотка силового трансформатора и вторичная обмотка выходного трансформатора имеют небольшое число витков сравнительно толстого провода, обнаружить эти обмотки можно или при внешнем осмотре — по наибольшему диаметру выводов (если они выполнены обмоточным проводом), или при измерении сопротивлений обмоток — по наименьшему сопротивлению, если определить при внешнем осмотре диаметр провода обмотки невозможно.

При наличии зазоров между катушкой и магнитопро-водом на катушку поверх обмоток наматывают (можно тонким проводом) дополнительную обмотку. Чем больше витков будет иметь эта обмотка, тем точнее будут результаты измерения.

Одну из вторичных обмоток принимают в качестве первичной и подают на нее низкое переменное, напряжение (не выше 6,3 В), которое можно или получить от силового трансформатора, или снять с накальных гнезд ламповой панели любого радиоприемника.

Измерив переменные напряжения на каждой обмотке трансформатора, в том числе и на дополнительной, определяют число витков любой обмотки:

wi =Ui/Uд wд,

где Ui — напряжение на любой обмотке; Uд — напряжение на дополнительной обмотке; wд, — число витков дополнительной обмотки.

Если на катушке трансформатора нет места для дополнительной обмотки, можно вместо дополнительной использовать часть наружной обмотки. Для этого осторожно вскрывают слой внешней изоляции катушки, чтобы получить доступ к последнему слою обмотки, выполненному обычно виток к витку. От конца обмотки отсчитывают некоторое число витков (wд). Один щуп вольтметра подключают к концу обмотки, другим щупом с иголкой (см. п. 5-1), осторожно процарапав эмаль последнего отсчитанного витка, измеряют переменное напряжение UA на части обмотки, содержащей wД витков. В роли первичной обмотки, на которую подают исходное напряжение, при эт,ом может быть использована любая обмотка трансформатора, в том числе и наружная.

После измерения напряжений на всех обмотках трансформатора определяют число витков в каждой обмотке при помощи вышеприведенной формулы.

15-6. Измерение резонансной частоты громкоговорителя можно произвести с помощью звукового генератора и электронного милливольтметра.

Звуковую катушку громкоговорителя подключают к звуковому генератору через резистор, сопротивление которого в 50 — 100 раз превышает сопротивление звуковой катушки постоянному току. Это необходимо, чтобы обеспечить постоянное значение переменного тока, поступающего с выхода генератора. Изменяя частоту генератора и поддерживая неизменной амплитуду напряжения на его выходных зажимах, определяют частоту, при которой напряжение на звуковой катушке, измеренное милливольтметром, будет максимальным.

Следует иметь в виду, что при установке громкоговорителя в корпус его резонансная частота может измениться в зависимости от акустических свойств корпуса (обычно уменьшается).

15-7. Конденсатор вместо гасящего резистора. Выпрямители для зарядки аккумуляторных батарей, осветительные лампы небольшой мощности и другие устройства с рабочим напряжением, меньшим напряжения сети, обычно подключают к сети через трансформатор или последовательно c гасящим резистором. При этом на резисторе выделяется большая мощность, которая рассеивается в виде тепла. .

Известно, что конденсатор, установленный в цепи переменного тока, обладает сопротивлением, зависящим от частоты и называемым реактивным. Используя его, также можно гасить излишнее напряжение сети, причем мощность на реактивном сопротивлении не выделяется, что является большим преимуществом конденсатора перед гасящим резистором,

Емкость гасящего конденсатора можно рассчитать по формуле (в микрофарадах)

где I — ток, потребляемый устройством, А; Uс — напряжение сети, В; Unow — напряжение питания устройства, В.

Если напряжение питания устройства менее 10 — 20 В, емкость конденсатора с достаточной точностью можно определить по упрощенной формуле

Следует иметь в виду, что применять гасящий конденсатор в цепи питания выпрямителя возможно только тогда, когда он собран по мостовой (двухполуперйодной) схеме, так как принципиально необходимо, чтобы через конденсатор проходил переменный ток.

Для гашения напряжения можно использовать бумажные конденсаторы, предназначенные для работы в цепи переменного тока (типов МБМ, МБГП, МВТ и др.). Их рабочее напряжение для большей надежности должно в 2 — 3 раза превышать напряжение, которое нужно погасить.

Рис. 15-2. Включение электролитического конденсатора в цепь переменного тока

15-8. Электролитический конденсатор в цепи переменного тока. Полярные электролитические конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного и пульсирующего тока. Однако если включить два однотипных конденсатора последовательно («плюс» с «плюсом»), то получится неполярный конденсатор, который можно использовать в цепях переменного тока, правда, с напряжением гораздо меньшим, чем номинальное рабочее напряжение для работы конденсатора в цепи постоянного тока. Предохранить конденсаторы от пробоя напряжением обратной полярности можно с помощью шунтирующих диодов (рис. 15- 2).

15-9. Подключение нескольких телевизоров к одной антенне. При налаживании и проверке телевизионных приемников нередко требуется одновременное их подключение к одной антенне. При этом необходимо обеспечить согласование волновых сопротивлений фидеров антенны и приемников и обеспечить минимальное затухание сигнала.

На рис. 15-3 для примера показана схема подключения трех телевизионных приемников к одной антенне через простейшее согласующе-развязывающее устройство на резисторах. Таким же способом можно подключить любое число (п) приемников. Однако надо учитывать, что с ростом их числа увеличивается и затухание сигнала.

Рис. 15-3. Подключение нескольких телевизионных приемников к одной антенне

Сопротивление согласующих резисторов (в нашем случае Rn=R1=R2=R3=R4) связано с волновым сопротивлением фидера р (чаще всего р=75 Ом) следующим соотношением:

Коэффициент передачи согласующе-развязывающей цепи обратно пропорционален числу ветвей развязки:

Кп=1/п.

Если какой-либо выход согласующе-развязывающего блока не используется, то к нему необходимо подключить балластный резистор сопротивлением 75 Ом.

15-10. Ориентация телевизионной антенны на телецентр доставляет немало хлопот живущим у границы или вне зоны уверенного приема. Многие предпочитают ориентировать антенну по наилучшему изображению, не пользуясь какими-либо индикаторами. Но, несмотря на многократные поворачивания антенны в ту или другую сторону, она, как правило, редко оказыва-ется ориентированной точно на телецентр. Причина этого заключается в том, что в пределах довольно большого угла поворота антенны изображение на экране телевизора почти не меняется.

Существует другой простой способ ориентации антенны, который позволяет быстро и точно направить антенну на телецентр. Поворачивают антенну в одну, а затем в другую сторону до полного пропадания изображения на экране телевизора. (Эти моменты можно определить с большей точностью, чем момент наилучшего изображения.) Положения антенны в моменты пропадания изображения отмечают хотя бы на земле. Получившийся угол делят пополам и ориентируют антенну по биссектрисе этого угла. Тогда она будет направлена на телецентр.

15-11. Устройство заземления зимой существенно облегчается, если накануне работ (вечером) землю в выбранном месте очистить от снега, засыпать негашеной известью и снова покрыть снегом. Соединяясь со снегом (водой), известь выделяет тепло, достаточное для того, чтобы земля к утру размягчилась и стала доступной для раскапывания даже при двадцатиградусном морозе.

15-12. Простой фильтр радиопомех, проникающих через сеть, представляет собой трансформатор с замкнутым О-образным сердечником, у которого сетевая обмотка расположена на одном стержне магнитопровода, а подключаемая к нагрузке — на другом. Магнитный поток низкой (промышленной) частоты в таких трансформаторах замыкается по магнитопроводу, а магнитный поток высокой частоты, благодаря падению магнитной проницаемости трансформаторных сталей с ростом частоты, — по воздуху, не индуцируя во вторичной обмотке ЭДС помехи.

Этот принцип фильтрации может быть реализован двояко. В одном варианте нагрузкой вторичной обмотки трансформатора-фильтра служит сетевая обмотка трансформатора, защищаемого от помех аппарата или

Демпфирующий резистор

— обзор

4.5.3 Подавление VFTO

VFTO в основном подавляются путем установки демпфирующего резистора в разъединитель. Этот демпфирующий резистор последовательно подключается к разрядной цепи во время размыкания / замыкания разъединителя, чтобы подавить электромагнитные колебания из-за повторяющихся искр в промежутке, тем самым уменьшая амплитуду и частоту VFTO [10,11].

На рисунке 4.30 изображена кривая зависимости амплитуд VFTO от демпфирующего сопротивления при типичных условиях работы разъединителя.Эти амплитуды получены от демпфирующих резисторов разного сопротивления. Этот рисунок показывает, что демпфирующий резистор может значительно снизить VFTO, то есть более высокое сопротивление приведет к более низкому VFTO. При сопротивлении 100–500 Ом все VFTO составляют менее 1,5 о.е. Когда сопротивление превышает 500 Ом, VFTO немного уменьшаются. На рисунке 4.31 изображена кривая зависимости потребления энергии демпфирующим резистором от сопротивления во время одной искры. Видно, что более высокое сопротивление приводит к более высокому потреблению энергии.Когда сопротивление находится в диапазоне 0–100 Ом, потребление энергии резко возрастает с увеличением сопротивления. При увеличении сопротивления от 100 до 500 Ом потребление энергии увеличивается с 1100 до 1200 Дж. После того, как сопротивление превышает 500 Ом, потребление энергии увеличивается лишь незначительно.

Рисунок 4.30. Кривая зависимости амплитуды VFTO от демпфирующего сопротивления.

Рисунок 4.31. Кривая зависимости энергозатрат демпфирующего сопротивления от демпфирующего сопротивления.

Как было проанализировано, когда сопротивление демпфирования находится в диапазоне 100–500 Ом, все VFTO меньше 1.5 о.е., поэтому требования по согласованию изоляции соблюдены. После того, как сопротивление демпфирования превышает 500 Ом, VFTO немного уменьшаются. С этой точки зрения сопротивление должно быть в пределах 100–500 Ом. Кроме того, более высокое сопротивление приведет к более высокому потреблению энергии, большим производственным трудностям и более высокой стоимости. Следовательно, сопротивление демпфирования следует определять с учетом различных факторов, таких как пределы VFTO, производство и стоимость.

Кроме того, теоретические и тестовые исследования показывают, что скорость переключения разъединителя имеет большое влияние на VFTO, то есть более медленное переключение может помочь уменьшить VFTO.Следовательно, правильная скорость переключения и структура разъединителя могут способствовать снижению VFTO [11].

В последние годы другие меры, такие как MOA и магнитные кольца на шинопроводе GIS, привлекли широкое внимание. Однако эти меры подлежат дальнейшим испытаниям и модельным исследованиям перед использованием.

Почему развязывающим / байпасным конденсаторам для выполнения своих функций не нужны резисторы, как обычные фильтры?

Я бы не стал думать о развязывающем конденсаторе как о фильтре, как вы описываете.Подобно RC-фильтру, в котором источником шума является источник питания, а ваши «развязывающие» конденсаторы помогают отфильтровать его до того, как он достигнет вашего чипа.

^{смоделировать эту схему — Схема создана с помощью CircuitLab}

Он не препятствует проникновению шума в ваш чип, как маленький фильтр PI, он помогает вашему чипу не шуметь 🙂 У вас есть чип, и он будет иметь динамические требования к току, которые меняются со временем.Другими словами, когда ваш чип делает свое дело, он потребляет энергию на разных частотах, например, переключает свои транзисторы.

Теперь в идеальном мире у вас будет просто идеальный источник питания без сопротивления между ним и вашей микросхемой. Ваш чип мог потреблять столько тока, сколько он хотел, на любой частоте, и часть моей работы стала бы намного проще;)

На самом деле есть паразитные компоненты, в частности паразитная индуктивность, которая ограничивает количество тока, который вы можете протянуть на определенной частоте при заданном падении напряжения.Импеданс этих паразитных катушек индуктивности увеличивается с частотой, поэтому в какой-то момент вы не сможете протянуть сколько-нибудь значимое количество тока. Ваш чип, вероятно, хочет быть в каком-то диапазоне, скажем, 1,8 В +/- 0,5%, он был разработан и рассчитан на работу в этом диапазоне. Если вы не обеспечите надлежащий путь с низким импедансом для всех его потребностей, вы можете в конечном итоге упасть напряжение за пределами этого диапазона, например, что может привести к нежелательной работе.

Вот красивый снимок распределительной сети от Altera.Он включает в себя регулятор напряжения и его полное сопротивление источника, развязывающие крышки и некоторые паразитные элементы корпуса.

Если вы просто разработали плату без развязывающих крышек, то каждый раз, когда вам понадобится ток, вам придется проходить через это соединение с очень высоким импедансом от вашего чипа на всем протяжении платы и обратно к регулятору и, надеюсь, его конденсаторы большой емкости. Это будет хорошо работать для низких частот, но по мере увеличения вашей частоты паразитная индуктивность означает, что сопротивление между вами и вашим источником питания также будет увеличиваться.Из закона Ома вы знаете, что если вы сохраняете постоянный ток, но увеличиваете сопротивление (импеданс в нашем случае), то падение напряжения на этом импедансе также должно увеличиваться. Чтобы бороться с этим и снизить импеданс pdn, мы используем развязывающие конденсаторы. В PDN мы называем это пульсацией напряжения, в реальном мире ваш чип потребляет ток на всех разных частотах, и этот ток, протекающий через PDN, является причиной пульсаций напряжения вашей шины.

В качестве примера давайте просто посмотрим на одну частоту, скажем, 100 МГц.Затем предположим, что вы вообще не использовали развязку и решили использовать 1 ампер на частоте 100 МГц. Но сопротивление от источника питания через индуктивность плоскостей и, возможно, объемных конденсаторов к микросхеме составляет 1 Ом на частоте 100 МГц. Это означает, что вы получите падение напряжения на этом импедансе на 1 В. Если бы у вас был источник питания, начинающийся с 1,8 В, а он упал до 0,8 В, когда это было необходимо вашему чипу, у вас были бы проблемы.

Теперь подумайте о том же сценарии после того, как мы добавили кучу развязывающих заглушек, это снизит импеданс сети подачи питания до нуля.05 Ом. Теперь для того же самого тока 1А вы видите падение напряжения только на 50 мВ, что намного более приемлемо.

На картинке ниже вы можете увидеть два разных сценария из простой имитации специй, описанной выше. Зеленый цвет — это импеданс платы без конденсаторов, а синий — после добавления нескольких развязывающих конденсаторов разного номинала.

На самом деле, к счастью, здесь все становится сложнее, вы не просто потребляете ток на частоте 100 МГц, а получаете диапазон частот, и вы часто не знаете, какие они, от поставщика микросхем.Вместо этого вы разрабатываете для диапазона ожидаемых значений. У Altera есть хорошая статья, объясняющая это более подробно, и есть много книг по ней.

Надеюсь, это немного поможет, я думаю, из вышеизложенного видно, что добавление большего импеданса к вашим конденсаторам сделает их менее эффективными (ну, есть некоторые споры о демпфировании …). Фактически, если вы внимательно посмотрите на изображение Altera, вы увидите паразитные катушки индуктивности и резисторы, которые являются частью любого реального конденсатора и его крепления.Люди, разрабатывающие высокоскоростные платы, где развязка становится действительно важной, тратят много времени на то, чтобы минимизировать их в макете и выбирать компоненты с наименьшими паразитными значениями.

adc — Выбор демпфирующего резистора для схемы кварцевого генератора

В этой записке по применению от IDT вы делаете это простым способом, используя токовый пробник. Я даже не хочу думать об этом.

Я думаю, это можно вычислить.Важен ток кристалла. В резонансе кристалл имеет индуктивное реактивное сопротивление на частоте, соответствующей импедансу нагрузки. Так что, если вы используете следующую схему в качестве модели, все должно работать.

Установите C2 равным выбранному вами фактическому значению конденсатора (т. Е. 27 пФ). Установите C1 равным фактическому конденсатору плюс ожидаемая емкость входного контакта (5 пФ, всего 32 пФ). Установите L1 на то, что резонирует с последовательной комбинацией C1 и C2 на частоте вашего кристалла, и отрегулируйте его, если это не совсем правильно при моделировании.Просто сделайте безумное предположение о R1 (1 кОм — что может пойти не так?)

Смоделируйте схему как модель переменного тока. Прокрутите частоту вокруг резонанса. Найдите частоту, при которой фазовый сдвиг от Xout до Xin составляет 180 градусов (это предполагает, что усилитель в микросхеме имеет фазовый сдвиг 0 градусов). Для этой частоты посмотрите на ток в L1 — это ваша оценка тока кристалла.

Теперь отрегулируйте Rs, смоделируйте и повторяйте, пока не получите ток кристалла, разрешенный производителем.Хорошая вещь в этом (для меня) заключается в том, что он должен переоценивать ток кристалла — так что, пока ваша реальная схема действительно сильно колеблется, ваши кристаллы должны прожить долгую жизнь.

В реальной жизни я бы создал тестовый образец и попробовал его с расчетными Rs, а затем с последовательно большими значениями Rs, пока я не заметил, что он перестал колебаться. Если он работает при комнатной температуре с Rs, вдвое превышающим расчетное значение, я буду чувствовать себя комфортно, используя мое расчетное значение. Если он работает при комнатной температуре с рупий в 10 раз больше моего расчетного значения, я бы чувствовал, что действительно комфортно при использовании моего расчетного значения.

Если он не будет колебаться с рупиями при моем расчетном значении, я бы заплатил боссу за аренду датчика РЧ тока …

^{смоделировать эту схему — Схема создана с помощью CircuitLab}

пассивных сетей — интуиция для цепей RLC

Резисторы являются электрическим эквивалентом трения и производят потери на отвод энергии из системы. Если вы уроните маятник без трения, чтобы повернуть его, сколько времени потребуется, чтобы осесть? Бесконечное время, потому что нет никаких потерь, поэтому он просто колеблется взад и вперед и постоянно колеблется вокруг нижней позиции.Обратной стороной является то, что произойдет, если маятник будет иметь бесконечное трение? Ну, он просто сидит там на высоком месте, вечно тратя бесконечное время, чтобы достичь дна, вечно цепляясь за свою потенциальную энергию.

Если у вас небесконечное, но высокое трение, вашему пенделю потребуется ОЧЕНЬ много времени, чтобы достичь нижнего положения. Он никогда не проскочит, но это займет очень много времени. И если у вас слишком мало, он достигнет нижней точки быстрее, но выйдет за пределы диапазона, а затем продолжит непрерывно качаться вокруг нижней позиции в течение очень долгого времени.Существует золотая середина, которая взаимно сводит к минимуму время, необходимое для рассеивания энергии, и время, необходимое пентелиру для перемещения одного цикла в нижнее положение.

Резистор = трение. Рассеивается в виде тепла (по большей части) в обеих системах.

Индуктор = накопитель кинетической энергии. В маятнике это скорость веса вместе с массой.

Конденсатор = потенциальный накопитель энергии. В маятнике это потенциальная энергия гравитации из-за того, что масса находится на высоте.

Вам может быть интересно, почему конденсатор является накопителем потенциальной энергии, а индуктор — накопителем кинетической энергии. Это связано с тем, что вы можете зарядить конденсатор, а затем просто статически удерживать там энергию, отключив его (например, герметизирующий воздух в резервуаре под давлением или просто удерживая маятник на высоте). Но в индукторе требуется, чтобы через него постоянно протекал ток, чтобы сохранять энергию в его магнитном поле, в противном случае поле схлопывается (точно так же, как маятник требует постоянного движения для хранения кинетической энергии).Вы не можете хранить энергию в индукторе или кинетическую энергию статически. Вы можете хранить его только динамически.

Итак, в обоих маятниках происходит обмен энергией между кинетической и потенциальной. Маятник меняет скорость на высоту вперед и назад. В цепи RLC конденсатор обменивается энергией с катушкой индуктивности. При слишком низком сопротивлении (параллельный RLC), высоком сопротивлении (последовательный RLC) или высоком трении для полной передачи энергии от одной среды к другой требуется очень много времени, но после завершения передачи она очень мало перескакивает, потому что так много рассеивается во время переноса, причем только один перенос происходит в крайнем случае, но для этого требуется очень много времени.При очень высоком сопротивлении (параллельный RLC), низком сопротивлении (последовательный RLC) или низком трении единичная передача завершается очень быстро, но теряется так мало энергии, что большая ее часть остается переданной обратно в другом направлении. может случиться.

Роль развязки, индуктивности и сопротивления в PDN | Блог

Захария Петерсон

| & nbsp Создано: 1 июля 2019 г. & nbsp | & nbsp Обновлено: 8 апреля 2021 г.

Вы можете добавить один из этих компонентов к своей развязывающей сети

В предыдущей статье мы рассмотрели роль развязывающих конденсаторов, а также разницу между развязкой и шунтированием.Разделительный конденсатор выполняет те же функции, что и байпасный конденсатор, но он также обеспечивает другую важную функцию, поскольку он компенсирует изменения потенциала земли при переключении ИС.

Есть еще один важный момент, связанный с проектированием вашей PDN для обеспечения целостности питания. Это роль индуктивности при проектировании вашего PDN. В высокоскоростных схемах (а в наши дни это все конструкции) развязка обычно является чисто емкостной, пока вы не начнете смотреть на достаточно высокие частоты.Теперь есть индуктивность, которая может вызвать большой переходный отклик в PDN. Это вызывает два вопроса:

1. Поскольку питание PDN может демонстрировать некоторый переходный отклик с индуктивностью, можем ли мы убедиться, что отклик критически затухает?
2. Если ответ на вопрос №1 — «Нет», можем ли мы гарантировать, что нарушение напряжения из-за тока, протекающего в PDN, сведено к минимуму?

Ответ на №1 — «Да», но, как мы увидим, идти по пути №2 более практично и является стандартной практикой в ​​отрасли.Как мы увидим, попытка №1 дает нам возможность многое узнать о реальных конденсаторах, индуктивности в PDN и о том, что такое развязка.

Цель сети развязки PDN

Проектирование развязывающей сети — непростая задача. В цепях с более низкой частотой для развязки было достаточно использования развязывающего конденсатора. Частота собственного резонанса многих конденсаторов меньшего размера все еще была несколько выше, чем частота излома для многих логических семейств, поэтому было бы трудно привести шину питания в резонанс во время переключения.Кроме того, развязывающие конденсаторы также будут действовать как шунтирующий конденсатор для компенсации изменений потенциала при переключении ИС.

В более быстрых логических семействах частоты излома теперь могут совпадать с частотой собственного резонанса эквивалентной схемы, образованной шунтирующим / развязывающим конденсатором, шиной источника питания, любыми соседними шунтирующими / развязывающими конденсаторами, проводниками, соединяющими компоненты, и самими компонентами. . Это создает возможность звонка в силовой шине с высокоскоростными цепями в качестве переключателя логических вентилей.При повторном переключении это вызовет резонансные колебания в силовой шине с большой амплитудой. Как и в случае с отскоком заземления, один переключающий выход на ИС может не иметь большого влияния, но одновременное переключение многих компонентов может вызвать значительный звон в шине питания и большие изменения уровня напряжения, наблюдаемые на выводах питания ИС. .

По этой причине индуктивность в PDN считается плохой вещью: она создает более высокий импеданс во всем спектре импеданса PDN за пределами определенного частотного предела.Высокий широкополосный импеданс плох для широкополосных цифровых сигналов, поскольку эти сигналы преобразуют переходный ток в большее напряжение во всей полосе пропускания сигнала. При большом потреблении тока звон в силовой шине может превышать допуски по уровням напряжения ядра около одной из резонансных частот в PDN. Есть несколько рекомендаций, которые предлагают добавить катушку индуктивности, конденсатор, а иногда и резистор, чтобы снизить уровень шума. Стоит посмотреть, как именно индуктивность влияет на шину питания и вызывной сигнал, и как может выглядеть «критически затухающий» PDN.

Подавление вызывных сигналов PDN с помощью развязки сети

Как обсуждалось в предыдущей статье, эквивалентная RLC-модель для развязывающего конденсатора может быть недостаточно демпфированной, и вы можете попытаться приблизить эту схему к случаю с критическим демпфированием, насколько это возможно. Однако вам нужно будет рассмотреть всю эквивалентную схему для развязывающего конденсатора и остальной части системы.

В идеале вы хотите подавить звонок несколькими способами:

1. Критически демпфирует или чрезмерно демпфирует ответ на шине питания.Это довольно просто, так как требует добавления некоторых пассивных элементов (катушки индуктивности, резистора или того и другого) для изменения условий резонанса.
2. Добавьте компоненты, которые сдвигают резонансную частоту в любой части цепи до значений, которые находятся за пределами спектра мощности для сигнала переключения. Опытный читатель, вероятно, заметит, что это всего лишь повторение пункта № 1
.
3. Добавьте несколько конденсаторов с разными резонансными частотами параллельно, чтобы попытаться сгладить весь спектр импеданса PDN.Перекрывающиеся части с низким импедансом должны объединяться, чтобы давать достаточно низкий импеданс по всей ширине полосы сигнала.

# 1 и # 2 могут подойти для аналоговой PDN, поскольку вам следует заботиться только о том, что происходит в очень узкой полосе пропускания. №3 более важен для цифровых компонентов, которые имеют широкую полосу пропускания.

Перспектива демпфирования

Эти три метода в некоторой степени исключают друг друга. Последовательное добавление катушки индуктивности между разделительным конденсатором и ИС увеличит импеданс любых высокочастотных сигналов (включая сигнал вызова), распространяющихся по направлению к нагрузке, но также уменьшит резонансную частоту.Кроме того, это уменьшит постоянную демпфирования на больший уровень, поскольку резонансная частота только обратно пропорциональна квадратному корню из индуктивности. Следовательно, если отклик развязывающего конденсатора уже чрезмерно демпфирован, добавление последовательной катушки индуктивности между развязывающим конденсатором и нагрузкой может приблизить отклик к критическому затуханию.

Если ответ, наблюдаемый на шине питания, уже недостаточно демпфирован, вам необходимо увеличить постоянную демпфирования и уменьшить амплитуду звонка.Один простой способ — использовать конденсатор с большим эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Обратите внимание, что электролитические конденсаторы, как правило, имеют более высокие значения ESR. Другой вариант — добавить резистор и катушку индуктивности перед соответствующей ИС, как показано на схеме ниже:

Сеть с полной развязкой с байпасным конденсатором

Обратите внимание, что L в приведенной выше модели равна индуктивности проводника (например, индуктивности силовой плоскости), ведущего к нагрузке, плюс значение развязывающей индуктивности.Константа демпфирования в эквивалентной цепи RLC, образованной нагрузкой, развязывающим конденсатором, L и R, равна обычному значению для последовательной цепи RLC. Добавление катушки индуктивности снижает собственную резонансную частоту, а добавление небольшого резистора R может увеличить демпфирование в цепи. Когда R равно критическому значению, показанному выше, тогда переходная характеристика в этой цепи будет критически демпфирована.

Резисторы

отлично подходят для добавления демпфирования. К сожалению, вы теряете мощность, поэтому резистор хорош только тогда, когда он имеет низкое значение, чтобы не падать слишком много напряжения.Альтернативный способ посмотреть на демпфирование — вынуть резистор и просто рассмотреть емкость развязки / байпаса с любой индуктивностью между ними и нагрузкой.

Альтернативная развязывающая сеть

Показанная выше сеть увеличит падение напряжения постоянного тока по всей PDN, поэтому существует альтернативная развязывающая сеть, обеспечивающая критическое демпфирование:

Альтернативная развязывающая сеть с байпасным конденсатором

Эти уравнения сообщают вам, каковы ограничения на байпасную и развязывающую емкости для заданных значений ESR, ESL и L, которые дадут вам критическое демпфирование.Обратите внимание, что L не обязательно является реальной катушкой индуктивности; мы могли бы смотреть на индуктивность шины питания.

В этой сети критическое сопротивление такое же, как и в предыдущей сети. Однако существует также ограничение на номиналы разделительных и байпасных конденсаторов (показано выше). Увеличение демпфирующего сопротивления между указанными выше пределами приведет к переходу отклика в режим сверхдемпфирования, тем самым замедляя общий отклик развязывающего конденсатора.

Последние мысли об импедансе PDN

Важно помнить о роли индуктивности в любом PDN, будь то паразитный элемент или он намеренно размещен. С точки зрения схемы заявляется, что байпасный конденсатор, помещенный между выводами питания и заземления на нагрузке, будет обеспечивать путь с низким импедансом к земле для высоких частот, в основном снижая общее сопротивление PDN ниже частоты собственного резонанса конденсатора и делая PDN похожим на фильтр нижних частот. Индуктивность контрпродуктивна и в конечном итоге превращает импеданс в чисто индуктивный.

Это должно проиллюстрировать точку размещения развязывающих конденсаторов на PDN вместе с байпасными конденсаторами рядом с большими ИС. Разделительные конденсаторы обеспечивают набор параллельно включенных элементов с низким импедансом с целью создания общего низкого импеданса в PDN.

При разработке PDN для вашей печатной платы вам потребуются инструменты компоновки и моделирования в Altium Designer, чтобы убедиться, что ваша плата не имеет проблем с целостностью питания и целостностью сигнала. Использование моделирования схем поможет вам уточнить выбор и компоновку компонентов, а также позволит визуализировать поведение электрических цепей в PDN во время переходного процесса.

Свяжитесь с нами или загрузите бесплатную пробную версию, если вы хотите узнать больше об Altium Designer. У вас будет доступ к лучшим в отрасли инструментам для трассировки, компоновки и моделирования. Обратитесь к эксперту Altium сегодня, чтобы узнать больше.

Ферритовые бусины: раскрытие тайны | Analog Devices

Введение

Эффективным методом фильтрации высокочастотного шума источника питания и чистого разделения одинаковых шин питания (то есть аналоговых и цифровых шин для ИС со смешанными сигналами) при сохранении высокочастотной изоляции между общими шинами является использование ферритовых шариков.Ферритовый шарик — это пассивное устройство, которое фильтрует энергию высокочастотного шума в широком диапазоне частот. Он становится резистивным во всем предполагаемом диапазоне частот и рассеивает энергию шума в виде тепла. Ферритовый валик соединен последовательно с шиной источника питания и часто объединяется с конденсаторами для заземления с обеих сторон валика. Это формирует сеть фильтра нижних частот, дополнительно уменьшая высокочастотный шум источника питания.

Однако неправильное использование ферритовых бусинок в конструкции системы может привести к некоторым вредным проблемам.Некоторыми примерами являются нежелательный резонанс из-за объединения борта с разделительным конденсатором для фильтрации нижних частот и эффект зависимости постоянного тока смещения, который ухудшает способность бусины подавлять электромагнитные помехи. При правильном понимании и рассмотрении поведения ферритового шарика этих проблем можно избежать.

В этой статье обсуждаются важные соображения, которые необходимо учитывать разработчикам систем при использовании ферритовых шариков в системах электропитания, таких как импеданс vs.частотные характеристики с изменяющимся постоянным током смещения и нежелательными эффектами ЖК-резонанса. В конечном итоге, чтобы решить проблему нежелательного резонанса, будут представлены методы демпфирования и будет представлено сравнение эффективности каждого метода демпфирования.

Устройство, используемое для демонстрации эффекта ферритовых шариков в качестве выходного фильтра, представляет собой импульсный стабилизатор постоянного тока 2 A / 1,2 A с независимыми положительным и отрицательным выходами (ADP5071). Ферритовые бусины, используемые в статье, в основном представляют собой корпуса для поверхностного монтажа чипового типа.

Упрощенная модель и моделирование ферритового шарика

Ферритовый валик можно смоделировать как упрощенную схему, состоящую из резисторов, катушки индуктивности и конденсатора, как показано на рисунке 1a. R _DC соответствует сопротивлению шарика постоянному току. C _PAR , L _BEAD и R _AC — это (соответственно) паразитная емкость, индуктивность валика и сопротивление переменному току (потери в сердечнике переменного тока), связанные с валиком.

Рисунок 1. (a) Упрощенная модель схемы и (b) график ZRX, измеренный Tyco Electronics BMB2A1000LN2.Ферритовые шарики

подразделяются на три области отклика: индуктивные, резистивные и емкостные. Эти области можно определить, посмотрев на график ZRX (показанный на рисунке 1b), где Z — полное сопротивление, R — сопротивление, а X — реактивное сопротивление шарика. Для уменьшения высокочастотного шума валик должен находиться в резистивной области; это особенно желательно для приложений фильтрации электромагнитных помех (EMI). Компонент действует как резистор, который препятствует высокочастотному шуму и рассеивает его в виде тепла.Резистивная область возникает после частоты кроссовера шарика (X = R) и до точки, где шарик становится емкостным. Эта емкостная точка возникает на частоте, где абсолютное значение емкостного реактивного сопротивления (–X) эквивалентно R.

В некоторых случаях упрощенная модель схемы может использоваться для аппроксимации характеристики импеданса ферритового шарика до субгигагерцового диапазона.

В качестве примера используется многослойная ферритовая бусина Tyco Electronics BMB2A1000LN2. На рисунке 1b показан измеренный ZRX-отклик BMB2A1000LN2 при нулевом постоянном токе смещения с использованием анализатора импеданса.

Для области на измеренном графике ZRX, где бусинка кажется наиболее индуктивной (Z ≈ X _L ; LBEAD), индуктивность борта рассчитывается по следующему уравнению:

где:

f — это частотная точка в любом месте области, где бусина кажется индуктивной. В этом примере f = 30,7 МГц. X _L — реактивное сопротивление при 30,7 МГц, что составляет 233 Ом.

Уравнение 1 дает значение индуктивности (L _BEAD ), равное 1.208 мкГн.

Для области, где бусина кажется наиболее емкостной (Z ≈ | X _C |; C _PAR ), паразитная емкость рассчитывается по следующему уравнению:

где:

f — это частотная точка в любом месте области, где шарик кажется емкостным. В этом примере f = 803 МГц | X _C | — реактивное сопротивление на частоте 803 МГц, равное 118,1 Ом.

Уравнение 2 дает значение паразитной емкости (C _PAR ), равное 1.678 пФ.

Сопротивление постоянному току (R _DC ), равное 300 мОм, берется из технических данных производителя. Сопротивление переменному току (R _AC ) — это пиковое сопротивление, при котором валик выглядит чисто резистивным. Рассчитайте R _AC , вычтя R _DC из Z. Поскольку R _DC очень мало по сравнению с пиковым импедансом, им можно пренебречь. Следовательно, в этом случае R _AC составляет 1,082 кОм. Инструмент моделирования цепей ADIsimPE на базе SIMetrix / SIMPLIS использовался для расчета зависимости импеданса отчастотная характеристика. На рисунке 2a показана имитационная модель схемы с рассчитанными значениями, а на рисунке 2b показаны как фактические измерения, так и результаты моделирования. В этом примере кривая импеданса модели имитации схемы полностью совпадает с измеренной.

Рисунок 2. (a) Имитационная модель схемы и (b) Фактическое измерение в сравнении с симуляцией.

Модель ферритового шарика может быть полезна при проектировании и анализе схем фильтрации шума. Например, аппроксимация индуктивности шарика может быть полезна при определении отсечки резонансной частоты в сочетании с разделительным конденсатором в сети фильтра нижних частот.Однако модель схемы, указанная в этой статье, является приближением с нулевым постоянным током смещения. Эта модель может изменяться в зависимости от постоянного тока смещения, а в других случаях требуется более сложная модель.

Рекомендации по току смещения постоянного тока

Выбор правильного ферритового шарика для силовых приложений требует тщательного рассмотрения не только полосы пропускания фильтра, но и характеристик импеданса шарика по отношению к постоянному току смещения. В большинстве случаев производители указывают только импеданс шарика при 100 МГц и публикуют спецификации с кривыми частотной характеристики при нулевом постоянном токе смещения.Однако при использовании ферритовых шариков для фильтрации источника питания ток нагрузки, проходящий через ферритовый шарик, никогда не равен нулю, и по мере увеличения постоянного тока смещения от нуля все эти параметры значительно изменяются.

По мере увеличения постоянного тока смещения материал сердечника начинает насыщаться, что значительно снижает индуктивность ферритового валика. Степень насыщения индуктивности зависит от материала сердечника компонента. На рис. 3а показана типичная зависимость индуктивности от смещения постоянного тока для двух ферритовых бусинок.При 50% номинального тока индуктивность уменьшается до 90%.

Рис. 3. (a) Влияние постоянного тока смещения на индуктивность шарика и кривые импеданса по отношению к постоянному току смещения для: (b) шарика TDK MPZ1608S101A и (c) шарика Würth Elektronik 742 792 510.

Для эффективной фильтрации шума источника питания в соответствии с рекомендациями по проектированию следует использовать ферритовые шарики с номинальным постоянным током примерно на 20%. Как показано в этих двух примерах, индуктивность при 20% номинального тока падает примерно до 30% для бусинки на 6 А и примерно до 15% для бусины на 3 А.Текущий рейтинг ферритовых шариков является показателем максимального тока, который устройство может выдержать при заданном повышении температуры, и не является реальной рабочей точкой для целей фильтрации.

Кроме того, влияние постоянного тока смещения может наблюдаться в снижении значений импеданса по частоте, что, в свою очередь, снижает эффективность ферритового шарика и его способность устранять электромагнитные помехи. На рисунках 3b и 3c показано, как импеданс ферритового шарика изменяется в зависимости от постоянного тока смещения.При приложении всего 50% номинального тока эффективное сопротивление на частоте 100 МГц резко падает со 100 Ом до 10 Ом для TDK MPZ1608S101A (100 Ом, 3 А, 0603) и с 70 Ом до 15 Ом для Würth Elektronik 742 792. 510 (70 Ом, 6 А, 1812 г.).

Разработчики систем должны полностью осознавать влияние постоянного тока смещения на индуктивность шарика и эффективное сопротивление, так как это может иметь решающее значение в приложениях, требующих высокого тока питания.

LC Резонансный эффект

Резонансный пик возможен при использовании ферритовой бусины вместе с разделительным конденсатором.Этот часто игнорируемый эффект может быть вредным, поскольку он может усиливать пульсации и шум в данной системе, а не ослаблять их. Во многих случаях этот пик возникает около популярных частот переключения преобразователей постоянного тока в постоянный.

Пик возникает, когда резонансная частота сети фильтра нижних частот, образованная индуктивностью ферритового шарика и развязывающей емкостью с высокой добротностью, ниже частоты кроссовера шарика. Полученный фильтр недостаточно демпфирован. На рисунке 4а показано измеренное сопротивление в зависимости отчастотный график TDK MPZ1608S101A. Резистивная составляющая, от которой зависит рассеивание нежелательной энергии, не становится значимой до тех пор, пока не достигнет диапазона примерно от 20 МГц до 30 МГц. Ниже этой частоты ферритовый шарик по-прежнему имеет очень высокую добротность и действует как идеальный индуктор. Резонансные частоты LC для типичных шариковых фильтров обычно находятся в диапазоне от 0,1 МГц до 10 МГц. Для типичных частот переключения в диапазоне от 300 кГц до 5 МГц требуется дополнительное демпфирование для уменьшения Q фильтра.

Рис. 4. (a) График TDK MPZ1608S101A ZRX и (b) отклик S21 для ферритового шарика и конденсаторного фильтра нижних частот.

В качестве примера этого эффекта на рисунке 4b показана частотная характеристика S21 шарикового и конденсаторного фильтра нижних частот, которая демонстрирует эффект усиления. Используемый ферритовый шарик — TDK MPZ1608S101A (100 Ом, 3 А, 0603), а в качестве развязывающего конденсатора используется керамический конденсатор Murata GRM188R71h203KA01 с низким ESR (10 нФ, X7R, 0603). Ток нагрузки находится в диапазоне микроампер.

Незатухающий фильтр с ферритовыми шариками может демонстрировать пики от приблизительно 10 дБ до приблизительно 15 дБ в зависимости от добротности схемы фильтра.На рисунке 4b пик наблюдается на частоте около 2,5 МГц с усилением до 10 дБ.

Кроме того, можно увидеть усиление сигнала от 1 МГц до 3,5 МГц. Этот пик проблематичен, если он возникает в полосе частот, в которой работает импульсный стабилизатор. Это усиливает нежелательные артефакты переключения, которые могут нанести ущерб производительности чувствительных нагрузок, таких как контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), генераторы, управляемые напряжением (ГУН), и аналого-цифровые преобразователи высокого разрешения (АЦП). Результат, показанный на рисунке 4b, был получен при очень небольшой нагрузке (в диапазоне микроампер), но это реалистичное применение в секциях цепей, которым требуется ток нагрузки всего от нескольких микроампер до 1 мА, или в секциях, которые отключены до экономить электроэнергию в некоторых режимах работы.Этот потенциальный пик создает дополнительный шум в системе, который может создавать нежелательные перекрестные помехи.

В качестве примера на рисунке 5 показана прикладная схема ADP5071 с реализованным фильтром шариков, а на рисунке 6 показан спектральный график на положительном выходе. Частота коммутации составляет 2,4 МГц, входное напряжение — 9 В, выходное напряжение — 16 В, а ток нагрузки — 5 мА.

Рис. 5. Схема приложения ADP5071 с реализацией фильтра нижних частот из шариков и конденсаторов на положительном выходе.Рис. 6. Спектральный выход ADP5071 при нагрузке 5 мА.

Резонансный пик возникает на частоте около 2,5 МГц из-за индуктивности шарика и керамического конденсатора 10 нФ. Вместо ослабления основной частоты пульсаций на 2,4 МГц происходит усиление 10 дБ.

Другими факторами, влияющими на резонансные пики, являются последовательное сопротивление и полное сопротивление нагрузки ферритового фильтра. Пики значительно уменьшаются и демпфируются для повышения сопротивления источника. Однако при таком подходе регулирование нагрузки ухудшается, что делает его нереалистичным на практике.Выходное напряжение падает с током нагрузки из-за падения последовательного сопротивления. Сопротивление нагрузки также влияет на пиковый отклик. Пиковая нагрузка хуже при малой нагрузке.

Методы демпфирования

В этом разделе описаны три метода демпфирования, которые может использовать системный инженер для значительного снижения уровня резонансного пика (см. Рисунок 7).

Рисунок 7. Фактическая частотная характеристика для различных методов демпфирования.

Метод A заключается в добавлении последовательного резистора к цепи разделительного конденсатора, который гасит резонанс системы, но снижает эффективность байпаса на высоких частотах.Метод B заключается в добавлении небольшого параллельного резистора поперек ферритового шарика, который также гасит резонанс системы. Однако характеристика затухания фильтра снижается на высоких частотах. На рисунке 8 показана кривая зависимости полного сопротивления от частоты MPZ1608S101A с параллельным резистором 10 Ом и без него. Светло-зеленая пунктирная кривая — это полное сопротивление шарика с параллельно включенным резистором 10 Ом. Импеданс бусинки и резистора значительно снижен, и в нем преобладает резистор 10 Ом.Однако частота кроссовера 3,8 МГц для бусины с параллельным резистором 10 Ом намного ниже, чем частота кроссовера отдельного бусинки на 40,3 МГц. Бусина кажется резистивной в гораздо более низком частотном диапазоне, снижая добротность для улучшения демпфированных характеристик.

Рисунок 8. (a) график MPZ1608S101A ZRX и (b) график MPZ1608S101A ZRX, увеличенный вид.

Метод C состоит из добавления большого конденсатора (C _DAMP ) с последовательным демпфирующим резистором (R _DAMP ), что часто является оптимальным решением.

Добавление конденсатора и резистора снижает резонанс системы и не снижает эффективность байпаса на высоких частотах. Реализация этого метода позволяет избежать чрезмерного рассеивания мощности на резисторе из-за большого блокирующего конденсатора постоянного тока. Конденсатор должен быть намного больше, чем сумма всех разделительных конденсаторов, что снижает требуемое значение демпфирующего резистора. Импеданс конденсатора должен быть значительно меньше демпфирующего сопротивления на резонансной частоте, чтобы уменьшить пик.

На рисунке 9 показан график положительного выходного сигнала ADP5071 с демпфированием по методу C, реализованным в прикладной схеме, показанной на рисунке 5. Используемые C _DAMP и R _DAMP представляют собой керамический конденсатор 1 мкФ и резистор SMD 2 Ом соответственно. Основная пульсация на частоте 2,4 МГц снижается на 5 дБ по сравнению с усилением 10 дБ, показанным на рисунке 9.

Рис. 9. Спектральный выход ADP5071 плюс бусинный и конденсаторный фильтр нижних частот с демпфированием по методу C.

Как правило, метод C является наиболее элегантным и реализуется путем добавления резистора последовательно с керамическим конденсатором вместо покупки дорогостоящего специального демпфирующего конденсатора.Самые безопасные конструкции всегда включают в себя резистор, который можно настроить во время прототипирования и который можно исключить, если в этом нет необходимости. Единственные недостатки — это дополнительная стоимость компонентов и большее требуемое место на плате.

Заключение

В этой статье приведены основные соображения, которые необходимо учитывать при использовании ферритовых бусинок. Также подробно описывается простая схемная модель, представляющая бусину. Результаты моделирования показывают хорошую корреляцию между фактическим измеренным импедансом и частотной характеристикой при нулевом постоянном токе смещения.

В этой статье также обсуждается влияние постоянного тока смещения на характеристики ферритового шарика. Он показывает, что постоянный ток смещения, превышающий 20% номинального тока, может вызвать значительное падение индуктивности шарика. Такой ток может также снизить эффективное сопротивление шарика и ухудшить его способность фильтрации электромагнитных помех. При использовании ферритовых шариков в шине питания с постоянным током смещения убедитесь, что ток не вызывает насыщения ферритового материала и не вызывает значительного изменения индуктивности.

Поскольку ферритовый шарик является индуктивным, не используйте его с развязывающими конденсаторами с высокой добротностью без особого внимания. Это может принести больше вреда, чем пользы, поскольку вызывает нежелательный резонанс в цепи. Однако методы демпфирования, предложенные в этой статье, предлагают простое решение за счет использования большого разделительного конденсатора последовательно с демпфирующим резистором через нагрузку, что позволяет избежать нежелательного резонанса. Правильная установка ферритовых бусинок может быть эффективным и недорогим способом снизить высокочастотный шум и переходные процессы при переключениях.

Рекомендации

AN-583 Замечания по применению, Проектирование силовых изолирующих фильтров с ферритовыми шариками для ПЛИС Altera. Корпорация Альтера.

Руководство по применению шумоподавления и развязки источников питания для цифровых ИС. Murata Manufacturing Co., Ltd.

Беркет, Крис. «Не все ферритовые шарики созданы одинаковыми — понимание важности поведения материала ферритовых шариков». Корпорация TDK.

Эко, Джефферсон и Олдрик Лимжоко. Рекомендации по применению AN-1368: раскрытие мифов о ферритовых шариках. Analog Devices, Inc.

Фанчер, Дэвид Б. «Ферритовые шарики ILB, ILBB: электромагнитные помехи и электромагнитная совместимость (EMI / EMC)». Вишай Дейл.

Хилл, Ли и Рик Мидорс. «Стюард EMI Подавление». Стюард.

Кундерт, Кен. «Снижение шума источника питания». Руководство дизайнера Consulting, Inc.

Уир, Стив. «ПДН Применение ферритовых шариков.ООО «ИПБЛОКС».

Благодарности

Авторы выражают признательность Джеффу Уиверу, Доналу О’Салливану, Луке Вассалли и Пату Михану (Университет Лимерика, Ирландия) за их техническую экспертизу и вклад.

R-C Snubbing для лаборатории

По мере повышения эффективности источников питания сопротивление цепей имеет тенденцию к снижению. Это может привести к созданию высокочастотных цепей, потенциально способных вызвать большие выбросы напряжения и длительное время спада.Это может вызвать перенапряжение в полупроводниках, что ограничивает эффективность и надежность схемы.

Демпфирование этих высокочастотных цепей простой цепью резистор-конденсатор обеспечивает демпфирование, которое сводит к минимуму звон и перенапряжение.

Базовая схема, показанная на рис. 1 , служит полезной моделью. L1 и C1 образуют резонансный контур, который демпфируется RL. В реальном приложении сложно использовать RL для демпфирования, потому что он либо физически слишком велик, либо слишком далеко, чтобы работать как реальная резистивная нагрузка на частоте вызывного сигнала, которая обычно находится в диапазоне МГц.

Рисунок 1.

Когда схема на Рисунке 1 стимулируется прямоугольной волной с пиком 10 В на V (1), выход на V (2) звонит. В этой схеме напряжения компонентов увеличены почти вдвое. Стимул 10 В дает ответ 19 В. График на рис. 2 показывает V (1) (верхняя кривая) и V (2) (нижняя кривая). На этой частоте вызывного сигнала 10 МГц может быть трудно предсказать, как будут вести себя отдельные компоненты схемы.

Рисунок 2.

Очень простой метод определения оптимального демпфера для данной цепи — это найти компоненты резонансного резервуара L-C.Если фактическая схема резервуара неизвестна, попробуйте добавить конденсатор между подозреваемыми узлами, пока не будет наблюдаться изменение частоты вызывного сигнала. Если все возможные узлы в цепи исчерпаны, попробуйте переместить кусок феррита ближе к плате. Когда высокопроницаемый феррит взаимодействует с токовой петлей в резервуаре, его компоненты можно идентифицировать, наблюдая снижение частоты. Как только баковый конденсатор найден, добавляйте к нему емкость, пока частота вызывного сигнала не уменьшится вдвое.Частота вызывного сигнала уменьшается вдвое путем возведения в квадрат значения общей емкости, а затем добавления последовательного сопротивления к конденсатору до тех пор, пока не будет достигнуто приемлемое демпфирование. Эта демпферная цепь образована RS и CS и показана на рис. 3 .

Рисунок 3.

Зная, сколько емкости необходимо для уменьшения частоты вдвое, легко определить индуктивность цепи по формуле

где C1 и F — исходная емкость цепи и частота вызывного сигнала.Поскольку для уменьшения частоты вдвое требуется C1 плюс 3 добавленных C1, исходная емкость схемы рассчитывается путем деления добавленной емкости на три. Оптимальный резистор для гашения выброса — это удвоенное индуктивное сопротивление на новой резонансной частоте. Например, если в схеме используется кольцо 100 нс, а добавление конденсатора 1500 пФ уменьшает период до 200 нс, расчетные значения для C1 и L2 составляют 500 пФ и 500 нГн соответственно. Индуктивное сопротивление тогда

Поскольку новая частота равна 5 МГц, а L1 — 500 нГн, отсюда следует, что Z равно 15.7 Ом. Чтобы найти оптимальный резистор, умножьте это индуктивное сопротивление на два: для этой схемы — 32 Ом. Результирующие выбросы и затухание значительно уменьшаются, как показано на графиках , рис. 4 .

Рис. 4.

Мощность, рассеиваемая в резисторе RS, может быть приблизительно рассчитана, если предположить, что энергия, запасенная в добавленном конденсаторе, теряется в резисторе при каждом переходе, или

где P — мощность, рассеиваемая в резисторе, в ваттах, CS — добавленная емкость, Vpk — пиковое напряжение конденсатора, а Ft — частота переключения (два перехода за цикл).В этой схеме на частоте 100 кГц RS рассеивает приблизительно 31 мВт. Это только приблизительное значение размера резистора и его влияния на схему. Для более точного расчета рассеиваемой мощности необходимо знать истинное среднеквадратичное значение тока через резистор RS.

Если требуется дальнейшее снижение напряжения вызывного сигнала, увеличивайте емкость резервуара до тех пор, пока не будет получено трехкратное снижение частоты вызывного сигнала. Это сокращение будет происходить за счет потери мощности, поскольку схема должна управлять в 9 раз большей емкостью.