Вредоносное ПО (malware) - это назойливые или опасные программы,...
| Напряжение цепи,Ua |
| Частота цепи, f |
| Ёмкость понижающего конденсатора,C |
| Напряжение нагрузки,Ub |
| Ток, протекающий через нагрузку,I |
| Мощность нагрузки,P |
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:
| Полученные параметры понижающего конденсатора |
Собрался делать освещение на дача. По прикидкам получалась необходимая мощность для ламп накаливания примерно 300 - 400 Вт. Решил делать на светодиодах это и экономия и приобщение к новым технологиям. Было заказано 4 шт. светодиодных матриц на 20 Вт «теплого» цвета, с расчетом использовать на мощность в 1,5 - 2 раза меньше (на случай если есть «китайская погрешность» на заявленную мощность).
Данные матриц от продавца:
Входное напряжение: 30-34Vdc
Мощность: 20 Вт
Световой поток: 1600LM
Продолжительность времени:> 50,000 часов
Размер: 4.7*4.7 см
Трек отслеживался только по Китаю, доставка около месяца. Пришли в такой упаковке.
.
Сами матрицы выглядят так
Прежде чем переходить к схеме несколько слов о параметрах матриц, что я определил опытным путем.
На небольшом токе светятся неравномерно.
С увеличением тока разница незаметна.
Заявленные 20 Вт матрица достигает при примерно 36 В, что несколько выше заявленных же 34 В. Параметры у всех матриц мало отличаются. Ток довольно сильно зависит от температуры. Так с 20 градусов при фиксированном напряжении с начальным током 400 мА до 60 гр. ток меняется на 90 мА.
Измерения проводились фотодиодом ФД-24К. Результат, естественно, в относительных единицах. Получается, что увеличение тока в два раза не дает увеличение интенсивности в два раза, а немного меньше.
Перейдем теперь к схеме. Подобные схемы тут обсуждалась и не раз. Для примера приведу одну ссылку , найти другие думаю не составит труда. Чем же меня привлекла такая схема, это простотой реализации, надежностью и отсутствием помех. Кроме того все основные компоненты были у меня под рукой… много лет.
Четыре матрицы планирую включать последовательно.
Вот схема, так сказать, «а-ля натюрель».
Да, детали довольно древние, но вполне рабочие. К выбору конденсаторов С1 и С2 надо подойти внимательно, важно не только рабочее напряжение, но и тангенс угла диэлектрических потерь, т. к. реактивная мощность в схеме может достигать 150 Вт. Наверно можно использовать пусковые конденсаторы для асинхронных двигателей. Я использовал конденсаторы типа МБГО и нагрева не обнаружил.
Известные недостатки таких схем:
1. Гальваническая связь с электросетью.
2. Отсутствие стабилизации тока
3. Опасность выхода из строя электролита C3 если в цепи светодиодов произойдет обрыв.
4. Большие габариты по сравнению с импульсным ИП.
Разберем эти пункты.
По первому пункту,
проблема решается надежной изоляцией, как и в большинстве бытовых приборов. Есть опасность только при наладке, но что тут налаживать? :) В любом случае надо соблюдать технику безопасности!
По второму пункту
, наличие довольно большого балласта уже играет роль стабилизатора тока. Кроме того, в моей схеме еще включены две лампочки, которые имеют нелинейное сопротивление и выполняют роль дополнительного стабилизатора тока (и еще предохранителя). Были проведены испытания светодиодной матрицы на на начальном токе 400 мА. При изменении температуры от 20 градусов до 60, ток увеличился менее чем на 5 мА. Остается проблема нестабильности напряжения электросети (а значит и тока), которую в такой простой схеме не решить.
По третьему пункту
, если использовать конденсатор на напряжение 150 В, т. к. сами матрицы будут играть роль стабилизатора на напряжение примерно 140 В, но надо параллельно ставить мощный стабилитрон на напряжение 150 В для защиты от обрыва. Стабилитрону тоже нужен радиатор. Я же просто использовал конденсатор на 350 В, что сняло все эти проблемы.
По четвертому
, габариты для моих целей это не принципиально. Планирую поместить в размер 10x8x5 см.
Еще несколько комментариев. В схеме использован электролит на довольно большую емкость - 800 мкФ это сделано для уменьшения пульсаций. Для примера приведу график тока с этой емкостью. График получен в программе симуляторе , т. к. осциллографа под рукой нет. Вопрос, как хорошо соответствуют используемые мной в симуляторе светодиоды реальным, остается открытым. В оправдание могу сказать, что по постоянному току, я соответствия добился с точность процентов 10.
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
В статье приводится методика расчета емкости гасящего конденсатора и напряжения но его выводах в цепи активной нагрузки, в частности паяльника, которая позволяет существенно сократить объем вычислений,сведя их до минимума, что упрощает расчеты и сокращает время , необходимое для выбора гасящего конденсатора требуемой емкости и соответствующего номинального напряжения.
В приведенном материале предлагается методика расчета емкости конденсатора и напряжения на нем при его последовательном включении с паяльником, причем рассматриваются два варианта. В первом варианте необходимо уменьшить мощность паяльника на требуемую величину с помощью гасящего конденсатора, а во втором - включить низковольтный паяльник в сеть 220 В, погасив излишек напряжения конденсатором.
Осуществление первого варианта (рис.1) предполагает два вычисления с исходными данными (ток, потребляемый паяльником из сети I и сопротивление паяльника R1), затем два промежуточных вычисления (ток, потребляемый паяльником при меньшей его мощности на требуемую величину II и емкостное сопротивление конденсатора Rc) и, наконец, два последних вычисления, которые дают искомые
рис.1
величины емкость конденсатора С на частоте 50 Гц и напряжение на выводах конденсатора Uc). Таким образом, для решения задачи по первому варианту необходимо осуществить 6 вычислений.
По второму варианту (рис.2), чтобы решить задачу, необходимо произвести с исходными данными два вычисления, как и в первом варианте, а именно: найти ток
I, потребляемый паяльником из сети, и сопротивление паяльника R, затем следует одно промежуточное вычисление, из которого, как и в первом варианте, находится емкостное сопротивление конденсатора Rc и, наконец, два последних вычисления, из которых определяют емкость конденсатора С при частоте 50 Гц и на-
рис.2
пряжение на выводах конденсатора Uc. Таким образом, для решения задачи по второму варианту необходимо осуществить пять вычислений.
Решение задач по обоим вариантам требует определенных затрат во времени. Методика не позволяет сразу в одно действие, минуя исходные и промежуточные расчеты, определить емкость гасящего конденсатора и соответственно напряжение на его выводах.
Удалось найти выражения, которые позволяют сразу в одно действие вычислить емкость гасящего конденсатора, а затем напряжение на его выводах для первого варианта. Подобным образом получено выражение для определения емкости гасящего конденсатора для второго варианта.
Вариант 1. Располагаем паяльником 100 Вт 220 В и желаем эксплуатировать его при мощности 60 Вт, используя при этом последовательно включенный с ним гасящий конденсатор. Исходные данные: номинальная мощность паяльника Р = 100 Вт; номинальное напряжение сети U = 220 В; требуемая мощность паяльника Р1 = 60 Вт. Требуется вычислить емкость конденсатора и напряжение на его выводах согласно рис.1. Формула для расчета емкости гасящего конденсатора имеет вид:
С = Р∙10 6 /2πf 1 U 2 (P/P 1 - 1) 0,5 (мкФ).
При частоте питающей сети = 50 Гц формула принимает вид:
С =3184,71 Р/U 2 (Р/Р 1 - 1) 0,5 =
3184,71-100 /220 2 (100/60-1)=8,06 мкФ.
В контрольном примере емкость конденсатора равняется 8,1 мкФ, т.е. имеем полное совпадение результата. Напряжение на выводах конденсатора равно
Uс = (РР 1) 0,5 ∙10 6 /2πf 1 СU (В).
При частоте сети f 1 = 50 Гц формула упрощается:
Uc = 3184,71 (PP 1) 0,5 /CU =
3184,71(60∙100) 0,5 /8,06 220 =
139,1 В.
В контрольном примере Uc = 138 В, т.е. практическое совпадение результата. Таким образом, для решения задачи по первому варианту вместо шести вычислений нужно сделать всего два (без промежуточных расчетов). При необходимости емкостное сопротивление конденсатора можно сразу вычислить по формуле:
Rc = U 2 (P/P, - 1) 0,5 /Р =
220 2 (100/60 - 1) 0,5 /100 = 395,2 Ом.
В контрольном примере Rc = 394 Ом, т.е. практическое совпадение.
Вариант 2. Располагаем паяльником мощностью 25 Вт, напряжением 42 В и хотим включить его в сеть 220 В. Необходимо рассчитать емкость гасящего конденсатора, последовательно включенного в цепь паяльника, и напряжение на его выводах согласно рис.2. Исходные данные: номинальная емкость паяльника Р = 25 Вт; номинальное напряжение Ur = 42 В; напряжение сети U = 220 В. Формула для расчета емкости конденсатора имеет вид:
С = Р∙10 6 /2πf 1 Ur(U 2 - Ur 2) 0,5 мкФ.
При частоте сети f 1 = 50 Гц формула принимает вид:
С = 3184,71 P/Ur(U 2 - Ur 2) 0,5 =
3184,71 -25/42(220 2 - 42 2) =
8,77 мкФ.
Напряжение на выводах конденсатора легко определить, пользуясь исходными данными, по теореме Пифагора:
Uc = (U 2 - Ur 2) 0,5 = (220 2 - 42 2) =
216 В.
Таким образом, для решения задачи по второму варианту вместо пяти вычислений необходимо осуществить только два. При необходимости величину емкостного сопротивления конденсатора, для данного варианта, можно определить по формуле:
Rc = Ur(U 2 - Ur 2) 0,5 /P =
42(220 2 - 42 2)/25 = 362,88 Ом.
По контрольному примеру Rc = 363 Ом. Гасящий конденсатор С на приведенных рисунках желательно зашунтировать разрядным резистором МЛТ-0,5 номиналом 300...500 кОм.
Выводы. Предлагаемая методика расчета емкости гасящего конденсатора и напряжения на его выводах позволяет существенно сократить объем вычислений, сведя их до минимума.
К. В. Коломойцев.
Журнал "Радио", номер 4, 1999г.
Материал подготовил: А. Трифонов г. С.-Петербург
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
Выбор конденсатора начинают с расчета его емкости. Для этого следует пользоваться методикой, изложенной в . Затем требуемый типономинал конденсатора определяют по справочникам. В содержатся характеристики конденсаторов более трехсот типов, имеющих тысячи сочетаний емкости и напряжения.
Обширность исходной информации затрудняет выбор подходящего типономинала балластного конденсатора. Исключить вероятные ошибки и ускорить выбор балластного конденсатора, его номинального напряжения, а также значения емкости, ближайшего к расчетному, поможет представленная здесь таблица.
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
1. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 495.
2. Справочник по электрическим конденсаторам. - М.: Радио и связь, 1983, с. 168.
3. Бирюков С. Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором. - Радио, 1997, # 5, с. 48 - 50.
