Muatan halus kapasitor filter rangkaian. Biaya kapasitas yang lancar: apa yang harus dipilih? Sergey Chemezov: Rostec sudah menjadi salah satu dari sepuluh perusahaan pembuat mesin terbesar di dunia
Mari kita hubungkan rangkaian, yang terdiri dari kapasitor kapasitansi C yang tidak bermuatan dan resistor dengan resistansi R, ke sumber daya dengan tegangan konstan U (Gbr. 16-4).
Karena pada saat penyalaan kapasitor belum diisi, tegangan melintasinya Oleh karena itu, dalam rangkaian pada saat awal, tegangan jatuh melintasi resistansi R sama dengan U dan arus muncul, kekuatannya
Beras. 16-4. Pengisian kapasitor.
Lewatnya arus i disertai dengan akumulasi bertahap muatan Q pada kapasitor, tegangan muncul di atasnya dan penurunan tegangan melintasi resistansi R berkurang:
sebagai berikut dari hukum Kirchhoff kedua. Oleh karena itu, kekuatan saat ini
menurun, laju akumulasi muatan Q juga berkurang, karena arus dalam rangkaian
Seiring waktu, kapasitor terus mengisi, tetapi muatan Q dan tegangan di atasnya tumbuh semakin lambat (Gbr. 16-5), dan arus dalam rangkaian secara bertahap berkurang sebanding dengan perbedaan - tegangan
Beras. 16-5. Grafik perubahan arus dan tegangan pada saat pengisian kapasitor.
Setelah interval waktu yang cukup lama (secara teoritis sangat besar), tegangan melintasi kapasitor mencapai nilai yang sama dengan tegangan sumber daya, dan arus menjadi sama dengan nol - proses pengisian kapasitor berakhir.
Proses pengisian kapasitor semakin lama, semakin besar resistansi rangkaian R, yang membatasi arus, dan semakin besar kapasitansi kapasitor C, karena dengan kapasitas besar, muatan yang lebih besar harus menumpuk. Kecepatan proses dicirikan oleh konstanta waktu rantai
semakin banyak, semakin lambat prosesnya.
Konstanta waktu rantai memiliki dimensi waktu, karena
Setelah selang waktu dari saat rangkaian dihidupkan, sama dengan, tegangan melintasi kapasitor mencapai sekitar 63% dari tegangan catu daya, dan setelah selang waktu, proses pengisian kapasitor dapat dianggap selesai.
Tegangan kapasitor saat mengisi daya
yaitu, itu sama dengan perbedaan antara tegangan konstan sumber daya dan tegangan bebas yang berkurang dari waktu ke waktu sesuai dengan hukum fungsi eksponensial dari nilai U ke nol (Gbr. 16-5).
Arus pengisian kapasitor
Arus dari nilai awal secara bertahap berkurang sesuai dengan hukum fungsi eksponensial (Gbr. 16-5).
b) Pelepasan kapasitor
Sekarang mari kita perhatikan proses pelepasan kapasitor C, yang diisi dari sumber daya ke tegangan U melalui resistor dengan resistansi R (Gbr. 16-6, di mana sakelar dipindahkan dari posisi 1 ke posisi 2).
Beras. 16-6. Pelepasan kapasitor ke resistor.
Beras. 16-7. Grafik perubahan arus dan tegangan selama pengosongan kapasitor.
Pada saat awal, arus akan muncul di sirkuit dan kapasitor akan mulai terlepas, dan tegangan yang melintasinya akan berkurang. Saat tegangan berkurang, arus dalam rangkaian juga akan berkurang (Gambar 16-7). Setelah selang waktu tertentu, tegangan melintasi kapasitor dan arus rangkaian akan berkurang menjadi sekitar 1% dari nilai awal, dan proses pelepasan kapasitor dapat dianggap selesai.
Tegangan kapasitor saat debit
yaitu, menurun menurut hukum fungsi eksponensial (Gbr. 16-7).
Arus pelepasan kapasitor
yaitu, seperti tegangan, berkurang menurut hukum yang sama (Gbr. 6-7).
Semua energi yang tersimpan saat mengisi kapasitor di Medan listrik, selama pelepasan itu dilepaskan dalam bentuk panas dalam resistansi R.
Medan listrik kapasitor bermuatan, terputus dari sumber listrik, tidak dapat tetap tidak berubah untuk waktu yang lama, karena dielektrik kapasitor dan insulasi antara terminalnya memiliki beberapa konduktivitas.
Pelepasan kapasitor yang disebabkan oleh dielektrik dan insulasi yang tidak sempurna disebut self-discharge. Konstanta waktu selama self-discharge kapasitor tidak tergantung pada bentuk pelat dan jarak di antara mereka.
Proses pengisian dan pengosongan kapasitor disebut transien.
Membatasi arus pengisian kapasitor dari penyearah listrik SMPS
Salah satu masalah penting dalam catu daya switching jaringan adalah membatasi arus pengisian kapasitor smoothing berkapasitas besar yang dipasang pada output penyearah jaringan. Miliknya nilai maksimum, ditentukan oleh resistansi sirkuit pengisian, ditetapkan untuk masing-masing perangkat tertentu, tetapi dalam semua kasus ini sangat signifikan, yang dapat menyebabkan tidak hanya sekering putus, tetapi juga kegagalan elemen sirkuit input. Penulis artikel menawarkan cara sederhana untuk mengatasi masalah ini.
Banyak pekerjaan dikhususkan untuk solusi masalah pembatasan arus masuk, di mana perangkat yang disebut sakelar "lunak" dijelaskan. Salah satu metode yang banyak digunakan adalah penggunaan rangkaian pengisian dengan karakteristik non-linier. Biasanya, kapasitor diisi melalui resistor pembatas arus ke tegangan operasi, dan kemudian resistor ini ditutup dengan sakelar elektronik. Yang paling sederhana adalah perangkat serupa saat menggunakan SCR.
Gambar menunjukkan rakitan input catu daya switching tipikal. Tujuan elemen yang tidak terkait langsung dengan perangkat yang diusulkan (filter input, penyearah listrik) tidak dijelaskan dalam artikel, karena bagian ini dilakukan sebagai standar.
Kapasitor pemulusan C7 diisi dari penyearah listrik VD1 melalui resistor pembatas arus R2, secara paralel dengan mana SCR VS1 terhubung. Resistor harus memenuhi dua persyaratan: pertama, resistansinya harus cukup sehingga arus yang melalui sekering selama pengisian tidak menyebabkan kejenuhannya, dan kedua, disipasi daya resistor harus sedemikian rupa sehingga tidak gagal sebelum pengisian penuh. dari kapasitor C7.
Kondisi pertama dipenuhi oleh resistor 150 Ohm. Arus pengisian maksimum dalam kasus ini kira-kira sama dengan 2 A. Secara eksperimental telah ditetapkan bahwa dua resistor dengan resistansi 300 Ohm dan daya masing-masing 2 W, dihubungkan secara paralel, memenuhi persyaratan kedua.
Kapasitansi kapasitor C7 660 F dipilih dari kondisi bahwa amplitudo riak tegangan yang diperbaiki pada daya beban maksimum 200 W tidak boleh melebihi 10 V. Peringkat elemen C6 dan R3 dihitung sebagai berikut. Kapasitor C7 akan diisi melalui resistor R2 hampir seluruhnya (95% dari tegangan maksimum) selama waktu t = 3R2 · C7 = 3 · 150 · 660 · 10-6 -0,3 s. Pada saat ini, trinistor VS1 harus terbuka.
SCR akan menyala ketika tegangan pada elektroda kontrolnya mencapai 1 V, yang berarti kapasitor C6 harus diisi ke nilai ini dalam 0,3 detik. Sebenarnya, tegangan melintasi kapasitor tumbuh secara nonlinier, tetapi karena nilai 1 V sekitar 0,3% dari maksimum yang mungkin (sekitar 310 V), maka bagian awal ini dapat dianggap hampir linier, oleh karena itu kapasitansi kapasitor C6 adalah dihitung menggunakan rumus sederhana: C = Q / U, di mana Q = l · t - muatan kapasitor; I adalah arus pengisian.
Tentukan arus pengisian. Itu harus sedikit lebih tinggi dari arus elektroda gerbang di mana VS1 SCR dihidupkan. Kami memilih trinistor KU202R1, mirip dengan KU202N yang terkenal, tetapi dengan arus nyala yang lebih rendah. Parameter ini dalam batch 20 SCR berkisar antara 1,5 hingga 11 mA, dan untuk sebagian besar nilainya tidak melebihi 5 mA. Untuk percobaan lebih lanjut, perangkat dengan arus nyala 3 mA dipilih. Kami memilih resistansi resistor R3 sama dengan 45 kOhm. Maka arus pengisian kapasitor C6 adalah 310 V / 45 kΩ = 6,9 mA, yaitu 2,3 kali lebih besar dari arus switching SCR.
Kami menghitung kapasitas kapasitor C6: C = 6,9 10-3 0,3 / 1-2000 F. Catu daya menggunakan kapasitor yang lebih kecil dengan kapasitas 1000 F dan tegangan 10 V. Waktu pengisian dayanya telah berkurang setengahnya, menjadi sekitar 0,15 detik. Saya harus mengurangi konstanta waktu dari rangkaian pengisian kapasitor C7 - resistansi resistor R2 berkurang menjadi 65 ohm. Dalam hal ini, arus pengisian maksimum pada saat penyalaan adalah 310 V / 65 Ohm = 4,8 A, tetapi setelah waktu 0,15 detik, arus akan berkurang menjadi sekitar 0,2 A.
Diketahui bahwa sekering memiliki inersia yang signifikan dan dapat melewatkan impuls pendek tanpa kerusakan, jauh lebih tinggi daripada arus pengenalnya. Dalam kasus kami, nilai rata-rata untuk 0,15 detik adalah 2,2 A dan sekering memindahkannya "tanpa rasa sakit". Dua resistor 130 ohm, 2 W secara paralel, dihubungkan secara paralel, juga menangani beban ini. Selama waktu pengisian kapasitor C6 hingga tegangan 1 V (0,15 s), kapasitor C7 akan diisi sebesar 97% dari maksimum.
Dengan demikian, semua kondisi untuk pekerjaan yang aman terpenuhi. Operasi jangka panjang dari catu daya switching telah menunjukkan keandalan yang tinggi dari unit yang dijelaskan. Perlu dicatat bahwa peningkatan tegangan yang mulus pada kapasitor pemulusan C7 selama 0,15 detik memiliki efek menguntungkan pada pengoperasian konverter tegangan dan beban.
Resistor R1 berfungsi untuk dengan cepat mengosongkan kapasitor C6 ketika catu daya diputus dari sumber listrik. Tanpa itu, kapasitor ini akan melepaskan lebih lama. Jika, dalam hal ini, Anda dengan cepat menyalakan catu daya setelah mematikannya, maka VS1 SCR mungkin masih terbuka dan sekring akan terbakar.
Resistor R3 terdiri dari tiga, dihubungkan secara seri, dengan resistansi 15 kOhm dan daya masing-masing 1 W. Mereka menghilangkan daya sekitar 2 watt. Resistor R2 - dua MLT-2 dihubungkan secara paralel dengan resistansi 130 Ohm, dan kapasitor C7 - dua, dengan kapasitas 330 F untuk tegangan nominal 350 V, dihubungkan secara paralel. Sakelar sakelar sakelar SA1 - T2 atau sakelar tombol tekan PkN41-1. Yang terakhir lebih disukai, karena memungkinkan kedua konduktor diputuskan dari jaringan. Trinistor KU202R1 dilengkapi dengan heat sink aluminium dengan dimensi 15x15x1 mm.
literatur
- Sumber catu daya sekunder. Referensi manual. - M.: Radio dan komunikasi, 1983.
- ... Eranosyan S. A. Catu daya jaringan dengan konverter frekuensi tinggi. - L.: Energoatomizdat, 1991.
- 3. Frolov A. Membatasi arus pengisian kapasitor di penyearah listrik. - Radio, 2001, No. 12, hal. 38, 39, 42.
- 4. Mkrtchyan Zh.A. Catu daya komputer elektronik. - M.: Energi, 1980.
- 5. Sirkuit mikro terintegrasi dari peralatan video rumah tangga asing. Referensi manual. - S.-Pb: Lan Victoria, 1996.
JB Castro-Miguens, Madrid
Pada saat menyalakan catu daya switching, misalnya, catu daya komputer, kapasitor penghalus penyearah benar-benar habis. Masuknya arus pengisian, terutama dalam kasus ketika kapasitansi kapasitor besar, dapat menyebabkan pengoperasian pemutus sirkuit jaringan, atau bahkan kegagalan dioda penyearah.
Meskipun resistansi seri ekivalen kapasitor dan resistansi dan induktansi kabel mengurangi arus masuk, nilai puncak dapat mencapai puluhan ampere. Lonjakan ini harus diperhitungkan ketika memilih dioda penyearah, tetapi efeknya yang paling nyata pada masa pakai kapasitor. Sirkuit untuk membatasi lonjakan arus nyala ditunjukkan pada Gambar 1.
Jika nilai seketika tegangan listrik AC yang disearahkan lebih besar dari 14 V saat dihidupkan, MOSFET Q 1 akan menyala, menyebabkan IGBT Q 2 mati dan kapasitor tidak akan mengisi daya.
Jika tegangan yang disearahkan kurang dari tegangan melintasi kapasitor ditambah 14 V (V 1 = V IN - V OUT 14 V), Q1 dimatikan dan Q 2 dihidupkan melalui R 3, menghubungkan kapasitor dan beban (R BEBAN ) ke penyearah. Dengan demikian, Q2 tetap menyala, dan Q1 tidak lagi berpengaruh pada operasi sirkit.
Dalam keadaan tunak, ketika tegangan melintasi kapasitor sama dengan tegangan AC yang disearahkan, Q 1 mati dan Q 2 menyala, dan tidak ada yang menghalangi kapasitor untuk mengisi daya.
Pembatas arus memungkinkan Anda untuk melengkapi sirkuit dengan perlindungan tegangan lebih. Jika tegangan output yang disearahkan naik di atas 380 V, tegangan antara output referensi dan anoda IC 1 akan lebih besar dari referensi internal 2,495 V, menyebabkan tegangan anoda-ke-katoda turun menjadi sekitar 2 V. Arus dari R 3 akan mengalir ke katoda, dan Q 2 akan menutup.
Ketika tegangan listrik yang diperbaiki kurang dari 380 V, praktis tidak ada arus katoda dari TL431. Akibatnya, Q2 menyala melalui R3 dan menghubungkan kapasitor dan R LOAD ke penyearah gelombang penuh (dengan asumsi V 1 = V IN - V OUT 14 V).
Daya yang dihamburkan oleh komponen dalam rangkaian sangat rendah. Dengan tegangan input 230 V rms. dan memuat daya hingga 500W, GP10NC60KD dapat digunakan sebagai Q 2.
- Sirkuit sebenarnya menyediakan koneksi kapasitor filter ketika tegangan suplai melewati nol. Bukankah lebih mudah untuk menggunakan opto-simistor (opto-relay) dengan fungsi dengan fungsi sakelar pada tegangan nol. Pada kapasitas besar kapasitor filter, baik sirkuit ini maupun opto-relay tidak akan menyelamatkan Anda dari arus masuk.
- Sirkuit ini tentu saja bagus dan mirip dengan salah satu opsi pembatas dv / dt yang dijelaskan dalam "AN1542 Pembatasan Arus Masuk Aktif Menggunakan MOSFET". Yang juga berguna adalah sirkuit pembatas arus masuk AN4606 (ICL) appnote dengan Triac dan Thyristor .rangkaian itu sendiri akan jauh lebih bermanfaat bukan proteksi tegangan lebih, melainkan proteksi hubung singkat pada beban. Selain itu, ada jenis beban yang tidak dapat diputus begitu saja dari jaringan. voltase utama kurang mengerikan daripada hilangnya instan. Mungkin masalah pengisian kapasitas input khas untuk semua SMP dengan daya 200W atau lebih. Solusi taman bunga besar dapat dilihat dalam diagram inverter las, konverter frekuensi, dan peralatan teknologi lainnya, di mana satu atau lain cara ada tautan arus searah daya tinggi. Kompleksitas sirkuit pembatas (untuk beberapa alasan mereka selalu menulis "sirkuit mulai lunak") ditentukan oleh anggaran dan imajinasi pengembang. Hirarki kecil: "rakyat" berarti - resistor atau tersedak, untuk kekuatan kecil termistor; diikuti oleh sirkuit yang serupa dengan yang dijelaskan dalam artikel (pada thyristor atau transistor); kemudian - penyearah terkontrol; Nah, di bagian paling atas, menurut saya, adalah korektor faktor daya (juga nama umum untuk penyearah yang dikontrol penuh atau konverter DC / DC non-terisolasi). Dan mengenai diagram di atas. Di depan saya adalah unit catu daya, dengan input 4000mkF * 450V. Pembatasnya adalah resistor 10W yang digerakkan oleh starter 60 amp yang kuat. Waktu pengisian wadah adalah sekitar 12 detik. Ini diatur secara klasik oleh sirkuit RC di dasar transistor, yang mengubah belitan relai daya rendah, dan yang pada gilirannya menyalakan starter. Segera setelah resistor dilewati, status penyearah "Siap" dikirim ke sirkuit kontrol melalui optocoupler. Dengan memasang thyristor atau IGBT sesuai dengan solusi yang dijelaskan (dengan margin besar, karena arusnya non-sinusoidal), akan mudah untuk mengatur sirkuit kontrol. Dalam kasus thyristor, menggunakan opsi terbaik - ketika jaringan melewati 0, seperti yang ditulis llllll. Tapi inilah masalahnya: konsumsi arus dari jaringan pada beban penuh adalah sekitar 30 Ampere. Ini berarti bahwa "pemanas" dengan daya 50-100W akan ditambahkan ke sirkuit. Ini tentunya bukan tentang hemat listrik :-). Tapi Anda tanpa sadar berpikir - apakah "mulai lunak" elektromekanis benar-benar buruk.
- Skema dari siklus, "bila tidak ada yang dilakukan, maka ...". Untuk daya rendah, topiknya tidak relevan. Saya belum pernah melihat pembatas, tetapi seperti yang ditunjukkan oleh latihan, tidak ada yang salah dan mesin tidak berfungsi. Untuk daya sedang dan tinggi - sudah usang, sekarang norma tidak memerlukan pembatas arus, tetapi korektor faktor daya. Dalam hal menggunakan kapasitor berkapasitas tinggi (misalnya, dalam ULF), mereka biasanya menggunakan pengisian yang lancar melalui resistor pembatas arus, yang dihubung pendek beberapa saat setelah dinyalakan.
- Bukankah ini pembatas arus lonjakan untuk beban daya sedang? AMC posting Anda dari siklus "ketika tidak ada yang ditulis dan tangan Anda gatal ..."