Блок питания на конденсаторе: Конденсаторное питание | Электроника для всех

Конденсаторное питание | Электроника для всех

Что то часто меня стали спрашивать как подключить микроконтроллер или какую низковольтную схему напрямую в 220 не используя трансформатор. Желание вполне очевидное — трансформатор, пусть даже и импульсный, весьма громоздок. И запихать его, например, в схему управления люстрой размещенной прям в выключателе не получится при всем желании. Разве что нишу в стене выдолбить, но это же не наш метод!

Тем не менее простое и очень компактное решение есть — это делитель на конденсаторе.

Правда конденсаторные блоки питания не имеют развязки от сети, поэтому если вдруг в нем что нибудь перегорит, или пойдет не так, то он запросто может долбануть тебя током, или сжечь твою квартиру, ну а комп угробить это вообще за милое дело, в общем технику безопасности тут надо чтить как никогда — она расписана в конце статьи. В общем, если я тебя не убедил что бестрансформаторные блоки питания это зло — то сам себе злой Буратино, я тут не причем.

Ну ладно, ближе к теме.

Помните обычный резистивный делитель?

Казалось бы, в чем проблема, выбрал нужные номиналы и получил искомое напряжение. Потом выпрямил и Profit. Но не все так просто — такой делитель может и сможет дать нужное напряжение, но вот совершенно не даст нужный ток. Т.к. сопротивления сильно велики. А если сопротивления пропорционально уменьшать, то через них насквозь пойдет большой ток, что при напряжении в 220 вольт даст очень большие тепловые потери — резисторы будут греть как печка и в итоге либо выйдут из строя, либо пожар устроят.

Все меняется если один из резисторов заменить на конденсатор. Суть в чем — как вы помните из статьи про конденсаторы, напряжение и ток на конденсаторе не совпадают по фазе. Т.е. когда напряжение в максимуме — ток минимален, и наоборот.

Так как у нас напряжение переменное, то конденсатор будет постоянно разряжаться и заряжаться, а особенность разряда-заряда конденсатора в том, что когда у него максимальный ток (в момент заряда), то минимальное напряжение и наборот. Когда он уже зарядился и напруга на нем максимальная, то ток равен нулю. Соответственно, при таком раскладе, мощность тепловых потерь, выделяемая на конденсаторе (P=U*I) будет минимальной. Т.е. он даже не вспотеет. А рективное сопротивление конденсатора Xc=-1/(2pi*f*C).

Теоретическое отступление

В цепи бывают три вида сопротивлений:

Активное — резистор (R)
Реактивное — конденсатор (X_с) и катушка(X_L)
Полное же сопротивление цепи (импенданс) Z=(R²+(X_L+X_с)²)^1/2

Да, чистые активные и реактивные элементы бывают только в теории. Например, у катушки есть индуктивное сопротивление — витки, активное сопротивление — сопротивление проволки и емкостное сопротивление — паразитные конденсаторы образующиеся между витками катушки.
Даже обычный проводник имеет какую то паразитную емкость и индуктивность.

Активное сопротивление всегда постоянно, а реактивное зависит от частоты.
X_L=2pi*f * L
Xc=-1/(2pi*f*C)
Знак реактивного сопротивления элемента указывает на его характер. Т.е. если больше нуля, то это индуктивные свойства, если меньше нуля то емкостные. Из этого следует, что индуктивность можно скомпенсировать емкостью и наоборот.

f — частота тока.

Соответственно, на постоянном токе при f=0 и X_L катушки становится равен 0 и катушка превращается в обычный кусок провода с одним лишь активным сопротивлением, а Xc конденсатора при этом уходит в бесконечность, превращая его в обрыв.

Эта зависимость от частоты также показывает почему в высокочастотных устройствах простые, казалось бы, дорожки печатной платы начинают вести себя как детали — а просто из за возросшей частоты их паразитные значения реактивных сопротивлений возрастают до ощутимых величин.

Получается у нас вот такая вот схема:

Теперь надо что-то сделать с тем, что у нас переменка. Не велика проблема — добавим парочку диодов (можно, конечно, и диодный мост, будет эффективней, но с двумя диодами проще) диоды должны быть на ток около ампера, не меньше. И чтобы обратное напряжение было вольт на 500. 1N4007, например, или похожий по параметрам:

Все, в одну сторону ток течет через один диод, в другую через второй. В итоге, в правой части цепи у нас уже не переменка, а пульсирующий ток — одна полуволна синусоиды.

Добавим сглаживающий конденсатор, чтобы сделать напряжение поспокойней, микрофарад на 100 и вольт на 25, электролит:

Но есть тут одна заковыка — у нас напряжение на нагрузке зависит от сопротивления нагрузки. Т.е. если у тебя схема, включенная вместо Rн снизила потребление тока, то соответственно напряжение на ней вырастет. А для всякой нежной электроники это черевато.

Лечится стабилитроном на нужное нам напряжение. Питать мы собираемся микроконтроллер, так что на 5 вольт:

В принципе уже готово, единственно что надо поставить стабилитрон на такой ток, чтобы он не сдох когда нагрузки нет вообще, ведь тогда отдуваться за всех придется ему, протаскивая весь ток который может дать БП.

А можно ему помочь слегонца. Поставить резистор токоограничительный. Правда это сильно снизит нагрузочную способность блока питания, но нам хватит и этого.

Ток который эта схема может отдать можно, ЕМНИП, примерно вычислить по формуле:

I = 2F * C (1.41U — Uвых/2).

• F — частота питающей сети. У нас 50гц.
• С — емкость
• U — напряжение в розетке
• Uвых — выходное напряжение

Сама формула выводится из жутких интегралов от формы тока и напряжения. В принципе можешь сам ее нагуглить по кейворду «гасящий конденсатор расчет», материала предостаточно.

В нашем случае получается что I = 100 * 0.46E-6 (1.41*U — Uвых/2) = 15мА

Не феерия, но для работы МК+TSOP+оптоинтерфейс какой- нибудь более чем достаточно. А большего обычно и не требуется.

Еще добавить парочку кондеров для дополнительной фильтрации питания и можно использовать:

Еще добавил резюк на 43ом 1Вт, чтобы кондер при втыкании кондер заряжался не так быстро и не было броска тока. На печатке он здоровый такой, возле разьема.

Печатная плата простая и вопросов по ее разводке под другую форму корпуса ни у кого не возникнет. Я же ее тут сделал просто для примера, поэтому не смотрите на ее большие размеры. Я не мельчил:

Как всегда, прикладываю LAY файл.

После чего, как обычно, все вытравил и спаял:

Схема многократно проверена и работает. Я ее когда то пихал в систему управления нагревом термостекла. Места там было со спичечный коробок, а безопасность гарантировалась тотальной остекловкой всего блока.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

В данной схеме нет никакой развязки по напряжению от питающей цепи, а значит схема ОЧЕНЬ ОПАСНА в плане электрической безопасности.

Поэтому надо крайне ответственно подходить к ее монтажу и выбору компонентов. А также внимательно и очень осторожно обращаться с ней при наладке.

Во первых, обратите внимание, что один из выводов идет к GND напрямую из розетки. А это значит что там может быть фаза, в зависимости от того как воткнули вилку в розетку.

Поэтому неукоснительно соблюдайте ряд правил:

• 1. Номиналы надо ставить с запасом на как можно большее напряжение. Особенно это касается конденсатора. У меня стоит на 400вольт, но это тот что был в наличии. Лучше бы вообще вольт на 600, т.к. в электросети иногда бывают выбросы напряжения намного превышающие номинал. Стандартные блоки питания за счет своей инерционности его переживут запросто, а вот конденсатор может и пробить — последствия представьте себе сами. Хорошо если не будет пожара.
• 2. Эта схема должна быть тщательным образом заизолирована от окружающей среды. Надежный корпус, чтобы ничего не торчало наружу. Если схема монтируется в стену, то она не должна касаться стен. В общем, пакуем все это дело наглухо в пластик, остекловываем и закапываем на глубине 20метров. :)))))
• 3. При наладке ни в коем случае не лезть руками ни к одному из элементов цепи. Пусть вас не успокаивает что там на выходе 5 вольт. Так как пять вольт там исключительно относительно самой себя. А вот по отношению к окружающей среде там все те же 220.
• 4. После отключения крайне желательно разрядить гасящий конденсатор. Т.к. в нем остается заряд вольт на 100-200 и если неосторожно сунуться куда нибудь не туда больно цапнет за палец. Вряд ли смертельно, но приятного мало, а от неожиданности можно и бед натворить.
• 5. Если используется микроконтроллер , то прошивку его делать ТОЛЬКО при полном выключении из сети. Причем выключать надо выдергиванием из розетки. Если этого не сделать, то с вероятностью близкой к 100% будет убит комп. Причем скорей всего весь.
• 6. То же касается и связи с компом. При таком питании запрещено подключаться через USART, запрещено обьединять земли.

Если все же хотите связь с компом, то используйте потенциально разделенные интерфейсы. Например, радиоканал, инфракрасную передачу, на худой конец разделение RS232 оптронами на две независимые части.

В общем, я настоятельно НЕ РЕКОМЕНДУЮ пользоваться такой схемой включения. И если можно от нее избавиться, то от нее нужно избавиться. Перейдя на традиционные схемы блоков питания с развязкой от сети.

Ну и, как обычно, видеосьемка процесса запуска девайса от розетки через такой вот БП:

Offtop:
Для троллей я заготовил много вкусной еды — энджой!

Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания.

. Обзоры товаров из Китая. Блок питания с гасящим конденсатором представляет собой простейший вариант запитать какое нибудь маломощное устройство.

При всей своей простоте он имеет и два минуса:
1. Он гальванически связан с сетью! потому такие БП используются там, где нет вероятности прикосновения к контактам.
2. Такой Бп имеет не очень большой выходной ток. При увеличении выходного тока надо увеличивать емкость гасящего конденсатора и его габариты становятся существенными.

Внимание, будьте очень аккуратны, не прикасайтесь к контактам этого БП когда он включен.

Простейшая схема данного БП выглядит так:

Как можно увидеть из схемы, последовательно с сетью стоит конденсатор. Он то и является балластом,, на котором гасится часть напряжения.
Конденсатор не пропускает постоянный ток, но так как в сети переменный и конденсатор в итоге постоянно перезаряжется, то и получается, что в таком случае ток на выходе есть. Причем сила тока напрямую зависит от емкости конденсатора.

Собственно потому для расчета емкости конденсатора необходимо знать как минимум выходной ток нашего будущего БП, причем надо учесть и потребление стабилизатора, обычно это несколько мА.

И так. Есть две формулы, сложная и простая.
Сложная — подходит для расчета при произвольном выходном напряжении.
Простая — подходит в ситуациях, когда выходное напряжение не более 10% от входного.
I — выходной ток нашего БП
Uвх — напряжение сети, например 220 Вольт
Uвых — напряжение на выходе БП (или до стабилизаторе если такой есть), например 12 Вольт.
С — собственно искомая емкость.

Например я хочу сделать БП с выходным током до 150мА. Пример схемы приведен выше, вариант применения — радиопульт с питанием 5 Вольт + реле на 12 Вольт.
Подставляем наши 0.15 Ампера и получаем емкость 2.18мкФ, можно взять ближайший номинал из стандартных — 2,2мкФ, ну или «по импортному» — 225.

Все как бы вроде хорошо, схема простая, но есть несколько минусов, которые надо исключить:
1. Бросок тока при включении может сжечь диодный мост.
2. При выходе из строя конденсатора может быть КЗ
3. Если оставить как есть, то вполне можно получить разряд от входного конденсатора, так как на нем может долго присутствовать напряжение даже после отключения БП от сети.
4. При снятии нагрузки напряжение на конденсаторе до стабилизатора поднимется до довольно большого значения.

Решения:
1. Резистор R1 последовательно с конденсатором
2. Предохранитель 0.5 Ампера.
3. Резистор R2 параллельно конденсатору.
4. Супрессор на 12 Вольт параллельно конденсатору после диодного моста. Я не рекомендую здесь использовать стабилитроны, супрессоры рассчитаны на большую мощность рассеивания и схема будет работать надежнее.

На схеме красным цветом я выделил новые компоненты, синим — небольшое дополнение в виде светодиода.

Но гасящие конденсаторы используют часто и в дешевых светодиодных лампах. Это плохо, так как у таких ламп меньше надежность и часто высокие пульсации света.
Ниже упрощенный вариант схемы такой лампы.

Попробуем рассчитать емкость для такого применения, но так как напряжение на выходе будет явно больше чем 1/10 от входного, то применим первую формулу.
В качестве выходного напряжения я заложил 48 Вольт, 16 светодиодов по 3 Вольта на каждом. Конечно это все условно, но близко к реальности.
Ток — 20мА, типичный максимальный ток для большинства индикаторных светодиодов.

У меня вышло, что необходим конденсатор емкостью 0.298 мкФ. Ближайший из распространенных номиналов — 0.27 или 0.33мкФ. Первый встречается гораздо реже, а второй уже будет давать превышение тока, потому можно составить конденсатор из двух параллельных, например по 0.15мкФ. При параллельном включении емкость складывается.

С емкостью разобрались, осталось еще пара моментов:
1. Напряжение конденсатора
2. Тип конденсатора.

С напряжением все просто, можно применить конденсатор на 400 Вольт, но надежнее на 630, хоть они и имеют больше размер.

С типом чуть сложнее. Для такого применения лучше использовать конденсаторы, которые изначально предназначены для такого использования, например К73-17, CL21, X2
На фото конденсатор CL21

А это более надежный вариант, не смотрите что на нем указано 280 Вольт, у него это значение переменного действующего напряжения и он будет работать надежнее, чем К73-17 или CL21.

Такие конденсаторы могут выглядеть и так

А вот теперь можно еще раз внимательно посмотреть, что надо для того, чтобы собрать такой «простой» блок питания и решить, нужен ли он.
В некоторых ситуациях да, он поможет, но он имеет кучу минусов, потому на мой взгляд лучше применить просто небольшой импульсный блок питания, который уже имеет стабилизированное выходное напряжение, гальваническую изоляцию и больший выходной ток.
Как пример таких блоков питания я могу дать ссылку на подробный обзор четырех вариантов, с тестами, схемами и осмотров.

Но можно поступить еще лучше. Сейчас получили распространение монолитные блоки питания. По сути кубик, в котором находится миниатюрный БП
Например HLK-PM01 производства Hi-link, стоимостью около двух долларов за штуку.

Или их китайский аналог TSP-05 производства Tenstar robot. Они немного дешевле, 1.93 доллара за штуку.
Практика показала, что качество у них сопоставимое.

Как я писал выше, они представляют из себя импульсный Бп в модульном исполнении. БП в пластмассовом корпусе залитый эпоксидной смолой.
Выпускаются на разные напряжения и способны поддерживать его на довольно стабильном уровне.

Внутренности поближе, на фото вариант от Hi-link

На этом вроде все. Надеюсь, что статья была полезна, постараюсь и в будущем находить интересные темы. Также интересны пожелания, что хотелось бы видеть в рубрике — Начинающим.

Заметки обо всем. Простые и опасные источники питания / Хабр

О чем эта статья

В этой статье рассказано о принципах построения простейших бестрансформаторных источников питания. Тема не новая, но, как показал опыт, не всем известная и понятная. И даже, некоторым, интересная.

Прошу желающих и интересующихся читать, критиковать, уточнять и дополнять на почту [email protected] или на мой сайт в раздел «Контакты».

Вступление

Не так давно один мой знакомый влез пальцами в некую схему, которую собирался починить (проводок отвалился — так что просто припаять его надо было на место). И его ударило током. Не сильно ударило, но ему хватило, чтобы удивиться: «как так — тут микроконтроллер стоит, что тут может стукнуть? Он же от 5 вольт питается!».

Его удивление быстро разъяснилось: схема оказалась с бестрансформаторным питанием и без гальванической развязки от сети.

Далее последовали вопросы уже в мою сторону. Сводились они к двум вещам: «А чё? Так можно делать?!» и «А как оно работает?».

Хотя я и не считаю себя экспертом в электронике, но делать подобные блоки питания мне приходилось. Так что пришлось взять ручку и листок и объяснить как оно работает. Благо это совсем не сложно.

Возможно, что и вам покажется интересной тема «бестрансформаторных» источников питания или, сокращённо, БИП. Кому-то для общего развития, а кому-то и для практического применения.

Источники питания от бытовой сети переменного тока

Сразу предупреждаю: я намеренно не коснусь тут импульсных источников питания. Это тема для другого разговора.

Вообще говоря, функции источника питания низковольтной электронной аппаратуры обычно состоят в следующем: обеспечить на выходе источника питания заданное напряжение при заданном диапазоне потребляемого тока. То есть, если выразиться формально, источник питания — это источник постоянного напряжения Uвых, который сохраняет Uвых=const при изменении потребляемого тока от Imin до Imax.

В «классическом» линейном источнике питания это происходит обычно так: входное сетевое напряжение понижается с помощью трансформатора, затем это напряжение выпрямляется и, наконец, стабилизируется с помощью линейного стабилизатора.

Структурная схема «классического» линейного источника питания показана на рисунке ниже. Одной из самых «неудобных» деталей такого источника питания является трансформатор: он дорогой и громоздкий.

Поэтому, радиолюбители и радиопрофессионалы искали способы — как отказаться от этот громоздкой и дорогой детали — трансформатора или хотя бы уменьшить его габариты и стоимость.

И такое решение нашлось: стали использовать реактивное сопротивление конденсатора Rc для того, чтобы «гасить» лишнее напряжение. Структурная схема «бестрансформаторного» источника питания (БИП) показана ниже.

Как видим, структура БИП почти не отличается от классического линейного источника питания. Разве что вместо трансформатора поставили гасящий конденсатор. Пусть вас не смущает и не обманывает сходство структуры этих источников питания на рисунке: внутри отличий масса.

Достоинства БИП: он относительно компактен, надёжен, дёшев, не боится короткого замыкания по выходу.

Но есть и существенные недостатки: он опасен с точки зрения прикосновения человека к элементам питаемого устройства. Да и максимальный ток, который может обеспечить такой источник питания — всего несколько сот миллиампер. При большем токе габариты конденсаторов велики и проще поставить трансформатор или вообще поставить импульсник.

Исходя из достоинств и недостатков БИП, область его применения — это хорошо изолированные маломощные устройства с питанием от бытовой электрической сети: одиноко стоящие датчики, устройства управления освещением, устройства включения вентиляции и обогрева и другие устройства малой мощности, работающие автономно.

Попробуем понять — как работает реальная схема БИП и как её рассчитать.

Теория практики и практика теории

Пример простейшей практической схемы

Так как раньше, до появления дешёвых «импульсников»,

БИП

были наверное самым доступным способом уменьшить габариты и цену источника питания, то схем

БИП

в книгах и интернете — вагон и маленькая тележка. Но принцип работы почти у всех схем примерно одинаковый: один или несколько гасящих конденсаторов на входе, выпрямитель и выходной стабилизатор постоянного напряжения.

Давайте рассмотрим одну из простейших рабочих схем БИП, что показана на рисунке ниже.

Сразу видны все основные части схемы: гасящий конденсатор С1; двухполупериодный выпрямитель — диодный мост VD1 и сглаживающий конденсатор C2; стабилизатор напряжения — стабилитрон VS1; и, наконец, нагрузка — питаемое от источника устройство Rн.

Забудем о «лишних элементах» или «основная формула БИП»

Для простоты забудем пока о существовании резисторов

R1

и

R2

: будем считать, что

R2

отсутствует вообще, а

R1

заменён на перемычку. Для всех расчётов это не существенно, а о назначении этих резисторов мы поговорим позже. То есть, временно, схема для нас будет выглядеть так, как на следующем рисунке.

Переменный ток сети питания, ограниченный гасящим конденсатором С1, протекает через точки 1 и 2 диодного моста VD1.

Постоянный ток, получаемый после выпрямления переменного диодным мостом VD1, протекает через стабилитрон и «нагрузку» Rн — питаемое устройство.

На схеме показано, как протекают все токи: Ic — переменный ток сети, Iн — постоянный ток нагрузки и Iст — постоянный ток стабилитрона.

Хоть я и написал «постоянный» и «переменный» токи — на самом деле это один и тот же ток. Просто диодный мост заставляет его течь через стабилитрон и нагрузку всегда в одну и ту же сторону.

Если считать, что мы измеряем действующее значение тока , то можно записать основную формулу работы нашей схемы БИП:

Это следует из первого закона Кирхгофа, который гласит, что сумма втекающих в любой узел токов равна сумме вытекающих из него токов и по сути является частной формулировкой закона сохранения массы/энергии.

Из этой формулы следует простой, но важный вывод: при неизменном напряжении сети , ток, потребляемый от питающей сети практически не изменяется при изменении сопротивления Rн в рабочем диапазоне токов — это ключевое отличие БИП от линейного источника питания с трансформатором.

Несмотря на то, что блок-схемы источников питания, приведённые в начале статьи очень похожи — работают очень по-разному: понижающий трансформатор в первой блок-схеме является источником напряжения, а гасящий конденсатор во второй блок-схеме является источником тока!

Но вернёмся к нашей схеме. Из последней формулы становится также ясно, что схема стабилизатора по сути является делителем тока между нагрузкой

Rн

и стабилитроном

VS1

.

Если нагрузку Rн оторвать совсем — то весь ток потечёт через стабилитрон. Если нагрузку Rн «закоротить» — весь ток потечёт через нагрузку, в обход стабилитрона.

А вот «отрывать» стабилитрон VS1 от схемы ни в коем случае нельзя! Если его оторвать, то все сетевое напряжение может податься на нагрузку Rн. Последствия будут, скорее всего, печальные.

Когда педантичность не нужна

В любом варианте — от полного отключения

Rн

до его «закоротки» — ток

Ic

, текущий через гасящий конденсатор

C1

будет примерно равен

; где

— напряжение сети, а

— сопротивление конденсатора

С1

.

Педанты и прочие любители точности могут меня упрекнуть, дескать я не учёл напряжение на диодном мосту (между точками 1 и 2). Поэтому напряжение на конденсаторе C1 будет несколько меньше, чем — напряжение в розетке.

Разумеется, строго формально, товарищи педанты будут правы. Но смею заметить, что если нагрузка у нас — маломощное устройство с питанием 5В или 12В, а напряжение «в розетке» около 220В, то падением напряжения на нагрузке можно смело пренебречь: разница в «точных» и «приблизительных» расчётах будет не более нескольких процентов.

Что такое сопротивление гасящего конденсатора ? Это реактивное сопротивление конденсатора: оно зависит от частоты напряжения, подаваемого на конденсатор и вычисляется по формуле: , где f — частота напряжения в Герцах, а С — ёмкость конденсатора в Фарадах. Так как частота сети у нас фиксирована и составляет 50Гц, то для инженерных расчётов можно использовать формулу: , откуда . Для педантов опять-таки напоминаю, что ёмкость конденсатора всегда имеет погрешность в несколько процентов (обычно — 5%-15%), поэтому точнее считать смысла не имеет.

Исходя из вышеприведённых формул, можно вычислить ёмкость конденсатора C1: . Напряжение сети нам известно. А ток можно посчитать, зная максимальный ток нагрузки и минимальный ток стабилизации стабилитрона VS1 (это справочный параметр).

Это теория. Попробую описать что-то вроде методики расчёта БИП «на пальцах».

Нужен ли нам БИП вообще?

Для начала решим вопрос — а надо ли вообще использовать в конкретном случае

БИП

?

Если ток нагрузки Rн больше 0.3-0.5А, то лучше БИП не использовать: мороки много, а выигрыша по габаритам и стоимости обычно мизер или нет вообще. Также обычно не стоит полагаться на БИП, если напряжение питания устройства больше, чем 24-27В. И не стоит забывать о безопасности!

Предположим, что нам надо питать простенькую схему на микроконтроллере, которая кушает умеренный ток миллиампер этак 100 при умеренном напряжении 3-6В. Схема изолирована и поэтому безопасна.

Как прикинуть ёмкость С1 и выбрать стабилитрон VS1?

Прежде всего, необходимо уточнить максимальный ток нагрузки

Iнmax

: рассчитать или измерить.

Затем, надо залезть в справочник и найти там стабилитрон. Да не абы какой, а на нужное напряжение Uвых.

При поиске стабилитрона надо учитывать, что его максимальный ток стабилизации Iстmax должен быть не меньше, чем (Iстmin+Iнmax). Почему так? Да чтобы, если вы оторвали нагрузку Rн, стабилитрон не сгорел. И наоборот — если нагрузка потребляет максимальный ток, то через стабилитрон течёт минимальный ток стабилизации Iстmin. Практически надо выбирать стабилитрон, чтобы его максимальный ток стабилизации Iстmax был больше, чем сумма токов (Iстmin+Iнmax) как минимум на 20%. Не забывайте, что в сети далеко не всегда 220В. Может быть и 250В запросто. Поэтому запас по току — не излишество, а разумная предосторожность.

Далее рассчитываем ёмкость гасящего конденсатора С1. Его реактивное сопротивление будет равно примерно: , а его ёмкость, соответственно, равна для сетевого напряжения с частотой 50Гц.

Не забывайте, что предельно допустимое напряжение конденсатора С1 должно быть не меньше 400В для бытовой сети в 220В. И, разумеется, конденсатор С1 не должен быть электролитическим: он работает в сети переменного тока.

Собственно, это самое важное — подбор стабилитрона и расчёт ёмкости конденсатора.

Тем, кому не ясно, что такое Iстmax и Iстmin, поясню подробнее.

Максимальный ток стабилизации стабилитрона Iстmax — это такой ток через стабилитрон, при превышении которого, стабилитрон выходит из строя.

Минимальный ток стабилизации стабилитрона Iстmin — это такой минимальный ток через стабилитрон, при котором напряжение на стабилитроне соответствует паспортным характеристикам.

То есть стабилитрон должен работать в таких условиях, что ток стабилизации Iст, протекающий через него, лежит в диапазоне .

Значения Iстmin и Iстmax для конкретного стабилитрона можно найти в справочнике и они всегда указаны в описании стабилитрона.

Итак, ещё раз, по пунктам, о том как рассчитать C1 и выбрать стабилитрон VS1.

• Определяем напряжение нагрузки Uвых. Оно нам, как правило, известно.
• Определяем максимальный ток нагрузки Iнmax. Можно измерить или рассчитать.
• Лезем в справочник и ищем стабилитрон на напряжение Uвых, такой, что выполняется условие . (0.8 — потому что мы хотим 20% запаса по току).
• Рассчитываем ёмкость гасящего конденсатора С1 по формуле

Пример расчёта

Предположим, что напряжение питания нагрузки будет

Uвых=5В

и максимальный ток потребления нагрузки будет

Iнmax=100мА

.

Лезем в справочник и находим там такой стабилитрон: КС447А. Напряжение стабилизации около 5В. Iстmin=3мА, Iстmax=160мА.

Проверяем. Неравенство — выполняется, значит стабилитрон подходит по току.

Рассчитываем конденсатор С1: . Не забываем, что для бытовой сети 220В конденсатор С1 должен быть на напряжение 400В.

Фильтр или конденсатор С2

Диодный мост, как известно, не даёт выпрямленного напряжения: на его выходе напряжение пульсирующее.

Чтобы сгладить пульсации применяется фильтрующий конденсатор С2. Как рассчитать его ёмкость?

Как обычно, можно применить два метода — точный и упрощённый. Точный метод учитывает, что конденсатор разряжается по экспоненте и прочие нюансы. Но помня о том, что конденсаторы выбрать точно на нужную ёмкость нельзя (разброс ёмкости в 10-15% это норма), мы допустим некоторые упрощения, которые на результат практически не повлияют.

Чтобы понять, как рассчитать ёмкость конденсатора С2, вспомним, что такое выпрямитель. Посмотрим на рисунок ниже. Примерно так выглядят графики зависимости напряжений от времени в нашей схеме, использующей в качестве выпрямителя диодный мост.

Синяя линяя, обозначенная цифрой 1 — это переменное напряжение на входе диодного моста (точки 1 и 2 на схеме БИП).

Красная линия, обозначенная цифрой 2 — это напряжение на стабилитроне VS1, в отсутствие сглаживающего конденсатора С2 или пульсирующее напряжение (представим, что С2 временно «откусили» от схемы). И, наконец, зелёная линия, обозначенная цифрой 3 — это сглаженное выпрямленное напряжение, когда конденсатор С2 подключён.

Нефильтрованное (пульсирующее) напряжение на выходе выпрямителя (линия 2) по амплитуде чуть меньше, чем напряжение на входе выпрямителя (линия 1). Это объясняется просто: на диодах падает несколько десятых долей вольта.

Зелёная линия 3 показывает процесс заряда и разряда конденсатора С2. Максимальное напряжение, на которое способен зарядиться в нашей схеме — это напряжение на стабилитроне VS1. Затем конденсатор начинает разряжаться до тех пор, пока в следующем периоде не начнёт заряжаться вновь.

Амплитуда пульсаций — это напряжение, на которое успел разрядиться конденсатор С2 за один период пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя (линия 2).

Посчитать приближенно амплитуду пульсаций несложно, если принять ток разряда за константу — это будет максимальный ток потребления нагрузки Rн, который мы обозначили Iнmax.

По основной формуле конденсатора можно приблизительно посчитать, что: , где — это амплитуда пульсаций, a — период времени один период пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя (линия 2).

На рисунке наглядно видно, что период равен половине периода напряжения питающей сети, или , где f — частота напряжения питающей сети (50Гц).

Таким образом, подставив одну формулу в другую, получим: или .

Теперь самое сложное — выбрать, а какая же амплитуда пульсаций нас устроит? Если в нагрузке есть свой линейный стабилизатор, то в принципе достаточно, чтобы амплитуда пульсаций была на уровне 10-20%. Например, часто в самой нагрузке Rн есть какой-то стабилизатор — 7805 или AMS1117 или ещё что-то подобное.

Если же предполагается питать цифровую схему прямо от нашего БИП без дополнительной стабилизации — то коэффициент пульсаций более 5% лучше не задавать.

Предположим, что схема у нас питается от 5В и имеет максимальный ток потребления 100мА. Коэффициент пульсаций задан 5%. Это значит, что будет равна 5% от 5В или 0.25В. Частота сети — 50Гц.

Отсюда находим ёмкость конденсатора С2 — . Нехилая такая ёмкость! Тем более, что ближайшая бОльшая ёмкость 4700мкФ. Это довольно габаритный конденсатор даже на напряжение 10В.

Если же схема имеет внутри линейный стабилизатор, например AMS1117, то уровень пульсаций можно выбрать в 20%, при этом ёмкость конденсатора С2 будет всего около 1000мкФ.

Резисторы R1 и R2 — нужные и важные

Вернёмся к резисторам

R1

и

R2

, о которых мы временно забыли.

С резистором R2 всё просто — он нужен для безопасности человека. То есть для того, чтобы конденсатор C1 разряжался после отключения схемы от питания. Иначе, если R2 не поставить, то конденсатор C1 будет довольно долго сохранять свой заряд после отключения питания от схемы. И если к нему прикоснуться — то вас ударит током. Очень неприятно. Резистор R2 можно не рассчитывать, а просто поставить любой сопротивлением 0.5 — 1 МОм. При таком сопротивлении ток через этот резистор будет мизерным и на работу схемы не повлияет.

С резистором R1 все сложнее. В процессе работы БИП он вроде бы не нужен. И это действительно так.

Но есть ещё момент включения БИП в сеть. И если в этот момент напряжение сети близко к амплитудному значению — то схема может сгореть. Даже почти наверняка сгорит.

Дело в том, что в момент включения, конденсатор С1 разряжен. А разряженный конденсатор на какое-то время (пока достаточно не зарядится) является по сути проводником. То есть все сетевое напряжение окажется на диодном мосту, нагрузке, стабилитроне и токи при этом будут просто огромны.

Поэтому и ставят резистор R1, функция которого — ограничить ток в момент включения. Например, если поставить R1 сопротивлением всего 10 Ом, то ток включения будет ограничен в самом худшем случае величиной около 30А. А такой ток в течении нескольких микросекунд уже вполне под силу выдержать большинству стабилитронов, не говоря уж о выпрямительных диодах диодного моста.

Обычно этот резистор так выбирают в пределах 10-30 Ом. Только имейте ввиду, что его мощность должна быть не меньше, чем . Например, если общий ток, потребления схемы 150мА, то мощность резистора R1 сопротивлением 27 Ом должна быть не менее .

Рекомендуется ставить резистор R1 не «впритык» по мощности, а с запасом. Например, в нашем случае — это 1.5 — 2Вт. Греться будет меньше.

Кроме того, заметьте, что резисторы R1 и R2 должны быть рассчитаны на пиковое напряжение не менее 400В: напряжение сети в момент включения полностью подается на R1, в рабочем режиме почти все напряжение сети подается на R2, подключенный параллельно конденсатору C1.

Заключение

Надеюсь, что после прочтения, у читателей появилось понимание, что такое БИП и как оно работает.

Статья получилась несколько длиннее того, что хотелось бы. Но на самом деле тут рассмотрены только азы из азов. Если расписывать дальнейшие модификации БИП — то выйдет, наверное, брошюра или даже книга.

Прошу извинить за некоторые неточности и упрощения, которые, несомненно, бросятся в глаза опытным электронщикам.

Те, кто увидит ошибки или что-то, что стоит исправить и дополнить в разумных пределах — прошу не стесняться и писать в комментарии, на почту [email protected] или на мой
сайт в раздел «Контакты».

Заранее спасибо за отклики.

Принцип работы бестрансформаторного блока питания на гасящем конденсаторе SW19.ru

Не для кого не секрет, что источник вторичного электропитания является неотъемлемой частью любого прибора. В данной статье я постараюсь описать довольно распространенный тип источников питания — бестрансформаторные на гасящем конденсаторе.

Основными достоинствами его являются малые габариты, дешевизна и простота устройства, именно по этому его часто используют например, в терморегуляторах тёплого пола, блоках управления бытовыми холодильниками, блоках дистанционного управления люстрами, базы электрочайников с сенсорным управлением и подобных малогабаритных устройствах с сетевым питанием. Не смотря на все положительные качества есть и недостатки, пожалуй самый большой из которых это отсутствие гальванической развязки с питающей сетью и невысокий ток нагрузки.

Отсутствие гальванической развязки требует от мастера повышенного внимания при ремонте и наладке схемы!

Для начала рассмотрим типовую схему такого источника

Это самый стандартный вариант, встречающийся в 80% случаев, в остальных 20% могут присутствовать изменения которые не меняют принципа диагностики и ремонта.

Назначение элементов схемы:

-> Резистор(R1) является токоограничивающим, он ограничивает ток заряда конденсатора в момент включения в сеть т.к. разряженный конденсатор имеет низкое сопротивление, а следовательно потребляет значительный ток, так же в некоторых схемах он используется разрывной и одновременно служит плавким предохранителем
-> Конденсатор (С1) является основным элементом схемы. За счет своего реактивного сопротивления он гасит излишний ток. Напряжение же получается лишь тогда, когда появляется нагрузка, его величина подчиняется закону ома.
-> Резистор(R2) – разряжающий. Он служит для того чтобы разрядить конденсатор, иначе при отключении от сети вилка устройства будет биться током, во многих схемах не имеющих разъемных соединений, например в термостате теплого пола, датчиках движения его не ставят.
-> Диодный мост(Br1) служит для выпрямления тока, в целях экономии его часто заменяют на однополупериодный выпрямитель состоящий из одного диода.
-> Конденсатор(С2) необходим для сглаживания пульсаций выпрямленного тока.
-> Стабилитрон(D1) стабилизирует напряжение. Т.к. конденсатор ограничивает ток, то напряжение в отсутствии нагрузки было бы равно сетевому, а так же при изменении тока нагрузки скакало в широких пределах, стабилитрон же является постоянной нагрузкой в цепи и не позволяет напряжению превышать определенный порог, равный его напряжению стабилизации

Самая частая неисправность с которой подобные устройства заходят на ремонт «Не включается, не светится» и подобные выражения, которые сообщает клиент мастеру.
При данных признаках в большинстве случаев происходит пробой стабилитрона, т.к. он «сдерживает» напряжение при изменении нагрузки или скачках напряжения в сети, а в отсутствии нагрузки вся выработанная мощность БП рассеивается на нем в виде тепла.

С такой проблемой был принят в ремонт термостат тёплого пола Electrolux

Подключаем к питанию, проводим замеры питающего напряжения. Удобнее и быстрее всего произвести замер в очевидных точках, если есть микросхемы, на питающих выводах, на сглаживающем конденсаторе, и т. д.

Когда выяснено, что проблема с питающими линиями, более детально осматриваем цепи питания и воспроизводим схему питания устройства

Данная схема очень типичная, кроме наличия 2 стабилитронов, включенных последовательно, Это необходимо для питания напряжением 12В цепей управления и 17В для запитки реле.(Реле в этом регуляторе используется на 24В, выбранное производителем пониженное напряжение 17В позволяет реле уверенно срабатывать и при этом иметь минимальный нагрев)

Диагностируется данная проблема просто: Находим стабилитрон и мультиметром в режиме прозвонки производим измерение на его выводах При исправном стабилитроне на экране прибора будет какое либо значение много больше нуля, при не исправном раздастся писк свидетельствующий о коротком замыкании.
Если при диагностике обнаружен перегоревший плавкий предохранитель, то в первую очередь проверяем сам гасящий конденсатор на пробой.

Далее удаляем стабилитрон и прозваниваем без него. Короткое скорее всего пропадёт.

Так же, чтобы убедиться проверяем стабилитрон.

А далее заменяем его на исправный, если есть следы свидетельствующие о перегреве (потемнение платы) то заменяем его на стабилитрон с большей мощностью рассеяния или заменяем на включенные параллельно с выравнивающими резисторами

Далее проверяем результат нашего ремонта
При включении в сеть загорелся светодиод «Нагрев» и отчетливо слышен щелчок реле.

Расчет бестрансформаторного блока питания

радиоликбез

Расчет бестрансформаторного блока питания

Некоторые радиолюбители при конструировании сетевых блоков питания вместо понижающих трансформаторов применяют конденсаторы в качестве балластных, гасящих излишек напряжения (рис.1).

 

Неполярный конденсатор, включенный в цепь переменного тока, ведет себя как сопротивление, но, в отличие от резистора, не рассеивает поглощаемую мощность в виде тепла, что позволяет сконструировать компактный блок питания, легкий и дешевый. Емкостное сопротивление конденсатора при частоте f описывается выражением:

Величина емкости балластного конденсатора Cб определяется с достаточной точностью по формуле:

где U_c — напряжение сети, В;

I_Н — ток нагрузки, А;

U_H — напряжение на нагрузке, В. Если U_H находится в пределах от 10 до 20 В, то для расчета вполне приемлемо выражение:

Подставив значения U_c=220 В и U_H=15 В, при I_н=0,5 А получим значения Сб=7,28 мкФ (1) и Сб=7,27 мкФ (2). Для обоих выражений получается весьма приличное совпадение, особенно если учесть, что емкость обычно округляют до ближайшего большего значения. Конденсаторы лучше подбирать из серии К73-17 с рабочим напряжением не ниже 300 В.

Используя эту схему, всегда нужно помнить, что она гальванически связана с сетью, и вы рискуете попасть под удар электрическим током с потенциалом сетевого напряжения. Кроме того, к устройству с бес-трансформа-торным питанием следует очень осторожно подключать измерительную аппаратуру или какие-нибудь дополнительные устройства, иначе можно получить совсем не праздничный фейерверк.

Для питания даже маломощных устройств лучше все-таки применять понижающие трансформаторы. Если напряжение его вторичной обмотки не соответствует требуемому (превышает), то вполне безопасно применить гасящий конденсатор в цепи первичной обмотки трансформатора для снижения напряжения или для включения трансформатора с низковольтной первичной обмоткой в сеть (рис.2) Балластный конденсатор в этом случае подбирается из расчета, чтобы при максимальном токе нагрузки выходное напряжение трансформатора соответствовало заданному.

Литература

1. Бирюков С.А. Устройства на микросхемах. — М., 2000.

И.СЕМЕНОВ,

г.Дубна Московской обл.

Читайте также: Источники питания

 

Блок питания с гасящим конденсатором « схемопедия

Использование конденсаторов для понижения напряжения, подаваемого в нагрузку от осветительной сети, имеет давнюю историю. В 50-е годы радиолюбители широк применяли в бестрансформаторных источниках питания радиоприемников конденсаторы, которые включали последовательно в цепь нитей накала радиоламп. Это позволяло устранить гасящий резистор, являющийся источником тепла и нагрева всей конструкции. В последнее время заметен возврат интереса к источникам питания с гасящим конденсатором. Присущий всем без исключения подобным устройствам недостаток – повышенная опасность из-за гальванической связи выхода с электрической сетью – ясно осознается, но допускается в расчете на грамотность и аккуратность пользователя. Однако эти сдерживающие факторы недостаточны, чтобы уберечь от беды, отчего бестрансформаторные устройства могут иметь лишь весьма ограниченное применение.

Здесь может представлять компромисный вариант источника, обеспечивающего электробезопасность, с гасящим конденсатором и простым, доступным начинающему радиолюбителю трансформатором. Таким трансформатор получится, если напряжение на его первичноу обмотке ограничить значением около 30 В. Для этого достаточно 600…650 витков сравнительно толстого, удобного при намотке провода; ради упрощения, можно для обеих обьоток использовать один и тот же провод. Излишек напряжения здесь примет на себя конденсатор, включенный последовательно с первичной обмоткой (конденсатор должен быть рассчитан на номинальное напряжение не менее 400 В). По такому принципу можно организовать питание низковольтных нагрузок с током в первичной цепи (с учетом небольшого коэффициента трансформации) до 0,5 А.

На рисунке представлена схема подобного устройства, подходящего для работы с гирляндой из светодиодов настольной мини-елочки или для аудио-плейера.

Включение светодоидов (8…10 штук) производится параллельно; при этом устраняется обычная путаница проводов, их легче сделать незаметнымы в “хвое” ствола и веточек. Трансформатор можно собрать на магнитопроводе Ш12х16. Для намотки подойдет провод ПЭВ-1 d=0,16 мм; число витков первичной и вторичной обмоток – 600 и 120…140 соответственно. Изготовить такой трансформатор труда не составляет.

Электрическую прочность не менее 2 кВ обеспечит изоляционная прокладка между обмотками из лавсановой пленки толщиной 0,1 мм или конденсаторной бумаги. Для того, чтобы устройство не вышло из строя при отключении нагрузки, к выходу моста VD1 – VD4 следует подключить стабилитрон Д815Г. В нормальном режиме он не работает, поскольку имеет минимальное напряжение стабилизации выше рабочего на выходе моста. Предохранитель FU1 защищает трансформатор и стабилизатор при пробое конденсатора С1. Для ограничения тока при подключении блока питания к сети последовательно с С1 необходимо включить резистор сопротивлением несколько сотен Ом, а для расрядки конденсатора после отключения – параллельно ему резистор несколько сотен кОм. В цепи последовательно соединенных емкостного (конденсатор С1) и индуктивного сопротивлений (трансформатор Т1) может возникать резонанс напряжения. Об этом следует помнить при конструировании подобных источников питания.

Бестрансформаторный блок питания с гасящим конденсатором. Бестрансформаторное питание. Принцип работы. Ч.1

Для любых радиоэлектронных схем требуются источники питания . И если одно устройство может работать непосредственно от сети то для других необходимы другие напряжения: для цифровых микросхем как правило +5V (для ТТЛ логики) или +7..9V (для КМОП технологий).
Кстати, что это такое: ТТЛ и КМОП можно почитать
Для различных игрушек требуется обычно +5…12V. для питания светодиодов +3..+5V, для усилителей вообще многообразно..

В общем так или иначе возникает вопрос о изготовлении источника питания , причем не просто источника а такого чтобы он отвечал соответствующим требованиям: необходимые напряжение и ток на выходе, наличие защиты и так далее.

Источникам питания у нас посвящен отдельная категория, которая так и называется Источники питания (материалы в категории), здесь-же мы рассмотрим самый простейший вариант бестрансформаторного источника питания для простых изделий, который можно изготовить буквально за пару минут. Вот его схема:

Конечно мощность такого источника невелика и его можно использовать лишь для самых простых схем, но самое главное то что он стабилизированный.

Именно «+», микросхемы для отрицательного напряжения имеют маркировку 79XX.

На схеме указанной выше выходное напряжение составляет +5V (по типу примененной КРЕНки), но при необходимости его можно и изменить установив другую микросхему.
Только вот при этом потребуется обратить внимание и на стабилитрон на входе: его нужно выбирать таким чтобы напряжение на входе и выходе КРЕН имело разницу минимум в 2V.

Ну это еще не все: даже используя микросхему со стандартным выходным напряжением все равно при необходимости можно напряжение на выходе немного изменять (например получить 7,5V или 6,5). Для этого к микросхеме необходимо добавить дополнительный цепи из диодов или стабилитронов и как это сделать можно почитать .

Даже такой простой источник питания можно немного «умощнить», то есть добиться более высокого тока в нагрузке. Но тогда потребуется введение дополнительных балластных резисторов на входе. Так, к примеру, вот схема бестрансформаторного источника питания с выходным напряжением +12V

Когда мы имеем дело с устройствами, которые работают от источника питания с малым напряжением, у нас обычно есть несколько вариантов как их запитать. Помимо простых, но дорогих и громоздких трансформаторов можно использовать бестрансформаторный блок питания .

Например, можно получить 5 вольт из 220 вольт с применением гасящего резистора или используя реактивное сопротивление конденсатора. Однако, такое решение, подходит только для устройств, которые имеют очень малый ток потребления. Если нам нужен больший ток, например, для питания светодиодной цепи, то здесь мы столкнемся с ограничением по производительности.

Если какое-либо устройство потребляет большой ток и принципиально необходимо запитать его от сети 220 вольт, то есть одно оригинальное решение. Оно состоит в использовании для питания только части синусоиды во время ее роста и падения, т.е. в тот момент, когда напряжение сети будет равным или меньше, требуемого значения.

Описание работы бестрансформаторного блока питания

Особенность схемы заключается в управление моментом открытия транзистора MOSFET — VT2 (IRF830). Если текущее значение входного сетевого напряжения ниже, чем напряжение стабилизации стабилитрона VD5 минус падение напряжения на резисторе R3, то транзистор VT1 будет закрыт. Благодаря этому через резистор R4 идет положительное напряжение на транзистор VT2, в результате чего он находится в открытом состоянии.

Через транзистор VT2 в данный момент протекает ток и текущее значение сетевого напряжения заряжается конденсатор С2. Конечно, напряжение в сети падает до нуля, поэтому необходимо в цепь включить диод VD7, который препятствует разряду конденсатора обратно в схему блока питания.

Когда входное напряжение сети превышает пороговое, проходящий через стабилитрон VD5 ток приводит к открытию транзистора VТ1. Транзистор своим коллектором шунтирует затвор транзистора VT2, в результате VТ2 закрывается. Таким образом, конденсатор С2 заряжается только необходимым напряжением.

Мощный транзистор VТ2 открывается только при низком напряжении, так что его общая рассеивающая мощность в схеме очень мала. Безусловно, стабильность работы блока питания зависит от управляющего напряжения стабилитрона, поэтому, например, если мы хотим питать схему с микроконтроллером, то выход необходимо дополнить небольшим .

Резистор R1 защищает цепь и уменьшает скачок напряжения при первом включении. Стабилитрон VD6 ограничивает максимальное напряжение на управляющем электроде транзистора VT2 в районе 15 вольт. Естественно при переключении транзистора VТ2 возникают электромагнитные помехи. Чтобы избежать передач помех в электросеть, во входной цепи используется простой LC фильтр, состоящий из L1 и С1 компонентов.

Статьи мы с вами начали знакомиться с искусством врачевания компьютерных блоков питания. Продолжим же это увлекательно дело и посмотрим внимательно на высоковольтную их часть.

Проверка высоковольтной части блока питания

После осмотра платы и восстановления паек следует проверить мультиметром (в режиме измерения сопротивления) предохранитель.

Надеюсь, вы хорошо уяснили и запомнили правила техники безопасности , изложенные ранее!

Если он перегорел, то это свидетельствует, как правило, о неисправностях в высоковольтной части.

Чаще всего неисправность предохранителя видна (если стеклянный) визуально: он внутри «грязный» («грязь» — это испарившаяся свинцовая нить).

Иногда стеклянная трубка разлетается на куски.

В этом случае надо проверить (тем же тестером) исправность высоковольтных диодов, силовых ключевых транзисторов и силового транзистора источника дежурного напряжения. Силовые транзисторы высоковольтной части находятся, как правило, на общем радиаторе.

При сгоревшем предохранителе нередко выводы коллектор-эмиттер «звонятся» накоротко, и удостовериться в этом можно и не выпаивая транзистор. С полевыми же транзисторами дело обстоит несколько сложнее.

Как проверять полевые и биполярные транзисторы, можно почитать и .

Высоковольтная часть находится в той части платы, где расположены высоковольтные конденсаторы (они больше по объему, чем низковольтные). На этих конденсаторах указывается их емкость (330 – 820 мкФ) и рабочее напряжение (200 – 400 В).

Пусть вас не удивляет, что рабочее напряжение может быть равным 200 В. В большинстве схем эти конденсаторы включены последовательно, так что их общее рабочее напряжение будет равным 400 В. Но существуют и схемы с одним конденсатором на рабочее напряжение 400 В (или даже больше).

Нередко бывает, что вместе с силовыми элементами выходят из строя электролитические конденсаторы – как низковольтные, так и высоковольтные (высоковольтные – реже).

В большинстве случаев это видно явно – конденсаторы вздуваются, верхняя крышка их лопается.

В наиболее тяжелых случаях из них вытекает электролит. Лопается она не просто так, а по местам, где ее толщина меньше.

Это сделано специально, чтобы обойтись «малой кровью». Раньше так не делали, и конденсатор при взрыве разбрасывал свои внутренности далеко вокруг. А монолитной алюминиевой оболочкой можно было и сильно в лоб получить.

Все такие конденсаторы надо заменить аналогичными. Следы электролита на плате следует тщательно удалить.

Электролитические конденсаторы блока питания и ESR

Напоминаем, что в блоках питания используются специальные низковольтные конденсаторы с низким ESR (эквивалентным последовательным сопротивлением, ЭПС).

Подобные устанавливают и на материнских платах компьютеров.

Узнать их можно по маркировке.

Например, конденсатор с низким ESR фирмы «СapXon» имеет маркировку «LZ». У «обычного» конденсатора букв LZ нет. Каждой фирмой выпускается большое количество различных типов конденсаторов. Точное значение ESR конкретного типа конденсатора можно узнать на сайте фирмы-производителя.

Производители блоков питания часто экономят на конденсаторах, ставя обычные, у которых ЭПС выше (и стоят они дешевле). Иногда даже пишут на корпусах конденсаторов «Low ESR» (низкое ЭПС).

Это обман, и такие лучше конденсаторы лучше сразу заменить .

В наиболее тяжелом режиме работают конденсаторы фильтра по шинам +3,3 В, +5 В, +12 В, так как по ним циркулируют большие токи.

Встречаются еще «подлые» случаи, когда со временем подсыхает конденсаторы небольшой емкости в источнике дежурного напряжения. При этом их емкость падает, а ESR растет.

Или емкость падает незначительно, а ESR растет сильно. При этом никаких внешних изменений формы может и не быть, так как их габариты и емкость невелики.

Это может привести к тому, что изменится величина напряжения дежурного источника. Если оно будет меньше нормы, основной инвертор блока питания вообще не включится.

Если оно будет больше, компьютер будет сбоить и «подвисать», так как часть компонентов материнской платы находится под именно этим напряжением.

Емкость можно измерить .

Впрочем, большинство тестеров может измерять емкости только до 20 мкФ, чего явно недостаточно .

Отметим, что ESR измерить штатным тестером невозможно.

Нужен специальный измеритель ESR!

У конденсаторов большой емкости ESR может иметь величину десятых и сотых долей Ома, у конденсаторов малой емкости – десятых долей или единиц Ом.

Если оно больше – такой конденсатор необходимо заменить.

Если такого измерителя нет, «подозрительный» конденсатор необходимо заменить новым (или заведомо исправным).

Отсюда мораль – не оставлять включенным источник дежурного напряжения в блоке питания. Чем меньшее время он будет работать, тем дольше будут подсыхать конденсаторы в нем.

Необходимо после окончания работы либо снимать напряжение выключателем фильтра, либо вынимать вилку кабеля питания из сетевой розетки.

В заключение скажем еще несколько слов

Об элементах высоковольтной части блока питания

В недорогих небольшой мощности (до 400 Вт) в качестве ключевых часто применяют силовые биполярные транзисторы 13007 или 13009 с токами коллектора соответственно 8 и 12 А и напряжением между эмиттером и коллектором 400 В.

В источнике дежурного напряжения может быть использован силовой полевой транзистор 2N60 с током стока 2А и напряжением сток-исток 600 В.

Впрочем, в качестве ключевых могут быть использованы полевые транзисторы, а в источнике дежурного режима – биполярный.

При отсутствии необходимых транзисторов их можно заменить аналогами.

Аналоги биполярных транзисторов должны иметь рабочее напряжение между эмиттером и коллектором и ток коллектора не ниже, чем у заменяемых.

Аналоги полевых транзисторов должны иметь рабочее напряжение сток-исток и ток стока не ниже, чем у заменяемого, а сопротивление открытого канала «сток-исток» не выше , чем у заменяемого.

Внимательный читатель может спросить: «А почему это сопротивление канала должно быть не выше? Ведь чем больше значения параметров, тем, как бы, лучше?»

Отвечаю – при одном и том же рабочем токе на канале с бОльшим сопротивлением будет, в соответствии с законом Джоуля-Ленца, рассеиваться бОльшая мощность. И, значит, он (т.е. и весь транзистор) будет сильнее греться.

Лишний нагрев нам ни к чему!

У нас блок питания, а не отопительный радиатор!

На этом, друзья, мы сегодня закончим. Нам осталось еще ознакомиться с лечением низковольтной части, чем мы займемся в следующей статье.

До встречи на блоге!

Устройства на микроконтроллерах требуют для своей работы постоянного стабилизированного напряжения величиной 3.3 — 5 Вольт. Как правило, такое напряжение получают из переменного сетевого напряжения с помощью трансформаторного источника питания и в простейшем случае он представляет собой следующую схему.

Понижающий трансформатор, диодный мост, сглаживающий конденсатор и линейный/импульсный стабилизатор. Дополнительно такой источник может содержать в себе предохранитель, цепи фильтрации, схему плавного включения, схему защиты от перегрузки и т.д.
Данный источник питания (при соответствующем выборе компонентов) позволяет получать большие токи и имеет гальваническую развязку от сети переменного тока, что немаловажно для безопасной работы с устройством. Однако, такой источник может иметь большие габариты, благодаря трансформатору и фильтрующим конденсаторам.
В некоторых устройствах на микроконтроллерах гальванической развязки от сети не требуется. Например, если устройство представляет собой герметичный блок, с которым конечный пользователь никак не контактирует. В этом случае, если схема потребляет относительно невысокий ток (десятки миллиампер), ее можно запитать от сети 220 В с помощью бестрансформаторного источника питания.
В этой статье мы рассмотрим принцип работы такого источника питания, последовательность его расчета и практический пример использования.

Принцип работы бестрансформаторного источника питания

Резистор R1 разряжает конденсатор C1, когда схема отключена от сети. Это нужно для того, чтобы источник питания не ударил тебя током при прикосновении к входным контактам.
При подключении источника питания к сети, разряженный конденсатор C1 представляет из себя, грубо говоря, проводник и через стабилитрон VD1 кратковременно протекает огромный ток, способный вывести его из строя. Резистор R2 ограничивает бросок тока в момент включения устройства.

«Бросок тока» в начальный момент включения схемы. Синим цветом нарисовано сетевое напряжение, красным ток потребляемый источником питания. Для наглядности график тока увеличен в несколько раз.

Если ты подключишь схему к сети в момент перехода напряжения через ноль, броска тока не будет. Но какова вероятность, что у тебя это получится?
Любой конденсатор оказывает сопротивление протеканию переменного тока. (По постоянному току конденсатор представляет собой обрыв.) Величина этого сопротивления зависит от частоты входного напряжения и емкости конденсатора и может быть вычислена по формуле. Конденсатор С1 выполняет роль балластного сопротивления, на котором будет падать большая часть входного напряжения сети.

У тебя может возникнуть резонный вопрос: а почему нельзя поставить вместо C1 обычный резистор? Можно, но на нем будет рассеиваться мощность, в результате чего он будет греться. С конденсатором этого не происходит — активная мощность выделяемая на нем за один период сетевого напряжения равна нулю. В расчетах мы коснемся этого момента.

Итак, на конденсаторе C1 упадет часть входного напряжения. (Падение напряжения на резисторе R2 можно не учитывать, так как он имеет маленькое сопротивление.) Оставшееся напряжение окажется приложенным к стабилитрону VD1.
В положительный полупериод входное напряжение будет ограничиваться стабилитроном на уровне его номинального напряжения стабилизации. В отрицательный полупериод входное напряжение будет прикладываться к стабилитрону в прямом направлении и на стабилитроне будет напряжение примерно минус 0.7 Вольт.

Естественно такое пульсирующее напряжение не годится для запитывания микроконтроллера, поэтому после стабилитрона стоит цепочка из полупроводникового диода VD2 и электролитического конденсатора C2. Когда напряжение на стабилитроне положительное, через диод VD2 протекает ток. В этот момент заряжается конденсатор C2 и запитывается нагрузка. Когда напряжение на стабилитроне падает, диод VD2 запирается и конденсатор C2 отдает запасенную энергию в нагрузку.
Напряжение на конденсаторе C2 будет колебаться (пульсировать). В положительный полупериод сетевого напряжения оно будет расти до значения Uст минус напряжение на VD2, в отрицательный полупериод падать вследствие разряда на нагрузку. Амплитуда колебаний напряжения на C2 будет зависеть от его емкости и тока потребляемого нагрузкой. Чем больше емкость конденсатора C2 и чем меньше ток нагрузки, тем меньшей величины будут эти пульсации.
Если ток нагрузки и пульсации небольшие, то после конденсатора C2 уже можно ставить нагрузку, но для устройств на микроконтроллерах лучше все-таки использовать схему со стабилизатором. Если мы правильно рассчитаем номиналы всех компонентов, то на выходе стабилизатора получим постоянное напряжение.
Схему можно улучшить, добавив в нее диодный мост. Тогда источник питания будет использовать оба полупериода входного напряжения – и положительный, и отрицательный. Это позволит при меньшей емкости конденсатора C2 получить лучшие параметры по пульсациям. Диод между стабилитроном и конденсатором из этой схеме можно исключить.

Продолжение следует…

Многие радиолюбители не считают блоки питания без трансформаторов. Но несмотря на это, они используются довольно активно. В частности, в охранных устройствах, в схемах радиоуправления люстрой, нагрузками и во многих других устройствах. В данном видеоуроке рассмотрим простую конструкцию такого выпрямителя на на 5 вольт, 40-50 мА. Однако можно изменить схему и получить практически любое напряжение.

Бестрансформаторные источники также применяются в качестве зарядных устройств и используются в запитке светодиодных светильников и в китайский фонариках.

Для радиолюбителей есть всё в этом китайском магазине .

Анализ схемы.

Рассмотрим простую схему бестрансформаторного . Напряжение от сети 220 вольт через ограничительный резистор, который одновременно выступает как предохранитель, идет на гасящий конденсатор. На выходе также сетевое напряжение, но ток многократно понижен.

Схема бестрансформаторного выпрямителя

Далее на двухполупериодный диодный выпрямитель, на его выходе получаем постоянный ток, который стабилизируется посредством стабилизатора VD5 и сглаживается конденсатором. В нашем случае конденсатор 25 В, 100 мкФ, электролитический. Ещё один небольшой конденсатор установлен параллельно питанию.

Дальше оно поступает на линейный стабилизатор напряжения. В данном случае использован линейный стабилизатор 7808. В схеме есть небольшая опечатка, выходное напряжение на самом деле приблизительно 8 В. Для чего в схеме линейный стабилизатор, стабилитрон? На линейные стабилизаторы напряжения в большинстве случаев не допускается подавать на вход напряжение выше 30 В. Поэтому в цепи нужен стабилитрон. Номинал выходного тока определяется в большей степени ёмкостью гасящего конденсатора. В данном варианте он с ёмкостью 0, 33 мкФ, с расчётным напряжением 400 В. Параллельно конденсатору установлен рарзряжающий резистор с сопротивлением 1 МОм. Номинал всех резисторов может быть 0, 25 или 0, 5 Вт. Данный резистор для того, чтобы после выключения схемы из сети конденсатор не держал остаточного напряжения, то есть разряжался.

Диодный мост можно собрать из четырех выпрямителей на 1 А. Обратное напряжение диодов должно быть не менее 400 В. Можно применить также готовые диодные сборки типа КЦ405. В справочнике нужно посмотреть допустимое обратное напряжение через диодный мост. Стабилитрон желательно на 1 Вт. Напряжение стабилизации этого стабилитрона должно быть от 6 до 30 В, не больше. Ток на выходе схемы зависит от номинала данного конденсатора. При ёмкости в 1 мкФ ток будет в районе 70 мА. Не следует увеличивать ёмкость конденсатора больше 0, 5 мкФ, поскольку довольно большой ток, конечно же, спалит стабилитрон. Данная схема хороша тем, что она малогабаритна, можно собрать из подручных средств. Но недостатком является то, что она не имеет гальванической развязки с сетью. Если вы собираетесь её применять, то обязательно в закрытом корпусе, чтобы не дотрагиваться до высоковольтных частей схемы. И, конечно же, не стоит связывать с этой схемой большие надежды, поскольку выходной ток схемы небольшой. То есть, хватит на запитку маломощный устройств, током до 50 мА. В частности, запитки светодиодов и постройки светодиодных светильников и ночников. Первый запуск обязательно делать последовательно соединённой лампочкой.

В данном варианте присутствует резистор на 300 Ом, который в случае чего выйдет из строя. У нас на плате уже нет данного резистора, поэтому добавили лампочку, которая будет чуть-чуть гореть во время работы нашей схемы. Для того, чтобы проверить выходное напряжение, будем использовать самый обыкновенный мультиметр, измеритель постоянный 20 В. Подключаем схему в сеть 220 В. Поскольку у нас есть защитная лампочка, она спасёт ситуацию, если будут какие-то проблемы в схеме. Соблюдайте предельную осторожность во время работы с высоким напряжением, поскольку всё-таки на схему поступает 220 В.

Заключение.

На выходе 4,94, то есть почти 5 В. При токе не более 40-50 мА. Отличный вариант для маломощных светодиодов. Можно запитать от данной схемы светодиодные линейки, только при этом заменить стабилизатор на 12-вольтовый, к примеру, 7812. В принципе, можно на выходе получить любое напряжение в пределах разумного. На этом всё. Не забывайте подписаться на канал и оставлять свои отзывы про дальнейшие видеоролики.

Внимание! Когда собран блок питания, важно разместить сборку в пластиковый корпус либо тщательно изолировать все контакты и провода для исключения случайного прикосновения к ним, так как схема подключена к сети 220 вольт и это повышает вероятность удара током! Соблюдайте осторожность и ТБ!

Конденсаторы

— learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 76

Примеры применения

Существует множество приложений для этого изящного маленького (на самом деле, обычно они довольно большие) пассивного компонента. Чтобы дать вам представление об их широком диапазоне использования, вот несколько примеров:

Конденсаторы развязки (байпаса)

Многие конденсаторы, которые вы видите в схемах, особенно те, которые имеют интегральную схему, развязывают.Задача развязывающего конденсатора — подавить высокочастотный шум в сигналах источника питания. Они снимают с источника напряжения крошечные колебания напряжения, которые в противном случае могли бы нанести вред чувствительным микросхемам.

В каком-то смысле развязывающие конденсаторы действуют как очень маленький локальный источник питания для микросхем (почти как источник бесперебойного питания для компьютеров). Если в источнике питания очень быстро падает напряжение (что на самом деле довольно часто, особенно когда цепь, которую он питает, постоянно переключает требования к нагрузке), разделительный конденсатор может кратковременно подавать питание с правильным напряжением.Вот почему эти конденсаторы также называются шунтирующими конденсаторами ; они могут временно действовать как источник питания, обходя источник питания.

Разделительные конденсаторы подключаются между источником питания (5 В, 3,3 В и т. Д.) И землей. Нередко использование двух или более конденсаторов разного номинала, даже разных типов, для обхода источника питания, потому что некоторые номиналы конденсаторов будут лучше, чем другие при фильтрации определенных частот шума.

На этой схеме три развязывающих конденсатора используются для уменьшения шума в источнике напряжения акселерометра.Два керамических 0,1 мкФ и один танталовый электролитический 10 мкФ разделенные функции развязки.

Хотя кажется, что это может привести к короткому замыканию между питанием и землей, только высокочастотные сигналы могут проходить через конденсатор на землю. Сигнал постоянного тока поступит на микросхему, как и нужно. Другая причина, по которой они называются шунтирующими конденсаторами, заключается в том, что высокие частоты (в диапазоне кГц-МГц) обходят ИС, а не проходят через конденсатор, чтобы добраться до земли.

При физическом размещении разделительных конденсаторов они всегда должны располагаться как можно ближе к ИС.Чем дальше они находятся, тем менее эффективны.

Вот схема физической схемы из схемы выше. Крошечная черная ИС окружена двумя конденсаторами по 0,1 мкФ (коричневые крышки) и одним электролитическим танталовым конденсатором 10 мкФ (высокая прямоугольная крышка черного / серого цвета).

Чтобы следовать хорошей инженерной практике, всегда добавляйте хотя бы один развязывающий конденсатор к каждой ИС. Обычно хорошим выбором является 0,1 мкФ или даже дополнительные конденсаторы на 1 мкФ или 10 мкФ. Это дешевое дополнение, и они помогают убедиться, что микросхема не подвергается сильным провалам или скачкам напряжения.

Фильтрация источника питания

Диодные выпрямители

могут использоваться для преобразования переменного напряжения, выходящего из вашей стены, в постоянное напряжение, необходимое для большинства электронных устройств. Но сами по себе диоды не могут превратить сигнал переменного тока в чистый сигнал постоянного тока, им нужна помощь конденсаторов! При добавлении параллельного конденсатора к мостовому выпрямителю выпрямленный сигнал выглядит следующим образом:

Может быть преобразован в сигнал постоянного тока близкого к уровню, например:

Конденсаторы — упрямые компоненты, они всегда будут пытаться противостоять резким перепадам напряжения.Конденсатор фильтра будет заряжаться по мере увеличения выпрямленного напряжения. Когда выпрямленное напряжение, поступающее в конденсатор, начинает быстро снижаться, конденсатор получит доступ к своему банку накопленной энергии, и он будет очень медленно разряжаться, передавая энергию нагрузке. Конденсатор не должен полностью разрядиться, пока входной выпрямленный сигнал не начнет снова увеличиваться, заряжая конденсатор. Этот танец разыгрывается много раз в секунду, снова и снова, пока используется источник питания.

Цепь питания переменного тока в постоянный.Крышка фильтра (C1) имеет решающее значение для сглаживания сигнала постоянного тока, посылаемого в цепь нагрузки.

Если вы разорвите любой блок питания переменного тока в постоянный, вы обязательно найдете хотя бы один довольно большой конденсатор. Ниже показаны внутренности настенного адаптера 9 В постоянного тока. Заметили там конденсаторы?

Конденсаторов может быть больше, чем вы думаете! Есть четыре электролитических крышки, похожие на жестяную банку, в диапазоне от 47 мкФ до 1000 мкФ. Большой желтый прямоугольник на переднем плане — это высоковольтный 0.Крышка из полипропиленовой пленки 1 мкФ. И синяя дискообразная крышка, и маленькая зеленая посередине — керамические.

Хранение и поставка энергии

Кажется очевидным, что если конденсатор накапливает энергию, одно из множества его применений будет подавать эту энергию в цепь, как аккумулятор. Проблема в том, что конденсаторы имеют гораздо более низкую плотность энергии , чем батареи; они просто не могут вместить столько же энергии, как химическая батарея того же размера (но этот разрыв сокращается!).

Положительным моментом конденсаторов является то, что они обычно служат дольше, чем батареи, что делает их лучшим выбором с экологической точки зрения. Они также способны выдавать энергию намного быстрее, чем аккумулятор, что делает их подходящими для приложений, которым требуется короткий, но большой всплеск мощности. Вспышка камеры может получать питание от конденсатора (который, в свою очередь, вероятно, заряжался от аккумулятора).

Батарея или конденсатор?

	Батарея	Конденсатор
Емкость	✓
Плотность энергии	✓
Скорость заряда / разряда		✓
Срок службы		✓

Фильтрация сигналов

Конденсаторы

обладают уникальной реакцией на сигналы различной частоты.Они могут блокировать низкочастотные компоненты или составляющие сигнала постоянного тока, позволяя при этом проходить более высоким частотам. Они как вышибалы в очень эксклюзивном клубе только для высоких частот.

Фильтрация сигналов может быть полезна во всех видах приложений обработки сигналов. Радиоприемники могут использовать конденсатор (среди других компонентов) для отключения нежелательных частот.

Другой пример фильтрации сигнала конденсатора — пассивные схемы кроссовера внутри громкоговорителей, которые разделяют один аудиосигнал на множество.Последовательный конденсатор блокирует низкие частоты, поэтому оставшиеся высокочастотные части сигнала могут идти на твитер динамика. При прохождении низких частот в цепи сабвуфера высокие частоты в основном могут быть шунтированы на землю через параллельный конденсатор.

Очень простой пример схемы кроссовера аудио. Конденсатор блокирует низкие частоты, а катушка индуктивности блокирует высокие частоты. Каждый из них может использоваться для доставки нужного сигнала настроенным аудиодрайверам.

Понижение рейтинга

При работе с конденсаторами важно проектировать схемы с конденсаторами, которые имеют гораздо более высокий допуск, чем потенциально самый высокий скачок напряжения в вашей системе.

Вот отличное видео от инженера SparkFun Шона о том, что происходит с различными типами конденсаторов, когда вы не можете снизить номинальные характеристики конденсаторов и превысить их максимальное напряжение. Вы можете прочитать больше о его экспериментах здесь.

---

---

← Предыдущая страница
Конденсаторы последовательно / параллельно

Электролитические конденсаторы определяют срок службы источника питания

Здравоохранение Технология Полуфабрик Промышленные Продолжительность жизни Надежность Источники питания AC-DC

Срок службы производителя важен, как и конкретное приложение.

Обзор:

• Электролитические конденсаторы в источниках питания переменного и постоянного тока имеют ограниченный срок службы.
• Производители предоставляют оценку своей вероятной долговечности, чтобы помочь покупателям выбрать наиболее подходящее решение.
• Другие переменные в различных приложениях также влияют на срок службы.
• Наш технический директор Гэри Бокок резюмирует расчеты производителя и рекомендует дополнительную проверку в процессе эксплуатации.

Электролитические конденсаторы являются важным компонентом источников питания переменного и постоянного тока. Они обеспечивают высокую емкость x напряжение (CV) и низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) в корпусах небольшого объема. Нет альтернативы, которая могла бы сделать работу рентабельно .

Определить срок службы блока питания

Срок службы этих электролитических конденсаторов становится все более важным параметром при проектировании источников питания. Требования к удельной мощности растут, и электролитические конденсаторы являются единственным изнашивающимся компонентом источника питания.Итак, тип используемого в конструкции электролитического конденсатора определяет срок службы блока питания. Он также определяет срок службы или интервал обслуживания конечного применения в обслуживаемом оборудовании.

Топология и применяемый пульсирующий ток, конструктивная схема, расчетный срок службы конденсатора, номинальная температура конденсатора и эффект местного нагрева варьируются от одного продукта к другому. Они также могут изменяться при входных условиях низкого и высокого уровня.

Эффекты внешнего нагрева могут перевесить эффекты внутреннего нагрева, особенно в современных все более компактных конструкциях.Фактический срок службы также зависит от повышения температуры, которое может произойти при установке источника питания в приложении. Профиль миссии конечного оборудования — еще один фактор, определяющий среднюю рабочую температуру в течение срока службы оборудования и количество часов использования в день.

Разработчики электролитических конденсаторов учитывают все эти факторы при определении срока службы своей продукции. Давайте посмотрим, с какими расчетами они работают.

Расчетный срок службы при номинальной температуре

Производители электролитических конденсаторов указывают расчетный срок службы при максимальной номинальной температуре окружающей среды, обычно 105 ° C.Этот расчетный срок службы может варьироваться от 1000 часов до 10000 часов и более. Чем больше расчетный срок службы, тем дольше прослужит компонент при данном применении и температуре окружающей среды.

Производители предоставляют расчеты для определения срока службы в приложении. Они основаны на уравнении Аррениуса для температурной зависимости скорости реакции. Это определяет, что скорость реакции удваивается на каждые 10 ° C повышения температуры. Это означает, что срок службы удваивается на каждые 10 ° C снижения температуры, поэтому конденсатор, рассчитанный на 5000 часов при 105 ° C, будет иметь срок службы 10 000 часов при 95 ° C и 20 000 часов при 85 ° C.

Основное уравнение приведено ниже. Кривая отображает зависимость срока службы от температуры окружающей среды.

Применяемый пульсирующий ток и частота срабатывания

Помимо температуры окружающей среды и местного нагрева, приложенные токи пульсации дополнительно нагревают сердечник конденсатора. Процессы переключения и выпрямления на входном и выходном каскадах источника питания генерируют токи пульсаций. Это вызывает рассеяние мощности внутри электролитического конденсатора.

Величина и частота этих пульсаций тока зависят от топологии, разработанной для активной коррекции коэффициента мощности (PFC), где она используется. Они также зависят от силового каскада главного преобразователя, оба они варьируются от конструкции к конструкции. Мощность, рассеиваемая внутри конденсатора, определяется среднеквадратичным током пульсаций и ESR конденсатора на приложенной частоте.

Повышение температуры сердечника компонента связано с рассеиваемой мощностью, коэффициентом излучения корпуса компонентов и коэффициентом разницы температур или крутизной от сердечника к корпусу.Эти значения определяются производителем компонентов.

Максимальный ток пульсаций, который может быть приложен к конденсатору, обычно указывается при максимальной температуре окружающей среды и частоте 100/120 Гц. Коэффициенты умножения могут применяться в зависимости от температуры окружающей среды при фактическом использовании и частоты применяемого пульсирующего тока: ESR уменьшается с увеличением частоты.

Преимущества систем охлаждения

Источники питания закрытого типа с собственными охлаждающими вентиляторами менее восприимчивы к среде конечных приложений при правильном развертывании.Температура окружающей среды должна оставаться в пределах спецификации, и должен быть достаточный зазор для охлаждения.

В приведенной ниже таблице указан расчетный срок службы конденсаторов с расчетным сроком службы 2 000 и 5 000 часов при различных температурах. Он предполагает круглосуточную работу без выходных при переводе часов работы в годы эксплуатации. Оборудование с менее интенсивным профилем миссии — например, восемь-десять часов в день, работающее пять дней в неделю — будет иметь значительно более длительный срок службы.

Другие переменные могут влиять на долговечность силовых приложений

Производители блоков питания применяют правила снижения проектных характеристик, чтобы обеспечить достаточный срок службы изделия.

Но эти правила не учитывают профиль миссии, окружающую среду, ориентацию установки, расположение, окружающее пространство, приложенную нагрузку и устройства охлаждения или вентиляции системы после того, как источник питания установлен в конечном оборудовании.

Срок службы конденсатора, особенно в среде с конвекцией или естественным охлаждением, следует дополнительно оценить в зависимости от конкретной установки.Измерять применяемые пульсирующие токи непрактично, но измерение эффективной рабочей температуры даст точную оценку срока службы. Операторы могут измерить температуру корпуса и применить уравнение Аррениуса и профиль миссии к базовому сроку службы, указанному производителем компонента.

На приведенном ниже механическом чертеже показаны компоненты, а кривые показывают ожидаемый срок службы источника питания в зависимости от температуры двух конденсаторов (C6 и C23).

Во многих технических паспортах источников питания, таких как серии XP Power GCS, указаны ключевые компоненты, определяющие срок службы продукта. Сюда входят те, которые нуждаются в оконечном оборудовании для обеспечения внешнего охлаждения, и те, которые предназначены для систем с конвекционным охлаждением. Эта информация, наряду с данными об операционной среде приложения, помогает разработчикам системы более точно определять срок службы источника питания в конечном приложении.

РЕЗЮМЕ: для точного прогнозирования срока службы источника питания важно оценить его в вашем конкретном приложении, используя точки измерения и данные, предоставленные производителем, и применяя профиль миссии для конечного оборудования на основе средней температуры и использования в день .

Основное руководство по источникам питания — , независимо от того, разрабатываете ли вы источник питания переменного тока в постоянный или преобразователь постоянного тока.Вся необходимая информация в одном простом справочнике.

Расчет резистора и конденсатора в бестрансформаторных источниках питания

В этом посте объясняется, как рассчитать номиналы резисторов и конденсаторов в цепях бестрансформаторных источников питания с использованием простых формул, таких как закон сопротивления.

Анализ емкостного источника питания

Прежде чем мы изучим формулу для расчета и оптимизации значений резистора и конденсатора в бестрансформаторном источнике питания, важно сначала подвести итог стандартной конструкции бестрансформаторного источника питания.

Ссылаясь на схему, различным задействованным компонентам назначаются следующие конкретные функции:

C1 — неполярный высоковольтный конденсатор, который вводится для снижения смертельного сетевого тока до желаемых пределов в соответствии со спецификацией нагрузки. Таким образом, этот компонент становится чрезвычайно важным из-за назначенной функции ограничения сетевого тока.

D1 – D4 сконфигурированы как мостовой выпрямитель для выпрямления пониженного переменного тока из C1, чтобы сделать выход подходящим для любой предполагаемой нагрузки постоянного тока.

Z1 предназначен для стабилизации выхода до требуемых безопасных пределов напряжения.

C2 устанавливается для фильтрации любых пульсаций постоянного тока и создания идеально чистого постоянного тока для подключенной нагрузки.

R2 может быть дополнительным, но рекомендуется для устранения скачков напряжения при включении от сети, хотя предпочтительно этот компонент необходимо заменить термистором NTC.

Использование закона Ома

Все мы знаем, как работает закон Ома и как его использовать для нахождения неизвестного параметра, когда известны два других.Однако с емкостным типом источника питания, имеющим особенности и подключенными к нему светодиодами, расчет тока, падения напряжения и резистора светодиода становится немного запутанным.

Как рассчитать и вывести параметры тока и напряжения в бестрансформаторных источниках питания.

После тщательного изучения соответствующих шаблонов я разработал простой и эффективный способ решения вышеуказанных проблем, особенно когда используемый источник питания является бестрансформаторным или включает конденсаторы PPC или реактивное сопротивление для управления током.

Оценка тока в емкостных источниках питания

Обычно бестрансформаторный источник питания выдает выходной сигнал с очень низкими значениями тока, но с напряжениями, равными приложенной сети переменного тока (пока она не будет загружена).

Например, 1 мкФ, 400 В (напряжение пробоя) при подключении к источнику питания 220 В x 1,4 = 308 В (после моста) будет производить максимальный ток 70 мА и начальное показание напряжения 308 Вольт.

Однако это напряжение будет демонстрировать очень линейное падение по мере того, как выход будет загружен и ток будет поступать из резервуара «70 мА».

Мы знаем, что если нагрузка потребляет все 70 мА, это будет означать, что напряжение упадет почти до нуля.

Теперь, поскольку это падение линейно, мы можем просто разделить начальное выходное напряжение на максимальный ток, чтобы найти падения напряжения, которые могут возникнуть при различных величинах токов нагрузки.

Следовательно, деление 308 В на 70 мА дает 4,4 В. Это скорость, с которой напряжение будет падать на каждый 1 мА тока, добавленного к нагрузке.

Это означает, что если нагрузка потребляет ток 20 мА, падение напряжения будет 20 × 4.4 = 88 вольт, поэтому на выходе теперь будет напряжение 308 — 62,8 = 220 вольт постоянного тока (после моста).

Например, если светодиод мощностью 1 Вт, подключенный непосредственно к этой цепи без резистора, будет показывать напряжение, равное прямому падению напряжения светодиода (3,3 В), это связано с тем, что светодиод потребляет почти весь ток, доступный от конденсатора. Однако напряжение на светодиоде не падает до нуля, потому что прямое напряжение — это максимальное заданное напряжение, которое может упасть на нем.

Из приведенного выше обсуждения и анализа становится ясно, что напряжение в любом блоке питания несущественно, если ток выдачи мощности источника питания «относительно» низок.

Например, если мы рассмотрим светодиод, он может выдерживать ток от 30 до 40 мА при напряжениях, близких к его «прямому падению напряжения», однако при более высоких напряжениях этот ток может стать опасным для светодиода, поэтому все дело в поддержании максимального тока. равным максимально допустимому пределу нагрузки.

Расчет номиналов резисторов

Резистор для нагрузки : Когда светодиод используется в качестве нагрузки, рекомендуется выбирать конденсатор, значение реактивного сопротивления которого допускает только максимально допустимый ток для светодиода, и в этом случае резистор может быть полностью избежать.

Если емкость конденсатора велика при более высоких выходных токах, то, вероятно, как обсуждалось выше, мы можем включить резистор, чтобы снизить ток до допустимых пределов.

Расчет резистора ограничения перенапряжения : Резистор R2 на приведенной выше диаграмме включен в качестве резистора ограничителя перенапряжения при включении. Он в основном защищает уязвимую нагрузку от начального импульсного тока.

Во время начальных периодов включения конденсатор C1 действует как полное короткое замыкание, хотя и всего на несколько миллисекунд, и может пропускать все 220 В на выходе.

Этого может быть достаточно, чтобы перегореть чувствительные электронные схемы или светодиоды, подключенные к источнику питания, который также включает стабилизирующий стабилитрон.

Поскольку стабилитрон образует первое электронное устройство в линии, которое необходимо защитить от начального скачка напряжения, R2 можно рассчитать в соответствии со спецификациями стабилитрона и максимальным током стабилитрона или рассеиваемой стабилитроном.

Максимально допустимый ток стабилитрона для нашего примера будет 1 ватт / 12 В = 0,083 ампера.

Следовательно, R2 должно быть = 12 / 0,083 = 144 Ом

Однако, поскольку импульсный ток длится только миллисекунды, это значение может быть намного ниже этого.

Здесь. мы не рассматриваем вход 310 В для расчета стабилитрона, так как ток ограничен до 70 мА с помощью C1.

Поскольку R2 может излишне ограничивать драгоценный ток нагрузки во время нормальной работы, в идеале это должен быть резистор типа NTC. NTC будет следить за тем, чтобы ток ограничивался только во время начального периода включения, а затем полные 70 мА могут проходить без ограничений для нагрузки.

Расчет разрядного резистора : Резистор R1 используется для разрядки накопленного заряда высокого напряжения внутри C1, когда цепь отключена от сети.

Значение R1 должно быть как можно более низким для быстрого разряда C1, но при этом рассеивать минимальное тепло при подключении к сети переменного тока.

Поскольку R1 может быть резистором на 1/4 Вт, его рассеиваемая мощность должна быть ниже 0,25 / 310 = 0,0008 ампер или 0,8 мА.

Следовательно, R1 = 310 / 0,0008 = 387500 Ом или примерно 390 кОм.

Расчет резистора светодиода на 20 мА

Пример: На показанной диаграмме емкость конденсатора дает 70 мА макс. ток, который может выдержать любой светодиод. Используя стандартную формулу светодиод / резистор:

R = (напряжение питания VS — прямое напряжение светодиода VF) / ток светодиода IL,
= (220 — 3,3) / 0,02 = 10,83 кОм,

Однако значение 10,83 кОм выглядит довольно большим , и существенно снизит засветку светодиода …. тем не менее расчеты выглядят абсолютно корректными…. так что мы здесь чего-то упускаем ??

Я думаю, что здесь напряжение «220» может быть неправильным, потому что в конечном итоге светодиоду потребуется всего 3,3 В …. так почему бы не применить это значение в приведенной выше формуле и не проверить результаты? Если вы использовали стабилитрон, то здесь можно было бы применить значение стабилитрона.

Хорошо, мы снова.

R = 3,3 / 0,02 = 165 Ом

Теперь это выглядит намного лучше.

Если вы использовали, скажем, стабилитрон 12 В перед светодиодом, формулу можно рассчитать следующим образом:

R = (напряжение питания VS — прямое напряжение светодиода VF) / ток светодиода IL,
= (12 — 3.3) / 0,02 = 435 Ом,

Следовательно, номинал резистора для безопасного управления одним красным светодиодом будет около 400 Ом.

Определение тока конденсатора

Во всей бестрансформаторной конструкции, рассмотренной выше, C1 является одним из важнейших компонентов, размеры которого необходимо правильно подобрать, чтобы выходной ток от него был оптимально оптимизирован в соответствии со спецификацией нагрузки.

Выбор конденсатора высокой емкости для относительно меньшей нагрузки может увеличить риск чрезмерного импульсного тока, проникающего в нагрузку и более раннего ее повреждения.

Правильно рассчитанный конденсатор, напротив, обеспечивает контролируемый бросок скачка напряжения и номинальное рассеивание, сохраняя адекватную безопасность для подключенной нагрузки.

Использование закона Ома

Величину тока, которая может быть оптимально допустимой через бестрансформаторный источник питания для конкретной нагрузки, можно рассчитать с помощью закона Ома:

I = V / R

, где I = ток, В = Напряжение, R = Сопротивление

Однако, как мы видим, в приведенной выше формуле R является нечетным параметром, поскольку мы имеем дело с конденсатором в качестве элемента ограничения тока.

Чтобы взломать это, нам нужно получить метод, который будет переводить значение ограничения тока конденсатора в Ом или единицу сопротивления, чтобы можно было решить формулу закона Ома.

Расчет реактивного сопротивления конденсатора

Для этого мы сначала выясняем реактивное сопротивление конденсатора, которое можно рассматривать как эквивалент сопротивления резистора.

Формула для реактивного сопротивления:

Xc = 1/2 (pi) fC

, где Xc = реактивное сопротивление,

pi = 22/7

f = частота

C = емкость конденсатора в фарадах

Результат, полученный по приведенной выше формуле, выражается в Омах, которые можно напрямую подставить в наш ранее упомянутый закон Ома.

Давайте решим пример для понимания реализации приведенных выше формул:

Давайте посмотрим, какой ток конденсатор 1 мкФ может выдать на конкретную нагрузку:

У нас в руках следующие данные:

pi = 22/7 = 3,14

f = 50 Гц (частота сети переменного тока)

и C = 1 мкФ или 0,000001F

Решение уравнения реактивного сопротивления с использованием приведенных выше данных дает:

Xc = 1 / (2 x 3,14 x 50 x 0,000001)

= 3184 Ом приблизительно

Подставляя это эквивалентное значение сопротивления в формулу закона Ома, мы получаем:

R = V / I

или I = V / R

Предполагая V = 220 В (поскольку конденсатор предназначен для работы с сетевым напряжением.)

Получаем:

I = 220/3184

= 0,069 ампер или 69 мА примерно

Аналогичным образом можно рассчитать и другие конденсаторы, зная их максимальную пропускную способность по току или номинальные значения.

Вышеупомянутое обсуждение всесторонне объясняет, как можно рассчитать ток конденсатора в любой соответствующей схеме, особенно в бестрансформаторных емкостных источниках питания.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: ВЫШЕУКАЗАННАЯ КОНСТРУКЦИЯ НЕ ИЗОЛИРУЕТСЯ ОТ СЕТИ, ПОЭТОМУ ВСЕ АГРЕГАТ МОЖЕТ ПЛАВАТЬ ПО СРЕДСТВАМ ВХОДНОЙ СЕТИ, БУДЬТЕ ОСТОРОЖНЫ ПРИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИИ ПОЛОЖЕНИЯ.

Снижение требований к источникам питания для керамических конденсаторов с помощью высокоэффективного, высокочастотного преобразователя постоянного тока с низким уровнем электромагнитных помех

Цена на многослойные керамические конденсаторы (MLCC) резко выросла за последние несколько лет, отслеживая расширение производства в количество источников питания, используемых в автомобилестроении, промышленности, центрах обработки данных и телекоммуникациях. Керамические конденсаторы используются в источниках питания на выходе для снижения пульсаций на выходе и для управления перерегулированием и занижением выходного напряжения из-за переходных процессов нагрузки с высокой скоростью нарастания.На входной стороне требуются керамические конденсаторы для развязки и фильтрации электромагнитных помех из-за их низкого ESR и низкого ESL на высоких частотах.

Стремление к повышению производительности промышленных и автомобильных систем требует увеличения скорости обработки данных на несколько порядков с увеличением количества энергоемких устройств, втиснутых в микропроцессоры, процессоры, системы на кристаллах (SoC), ASIC и ПЛИС. Для каждого из этих сложных типов устройств требуется определенное количество шин с регулируемым напряжением: обычно 0.8 В для ядер, 1,2 В и 1,1 В для DDR3 и LPDDR4 соответственно и 5 В, 3,3 В и 1,8 В для периферийных и вспомогательных компонентов. Понижающие (понижающие) преобразователи широко используются для производства регулируемых источников питания от батареи или шины постоянного тока.

Например, распространение передовых систем помощи водителю (ADAS) в автомобилях привело к резкому увеличению использования керамических конденсаторов. С развитием технологии 5G в телекоммуникациях, где требуются высокопроизводительные источники питания, использование керамических конденсаторов также значительно возрастет.Токи питания сердечника увеличились с нескольких ампер до десятков ампер, при очень жестком контроле пульсаций питания, переходных перегрузок / недостатков нагрузки и электромагнитных помех (EMI) — функций, которые требуют дополнительной емкости.

Во многих случаях традиционные подходы к источникам питания не успевают за темпами изменений. Общий размер решения слишком велик, эффективность слишком мала, схемотехника слишком сложна, а ведомость материалов (BOM) слишком дорогостоящая. Например, чтобы соответствовать жестким требованиям по регулированию напряжения для быстрых переходных процессов нагрузки, на выходе требуется большое количество керамических конденсаторов для хранения и источника значительных токов, возникающих при переходных процессах нагрузки.Общая стоимость выходных керамических конденсаторов может в несколько раз превышать стоимость силовой ИС.

Более высокие рабочие частоты (коммутации) источника питания могут уменьшить влияние переходных процессов на выходное напряжение и уменьшить требования к емкости и общий размер решения, но более высокие частоты коммутации обычно приводят к увеличению коммутационных потерь, что снижает общую эффективность. Можно ли избежать этого компромисса и удовлетворить переходные требования при очень высоких уровнях тока, которые требуются передовыми микропроцессорами, ЦП, SoC, ASIC и FPGA?

Analog Devices ’Power от Linear ™ монолитный бесшумный коммутатор ^® Семейство 2 понижающих стабилизаторов обеспечивает компактный размер решения, возможность работы с большими токами, высокую эффективность и, что более важно, превосходные характеристики электромагнитных помех.В монолитном понижающем стабилизаторе LTC7151S используется архитектура Silent Switcher 2 для упрощения конструкции фильтра электромагнитных помех. Режим минимального тока снижает требования к выходной емкости. Давайте посмотрим на входное напряжение 20 В на выход 1 В при выходе 15 А для SoC.

Решение на 15 А от входа 20 В для SoC

На рисунке 1 показано решение 1 МГц, 1,0 В, 15 A для приложений питания SoC и CPU, где входное напряжение обычно составляет 12 В или 5 В и может изменяться от 3,1 В до 20 В. Только входные и выходные конденсаторы, катушка индуктивности и Несколько небольших резисторов и конденсаторов необходимы для завершения блока питания.Эту схему можно легко изменить для получения других выходных напряжений, таких как 1,8 В, 1,1 В и 0,85 В, до 0,6 В. Отрицательный возврат (на вывод V ^—) выходной шины позволяет дистанционно определять обратную связь. выходное напряжение близко к нагрузке, что сводит к минимуму ошибки обратной связи, вызванные падением напряжения на дорожках платы.

В решении, показанном на рис. 1, используется стабилизатор LTC7151S Silent Switcher 2, который оснащен высокопроизводительными интегрированными полевыми МОП-транзисторами в 28-выводном термически усиленном корпусе 4 мм × 5 мм × 0.74-мм корпус LQFN. Управление осуществляется через режим тока впадины. Встроенные функции защиты сводят к минимуму количество внешних компонентов защиты.

Минимальное время включения верхнего переключателя составляет всего 20 нс (типичное значение), что обеспечивает прямое понижение напряжения сердечника на очень высокой частоте. Функции управления температурой обеспечивают надежную и непрерывную подачу тока до 15 А при входном напряжении до 20 В без радиатора или воздушного потока, что делает его популярным выбором для SOC, FPGA, DSP, графических процессоров и микропроцессоров в телекоммуникациях, промышленности, транспорте и автомобилестроении. Приложения.

Широкий диапазон входных сигналов LTC7151S позволяет использовать его в качестве промежуточного преобразователя первой ступени, поддерживающего до 15 А при 5 В или 3,3 В для нескольких выходных точек нагрузки или стабилизаторов LDO.

Рис. 1. Схема и эффективность понижающего стабилизатора 1 МГц, 15 А для SoC и CPU.

Соответствует жестким требованиям к переходным процессам с минимальным выходным конденсатором

Обычно выходной конденсатор масштабируется в соответствии с требованиями к стабильности контура и переходной характеристике нагрузки.Эти спецификации особенно жестки для источников питания, которые обслуживают напряжения ядра процессора, где переходные выбросы нагрузки и недопустимые значения должны хорошо контролироваться. Например, во время скачка нагрузки выходной конденсатор должен сработать, мгновенно обеспечивая ток для поддержки нагрузки, пока контур обратной связи не поднимет ток переключения, достаточный для того, чтобы взять его на себя. Как правило, перерегулирование и недорегулирование подавляются за счет установки значительного количества многослойных керамических конденсаторов на выходной стороне, удовлетворяющих требованиям к накоплению заряда во время быстрых переходных процессов нагрузки.

Дополнительно или альтернативно, увеличение частоты переключения может улучшить быстрый отклик контура, но за счет увеличения потерь переключения.

Существует третий вариант: регуляторы с управлением в режиме минимального тока могут динамически изменять переключатель регулятора T _ON и T _OFF раз, чтобы почти мгновенно удовлетворить требования переходных процессов нагрузки. Это позволяет значительно снизить выходную емкость и сократить время отклика.На рис. 2 показаны результаты работы регулятора бесшумного переключателя LTC7151S, мгновенно реагирующего на скачок нагрузки от 4 до 12 А со скоростью нарастания 8 А / мкс. Архитектура LTC7151S с управляемым по времени (COT) минимальным током позволяет сжимать импульсы коммутационного узла во время скачкообразного изменения нагрузки от 4 А до 12 А. Приблизительно через 1 мкс после начала нарастающего фронта выходное напряжение начинает восстанавливаться, при этом выбросы и выбросы ограничиваются размахом 46 мВ. Трех керамических конденсаторов емкостью 100 мкФ, показанных на рисунке 2a, достаточно для соответствия типичным характеристикам переходных процессов, как показано на рисунке 2b.На рисунке 2c показаны типичные формы сигналов переключения во время скачка нагрузки.

Рис. 2. (a) Это приложение входа 5 В на выход 1 В работает на частоте 2 МГц, требуя минимальной емкости на выходе, чтобы быстро и четко реагировать на (b) скачки нагрузки, а также (c) формы сигналов переключения во время скачка нагрузки. .

Высокоэффективный понижающий преобразователь на частоте 3 МГц подходит для ограниченного пространства

В корпусе 4 мм × 5 мм × 0,74 мм LTC7151S встроены полевые МОП-транзисторы, драйверы и конденсаторы с горячей петлей. Если держать эти компоненты близко друг к другу, паразитные эффекты уменьшаются, что позволяет быстро включать и выключать переключатели с очень коротким мертвым временем.Потери проводимости встречно-параллельного диода переключателей значительно уменьшены. Встроенный развязывающий конденсатор горячего контура и встроенная схема компенсации также исключают сложность конструкции, сводя к минимуму общий размер решения.

Как упоминалось ранее, минимум 20 нс (типичный) на верхнем переключателе обеспечивает преобразование с очень низким коэффициентом заполнения на высокой частоте, что позволяет разработчику использовать преимущества работы на очень высоких частотах (например, 3 МГц) для уменьшения размера и стоимости. индуктивности, входного и выходного конденсаторов.Возможны чрезвычайно компактные решения для приложений с ограниченным пространством, таких как портативные устройства или инструменты в автомобилях и медицине. При использовании LTC7151S нет необходимости в громоздких компонентах защиты от перегрева, таких как вентиляторы и радиаторы, благодаря его высокопроизводительному преобразованию мощности даже на очень высоких частотах.

На рисунке 3 показано решение от 5 В до 1 В, работающее при частоте переключения 3 МГц. Индуктор небольшого размера 100 нГн от Eaton вместе с тремя керамическими конденсаторами 100 мкФ / 1210 представляет собой очень низкопрофильное компактное решение для приложений FPGA и микропроцессоров.Кривая эффективности показана на рисунке 3b. Повышение температуры при комнатной температуре составляет около 15 ° C при полной нагрузке.

Рисунок 3. Схема и КПД для входа от 5 В до 1 В / 15 А с f _SW = 3 МГц.

Технология Silent Switcher 2 обеспечивает отличные характеристики электромагнитного излучения

Meeting опубликовал спецификации EMI, такие как ограничения пикового уровня кондуктивных и излучаемых электромагнитных помех CISPR 22 / CISPR 32 для приложения на 15 А, что может означать ряд итеративных вращений платы, включая многочисленные компромиссы между размером решения, общей эффективностью, надежностью и сложностью. .Традиционные подходы управляют электромагнитными помехами, замедляя фронты переключения и / или понижая частоту переключения. Оба имеют нежелательные эффекты, такие как снижение эффективности, увеличение минимального времени включения и выключения и больший размер решения. Снижение уровня электромагнитных помех методом грубой силы — например, сложные и громоздкие фильтры электромагнитных помех или металлическое экранирование — значительно увеличивает затраты на необходимое пространство на плате, компоненты и сборку, одновременно усложняя управление температурным режимом и тестирование.

Запатентованная архитектура Silent Switcher 2 компании Analog Devices использует ряд технологий снижения электромагнитных помех, включая встроенные конденсаторы горячего контура, чтобы минимизировать размер зашумленной антенны.LTC7151S поддерживает низкий уровень электромагнитных помех за счет включения высокопроизводительных полевых МОП-транзисторов и драйверов, что позволяет разработчикам микросхем создавать устройства со встроенными минимизированными вызывными сигналами коммутирующих узлов. Результатом является то, что соответствующая энергия, запасенная в горячем контуре, строго контролируется, даже если фронты переключения имеют высокую скорость нарастания, что обеспечивает исключительную эффективность EMI при минимизации потерь переключения переменного тока на высоких рабочих частотах.

LTC7151S был протестирован в испытательной камере EMI ​​и прошел ограничение пикового уровня кондуктивных и излучаемых электромагнитных помех CISPR 22 / CISPR 32 с простым фильтром электромагнитных помех спереди.На рисунке 4 показана схема цепи 1 МГц, 1,2 В / 15 А, а на рисунке 5 показан результат теста EMI CISPR 22 в ячейке с поперечным электромагнитным излучением гигагерцового диапазона (GTEM).

Рисунок 4. Схема стабилизатора 1,2 В с частотой переключения 1 МГц.

Рис. 5. Излучаемые электромагнитные помехи в GTEM превышают предел CISPR 22 класса B.

Заключение

Распространение интеллектуальной электроники, средств автоматизации и датчиков в промышленности и автомобилестроении привело к увеличению необходимого количества и требований к характеристикам источников питания.В частности, низкий уровень электромагнитных помех стал приоритетным в качестве ключевого параметрического параметра источника питания, наряду с обычными требованиями к небольшому размеру решения, высокой эффективности, термической эффективности, надежности и простоте использования.

LTC7151S отвечает строгим требованиям к электромагнитным помехам при очень компактном размере, используя технологию Silent Switcher 2 из подразделения Power by Linear компании Analog Devices. Благодаря управлению в режиме минимального тока и высокочастотной работе, LTC7151S динамически переключает T _на и T _на раз, чтобы активно поддерживать переходные процессы нагрузки почти мгновенно, что обеспечивает гораздо меньшую выходную емкость и быстрый отклик.Его интегрированные полевые МОП-транзисторы и управление температурой обеспечивают надежную и надежную подачу тока до 15 А непрерывно из входных диапазонов до 20 В.

Введение в источники питания для зарядки конденсаторов

---

Способы и формулы зарядки конденсаторов

Источники питания для зарядки конденсаторов Lumina Power специально разработаны в качестве источников тока для использования в импульсных источниках питания. Наиболее часто используемые методы зарядки конденсаторов в импульсных приложениях — это полный разряд и частичный разряд.Полный разряд, как следует из названия, позволяет конденсатору разряжаться до нуля при каждом выстреле. Затем включается питание, конденсатор заряжается до установленного напряжения, и цикл разряда повторяется.

Переключатель высокого напряжения обычно представляет собой SCR или в приложениях с более высоким напряжением используется Thyratron.

В методах частичного разряда используются полупроводниковые переключатели для включения и выключения разряда конденсатора в нагрузку, что позволяет разработчику изменять ширину импульса вместе с доставляемой энергией.Указанный конденсатор обычно достаточно большой, так что при каждом выстреле у него отбирается лишь небольшой процент энергии, отсюда и название «частичный разряд». В обоих случаях можно использовать стандартные формулы для определения размера источника питания и расчета времени зарядки.

Самый простой способ оценить количество энергии, необходимое для приложения, — использовать формулу:

  энергия / импульс (джоули) = 0,5 x C x скорость заряда V2 = энергия / импульс x частота повторения  

Где C — емкость конденсатора в фарадах, а V — требуемое напряжение заряда. Частота повторения в герцах

.

Пример : Конденсатор емкостью 75 мкФ заряжается до 1500 В с частотой 20 Гц.

  скорость заряда = 0,5 x 1500 x 1500 x 75 мкФ x 20 Гц = 1687,5 Дж / сек.  

Эта формула не учитывает какое-либо мертвое время (время установления), которое обычно требуется в большинстве систем, поэтому в большинстве приложений с низкой частотой повторения лучшим выбором является выбор немного большего источника. В этом случае хорошей моделью будет источник питания 2000 Дж / с. (Свяжитесь с нами, чтобы узнать о более высокой репутации и времени урегулирования)

В случае применения частичного разряда продолжительность разряда конденсатора определяет количество энергии, необходимое для перезарядки крышки до установленного напряжения.Ширина импульса может варьироваться от нескольких сотен микросекунд до десятков миллисекунд с соответствующим падением напряжения. В общем, расчет энергии перезарядки можно произвести по формуле:

  E = 0,5x нагрузка C x (В м 2 - Vd 2)  

Где Vm — максимальное напряжение, Vd — наименьшее падение напряжения.

(Для получения помощи в проектировании систем частичного разряда и выборе источника питания обратитесь в службу поддержки клиентов по телефону 978-241-8260.)

Использование номинальной мощности

Блок питания для зарядки конденсаторов имеет два номинальных значения мощности, выраженных в джоулях в секунду (Дж / с), пиковую мощность и среднюю мощность.Пиковая мощность используется при расчете времени зарядки Lumina Power, Inc. стр. 1 Введение в источники питания для зарядки конденсаторов, а средняя мощность используется для определения максимальной частоты повторения. На рисунке 1 показана разница между средней и пиковой мощностью.

Расчет времени зарядки (Tc)

Используя пиковую мощность источника питания, время зарядки можно рассчитать с помощью следующего уравнения.

  Tc = 0,5 x Cнагрузка x Vнагрузка x Vном. / Пик.  

Где: Tc — время зарядки (секунды).Ppeak — пиковая мощность блока (Дж / с). Cload — емкость нагрузки (фарады) Vcharge — необходимое напряжение заряда Vrated — номинальное напряжение источника питания

Чтобы обеспечить наиболее доступную мощность для приложения, обычно лучше всего выбирать источник питания с тем же номинальным выходным напряжением, что и требования к нагрузке.

Пример : Источник питания рассчитан на выходное напряжение 1500 В, пиковое значение 2200 Дж / с. Сколько времени требуется для зарядки конденсатора емкостью 50 мкФ до 1000 вольт?

  Tc = 0.5 x 50-6x 1000 x 1500 = 17 мс. / 2200  

Расчет пиковой мощности

Просто изменив эту формулу, можно рассчитать требуемую пиковую мощность источника питания:

  Ppeak = 0,5 x Cload x Vcharge x Vrated / Tc  

Выходной ток зарядного устройства

Текущие измерения обычно не публикуются в наших спецификациях, но могут использоваться для расчета времени зарядки. Конденсаторные зарядные устройства традиционно имеют фиксированные выходные токи, которые можно рассчитать по следующей формуле: (Свяжитесь с нами, чтобы узнать о более высокой частоте повторения и времени установления.)

  I вых = 2 x Ppeak / Vrated  

Пример : Пиковая скорость заряда источника питания составляет 2200 Дж / с. Сила тока для источника питания 1000 В (номинальное):

  I вых = 2 x 2200/1000 = 4,4 ампера  

Используя те же параметры, время зарядки можно рассчитать по формуле:

  Tc = C нагрузка x Vcharge / Iout  

Формулы тока предполагают постоянный ток от 0 вольт до требуемого напряжения. Все наши блоки питания для зарядки конденсаторов обеспечивают отличную повторяемость импульсов.

Конденсатор источника питания, вопросы и ответы

Вопрос: Какую цель конденсаторы служат в источнике питания?

A: Конденсаторы в источнике питания могут располагаться в двух разных местах: на «первичной» и «вторичной» стороне. Первичная сторона — это то место, где переменный ток входит в источник питания. Вторичная сторона находится после регулирования выходных напряжений постоянного тока. Большие конденсаторы на первичной стороне принимают относительно нерегулируемое напряжение, которое преобразовано с входа переменного тока в постоянный, и пытаются поддерживать постоянное напряжение постоянного тока для остальной части источника питания.Конденсаторы на стороне постоянного тока являются частью процесса фильтрации, который помогает устранить любые остаточные пульсации переменного тока на выходе постоянного тока.

На приведенной выше схеме показано разделение первичной и вторичной стороны блока питания Corsair RM850.

Q: Как Corsair рассчитывает ожидаемый срок службы конденсатора, решая, что использовать в конкретном блоке питания?

A: Конденсаторы имеют несколько характеристик и номиналов. Конечно, напряжение и емкость — две наиболее известные характеристики.Но для расчета срока службы конденсатора существует номинальная температура, которая обычно составляет 85 или 105 ° C. Также существует максимально допустимый пульсирующий ток. Если все вышеперечисленное работает до предела, 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, тогда вы столкнетесь с номинальным сроком службы конденсатора. Этот рейтинг обычно находится в диапазоне от 2000 до 6000 часов; это эквивалентно от 83 до 250 дней. К счастью, взаимосвязь между жизнью и температурой следует формуле химической реакции, называемой «законом химической активности Аррениуса».Закон просто гласит, что срок службы конденсатора удваивается на каждые 10 градусов Цельсия понижения температуры. Так, если конденсатор номиналом 105 ° C работает при температуре 85 ° C, например, ваш срок службы с 2000 часов увеличился до 8000 часов, и это все еще при условии, что он фильтрует максимальное количество тока пульсаций, на которое он рассчитан. Полная формула, используемая для расчета срока службы конденсатора, выглядит следующим образом:

Давайте посмотрим на RM850 в качестве примера. Для фильтрации напряжения +12 В используется набор из шести конденсаторов серии Ltec ​​LXY.Три — 3300 мкФ, 16 В, а три других — 2200 мкФ, 16 В.

Конденсаторы Ltec ​​на вторичной стороне блока питания Corsair RM850.

Первые рассчитаны на ток пульсаций 3,4 А RMS, а вторые — на 2,375 А. Первые имеют срок службы 3000 часов, а вторые — 4000 часов. Все они рассчитаны на 105 ° C. Но поскольку они должны выдерживать ток пульсаций менее 1 А и работают при температурах примерно в два раза ниже номинальных (от 44 ° до 53 ° C против 105 ° C), расчетный срок их службы превышает 15. годы.

В: Почему кажется, что в лучших источниках питания используется меньше японских конденсаторов, чем в прошлом?

A: Ответ здесь простой. Потому что блоки питания лучше! Более эффективные компоненты в блоке питания — причина того, что блок питания более эффективен. Лучшая эффективность означает меньше тепла. Кроме того, современные технологии коммутации позволяют уменьшить колебания вторичных конденсаторов. Сочетание этих двух вещей означает, что конденсаторы могут работать намного дольше, поэтому японские конденсаторы не всегда требуются.

В: Действительно ли японские конденсаторы лучше китайских?

A: Японские конденсаторы славятся отличным контролем качества. Так что для экстремальных условий желательнее использовать конденсаторы японского бренда. На бумаге часто встречаются китайские конденсаторы с теми же характеристиками, что и эквивалентные японские конденсаторы, включая модели с низким ESR (эквивалентное последовательное сопротивление). В японских конденсаторах также используется электролит высшего качества, более устойчивый к более высоким температурам.Известно, что в японских конденсаторах используется самый чистый алюминий. Тем не менее, многие китайские производители покупают японские формулы электролитов, а компании, которые очищают алюминий для японских производителей конденсаторов, открывают предприятия в Китае, чтобы быть ближе к своим китайским покупателям конденсаторов.

Showa Denko завершает строительство завода по производству алюминиевой фольги высокой чистоты в Китае: http://www.sdk.co.jp/english/news/13382/13769.html

В: Почему возникает недоверие к китайским конденсаторам?

A: В дополнение к мнению, что китайское производство уступает, большая часть недоверия к китайским конденсаторам возникла в 2002 году, когда формула электролита была украдена у японской компании по производству конденсаторов и передана компании по производству конденсаторов на Тайване.Формула была записана неправильно, что привело к множеству преждевременных отказов:

http://spectrum.ieee.org/computing/hardware/leaking-capacitors-muck-up-motherboards

Помимо этого инцидента, были сообщения о преждевременные отказы компонентов, использующих китайские конденсаторы, но большинство этих отказов были результатом плохой конструкции. Конденсаторы либо подвергались воздействию высоких температур, либо от них требовалось выдерживать слишком большие пульсации тока… или того хуже; оба.

В: Значит, японские конденсаторы никогда не выходят из строя преждевременно?

A: Абсолютно нет.Между 2003 и 2005 годами Dell, HP и Apple, среди других производителей, столкнулись с проблемой неисправных японских конденсаторов, которая затронула миллионы компьютеров:

http://bits.blogs.nytimes.com/2010/07/01/dell- говорит-о-своей-борьбе-с-неисправными-компонентами-ПК /

В: Всегда ли конденсаторы японской марки производятся в Японии?

A: Из-за высоких затрат на рабочую силу в Японии обычно нет. Обычно их делают по всей Азии. К сожалению, многие люди предполагают, что конденсатор японской марки произведен в Японии.Обычно не видно страну происхождения, если они не покупают конденсаторы для себя в розничной торговой точке.

Конденсаторы United Chemi-Con производства Индонезии.

Конденсаторы Panasonic производства Малайзии.

В: Когда компания Corsair решает использовать японские конденсаторы?

В устройствах более высокого класса используются японские конденсаторы для повышения общей надежности, даже если для этого нет увеличения расчетного срока службы. Компания Corsair, как правило, по возможности использует японские первичные конденсаторы из-за экстремальных условий, которым подвержен первичный конденсатор.Эти конденсаторы имеют большие размеры и поэтому имеют большую площадь поверхности для рассеивания тепла, но они все равно довольно сильно нагреваются из-за более высоких температур теплоотвода первичной стороны, расположенного поблизости. Кроме того, нерегулируемое постоянное напряжение, заряжающее первичный конденсатор на первичной стороне, потенциально может иметь большое количество пульсаций.

Конденсатор первичной стороны в Corsair RM850 в основном окружен радиаторами.

Еще раз используя RM850 в качестве примера, мы видим, что на первичной стороне используется конденсатор марки Nichicon, GL Series 560uF, 420V.Он рассчитан на температуру 105 ° C и может выдерживать пульсирующий ток 1,5 А в течение 2000 часов работы в режиме 24/7. Но поскольку он находится как можно ближе к первичному радиатору, где компоненты рассеивают температуру до 76 ° C при полной нагрузке, температура поверхности этого конденсатора может достигать 44 ° C. Кроме того, этот конденсатор потенциально может столкнуться с током пульсаций до 3,2 А. Это более чем вдвое больше, чем он рассчитан. Даже с учетом этих условий срок службы данного конденсатора по-прежнему составляет более 15 лет.Но поскольку условия потенциально могут быть очень суровыми, компания Corsair приняла решение использовать здесь японский конденсатор, чтобы предотвратить любую возможность преждевременного выхода из строя.

В: Что такое «твердотельные» конденсаторы и почему их так мало в источниках питания?

A: Все конденсаторы, показанные на фотографиях выше, являются, в частности, «алюминиевыми электролитическими» конденсаторами. В этих конденсаторах используется бумага, пропитанная жидким электролитом. Иногда используются твердотельные конденсаторы, но не исключительно и только на вторичной стороне.

На фотографии выше показаны некоторые твердотельные конденсаторы, используемые в AX1200i.

«Твердые конденсаторы» по-прежнему используют внутри алюминиевую фольгу, но в качестве электролита вместо жидкости используется твердый полимер. Это делает конденсатор менее восприимчивым к изменениям окружающей среды, таким как жара и влажность. Твердотельные конденсаторы также имеют более низкое последовательное сопротивление (эквивалентное последовательное сопротивление), что делает их более эффективными. Звучит здорово, правда? Проблема в том, что твердотельные конденсаторы очень малы и выпускаются в ограниченном количестве.Например: я могу получить сплошную крышку на 2700 мкФ… но это будет только 2,5 В! Я могу получить сплошной конденсатор на 16 В… но только до 1000 мкФ. Мы действительно находим твердые конденсаторы кое-где внутри блока питания компьютера, но они просто не имеют достаточно большой емкости (достаточно высокого напряжения или достаточно большой емкости) для использования в любом большом объеме в блоке питания компьютера.

Другими конденсаторами, используемыми в источниках питания компьютеров, являются конденсаторы из «металлизированного полипропилена» или «пленочные конденсаторы». Обычно они используются для фильтрации электромагнитных помех на входе переменного тока источника питания.

Заключение

Последние улучшения в технологиях источников питания, которые помогают уменьшить пульсации и повысить общую эффективность, значительно увеличили срок службы компьютерных источников питания. Несмотря на то, что Corsair ценит более высокие стандарты качества конденсаторов японских брендов и будет продолжать использовать их для продуктов уровня энтузиастов (HX и выше) и в качестве первичных конденсаторов в большинстве серий блоков питания Corsair начального уровня, мы хотим гарантировать нашим клиентам, что мы проводить очень тщательные испытания и постоянно работать над улучшением технологий источников питания, и выбор компонентов является очень важной частью процесса разработки источника питания для компьютеров Corsair.

Выбор конденсаторов для блоков питания

Что можно и чего нельзя делать при выборе правильной технологии

и набора функций для работы

BY SURESH CHANDRAN и SHRIKANT JOSHI
EPCOS, Iselin, NJ
http://www.epcos.com Конденсаторы являются одними из наиболее важных пассивных компонентов, которые помогают выполнять широкий диапазон комбинаций напряжения и тока в источниках питания. Хотя каждый тип конденсатора хранит электрическую энергию, диэлектрическая технология играет ключевую роль при выборе конденсатора для конкретного применения.Наиболее важными областями применения конденсаторов в источниках питания являются накопление энергии, демпфирование, подавление электромагнитных помех и схемы управления. Изучая каждую область, используйте прилагаемую диаграмму, чтобы увидеть, как каждая диэлектрическая технология конкурирует или дополняет друг друга в зависимости от области применения. Накопитель энергии Конденсаторы накопителя энергии собирают свой заряд через выпрямители и доставляют накопленную энергию через ветви инвертора на выход источника питания. Обычно используются алюминиево-электролитические конденсаторы, такие как EPCOS B43504 или B43505, с номинальным напряжением от 40 до 450 В постоянного тока и значениями емкости от 220 до 150 000 мкФ.Иногда устройства группируются в последовательные и / или параллельные комбинации, в зависимости от требований к мощности; конденсаторы с винтовой клеммой в виде банок часто используются для уровней мощности более 10 кВт. Для выбора правильного значения емкости необходимо учитывать номинальное постоянное напряжение, допустимую пульсацию напряжения и время цикла заряда / разряда. Однако при выборе электролитического конденсатора для этого применения следует учитывать следующие параметры. Ток пульсаций конденсатора в типичном источнике питания представляет собой комбинацию токов пульсаций на различных частотах.Действующее значение пульсирующего тока определяет нагрев конденсатора. Распространенной ошибкой является вычисление среднеквадратичного значения токовой нагрузки путем сложения квадратов пульсационных токов на различных частотах. Собственно, нужно учитывать, что ESR конденсатора падает с увеличением частоты пульсаций тока. Правильная процедура заключается в масштабировании тока пульсаций на более высокой частоте до 100 Гц с использованием частотной диаграммы коэффициента пульсаций. Используйте квадрат масштабированных токов, чтобы определить ток пульсации.Это фактическая текущая нагрузка. Поскольку температура окружающей среды определяет срок службы конденсатора в условиях нагрузки, известные производители обеспечивают четко определенную взаимосвязь между нагрузкой пульсаций тока, температурой окружающей среды и ожидаемым сроком службы. Используйте пульсирующую нагрузку (объясненную выше) и температуру окружающей среды, чтобы определить ожидаемый срок службы в реальных условиях работы, используя опубликованное значение ожидаемого срока службы в качестве абсолютного числа.

Snubbering Современные силовые полупроводники, которые переключаются на высоких частотах, подвержены потенциально опасным скачкам напряжения.Демпферные конденсаторы, такие как EPCOS B32620-J или B32651..56, при подключении к силовому полупроводнику ограничивают пиковое напряжение, поглощая импульсы напряжения и защищая полупроводник, что делает демпфирующий конденсатор критически важным компонентом в силовой батарее. Номинальные значения тока и напряжения полупроводника вместе с его частотой коммутации определяют выбор демпфирующего конденсатора. Поскольку эти конденсаторы имеют очень крутые значения dv / dt, пленочный конденсатор является правильным выбором для этого применения.Типичные номиналы конденсаторов находятся в диапазоне от 470 пФ до 47 нФ при номинальном напряжении до 2000 В постоянного тока. Для мощных полупроводников, таких как IGBT, значения могут достигать 2,2 мкФ при напряжении в диапазоне 1200 В постоянного тока. Не выбирайте конденсатор только на основе комбинации значение / напряжение. При выборе демпфирующих конденсаторов учитывайте требуемые значения du / dt. Коэффициент рассеяния определяет рассеиваемую мощность в конденсаторе. Поэтому выберите альтернативу с более низким коэффициентом потерь. Подавление электромагнитных / радиопомех Эти конденсаторы подключаются к входной стороне источника питания для уменьшения электромагнитных и / или радиочастотных помех, создаваемых полупроводником. Подключение напрямую к основной входной линии подвергает их опасным перенапряжениям и переходным процессам. По этой причине существуют различные стандарты безопасности, введенные в разных регионах мира, включая EN 132 400 для Европы, UL 1414 и 1283 для США и CSA C22.2 No. 0; 1 и 8 для Канады.Конденсаторы класса X и / или Y, такие как EPCOS B3292x / B81122, с пластиковой пленкой, представляют собой один из наименее дорогих методов подавления. Импеданс ограничивающего конденсатора уменьшается с увеличением частоты, и высокочастотный ток проходит через конденсатор. Конденсатор X обеспечивает «короткое замыкание» для этого тока между линиями, а конденсатор Y между линией и корпусом заземленного оборудования. Существуют подклассы для конденсаторов X и Y, которые определяют пиковое значение перенапряжения, которое он может видеть.Например, конденсатор X2 емкостью до 1 мкФ рассчитан на пиковое импульсное напряжение 2,5 кВ, тогда как номинальное значение для конденсатора X1 аналогичной емкости составляет 4 кВ. Выберите подходящий класс помехоподавляющего конденсатора в зависимости от пикового напряжения, возникающего при сбросе нагрузки. Схема управления и логика В схемах управления источника питания используется широкий спектр конденсаторов, включая танталовые, керамические, пленочные и алюминиевые. Если эти устройства не используются в суровых условиях, они являются компонентами общего назначения с низкими значениями напряжения и потерь.Для источников питания, используемых в суровых условиях, обычно выбираются высокотемпературные компоненты. Для промышленных или профессиональных источников питания хорошей практикой является выбор компонентов с низким ESR, таких как низкопрофильные полимерные серии EPCOS B45294, для повышения общей надежности. Чтобы воспользоваться преимуществами автоматической сборки, меньшего размера, более низкой стоимости сборки и, как следствие, более высокой производительности, большинство разработчиков стараются придерживаться технологии SMD для конденсаторов, используемых в схемах управления.