Glatko punjenje filtarskog kondenzatora kruga. Glatko punjenje kapaciteta: što odabrati? Sergej Čemezov: Rostec je već jedna od deset najvećih kompanija za proizvodnju strojeva na svijetu
Spojimo strujni krug, koji se sastoji od nenapunjenog kondenzatora kapaciteta C i otpornika otpora R, na izvor napajanja konstantnog napona U (slika 16-4).
Budući da u trenutku uključivanja kondenzator još nije napunjen, napon na njemu Dakle, u krugu u početnom trenutku vremena pad napona na otporu R jednak je U i nastaje struja čija je jačina
Riža. 16-4 (prikaz, stručni). Punjenje kondenzatora.
Prolazak struje i prati postupno nakupljanje naboja Q na kondenzatoru, na njemu se pojavljuje napon i pad napona na otporu R se smanjuje:
kako slijedi iz drugog Kirchhoffova zakona. Dakle, trenutna snaga
smanjuje, smanjuje se i brzina nakupljanja naboja Q, budući da struja u krugu
Tijekom vremena kondenzator se nastavlja puniti, ali naboj Q i napon na njemu rastu sve sporije (slika 16-5), a struja u krugu postupno opada proporcionalno razlici - naponima
Riža. 16-5 (prikaz, stručni). Grafikon promjene struje i napona pri punjenju kondenzatora.
Nakon dovoljno dugog vremenskog intervala (teoretski beskonačno velikog), napon na kondenzatoru doseže vrijednost jednaku naponu izvora napajanja, a struja postaje jednaka nuli - proces punjenja kondenzatora završava.
Proces punjenja kondenzatora je duži, što je veći otpor kruga R, koji ograničava struju, i veći je kapacitet kondenzatora C, budući da se kod velikog kapaciteta mora nakupiti veći naboj. Brzinu procesa karakterizira vremenska konstanta lanca
što više, to je proces sporiji.
Vremenska konstanta lanca ima dimenziju vremena, budući da
Nakon vremenskog intervala od trenutka uključivanja strujnog kruga, jednakog, napon na kondenzatoru dosegne približno 63% napona napajanja, a nakon intervala, proces punjenja kondenzatora može se smatrati završenim.
Napon kondenzatora pri punjenju
odnosno jednaka je razlici između konstantnog napona izvora napajanja i slobodnog napona koji se s vremenom smanjuje prema zakonu eksponencijalne funkcije od vrijednosti U do nule (slika 16-5).
Struja punjenja kondenzatora
Struja od početne vrijednosti postupno opada prema zakonu eksponencijalne funkcije (slika 16-5).
b) Pražnjenje kondenzatora
Razmotrimo sada proces pražnjenja kondenzatora C, koji je bio napunjen iz izvora napajanja na napon U kroz otpornik otpora R (slika 16-6, gdje se prekidač pomiče iz položaja 1 u položaj 2).
Riža. 16-6 (prikaz, stručni). Pražnjenje kondenzatora na otpornik.
Riža. 16-7 (prikaz, stručni). Grafikon promjena struje i napona tijekom pražnjenja kondenzatora.
U početnom trenutku u krugu će se pojaviti struja i kondenzator će se početi prazniti, a napon na njemu će se smanjiti. Kako se napon smanjuje, smanjit će se i struja u krugu (slika 16-7). Nakon vremenskog intervala, napon na kondenzatoru i struja kruga će se smanjiti na oko 1% početnih vrijednosti, a proces pražnjenja kondenzatora može se smatrati završenim.
Napon kondenzatora pri pražnjenju
odnosno smanjuje se prema zakonu eksponencijalne funkcije (sl. 16-7).
Struja pražnjenja kondenzatora
odnosno on kao i napon opada po istom zakonu (sl. 6-7).
Sva energija pohranjena prilikom punjenja kondenzatora u njemu električno polje, tijekom pražnjenja oslobađa se u obliku topline u otporu R.
Električno polje nabijenog kondenzatora, odvojenog od izvora napajanja, ne može ostati nepromijenjeno dugo vremena, budući da dielektrik kondenzatora i izolacija između njegovih terminala imaju određenu vodljivost.
Pražnjenje kondenzatora uzrokovano nesavršenim dielektrikom i izolacijom naziva se samopražnjenje. Vremenska konstanta tijekom samopražnjenja kondenzatora ne ovisi o obliku ploča i udaljenosti između njih.
Procesi punjenja i pražnjenja kondenzatora nazivaju se tranzijenti.
Ograničavanje struje punjenja kondenzatora mrežnog ispravljača SMPS
Jedan od važnih problema u mrežnim prekidačkim izvorima napajanja je ograničavanje struje punjenja kondenzatora za izravnavanje velikog kapaciteta instaliranog na izlazu mrežnog ispravljača. Njegovo maksimalna vrijednost, određen otporom kruga punjenja, fiksiran je za svaki određeni uređaj, ali je u svim slučajevima vrlo značajno, što može dovesti ne samo do pregorjelih osigurača, već i do kvara elemenata ulaznih krugova. Autor članka nudi jednostavan način rješavanja ovog problema.
Rješavanju problema ograničavanja udarne struje posvećeno je mnogo radova u kojima su opisani uređaji tzv. "mekog" uključivanja. Jedna od široko korištenih metoda je korištenje kruga za punjenje s nelinearnom karakteristikom. Obično se kondenzator puni kroz otpornik koji ograničava struju na radni napon, a zatim se ovaj otpornik zatvara elektroničkim prekidačem. Najjednostavniji je sličan uređaj kada se koristi SCR.
Slika prikazuje tipičan sklop ulaznog sklopa prekidačkog napajanja. Namjena elemenata koji nisu izravno povezani s predloženim uređajem (ulazni filtar, mrežni ispravljač) nije opisana u članku, jer se ovaj dio izvodi standardno.
Kondenzator za izravnavanje C7 se puni iz mrežnog ispravljača VD1 kroz otpornik za ograničavanje struje R2, paralelno s kojim je spojen SCR VS1. Otpornik mora ispunjavati dva zahtjeva: prvo, njegov otpor mora biti dovoljan da struja kroz osigurač tijekom punjenja ne dovede do njegovog izgaranja, i drugo, rasipanje snage otpornika mora biti takvo da ne prestane prije potpunog punjenja. kondenzatora C7.
Prvi uvjet ispunjava otpornik od 150 Ohma. Maksimalna struja punjenja u ovom slučaju je približno jednaka 2 A. Eksperimentalno je utvrđeno da dva paralelno spojena otpornika otpora 300 Ohma i snage 2 W svaki zadovoljavaju drugi zahtjev.
Kapacitet kondenzatora C7 660 μF odabire se iz uvjeta da amplituda mreškanja ispravljenog napona pri maksimalnoj snazi opterećenja od 200 W ne smije prelaziti 10 V. Oznake elemenata C6 i R3 izračunavaju se na sljedeći način. Kondenzator C7 će se kroz otpornik R2 gotovo potpuno napuniti (95% maksimalnog napona) tijekom vremena t = 3R2 · C7 = 3 · 150 · 660 · 10-6 -0,3 s. U ovom trenutku bi se trebao otvoriti VS1 trinistor.
SCR će se uključiti kada napon na njegovoj upravljačkoj elektrodi dosegne 1 V, što znači da bi se kondenzator C6 trebao napuniti do ove vrijednosti za 0,3 s. Strogo govoreći, napon na kondenzatoru raste nelinearno, ali budući da je vrijednost od 1 V oko 0,3% maksimalno moguće (oko 310 V), onda se ovaj početni dio može smatrati gotovo linearnim, stoga je kapacitet kondenzatora C6 izračunato pomoću jednostavne formule: C = Q / U, gdje je Q = l · t - naboj kondenzatora; I je struja punjenja.
Odredite struju punjenja. Trebao bi biti nešto veći od struje elektrode vrata na kojoj je uključen VS1 SCR. Biramo trinistor KU202R1, sličan poznatom KU202N, ali s nižom strujom uključivanja. Ovaj parametar u seriji od 20 SCR-a kretao se od 1,5 do 11 mA, a za veliku većinu njegova vrijednost nije prelazila 5 mA. Za daljnje eksperimente odabran je uređaj sa strujom uključivanja od 3 mA. Odabiremo otpor otpornika R3 jednak 45 kOhm. Tada je struja punjenja kondenzatora C6 310 V / 45 kΩ = 6,9 mA, što je 2,3 puta više od struje prebacivanja SCR-a.
Izračunavamo kapacitet kondenzatora C6: C = 6,9 10-3 0,3 / 1-2000 μF. Napajanje koristi manji kondenzator kapaciteta 1000 μF i napona od 10 V. Vrijeme punjenja mu je prepolovljeno, na oko 0,15 s. Morao sam smanjiti vremensku konstantu kruga punjenja kondenzatora C7 - otpor otpornika R2 smanjen je na 65 ohma. U ovom slučaju, maksimalna struja punjenja u trenutku uključivanja je 310 V / 65 Ohm = 4,8 A, ali nakon vremena od 0,15 s, struja će se smanjiti na približno 0,2 A.
Poznato je da osigurač ima značajnu inerciju i može proći kratke impulse bez oštećenja, mnogo veće od njegove nazivne struje. U našem slučaju prosječna vrijednost za 0,15 s je 2,2 A i osigurač to prenosi "bezbolno". Dva paralelna otpornika od 130 ohma, 2 W, spojena paralelno, također podnose ovo opterećenje. Tijekom vremena punjenja kondenzatora C6 na napon od 1 V (0,15 s), kondenzator C7 će biti napunjen za 97% od maksimuma.
Time su ispunjeni svi uvjeti za siguran rad. Dugotrajan rad sklopnog napajanja pokazao je visoku pouzdanost opisane jedinice. Treba napomenuti da glatko povećanje napona na kondenzatoru za izravnavanje C7 za 0,15 s ima blagotvoran učinak na rad i pretvarača napona i opterećenja.
Otpornik R1 služi za brzo pražnjenje kondenzatora C6 kada je napajanje isključeno iz mreže. Bez njega bi se ovaj kondenzator puno dulje praznio. Ako u ovom slučaju brzo uključite napajanje nakon što ga isključite, tada je VS1 SCR još uvijek otvoren i osigurač će pregorjeti.
Otpornik R3 sastoji se od tri, serijski spojena, s otporom od 15 kOhm i snagom od 1 W svaki. Oni rasipaju snagu od oko 2 vata. Otpornik R2 - dva MLT-2 spojena paralelno s otporom od 130 Ohm, i kondenzator C7 - dva, kapaciteta 330 μF za nazivni napon od 350 V, spojeni paralelno. Prekidač SA1 - T2 prekidač ili prekidač PkN41-1 prekidač. Potonji je poželjniji, jer omogućuje odspajanje oba vodiča iz mreže. Trinistor KU202R1 opremljen je aluminijskim hladnjakom dimenzija 15x15x1 mm.
Književnost
- Izvori sekundarnog napajanja. Referentni priručnik. - M .: Radio i komunikacija, 1983.
- ... Eranosyan S. A. Mrežni izvori napajanja s visokofrekventnim pretvaračima. - L .: Energoatomizdat, 1991.
- 3. Frolov A. Ograničavanje struje punjenja kondenzatora u mrežnom ispravljaču. - Radio, 2001., broj 12, str. 38, 39, 42.
- 4. Mkrtchyan Zh. A. Napajanje elektroničkih računala. - M.: Energija, 1980.
- 5. Integrirani mikro krugovi strane video opreme za kućanstvo. Referentni priručnik. - S.-Pb: Lan Victoria, 1996.
JB Castro-Miguens, Madrid
U trenutku uključivanja sklopnog napajanja, na primjer, napajanja računala, kondenzator za izravnavanje ispravljača je potpuno ispražnjen. Nalet struje punjenja, osobito u slučaju kada je kapacitet kondenzatora velik, može dovesti do rada prekidača mreže, pa čak i do kvara ispravljačkih dioda.
Iako ekvivalentni serijski otpor kondenzatora te otpor i induktivnost žica smanjuju udarnu struju, vršne vrijednosti mogu doseći desetke ampera. Ovi prenaponi moraju se uzeti u obzir pri odabiru ispravljačkih dioda, ali njihov najuočljiviji učinak na vijek trajanja kondenzatora. Sklop za ograničavanje skokova struje uključivanja prikazan je na slici 1.
Ako je trenutna vrijednost ispravljenog izmjeničnog mrežnog napona veća od 14 V pri uključivanju, MOSFET Q 1 će se uključiti, uzrokujući da se IGBT Q 2 isključi i kondenzator se neće napuniti.
Ako je ispravljeni napon manji od napona na kondenzatoru plus 14 V (V 1 = V IN - V OUT ≤ 14 V), Q1 je isključen, a Q 2 je uključen kroz R 3, povezujući kondenzator i opterećenje (R LOAD ) do ispravljača. Sukladno tome, Q 2 ostaje uključen, a Q 1 prestaje utjecati na rad kruga.
U stabilnom stanju, kada je napon na kondenzatoru jednak ispravljenom izmjeničnom naponu, Q 1 je isključen, a Q 2 uključen, i ništa ne sprječava punjenje kondenzatora.
Strujni limiter omogućuje vam dopunu kruga zaštitom od prenapona. Ako ispravljeni izlazni napon poraste iznad 380 V, napon između referentnog izlaza i anode IC 1 bit će veći od njegove interne referentne vrijednosti od 2,495 V, uzrokujući pad napona od anode do katode na oko 2 V. Struja od R 3 će teći na katodu, a Q 2 će se zatvoriti.
Kada je ispravljeni mrežni napon manji od 380 V, katodna struja TL431 praktički nema. Kao posljedica toga, Q2 se uključuje preko R3 i povezuje kondenzator i R LOAD na punovalni ispravljač (pod pretpostavkom da je V 1 = V IN - V OUT ≤ 14 V).
Snaga koju rasipaju komponente u krugu je vrlo mala. S ulaznim naponom od 230 V rms. i snage opterećenja do 500W, GP10NC60KD se može koristiti kao Q 2.
- Stvarni krug osigurava spajanje filtarskih kondenzatora kada napon napajanja prođe kroz nulu. Nije li za ovo lakše koristiti opto-simistor (opto-relej) s funkcijom s funkcijom uključivanja pri nultom naponu. Na veliki kapacitet filtarskih kondenzatora, ni ovaj sklop ni opto-relej vas neće spasiti od udarne struje.
- Krug je, naravno, dobar i sličan je jednoj od opcija dv/dt limitera opisanih u "AN1542 Ograničavanje aktivne struje udarca pomoću MOSFET-a" s. "Također je korisna AN4606 aplikacija za ograničavanje uletne struje (ICL) s triacima i tiristorima Sam sklop bi bio puno korisniji ne zaštita od prenapona, nego zaštita od kratkog spoja u opterećenju. Osim toga, postoje vrste opterećenja koja se ne mogu samo tako isključiti iz mreže. mrežni napon manje je strašno od njegovog trenutnog nestanka. Možda je problem punjenja ulaznih kapaciteta tipičan za sve SMPS snage 200W ili više. Veliki cvjetni vrt rješenja može se vidjeti u dijagramima pretvarača za zavarivanje, frekventnih pretvarača i druge tehnološke opreme, gdje na ovaj ili onaj način postoji jednosmjerna strujna veza velike snage. Složenost sklopova za ograničavanje (iz nekog razloga uvijek pišu "krugove mekog pokretanja") određena je proračunom i maštom programera. Mala hijerarhija: "narodni" znači - otpornik ili prigušnica, za male snage termistor; slijede sklopovi slični onima opisanim u članku (na tiristoru ili tranzistoru); zatim - upravljani ispravljači; Pa, na samom vrhu, po mom mišljenju, su korektori faktora snage (također generički naziv za potpuno kontrolirane ispravljače ili neizolirane DC/DC pretvarače). A u vezi gornjeg dijagrama. Ispred mene je jedinica za napajanje, na čijem je ulazu 4000mkF * 450V. Limiter je otpornik od 10 W koji se šantira snažnim starterom od 60 ampera. Vrijeme punjenja spremnika je oko 12 sekundi. Klasično se postavlja RC krugom u bazi tranzistora, koji prebacuje namot releja male snage, a on zauzvrat uključuje starter. Čim se zaobiđe otpornik, status ispravljača "Spreman" se šalje u upravljački krug kroz optospojnicu. Ugradnjom tiristora ili IGBT-a prema opisanom rješenju (s velikom marginom, budući da je struja nesinusoidna), bit će lako organizirati upravljački krug. U slučaju tiristora, koristeći najbolju opciju - kada mreža prolazi kroz 0, kako je napisao llll. Ali ovdje je problem: trenutna potrošnja iz mreže pri punom opterećenju je oko 30 Ampera. To znači da će se u krug dodati "grijač" snage 50-100W. Ovdje se, naravno, ne radi o štednji struje :-). Ali nehotice pomislite - je li elektromehanički "meki start" stvarno loš.
- Shema iz ciklusa, "kada nema što raditi, onda ...". Za male snage, tema nije relevantna. Nikad nisam vidio limitere, ali kao što praksa pokazuje, ništa ne ide po zlu i strojevi ne rade. Za srednju i veliku snagu - zastario je, sada norme ne zahtijevaju ograničavače struje, već korektore faktora snage. U slučaju korištenja kondenzatora velikog kapaciteta (na primjer, u ULF), obično koriste glatko punjenje kroz otpornik koji ograničava struju, koji je kratko spojen neko vrijeme nakon uključivanja.
- Nije li to graničnik udarne struje za srednje snage opterećenja? AMC tvoj post iz ciklusa "kad nemaš što napisati i ruke te svrbe..."