Как рассчитать гасящий конденсатор

Прежде, чем приступить к расчёту простого бестрансформаторного блока питания с гасящим конденсатором, давайте определимся с ориентацией:

1. Мы не извращенцы, мы нормальные дядьки и приличные барышни! А с теми, звездонутыми током из розетки. которые находят в этом не только минусы, но и плюсы. а также прочими ведьмами и чародеями мы не якшаемся и якшаться не станем.
2. Это не то чтобы мы скупердяи какие-то. Но люди бережливые – жадные с умом и с пользой, а на безвременную кончину электрооборудования, будь то мыслящая машина, или прибор какой измерительный, нам смотреть неприятно и западло.

Ладно, с этим понятно! А какие условия надо выполнить при остром желании совокупить электронное устройство с бестрансформаторным источником питания?

Пожалуйста:
– Полная автономность питаемого аппарата, т.е. к нему не должны подключаться никакие внешние устройства ни по входу, ни по выходу, ни по каким-либо другим местам.

– Диэлектрический (непроводящий) корпус и такие же ручки управления как у самого блока питания, так и у запитываемого от него устройства.

– Сосредоточенный контроль за любым движением шаловливых ручонок в процессе настройки источника. Про измерительные приборы с питанием от сети – забыть. Схема простая, поверьте – заработает и без всяких осциллографов.

В самом распространённом виде схема простого бестрансформаторного блока питания имеет вид, показанный на рис.1.

Рис.1

Для ограничения броска тока при подключении блока к сети последовательно с конденсатором С1 и выпрямительным мостом Br1 включён резистор R2, а для разрядки конденсатора после отключения – параллельно ему резистор R1.
Бестрансформаторный источник питания в общем случае представляет собой симбиоз выпрямителя и параметрического стабилизатора. Конденсатор С1 для переменного тока представляет собой ёмкостное (реактивное, т.е. не потребляющее энергию) сопротивление Хс, величина которого определяется по формуле:
,
где F – частота сети (50Гц); С-ёмкость конденсатора С1.

Тогда ток, втекающий в источник, определяется, как:
,
где Uc – напряжение сети (220 В); Uст – выходное напряжение, соответствующее напряжению пробоя стабилитрона.
Номинал резистора R2 выбирается исходя из величины ≈ 0,025Xс.

Нормальным режимом работы приведённого блока питания является режим, при котором стабилитрон находится в режиме обратно-смещённого пробоя (режим стабилизации), благодаря чему напряжение на выходе источника поддерживается с заданной точностью в широком диапазоне выходных токов нагрузки.
Ясен жупел, что для поддержания этого режима необходимо удерживать ток, протекающий через стабилитрон, в диапазоне допустимых для данного полупроводника величин: I_ст.min
А поскольку I_вх= I_ст+I_н (см. Рис.1), то методом простого дедуктивного электроанализа делаем глобальный вывод – номинал конденсатора С1 следует выбирать из соображений величины входного тока I_вх= I_н.макс+I_ст.мин , где I_н.макс – максимальный ток на выходе блока питания при заданном выходном напряжении, а I_ст.мин – минимальный ток стабилизации стабилитрона, указанный в характеристиках полупроводника.

Минимальное значение ёмкости сглаживающего конденсатора С2 в двухполупериодных выпрямителях принято рассчитывать исходя из величины 1МкФ на каждый миллиампер тока, потребляемого нагрузкой, оптимальное – в 5-10 раз выше.

Краткий теоретический экскурс проведён, пора переходить к практической стороне вопроса:

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА НОМИНАЛОВ ЭЛЕМЕНТОВ БЕСТРАНСФОРМАТОРНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ.

Приведённая на Рис.1 схема обладает одной интересной особенностью. При увеличении мощности, отдаваемой в нагрузку, пропорционально снижается ток, протекающий через стабилитрон, что приводит к соответствующему росту КПД блока питания. Т.е. при максимальном токе нагрузки собственное потребление схемы будет в основном определяться мощностью, рассеиваемой на защитном резисторе R2.

Конденсатор C1 необходимо применять на напряжение не менее 400 Вольт, диодный мост на такое же напряжение, стабилитрон следует выбирать, исходя из необходимого напряжения стабилизации и максимально допустимого тока, процентов на 20-25 превышающего значение Iст.max, посчитанное таблицей.

А нажав на стрелку "назад" внизу страницы, можно познакомиться и с некоторым количеством иных схемотехнических решений, связанных с реализацией бестрансформаторных источников питания.

В самом начале темы, относительно подбора гасящего конденсатора, рассмотрим цепь, состоящую из резистора и конденсатора, последовательно подключенных к сети. Полное сопротивление такой цепи будет равно:

Эффективная величина тока, соответственно, находится по закону Ома, напряжение сети делить на полное сопротивление цепи:

В результате для тока нагрузки и входного и выходного напряжений получим следующее соотношение:

А если напряжение на выходе достаточно мало, то мы имеем право считать эффективное значение тока приблизительно равным:

Однако давайте рассмотрим с практической точки зрения вопрос подбора гасящего конденсатора для включения в сеть переменного тока нагрузки, рассчитанной на напряжение меньшее стандартного сетевого.

Допустим, у нас есть лампа накаливания мощностью 100 Вт, рассчитанная на напряжение 36 вольт, и нам по какой-то невероятной причине необходимо запитать ее от бытовой сети 220 вольт. Лампе необходим эффективный ток, равный:

Тогда емкость необходимого гасящего конденсатора окажется равна:

Имея такой конденсатор, мы обретаем надежду получить нормальное свечение лампы, рассчитываем, что она по крайней мере не перегорит. Такой подход, когда мы исходим из эффективного значения тока, приемлем для активных нагрузок, таких как лампа или обогреватель.

Но что делать, если нагрузка нелинейна и включена через диодный мост? Допустим, необходимо зарядить свинцово-кислотный аккумулятор. Что тогда? Тогда зарядный ток окажется для батареи пульсирующим, и его значение будет меньше эффективного значения:

Иногда радиолюбителю может быть полезным источник питания, в котором гасящий конденсатор включен последовательно с диодным мостом, на выходе которого имеется в свою очередь конденсатор фильтра значительной емкости, к которому присоединена нагрузка постоянного тока. Получается своеобразный бестрансформаторный источник питания с конденсатором вместо понижающего трансформатора:

Здесь нагрузка в целом будет нелинейной, а ток станет уже далеко не синусоидальным, и вести расчеты необходимо будет несколько иначе. Дело в том, что сглаживающий конденсатор с диодным мостом и нагрузкой внешне проявят себя как симметричный стабилитрон, ведь пульсации при значительной емкости фильтра станут пренебрежимо малыми.

Когда напряжение на конденсаторе будет меньше какого-то значения — мост будет закрыт, а если выше — ток пойдет, но напряжение на выходе моста расти не будет. Рассмотрим процесс более подробно с графиками:

В момент времени t1 напряжение сети достигло амплитуды, конденсатор C1 также заряжен в этот момент до максимально возможного значения минус падение напряжения на мосте, которое будет равно приблизительно выходному напряжению. Ток через конденсатор C1 равен в этот момент нулю. Далее напряжение в сети стало уменьшаться, напряжение на мосте — тоже, а на конденсаторе C1 оно пока не изменяется, да и ток через конденсатор C1 пока что нулевой.

Далее напряжение на мосте меняет знак, стремясь уменьшиться до минус Uвх, и в тот момент через конденсатор C1 и через диодный мост устремляется ток. Далее напряжение на выходе моста не меняется, а ток в последовательной цепочке зависит от скорости изменения питающего напряжения, словно к сети подключен только конденсатор C1.

По достижении сетевой синусоидой противоположной амплитуды, ток через C1 опять становится равным нулю и процесс пойдет по кругу, повторяясь каждые пол периода. Очевидно, что ток течет через диодный мост только в промежутке между t2 и t3, и величину среднего тока можно вычислить, определив площадь закрашенной фигуры под синусоидой, которая будет равна:

Если выходное напряжение схемы достаточно мало, то данная формула приближается к полученной ранее. Если же выходной ток положить равным нулю, то получим:

То есть при обрыве нагрузки выходное напряжение станет равно амплитуде сетевого. Значит следует применять такие компоненты в схеме, чтобы каждый из них выдержал бы амплитуду напряжения питания.

Кстати, при снижении тока нагрузки на 10%, выражение в скобках уменьшится на 10%, то есть напряжение на выходе увеличится примерно на 30 вольт, если изначально имеем дело, скажем, с 220 вольтами на входе и с 10 вольтами на выходе. Таким образом, использование стабилитрона параллельно нагрузке строго обязательно.

А что если выпрямитель однополупериодный? Тогда ток необходимо рассчитывать по такой формуле:

При небольших значениях выходного напряжения ток нагрузки станет вдвое меньшим, чем при выпрямлении полным мостом. А напряжение на выходе без нагрузки окажется вдвое большим, так как здесь мы имеем дело с удвоителем напряжения.

Итак, источник питания с гасящим конденсатором рассчитывается в следующем порядке:

Первым делом выбирают, каким будет выходное напряжение.

Затем определяют максимальный и минимальный токи нагрузки.

Далее определяют максимум и минимум напряжения питания.

Если ток нагрузки предполагается непостоянный, стабилитрон параллельно нагрузке обязателен!

Наконец, вычисляют емкость гасящего конденсатора.

Для схемы с двухполупериодным выпрямлением, для сетевой частоты 50 Гц, емкость находится по следующей формуле:

Полученный по формуле результат округляют в сторону емкости большего номинала (желательно не более 10%).

Следующим шагом находят ток стабилизации стабилитрона для максимального напряжения питания и минимального тока потребления:

Для однополупериодной схемы выпрямления гасящий конденсатор и максимальный ток стабилитрона вычисляют по следующим формулам:

Выбирая гасящий конденсатор, лучше ориентироваться на пленочные и металлобумажные конденсаторы. Конденсаторы пленочные небольшой емкости — до 2,2 мкф на рабочее напряжение от 250 вольт хорошо работают в данных схемах при питании от сети 220 вольт. Если же вам нужна большая емкость (более 10 мкф) — лучше выбрать конденсатор на рабочее напряжение от 500 вольт.

Если у Вас когда нибудь возникала задача понизить напряжение до какого либо уровня, например с 220 Вольт то 12В, то это статья для Вас.

Есть масса способов это сделать подручными материалами. В нашем случае мы будем использовать одну деталь – ёмкость.

В принципе мы можем использовать и обычное сопротивление, но в этом случае, у нас возникнет проблема перегрева данной детали, а там и до пожара недалеко.

В случае, когда в виде понижающего элемента используется ёмкость, ситуация другая.

Ёмкость, включенная в цепь переменного тока обладает (в идеале) только реактивным сопротивлением, значение котрого находится по общеизвестной формуле.

Кроме этого в нашу цепь мы включаем какую то нагрузку ( лампочку, дрель, стиральную машину), которая обладает тоже каким то сопротивлением R

Таким образом общее сопротивление цепи будет находиться как

Наша цепь последовательна, а следовательно общее напряжение цепи есть сумма напряжений на конденсаторе и на нагрузке

По закону ома, вычислим ток, протекающий в этой цепи.

Как видите легко зная параметры цепи, вычислить недостающие значения.

А вспомнив как вычисляется мощность легко рассчитывать параметры конденсатора основываясь на потребляемую мощность нагрузки.

Учитывайте что в такой схеме нельзя использовать полярные конденсаторы то есть такие что включаются в электронную схему в строгом соответствии с указанной полярностью.

Кроме этого необходимо учитывать и частоту сети f. И если у нас в России частота 50Гц, то например в Америке частота 60Гц. Это тоже влияет на окончательне расчеты.

Примеры расчета

Необходимо запитать лампочку мощностью 36Вт, рассчитанное на напряжение 12В. Какая ёмкость понижающего конденсатора тут необходима?

Если речь идет об электрических сетях в России, то входное напряжение 220 Вольт, частота 50Гц.

Ток проходящий через лампочку равен 3 Ампера (36 делим на 12). Тогда ёмкость по вышенаписанной формуле будет равна:

Что бы не переводит степени минус пятой степени в микро или мимли Фарады, воспользуемся вот этим ботом и получим