Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором. Блок питания с гасящим конденсатором схема расчет

Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

Блок питания с гасящим конденсатором представляет собой простейший вариант запитать какое нибудь маломощное устройство.

При всей своей простоте он имеет и два минуса:1. Он гальванически связан с сетью! потому такие БП используются там, где нет вероятности прикосновения к контактам.2. Такой Бп имеет не очень большой выходной ток. При увеличении выходного тока надо увеличивать емкость гасящего конденсатора и его габариты становятся существенными.

Внимание, будьте очень аккуратны, не прикасайтесь к контактам этого БП когда он включен.

Простейшая схема данного БП выглядит так: Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

Как можно увидеть из схемы, последовательно с сетью стоит конденсатор. Он то и является балластом,, на котором гасится часть напряжения.Конденсатор не пропускает постоянный ток, но так как в сети переменный и конденсатор в итоге постоянно перезаряжется, то и получается, что в таком случае ток на выходе есть. Причем сила тока напрямую зависит от емкости конденсатора.

Собственно потому для расчета емкости конденсатора необходимо знать как минимум выходной ток нашего будущего БП, причем надо учесть и потребление стабилизатора, обычно это несколько мА.

И так. Есть две формулы, сложная и простая.Сложная - подходит для расчета при произвольном выходном напряжении.Простая - подходит в ситуациях, когда выходное напряжение не более 10% от входного. I - выходной ток нашего БПUвх - напряжение сети, например 220 ВольтUвых - напряжение на выходе БП (или до стабилизаторе если такой есть), например 12 Вольт.С - собственно искомая емкость. Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

Например я хочу сделать БП с выходным током до 150мА. Пример схемы приведен выше, вариант применения - радиопульт с питанием 5 Вольт + реле на 12 Вольт.Подставляем наши 0.15 Ампера и получаем емкость 2.18мкФ, можно взять ближайший номинал из стандартных - 2,2мкФ, ну или "по импортному" - 225. Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

Все как бы вроде хорошо, схема простая, но есть несколько минусов, которые надо исключить:1. Бросок тока при включении может сжечь диодный мост.2. При выходе из строя конденсатора может быть КЗ3. Если оставить как есть, то вполне можно получить разряд от входного конденсатора, так как на нем может долго присутствовать напряжение даже после отключения БП от сети.4. При снятии нагрузки напряжение на конденсаторе до стабилизатора поднимется до довольно большого значения.

Решения:1. Резистор R1 последовательно с конденсатором2. Предохранитель 0.5 Ампера.3. Резистор R2 параллельно конденсатору.4. Супрессор на 12 Вольт параллельно конденсатору после диодного моста. Я не рекомендую здесь использовать стабилитроны, супрессоры рассчитаны на большую мощность рассеивания и схема будет работать надежнее.

На схеме красным цветом я выделил новые компоненты, синим - небольшое дополнение в виде светодиода. Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

Но гасящие конденсаторы используют часто и в дешевых светодиодных лампах. Это плохо, так как у таких ламп меньше надежность и часто высокие пульсации света.Ниже упрощенный вариант схемы такой лампы. Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

Попробуем рассчитать емкость для такого применения, но так как напряжение на выходе будет явно больше чем 1/10 от входного, то применим первую формулу.В качестве выходного напряжения я заложил 48 Вольт, 16 светодиодов по 3 Вольта на каждом. Конечно это все условно, но близко к реальности.Ток - 20мА, типичный максимальный ток для большинства индикаторных светодиодов.

У меня вышло, что необходим конденсатор емкостью 0.298 мкФ. Ближайший из распространенных номиналов - 0.27 или 0.33мкФ. Первый встречается гораздо реже, а второй уже будет давать превышение тока, потому можно составить конденсатор из двух параллельных, например по 0.15мкФ. При параллельном включении емкость складывается. Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

С емкостью разобрались, осталось еще пара моментов:1. Напряжение конденсатора2. Тип конденсатора.

С напряжением все просто, можно применить конденсатор на 400 Вольт, но надежнее на 630, хоть они и имеют больше размер.

С типом чуть сложнее. Для такого применения лучше использовать конденсаторы, которые изначально предназначены для такого использования, например К73-17, CL21, X2На фото конденсатор CL21 Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

А это более надежный вариант, не смотрите что на нем указано 280 Вольт, у него это значение переменного действующего напряжения и он будет работать надежнее, чем К73-17 или CL21. Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

Такие конденсаторы могут выглядеть и так Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

А вот теперь можно еще раз внимательно посмотреть, что надо для того, чтобы собрать такой "простой" блок питания и решить, нужен ли он.В некоторых ситуациях да, он поможет, но он имеет кучу минусов, потому на мой взгляд лучше применить просто небольшой импульсный блок питания, который уже имеет стабилизированное выходное напряжение, гальваническую изоляцию и больший выходной ток.Как пример таких блоков питания я могу дать ссылку на подробный обзор четырех вариантов, с тестами, схемами и осмотров. Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

Но можно поступить еще лучше. Сейчас получили распространение монолитные блоки питания. По сути кубик, в котором находится миниатюрный БПНапример HLK-PM01 производства Hi-link, стоимостью около двух долларов за штуку. Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

Или их китайский аналог TSP-05 производства Tenstar robot. Они немного дешевле, 1.93 доллара за штуку. Практика показала, что качество у них сопоставимое. Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

Как я писал выше, они представляют из себя импульсный Бп в модульном исполнении. БП в пластмассовом корпусе залитый эпоксидной смолой.Выпускаются на разные напряжения и способны поддерживать его на довольно стабильном уровне. Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

Внутренности поближе, на фото вариант от Hi-link Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

На этом вроде все. Надеюсь, что статья была полезна, постараюсь и в будущем находить интересные темы. Также интересны пожелания, что хотелось бы видеть в рубрике - Начинающим.

www.kirich.blog

Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором

РАСЧЕТ СЕТЕВОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ С ГАСЯЩИМ КОНДЕНСАТОРОМ

С. БИРЮКОВ, г. Москва

Методика расчета бестрансформаторных источников питания с гасящим конденсатором, предложенная М. Дорофеевым ("Бестрансформаторный с гасящим конденсатором" в "Радио", 1995, Ns 1), во-первых, весьма сложна, неудобна для проектирования блока питания с выходным напряжением менее 20 В, а во-вторых, она не во всем безошибочна. Автор помещенной ниже статьи предлагает альтернативную методику, обеспечивающую высокую точность расчета, проверенную многолетней практикой.

Для малых значешй выходного напряжения

В таком источнике питания к сети переменного напряжения подключены последовательно соединенные конденсатор и нагрузка. Рассмотрим вначале работу источника с чисто резистивной нагрузкой (рис.1,а).

Из курса электротехники известно, что полное сопротивление последовательно включенных конденсатора С1 и резистора Рн равно:

где Xc1=1/2n*f*C1 - емкостное сопротивление конденсатора на частоте f. Поэто-

Рис.1

му эффективный переменный ток в цепи Iэфф=Uс/Z (Uc - напряжение питающей сети). Нагрузочный ток связан с емкостью конденсатора, выходным напряжением источника и напряжением сети следую

Для малых значений выходного напряжения

Iэфф=2л*f*С1*Uс.

В качестве примера, полезного в практике, проведем расчет гасящего конденсатора для включения в сеть 220 В паяльника на 127 В мощностью 40 Вт. Необходимое эффективное значение тока нагрузки Iэфф=40/127=0,315 А. Расчетная емкость гасящего конденсатора

Для работы нагревательных приборов важно значение именно эффективного тока. Однако, если нагрузкой является, например, аккумуляторная батарея, включенная в диагональ выпрямительного моста (рис. 1 ,б), заряжать ее будет уже сред-невыпрямленный (пульсирующий) ток, численное значение которого меньше Iэфф:

(1)

В радиолюбительской практике часто используют источник, в котором гасящий конденсатор включен в сеть последовательно с диодным мостом, а нагрузка, за-шунтированная другим конденсатором, питается от выходной диагонали моста (рис. 2). В этом случае цепь становится резко нелинейной и форма тока, протекающего через мост и гасящий конденсатор, будет отличаться от синусоидальной. Из-за этого представленный выше расчет оказывается неверным.

Каковы процессы, происходящие в источнике со сглаживающим конденсатором С2 емкостью, достаточной для того, чтобы считать пульсации выходного напряжения пренебрежимо малыми? Для гасящего конденсатора С1 диодный мост (вместе с С2 и Rн) в установившемся режиме представляет собой некий эквивалент симметричного стабилитрона. При напряжении на этом эквиваленте, меньшем некоторого значения (оно практически равно напряжению Uвых на конденсаторе С2), мост закрыт и тока не проводит, при большем - через открытый мост течет ток, не давая увеличиваться напряжению на входе моста.

Рассмотрение начнем с момента ti, когда напряжение сети максимально (рис. 3). Конденсатор С1 заряжен до амплитудного напряжения сети Uс.амп за вычетом напряжения на диодном мосте uм, примерно равного Uвых. Ток через конденсатор С1 и закрытый мост равен нулю. Напряжение в сети уменьшается по косинусоидальному закону (график 1), на мосте также уменьшается (график 2), а напряжение на конденсаторе С1 не меняется.

Рис. 2

Ток конденсатора останется нулевым до тех пор, пока напряжение на диодном мосте, сменив знак на противоположный, не достигнет значения -Uвых (момент t2). В этот момент появится скачком ток lei через конденсатор С1 и мост. Начиная с момента t2, напряжение на мосте не меняется, а ток определяется скоростью изменения напряжения сети и, следовательно, будет точно таким же, как если бы к сети был подключен только конденсатор С1 (график 3).

Когда напряжение сети достигнет отрицательного амплитудного значения (момент t3), ток через конденсатор С1 снова станет равным нулю. Далее процесс повторяется каждый полупериод.

Ток через мост протекает лишь в интервале времени от t2 до t3, его среднее значение может быть рассчитано как площадь заштрихованной части синусоиды на графике 3. Несложные расчеты, требующие, однако, знания дифференциального и интегрального исчисления, дают такую формулу для среднего тока Iср через нагрузку Rн:

(2)

При малых значениях выходного напряжения эта формула и ранее полученная (1) дают одинаковый результат. Если в (2) выходной ток приравнять к нулю, получим Uвыx=Uc*2^1/2, т. е. при токе нагрузки, равном нулю (при случайном отключении нагрузки, скажем, из-за ненадежного контакта), выходное напряжение источника становится равным амплитудному напряжению сети. Это означает, что все элементы источника должны выдерживать такое напряжение. При уменьшении тока нагрузки, например, на 10%, выходное напряжение увеличится так, чтобы выражение в скобках также уменьшилось на 10%, т. е. примерно на 30 В (при Uвых=10 В). Вывод - включение стабилитрона параллельно нагрузке Rн (как показано штриховыми линиями на рис. 2) практически обязательно.

Для однополупериодного выпрямителя (рис. 4) ток рассчитывают по следующей формуле:

Естественно, при малых значениях выходного напряжения ток нагрузки будет вдвое меньше, чем для двуполупери-одного выпрямителя, а выходное напряжение при нулевом токе нагрузки - вдвое больше - ведь это выпрямитель с удвоением напряжения!

Порядок расчета источников по схеме на рис. 2 следующий. Вначале задаются выходным напряжением Uвых, максимальным Iн max и минимальным Iнmin значения-ми тока нагрузки, максимальным Uc max и минимальным Uc min значениями напряжения сети. Выше уже было указано, что при меняющемся токе нагрузки обязателен стабилитрон, включенный параллельно нагрузке Rн. Как его выбирать? При минимальном напряжении сети и максимальном токе нагрузки через стабилитрон должен протекать ток не менее допустимого минимального тока стабилизации 1ст min. Можно задаться значением в пределах 3...5 мА. Теперь определяют емкость гасящего конденсатора С1 для двуполупериодного выпрямителя:

С1 =3,5(Iст min+lн max)/(Uc min-0,7Uвыx). (3)

Формула получена из (2) подстановкой соответствующих значений. Ток в ней - в миллиамперах, напряжение - в вольтах; емкость получится в микрофарадах. Результат расчета округляют до ближайшего большего номинала; можно использовать батарею из нескольких конденсаторов, включенных параллельно.

Далее рассчитывают максимальный ток через стабилитрон при максимальном напряжении сети и минимальном потребляемом от источника токе:

Iст max=(Uc mах-0,7Uвых)С1/3,5-Iн min (4)

При отсутствии стабилитрона на необходимое напряжение Uвых, допускающего рассчитанный максимальный ток стабилизации, можно соединить несколько стабилитронов на меньшее напряжение последовательно или применить аналог мощного стабилитрона [1].

Подставлять в формулу (4) минимальный ток нагрузки Iн mm следует лишь тогда, когда этот ток длителен - единицы секунд и более. При кратковременном минимальном токе нагрузки (доли секунды) его надо заменить средним (по времени) током нагрузки. Если стабилитрон допускает ток, больший рассчитанного по формуле (4), целесообразно использовать гасящий конденсатор несколько большей емкости для уменьшения требований к точности его подборки.

При однополупериодной схеме выпрямления (рис. 4) емкость гасящего конденсатора и максимальный ток через стабилитрон рассчитывают по формулам:

vunivere.ru

Блог инженера » Портал инженера

Использование конденсаторов для понижения напряжения, подаваемого на нагрузку от осветительной сети, имеет давнюю историю, В 50-е годы радиолюбители широко применяли в бестрансформаторных источниках питания радиоприемников конденсаторы, которые включали последовательно в цепь нитей накала радиоламп.

Это позволяло устранить гасящий резистор, являющийся источником тепла и нагрева всей конструкции.

В последнее время заметен возврат интереса к источникам питания с гасящим конденсатором.

Присущий всем без исключения подобным устройствам недостаток — повышенная опасность из-за гальванической связи выхода с электрической сетью — ясно осознается, но допускается в расчете на грамотность и аккуратность пользователя. Однако эти сдерживающие факторы недостаточны, чтобы уберечь от беды, отчего бестрансформаторные устройства могут иметь лишь весьма ограниченное применение.

Здесь может представлять интерес компромиссный вариант источника, обеспечивающий электробезопасность, с гасящим конденсатором и простым, доступным начинающему радиолюбителю трансформатором.

Таким трансформатор получится, если напряжение на его первичной обмотке ограничить значением около 30 В.

Для этого достаточно 600...650 витков сравнительно толстого, удобного при намотке провода; ради упрощения можно для обеих обмоток использовать один и тот же провод.

Излишек напряжения здесь примет на себя конденсатор, включенный последовательно с первичной обмоткой (конденсатор должен быть рассчитан на номинальное напряжение не менее 400 В).

По такому принципу целесообразно организовывать питание низковольтных нагрузок с током в первичной цепи (с учетом небольшого коэффициента трансформации) до 0,5 А.

На рис. 6.1 представлена схема подобного устройства, подходящего для питания аудиоплейера.

Трансформатор можно собрать на магнитопроводе Ш12х15. Для намотки подойдет провод ПЭВ-1 диаметром 0,16 мм; число витков первичной и вторичной обмоток — 600 и 120...140, соответственно. Изготовить такой трансформатор удастся, как говорится, «на коленке». Электрическую прочность не менее 2 кВ обеспечит изоляционная прокладка между обмотками из лавсановой пленки толщиной 0,1 мм или конденсаторной бумаги.

Для того чтобы устройство не вышло из строя при отключении нагрузки, к выходу моста VD1...VD4 следует подключить стабилитрон Д815Г.

В нормальном режиме он не работает, поскольку имеет минимальное напряжение стабилизации выше рабочего на выходе моста. Предохранитель FU1 защищает трансформатор и стабилизатор при пробое конденсатора С1.

Для ограничения тока при подключении блока питания к сети последовательно с конденсатором С1 необходимо включить резистор сопротивлением несколько сотен ом, а для разрядки конденсатора после отключения — параллельно ему резистор сопротивлением несколько сотен килоом.

В цепи последовательно соединенных емкостного (конденсатор С1) и индуктивного (трансформатор Т1) сопротивления может возникать резонанс напряжения. Об этом следует помнить при конструировании и налаживании подобных источников питания.

рис. 6.1 Блок питания с гасящим конденсатором

Источник: А.П.Семьян 500 схем для радиолюбителей. Источники питания

ingeneryi.info

Расчет блоков питания | Начинающим

К вспомогательным, но нужным устройствам относятся выключатель SA1, предохранитель FU1 и индикатор включения — миниатюрная лампа накаливания HL1, с номинальным напряжением, несколько большим напряжения вторичной обмотки трансформатора (лампы, горящие с недокалом, гораздо дольше служат).

Стабилизатор напряжения, если он имеется, включается между выходом выпрямителя и нагрузкой. Напряжение на его выходе, как правило, меньше Uвых, и на стабилизаторе тратится заметная мощность.

Начнем с расчета сетевого трансформатора. Его габариты и масса полностью определяются той мощностью, которую должен отдавать блок питания: Рвых = Uвых • Iвых. Если вторичных обмоток несколько, то надо просуммировать все мощности, потребляемые по каждой из обмоток. К посчитанной мощности следует добавить мощность индикаторной лампочки Ринд и мощность потерь на диодах выпрямителя

Pвыпр = 2Unp • Iвых,

где Unp — прямое падение напряжения на одном диоде, для кремниевых диодов оно составляет 0,6... 1 В, в зависимости от тока. Unp можно определить по характеристикам диодов, приводимых в справочниках.

От сети трансформатор будет потреблять мощность, несколько большую рассчитанной, что связано с потерями в самом трансформаторе. Различают "потери в меди" — на нагрев обмоток при прохождении по ним тока — это обычные потери, вызванные активным сопротивлением обмоток, и "потери в железе", вызванные работой по перемагничиванию сердечника и вихревыми токами в его пластинах Отношение потребляемой из сети к отдаваемой мощности равно КПД трансформатора η. КПД маломощных трансформаторов невелик и составляет 60...65 %, возрастая до 90 % и более лишь для трансформаторов мощностью несколько сотен ватт. Итак,

Ртр = (Рвых + Ринд + Рвыпр)/η.

Теперь можно определить площадь сечения центрального стержня сердечника (проходящего сквозь катушку), пользуясь эмпирической формулой:

S2 = Pтр.

В обозначениях магнитопроводов уже заложены данные для определения сечения. Например, Ш25х40 означает ширину центральной части Ш-образной пластины 25 мм, а толщину набора пластин 40 мм. Учитывая неплотное прилегание пластин друг к другу и слой изоляции на пластинах, сечение такого сердечника можно оценить в 8...9 см2 , а мощность намотанного на нем трансформатора — в 65...80 Вт.

Площадь сечения центрального стержня магнитопровода трансформатора S определяет следующий важный параметр — число витков на вольт. Оно не должно быть слишком малым, иначе возрастает магнитная индукция в магнитопроводе, материал сердечника заходит в насыщение, при этом резко возрастает ток холостого хода первичной обмотки, а форма его становится не синусоидальной — возникают большие пики тока на вершинах положительной и отрицательной полуволн. Резко возрастают поле рассеяния и вибрация пластин. Другая крайность — излишнее число витков на вольт — приводит к перерасходу меди и повышению активного сопротивления обмоток. Приходится также уменьшать диаметр провода, чтобы обмотки уместились в окне магнитопровода. Подробнее эти вопросы рассмотрены в [1].

Число витков на вольт n у фабричных трансформаторов, намотанных на стандартном сердечнике из Ш-образных пластин, обычно рассчитывают , из соотношения n = (45...50)/S, где S берется в см2. Определив n и умножив его на номинальное напряжение обмотки, получают ее число витков. Для вторичных обмоток напряжение следует брать на 10 % больше номинального, чтобы учесть падение напряжения на их активном сопротивлении.

Все напряжения на обмотках трансформатора (UI и UII на рис.) берутся в эффективных значениях. Амплитудное значение напряжений будет в 1,41 раза выше. Если вторичная обмотка нагружена на мостовой выпрямитель, то напряжение на выходе выпрямителя Uвых на холостом ходу получается практически равным амплитудному на вторичной обмотке. Под нагрузкой выпрямленное напряжение уменьшается и становится равным:

Uвых=1,41UII - 2Uпр - Iвых rтр.

Здесь rтр — сопротивление трансформатора со стороны вторичной обмотки. С достаточной для практики точностью можно положить rтp = (0,03...0,07)Uвых/Iвых, причем меньшие коэффициенты берутся для более мощных трансформаторов.

Определив числа витков, следует найти токи в обмотках. Ток вторичной обмотки III = Iинд + Pвых/UII. Активный ток первичной обмотки (обусловленный током нагрузки) IIА = Ртр/UI. Кроме того, в первичной обмотке течет еще и реактивный, "намагничивающий" ток, создающий магнитный поток в сердечнике, практически равный току холостого хода трансформатора. Его величина определяется индуктивностью L первичной обмотки: IIр = UI/2пfL.

На практике ток холостого хода определяют экспериментально — у правильно спроектированного трансформатора средней и большой мощности он составляет (0,1...0,3)IIA. Реактивный ток зависит от числа витков на вольт, уменьшаясь с увеличением n. Для маломощных трансформаторов допускают llp = (0,5...0,7)lIA. Активный и реактивный токи первичной обмотки складываются в квадратуре, поэтому полный ток первичной обмотки II2 = IIA2 + IIР2.

Определив токи обмоток, следует найти диаметр провода исходя из допустимой для трансформаторов плотности тока 2...3 А/мм2. Расчет облегчает график, показанный на рис.[2].

www.radiomexanik.spb.ru

Блок питания с гасящим конденсатором — Меандр — занимательная электроника

Читать все новости ➔

Это позволяло устранить гасящий резистор, являющийся источником тепла и нагрева всей конструкции.

В последнее время заметен возврат интереса к источникам питания с гасящим конденсатором.

Таким трансформатор получится, если напряжение на его первичной обмотке ограничить значением около 30 В.

На рис. 1. представлена схема подобного устройства, подходящего для питания аудиоплейера.

Рис.1. Блок питания с гасящим конденсатором

Источник: А.П.Семьян 500 схем для радиолюбителей. Источники питания

Возможно, Вам это будет интересно:

meandr.org

Каталог товаров