Cos f плавний заряд конденсаторів. Плавний заряд ємності: що вибрати? Сергій Чемезов: Ростех уже входить до десятки найбільших машинобудівних корпорацій світу

При конструюванні блоків живлення підсилювачівчасто виникають проблеми, що ніяк не пов'язані з самим підсилювачем, або є наслідком застосованої елементної бази. Так у блоках живлення транзисторних підсилювачіввеликої потужності часто виникає проблема реалізувати плавне включення блоку живлення, тобто забезпечити повільний заряд електролітичних конденсаторів в фільтрі, що згладжує, які можуть мати дуже значну ємність і, без вживання відповідних заходів, в моменти включення просто виведуть з ладу діоди випрямляча.

У блоках живлення лампових підсилювачів будь-якої потужності необхідно забезпечити затримку подачі високої анодної напругидо прогрівання ламп, щоб уникнути передчасного збіднення катода і як наслідок суттєвого скорочення ресурсу лампи. Звичайно, при використанні кенотронного випрямляча ця проблема вирішується сама собою. Але у разі використання звичайного мостового випрямляча з LC-фільтром без додаткового пристрою не обійтися.

Обидві вищевикладені проблеми дозволяє вирішити простий пристрій, який може бути легко вбудований як транзисторний, так і в ламповий підсилювач.

Схема устрою.

Принципова схема пристрою плавного включення представлена ​​малюнку:

Збільшення на кліку

Змінна напруга на вторинній обмотці ТР1 трансформатора випрямляється діодним мостом Br1 і стабілізується інтегральним стабілізатором VR1. Резистор R1 забезпечує плавний заряд конденсатора C3. Коли напруга у ньому досягне порогової величини, відкриється транзистор Т1, у результаті спрацює реле Rel1. Резистор R2 забезпечує розряд конденсатора C3 при вимиканні пристрою.

Варіанти включення.

Контактна група реле Rel1 підключається в залежності від типу підсилювача та організації блоку живлення.

Для прикладу, щоб забезпечити плавний заряд конденсаторів у блоці живлення транзисторного підсилювача потужності, представлений пристрій можна використовувати для шунтування баластного резистора після заряду конденсаторів, щоб унеможливити втрати потужності на ньому. Можливий варіант включення показаний на схемі:

Номінали запобіжника та баластного резистора не вказані, оскільки вибираються, виходячи з потужності підсилювача та ємності конденсаторів фільтра, що згладжує.

У ламповому підсилювачі представлений пристрій допоможе організувати затримку подачі. високої анодної напругидо прогрівання ламп, що дозволяє суттєво продовжити їхній ресурс роботи. Можливий варіант включення представлений на малюнку:

Схема затримки тут включається одночасно з напруженим трансформатором. Після прогрівання ламп увімкнеться реле Rel1, внаслідок чого мережна напруга буде подана на анодний трансформатор.

Якщо у вашому підсилювачі використовується один трансформатор і для живлення ланцюгів розжарювання ламп, і для анодної напруги, контактну групу реле слід перенести в ланцюг вторинної обмотки анодної напруги.

Елементи схеми затримки включення (плавного запуску):

• Запобіжник: 220В 100мА,
• Трансформатор: будь-який малопотужний з вихідною напругою 12-14В,
• Діодний міст: будь-який малогабаритний з параметрами 35В/1А та вище,
• Конденсатори: С1 - 1000мкФ 35В, С2 - 100нФ 63В, С3 - 100мкФ 25В,
• Резистори: R1 - 220кОм, R2 - 120кОм,
• Транзистор: IRF510,
• Інтегральний стабілізатор: 7809, LM7809, L7809, MC7809 (7812),
• Реле: з робочою напругою обмотки 9В (12В для 7812) та контактною групою відповідної потужності.

Через малого струму споживання мікросхему стабілізатора та польовий транзистор можна монтувати без радіаторів

Однак у когось може виникнути ідея відмовитися від зайвого, хай і малогабаритного, трансформатора та запитати схему затримки від напруження напруження. Враховуючи, що стандартне значення напруги розжарювання ~6.3В, доведеться замінити стабілізатор L7809 на L7805 та застосувати реле з робочою напругою обмотки 5В. Такі реле зазвичай споживають значний струм, в цьому випадку мікросхему і транзистор доведеться забезпечити невеликими радіаторами.

При використанні реле з обмоткою на 12В (якось частіше трапляються) мікросхему інтегрального стабілізатора слід замінити на 7812 (L7812, LM7812, MC7812).

З вказаними на схемі номіналами резистора R1 та конденсатора С3 час затримкивключення складає порядку 20 секунд. Для збільшення часового інтервалу необхідно збільшити ємність конденсатора С3.

Статтю підготовлено за матеріалами журналу «АудіоІкспрес»

Вільний переклад Головного редактора "РадіоГазети".

Якщо з'єднати резистор і конденсатор, то вийде мабуть один із найкорисніших і універсальних ланцюгів.

Про численні способи застосування якої я сьогодні й вирішив розповісти. Але спочатку про кожен елемент окремо:

Резистор – його завдання обмежувати струм. Це статичний елемент, чиє опір не змінюється, про теплові похибки зараз не говоримо – вони не надто великі. Струм через резистор визначається законом ома I=U/Rде U напруга на висновках резистора, R - його опір.

Конденсатор штука цікавіша. У нього є цікава властивість — коли він розряджений, то поводиться майже як коротке замикання — струм через нього тече без обмежень, прямуючи в нескінченність. А напруга на ньому прагне нуля. Коли ж він заряджений, то стає як урвища і струм через нього текти перестає, а напруга на ньому стає рівним джерелу, що заряджає. Виходить цікава залежність - є струм, немає напруги, напруга - немає струму.

Щоб візуалізувати собі цей процес, уяви ган… емм.. повітряна кулька яка наповнюється водою. Потік води це струм. Тиск води на пружні стінки – еквівалент напруги. Тепер дивись, коли кулька порожня — вода витікає вільно, великий струм, а тиску ще майже немає — напруга замала. Потім, коли кулька наповниться і почне чинити опір тиску, за рахунок пружності стінок, швидкість потоку сповільниться, а потім і зовсім зупиниться - сили зрівнялися, конденсатор зарядився. Є напруга натягнутих стін, але немає струму!

Тепер, якщо зняти або зменшити зовнішній тиск, прибрати джерело живлення, вода під дією пружності хлине назад. Також і струм з конденсатора потече назад, якщо ланцюг буде замкнутий, а напруга джерела нижче ніж напруга в конденсаторі.

Місткість конденсатора. Що це?
Теоретично, будь-який ідеальний конденсатор можна закачати заряд нескінченного розміру. Просто наша кулька сильніше розтягнеться і стінки створять більший тиск, нескінченно великий тиск.
А що ж тоді щодо Фарад, що пишуть на боці конденсатора як показник ємності? А це лише залежність напруги від заряду (q = CU). У конденсатора малої ємності зростання напруги від заряду буде вищим.

Уяви дві склянки з нескінченно високими стінками. Один вузький, як пробірка, інший широкий, як тазик. Рівень води в них – це напруга. Площа дна – ємність. І в той і в інший можна набузолити той самий літр води — рівний заряд. Але в пробірці рівень підскочить на кілька метрів, А в тазику хлюпатиметься біля самого дна. Також і в конденсаторах з малою та великою ємністю.
Залити можна скільки завгодно, але напруга буде різною.

Плюс у реалі у конденсаторів є пробивна напруга, після якої він перестає бути конденсатором, а перетворюється на придатний провідник:)

А як швидко заряджається конденсатор?
В ідеальних умовах, коли у нас нескінченно потужне джерело напруги з нульовим внутрішнім опором, ідеальні надпровідні дроти та абсолютно бездоганний конденсатор – цей процес відбуватиметься миттєво, з часом 0, так само як і розряд.

Але насправді завжди існують опори, явні - на зразок банального резистора або неявні, такі як опір проводів або внутрішній опір джерела напруги.
У цьому випадку швидкість заряду конденсатора буде залежати від опорів у ланцюгу та ємності кондера, а сам заряд йтиме по експоненційному закону.

А цей закон має пару характерних величин:

• Т - постійна часу, цей час у якому величина досягне 63% від свого максимуму. 63% тут взялися невипадково, тут пряма зав'язка таку формулу VALUE T =max—1/e*max.
• 3T — а за триразової постійної значення досягне 95% свого максимуму.

Постійна часу для RC ланцюга Т=R*C.

Чим менший опір і менше ємність, тим швидше конденсатор заряджається. Якщо опір дорівнює нулю, то час заряду дорівнює нулю.

Розрахуємо за скільки зарядиться на 95% конденсатор ємністю 1uF через резистор в 1кОм:
T = C * R = 10 -6 * 10 3 = 0.001c
3T = 0.003c через такий час напруга на конденсаторі досягне 95% від джерела напруги.

Розряд піде за тим самим законом, тільки вгору ногами. Тобто. через Твремені на конденсаторі залишається всього лише 100% - 63% = 37% від початкової напруги, а через 3T і того менше - жалюгідні 5%.

Ну з подачею та зняттям напруги все ясно. А якщо напругу подали, а потім ще східчасто підняли, а розряджали також східцями? Ситуація тут практично не зміниться - піднялася напруга, конденсатор дозарядився до нього за тим самим законом, з тієї ж постійної часу - через 3Т часу його напруга буде на 95% від нового максимуму.
Трохи знизилося — підрозрядився і через час 3Т напруга на ньому буде на 5% вище за новий мінімум.
Та що я тобі говорю, краще показати. Зварганив тут у мультисимі хитровидрючений генератор ступечного сигналу і подав на інтегруючий RC ланцюжок:

Бачиш як ковбаситься:) Зверніть увагу, що і заряд і розряд, незалежно від висоти сходинки, завжди однієї тривалості!

А до якого розміру конденсатор можна зарядити?
Теоретично до нескінченності, така кулька з стінками, що нескінченно тягнуться. У реалі ж кулька рано чи пізно лусне, а конденсатор проб'є і закоротить. Ось тому всі конденсатори мають важливий параметр. гранична напруга. На електролітах його часто пишуть збоку, а на керамічних його треба дивитися у довідниках. Але там воно зазвичай від 50 вольт. Загалом, вибираючи кондер треба стежити, щоб його гранична напруга була не нижчою за те, що в ланцюгу. Додам, що при розрахунку конденсатора на змінну напругу слід вибирати граничну напругу в 1.4 рази вище. Т.к. на змінній напрузі вказують чинне значення, а миттєве значення у своєму максимумі перевищує його в 1.4 рази.

Що випливає з перерахованого вище? А те, що якщо на конденсатор подати постійну напругу, то він просто зарядиться і все. На цій веселощі закінчиться.

А якщо подати змінне? То очевидно, що він буде то заряджатися, то розряджатися, а в ланцюзі туди й назад гулятиме струм. Движуха! Струмок є!

Виходить, незважаючи на фізичний обрив ланцюга між обкладками, через конденсатор легко протікає змінний струм, а ось постійно слабко.

Що це нам дає? А те, що конденсатор може служити свого роду сепаратором, для поділу змінного струму і постійного на відповідні складові.

Будь-який сигнал, що змінюється в часі, можна представити як суму двох складових — змінної і постійної.

Наприклад, у класичної синусоїди є лише змінна частина, а постійна дорівнює нулю. У постійного струму навпаки. А якщо в нас зсунута синусоїда? Чи постійна з перешкодами?

Змінна та постійна складові сигналу легко поділяються!
Трохи вище я тобі показав, як конденсатор дозаряджається і подразряжается при змінах напруги. Отже змінна складова крізь кондер пройде на ура, т.к. лише вона змушує конденсатор активно змінювати свій заряд. Постійна як була так і залишиться і застрягне на конденсаторі.

Але щоб конденсатор ефективно розділяв змінну складову від постійної частота змінної складової повинна бути не нижче ніж 1/T

Можливі два види включення RC ланцюжка:
Інтегруюча та диференціююча. Вони фільтр низьких частот і фільтр високих частот.

Фільтр низьких частот без змін пропускає постійну складову (оскільки її частота дорівнює нулю, нижче нікуди) і пригнічує все що вище ніж 1/T. Постійна складова проходить безпосередньо, а змінна складова через конденсатор гаситься на землю.
Такий фільтр ще називають інтегруючим ланцюжком тому, що сигнал на виході як би інтегрується. Пам'ятаєш, що таке інтеграл? Площу під кривою! Ось тут вона і виходить на виході.

А ланцюгом, що диференціює, його називають тому, що на виході у нас виходить диференціал вхідної функції, який є не що інше як швидкість зміни цієї функції.

• На ділянці 1 відбувається заряд конденсатора, а отже через нього йде струм і на резисторі буде падіння напруги.
• На ділянці 2 відбувається різке збільшення швидкості заряду, а отже струм різко зросте, а за ним і падіння напруги на резисторі.
• На ділянці 3 конденсатор просто утримує наявний потенціал. Струм через нього не йде, а значить на резистори напруга теж дорівнює нулю.
• Та й на 4-му ділянці конденсатор почав розряджатися, т.к. вхідний сигнал став нижчим за його напругу. Струм пішов у зворотний бік і на резисторі вже негативне падіння напруги.

А якщо подати на вхід прямокутний імпульс, з дуже крутими фронтами і зробити ємність дрібнішого конденсатора, то побачимо такі голки:

прямокутник. Ну а чо? Правильно похідна від лінійної функції є константа, нахил цієї функції визначає знак константи.

Коротше, якщо в тебе зараз йде курс матана, то можеш забити на богомерзкий Mathcad, огидний Maple, викинути з голови матричну брехню Матлаба і, діставши із загашників жменю аналогового розсипуху, спаяти собі істинно ТРУЪ аналоговий комп'ютер:) Виклад буде в шоці:)

Щоправда на одних тільки резисторах кондерах інтегратори і дифференціатори зазвичай не роблять, тут користуються операційними підсилювачами. Можеш поки що погуглити на предмет цих штуковин, цікава річ:)

А ось тут я подав звичайний приямокутний сигнал на два фільтри високих та низьких частот. А виходи з них на осцилограф:

Ось, трохи більша одна ділянка:

При старті кондер розряджений, струм через нього ввалює на повну, а напруга на ньому мізерна - на вході RESET сигнал скидання. Але незабаром конденсатор зарядиться і через час Т його напруга вже буде на рівні логічної одиниці і на RESET перестане подаватися сигнал скидання - МК стартанет.
А для AT89C51треба з точністю навпаки RESET організувати спочатку подати одиницю, а потім нуль. Тут ситуація зворотна - поки кондер не заряджений, то струм через нього тече великий, Uc - падіння напруги на ньому мізерне Uc = 0. Отже на RESET подається напруга трохи менше напруги живлення Uпит-Uc=Uпит.
Але коли кондер зарядиться і напруга на ньому досягне напруги живлення (Uпіт = Uс), то на виводі RESET вже буде Uпіт-Uc = 0

Аналогові виміри
Але фіг зніми з ланцюжками скидання, куди прикольніше використовувати можливість RC ланцюга для виміру аналогових величин мікроконтролерами в яких немає АЦП.
Тут використовується той факт, що напруга на конденсаторі зростає строго по тому самому закону — експоненті. Залежно від кондера, резистора і напруги живлення. А значить його можна використовувати як опорну напругу із заздалегідь відомими параметрами.

Працює просто, ми подаємо напругу з конденсатора на аналоговий компаратор, а на другий вхід компаратора заводимо напругу, що вимірювається. І коли хочемо виміряти напругу, то просто спочатку смикаємо виведення вниз, щоб розрядити конденсатор. Потім повернемо його в режим Hi-Z, скидаємо та запускаємо таймер. А далі кондер починає заряджатися через резистор і як тільки компаратор доповість, що напруга з RC наздогнала вимірюване, то зупиняємо таймер.

Знаючи по якому закону від часу йде зростання опорної напруги RC ланцюга, а також знаючи скільки натикав таймер, ми можемо досить точно дізнатися чому було рівно вимірювана напруга на момент спрацювання компаратора. Причому тут не обов'язково вважати експоненти. На початковому етапі зарядки кондера можна припустити, що там залежність лінійна. Або, якщо хочеться більшої точності, апроксимувати експоненту шматково лінійними функціями, а російською — відмалювати її зразкову форму декількома прямими чи зварганити таблицю залежності величини від часу, коротше, способів вагона просто.

Якщо треба мати аналогову крутилку, а АЦП немає, то можна навіть компаратор не користуватися. Дригати ніжкою на якій висить конденсатор і давати йому заряджатися через пермінний резистор.

По зміні Т, яка, нагадаю T=R*C і знаючи що ми З = const, можна визначити значення R. Причому, знову ж таки необов'язково підключати тут математичний апарат, найчастіше досить зробити замір у якихось умовних папугах, на кшталт тиків таймера. А можна піти іншим шляхом, не міняти резистор, а міняти ємність, наприклад, приєднуючи до неї ємність свого тіла… що вийде? Правильно – сенсорні кнопки!

Якщо щось незрозуміло, то не парься скоро напишу статтю про те, як прикрутити до мікроконтролера аналогову фіговину не використовуючи АЦП. Там докладно все розжую.

Класний феєрверк у вас закладено. Варто парі-трійці світлодіодів пробитися, напруга на LM317 стрибне до позамежного і буде класний бабах.

1000 мікрофарад на 450v = 80 Джоулів. У разі проблем, конденсатор жухне так, що мало не здасться. А проблеми будуть, тому що ви засунули конденсатор зовсім без запасу в середу, де і 1kV можна в імпульсі на вхід упіймати.

Порада – зробіть нормальний імпульсний драйвер. А не цей гурток "умілі руки" без гальванічної розв'язки та фільтрів.

Навіть якщо умовно прийняти цю схему за вірну, потрібно наставити навколо керамічних конденсаторів LM317, щоб не дзвеніла.

І так, струмообмеження транзистором робиться інакше - у вашій схемі він просто рвоне тому, що спочатку до переходу Е-К буде додана мережа.

А до переходу ЕБ ваш дільник додасть 236 вольт, що також призведе до вибуху транзистора.

Після кількох уточнень нарешті з'ясувалося, чого ви хочете досягти: загальне джерело живлення для кількох ланцюгів послідовно включених світлодіодів. Головною проблемою ви визнали вузол плавного заряду фільтрового конденсатора. На мій погляд, у такій схемі є кілька більш критичних місць. Але спочатку на тему питання.

1000 мкф - це значення придатне струму навантаження 0,5...3 ампера, а чи не десятки міліампер (там досить 22...50 мкф). Транзистор можна ставити, якщо треба зробити плавне, на 4...20 секунд, наростання яскравості - але ж у вас кілька гірлянд! Невже вони мають у всій квартирі стартувати одночасно? Та й щодо вимикачів - ви хочете замість штатних, що комутують ланцюг ~220 вольт, комутувати ланцюг = 310 вольт, ставлячи вимикач між конденсатором та гірляндою? Таке рішення виглядає хоч якось виправданим для "розумного будинку" (та й то не все в ньому зрозуміло), але у звичайній квартирі так не має сенсу. У ній правильніше встановити для кожної гірлянди свій окремий БП - і тоді набагато вигідніше застосовувати звичайні супердешеві (і куди надійніші!) стрічки з паралельнимисвітлодіодами на 12 вольт, а не з саморобними послідовними, у яких вигоряння одного діода повністю позбавляє вас світла.
Інше призначення вузла плавного заряду - захист випрямлювальних діодів від багаторазового навантаження у момент включення, коли конденсатор повністю розряджений. Але це завдання повністю вирішується куди більш простим методом - замість T1 і R1, R3 треба вставити терморезистор опором в кілька десятків ом, що знижується при прогріві до 0,5 ... 3 ом, так зроблено в сотнях мільйонів комп'ютерних БП, що надійно працюють роками при приблизно такому ж струмі навантаження, як і у вас. Видобути такий термістор можна з будь-якого дохлого комп'ютерного БП.

І нарешті про те, чого у вашому питанні немає, а воно впадає в око - про стабілізатор струму на LM317, що поглинає надлишок мережної напруги. Справа в тому, що такий стаб працездатний лише в діапазоні від 3 до 40 вольт. Допуск на мережеву напругу у міській справній мережі 10%, тобто. від 198 до 242 вольт. Значить, якщо ви розрахували стаб на нижню межу (а так зазвичай і робиться), то на верхній межі напруга на стабі вийде за допустимі 40 вольт. Якщо ж ви налаштуєте його на верх діапазону (тобто на 242), то на нижній межі напруга на стабі знизиться нижче 3 вольт, і він перестане стабілізувати струм. І я вже замовчу, що буде з цією схемою в сільській місцевості, де коливання мережевої напруги значно ширші. Так що така схема нормально працюватиме тільки при стабільній напрузі мережі - але при стабільній мережі стабілізатор не потрібен, його чудово замінить простий резистор.

Приєднаємо ланцюг, що складається з незарядженого конденсатора ємністю і резистора з опором R, до джерела живлення з постійною напругою U (рис. 16-4).

Так як в момент включення конденсатор ще не заряджений, то напруга на ньому Тому в ланцюзі в початковий момент часу падіння напруги на опорі R дорівнює U і виникає струм, сила якого

Мал. 16-4. Заряджання конденсатора.

Проходження струму i супроводжується поступовим накопиченням заряду Q на конденсаторі, на ньому з'являється напруга та падіння напруги на опорі R зменшується:

як і випливає з другого закону Кірхгофа. Отже, сила струму

зменшується, зменшується і швидкість накопичення заряду Q, оскільки струм у ланцюзі

З часом конденсатор продовжує заряджатися, але заряд Q і напруга на ньому зростають все повільніше (рис. 16-5), а сила струму в ланцюзі поступово зменшується пропорційно різниці - напруг

Мал. 16-5. Графік зміни струму та напруги під час заряджання конденсатора.

Через досить великий інтервал часу (теоретично нескінченно великий) напруга на конденсаторі досягає величини, що дорівнює напрузі джерела живлення, а струм стає рівним нулю - процес заряджання конденсатора закінчується.

Процес зарядки конденсатора тим триваліший, чим більший опір ланцюга R, що обмежує силу струму, і чим більша ємність конденсатора, оскільки при великій ємності повинен накопичитися більший заряд. Швидкість протікання процесу характеризують постійного часу ланцюга

чим більше, тим повільніше процес.

Постійна час ланцюга має розмірність часу, так як

Через інтервал часу з моменту включення ланцюга, рівний напруга на конденсаторі досягає приблизно 63% напруги джерела живлення, а через інтервал процес зарядки конденсатора можна вважати закінченим.

Напруга на конденсаторі під час заряджання

тобто воно дорівнює різниці постійної напруги джерела живлення і вільної напруги спадного з часом за законом показової функції від значення U до нуля (рис. 16-5).

Зарядний струм конденсатора

Струм від початкового значення поступово зменшується за законом показової функції (рис. 16-5).

б) Розряд конденсатора

Розглянемо тепер процес розряду конденсатора, який був заряджений від джерела живлення до напруги U через резистор з опором R (рис. 16-6, Де перемикач перекладається з положення 1 в положення 2).

Мал. 16-6. Розряд конденсатора на резистор.

Мал. 16-7. Графік зміни струму та напруги при розрядженні конденсатора.

У початковий момент, в ланцюзі виникне струм і конденсатор почне розряджатися, а напруга на ньому зменшуватиметься. У міру зменшення напруги зменшуватиметься і струм у ланцюгу (рис. 16-7). Через інтервал часу напруга на конденсаторі і струм ланцюга зменшаться приблизно до 1% початкових значень і процес розряду конденсатора можна вважати таким, що закінчився.

Напруга на конденсаторі при розряді

т. е. зменшується за законом показової функції (рис. 16-7).

Розрядний струм конденсатора

тобто він, так само як і напруга, зменшується за тим самим законом (рис. 6-7).

Вся енергія, запасена при зарядці конденсатора у його електричному полі, при розряді виділяється як тепла у опорі R.

Електричне поле зарядженого конденсатора, від'єднаного від джерела живлення, не може довго зберігатися незмінним, так як діелектрик конденсатора і ізоляція між його затискачами мають деяку провідність.

Розряд конденсатора, зумовлений недосконалістю діелектрика та ізоляції, називається саморозрядом. Постійна часу при саморозряді конденсатора залежить від форми обкладок і відстані між ними.

Процеси заряджання та розряду конденсатора називаються перехідними процесами.

Часто у різних джерелах живлення виникає завдання обмежити стартовий кидок струму під час увімкнення. Причини можуть бути різні - швидке зношування контактів реле або вимикачів, скорочення терміну служби конденсаторів фільтра ітд. Таке завдання нещодавно виникло і в мене. У комп'ютері я використовую непоганий серверний блок живлення, але за рахунок невдалої реалізації секції чергового режиму відбувається сильний її перегрів при відключенні основного живлення. Через цю проблему вже 2 рази довелося ремонтувати плату чергового режиму та міняти частину електролітів, що знаходяться поруч із нею. Рішення було просте - вимикати блок живлення з розетки. Але воно мало ряд мінусів - при включенні відбувався сильний кидок струму через високовольтний конденсатор, що могло вивести його з ладу, крім того, вже через 2 тижні почала обгоряти вилка живлення блоку. Вирішено було зробити обмежувач кидків струму. Паралельно з цим завданням, я мав подібне завдання і для потужних аудіо підсилювачів. Проблеми в підсилювачах ті самі - обгорання контактів вимикача, кидок струму через діоди мосту та електроліти фільтра. В інтернеті можна знайти чимало схем обмежувачів кидків струму. Але для конкретного завдання вони можуть мати низку недоліків – необхідність перерахунку елементів схеми для потрібного струму; для потужних споживачів - підбір силових елементів, що забезпечують необхідні параметри для розрахункової потужності, що виділяється. Крім того, іноді потрібно забезпечити мінімальний стартовий струм для пристрою, що підключається, через що складність такої схеми зростає. Для вирішення цього завдання є просте та надійне рішення – термістори.

Рис.1 Термістор

Термістор це напівпровідниковий резистор, опір якого різко змінюється при нагріванні. Для наших цілей потрібні термістори з негативним температурним коефіцієнтом – термістори NTC. При протіканні струму через термістор NTC він нагрівається і його опір падає.

Рис.2 ТКС термістора

Нас цікавлять такі параметри термістора:

Опір при 25˚С

Максимальний струм, що встановився

Обидва параметри є у документації на конкретні термістори. За першим параметром ми можемо визначити мінімальний струм, який пройде через опір навантаження при підключенні через термістор. Другий параметр визначається максимальною розсіюваною потужністю термістора і потужність навантаження повинна бути такою, щоб середній струм через термістор не перевищив це значення. Для надійної роботи термістора потрібно брати значення цього струму менше 20 відсотків від параметра, зазначеного в документації. Здавалося б, що простіше підібрати потрібний термістор і зібрати пристрій. Але треба враховувати деякі моменти:

1. Термістор досить довго остигає. Якщо вимкнути пристрій і одразу ввімкнути знову, то термістор матиме низький опір і не виконає свою захисну функцію.
2. Не можна з'єднувати термістори паралельно для збільшення струму – через розкид параметрів струм через них сильно відрізнятиметься. Але цілком можна з'єднувати потрібне до термісторів послідовно.
3. Під час роботи відбувається сильне нагрівання термістора. Гріються також елементи поруч із ним.
4. Максимальний струм, що встановився через термістор, повинен обмежуватися його максимальною потужністю. Цей параметр вказано у документації. Але якщо термістор використовується для обмеження коротких кидків струму (наприклад, при початковому включенні блоку живлення та заряджання конденсатора фільтра), то імпульсний струм може бути більшим. Тоді вибір термістора обмежений максимальною імпульсною потужністю.

Енергія зарядженого конденсатора визначається формулою:

E = (C*Vpeak²)/2

де E - енергія в джоулях, C - ємність конденсатора фільтра, Vpeak - максимальна напруга, до якої зарядиться конденсатор фільтра (для наших мереж можна взяти значення 250 * 2 = 353В).

Якщо в документації вказано максимальну імпульсну потужність, виходячи з цього параметра можна підібрати термістор. Але, як правило, цей параметр не вказано. Тоді максимальну ємність, яку можна безпечно зарядити термістором, можна прикинути по вже розрахованих таблицях для термісторів стандартних серій.

Я взяв таблицю з параметрами NTC термісторів фірми Joyin. У таблиці вказано:

Rном- номінальний опір термістора за температури 25°С

Iмакс- максимальний струм через термістор (максимальний струм, що встановився)

Смакс- максимальна ємність у тестовій схемі, яку розряджають на термістор без його пошкодження (тестова напруга 350v)

Як проводиться тестове випробування, можна переглянути на сьомій сторінці.

Декілька слів про параметр Смакс– у документації показано, що у тестовій схемі конденсатор розряджається через термістор та обмежувальний резистор, на якому виділяється додаткова енергія. Тому максимальна безпечна ємність, яку зможе зарядити термістор без такого опору, буде меншою. Я пошукав інформацію у зарубіжних тематичних форумах і подивився типові схеми з обмежувачами у вигляді термісторів, на які наведено дані. Виходячи з цієї інформації, можна взяти коефіцієнт для Смаксу реальній схемі 0.65, який помножити дані з таблиці.

Найменування	Rном,	Iмакс,	Смакс,
діаметр 8мм
діаметр 10мм
діаметр 13мм
діаметр 15мм
діаметр 20мм

Таблиця параметрів NTC термісторів фірми Joyin

Поєднуючи кілька однакових NTC термісторів послідовно, ми зменшуємо вимоги до максимальної імпульсної енергії кожного з них.

Наведу приклад. Наприклад, нам необхідно підібрати термістор для увімкнення блоку живлення комп'ютера. Максимальна потужність споживання комп'ютера – 700 Вт. Ми хочемо обмежити стартовий струм завбільшки 2-2.5А. У блоці живлення встановлено конденсатор фільтра 470мкФ.

Вважаємо чинне значення струму:

I = 700Вт/220В = 3.18А

Як писав вище, для надійної роботи термістора, виберемо максимальний струм, що встановився, з документації на 20% більше цієї величини.

Iмакс = 3.8А

Вважаємо необхідний опір термістора для стартового струму 2.5А

R = (220В * √2) / 2.5А = 124 Ом

З таблиці знаходимо потрібні термістори. 6 штук послідовно включених термісторів JNR15S200L підходять нам по Iмакс, Спільний опір. Максимальна ємність, яку вони можуть зарядити дорівнюватиме 680мкФ*6*0.65=2652мкФ, що навіть більше, ніж нам потрібно. Звичайно, при зниженні Vpeak, знижуються вимоги до максимальної імпульсної потужності термістора. Залежність від квадрата напруги.

І останнє питання щодо вибору термісторів. Що, якщо ми підібрали необхідні за максимальною імпульсною потужністю термістори, але вони нам не підходять по Iмакс(постійне навантаження для них занадто велике), або в самому пристрої нам не потрібне джерело постійного нагріву? Для цього ми застосуємо просте рішення – додамо в схему ще один вимикач паралельно термістору, який увімкнемо після заряджання конденсатора. Що я зробив у своєму обмежувачі. У моєму випадку такі параметри – максимальна потужність споживання комп'ютера 400вт, обмеження стартового струму – 3.5А, конденсатор фільтра 470мкФ. Я взяв 6 штук термісторів 15d11 (15 ом). Схема наведена нижче.

Мал. 3 Схема обмежувача

Пояснення щодо схеми. SA1 відключає фазовий провід. Світлодіод VD2 служить для індикації обмежувача. Конденсатор C1 згладжує пульсації і світлодіод не мерехтить із частотою мережі. Якщо він вам не потрібен, то приберіть із схеми C1, VD6, VD1 і просто з'єднайте паралельно світлодіод та діод за аналогією елементів VD4, VD5. Для індикації процесу заряджання конденсатора паралельно термісторам включений світлодіод VD4. У моєму випадку при зарядці конденсатора блока живлення комп'ютера весь процес займає менше секунди. Отже, збираємо.

Рис.4 Набір для збирання

Індикацію живлення я зібрав безпосередньо в кришці від вимикача, викинувши з неї китайську лампу розжарювання, яка прослужила б недовго.

Мал. 5 Індикація живлення

Рис.6 Блок термісторів

Мал. 7 Зібраний обмежувач

На цьому можна було б закінчити, якби за тиждень роботи не вийшли з ладу всі термістори. Виглядало це так.

Мал. 8 Вихід з ладу NTC термісторів

Незважаючи на те, що запас за допустимою величиною ємності був дуже великий – 330мкФ*6*0.65=1287мкФ.

Термістори брав в одній відомій фірмі, причому різних номіналів – усі шлюби. Виробник невідомий. Або китайці заливають у великі корпуси термістори менших діаметрів, або якість матеріалів дуже погана. У результаті купив навіть меншого діаметра – SCK 152 8мм. Те саме Китай, але вже фірмові. По нашій таблиці допустима ємність 100мкФ*6*0.65=390мкФ, що трохи менше, ніж потрібно. Проте все працює відмінно.