Hladké nabíjanie filtračného kondenzátora obvodu. Hladké kapacitné nabíjanie: čo si vybrať? Sergey Chemezov: Rostec je už jednou z desiatich najväčších strojárskych korporácií na svete
Zapojme obvod pozostávajúci z nenabitého kondenzátora s kapacitou C a rezistora s odporom R na zdroj s konštantným napätím U (obr. 16-4).
Pretože v okamihu zapnutia kondenzátor ešte nie je nabitý, napätie na ňom je. Preto je v obvode v počiatočnom okamihu úbytok napätia na odpore R rovný U a vzniká prúd, sila ktorý
Ryža. 16-4. Nabíjanie kondenzátora.
Prechod prúdu i je sprevádzaný postupným hromadením náboja Q na kondenzátore, na ňom sa objaví napätie a pokles napätia na odpore R klesá:
ako vyplýva z druhého Kirchhoffovho zákona. Preto súčasná sila
klesá, klesá aj miera akumulácie náboja Q, keďže prúd v obvode
V priebehu času sa kondenzátor naďalej nabíja, ale náboj Q a napätie na ňom rastú stále pomalšie (obr. 16-5) a prúd v obvode postupne klesá úmerne k rozdielu - napätia
Ryža. 16-5. Graf zmien prúdu a napätia pri nabíjaní kondenzátora.
Po dostatočne dlhom časovom intervale (teoreticky nekonečne veľkom) dosiahne napätie na kondenzátore hodnotu rovnajúcu sa napätiu zdroja energie a prúd sa stane nulovým - proces nabíjania kondenzátora sa skončí.
Proces nabíjania kondenzátora je tým dlhší, čím väčší je odpor obvodu R, ktorý obmedzuje prúd, a tým väčšia je kapacita kondenzátora C, keďže pri veľkej kapacite sa musí akumulovať väčší náboj. Rýchlosť procesu je charakterizovaná časovou konštantou reťazca
čím viac, tým pomalší proces.
Časová konštanta reťazca má rozmer času, od r
Po uplynutí časového intervalu od okamihu zapnutia obvodu, ktorý sa rovná, napätie na kondenzátore dosiahne približne 63 % napájacieho napätia a po určitom intervale možno proces nabíjania kondenzátora považovať za ukončený.
Napätie kondenzátora pri nabíjaní
to znamená, že sa rovná rozdielu medzi konštantným napätím zdroja a voľným napätím klesajúcim v čase podľa zákona exponenciálnej funkcie z hodnoty U na nulu (obr. 16-5).
Nabíjací prúd kondenzátora
Prúd z počiatočnej hodnoty postupne klesá podľa zákona exponenciálnej funkcie (obr. 16-5).
b) Vybitie kondenzátora
Uvažujme teraz proces vybíjania kondenzátora C, ktorý sa nabíjal zo zdroja na napätie U cez odpor s odporom R (obr. 16-6, kde je prepínač presunutý z polohy 1 do polohy 2).
Ryža. 16-6. Vybitie kondenzátora na rezistor.
Ryža. 16-7. Graf zmien prúdu a napätia pri vybíjaní kondenzátora.
V počiatočnom okamihu sa v obvode objaví prúd a kondenzátor sa začne vybíjať a napätie na ňom sa zníži. S poklesom napätia sa zníži aj prúd v obvode (obrázok 16-7). Po určitom časovom intervale sa napätie na kondenzátore a prúd v obvode znížia na približne 1 % počiatočných hodnôt a proces vybitia kondenzátora možno považovať za ukončený.
Vybíjacie napätie kondenzátora
to znamená, že klesá podľa zákona exponenciálnej funkcie (obr. 16-7).
Vybíjací prúd kondenzátora
to znamená, že rovnako ako napätie klesá podľa rovnakého zákona (obr. 6-7).
Všetka energia uložená pri nabíjaní kondenzátora v ňom elektrické pole, pri výboji sa uvoľňuje vo forme tepla v odpore R.
Elektrické pole nabitého kondenzátora, odpojeného od zdroja energie, nemôže zostať dlho nezmenené, pretože dielektrikum kondenzátora a izolácia medzi jeho svorkami majú určitú vodivosť.
Vybíjanie kondenzátora spôsobené nedokonalým dielektrikom a izoláciou sa nazýva samovybíjanie. Časová konštanta počas samovybíjania kondenzátora nezávisí od tvaru dosiek a vzdialenosti medzi nimi.
Procesy nabíjania a vybíjania kondenzátora sa nazývajú prechodné javy.
Obmedzenie nabíjacieho prúdu kondenzátora sieťového usmerňovača SMPS
Jedným z dôležitých problémov sieťových spínaných zdrojov je obmedzenie nabíjacieho prúdu veľkokapacitného vyhladzovacieho kondenzátora inštalovaného na výstupe sieťového usmerňovača. Jeho maximálna hodnota, určený odporom nabíjacieho obvodu, je pre každý pevný konkrétne zariadenie, ale vo všetkých prípadoch je to veľmi významné, čo môže viesť nielen k vyhoreniu poistiek, ale aj k poruche prvkov vstupných obvodov. Autor článku ponúka jednoduchý spôsob, ako tento problém vyriešiť.
Riešením problému obmedzenia zapínacieho prúdu je venovaných veľa prác, ktoré popisujú zariadenia takzvaného „mäkkého“ zapínania. Jednou z veľmi používaných metód je použitie nelineárneho nabíjacieho obvodu. Typicky sa kondenzátor nabíja cez odpor obmedzujúci prúd na prevádzkové napätie a potom sa tento odpor uzavrie elektronickým spínačom. Najjednoduchšie je podobné zariadenie pri použití SCR.
Obrázok ukazuje typickú vstupnú zostavu spínaného zdroja. Účel prvkov, ktoré priamo nesúvisia s navrhovaným zariadením (vstupný filter, sieťový usmerňovač) nie je v článku popísaný, pretože táto časť sa vykonáva štandardne.
Vyhladzovací kondenzátor C7 sa nabíja zo sieťového usmerňovača VD1 cez odpor obmedzujúci prúd R2, paralelne s ktorým je pripojený VS1 SCR. Rezistor musí spĺňať dve požiadavky: po prvé, jeho odpor musí byť dostatočný, aby prúd cez poistku počas nabíjania neviedol k jej vyhoreniu, a po druhé, stratový výkon odporu musí byť taký, aby pred úplným nabitím nezlyhal. kondenzátor C7.
Prvú podmienku spĺňa 150 Ohmový odpor. V tomto prípade je maximálny nabíjací prúd približne 2 A. Experimentálne sa zistilo, že dva paralelne zapojené odpory s odporom 300 Ohm a výkonom 2 W spĺňajú druhú požiadavku.
Kapacita kondenzátora C7 660 μF sa volí z podmienky, že amplitúda usmerneného zvlnenia napätia pri maximálnom zaťažovacom výkone 200 W by nemala presiahnuť 10 V. Hodnoty prvkov C6 a R3 sa vypočítajú nasledovne. Kondenzátor C7 sa nabije cez odpor R2 takmer úplne (95% maximálneho napätia) počas doby t = 3R2 · C7 = 3 · 150 · 660 · 10-6 -0,3 s. V tejto chvíli by sa mal otvoriť trinistor VS1.
SCR sa zapne, keď napätie na jeho riadiacej elektróde dosiahne 1 V, čo znamená, že kondenzátor C6 by sa mal nabiť na túto hodnotu za 0,3 s. Presne povedané, napätie na kondenzátore rastie nelineárne, ale keďže hodnota 1 V je asi 0,3% maximálneho možného (asi 310 V), potom možno tento počiatočný úsek považovať za takmer lineárny, preto je kapacita kondenzátora C6 vypočítané pomocou jednoduchého vzorca: C = Q / U, kde Q = l · t - náboj kondenzátora; I je nabíjací prúd.
Určite nabíjací prúd. Mal by byť o niečo vyšší ako prúd hradlovej elektródy, pri ktorom je VS1 SCR zapnutý. Vyberáme trinistor KU202R1, podobný známemu KU202N, ale s nižším zapínacím prúdom. Tento parameter v dávke 20 SCR sa pohyboval od 1,5 do 11 mA a u drvivej väčšiny jeho hodnota nepresiahla 5 mA. Pre ďalšie experimenty bolo vybrané zariadenie so zapínacím prúdom 3 mA. Odpor odporu R3 volíme rovný 45 kOhm. Potom je nabíjací prúd kondenzátora C6 310 V / 45 kΩ = 6,9 mA, čo je 2,3-krát viac ako spínací prúd SCR.
Vypočítame kapacitu kondenzátora C6: C = 6,9 10-3 0,3 / 1-2000 μF. Napájanie využíva menší kondenzátor s kapacitou 1000 μF a napätím 10 V. Doba jeho nabíjania sa skrátila na polovicu, na cca 0,15 s. Musel som znížiť časovú konštantu nabíjacieho obvodu kondenzátora C7 - odpor rezistora R2 sa znížil na 65 ohmov. V tomto prípade je maximálny nabíjací prúd v momente zapnutia 310 V / 65 Ohm = 4,8 A, ale po čase 0,15 s sa prúd zníži na približne 0,2 A.
Je známe, že poistka má značnú zotrvačnosť a môže prenášať krátke impulzy bez poškodenia, oveľa vyššie ako je jej menovitý prúd. V našom prípade je priemerná hodnota za 0,15 s 2,2 A a poistka to prenáša „bezbolestne“. Túto záťaž zvládajú aj dva paralelne zapojené 130 Ohm 2 W odpory. Počas doby nabíjania kondenzátora C6 na napätie 1 V (0,15 s) sa kondenzátor C7 nabije na 97 % maxima.
Tým sú splnené všetky podmienky pre bezpečnú prácu. Dlhodobá prevádzka spínaného zdroja preukázala vysokú spoľahlivosť opísanej jednotky. Treba si uvedomiť, že plynulé zvýšenie napätia na vyhladzovacom kondenzátore C7 na 0,15 s má priaznivý vplyv na činnosť meniča napätia aj záťaže.
Rezistor R1 slúži na rýchle vybitie kondenzátora C6 pri odpojení napájania zo siete. Bez neho by sa tento kondenzátor vybíjal oveľa dlhšie. Ak v tomto prípade rýchlo zapnete napájanie po jeho vypnutí, potom môže byť trinistor VS1 stále otvorený a poistka sa spáli.
Rezistor R3 pozostáva z troch, zapojených do série, s odporom 15 kOhm a výkonom 1 W každý. Rozptyľujú výkon asi 2 watty. Rezistor R2 - dva MLT-2 zapojené paralelne s odporom 130 Ohm a kondenzátor C7 - dva, s kapacitou 330 μF pre menovité napätie 350 V, zapojené paralelne. Spínač SA1 - Pákový spínač T2 alebo tlačidlový spínač PkN41-1. Ten je výhodnejší, pretože umožňuje odpojenie oboch vodičov od siete. Trinistor KU202R1 je vybavený hliníkovým chladičom s rozmermi 15x15x1 mm.
Literatúra
- Zdroje sekundárneho napájania. Referenčný manuál. - M .: Rádio a komunikácia, 1983.
- ... Eranosyan S. A. Sieťové napájacie zdroje s vysokofrekvenčnými meničmi. - L .: Energoatomizdat, 1991.
- 3. Frolov A. Obmedzenie nabíjacieho prúdu kondenzátora v sieťovom usmerňovači. - Rádio, 2001, č. 12, s. 38, 39, 42.
- 4. Mkrtchyan Zh. A. Napájanie elektronických počítačov. - M.: Energia, 1980.
- 5. Integrované mikroobvody zahraničného domáceho video zariadenia. Referenčný manuál. - S.-Pb: Lan Victoria, 1996.
JB Castro-Miguens, Madrid
V momente zapnutia spínaného zdroja, napríklad počítačového, sa vyhladzovací kondenzátor usmerňovača úplne vybije. Náraz nabíjacieho prúdu, najmä v prípade, keď je kapacita kondenzátora veľká, môže viesť k činnosti ističov siete alebo dokonca k poruche usmerňovacích diód.
Hoci ekvivalentný sériový odpor kondenzátora a odpor a indukčnosť vodičov znižujú nábehový prúd, špičkové hodnoty môžu dosiahnuť desiatky ampérov. Tieto prepätia je potrebné vziať do úvahy pri výbere usmerňovacích diód, ale ich vplyv na životnosť kondenzátora je najvýraznejší. Obvod na obmedzenie špičiek prúdu pri zapnutí je znázornený na obrázku 1.
Ak je okamžitá hodnota usmerneného sieťového napätia striedavého prúdu pri zapnutí väčšia ako 14 V, MOSFET Q 1 sa zapne, čo spôsobí vypnutie IGBT Q 2 a kondenzátor sa nebude nabíjať.
Ak je usmernené napätie menšie ako napätie na kondenzátore plus 14 V (V 1 = V IN - V OUT ≤ 14 V), Q1 je vypnutý a Q 2 je zapnutý cez R 3, pričom sa pripojí kondenzátor a záťaž (R LOAD ) do usmerňovača. V súlade s tým Q2 zostane zapnutý a Q1 prestane mať akýkoľvek vplyv na činnosť obvodu.
V ustálenom stave, keď sa napätie na kondenzátore rovná usmernenému striedavému napätiu, Q 1 je vypnutý a Q 2 zapnutý a nič nebráni kondenzátoru v nabíjaní.
Obmedzovač prúdu umožňuje doplniť obvod o prepäťovú ochranu. Ak rektifikované výstupné napätie stúpne nad 380 V, napätie medzi referenčným výstupom a anódou IC 1 bude väčšie ako jeho interná referenčná hodnota 2,495 V, čo spôsobí pokles napätia medzi anódou a katódou na približne 2 V. Prúd z R3 bude prúdiť ku katóde a Q2 sa uzavrie.
Keď je usmernené sieťové napätie menšie ako 380 V, katódový prúd TL431 prakticky neexistuje. Následne sa Q2 zapne cez R3 a pripojí kondenzátor a R LOAD k celovlnnému usmerňovaču (za predpokladu, že V 1 = V IN - V OUT ≤ 14 V).
Výkon rozptýlený komponentmi v obvode je veľmi nízky. So vstupným napätím 230 V rms. a záťažovým výkonom až 500 W, GP10NC60KD možno použiť ako Q 2.
- Vlastný obvod zabezpečuje pripojenie filtračných kondenzátorov, keď napájacie napätie prechádza cez nulu. Nie je na to jednoduchšie použiť optosimistor (optorelé) s funkciou s funkciou zapnutia pri nulovom napätí. o veľká kapacita filtračné kondenzátory, ani tento obvod, ani optorelé vás nezachráni pred nárazovým prúdom.
- Obvod je samozrejme dobrý a je podobný jednej z variácií obmedzovača dv / dt opísaných v "AN1542 Aktívne obmedzovanie zapínacieho prúdu pomocou MOSFET" s. "Užitočná je aj aplikácia AN4606 Obvody obmedzovača zapínacieho prúdu (ICL) s triakmi a tyristormi. ... samotný obvod by bol oveľa užitočnejší nie prepäťová ochrana, ale ochrana proti skratu v záťaži. Okrem toho existujú typy záťaží, ktoré sa nedajú len tak odpojiť od siete. sieťové napätie je menej hrozné ako jeho okamžité zmiznutie. Možno problém nabíjania vstupných kapacít je typický pre všetky SMPS s výkonom 200W a viac. Veľkú kvetinovú záhradu riešení možno vidieť na schémach zváracích meničov, frekvenčných meničov a iných technologických zariadení, kde tak či onak existuje vysokovýkonný jednosmerný prúd. Zložitosť obvodov obmedzovača (z nejakého dôvodu vždy píšu "obvody mäkkého štartu") je určená rozpočtom a predstavivosťou vývojárov. Malá hierarchia: "ľudový" znamená - rezistor alebo tlmivka, pre malé výkony termistor; nasledujú obvody podobné tým, ktoré sú opísané v článku (na tyristore alebo tranzistore); potom - riadené usmerňovače; No a úplne hore sú podľa mňa korektory účinníka (tiež všeobecný názov pre plne riadené usmerňovače alebo neizolované DC / DC meniče). A čo sa týka vyššie uvedeného diagramu. Predo mnou je napájací zdroj, na vstupe ktorého je 4000mkF * 450V. Obmedzovač je 10W rezistor, ktorý je zopnutý výkonným 60 ampérovým štartérom. Doba nabíjania nádob je cca 12 sekúnd. Nastavuje sa klasicky RC obvodom v báze tranzistora, ktorý spína vinutie nízkovýkonového relé, a to zase zapína štartér. Akonáhle je rezistor premostený, stav usmerňovača "Pripravený" sa odošle do riadiaceho obvodu cez optočlen. Inštaláciou tyristora alebo IGBT podľa opísaného riešenia (s veľkou rezervou, pretože prúd nie je sínusový), bude ľahké zorganizovať riadiaci obvod. V prípade tyristora pomocou najlepšej možnosti - keď sieť ide cez 0, ako napísal lllll. Tu je však problém: prúdový odber zo siete pri plnom zaťažení je asi 30 ampérov. To znamená, že do okruhu pribudne "ohrievač" s výkonom 50-100W. Tu samozrejme nejde o šetrenie elektriny :-). Ale nedobrovoľne si myslíte - je elektromechanický "mäkký štart" naozaj zlý.
- Schéma z cyklu, "keď nie je čo robiť, potom ...". Pre nízky výkon téma nie je relevantná. Nikdy som nevidel obmedzovače, ale ako ukazuje prax, nič sa nepokazí a stroje nefungujú. Pre stredný a vysoký výkon - je to zastarané, teraz normy nevyžadujú obmedzovače prúdu, ale korektory účinníka. V prípade použitia veľkokapacitných kondenzátorov (napríklad v ULF) väčšinou využívajú plynulé nabíjanie cez odpor obmedzujúci prúd, ktorý je nejaký čas po zapnutí skratovaný.
- Nie je to obmedzovač rázového prúdu pre stredne silnú záťaž? AMC tvoj príspevok z cyklu "keď nie je čo písať a svrbia ťa ruky..."
