Плавно зареждане на филтърния кондензатор на веригата. Плавно зареждане на капацитета: какво да изберем? Сергей Чемезов: Ростех вече е една от десетте най-големи машиностроителни корпорации в света
Нека свържем веригата, състояща се от незареден кондензатор с капацитет C и резистор със съпротивление R, към източник на захранване с постоянно напрежение U (фиг. 16-4).
Тъй като в момента на включване кондензаторът все още не е зареден, напрежението върху него Следователно във веригата в началния момент от време спадът на напрежението върху съпротивлението R е равен на U и възниква ток, чиято сила
Ориз. 16-4. Зареждане на кондензатор.
Преминаването на ток i е придружено от постепенно натрупване на заряд Q върху кондензатора, върху него се появява напрежение и спадът на напрежението в съпротивлението R намалява:
както следва от втория закон на Кирхоф. Следователно силата на тока
намалява, скоростта на натрупване на заряд Q също намалява, тъй като токът във веригата
С течение на времето кондензаторът продължава да се зарежда, но зарядът Q и напрежението върху него нарастват все по-бавно (фиг. 16-5), а токът във веригата постепенно намалява пропорционално на разликата - напреженията
Ориз. 16-5. Графика на промените в тока и напрежението при зареждане на кондензатор.
След достатъчно дълъг интервал от време (теоретично безкрайно голям) напрежението в кондензатора достига стойност, равна на напрежението на източника на енергия, и токът става нула - процесът на зареждане на кондензатора приключва.
Процесът на зареждане на кондензатора е толкова по-дълъг, колкото по-голямо е съпротивлението на веригата R, което ограничава тока, и толкова по-голям е капацитетът на кондензатора C, тъй като с голям капацитет трябва да се натрупа по-голям заряд. Скоростта на процеса се характеризира с времевата константа на веригата
колкото повече, толкова по-бавен е процесът.
Времевата константа на веригата има измерението на времето, тъй като
След времеви интервал от момента на включване на веригата, равен на напрежението в кондензатора достига приблизително 63% от захранващото напрежение и след интервал процесът на зареждане на кондензатора може да се счита за завършен.
Напрежение на кондензатора при зареждане
тоест тя е равна на разликата между постоянното напрежение на източника на захранване и свободното напрежение, намаляващо с времето според закона на експоненциална функция от стойността на U до нула (фиг. 16-5).
Ток на зареждане на кондензатор
Токът от първоначалната стойност постепенно намалява според закона на експоненциалната функция (фиг. 16-5).
б) Разреждане на кондензатор
Нека сега разгледаме процеса на разреждане на кондензатор C, който беше зареден от източник на захранване до напрежение U през резистор със съпротивление R (фиг. 16-6, където превключвателят се премества от позиция 1 в позиция 2).
Ориз. 16-6. Разреждане на кондензатор към резистор.
Ориз. 16-7. Графика на промените в тока и напрежението по време на разреждане на кондензатора.
В началния момент във веригата ще се появи ток и кондензаторът ще започне да се разрежда, а напрежението в него ще намалее. Тъй като напрежението намалява, токът във веригата също ще намалее (Фигура 16-7). След времеви интервал напрежението през кондензатора и тока на веригата ще намалеят до около 1% от първоначалните стойности и процесът на разреждане на кондензатора може да се счита за завършен.
Напрежение на кондензатора при разреждане
тоест намалява според закона за експоненциалната функция (фиг. 16-7).
Ток на разреждане на кондензатора
тоест то, както и напрежението, намалява по същия закон (фиг. 6-7).
Цялата енергия, съхранявана при зареждане на кондензатор в него електрическо поле, по време на разряда се отделя под формата на топлина в съпротивлението R.
Електрическото поле на зареден кондензатор, изключен от източник на енергия, не може да остане непроменен за дълго време, тъй като диелектрикът на кондензатора и изолацията между неговите изводи имат известна проводимост.
Разрядът на кондензатор, причинен от несъвършен диелектрик и изолация, се нарича саморазряд. Времевата константа по време на саморазряда на кондензатора не зависи от формата на плочите и разстоянието между тях.
Процесите на зареждане и разреждане на кондензатор се наричат преходни процеси.
Ограничаване на тока на зареждане на кондензатора на мрежовия токоизправител SMPS
Един от важните проблеми в мрежовите импулсни захранвания е ограничаването на тока на зареждане на изглаждащ кондензатор с голям капацитет, инсталиран на изхода на мрежовия токоизправител. Неговите максимална стойност, определен от съпротивлението на зарядната верига, е фиксиран за всеки конкретно устройство, но във всички случаи е много значимо, което може да доведе не само до изгоряли предпазители, но и до повреда на елементите на входните вериги. Авторът на статията предлага прост начин за решаване на този проблем.
Много работи са посветени на решаването на проблема с ограничаването на пусковия ток, в който са описани устройства за така нареченото "меко" включване. Един от широко използваните методи е използването на схема за зареждане с нелинейна характеристика. Обикновено кондензаторът се зарежда чрез токоограничаващ резистор до работното напрежение и след това този резистор се затваря с електронен ключ. Най-простото е подобно устройство при използване на SCR.
Фигурата показва типичен входен модул за импулсно захранване. Предназначението на елементите, които не са пряко свързани с предложеното устройство (входен филтър, мрежов токоизправител), не е описано в статията, тъй като тази част се изпълнява стандартно.
Изглаждащият кондензатор C7 се зарежда от мрежовия токоизправител VD1 през токоограничаващия резистор R2, успоредно с който е свързан SCR VS1. Резисторът трябва да отговаря на две изисквания: първо, неговото съпротивление трябва да е достатъчно, така че токът през предпазителя по време на зареждане да не доведе до неговото изгаряне, и второ, разсейването на мощността на резистора трябва да бъде такова, че да не се повреди преди пълно зареждане на кондензатор C7.
Първото условие е изпълнено от резистор 150 Ohm. Максималният ток на зареждане в този случай е приблизително равен на 2 A. Експериментално е установено, че два резистора със съпротивление 300 Ohm и мощност 2 W всеки, свързани паралелно, отговарят на второто изискване.
Капацитетът на кондензатора C7 660 μF се избира от условието, че амплитудата на пулсациите на изправеното напрежение при максимална мощност на натоварване от 200 W не трябва да надвишава 10 V. Номиналните стойности на елементите C6 и R3 се изчисляват, както следва. Кондензаторът C7 ще бъде зареден през резистора R2 почти напълно (95% от максималното напрежение) за времето t = 3R2 · C7 = 3 · 150 · 660 · 10-6 -0,3 s. В този момент тринисторът VS1 трябва да се отвори.
SCR ще се включи, когато напрежението на неговия контролен електрод достигне 1 V, което означава, че кондензаторът C6 трябва да се зареди до тази стойност за 0,3 s. Строго погледнато, напрежението през кондензатора нараства нелинейно, но тъй като стойността на 1 V е около 0,3% от максимално възможната (около 310 V), тогава този начален участък може да се счита за почти линеен, следователно капацитетът на кондензатора C6 е изчислява се с помощта на проста формула: C = Q / U, където Q = l · t - заряд на кондензатора; I е зарядният ток.
Определете тока на зареждане. Той трябва да бъде малко по-висок от тока на електрода на затвора, при който е включен VS1 SCR. Избираме тринистор KU202R1, подобен на добре познатия KU202N, но с по-нисък ток на включване. Този параметър в партида от 20 SCR варира от 1,5 до 11 mA и за по-голямата част от стойността му не надвишава 5 mA. За по-нататъшни експерименти беше избрано устройство с ток на включване 3 mA. Избираме съпротивлението на резистора R3, равно на 45 kOhm. Тогава токът на зареждане на кондензатора C6 е 310 V / 45 kΩ = 6,9 mA, което е 2,3 пъти повече от тока на превключване на SCR.
Изчисляваме капацитета на кондензатора C6: C = 6,9 10-3 0,3 / 1-2000 μF. Захранването използва по-малък кондензатор с капацитет 1000 μF и напрежение 10 V. Времето за зареждане е намалено наполовина, до около 0,15 s. Трябваше да намаля времевата константа на веригата за зареждане на кондензатора C7 - съпротивлението на резистора R2 беше намалено до 65 ома. В този случай максималният ток на зареждане в момента на включване е 310 V / 65 Ohm = 4,8 A, но след време от 0,15 s токът ще намалее до приблизително 0,2 A.
Известно е, че предпазителят има значителна инерция и може да пропуска кратки импулси без повреди, много по-високи от номиналния му ток. В нашия случай средната стойност за 0,15 s е 2,2 A и предпазителят го прехвърля "безболезнено". Два 130 ома, 2 W резистора паралелно, свързани паралелно, също се справят с това натоварване. По време на времето за зареждане на кондензатора C6 до напрежение 1 V (0,15 s), кондензаторът C7 ще бъде зареден с 97% от максимума.
Така са изпълнени всички условия за безопасна работа. Дългосрочната работа на импулсното захранване показа високата надеждност на описания блок. Трябва да се отбележи, че плавното увеличаване на напрежението на изглаждащия кондензатор C7 за 0,15 s има благоприятен ефект върху работата както на преобразувателя на напрежение, така и на товара.
Резистор R1 служи за бързо разреждане на кондензатора C6, когато захранването е изключено от електрическата мрежа. Без него този кондензатор би се разредил много по-дълго. Ако в този случай бързо включите захранването, след като го изключите, тогава тринисторът VS1 все още може да е отворен и предпазителят ще изгори.
Резистор R3 се състои от три, свързани последователно, със съпротивление 15 kOhm и мощност 1 W всеки. Те разсейват мощност от около 2 вата. Резистор R2 - два MLT-2, свързани паралелно със съпротивление 130 Ohm, и кондензатор C7 - два, с капацитет 330 μF за номинално напрежение 350 V, свързани паралелно. Превключвател SA1 - T2 или бутонен превключвател PkN41-1. Последното е за предпочитане, тъй като позволява и двата проводника да бъдат изключени от мрежата. Trinistor KU202R1 е оборудван с алуминиев радиатор с размери 15x15x1 mm.
литература
- Източници на вторично захранване. Справочно ръководство. - М .: Радио и комуникация, 1983.
- ... Ераносян С. А. Мрежови захранвания с високочестотни преобразуватели. - Л.: Енергоатомиздат, 1991.
- 3. Фролов А. Ограничаване на зарядния ток на кондензатора в мрежовия токоизправител. - Радио, 2001, бр.12, с. 38, 39, 42.
- 4. Мкртчян Ж. А. Захранване на електронни компютри. - М .: Енергия, 1980.
- 5. Интегрирани микросхеми на чуждестранно домакинско видео оборудване. Справочно ръководство. - S.-Pb: Lan Victoria, 1996.
JB Кастро-Мигенс, Мадрид
В момента на включване на импулсно захранване, например компютърно захранване, изглаждащият кондензатор на токоизправителя е напълно разреден. Ударът на зарядния ток, особено в случай, когато капацитетът на кондензатора е голям, може да доведе до работа на прекъсвачите на мрежата или дори до повреда на изправителните диоди.
Въпреки че еквивалентното последователно съпротивление на кондензатора и съпротивлението и индуктивността на проводниците намаляват пусковия ток, пиковите стойности могат да достигнат десетки ампера. Тези пренапрежения трябва да се вземат предвид при избора на токоизправителни диоди, но най-осезаемият им ефект върху живота на кондензатора. Схемата за ограничаване на пиковете на тока при включване е показана на фигура 1.
Ако моментната стойност на изправеното мрежово напрежение е по-голяма от 14 V при включване, MOSFET Q 1 ще се включи, което ще доведе до изключване на IGBT Q 2 и кондензаторът няма да се зареди.
Ако изправеното напрежение е по-малко от напрежението на кондензатора плюс 14 V (V 1 = V IN - V OUT ≤ 14 V), Q1 е изключен и Q 2 се включва чрез R 3, свързвайки кондензатора и товара (R LOAD ) към токоизправителя. Съответно Q 2 остава включен, а Q 1 престава да оказва влияние върху работата на веригата.
В стационарно състояние, когато напрежението в кондензатора е равно на изправеното променливо напрежение, Q 1 е изключен, а Q 2 е включен и нищо не пречи на кондензатора да се зареди.
Ограничителят на тока ви позволява да допълвате веригата със защита от пренапрежение. Ако изправеното изходно напрежение се повиши над 380 V, напрежението между референтния изход и анода на IC 1 ще бъде по-голямо от вътрешното му еталонно 2,495 V, което ще доведе до спад на напрежението между анод и катод до около 2 V. Токът от R 3 ще потече към катода, а Q 2 ще се затвори.
Когато изправеното мрежово напрежение е по-малко от 380 V, катоден ток на TL431 практически няма. В резултат на това Q2 се включва през R3 и свързва кондензатора и R LOAD към пълновълновия токоизправител (приемайки, че V 1 = V IN - V OUT ≤ 14 V).
Мощността, разсейвана от компонентите във веригата, е много ниска. С входно напрежение 230 V rms. и мощност на натоварване до 500W, GP10NC60KD може да се използва като Q 2.
- Действителната верига осигурява свързването на филтърните кондензатори, когато захранващото напрежение премине през нула. Не е ли по-лесно за това да се използва опто-симистор (опто-реле) с функция с функция за включване при нулево напрежение. В голям капацитетфилтърни кондензатори, нито тази схема, нито опто-релето ще ви спасят от пусков ток.
- Веригата, разбира се, е добра и е подобна на една от опциите за ограничаване на dv/dt, описани в „Ограничаване на активния пусков ток на AN1542 с помощта на MOSFET“ s. „Полезна е и бележката за веригите за ограничаване на пусковия ток (ICL) AN4606 с триаци и тиристори самата верига би била много по-полезна не защитата от пренапрежение, а защитата от късо съединение в товара.Освен това има видове товари, които не могат да бъдат изключени от мрежата просто така. мрежово напрежениее по-малко ужасно от незабавното му изчезване. Може би проблемът със зареждането на входния капацитет е типичен за всички SMPS с мощност 200W или повече. Голяма цветна градина от решения може да се види в диаграмите на заваръчни инвертори, честотни преобразуватели и друго технологично оборудване, където по един или друг начин има връзка с постоянен ток с висока мощност. Сложността на ограничителните схеми (по някаква причина те винаги пишат "схеми за мек старт") се определя от бюджета и въображението на разработчиците. Малка йерархия: "фолк" означава - резистор или дросел, за малки мощности термистор; последвани от схеми, подобни на описаните в статията (на тиристор или транзистор); след това - управлявани токоизправители; Е, на самия връх, според мен, са коректорите на фактора на мощността (също общо име за напълно контролирани токоизправители или неизолирани DC/DC преобразуватели). И по отношение на горната диаграма. Пред мен е захранващ блок, на входа на който е 4000mkF * 450V. Ограничителят е 10W резистор, който се шунтира от мощен 60 ампера стартер. Времето за зареждане на контейнерите е около 12 секунди. Класически се задава от RC верига в основата на транзистора, която превключва намотката на реле с ниска мощност, а това от своя страна включва стартера. Веднага след като резисторът бъде байпасиран, състоянието на токоизправителя "Готов" се изпраща към управляващата верига през оптрона. Чрез инсталиране на тиристор или IGBT според описаното решение (с голям марж, тъй като токът е несинусоидален), ще бъде лесно да се организира управляваща верига. В случай на тиристор, като се използва най-добрият вариант - когато мрежата минава през 0, както е написал lllll. Но тук е проблемът: консумацията на ток от мрежата при пълно натоварване е около 30 ампера. Това означава, че към веригата ще бъде добавен "нагревател" с мощност 50-100W. Тук, разбира се, не става дума за пестене на електроенергия :-). Но неволно си мислите - наистина ли е лош електромеханичният "мек старт".
- Схема от цикъла "когато няма какво да се прави, тогава ...". За ниска мощност темата не е актуална. Никога не съм виждал ограничители, но както показва практиката, нищо не се обърка и машините не работят. За средна и висока мощност - остаряло е, сега нормите изискват не ограничители на тока, а коректори на фактора на мощността. В случай на използване на кондензатори с голям капацитет (например в ULF), те обикновено използват плавно зареждане чрез токоограничаващ резистор, който е късо съединение след известно време след включване.
- Не е ли ограничител на пренапрежение за средни мощности? AMC твоя публикация от цикъла "когато няма какво да пишеш и ръцете те сърбят..."
