Расчет понижающего конденсатора. Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

Впринципе то, что я здесь опишу, много раз уже цитировалось в разных местах.

Конденсаторный балласт использует реактивное сопротивление емкости для питания относительно низковольтной нагрузки непосредственно от сети переменного тока. То есть, если бы вместо конденсатора использовался подходящий резистор, то все было бы почти также, только на нем выделялось бы много тепла.
Специализированный драйвер представляет собой электронный AC-AC/DC преобразователь с гальванической развязкой от сети. Обычно он мало чем отличается от импульсного блока питания.
Конденсатор - максимально простое, дешевое и эффективное решение . Но оно означает гальваническую связь нагрузки с сетью, наличие низкочастотных сетевых пульсаций, наличие бросков тока, отсутствие стабилизации напряжения/тока. Есть явные ограничения по мощности и току. Так же конденсатор сдвигает фазу в сети переменного тока, увеличивая потери в проводах.
Драйвер - более дорогое и сложное решение. Работает на высокой частоте, легко обеспечивает стабилизация напряжения/тока, обеспечивает гальваническую развязку нагрузки от сети. КПД драйверов обычно высок, но все же не настолько, чтобы его не учитывать.

Схема балласта и доработка

В качестве примера у меня была китайская лампа "кукуруза" E27 42 х 5630 LED 10Вт. Проблема этой лампы (кроме типичных) заключалась в том светодиоды оказались склонны перегорать при включении. Рассмотрим схему

Синим обозначены мои изменения.

Работа балластного конденсатора в нормальном режиме похожа на работу ограничивающего резистора. Но в момент включения ситуация может быть иная - незаряженный конденсатор моментально представляет собой резистор с сопротивлением равным ESR конденсатора. Это сопротивление для пленочного конденсатора C1 такой емкости может быть порядка 0.15 Ом, в то же время ESR сглаживающего электролитического конденсатора C2 может быть более 1 Ом. Это автоматически означает, что большая часть сетевого напряжения (в коротком промежутке времени конечно) уходит на цепочку светодиодов и создает бросок тока. Этот бросок тем выше, чем ближе к амплитудному значению переменное напряжение сети в момент включения.

Для борьбы с этим пагубным явлением я предлагаю дополнить выходной фильтр резистором Rf и конденсатором Cf, получив П-фильтр CRC. Выбор деталей очень прост - емкость конденсатора Cf не менее ёмкости балластного C1, сопротивление резистора Rf - больше ESR добавленного конденсатора Cf, но такой, чтобы мощность на нем не была велика. Так мы получим своеобразный делитель импульсного напряжения Rf - ESR Cf. Так же я добавил небольшой резистор Rx на вход для улучшения его импульсных свойств. Таким образом входной импульс амплитудой до 310в пройдёт 2 делителя: (провода, Rx, диоды, C1) - C2 и далее Rf - Cf. В итоге его амплитуда не должна существенно превышать рабочего напряжения светодиодов. Следует отметить, что резисторы, в особенности, Rx, работают в режиме высоких пиковых токов - некоторые экземпляры на 0.25Вт легко перегорают при включении схемы в "неудачный" момент.

Желающие могут попробовать уменьшить мерцание на основе этой схемы. Для этого предлагаю увеличить емкость Cf до C2,а резистор заменить индуктивностью, получив гораздо более эффективный фильтр CLC. Но учитывая малую частоту, индуктивность, всего скорее, должна быть не менее 10мГн и быть рассчитана на рабочий ток. Я, учитывать тесный корпус решил не заниматься этим.

При желании повысить надежность в момент включения, можно увеличить Rx до 5-15 Ом, используя резистор мощностью от 0.5 Вт, либо, что еще лучше, использовать NTC термистор подобного сопротивления. Также можно установить стабилитрон ZD1 (лучше TVS) с напряжение чуть выше рабочего для гирлянды - так можно защитить "особо нежные" светодиоды от перегрузок. Кроме того, при установке TVS, напряжение на конденсаторе Cf будет ограничено и можно будет несколько снизить его рабочее напряжение.

В моем случае светодиоды были соединены в последовательную гирлянду из 21 групп по 2 диода параллельно. На 7ми гетинаксовых платах размещено по 3 группы (6 светодиодов). Рабочее напряжение гирлянды около 60 - 65 в, ток - 100 ма (50 ма на диод). Соответственно мощность - чуть более 6 вт. Светодиоды, соответственно, выгорали парами.

СЕТЕВОЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ С ГАСЯЩИМ КОНДЕНСАТОРОМ

Во многих из описанных выше устройств использовались бестрансформаторные источники питания с гасящим конденсатором. Они удобны своей простотой, малыми габаритами и массой, но не всегда применимы из-за гальванической связи выходной цепи с сетью 220 В. О том, как правильно рассчитать такой источник, рассказывается в данном разделе.

В бестрансформаторном источнике питания к сети переменного напряжения подключены последовательно соединенные конденсатор и нагрузка. Рассмотрим вначале работу источника с чисто резистивной нагрузкой (рис. 123,а).

В радиолюбительской практике часто используют источник, в котором гасящий конденсатор включен в сеть последовательно с

диодным мостом, а нагрузка, зашунтированная другим конденсатором, питается от выходной диагонали моста (рис. 124). В этом случае цепь становится резко нелинейной и форма тока, протекающего через мост и гасящий конденсатор, будет отличаться от

синусоидальной. Из-за этого представленный выше расчет оказывается неверным.

Каковы процессы, происходящие в источнике со сглаживающим конденсатором С2 емкостью, достаточной для того, чтобы считать пульсации выходного напряжения пренебрежимо малыми? Для гасящего конденсатора С1 диодный мост (вместе с С2 и Rн) в установившемся режиме представляет собой некий эквивалент симметричного стабилитрона. При напряжении на этом эквиваленте, меньшем некоторого значения (оно практически равно напряжению Uвых на конденсаторе С2), мост закрыт и ток через него не проходит, при большем - через открытый мост течет ток, не давая увеличиваться напряжению на входе моста.

Рассмотрение начнем с момента t1, когда напряжение сети максимально (рис. 125). Конденсатор С1 заряжен до амплитудного напряжения сети Uс.амп за вычетом напряжения на диодном мосте Uм, примерно равного Uвых. Ток через конденсатор С1 и закрытый мост равен нулю. Напряжение в сети уменьшается по косинусоидальному закону (график 1), на мосте также уменьшается (график 2), а напряжение на конденсаторе С1 не меняется.

Ток конденсатора останется нулевым до тех пор, пока напряжение на диодном мосте, сменив знак на противоположный, не достигнет значения -Uвых (момент t2). В этот момент появится скачком ток Ic1 через конденсатор С1 и мост. Начиная с момента t2, напряжение на мосте не меняется, а ток определяется скоростью изменения напряжения сети и, следовательно, будет точно таким же, как если бы к сети был подключен только конденсатор С1 (график 3).

Когда напряжение сети достигнет отрицательного амплитудного значения (момент tз), ток через конденсатор С1 снова станет равным нулю. Далее процесс повторяется каждый полупериод.

Ток через мост протекает лишь в интервале времени t2-t3, его среднее значение может быть рассчитано как площадь заштрихованной части

При отсутствии стабилитрона на необходимое напряжение Uвых;

допускающего рассчитанный максимальный ток стабилизации, можно соединить несколько стабилитронов на меньшее напряжение последовательно.

Подставлять в формулу (4) минимальный ток нагрузки Iн nun следует лишь тогда, когда этот ток длителен - единицы секунд и более. При кратковременном минимальном токе нагрузки (доли секунды) его надо заменить средним (по времени) током нагрузки. Если стабилитрон допускает ток, больший рассчитанного по формуле (4), целесообразно использовать гасящий конденсатор несколько

источника по схеме рис. 124 зарядка этого конденсатора длится четверть периода напряжения сети, и столько же - разрядка. При таком приближении двойное напряжение пульсации 2Uп (размах) равно: 2ип=0,25Iн mах/fС.

2Uп=0,75Iнmax/fC.

Для выходного напряжения менее 100 В реально зарядка длится большее время, разрядка - меньшее, и эти выражения дают заметно завышенный результат, поэтому расчет емкости сглаживающего конденсатора по полученным из них формулам обеспечивает некоторый запас: С=5Iнmax/2Uп (для рис. 124); С= 15Iнmax/2Uп (для рис. 126), где ток - в миллиамперах, емкость - в микрофарадах, напряжение - в вольтах.

Хотя стабилитрон и уменьшает напряжение пульсации, использовать сглаживающий конденсатор емкостью, менее рассчитанной, не рекомендуется. В ранее рассмотренном примере при размахе пульсации 0,2 В емкость сглаживающего конденсатора равна:

С2=5*15/0,2=375 мкФ.

Для ограничения броска тока через диоды выпрямительного моста в момент включения источника в сеть последовательно с гасящим конденсатором необходимо включать токоограничивающий резистор. Чем меньше сопротивление этого резистора, тем меньше потери в нем. Для диодного моста КЦ407А или моста из диодов КД103А достаточно резистора сопротивлением 36 Ом.

Рассеиваемую на нем среднюю мощность Р можно определить по формуле: Р= 5,6С1^2R, где емкость - в микрофарадах, сопротивление -в омах, мощность - в милливаттах. Для рассмотренного выше примера P=5,6*0,39^236=30 мВт. Для надежности (ведь в момент включения к резистору может быть приложено амплитудное напряжение сети) рекомендуется использовать резистор мощностью не менее 0,5 Вт.

Для того, чтобы исключить возможность поражения электротоком при налаживании устройств с рассматриваемыми источниками, питать их следует не от сети, а от сетевого лабораторного низковольтного блока питания через токоограничительный резистор. Выходное напряжение лабораторного блока устанавливают больше напряжения питания налаживаемого устройства настолько, чтобы ток через токоограничительный резистор был близок к Iст min+ Iнmax.

Иногда удобно использовать в роли токоограничительного резистор источника, ограничивающий бросок тока через диоды выпрямительного моста. В этом случае достаточно замкнуть выводы

(рис. 130) на ток нагрузки до 0,3 А и источник бесперебойного питания для электронно-механических часов (рис. 131).

Делитель напряжения пятивольтового источника состоит из бумажного конденсатора С1 и двух оксидных С2 и СЗ, образующих нижнее по схеме неполярное плечо емкостью 100 мкф. Поляризующими диодами для оксидной пары служат левые по схеме диоды моста. При номиналах элементов, указанных на схеме, ток замыкания (при Rн=O) равен 600 мА, напряжение на конденсаторе С4 в отсутствие нагрузки - 27 В.

Электронно-механические часы обычно питают от одного гальва

нического элемента напряжением 1,5 В. Предлагаемый источник вырабатывает напряжение 1,4 В при среднем токе нагрузки 1 мА. Напряжение, снятое с делителя С1С2, выпрямляет узел на элементах VD1, VD2, СЗ. Без нагрузки напряжение на конденсаторе СЗ не превышает 12 В.

Транзистор VT1, включенный эмиттерным повторителем, и гальванический элемент G1 составляют стабилизатор напряжения. На выходе источника будет напряжение элемента минус падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора.

Ток, потребляемый от элемента G1 при наличии сетевого напряжения, меньше тока нагрузки в h21э раз, что существенно продлевает срок службы элемента. Практически это означает, что элемент приходится заменять не из-за его разрядки током нагрузки, а вследствие других причин - саморазрядки, высыхания электролита и т. п.

В случае пропадания напряжения в сети транзистор выходит из режима эмиттерного повторителя и нагрузку питает гальванический.элемент G1 через открытый эмиттерный переход. После появления сетевого напряжения транзистор возвращается в режим эмиттерного повторителя и нагрузка переходит на питание от сети. Конденсатор С4 обеспечивает нормальную работу часов при глубокой разрядке элемента G1.

Диоды Д223 можно заменить на любые другие, транзистор МП41А - на любой германиевый структуры р-n-р. Элемент G1

лучше использовать алкалиновый, например, Duracell, Energizer. Реальный срок эксплуатации такого элемента в блоке питания может достигать 10 лет.

И последнее. Конструкция бестрансформаторных источников и устройств, питающихся от них, должна исключать возможность прикосновения к любым проводникам в процессе эксплуатации. Особое внимание нужно уделить изоляции органов управления.

Для чего я заказал эти конденсаторы? Ответ банален. Чтобы «колхозить» светодиодное освещение. А куда ещё их применить можно? Расскажу, как рассчитать ёмкость балласта для светодиодной лампочки. Обзор контрольный. Кто не боится пользоваться такими драйверами, заходим. Для тех, кто не уважает подобные схемы, заходить не обязательно.

Для начала, как обычно, посмотрим, что было в посылке

А в посылке – два пакета с кондёрами, ровно по 50шт. в каждом. Заказал ещё вот эти кондёры
$7.85 (50шт.) у этого же продавца.

Выбирал не только по напряжению и ёмкости, но и по размерам. Они должны быть минимальны, иначе не везде применишь.

А ещё я заказал диоды.

$8.21 (1000шт.)

С диодами я конечно перебрал. 1000штук – это много. Но разница в цене между 100 и 1000 просто смешная. Диоды 1N4007 (1A 1000V)имеют широчайшее применение в импортной бытовой технике. Можно сказать, ни одно изделие без них не обходится. Можно и в нашей применить. Пусть лежат, если что, подарю часть своим знакомым.

Ну а теперь перейдём к делу.
Берём стандартную китайскую лампочку. Вот её схема (немного усовершенствованная).

Добавил R4, будет вместо предохранителя, а также смягчит пусковой ток. Ток через светодиоды определяет номинал ёмкости С1. В зависимости от того, какой ток мы хотим пропустить через светодиоды, и рассчитываем его ёмкость по формуле (1).

Для расчётов нам необходимо знать падение напряжения на светодиодах. Вычисляется просто. Светодиод ведёт себя в схеме как стабилитрон с напряжением стабилизации около 3В (есть исключения, но ооочень редкие). При последовательном подключении светодиодов падение напряжения на них равно количеству светодиодов, умноженному на 3В (если 5 светодиодов, то 15В, если 10 - 30В и т.д.). Допустим, мы хотим сделать лампочку на десяти светодиодах 5730smd. По паспортным данным максимальный ток 150мА. Я не сторонник насилия. Поэтому рассчитаем лампочку на 100мА. Будет запас по мощности. А запас, как говорится, карман не тянет.
По формуле (1) получаем: С=3,18*100/(220-30)=1,67мкФ. Такой ёмкости промышленность не выпускает, даже китайская. Берём ближайшую удобную (у нас 1,5мкФ) и пересчитываем ток по формуле (2).
(220-30)*1,5/3,18=90мА. 90мА*30В=2,7Вт. Это и есть расчетная мощность лампочки. Всё просто. В жизни конечно будет отличаться, но не намного. Всё зависит от реального напряжения в сети, от точной ёмкости балласта, реального падения напряжения на светодиодах и т.д. Кстати при помощи формулы (2) вы можете рассчитать мощность уже купленных лампочек. Падением напряжения на R2 и R4 можно пренебречь, оно незначительно. Можно подключить последовательно достаточно много светодиодов, но общее падение напряжения не должно превышать половины напряжения сети (110В). При превышении этого напряжения лампочка болезненно реагирует на все изменения напряжения сети. Чем больше превышает, тем болезненнее реагирует (это дружеский совет).
И всё же, на сколько точны номиналы ёмкостей, проверим. Сначала 2,2мкФ.

Теперь 1мкФ.

Погрешности небольшие, не более 2%. Можно смело брать.
Перейдём к практическому применению. Кому интересно, посмотрите, куда применил. Это уже было в одном из предыдущих обзоров, поэтому спрятал под спойлер.

Вырезка из обзора панелей

В одном из моих обзоров подключал панели к драйверу на кондёрах. Вот такая лампочка получилась из энергосберегайки. Напомню, модуль состоит из пяти параллелей. В каждой параллели 18 светодиодов 2835smd. Падение напряжения 51В.

Посчитаем ток из формулы (2):
Получаем ток =(220-51)*2,2/3,18=117мА. 51В*117мА=6Вт светодиодной мощности (66,7мВт на каждый светодиод-33% от номинала) - расчётная мощность светильника. Собираем, включаем. РАБОТАЕТ!

Но без защитного стекла или пластикового рассеивателя подобные лампочки использовать нельзя. Все светодиоды под фазой, в рабочем режиме касаться нельзя. А теперь посмотрим, что показывают приборы. Куда ж я без них?

Прибор показал 5,95Вт.
Конечно, такую лампочку можно использовать разве что в сарае.
А у людей есть и сараи и гаражи. И туда тоже надо что-то вкручивать (деревенский вариант, объясню почему). Летом часто езжу в деревню. А в деревне напряжение больше 200В не поднимается, бывает и ниже. А теперь посчитаем мощность нашей лампочки при 180В в сети. Всё по той же формуле сначала найдём ток, который течёт через светодиоды. Только вместо 220В в формуле поставим 180В. Итого 110мА*51В=5,6Вт. Как видим, мощность почти не изменилась. А вот лампочки накаливания при таком напряжении ели коптят.
Вариант с гаражом. В гараже наоборот, лампочки не успеваю менять – минимум 240В. Посчитаем ток и мощность при 260В, всё по той же формуле. Имеем: 145мА*51В=7,4Вт (41% от максимальной мощности). До перегорания слишком далеко. Вывод: и при 180В будет светить и при260В не перегорит.
А теперь попробую оценить качественные характеристики света. Попробовал осветить стену

Светит очень ярко, тёплым приятным светом, ярче чем лампа накаливания на 60Вт (снимок ниже). Можете сравнить яркость и цветовой тон. Всё снималось в одинаковых условиях, на одном и том же расстоянии от стены.

Мощность лампы накаливания я тоже измерил для чистоты эксперимента, тем же прибором при тех же условиях.
Лампа накаливания – 56,5Вт.
Светодиодная лампа – 5, 95Вт.
Обе лампочки вставлял по очереди в настольный светильник с отражателем. Вы его видели.

Теперь вырезка из последнего моего обзора. Правда, добавил измерения.

Вырезка из обзора Про диоды 1W LED Bulbs High power

При помощи этих светодиодов решил переделать светильник.

Лампочки уже испортились, а новые идут невысокого качества.

Светильник решил подключить через кондёры, большАя мощность мне не нужна, а электронный драйвер приберегу для чего-нибудь более стоящего. А вот и схема.

Все диоды соединяю последовательно.

Плату для драйвера тоже изготовил из того, что было (по-быстрому)

Даже штырь для крепления был. Дроссель убирать не стал. Оставил для веса, иначе лампа будет падать.

Сделал по всем правилам электробезопасности. Ни одного элемента под напряжением наружу не выходит. Плата закреплена печатными проводниками внутрь.
Посчитаем мощность получившейся лампочки. Сначала по формуле (2) найдём ток через светодиоды при ёмкости балласта 3,2мкФ. (220-18)*3,2/3,18=203,2мА. 203,2мА*18В=3,66Вт – расчётная мощность (при напряжении в сети 220В).
Смотрим на прибор

Прибор показывает 3,78Вт. Но ведь и в розетке 232В, а не 220В. Погрешность минимальна.
И, как обычно, посмотрим как светит.

Это светит лампочка на 40Вт. Естественно, все лампочки в равных условиях (выдержка на ручнике, расстояние до стены одинаковое).

Это мой светодиодный светильник. Фотоэкспонометр подсказывает, что светит ярче сороковки.

Ну и наконец третий прибор, где их (кондёры) можно применить. Много лет пользовался самодельной зарядкой.

Дополнительная информация

В ней тоже стоит токовый драйвер на конденсаторах.

Сделана была задолго до того, как я получил кондёры и диоды из Китая. Поэтому все детали отечественные.

Схема стандартная, как в китайских лампочках.

Именно для этой зарядки я и вывел формулу для расчёта ёмкости балласта. Так что, если кто хочет, может сам рассчитать и ток и время заряда с другими конденсаторами в балласте.

А теперь попытаемся подытожить. Постараюсь выделить все плюсы и минусы подобных схем.
-Во время работы КАТЕГОРИЧЕСКИ нельзя касаться элементов схемы, они под фазой.
-Невозможно достичь высоких токов свечения светодиодов, т.к при этом необходимы конденсаторы больших размеров.
-Большие пульсации светового потока частотой 100Гц, требуют больших фильтрующих ёмкостей на выходе.
+Схема очень проста, не требует особых навыков при изготовлении.
+Не требует особых материальных затрат при изготовлении. Большинство деталей можно найти в любом сарае или гараже (старые телевизоры и т.д.).
+Незаменимы как начальный светодиодный опыт, как первый шаг в освоении светодиодного освещения.
Я написал своё видение, свое отношение к подобным схемам, Оно может отличаться от вашего. Но я его высказал. А вывод как всегда делать вам.
На этом всё. Больше к подробному разбору подобных схем возвращаться не буду. Измусолил их от и до.
А в конце для тех, кто отслеживает треки.

Среди радиолюбителей сейчас весьма популярны сетевые блоки питания, в которых роль балластного элемента выполняет конденсатор. Выбор конденсатора для этой цели имеет некоторые особенности, и их необходимо учитывать. Основной параметр здесь - допустимое значение амплитуды напряжения частотой 50 Гц.

Как известно, номинальным напряжением конденсатора, предназначенного для применения в радиоэлектронной аппаратуре, называют значение наибольшего постоянного напряжения, при котором конденсатор надежно работает в течение установленного срока службы. При работе конденсатора в цепях переменного тока амплитуда переменного напряжения на нем должна быть всегда меньше (в крайнем случае равна) номинального напряжения, а насколько меньше - зависит всецело от типа конденсатора. Так, например, для конденсатора МБГО на номинальное напряжение 630 В допустимая амплитуда переменного напряжения частотой 50 Гц равна 126 В , а для МБМ на напряжение 1000 В - 250 В .

Надежность балластного конденсатора бестрансформаторного блока питания может быть обеспечена при условии, что значение допустимой для конденсатора амплитуды переменного напряжения больше амплитуды напряжения сети. Если действующее значение напряжения равно 220 В, то амплитудное будет

На указанные в таблице характеристики наложен ряд ограничений.

Во-первых, верхняя граница допустимой амплитуды переменного напряжения выбрана равной 630 В. Больший запас по амплитуде не прибавит блоку надежности, а габариты увеличит значительно. Во-вторых, для емкости установлена нижняя граница - 0,22 мкФ. Выбранный емкостный интервал удовлетворяет большинству практических случаев. Третье ограничение - наибольшая масса 60 г; оно комментариев не требует.

И наконец, в-четвертых, в таблицу внесено не менее трех номиналов однотипных конденсаторов, соответствующих первым трем ограничениям.

Таблица обеспечивает выбор номинала емкости, номинального напряжения и типа балластного конденсатора для бестрансформаторного устройства, рассчитанного на подключение к сети 200 В, 50 Гц и на потребляемый ток 12...100 мА. Ток может быть увеличен параллельным соединением двухтрех конденсаторов.

По таблице возможно сравнение нескольких вариантов выбора из конденсаторов различных типов емкости, близкой к расчетной. Сравнение проводят по знаку и значению отклонения емкости от расчетного значения, запасу электрической прочности изоляции, а также по массе и объему конденсаторов. Объем рассчитан по линейным размерам конденсаторов. Коэффициент запаса по электрической прочности равен отношению допустимой для конденсатора амплитуды напряжения с частотой 50 Гц к амплитуде напряжения сети.

Для внесенных в таблицу типов конденсаторов некоторые значения емкости остались за ее рамками. Направление поиска в справочнике отсутствующих значений емкости в таблице показаны отточиями.

В силу наложенных ограничений некоторые типы конденсаторов не вошли в таблицу. Среди них - МБГЧ, К42-19, К75-10 и К78-2, справочные характеристики которых не соответствуют третьему и четвертому ограничениям. Найти подходящий среди этих конденсаторов можно по справочнику с учетом первого ограничения.

Литература

Электрические конденсаторы и конденсаторные установки. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 495.
Справочник по электрическим конденсаторам. - М.: Радио и связь, 1983, с. 168.
Бирюков С. Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором. - Радио, 1997, № 5, с. 48 - 50.

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 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 , 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 ? 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.

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.

Андрей Повный

Статьи по теме