Cos f sanftes Laden von Kondensatoren. Reibungsloses Laden der Kapazität: Was soll ich wählen? Sergey Chemezov: Rostec ist bereits einer der zehn größten Maschinenbaukonzerne der Welt

Beim Entwerfen Verstärker-Netzteile Häufig treten Probleme auf, die nichts mit dem Verstärker selbst zu tun haben oder eine Folge der verwendeten Elementbasis sind. Also bei Netzteilen Transistorverstärker Bei hohen Leistungen stellt sich oft das Problem, ein sanftes Einschalten der Stromversorgung zu realisieren, also eine langsame Aufladung der Elektrolytkondensatoren im Glättungsfilter sicherzustellen, die eine sehr große Kapazität haben können und ohne entsprechende Maßnahmen einfach kaputt gehen kann die Gleichrichterdioden beim Einschalten beschädigen.

Bei Netzteilen für Röhrenverstärker jeglicher Leistung ist es notwendig, eine Einspeiseverzögerung vorzusehen hohe Anodenspannung vor dem Aufwärmen der Lampen, um eine vorzeitige Erschöpfung der Kathode und damit eine deutliche Verkürzung der Lampenlebensdauer zu vermeiden. Bei Verwendung eines Kenotron-Gleichrichters löst sich dieses Problem natürlich von selbst. Wenn Sie jedoch einen herkömmlichen Brückengleichrichter mit LC-Filter verwenden, können Sie auf ein zusätzliches Gerät nicht verzichten.

Beide oben genannten Probleme können durch ein einfaches Gerät gelöst werden, das problemlos sowohl in einen Transistor- als auch in einen Röhrenverstärker eingebaut werden kann.

Gerätediagramm.

Das schematische Diagramm des Sanftanlaufgeräts ist in der Abbildung dargestellt:

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Die Wechselspannung an der Sekundärwicklung des Transformators TP1 wird durch die Diodenbrücke Br1 gleichgerichtet und durch den integrierten Stabilisator VR1 stabilisiert. Der Widerstand R1 sorgt für ein reibungsloses Laden des Kondensators C3. Wenn die Spannung an ihm einen Schwellenwert erreicht, öffnet Transistor T1, wodurch das Relais Rel1 betätigt wird. Der Widerstand R2 sorgt für die Entladung des Kondensators C3, wenn das Gerät ausgeschaltet ist.

Inklusionsmöglichkeiten.

Der Anschluss der Relaiskontaktgruppe Rel1 hängt vom Verstärkertyp und der Organisation der Stromversorgung ab.

Zum Beispiel um eine reibungslose Ladung von Kondensatoren im Netzteil zu gewährleisten Transistor-Leistungsverstärker Mit dem vorgestellten Gerät kann der Ballastwiderstand nach dem Laden der Kondensatoren umgangen werden, um Leistungsverluste an diesem zu beseitigen. Eine mögliche Anschlussmöglichkeit ist im Diagramm dargestellt:

Die Werte der Sicherung und des Ballastwiderstands werden nicht angegeben, da sie anhand der Leistung des Verstärkers und der Kapazität der Glättungsfilterkondensatoren ausgewählt werden.

In einem Röhrenverstärker hilft das vorgestellte Gerät dabei, eine Einspeiseverzögerung zu organisieren hohe Anodenspannung bevor sich die Lampen erwärmen, was ihre Lebensdauer deutlich verlängern kann. Eine mögliche Einbindungsoption ist in der Abbildung dargestellt:

Die Verzögerungsschaltung wird hier gleichzeitig mit dem Heiztransformator eingeschaltet. Nach dem Aufwärmen der Lampen schaltet das Relais Rel1 ein, wodurch die Netzspannung an den Anodentransformator angelegt wird.

Wenn Ihr Verstärker einen Transformator verwendet, um sowohl die Lampenfadenkreise als auch die Anodenspannung zu versorgen, sollte die Relaiskontaktgruppe in den Sekundärwicklungskreis verlegt werden Anodenspannung.

Elemente der Einschaltverzögerungsschaltung (Sanftanlauf):

• Sicherung: 220V 100mA,
• Transformator: jeder Niederleistungstransformator mit einer Ausgangsspannung von 12-14 V,
• Diodenbrücke: jede kleine mit Parametern 35V/1A und höher,
• Kondensatoren: C1 – 1000uF 35V, C2 – 100nF 63V, C3 – 100uF 25V,
• Widerstände: R1 – 220 kOhm, R2 – 120 kOhm,
• Transistor: IRF510,
• Integrierter Stabilisator: 7809, LM7809, L7809, MC7809 (7812),
• Relais: mit einer Betriebswicklungsspannung von 9 V (12 V für 7812) und einer Kontaktgruppe entsprechender Leistung.

Aufgrund des geringen Stromverbrauchs können der Stabilisatorchip und der Feldeffekttransistor montiert werden ohne Heizkörper.

Allerdings könnte jemand auf die Idee kommen, auf den zusätzlichen, wenn auch kleinen Transformator zu verzichten und die Verzögerungsschaltung über die Filamentspannung zu versorgen. Wenn man bedenkt, dass der Standardwert der Filamentspannung ~6,3 V beträgt, müssen Sie den L7809-Stabilisator durch einen L7805 ersetzen und ein Relais mit einer Wicklungsbetriebsspannung von 5 V verwenden. Solche Relais verbrauchen normalerweise viel Strom. In diesem Fall müssen die Mikroschaltung und der Transistor mit kleinen Strahlern ausgestattet werden.

Bei Verwendung eines Relais mit 12V-Wicklung (irgendwie üblicher) sollte der integrierte Stabilisatorchip durch einen 7812 (L7812, LM7812, MC7812) ersetzt werden.

Mit den im Diagramm angegebenen Werten von Widerstand R1 und Kondensator C3 Verzögerungszeit Einschlüsse sind in der Größenordnung 20 Sekunden. Um das Zeitintervall zu verlängern, muss die Kapazität des Kondensators C3 erhöht werden.

Der Artikel wurde auf der Grundlage von Materialien aus der Zeitschrift „Audio Express“ erstellt.

Kostenlose Übersetzung durch den Chefredakteur von RadioGazeta.

Wenn Sie einen Widerstand und einen Kondensator verbinden, erhalten Sie vielleicht eine der nützlichsten und vielseitigsten Schaltungen.

Heute habe ich beschlossen, über die vielen Verwendungsmöglichkeiten zu sprechen. Aber zunächst zu jedem Element einzeln:

Die Aufgabe des Widerstands besteht darin, den Strom zu begrenzen. Dabei handelt es sich um ein statisches Element, dessen Widerstand sich nicht ändert; wir reden jetzt nicht von thermischen Fehlern – sie sind nicht zu groß. Der Strom durch einen Widerstand wird durch das Ohmsche Gesetz bestimmt - I=U/R, wobei U die Spannung an den Widerstandsanschlüssen ist, R sein Widerstand.

Der Kondensator ist eine interessantere Sache. Es hat eine interessante Eigenschaft – wenn es entladen wird, verhält es sich fast wie ein Kurzschluss – der Strom fließt ohne Einschränkungen durch es und rauscht ins Unendliche. Und die Spannung geht gegen Null. Wenn es aufgeladen ist, ähnelt es einer Unterbrechung, der Stromfluss hört auf und die Spannung an ihm entspricht der Spannung der Ladequelle. Es stellt sich ein interessanter Zusammenhang heraus – es gibt Strom, keine Spannung, es gibt Spannung – keinen Strom.

Um diesen Vorgang zu veranschaulichen, stellen Sie sich einen Ballon vor ... ähm ... einen Ballon, der mit Wasser gefüllt ist. Der Wasserfluss ist eine Strömung. Der Wasserdruck auf elastische Wände entspricht einer Spannung. Schauen Sie nun, wenn die Kugel leer ist – das Wasser fließt frei, es gibt einen großen Strom, aber es herrscht noch fast kein Druck – die Spannung ist niedrig. Wenn die Kugel dann gefüllt ist und aufgrund der Elastizität der Wände anfängt, dem Druck standzuhalten, verlangsamt sich die Strömungsgeschwindigkeit und hört dann ganz auf – die Kräfte sind gleich, der Kondensator ist geladen. An den gespannten Wänden herrscht Spannung, aber keine Strömung!

Wenn Sie nun den Außendruck entfernen oder verringern, die Stromquelle entfernen, fließt das Wasser unter dem Einfluss der Elastizität zurück. Außerdem fließt der Strom vom Kondensator zurück, wenn der Stromkreis geschlossen ist und die Quellenspannung niedriger ist als die Spannung im Kondensator.

Kondensatorkapazität. Was ist das?
Theoretisch kann in jeden idealen Kondensator eine Ladung unendlicher Größe gepumpt werden. Es ist nur so, dass sich unser Ball mehr dehnt und die Wände mehr Druck erzeugen, unendlich mehr Druck.
Was ist dann mit Farad, was als Indikator für die Kapazität auf der Seite des Kondensators steht? Und das ist nur die Abhängigkeit der Spannung von der Ladung (q = CU). Bei einem kleinen Kondensator ist der Spannungsanstieg beim Laden höher.

Stellen Sie sich zwei Gläser mit unendlich hohen Wänden vor. Das eine ist schmal wie ein Reagenzglas, das andere breit wie ein Becken. Der Wasserstand in ihnen ist Spannung. Der untere Bereich ist der Behälter. Beide können mit dem gleichen Liter Wasser befüllt werden – gleiche Ladung. Aber in einem Reagenzglas springt der Füllstand um mehrere Meter, und in einem Becken spritzt es ganz unten. Auch in Kondensatoren mit kleiner und großer Kapazität.
Sie können es so oft füllen, wie Sie möchten, aber die Spannung wird unterschiedlich sein.

Außerdem haben Kondensatoren im wirklichen Leben eine Durchbruchspannung, nach der sie kein Kondensator mehr sind, sondern sich in einen nutzbaren Leiter verwandeln :)

Wie schnell lädt sich ein Kondensator auf?
Unter idealen Bedingungen, wenn wir über eine unendlich starke Spannungsquelle ohne Innenwiderstand, ideale supraleitende Drähte und einen absolut einwandfreien Kondensator verfügen, erfolgt dieser Vorgang augenblicklich mit einer Zeit von 0, ebenso wie die Entladung.

Aber in Wirklichkeit gibt es immer einen Widerstand, explizit – wie ein banaler Widerstand, oder implizit, wie der Widerstand von Drähten oder der Innenwiderstand einer Spannungsquelle.
In diesem Fall hängt die Ladegeschwindigkeit des Kondensators vom Widerstand im Stromkreis und der Kapazität des Kondensators ab und die Ladung selbst fließt entsprechend Exponentialgesetz.

Und dieses Gesetz hat ein paar charakteristische Größen:

• T - Zeitkonstante Dies ist der Zeitpunkt, an dem der Wert 63 % seines Maximums erreicht. 63 % ist kein Zufall, sondern steht in direktem Zusammenhang mit der Formel WERT T =max—1/e*max.
• 3T – und bei dreifacher Konstante erreicht der Wert 95 % seines Maximums.

Zeitkonstante für RC-Schaltung T=R*C.

Je geringer der Widerstand und je kleiner die Kapazität, desto schneller lädt sich der Kondensator auf. Wenn der Widerstand Null ist, ist die Ladezeit Null.

Berechnen wir, wie lange es dauert, bis ein 1uF-Kondensator über einen 1kOhm-Widerstand zu 95 % aufgeladen ist:
T= C*R = 10 -6 * 10 3 = 0,001c
3T = 0,003 s Nach dieser Zeit erreicht die Spannung am Kondensator 95 % der Quellenspannung.

Die Entladung erfolgt nach dem gleichen Gesetz, nur auf den Kopf gestellt. Diese. Nach der T-Zeit verbleiben nur noch 100 % - 63 % = 37 % der ursprünglichen Spannung am Kondensator und nach 3 T sogar noch weniger - dürftige 5 %.

Nun, mit der Spannungsversorgung und -abgabe ist alles klar. Was wäre, wenn die Spannung angelegt, dann stufenweise weiter erhöht und dann ebenfalls stufenweise entladen würde? Die Situation wird sich hier praktisch nicht ändern – die Spannung ist gestiegen, der Kondensator wurde nach dem gleichen Gesetz mit der gleichen Zeitkonstante aufgeladen – nach einer Zeit von 3T beträgt seine Spannung 95 % des neuen Maximums.
Es ist ein wenig gesunken - es wurde aufgeladen und nach 3T wird die Spannung 5 % höher sein als das neue Minimum.
Was ich dir sage, es ist besser, es zu zeigen. Hier in Multisim habe ich einen cleveren Schrittsignalgenerator erstellt und ihn der integrierenden RC-Kette zugeführt:

Sehen Sie, wie es wackelt :) Bitte beachten Sie, dass sowohl das Laden als auch das Entladen, unabhängig von der Höhe der Stufe, immer die gleiche Dauer haben!!!

Auf welchen Wert kann ein Kondensator aufgeladen werden?
Theoretisch bis ins Unendliche, eine Art Ball mit endlos dehnbaren Wänden. In Wirklichkeit wird die Kugel früher oder später platzen und der Kondensator durchbrechen und einen Kurzschluss verursachen. Deshalb haben alle Kondensatoren einen wichtigen Parameter – ultimative Spannung. Bei Elektrolyten steht es oft auf der Seite, bei Keramik muss man es jedoch in Fachbüchern nachschlagen. Dort liegt sie aber meist bei 50 Volt. Im Allgemeinen müssen Sie bei der Auswahl eines Kondensators darauf achten, dass seine maximale Spannung nicht niedriger ist als die im Stromkreis. Ich füge hinzu, dass man bei der Berechnung eines Kondensators für Wechselspannung eine maximale Spannung wählen sollte, die 1,4-mal höher ist. Weil Bei Wechselspannung wird der Effektivwert angezeigt und der Momentanwert übersteigt diesen im Maximum um das 1,4-fache.

Was folgt daraus? Und Tatsache ist, dass, wenn eine konstante Spannung an den Kondensator angelegt wird, dieser sich einfach auflädt und das war’s. Hier endet der Spaß.

Was passiert, wenn Sie eine Variable übermitteln? Es ist offensichtlich, dass es entweder lädt oder entlädt und Strom im Stromkreis hin und her fließt. Bewegung! Es gibt Strom!

Es stellt sich heraus, dass trotz der physikalischen Unterbrechung im Stromkreis zwischen den Platten Wechselstrom leicht durch den Kondensator fließt, Gleichstrom jedoch nur schwach.

Was bringt uns das? Und die Tatsache, dass ein Kondensator als eine Art Trenner dienen kann, um Wechsel- und Gleichstrom in die entsprechenden Komponenten zu trennen.

Jedes zeitlich veränderliche Signal kann als Summe zweier Komponenten dargestellt werden – einer variablen und einer konstanten.

Beispielsweise hat eine klassische Sinuskurve nur einen variablen Teil und die Konstante ist Null. Bei Gleichstrom ist es umgekehrt. Was ist, wenn wir eine verschobene Sinuskurve haben? Oder konstant mit Interferenz?

Die AC- und DC-Anteile des Signals lassen sich leicht trennen!
Etwas weiter oben habe ich dir gezeigt, wie ein Kondensator geladen und entladen wird, wenn sich die Spannung ändert. Die variable Komponente wird also mit einem Knall durch den Konder gehen, weil nur zwingt es den Kondensator dazu, seine Ladung aktiv zu ändern. Die Konstante bleibt unverändert und bleibt am Kondensator hängen.

Damit der Kondensator jedoch die variable Komponente effektiv von der Konstante trennen kann, darf die Frequenz der variablen Komponente nicht niedriger als 1/T sein

Es sind zwei Arten der Aktivierung der RC-Kette möglich:
Integrieren und differenzieren. Sie sind auch ein Tiefpassfilter und ein Hochpassfilter.

Der Tiefpassfilter lässt den konstanten Anteil unverändert durch (da seine Frequenz Null ist, gibt es keinen niedrigeren Wert) und unterdrückt alles, was höher als 1/T ist. Der Gleichanteil geht direkt durch und der Wechselanteil wird über einen Kondensator gegen Masse gelöscht.
Ein solches Filter wird auch als integrierende Kette bezeichnet, da das Ausgangssignal gewissermaßen integriert wird. Erinnern Sie sich, was ein Integral ist? Fläche unter der Kurve! Hier kommt es heraus.

Und es wird Differenzierschaltung genannt, weil wir am Ausgang das Differential der Eingangsfunktion erhalten, das nichts anderes als die Änderungsrate dieser Funktion ist.

• In Abschnitt 1 wird der Kondensator aufgeladen, was bedeutet, dass Strom durch ihn fließt und es zu einem Spannungsabfall am Widerstand kommt.
• In Abschnitt 2 kommt es zu einem starken Anstieg der Ladegeschwindigkeit, was bedeutet, dass der Strom stark ansteigt, gefolgt von einem Spannungsabfall am Widerstand.
• Im Abschnitt 3 hält der Kondensator lediglich das vorhandene Potenzial. Durch ihn fließt kein Strom, was bedeutet, dass die Spannung am Widerstand ebenfalls Null ist.
• Nun, im 4. Abschnitt begann sich der Kondensator zu entladen, weil... Das Eingangssignal ist niedriger als seine Spannung. Der Strom ist in die entgegengesetzte Richtung geflossen und am Widerstand fällt bereits eine negative Spannung ab.

Und wenn wir einen Rechteckimpuls mit sehr steilen Flanken an den Eingang anlegen und die Kapazität des Kondensators verkleinern, sehen wir Nadeln wie diese:

Rechteck. Also was? Das ist richtig – die Ableitung einer linearen Funktion ist eine Konstante, die Steigung dieser Funktion bestimmt das Vorzeichen der Konstante.

Kurz gesagt, wenn Sie gerade einen Mathematikkurs belegen, können Sie das gottlose Mathcad, den ekelhaften Maple, vergessen, die Matrix-Ketzerei von Matlab aus Ihrem Kopf werfen und sich, indem Sie eine Handvoll analoger loser Sachen aus Ihrem Vorrat holen, selbst löten ein wirklich ECHTER analoger Computer :) Der Lehrer wird schockiert sein :)

Allerdings werden Integratoren und Differenzierer normalerweise nicht nur aus Widerständen hergestellt, sondern hier werden Operationsverstärker verwendet. Sie können diese Dinge im Moment googeln, interessante Sache :)

Und hier habe ich zwei Hoch- und Tiefpassfiltern ein reguläres Rechtecksignal zugeführt. Und die Ausgaben von ihnen an das Oszilloskop:

Hier ist ein etwas größerer Abschnitt:

Beim Starten ist der Kondensator entladen, der Strom durch ihn ist voll und die Spannung an ihm ist vernachlässigbar – am RESET-Eingang liegt ein Reset-Signal an. Aber bald lädt sich der Kondensator auf und nach der Zeit T liegt seine Spannung bereits auf dem Niveau der logischen Eins und das Reset-Signal wird nicht mehr an RESET gesendet – der MK startet.
Und für AT89C51 Es ist notwendig, genau das Gegenteil von RESET zu organisieren – zuerst eine Eins und dann eine Null einzureichen. Hier ist die Situation umgekehrt – solange der Kondensator nicht geladen ist, fließt ein großer Strom Uc durch ihn – der Spannungsabfall an ihm ist winzig Uc = 0. Dies bedeutet, dass RESET mit einer Spannung versorgt wird, die geringfügig unter der Versorgungsspannung Usupply-Uc=Upsupply liegt.
Wenn aber der Kondensator geladen ist und die Spannung an ihm die Versorgungsspannung (Upit = Uc) erreicht, dann liegt am RESET-Pin bereits Upit-Uc = 0 an

Analoge Messungen
Aber ganz zu schweigen von den Reset-Ketten, bei denen es mehr Spaß macht, die Fähigkeit der RC-Schaltung zu nutzen, analoge Werte mit Mikrocontrollern zu messen, die keine ADCs haben.
Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Spannung am Kondensator streng nach dem gleichen Gesetz wächst – exponentiell. Abhängig von Leiter, Widerstand und Versorgungsspannung. Dies bedeutet, dass sie als Referenzspannung mit vorab bekannten Parametern verwendet werden kann.

Es funktioniert einfach: Wir legen die Spannung vom Kondensator an einen analogen Komparator an und verbinden die gemessene Spannung mit dem zweiten Eingang des Komparators. Und wenn wir die Spannung messen wollen, ziehen wir einfach zuerst den Stift nach unten, um den Kondensator zu entladen. Dann kehren wir in den Hi-Z-Modus zurück, setzen ihn zurück und starten den Timer. Und dann beginnt sich der Kondensator über den Widerstand aufzuladen, und sobald der Komparator meldet, dass die Spannung vom RC die gemessene eingeholt hat, stoppen wir den Timer.

Wenn wir wissen, nach welchem ​​Gesetz die Referenzspannung der RC-Schaltung mit der Zeit ansteigt, und auch wissen, wie lange der Timer tickt, können wir ziemlich genau herausfinden, wie hoch die gemessene Spannung zum Zeitpunkt der Auslösung des Komparators war. Darüber hinaus ist es hier nicht erforderlich, Exponenten zu zählen. Im Anfangsstadium der Ladung des Kondensators können wir davon ausgehen, dass die Abhängigkeit dort linear ist. Oder, wenn Sie eine höhere Genauigkeit wünschen, approximieren Sie den Exponenten mit stückweise linearen Funktionen und zeichnen Sie auf Russisch seine ungefähre Form mit mehreren geraden Linien oder erstellen Sie eine Tabelle der Abhängigkeit eines Werts von der Zeit, kurz gesagt, die Methoden sind einfach.

Wenn Sie einen Analogschalter benötigen, aber keinen ADC haben, müssen Sie nicht einmal einen Komparator verwenden. Bewegen Sie das Bein, an dem der Kondensator hängt, und lassen Sie ihn über einen variablen Widerstand aufladen.

Indem wir T ändern, das, wie ich Sie daran erinnern möchte, T = R * C ist, und wissen, dass wir C = const haben, können wir den Wert von R berechnen. Darüber hinaus ist es auch hier in den meisten Fällen nicht erforderlich, den mathematischen Apparat anzuschließen In einigen Fällen reicht es aus, Messungen bei einigen bedingten Papageien durchzuführen, wie z. B. Timer-Ticks. Oder Sie können den umgekehrten Weg gehen und nicht den Widerstand, sondern die Kapazität ändern, indem Sie beispielsweise die Kapazität Ihres Körpers daran anschließen ... was wird passieren? Genau – Touch-Buttons!

Wenn etwas nicht klar ist, dann machen Sie sich keine Sorgen, ich werde bald einen Artikel darüber schreiben, wie man ein analoges Gerät an einen Mikrocontroller anschließt, ohne einen ADC zu verwenden. Dort erkläre ich dir alles im Detail.

Da gibt es ein cooles Feuerwerk. Sobald ein paar LEDs durchbrechen, springt die Spannung am LM317 auf den Grenzwert und es ertönt ein lauter Knall.

1000 Mikrofarad bei 450 V = 80 Joule. Bei Problemen trocknet der Kondensator so stark aus, dass er scheinbar nicht mehr ausreicht. Es wird jedoch Probleme geben, da Sie den Kondensator ohne jegliche Reserve in einer Umgebung platzieren, in der sogar 1 kV in einem Impuls am Eingang erfasst werden können.

Tipp: Machen Sie einen normalen Impulstreiber. Und nicht dieser Kreis „geschickter Hände“ ohne galvanische Trennung und Filter.

Auch wenn wir diese Schaltung bedingt als korrekt akzeptieren, müssen Sie Keramikkondensatoren um den LM317 platzieren, damit er nicht klingelt.

Und ja, die Strombegrenzung durch einen Transistor erfolgt anders – in Ihrem Stromkreis wird er einfach explodieren, weil zunächst ein Netzwerk an den E-K-Übergang angeschlossen wird.

Und Ihr Teiler legt 236 Volt an den EB-Übergang an, was ebenfalls zu einer Explosion des Transistors führt.

Nach mehreren Abklärungen wurde schließlich klar, was Sie erreichen möchten: eine gemeinsame Stromquelle für mehrere in Reihe geschaltete LED-Schaltkreise. Als Hauptproblem sahen Sie die gleichmäßige Aufladung des Filterkondensators. Meiner Meinung nach gibt es in einem solchen Schema mehrere viel kritischere Stellen. Aber zuerst zum Thema der Frage.

1000 μF ist ein geeigneter Wert für einen Laststrom von 0,5...3 Ampere und nicht für mehrere zehn Milliampere (22...50 μF reichen dort aus). Der Transistor kann eingebaut werden, wenn Sie 4...20 Sekunden lang einen sanften Helligkeitsanstieg benötigen – Sie haben aber mehrere Girlanden! Müssen sie wirklich gleichzeitig in der gesamten Wohnung beginnen? Und zu den Schaltern: Möchten Sie anstelle der Standardschalter, die den ~220-Volt-Stromkreis schalten, den ~310-Volt-Stromkreis umschalten, indem Sie einen Schalter zwischen dem Kondensator und der Girlande platzieren? Diese Lösung scheint für ein „Smart Home“ zumindest irgendwie gerechtfertigt zu sein (und selbst dann ist nicht alles darin klar), aber in einer gewöhnlichen Wohnung macht dies keinen Sinn. Darin ist es richtiger, für jede Girlande eine eigene Stromversorgung zu installieren – und dann ist es viel rentabler, gewöhnliche supergünstige (und viel zuverlässigere!) Bänder zu verwenden parallel 12-Volt-LEDs und nicht mit selbstgebauten Serien-LEDs, bei denen das Durchbrennen einer Diode Ihnen das Licht komplett entzieht.
Ein weiterer Zweck der Glattladeeinheit besteht darin, die Gleichrichterdioden beim Einschalten vor wiederholter Überlastung zu schützen, wenn der Kondensator vollständig entladen ist. Dieses Problem kann jedoch durch eine viel einfachere Methode vollständig gelöst werden: Anstelle von T1 und R1, R3 muss ein Thermistor mit einem Widerstand von mehreren zehn Ohm eingesetzt werden, der bei Erwärmung auf 0,5 bis 3 Ohm abnimmt Dies geschieht in Hunderten Millionen Computer-Netzteilen, die jahrelang zuverlässig mit ungefähr dem gleichen Laststrom wie Ihres arbeiten. Sie können einen solchen Thermistor aus jedem defekten Computer-Netzteil bekommen.

Und zum Schluss noch zu dem, was nicht in Ihrer Frage steht, Ihnen aber ins Auge fällt – zum Stromstabilisator des LM317, der überschüssige Netzspannung auffängt. Tatsache ist, dass eine solche Stichleitung nur im Bereich von 3 bis 40 Volt betriebsbereit ist. Die Toleranz für die Netzspannung in einem gesunden Stadtnetz beträgt 10 %, d. h. von 198 bis 242 Volt. Das heißt, wenn Sie die Stichleitung an der unteren Grenze berechnet haben (was normalerweise der Fall ist), wird die Spannung an der Stichleitung an der oberen Grenze über die zulässigen 40 Volt hinausgehen. Wenn Sie den Wert auf den oberen Wert des Bereichs (z. B. 242) einstellen, fällt die Spannung an der Stichleitung am unteren Grenzwert unter 3 Volt und der Strom wird nicht mehr stabilisiert. Und ich werde nichts darüber sagen, was mit diesem System in ländlichen Gebieten passieren wird, wo die Schwankungen der Netzspannung viel größer sind. Eine solche Schaltung funktioniert also normal nur bei einer stabilen Netzspannung – bei einem stabilen Netz ist jedoch kein Stabilisator erforderlich, er kann perfekt durch einen einfachen Widerstand ersetzt werden.

Verbinden wir einen Stromkreis bestehend aus einem ungeladenen Kondensator mit einer Kapazität C und einem Widerstand mit einem Widerstandswert R mit einer Stromquelle mit konstanter Spannung U (Abb. 16-4).

Da im Moment des Einschaltens der Kondensator noch nicht geladen ist, steigt die Spannung an ihm an. Daher ist im Stromkreis im Anfangszeitpunkt der Spannungsabfall am Widerstand R gleich U und es entsteht ein Strom, die Stärke von welche

Reis. 16-4. Laden des Kondensators.

Der Durchgang des Stroms i geht mit einer allmählichen Ansammlung der Ladung Q am Kondensator einher, an ihm entsteht eine Spannung und der Spannungsabfall am Widerstand R nimmt ab:

wie folgt aus Kirchhoffs zweitem Gesetz. Daher die aktuelle Stärke

abnimmt, nimmt auch die Ladungsakkumulationsrate Q ab, da der Strom im Stromkreis

Mit der Zeit lädt sich der Kondensator weiter auf, aber die Ladung Q und die Spannung an ihm wachsen immer langsamer (Abb. 16-5) und der Strom im Stromkreis nimmt proportional zur Spannungsdifferenz allmählich ab

Reis. 16-5. Diagramm der Strom- und Spannungsänderungen beim Laden eines Kondensators.

Nach einem ausreichend großen Zeitintervall (theoretisch unendlich lang) erreicht die Spannung am Kondensator einen Wert gleich der Spannung der Stromquelle und der Strom wird gleich Null – der Ladevorgang des Kondensators ist beendet.

Der Ladevorgang eines Kondensators dauert umso länger, je größer der Widerstand des Stromkreises R ist, der den Strom begrenzt, und je größer die Kapazität des Kondensators C ist, da bei einer großen Kapazität eine größere Ladung akkumuliert werden muss. Die Geschwindigkeit des Prozesses wird durch die Zeitkonstante der Schaltung charakterisiert

je mehr, desto langsamer der Prozess.

Die Zeitkonstante der Schaltung hat seitdem die Dimension der Zeit

Nach einer Zeitspanne ab dem Einschalten des Stromkreises, gleich , erreicht die Spannung am Kondensator etwa 63 % der Spannung der Stromquelle, und nach dieser Zeitspanne kann der Ladevorgang des Kondensators als abgeschlossen betrachtet werden.

Spannung am Kondensator beim Laden

d. h. sie ist gleich der Differenz zwischen der konstanten Spannung der Stromquelle und der freien Spannung, die mit der Zeit nach dem Gesetz einer Exponentialfunktion vom Wert U auf Null abnimmt (Abb. 16-5).

Ladestrom des Kondensators

Der Strom nimmt vom Anfangswert nach dem Gesetz der Exponentialfunktion allmählich ab (Abb. 16-5).

b) Kondensatorentladung

Betrachten wir nun den Vorgang des Entladens des Kondensators C, der von der Stromquelle über einen Widerstand mit dem Widerstand R auf die Spannung U aufgeladen wurde (Abb. 16-6, wo der Schalter von Position 1 auf Position 2 bewegt wird).

Reis. 16-6. Entladung eines Kondensators zu einem Widerstand.

Reis. 16-7. Diagramm der Strom- und Spannungsänderungen beim Entladen eines Kondensators.

Im ersten Moment entsteht im Stromkreis ein Strom, der Kondensator beginnt sich zu entladen und die Spannung an ihm nimmt ab. Wenn die Spannung abnimmt, nimmt auch der Strom im Stromkreis ab (Abb. 16-7). Nach einer gewissen Zeit sinken die Spannung am Kondensator und der Stromkreis auf etwa 1 % der Anfangswerte und der Entladevorgang des Kondensators kann als abgeschlossen betrachtet werden.

Kondensatorspannung während der Entladung

d. h. sie nimmt nach dem Gesetz der Exponentialfunktion ab (Abb. 16-7).

Kondensatorentladestrom

das heißt, sie nimmt wie die Spannung nach dem gleichen Gesetz ab (Abb. 6-7).

Die gesamte beim Laden eines Kondensators in seinem elektrischen Feld gespeicherte Energie wird beim Entladen als Wärme im Widerstand R abgegeben.

Das elektrische Feld eines geladenen Kondensators, der von der Stromquelle getrennt ist, kann nicht lange unverändert bleiben, da das Dielektrikum des Kondensators und die Isolierung zwischen seinen Anschlüssen eine gewisse Leitfähigkeit aufweisen.

Die Entladung eines Kondensators aufgrund einer Unvollkommenheit des Dielektrikums und der Isolierung wird Selbstentladung genannt. Die Zeitkonstante während der Selbstentladung eines Kondensators hängt nicht von der Form der Platten und dem Abstand zwischen ihnen ab.

Die Vorgänge des Ladens und Entladens eines Kondensators werden transiente Vorgänge genannt.

Bei verschiedenen Stromversorgungen besteht häufig die Aufgabe, den Anlaufstromstoß beim Einschalten zu begrenzen. Die Gründe können unterschiedlich sein – schneller Verschleiß von Relaiskontakten oder Schaltern, verkürzte Lebensdauer von Filterkondensatoren usw. Ich hatte kürzlich ein ähnliches Problem. Ich verwende in meinem Computer ein gutes Server-Netzteil, aber aufgrund der erfolglosen Implementierung des Standby-Bereichs kommt es beim Ausschalten der Hauptstromversorgung zu einer starken Überhitzung. Aufgrund dieses Problems musste ich bereits zweimal die Standby-Platine reparieren und einige der daneben befindlichen Elektrolyte austauschen. Die Lösung war einfach: Schalten Sie die Stromversorgung aus der Steckdose aus. Es hatte jedoch eine Reihe von Nachteilen: Beim Einschalten kam es zu einem starken Stromstoß durch den Hochspannungskondensator, der diesen beschädigen konnte. Außerdem begann nach 2 Wochen der Netzstecker des Geräts durchzubrennen. Es wurde beschlossen, einen Einschaltstrombegrenzer zu bauen. Parallel zu dieser Aufgabe hatte ich eine ähnliche Aufgabe für leistungsstarke Audioverstärker. Die Probleme bei Verstärkern sind die gleichen – Durchbrennen der Schaltkontakte, Stromstoß durch die Brückendioden und Filterelektrolyte. Im Internet finden Sie zahlreiche Schaltungen zur Stromstoßbegrenzung. Für eine bestimmte Aufgabe können sie jedoch eine Reihe von Nachteilen haben – die Notwendigkeit, Schaltungselemente für den erforderlichen Strom neu zu berechnen; für leistungsstarke Verbraucher – Auswahl von Leistungselementen, die die notwendigen Parameter für die berechnete zugewiesene Leistung bereitstellen. Darüber hinaus ist es manchmal erforderlich, einen Mindestanlaufstrom für das angeschlossene Gerät bereitzustellen, was die Komplexität einer solchen Schaltung erhöht. Um dieses Problem zu lösen, gibt es eine einfache und zuverlässige Lösung – Thermistoren.

Abb.1 Thermistor

Ein Thermistor ist ein Halbleiterwiderstand, dessen Widerstand sich bei Erwärmung stark ändert. Für unsere Zwecke benötigen wir Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten – NTC-Thermistoren. Wenn Strom durch den NTC-Thermistor fließt, erwärmt er sich und sein Widerstand sinkt.

Abb.2 TKS-Thermistor

Uns interessieren folgende Thermistorparameter:

Widerstand bei 25˚C

Maximaler Dauerstrom

Beide Parameter finden Sie in der Dokumentation zu bestimmten Thermistoren. Mithilfe des ersten Parameters können wir den minimalen Strom bestimmen, der durch den Lastwiderstand fließt, wenn dieser über einen Thermistor angeschlossen wird. Der zweite Parameter wird durch die maximale Verlustleistung des Thermistors bestimmt und die Lastleistung muss so sein, dass der durchschnittliche Strom durch den Thermistor diesen Wert nicht überschreitet. Für einen zuverlässigen Betrieb des Thermistors muss der Wert dieses Stroms weniger als 20 Prozent des in der Dokumentation angegebenen Parameters betragen. Es scheint einfacher zu sein, den richtigen Thermistor auszuwählen und das Gerät zusammenzubauen. Sie müssen jedoch einige Punkte berücksichtigen:

1. Das Abkühlen des Thermistors dauert lange. Wenn Sie das Gerät ausschalten und sofort wieder einschalten, hat der Thermistor einen niedrigen Widerstand und kann seine Schutzfunktion nicht erfüllen.
2. Sie können Thermistoren nicht parallel schalten, um den Strom zu erhöhen – aufgrund der Streuung der Parameter variiert der durch sie fließende Strom stark. Es ist aber durchaus möglich, die erforderliche Anzahl von Thermistoren in Reihe zu schalten.
3. Während des Betriebs wird der Thermistor sehr heiß. Auch die Elemente daneben erhitzen sich.
4. Der maximale Dauerstrom durch den Thermistor sollte durch seine maximale Leistung begrenzt werden. Diese Option ist in der Dokumentation aufgeführt. Wenn der Thermistor jedoch verwendet wird, um kurze Stromstöße zu begrenzen (z. B. wenn die Stromversorgung zum ersten Mal eingeschaltet wird und der Filterkondensator aufgeladen wird), kann der Impulsstrom größer sein. Dann wird die Auswahl des Thermistors durch seine maximale Impulsleistung begrenzt.

Die Energie eines geladenen Kondensators wird durch die Formel bestimmt:

E = (C*Vpeak²)/2

Dabei ist E die Energie in Joule, C die Kapazität des Filterkondensators und Vpeak die maximale Spannung, auf die der Filterkondensator aufgeladen wird (für unsere Netze können Sie den Wert 250 V*√2 = 353 V annehmen).

Wenn in der Dokumentation die maximale Impulsleistung angegeben ist, können Sie anhand dieses Parameters einen Thermistor auswählen. Dieser Parameter wird jedoch in der Regel nicht angegeben. Anschließend kann aus den bereits berechneten Tabellen für Thermistoren der Standardserien die maximale Kapazität abgeschätzt werden, die mit einem Thermistor sicher geladen werden kann.

Ich habe eine Tabelle mit den Parametern von NTC-Thermistoren von Joyin genommen. Die Tabelle zeigt:

Rnom- Nennwiderstand des Thermistors bei einer Temperatur von 25°C

Imax- maximaler Strom durch den Thermistor (maximaler Dauerstrom)

Smax- maximale Kapazität im Prüfkreis, die auf den Thermistor entladen wird, ohne diesen zu beschädigen (Prüfspannung 350 V)

Wie der Test abläuft, sehen Sie auf Seite sieben.

Ein paar Worte zum Parameter Smax– Aus der Dokumentation geht hervor, dass im Prüfkreis der Kondensator über einen Thermistor und einen Begrenzungswiderstand entladen wird, wodurch zusätzliche Energie freigesetzt wird. Daher ist die maximale sichere Kapazität, die ein Thermistor ohne einen solchen Widerstand laden kann, geringer. Ich habe in ausländischen Themenforen nach Informationen gesucht und mir typische Schaltungen mit Begrenzern in Form von Thermistoren angesehen, für die Daten angegeben sind. Basierend auf diesen Informationen können Sie den Koeffizienten für ermitteln Smax in einem realen Schema 0,65, mit dem die Daten aus der Tabelle multipliziert werden.

Name	Rnom,	Imax,	Smax,
DDurchmesser 8mm
Durchmesser 10mm
Durchmesser 13mm
Durchmesser 15mm
Durchmesser 20mm

Parametertabelle der NTC-Thermistoren von Joyin

Indem wir mehrere identische NTC-Thermistoren in Reihe schalten, reduzieren wir die Anforderungen an die maximale Impulsenergie jedes einzelnen von ihnen.

Lassen Sie mich Ihnen ein Beispiel geben. Beispielsweise müssen wir einen Thermistor auswählen, um die Stromversorgung des Computers einzuschalten. Die maximale Leistungsaufnahme des Computers beträgt 700 Watt. Wir wollen den Anlaufstrom auf 2-2,5A begrenzen. Das Netzteil enthält einen 470 µF Filterkondensator.

Wir berechnen den effektiven Stromwert:

I = 700 W/220 V = 3,18 A

Wie ich oben geschrieben habe, wählen wir für einen zuverlässigen Betrieb des Thermistors den maximalen Dauerstrom aus der Dokumentation aus, der 20 % über diesem Wert liegt.

Imax = 3,8A

Wir berechnen den erforderlichen Thermistorwiderstand für einen Anlaufstrom von 2,5A

R = (220V*√2)/2,5A = 124 Ohm

Aus der Tabelle finden wir die benötigten Thermistoren. 6 Stück in Reihe geschaltete JNR15S200L-Thermistoren entsprechen unseren Anforderungen Imax, allgemeiner Widerstand. Die maximale Kapazität, die sie laden können, beträgt 680 µF * 6 * 0,65 = 2652 µF, was sogar mehr ist, als wir benötigen. Natürlich mit einer Abnahme Vpeak, werden auch die Anforderungen an die maximale Impulsleistung des Thermistors reduziert. Unsere Abhängigkeit ist vom Quadrat der Spannung.

Und die letzte Frage zur Wahl der Thermistoren. Was ist, wenn wir die für die maximale Impulsleistung erforderlichen Thermistoren ausgewählt haben, diese aber nicht für uns geeignet sind? Imax(die ständige Belastung ist ihnen zu hoch), oder brauchen wir keine konstante Heizquelle im Gerät selbst? Dazu verwenden wir eine einfache Lösung: Wir fügen dem Stromkreis parallel zum Thermistor einen weiteren Schalter hinzu, den wir nach dem Laden des Kondensators einschalten. Das habe ich auch bei meinem Limiter gemacht. In meinem Fall sind die Parameter wie folgt: Die maximale Leistungsaufnahme des Computers beträgt 400 W, die Startstrombegrenzung beträgt 3,5 A, der Filterkondensator beträgt 470 uF. Ich habe 6 Stück 15d11 (15 Ohm) Thermistoren genommen. Das Diagramm ist unten dargestellt.

Reis. 3 Begrenzerschaltung

Erläuterungen zum Diagramm. SA1 trennt den Phasendraht. Die LED VD2 dient zur Anzeige der Funktion des Begrenzers. Der Kondensator C1 glättet Wellen und die LED flackert nicht bei Netzfrequenz. Wenn Sie es nicht benötigen, entfernen Sie C1, VD6, VD1 aus dem Stromkreis und schalten Sie einfach die LED und die Diode auf die gleiche Weise parallel wie die Elemente VD4, VD5. Um den Ladevorgang des Kondensators anzuzeigen, ist die LED VD4 parallel zu den Thermistoren geschaltet. In meinem Fall dauert der gesamte Vorgang beim Laden des Kondensators des Computernetzteils weniger als eine Sekunde. Also, lasst uns sammeln.

Abb.4 Montagesatz

Ich habe die Betriebsanzeige direkt in der Abdeckung des Schalters montiert und eine chinesische Glühlampe weggeworfen, die nicht lange gehalten hätte.

Reis. 5 Betriebsanzeige

Abb.6 Thermistorblock

Reis. 7 Zusammengebauter Begrenzer

Dies hätte abgeschlossen werden können, wenn nach einer Woche Arbeit nicht alle Thermistoren ausgefallen wären. Es sah so aus.

Reis. 8 Ausfall der NTC-Thermistoren

Trotz der Tatsache, dass der Spielraum für den zulässigen Kapazitätswert sehr groß war – 330 µF * 6 * 0,65 = 1287 µF.

Ich habe die Thermistoren bei einer namhaften Firma gekauft, mit unterschiedlichen Werten – alle defekt. Hersteller unbekannt. Entweder schütten die Chinesen Thermistoren mit kleinerem Durchmesser in große Gehäuse, oder die Qualität der Materialien ist sehr schlecht. Aus diesem Grund habe ich einen noch kleineren Durchmesser gekauft – SCK 152 8 mm. Das gleiche China, aber bereits gebrandet. Laut unserer Tabelle beträgt die zulässige Kapazität 100 µF * 6 * 0,65 = 390 µF, was sogar etwas weniger als nötig ist. Es funktioniert jedoch alles einwandfrei.