Cos f płynne ładowanie kondensatorów. Płynne ładowanie pojemności: co wybrać? Sergey Chemezov: Rostec jest już jedną z dziesięciu największych korporacji inżynieryjnych na świecie

Podczas projektowania zasilacze wzmacniaczy Często pojawiają się problemy, które nie mają nic wspólnego z samym wzmacniaczem, lub są konsekwencją zastosowanej podstawy elementów. Tak w zasilaczach wzmacniacze tranzystorowe Przy dużych mocach często pojawia się problem zapewnienia płynnego włączania zasilania, czyli zapewnienia powolnego ładowania kondensatorów elektrolitycznych w filtrze wygładzającym, które mogą mieć bardzo znaczną pojemność i bez podjęcia odpowiednich działań po prostu uszkodzić diody prostownicze w momencie załączenia.

W zasilaczach wzmacniaczy lampowych dowolnej mocy konieczne jest zapewnienie opóźnienia zasilania wysokie napięcie anodowe przed nagrzaniem lamp, aby uniknąć przedwczesnego wyczerpania katody i w rezultacie znacznego skrócenia żywotności lampy. Oczywiście przy zastosowaniu prostownika kenotronowego problem ten rozwiązuje się sam. Ale jeśli używasz konwencjonalnego prostownika mostkowego z filtrem LC, nie możesz obejść się bez dodatkowego urządzenia.

Oba powyższe problemy można rozwiązać za pomocą prostego urządzenia, które można łatwo wbudować zarówno w tranzystor, jak i wzmacniacz lampowy.

Schemat urządzenia.

Schemat ideowy urządzenia miękkiego startu pokazano na rysunku:

Kliknij, aby powiększyć

Napięcie przemienne na uzwojeniu wtórnym transformatora TP1 jest prostowane przez mostek diodowy Br1 i stabilizowane przez zintegrowany stabilizator VR1. Rezystor R1 zapewnia płynne ładowanie kondensatora C3. Kiedy napięcie na nim osiągnie wartość progową, tranzystor T1 otworzy się, powodując zadziałanie przekaźnika Rel1. Rezystor R2 zapewnia rozładowanie kondensatora C3, gdy urządzenie jest wyłączone.

Opcje włączenia.

Grupę styków przekaźnika Rel1 podłącza się w zależności od rodzaju wzmacniacza i organizacji zasilania.

Na przykład, aby zapewnić płynne ładowanie kondensatorów w zasilaczu tranzystorowy wzmacniacz mocy prezentowane urządzenie może służyć do obejścia rezystora balastowego po naładowaniu kondensatorów w celu wyeliminowania strat mocy na nim. Możliwą opcję połączenia pokazano na schemacie:

Wartości bezpiecznika i rezystora balastowego nie są wskazane, ponieważ są one wybierane na podstawie mocy wzmacniacza i pojemności kondensatorów filtra wygładzającego.

We wzmacniaczu lampowym prezentowane urządzenie pomoże zorganizować opóźnienie zasilania wysokie napięcie anodowe zanim lampy się nagrzeją, co może znacząco wydłużyć ich żywotność. Możliwą opcję włączenia pokazano na rysunku:

Obwód opóźniający jest tutaj włączany jednocześnie z transformatorem żarowym. Po nagrzaniu lamp załączy się przekaźnik Rel1, w wyniku czego napięcie sieciowe zostanie dostarczone do transformatora anodowego.

Jeżeli Twój wzmacniacz wykorzystuje jeden transformator do zasilania obwodów żarnika lampy i napięcia anodowego, to grupę styków przekaźnika należy przenieść do obwodu uzwojenia wtórnego napięcie anodowe.

Elementy obwodu opóźnienia załączenia (miękkiego startu):

• Bezpiecznik: 220V 100mA,
• Transformator: dowolny małej mocy o napięciu wyjściowym 12-14V,
• Mostek diodowy: dowolny małogabarytowy o parametrach 35V/1A i wyższych,
• Kondensatory: C1 - 1000uF 35V, C2 - 100nF 63V, C3 - 100uF 25V,
• Rezystory: R1 - 220 kOhm, R2 - 120 kOhm,
• Tranzystor: IRF510,
• Zintegrowany stabilizator: 7809, LM7809, L7809, MC7809 (7812),
• Przekaźnik: o roboczym napięciu uzwojenia 9V (12V dla 7812) i grupie styków o odpowiedniej mocy.

Ze względu na niski pobór prądu można zamontować układ stabilizujący i tranzystor polowy bez grzejników.

Ktoś jednak może wpaść na pomysł, aby zrezygnować z dodatkowego, choć niewielkich rozmiarów transformatora i zasilać obwód opóźniający z napięcia żarnika. Biorąc pod uwagę, że standardowa wartość napięcia żarnika wynosi ~6,3V, będziesz musiał wymienić stabilizator L7809 na L7805 i zastosować przekaźnik o napięciu roboczym uzwojenia 5V. Takie przekaźniki zwykle zużywają znaczny prąd, w takim przypadku mikroukład i tranzystor będą musiały być wyposażone w małe grzejniki.

W przypadku stosowania przekaźnika z uzwojeniem 12V (jakoś bardziej powszechnego) zintegrowany układ stabilizatora należy wymienić na 7812 (L7812, LM7812, MC7812).

Z wartościami rezystora R1 i kondensatora C3 wskazanymi na schemacie Czas zwłoki inkluzje są uporządkowane 20 sekund. Aby zwiększyć odstęp czasu, konieczne jest zwiększenie pojemności kondensatora C3.

Artykuł został przygotowany na podstawie materiałów z magazynu „Audio Express”

Bezpłatne tłumaczenie Redaktora Naczelnego Radia Gazeta.

Jeśli podłączysz rezystor i kondensator, otrzymasz prawdopodobnie jeden z najbardziej przydatnych i wszechstronnych obwodów.

Dzisiaj postanowiłem porozmawiać o wielu sposobach jego wykorzystania. Ale najpierw o każdym elemencie z osobna:

Zadaniem rezystora jest ograniczenie prądu. Jest to element statyczny, którego rezystancja się nie zmienia, nie mówimy teraz o błędach termicznych - nie są one zbyt duże. Prąd płynący przez rezystor jest określony przez prawo Ohma - Ja=U/R, gdzie U jest napięciem na zaciskach rezystora, R jest jego rezystancją.

Kondensator to ciekawsza rzecz. Ma ciekawą właściwość – po rozładowaniu zachowuje się niemal jak przy zwarciu – prąd przepływa przez niego bez ograniczeń, pędząc do nieskończoności. A napięcie na nim dąży do zera. Kiedy jest naładowany, staje się jak przerwa i prąd przestaje przez niego płynąć, a napięcie na nim staje się równe źródłu ładowania. Okazuje się interesująca zależność - jest prąd, nie ma napięcia, jest napięcie - nie ma prądu.

Aby zwizualizować ten proces, wyobraźmy sobie balon... hm... balon wypełniony wodą. Przepływ wody jest prądem. Ciśnienie wody na ściankach sprężystych jest odpowiednikiem naprężenia. Teraz spójrz, kiedy kula jest pusta - woda płynie swobodnie, jest duży prąd, ale prawie nie ma jeszcze ciśnienia - napięcie jest niskie. Następnie, gdy kula zostanie napełniona i zacznie stawiać opór ciśnieniu, ze względu na elastyczność ścianek, natężenie przepływu zwolni, a następnie całkowicie się zatrzyma - siły będą równe, kondensator zostanie naładowany. Na rozciągniętych ścianach jest napięcie, ale nie ma prądu!

Teraz, jeśli usuniesz lub zmniejszysz ciśnienie zewnętrzne, usuniesz źródło zasilania, wówczas woda będzie płynąć z powrotem pod wpływem elastyczności. Ponadto prąd z kondensatora będzie płynął z powrotem, jeśli obwód zostanie zamknięty, a napięcie źródła będzie niższe niż napięcie w kondensatorze.

Pojemność kondensatora. Co to jest?
Teoretycznie do dowolnego idealnego kondensatora można wpompować ładunek o nieskończonych rozmiarach. Po prostu nasza piłka rozciągnie się bardziej, a ściany wytworzą większy nacisk, nieskończenie większy nacisk.
A co z faradami, co jest napisane na boku kondensatora jako wskaźnik pojemności? A to tylko zależność napięcia od ładunku (q = CU). W przypadku małego kondensatora wzrost napięcia podczas ładowania będzie większy.

Wyobraź sobie dwie szklanki o nieskończenie wysokich ściankach. Jedna jest wąska jak probówka, druga szeroka jak miska. Poziom wody w nich to napięcie. Dolny obszar to pojemnik. Obydwa można napełnić tym samym litrem wody – jednakowym napełnieniem. Ale w probówce poziom podskoczy o kilka metrów, a w misce rozpryskuje się na samym dnie. Również w kondensatorach o małej i dużej pojemności.
Możesz wypełnić go tyle, ile chcesz, ale napięcie będzie inne.

Poza tym w prawdziwym życiu kondensatory mają napięcie przebicia, po którym przestaje być kondensatorem, ale zamienia się w użyteczny przewodnik :)

Jak szybko ładuje się kondensator?
W idealnych warunkach, gdy mamy nieskończenie mocne źródło napięcia o zerowej rezystancji wewnętrznej, idealne przewody nadprzewodzące i absolutnie bezbłędny kondensator, proces ten nastąpi natychmiastowo, z czasem równym 0, podobnie jak wyładowanie.

Ale w rzeczywistości zawsze istnieje opór, wyraźny - jak banalny rezystor lub ukryty, jak rezystancja przewodów lub rezystancja wewnętrzna źródła napięcia.
W takim przypadku szybkość ładowania kondensatora będzie zależeć od rezystancji w obwodzie i pojemności kondensatora, a sam ładunek będzie płynął zgodnie z prawo wykładnicze.

I to prawo ma kilka charakterystycznych wielkości:

• T - stała czasowa, jest to czas, w którym wartość osiąga 63% wartości maksymalnej. 63% nie zostało wzięte przypadkowo, jest to bezpośrednio powiązane ze wzorem WARTOŚĆ T =max—1/e*max.
• 3T - a przy trzykrotności stałej wartość osiągnie 95% wartości maksymalnej.

Stała czasowa dla obwodu RC T=R*C.

Im niższa rezystancja i mniejsza pojemność, tym szybciej ładuje się kondensator. Jeśli rezystancja wynosi zero, czas ładowania wynosi zero.

Obliczmy, ile czasu zajmie naładowanie kondensatora 1uF do 95% przez rezystor 1kOhm:
T= C*R = 10 -6 * 10 3 = 0,001c
3T = 0,003s Po tym czasie napięcie na kondensatorze osiągnie 95% napięcia źródła.

Wyładowanie będzie przebiegało zgodnie z tym samym prawem, tylko do góry nogami. Te. po czasie T na kondensatorze pozostaje tylko 100% - 63% = 37% pierwotnego napięcia, a po 3T jeszcze mniej - marne 5%.

Cóż, wszystko jest jasne z podaniem i zwolnieniem napięcia. Co by było, gdyby napięcie zostało przyłożone, a następnie stopniowo zwiększane, a następnie stopniowo rozładowywane? Tutaj sytuacja praktycznie się nie zmieni - napięcie wzrosło, kondensator został do niego naładowany według tego samego prawa, przy tej samej stałej czasowej - po czasie 3T jego napięcie będzie wynosić 95% nowego maksimum.
Trochę spadło - było doładowywane i po 3T napięcie na nim będzie o 5% wyższe od nowego minimum.
Co ja wam mówię, lepiej to pokazać. Tutaj w multisim stworzyłem sprytny generator sygnału krokowego i wprowadziłem go do integrującego łańcucha RC:

Zobacz jak się kołysze :) Należy pamiętać, że zarówno ładowanie, jak i rozładowanie, niezależnie od wysokości stopnia, trwają zawsze tyle samo!!!

Do jakiej wartości można naładować kondensator?
W teorii ad infinitum, coś w rodzaju kuli z nieskończenie rozciągającymi się ścianami. W rzeczywistości kula prędzej czy później pęknie, a kondensator przebije się i spowoduje zwarcie. Dlatego wszystkie kondensatory mają ważny parametr - napięcie ostateczne. Na elektrolitach często jest to napisane na boku, ale na ceramicznych trzeba to sprawdzić w podręcznikach. Ale tam zwykle jest od 50 woltów. Ogólnie rzecz biorąc, wybierając kondensator, należy upewnić się, że jego maksymalne napięcie nie jest niższe niż napięcie w obwodzie. Dodam, że obliczając kondensator na napięcie przemienne, należy wybrać napięcie maksymalne 1,4 razy wyższe. Ponieważ przy napięciu przemiennym wskazywana jest wartość skuteczna, a wartość chwilowa przy maksimum przekracza ją 1,4 razy.

Co wynika z powyższego? Faktem jest, że jeśli do kondensatora zostanie przyłożone stałe napięcie, po prostu się naładuje i to wszystko. Tutaj kończy się zabawa.

A co jeśli podasz zmienną? Oczywiste jest, że będzie się ładować lub rozładowywać, a prąd będzie płynął w obwodzie tam i z powrotem. Ruch! Jest prąd!

Okazuje się, że pomimo fizycznej przerwy w obwodzie między płytkami, prąd przemienny łatwo przepływa przez kondensator, ale prąd stały słabo.

Co nam to daje? Oraz fakt, że kondensator może służyć jako rodzaj separatora oddzielającego prąd przemienny i stały na odpowiednie elementy.

Każdy sygnał zmienny w czasie można przedstawić jako sumę dwóch składowych – zmiennej i stałej.

Na przykład klasyczna sinusoida ma tylko część zmienną, a stała wynosi zero. W przypadku prądu stałego jest odwrotnie. A co jeśli mamy przesuniętą sinusoidę? Lub stałe z zakłóceniami?

Składowe AC i DC sygnału można łatwo oddzielić!
Nieco wyżej pokazałem, jak kondensator ładuje się i rozładowuje, gdy zmienia się napięcie. Zatem składnik zmienny przejdzie przez kondensator z hukiem, ponieważ tylko zmusza kondensator do aktywnej zmiany ładunku. Stała pozostanie bez zmian i utknie na kondensatorze.

Aby jednak kondensator skutecznie oddzielał składową zmienną od stałej, częstotliwość składowej zmiennej nie może być niższa niż 1/T

Możliwe są dwa rodzaje aktywacji łańcucha RC:
Integracja i różnicowanie. Są także filtrem dolnoprzepustowym i filtrem górnoprzepustowym.

Filtr dolnoprzepustowy przepuszcza składową stałą bez zmian (ponieważ jego częstotliwość wynosi zero, nie ma nigdzie niższej) i tłumi wszystko powyżej 1/T. Składowa bezpośrednia przechodzi bezpośrednio, a część zmienna jest hartowana do masy przez kondensator.
Taki filtr nazywany jest także łańcuchem całkującym, ponieważ sygnał wyjściowy jest niejako zintegrowany. Czy pamiętasz, co to jest całka? Obszar pod krzywą! To stąd wychodzi.

I nazywa się to obwodem różniczkującym, ponieważ na wyjściu otrzymujemy różnicę funkcji wejściowej, która jest niczym innym jak szybkością zmian tej funkcji.

• W części 1 kondensator jest naładowany, co oznacza, że ​​przepływa przez niego prąd i następuje spadek napięcia na rezystorze.
• W części 2 następuje gwałtowny wzrost prędkości ładowania, co oznacza, że ​​prąd gwałtownie wzrośnie, po czym nastąpi spadek napięcia na rezystorze.
• W sekcji 3 kondensator po prostu utrzymuje istniejący potencjał. Nie przepływa przez niego prąd, co oznacza, że ​​napięcie na rezystorze również wynosi zero.
• Otóż ​​w 4 odcinku kondensator zaczął się rozładowywać, bo... sygnał wejściowy spadł poniżej jego napięcia. Prąd płynie w przeciwnym kierunku i na rezystorze występuje już ujemny spadek napięcia.

A jeśli na wejście przyłożymy prostokątny impuls o bardzo stromych krawędziach i zmniejszymy pojemność kondensatora, zobaczymy takie igły:

prostokąt. Więc co? Zgadza się - pochodna funkcji liniowej jest stałą, nachylenie tej funkcji określa znak stałej.

Krótko mówiąc, jeśli aktualnie studiujesz matematykę, to możesz zapomnieć o bezbożnym Mathcadzie, obrzydliwym Maple, wyrzucić z głowy matrixową herezję Matlaba i wyciągając ze schowka garść analogowych luźnych rzeczy, przylutować się prawdziwie PRAWDZIWY komputer analogowy :) Nauczyciel będzie w szoku :)

To prawda, że ​​​​integratorów i różniczków zwykle nie wykonuje się przy użyciu samych rezystorów, stosuje się tutaj wzmacniacze operacyjne. Na razie możesz poszukać tych rzeczy w Google, ciekawa rzecz :)

I tutaj podałem zwykły prostokątny sygnał do dwóch filtrów górno- i dolnoprzepustowego. Oraz wyjścia z nich do oscyloskopu:

Oto nieco większy fragment:

Podczas rozruchu kondensator jest rozładowywany, przepływający przez niego prąd jest pełny, a napięcie na nim jest znikome - na wejściu RESET pojawia się sygnał reset. Ale niedługo kondensator się naładuje i po czasie T jego napięcie będzie już na poziomie logicznym i sygnał reset nie będzie już wysyłany do RESET - MK wystartuje.
I dla AT89C51 konieczne jest zorganizowanie dokładnie odwrotności RESETU - najpierw podaj jeden, a potem zero. Tutaj sytuacja jest odwrotna - gdy kondensator nie jest naładowany, to przepływa przez niego duży prąd Uc - spadek napięcia na nim jest niewielki Uc = 0. Oznacza to, że RESET zasilany jest napięciem nieco mniejszym niż napięcie zasilania Usupply-Uc=Upsupply.
Ale gdy kondensator zostanie naładowany i napięcie na nim osiągnie napięcie zasilania (Upit = Uc), to na pinie RESET będzie już Upit-Uc = 0

Pomiary analogowe
Ale nieważne łańcuchy resetowania, w których fajniej jest wykorzystać zdolność obwodu RC do pomiaru wartości analogowych za pomocą mikrokontrolerów, które nie mają ADC.
Wykorzystuje to fakt, że napięcie na kondensatorze rośnie ściśle według tego samego prawa - wykładniczo. W zależności od przewodu, rezystora i napięcia zasilania. Oznacza to, że można je wykorzystać jako napięcie odniesienia o znanych wcześniej parametrach.

Działa to prosto, przykładamy napięcie z kondensatora do komparatora analogowego, a zmierzone napięcie podłączamy do drugiego wejścia komparatora. A kiedy chcemy zmierzyć napięcie, po prostu najpierw wyciągamy pin w dół, aby rozładować kondensator. Następnie przywracamy go do trybu Hi-Z, resetujemy i uruchamiamy timer. A potem kondensator zaczyna ładować przez rezystor i gdy tylko komparator zgłosi, że napięcie z RC dorównało zmierzonemu, zatrzymujemy licznik czasu.

Wiedząc, według jakiego prawa napięcie odniesienia obwodu RC rośnie w czasie, a także wiedząc, jak długo tyka licznik, możemy dość dokładnie dowiedzieć się, jakie było zmierzone napięcie w chwili zadziałania komparatora. Co więcej, nie ma tu potrzeby liczenia wykładników. Na początkowym etapie ładowania kondensatora można założyć, że zależność jest liniowa. Lub, jeśli chcesz większej dokładności, przybliż wykładnik odcinkowo funkcjami liniowymi, a po rosyjsku narysuj jego przybliżony kształt kilkoma prostymi liniami lub utwórz tabelę zależności wartości od czasu, krótko mówiąc, metody są proste.

Jeśli potrzebujesz przełącznika analogowego, ale nie masz przetwornika ADC, nie musisz nawet używać komparatora. Poruszaj nogą, na której wisi kondensator, i pozwól mu ładować się przez rezystor zmienny.

Zmieniając T, które, przypominam, T = R * C i wiedząc, że mamy C = const, możemy obliczyć wartość R. Co więcej, znowu nie jest konieczne łączenie tutaj aparatu matematycznego, w większości w niektórych przypadkach wystarczy dokonać pomiarów u niektórych papug warunkowych, np. tykaczy zegarowych. Można też pójść w drugą stronę, nie zmieniając rezystora, tylko zmieniając pojemność, np. podłączając do niego pojemność swojego ciała... co się stanie? Zgadza się – przyciski dotykowe!

Jeśli coś nie jest jasne, nie martw się, wkrótce napiszę artykuł o tym, jak podłączyć analogowy sprzęt do mikrokontrolera bez użycia ADC. Tam wszystko szczegółowo wyjaśnię.

Szykuje się niezłe fajerwerki. Gdy tylko przebije się kilka diod LED, napięcie na LM317 podskoczy do granicy i nastąpi wielki huk.

1000 mikrofaradów przy 450 V = 80 dżuli. W przypadku problemów kondensator wysycha tak bardzo, że wydaje się, że nie wystarczy. Ale pojawią się problemy, ponieważ umieścisz kondensator bez absolutnie żadnej rezerwy w środowisku, w którym nawet 1 kV może zostać wyłapany w impulsie na wejściu.

Rada - zrób normalny sterownik impulsowy. A nie ten krąg „zręcznych rąk” bez izolacji galwanicznej i filtrów.

Nawet jeśli warunkowo uznamy ten obwód za poprawny, trzeba wokół LM317 umieścić kondensatory ceramiczne, aby nie dzwonił.

I tak, ograniczanie prądu przez tranzystor odbywa się inaczej - w Twoim obwodzie po prostu eksploduje, ponieważ początkowo do złącza E-K zostanie podłączona sieć.

A twój dzielnik przyłoży 236 woltów do złącza EB, co również doprowadzi do eksplozji tranzystora.

Po kilku wyjaśnieniach w końcu stało się jasne, co chcesz osiągnąć: wspólne źródło zasilania dla kilku obwodów diod LED połączonych szeregowo. Za główny problem uznałeś płynne ładowanie kondensatora filtra. Moim zdaniem w takim schemacie jest kilka znacznie bardziej krytycznych miejsc. Ale najpierw w temacie pytania.

1000 μF to wartość odpowiednia dla prądu obciążenia o wartości 0,5...3 ampera, a nie dziesiątek miliamperów (w tym przypadku wystarczy 22...50 μF). Tranzystor można zamontować, jeśli trzeba uzyskać płynny wzrost jasności na 4...20 sekund - ale masz kilka girland! Czy naprawdę muszą zaczynać w całym mieszkaniu jednocześnie? A co do przełączników - czy zamiast standardowych, które przełączają obwód ~220 V, chcesz przełączyć obwód ~310 V, umieszczając przełącznik między kondensatorem a girlandą? Rozwiązanie to wydaje się przynajmniej w jakiś sposób uzasadnione w przypadku „inteligentnego domu” (a nawet wtedy nie wszystko jest w nim jasne), ale w zwykłym mieszkaniu nie ma sensu tego robić. W nim bardziej poprawne jest zainstalowanie dla każdej girlandy osobnego zasilacza - wtedy znacznie bardziej opłacalne jest stosowanie zwykłych super tanich (i znacznie bardziej niezawodnych!) taśm z równoległy Diody LED 12 V, a nie domowe diody szeregowe, w których przepalenie jednej diody całkowicie pozbawia Cię światła.
Kolejnym zadaniem modułu ładowania gładkiego jest ochrona diod prostowniczych przed powtarzającym się przeciążeniem w momencie załączenia, gdy kondensator jest całkowicie rozładowany. Ale ten problem można całkowicie rozwiązać znacznie prostszą metodą - zamiast T1 i R1, R3 trzeba wstawić termistor o rezystancji kilkudziesięciu omów, która po podgrzaniu maleje do 0,5...3 oma, to odbywa się to w setkach milionów zasilaczy komputerowych, które działają niezawodnie przez lata przy mniej więcej tym samym prądzie obciążenia co Twoje. Taki termistor można zdobyć z dowolnego martwego zasilacza komputerowego.

I na koniec o tym, czego nie ma w twoim pytaniu, ale rzuca się w oczy - o stabilizatorze prądu w LM317, który pochłania nadmiar napięcia sieciowego. Faktem jest, że taki odgałęzienie działa tylko w zakresie od 3 do 40 woltów. Tolerancja napięcia sieciowego w zdrowej sieci miejskiej wynosi 10%, tj. od 198 do 242 woltów. Oznacza to, że jeśli obliczyłeś odcinek na dolnym limicie (i zwykle tak się dzieje), to przy górnym limicie napięcie na odgałęzieniu przekroczy dopuszczalne 40 woltów. Jeśli ustawisz go na górę zakresu (tj. 242), to przy dolnej granicy napięcie na odgałęzieniu spadnie poniżej 3 woltów i prąd nie będzie już stabilizowany. I nie powiem nic o tym, co stanie się z tym schematem na obszarach wiejskich, gdzie wahania napięcia sieciowego są znacznie większe. Zatem taki obwód będzie działał normalnie tylko przy stabilnym napięciu sieciowym - ale przy stabilnej sieci stabilizator nie jest potrzebny, można go doskonale zastąpić prostym rezystorem.

Podłączmy obwód składający się z nienaładowanego kondensatora o pojemności C i rezystora o rezystancji R do źródła zasilania o stałym napięciu U (ryc. 16-4).

Ponieważ w momencie włączenia kondensator nie jest jeszcze naładowany, pojawia się na nim napięcie, dlatego w obwodzie w początkowej chwili spadek napięcia na rezystancji R jest równy U i powstaje prąd, siła Który

Ryż. 16-4. Ładowanie kondensatora.

Przepływowi prądu i towarzyszy stopniowe gromadzenie się ładunku Q na kondensatorze, pojawia się na nim napięcie, a spadek napięcia na rezystancji R maleje:

jak wynika z drugiego prawa Kirchhoffa. Dlatego obecna siła

maleje, szybkość akumulacji ładunku Q również maleje, ponieważ prąd w obwodzie

Z biegiem czasu kondensator nadal się ładuje, ale ładunek Q i napięcie na nim rosną coraz wolniej (ryc. 16-5), a prąd w obwodzie stopniowo maleje proporcjonalnie do różnicy napięć

Ryż. 16-5. Wykres zmian prądu i napięcia podczas ładowania kondensatora.

Po odpowiednio dużym odstępie czasu (teoretycznie nieskończenie długim) napięcie na kondensatorze osiąga wartość równą napięciu źródła zasilania, a prąd staje się równy zeru – proces ładowania kondensatora kończy się.

Proces ładowania kondensatora jest dłuższy, im większa rezystancja obwodu R, który ogranicza prąd, i im większa pojemność kondensatora C, ponieważ przy dużej pojemności musi zgromadzić się większy ładunek. Szybkość procesu charakteryzuje się stałą czasową obwodu

im więcej, tym wolniejszy proces.

Stała czasowa obwodu ma wymiar czasu, ponieważ

Po upływie czasu od włączenia obwodu równego , napięcie na kondensatorze osiąga około 63% napięcia źródła zasilania i po upływie tego czasu proces ładowania kondensatora można uznać za zakończony.

Napięcie na kondensatorze podczas ładowania

tj. jest równa różnicy między stałym napięciem źródła zasilania a napięciem swobodnym, które maleje w czasie zgodnie z prawem funkcji wykładniczej od wartości U do zera (ryc. 16-5).

Prąd ładowania kondensatora

Prąd od wartości początkowej stopniowo maleje zgodnie z prawem funkcji wykładniczej (ryc. 16-5).

b) Rozładowanie kondensatora

Rozważmy teraz proces rozładowywania kondensatora C, który został naładowany ze źródła zasilania do napięcia U poprzez rezystor o rezystancji R (rys. 16-6, gdzie przełącznik jest przesuwany z pozycji 1 do pozycji 2).

Ryż. 16-6. Rozładowanie kondensatora do rezystora.

Ryż. 16-7. Wykres zmian prądu i napięcia podczas rozładowywania kondensatora.

W początkowej chwili w obwodzie pojawi się prąd i kondensator zacznie się rozładowywać, a napięcie na nim spadnie. Wraz ze spadkiem napięcia zmniejsza się również prąd w obwodzie (ryc. 16-7). Po pewnym czasie napięcie na kondensatorze i prąd w obwodzie zmniejszą się do około 1% wartości początkowych i proces rozładowywania kondensatora można uznać za zakończony.

Napięcie kondensatora podczas rozładowywania

tj. maleje zgodnie z prawem funkcji wykładniczej (ryc. 16-7).

Prąd rozładowania kondensatora

to znaczy, podobnie jak napięcie, maleje zgodnie z tym samym prawem (ryc. 6-7).

Cała energia zmagazynowana podczas ładowania kondensatora w jego polu elektrycznym jest uwalniana w postaci ciepła w oporze R podczas rozładowania.

Pole elektryczne naładowanego kondensatora odłączonego od źródła zasilania nie może pozostać niezmienione przez długi czas, ponieważ dielektryk kondensatora i izolacja między jego zaciskami mają pewną przewodność.

Rozładowanie kondensatora spowodowane niedoskonałością dielektryka i izolacji nazywane jest samorozładowaniem. Stała czasowa podczas samorozładowania kondensatora nie zależy od kształtu płytek i odległości między nimi.

Procesy ładowania i rozładowywania kondensatora nazywane są procesami przejściowymi.

Często w różnych zasilaczach pojawia się zadanie ograniczenia udaru prądu rozruchowego po włączeniu. Przyczyny mogą być różne - szybkie zużycie styków lub przełączników przekaźnika, zmniejszona żywotność kondensatorów filtrujących itp. Niedawno miałem podobny problem. Używam w swoim komputerze dobrego zasilacza serwerowego, jednak z powodu nieudanej implementacji sekcji standby mocno się on przegrzewa po wyłączeniu głównego zasilania. Przez ten problem musiałem już dwukrotnie naprawiać płytkę standby i wymieniać część elektrolitów znajdujących się obok niej. Rozwiązanie było proste - wyłącz zasilanie z gniazdka. Miał jednak wiele wad - po włączeniu przez kondensator wysokiego napięcia nastąpił silny wzrost prądu, który mógł go uszkodzić, dodatkowo po 2 tygodniach wtyczka zasilania urządzenia zaczęła się przepalać. Zdecydowano się na wykonanie ogranicznika prądu rozruchowego. Równolegle z tym zadaniem miałem podobne zadanie dotyczące wydajnych wzmacniaczy audio. Problemy we wzmacniaczach są takie same - przepalanie styków przełącznika, udar prądowy przez diody mostkowe i elektrolity filtrujące. W Internecie można znaleźć sporo obwodów ograniczających prąd udarowy. Ale w przypadku konkretnego zadania mogą mieć wiele wad - konieczność ponownego obliczenia elementów obwodu dla wymaganego prądu; dla potężnych odbiorców - dobór elementów mocy zapewniających niezbędne parametry dla obliczonej przydzielonej mocy. Ponadto czasami konieczne jest zapewnienie minimalnego prądu rozruchowego podłączonego urządzenia, co zwiększa złożoność takiego obwodu. Aby rozwiązać ten problem, istnieje proste i niezawodne rozwiązanie - termistory.

Rys.1 Termistor

Termistor to rezystor półprzewodnikowy, którego rezystancja zmienia się gwałtownie po podgrzaniu. Do naszych celów potrzebujemy termistorów o ujemnym współczynniku temperaturowym - termistory NTC. Gdy prąd przepływa przez termistor NTC, nagrzewa się on i jego rezystancja spada.

Rys.2 Termistor TKS

Interesują nas następujące parametry termistora:

Odporność w temperaturze 25˚C

Maksymalny prąd stały

Obydwa parametry znajdują się w dokumentacji konkretnych termistorów. Za pomocą pierwszego parametru możemy określić minimalny prąd, który przejdzie przez rezystancję obciążenia podczas podłączania go przez termistor. Drugi parametr jest określony przez maksymalne rozproszenie mocy termistora, a moc obciążenia musi być taka, aby średni prąd płynący przez termistor nie przekroczył tej wartości. Aby zapewnić niezawodne działanie termistora, należy przyjąć wartość tego prądu mniejszą niż 20 procent parametru określonego w dokumentacji. Wydawać by się mogło, że łatwiej będzie dobrać odpowiedni termistor i zmontować urządzenie. Ale musisz wziąć pod uwagę kilka punktów:

1. Termistor potrzebuje dużo czasu, aby ostygnąć. Jeśli wyłączysz urządzenie i natychmiast włączysz je ponownie, termistor będzie miał niską rezystancję i nie będzie spełniał swojej funkcji ochronnej.
2. Nie można łączyć termistorów równolegle w celu zwiększenia prądu - ze względu na rozbieżność parametrów prąd przez nie będzie się znacznie różnić. Ale całkiem możliwe jest połączenie wymaganej liczby termistorów szeregowo.
3. Podczas pracy termistor staje się bardzo gorący. Elementy obok niego również się nagrzewają.
4. Maksymalny prąd w stanie ustalonym płynący przez termistor powinien być ograniczony jego maksymalną mocą. Ta opcja jest wymieniona w dokumentacji. Jeśli jednak termistor zostanie użyty do ograniczenia krótkich skoków prądu (na przykład, gdy zasilanie jest początkowo włączone i ładuje się kondensator filtra), wówczas prąd impulsowy może być większy. Wówczas wybór termistora jest ograniczony jego maksymalną mocą impulsu.

Energię naładowanego kondensatora określa się ze wzoru:

E = (C*Vszczyt²)/2

gdzie E to energia w dżulach, C to pojemność kondensatora filtrującego, Vpeak to maksymalne napięcie, do jakiego będzie ładowany kondensator filtrujący (w naszych sieciach można przyjąć wartość 250V*√2 = 353V).

Jeśli dokumentacja wskazuje maksymalną moc impulsu, to na podstawie tego parametru można wybrać termistor. Ale z reguły ten parametr nie jest określony. Następnie na podstawie już obliczonych tabel dla termistorów serii standardowej można oszacować maksymalną pojemność, jaką można bezpiecznie naładować za pomocą termistora.

Wziąłem tabelkę z parametrami termistorów NTC firmy Joyin. Tabela pokazuje:

Rnom- rezystancja nominalna termistora w temperaturze 25°C

Imaks- maksymalny prąd przez termistor (maksymalny prąd w stanie ustalonym)

Smaks- maksymalna pojemność w obwodzie testowym, która jest rozładowywana na termistorze bez jego uszkodzenia (napięcie testowe 350 V)

Jak przebiega test, możesz zobaczyć na stronie siódmej.

Kilka słów o parametrze Smaks– z dokumentacji wynika, że ​​w obwodzie testowym kondensator jest rozładowywany poprzez termistor i rezystor ograniczający, co uwalnia dodatkową energię. Dlatego maksymalna bezpieczna pojemność, jaką termistor może naładować bez takiego oporu, będzie mniejsza. Szukałem informacji na zagranicznych forach tematycznych i przyglądałem się typowym obwodom z ogranicznikami w postaci termistorów, dla których podane są dane. Na podstawie tych informacji możesz przyjąć współczynnik dla Smaks w rzeczywistym schemacie 0,65, przez który należy pomnożyć dane z tabeli.

Nazwa	Rnom,	Imax,	Smax,
Dśrednica 8mm
średnica 10mm
średnica 13mm
średnica 15mm
średnica 20mm

Tabela parametrów termistorów NTC firmy Joyin

Łącząc szeregowo kilka identycznych termistorów NTC, zmniejszamy wymagania dotyczące maksymalnej energii impulsu każdego z nich.

Dam ci przykład. Musimy na przykład wybrać termistor, aby włączyć zasilanie komputera. Maksymalny pobór mocy komputera wynosi 700 watów. Chcemy ograniczyć prąd rozruchowy do 2-2,5A. Zasilacz zawiera kondensator filtrujący o pojemności 470 µF.

Obliczamy efektywną wartość prądu:

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

Jak pisałem powyżej, dla niezawodnej pracy termistora, z dokumentacji wybierzemy maksymalny prąd w stanie ustalonym, który jest o 20% większy od tej wartości.

Imaks = 3,8A

Wymaganą rezystancję termistora obliczamy dla prądu rozruchowego 2,5 A

R = (220 V*√2)/2,5 A = 124 omów

Z tabeli znajdujemy wymagane termistory. 6 sztuk termistorów JNR15S200L połączonych szeregowo odpowiada naszym potrzebom Imaks, ogólny opór. Maksymalna pojemność, jaką będą w stanie naładować, wyniesie 680 µF * 6 * 0,65 = 2652 µF, czyli nawet więcej, niż potrzebujemy. Naturalnie ze spadkiem Vszczyt, wymagania dotyczące maksymalnej mocy impulsu termistora są również zmniejszone. Nasza zależność zależy od kwadratu napięcia.

I ostatnie pytanie odnośnie doboru termistorów. A co jeśli wybraliśmy termistory potrzebne do uzyskania maksymalnej mocy impulsu, ale nie są one dla nas odpowiednie? Imaks(stałe obciążenie jest dla nich za duże), czy też nie potrzebujemy źródła stałego ogrzewania w samym urządzeniu? W tym celu zastosujemy proste rozwiązanie - dodamy do obwodu równolegle z termistorem kolejny przełącznik, który załączymy po naładowaniu kondensatora. To samo zrobiłem w swoim limiterze. W moim przypadku parametry są następujące: maksymalny pobór mocy komputera to 400W, ograniczenie prądu rozruchowego to 3,5A, kondensator filtrujący to 470uF. Wziąłem 6 sztuk termistorów 15d11 (15 omów). Schemat pokazano poniżej.

Ryż. 3 Obwód ogranicznika

Objaśnienia do diagramu. SA1 odłącza przewód fazowy. Dioda LED VD2 służy do sygnalizacji pracy ogranicznika. Kondensator C1 wygładza tętnienia, a dioda LED nie migocze przy częstotliwości sieciowej. Jeśli tego nie potrzebujesz, usuń C1, VD6, VD1 z obwodu i po prostu podłącz diodę LED i diodę równolegle w taki sam sposób, jak elementy VD4, VD5. Aby wskazać proces ładowania kondensatora, dioda LED VD4 jest połączona równolegle z termistorami. W moim przypadku podczas ładowania kondensatora zasilacza komputera cały proces trwa mniej niż sekundę. Zatem zbierajmy.

Rys.4 Zestaw montażowy

Wskaźnik zasilania zamontowałem bezpośrednio w obudowie włącznika, wyrzucając chińską żarówkę, która nie trwałaby długo.

Ryż. 5 Wskaźnik zasilania

Rys.6 Blok termistora

Ryż. 7 Zmontowany ogranicznik

Można by to osiągnąć, gdyby po tygodniu pracy nie uległy awarii wszystkie termistory. Wyglądało to tak.

Ryż. 8 Awaria termistorów NTC

Pomimo tego, że margines dopuszczalnej wartości pojemności był bardzo duży - 330 µF * 6 * 0,65 = 1287 µF.

Kupiłem termistory znanej firmy, o różnych wartościach - wszystkie wadliwe. Producent nieznany. Albo Chińczycy wlewają termistory o mniejszych średnicach do dużych obudów, albo jakość materiałów jest bardzo słaba. W rezultacie kupiłem jeszcze mniejszą średnicę - SCK 152 8mm. Te same Chiny, ale już markowe. Według naszej tabeli dopuszczalna pojemność wynosi 100 µF * 6 * 0,65 = 390 µF, czyli jest nawet nieco mniejsza niż potrzeba. Jednak wszystko działa dobrze.