Конденсатор как гасящее сопротивление: Гасящий конденсатор вместо гасящего резистора

Содержание

Гасящий конденсатор вместо гасящего резистора

Иногда возникает задача понизить переменное напряжение сети 220 вольт до некоторого заданного значения, причем применение понижающего трансформатора (в таком случае) не всегда бывает целесообразным.

Скажем, низкочастотный понижающий трансформатор, выполненный традиционно на трансформаторном железе, способный преобразовать мощность 200 Ватт, весит больше килограмма, не говоря о высокой стоимости. Следовательно в некоторых случаях можно применить гасящий резистор, который ограничит ток, однако при этом на самом гасящем резисторе выделится мощность в виде тепла, а это не всегда является приемлемым.

Например, если нужно запитать 200 Ваттную лампу только на половину ее наминала, потребовалось бы рассеять мощность в 100 Ватт на гасящем резисторе, а это крайне сомнительное решение.

Весьма удобной альтернативой, для данного примера, может служить применение гасящего конденсатора, емкостью около14мкф, (такой можно собрать из трех металлопленочных типа К73-17 по 4,7мкф, рассчитанных на 250в, а лучше – на 400в) это позволит получить нужный ток без необходимости рассеивать значительную мощность в виде тепла.

Рассмотрим физическую сторону этого решения. Как известно, конденсатор, включенный в цепь переменного тока, является реактивным элементом, обладающим емкостным сопротивлением, связанным с частотой переменного тока в цепи, а также с собственной емкостью.

Чем больше емкость конденсатора и чем выше частота переменного напряжения в цепи, тем больший ток проходит через конденсатор, значит емкостное сопротивление конденсатора обратно пропорционально его емкости, а также частоте переменного тока, в цепи, куда он включен.

Это видно и из формулы для емкостного сопротивления конденсатора:

Если в цепь переменного тока включены последовательно резистор (активная нагрузка) и конденсатор, то их общее сопротивление можно найти по формуле:

А поскольку и то

Итак, зная напряжение на нагрузке, силу тока нагрузки и напряжение на гасящем конденсаторе, можно определить емкость гасящего конденсатора, который нужно включить последовательно нагрузке для получения требуемых параметров питания:

Рассмотрим пример: требуется запитать лампу накаливания мощностью 100 Ватт, рассчитанную на напряжение 110 вольт от розетки 220 вольт. В первую очередь найдем значение рабочего тока лампы:

Получим значение тока лампы равное 0,91 А. Теперь можно найти требуемое значение емкости гасящего конденсатора, она будет равна 15,2 мкФ.

Следует отметить, что этот расчет верен для чисто активной нагрузки, когда имеет место эффективное значение. При использовании же выпрямителя, необходимо учесть, что эффективное значение тока будет немного меньше в силу действия пульсаций. Также следует помнить, что в качестве гасящих конденсаторов, полярные конденсаторы применять ни в коем случае нельзя.

Лучшее сочетание вакуумных и          полупроводниковых характеристик — однотактный гибридный усилитель звука.

          Мы не создаём иллюзий,
          Мы делаем звук живым!

Бестрансформаторное электропитание, использование конденсатора в качестве гасящего резистора

Выпрямители для зарядки аккумуляторных батарей, осветительные лампы небольшой мощности и другие устройства, с рабочим напряжением меньше напряжения сети, обычно подключают к ней через трансформатор или последовательно с добавочными резисторами, на которых гасится излишнее напряжение. При этом на гасящем резисторе выделяется большая мощность, которая рассеивается в виде тепла.

 

Но известно, что конденсатор, установленный к цепи переменного тока, обладает сопротивлением, зависящим от частоты и называемым реактивным. Используя его, также можно гасить излишнее напряжение сети, причем мощность на реактивном сопротивлении не выделяется, что является большим преимуществом конденсатора перед гасящим резистором.

Так как полное сопротивление Z цепи, составленной из последовательно включенных нагрузки с активным сопротивлением RH и конденсатора с реактивным сопротивлением Х

с равно Z=√RH2+XC2, то непосредственный расчет емкости гасящего конденсатора довольно сложен. Для определения ее проще пользоваться номограммой, приводимой на рис. 1.

На ней по оси абсцисс отложены сопротивления RH в кОм, по оси ординат — емкости С гасящих конденсаторов в мкФ и по оси, проведенной под углом 45° к оси абсцисс,— полные сопротивления Z цепи в кОм.

Чтобы воспользоваться номограммой, предварительно нужно по закону Ома или формуле мощности определить RH и Z.

На оси абсцисс номограммы находят вычисленное значение RH и проводят из этой точки вертикальную прямую, параллельную оси ординат. Затем на наклонной оси отыскивают ранее определенное значение Z. Из точки начала координат через точку Z проводят дугу, которая должна пересечь линию, проведенную параллельно осп ординат. Из точки пересечения ведут линию, параллельную оси абсцисс. Точка, где эта линия встретится с осью ординат, укажет искомую емкость гасящего конденсатора.


Пример 1. Определить емкость конденсатора, который нужно соединить последовательно с осветительной лампой 127 В 25 Вт, чтобы се можно было включить н сеть переменного тока напряжением 220 В. Находим RH:

RH=U2/P=1272/25=640 Ом

где U — напряжение, на которое рассчитана осветительная лампа, Р — мощность лампы. Чтобы определить Z, нужно узнать ток I, протекающий в цепи:

I=P/U=25/127=0,2A

Тогда Z равно:

Z=220/0,2=1100 Ом

Как найти емкость гасящего конденсатора, пользуясь вычисленными предварительными данными, показано на номограмме жирными линиями.

Пример 2. Мостовой выпрямитель (рис. 2) с выходным напряжением Uвых= 18 В и током нагрузки IH = 20mA необходимо питать от сети с напряжением 127 В. Найти емкость конденсатора С1, который нужно подключить последовательно выпрямителю, чтобы погасить излишнее напряжение.

Определяем сопротивление нагрузки:

RH=Uвых/IH=18/0,02=900 Ом

и полное сопротивление пепи:

Z=127/0,02=6,35 кОм

Далее определяют емкость гасящего конденсатора С1 по номограмме. Как это сделать, показано на ней пунктиром. Результат, полученный по расчету (0,51 мкФ), можно округлить до 0,5 мкФ.

Для гашения напряжения можно использовать только бумажные конденсаторы, предназначенные для работы в цепи переменного тока (типов МБМ, МБГП, БМТ и др.). Их рабочее напряжение для большей надежности работы должно превышать в два-три раза напряжение, которое нужно погасить.

 

 

 

Использование конденсатора в качестве сопротивления

конденсатор как гасящее сопротивление

Известно, что конденсатор, установленный в цепи переменного тока, обладает сопротивлением, зависящим от частоты, и называется реактивным. Использование конденсатора в качестве сопротивления также позволяет гасить излишнее напряжение сети, причем мощность на реактивном сопротивлении не выделяется, что является большим преимуществом конденсатора перед гасящим резистором. Так как расчет сопротивления конденсатора переменному току , а соответственно и полное сопротивление Z цепи, составленной из последовательно включенных нагрузки с активным сопротивлением Rn и конденсатора с реактивным сопротивлением Хс, равно

то непосредственный расчет емкости гасящего конденсатора довольно сложен. Для определения номинала конденсатора, примененного в качестве гасящего резистора, проще пользоваться номограммой, приведенной на рисунке. На номограмме по оси абсцисс отложены сопротивления Rn в кОм, по оси ординат — емкость С гасящих конденсаторов в мкФ и по оси, проведенной под углом 45° к оси абсцисс, — полные сопротивления Z цепи в кОм.

Чтобы воспользоваться номограммой, предварительно нужно по закону Ома или по формуле мощности определить Rn и Z. На оси абсцисс номограммы находят вычисленное значение Rn и проводят из этой точки вертикальную прямую, параллельную оси ординат. Затем на наклонной оси отыскивают определенное значение Z. Из точки начала координат через точку Z проводят дугу, которая должна пересечь линию, проведенную параллельно оси ординат. Из точки пересечения ведут линию, параллельную оси абсцисс. Точка, где эта линия встречается с осью ординат, укажет искомую емкость гасящего конденсатора.

Пример 1. Определить емкость конденсатора, который нужно соединить последовательно с электропаяльником 127 В, 25 Вт, чтобы его можно было включить в сеть переменного тока напряжением 220 В.

Находим Rn:

где U — напряжение, на которое рассчитан электропаяльник, Р — мощность электропаяльника.

Чтобы определить Z, нужно знать ток I, протекающий в цепи:


Тогда Z равно:

Как найти емкость гасящего конденсатора, пользуясь вычисленными предварительными данными, показано на номограмме жирными линиями.

Пример 2. Классический мостовой выпрямитель (рис. 2) с выходным напряжением Uвых = 18 В и током нагрузки In = 20 мА необходимо питать от сети напряжением 127 В. Найти емкость конденсатора С1, который нужно подключить последовательно с выпрямителем, чтобы погасить излишнее напряжение.

Определим сопротивление нагрузки.

Цель опыта: продемонстрировать зависимость сопротивления конденсатора в цепи переменного тока от его емкости и частоты изменения напряжения.
Оборудование :

Рис 1

Учащимся хорошо известно, что постоянный ток не может протекать через конденсатор. (При подключении конденсатора к источнику постоянного тока в цепи только в течение ограниченного времени протекает ток его зарядки.) Поэтому эксперимент следует начать с демонстрации возможности протекания переменного тока в цепи, содержащей конденсатор. Для этого соберите электрическую цепь, схема которой представлена на рис. 1. Конденсатор емкостью 18.8 мкФ и лампа соединяются последовательно, при этом свечение лампы означает наличие тока в цепи. Питание осуществляется от генератора синусоидального сигнала, который, как и источник постоянного тока в предыдущих опытах, подсоединяется через модуль для подключения источника питания.

Установите частоту генератора примерно равной 5 кГц , замкните ключ и плавно увеличивайте амплитуду выходного сигнала генератора до тех пор, пока лампа не начнет гореть достаточно ярко. Продемонстрировав протекание переменного тока в цепи, содержащей конденсатор, Вы можете перейти к более обстоятельному изучению данного явления.

Измените собранную электрическую цепь в соответствии с рис. 2. Теперь конденсатор подключен непосредственно к источнику переменного напряжения, протекающий через него ток регистрируется цифровым миллиамперметром, а приложенное к конденсатору напряжение измеряется цифровым вольтметром.

Громкоговоритель служит для определения на слух изменения частоты напряжения питания.

Рис 2
Переменный резистор, включенный последовательно с громкоговорителем, используется для регулирования громкости звука.

Установите на генераторе частоту 20 Гц и близкий к максимальному уровень выходного сигнала. Замкните ключ и обратите внимание учащихся на показания измерительных приборов. Попросите учеников на основе экспериментальных данных рассчитать сопротивление конденсатора. Плавно увеличивайте частоту генератора, демонстрируя при этом рост тока, протекающего через конденсатор при практически неизменном напряжении на его выводах, и изменение частоты звучания динамика. Следите за показаниями цифрового миллиамперметра и, как только ток в цепи превысит 900 мА , прекратите увеличение частоты выходного сигнала генератора. Сообщите учащимся примерное значение частоты генератора и попросите их еще раз определить сопротивление конденсатора. Сопоставьте величины сопротивлений, полученные учащимися и, принимая во внимание характер изменения тока при проведении опыта, сделайте вывод об обратной зависимости емкостного сопротивления от частоты переменного напряжения.

Для того чтобы показать зависимость емкостного сопротивления от величины емкости конденсатора замкните ключ и еще раз продемонстрируйте режим работы электрической цепи, полученный в конце предыдущего опыта. После этого замените конденсатор 18.8 мкФ конденсатором емкостью 4.7 мкФ . Ток в цепи при этом упадет в 4 раза, что при неизменности приложенного напряжения означает, что сопротивление конденсатора в 4 раза возросло. Обратите внимание учащихся на то, что емкости конденсаторов 18.8 мкФ и 4.7 мкФ также отличаются в 4 раза и сделайте вывод об обратно пропорциональной зависимости емкостного сопротивления от частоты.

Рис 3
В завершение данного эксперимента полезно изучить с учащимися, что происходит в электрической цепи, содержащей последовательно соединенные лампу и конденсатор (рис. 1) при изменении частоты подводимого к ней напряжения. Для этого включите в эту цепь цифровой миллиамперметр (рис. 3) и приготовьте цифровой вольтметр для измерения напряжения на различных элементах. В цепь должен быть включен конденсатор емкостью 18.8 мкФ .

Сопротивление нити накала лампы существенно зависит от силы протекающего через нее тока. Если лампа горит в полный накал, то ее сопротивление равно 14 Ом , но эта величина может стать в 10 раз меньше при уменьшении протекающего через нее тока. В данном эксперименте в области низких частот сопротивление конденсатора велико, ток в цепи при этом мал, сопротивление лампы составляет несколько Ом и практически все напряжение, подводимое к цепи, оказывается приложенным к конденсатору. В области высоких частот сопротивление конденсатора уменьшается до нескольких десятых долей Ома , и все напряжение оказывает приложенным к лампе, сопротивление которой становится более 10 Ом . Таким образом, при изменении частоты генератора от 30 Гц до 5 кГц сопротивление конденсатора уменьшается более чем в 100 раз, а сопротивление лампы возрастает примерно в 10 раз.

Замкните ключ и продемонстрируйте учащимся, как падения напряжения на конденсаторе и лампе изменяются при увеличении частоты от 30 Гц до 5 кГц . Сделайте соответствующие комментарии и объясните, почему, начиная с некоторого значения частоты, ток в цепи остается практически неизменным.

Рис 4
Вы можете также продемонстрировать учащимся еще один эффект, связанный с горением лампы в цепи переменного тока. Соберите электрическую цепь, в которой лампа и миллиамперметр соединены последовательно (рис. 4). Установите частоту генератора 5 кГц и уровень сигнала, соответствующий нормальному режиму горения лампы. После этого плавно уменьшайте частоту выходного сигнала генератора, демонстрируя постоянство тока в собранной электрической цепи и напряжения на лампе, а также неизменность свечения лампы вплоть до частоты 30 Гц . При частоте меньшей 20 Гц становится заметным изменение яркости лампы, возникающее в течение каждого периода колебаний в соответствии с изменением величины подводимого к цепи напряжения. Обратите внимание, что показания цифровых вольтметра и амперметра в этой области частот могут быть некорректны, поскольку рабочий диапазон применяемых приборов начинается с 15Гц .

Реактивная мощность – это величина, характеризующая нагрузки создаваемые различными колебаниями электромагнитных полей, которые встречаются цепях с конденсаторами и индуктивностями. А по своей сути это энергия, которая переходит от источника питания к потребителю (нагрузке), а затем возвращается обратно этими реактивными компонентами в течении одного полупериода.

Существуют потребители электрической энергии, которые создают чисто активную нагрузку. К ним можно отнести различные нагревательные элементы, тэны, лампы накаливания и т.п. Эти потребители не способны генерировать значительных электромагнитных полей. А вот другие потребители способны генерировать реактивную нагрузку. Т.е создавать сильные электромагнитные поля. Основными представителями этой группы можно считать устройства имеющие в своих питающих цепях конденсаторы и катушки индуктивность. Как мы уже знаем, и по разному оказывают влияние на величину реактивной мощности появляющейся в электрической цепи.

Так если приложить к катушки индуктивности ток и напряжение с нулевым сдвигом по фазе, то на выходе схемы увидим отставание тока от напряжения. А вот если подать тоже самое на конденсатор, то на выходе получим опережение током напряжения. Для понимания процесса смотри рисунок, где схематически показано опережение током напряжения при емкостном характере нагрузки.

Такие свойства реактивных нагрузок используют для регулировки уровня напряжения в сети методом компенсации большой индуктивности емкостными нагрузками, и наоборот больших емкостей — индуктивностью.

реактивная мощность вычисляется по следующим формулам:

Где, x — , I и U — ток и напряжение протекающие в цепи, sinφ — коэффициент реактивной мощности

Единицей измерения реактивной мощности по СИ, является вольт ампер реактивный – ВАр

Природу потерь в электрических цепях с реактивными компонентами можно увидеть по графикам на рисунках ниже:

.

При отсутствии активной составляющей в нагрузке, сдвиг фаз между током и напряжением будет 90°. В начальный момент времени, когда уровень напряжение максимален – ток будет стремиться нулю, поэтому, мгновенное значение мощности UI в это время будет нулевым. В течении первой ¼ периода, мощность можно визуализировать на графике, как произведение UI (тока и напряжения), которое станет нулевым при максимуме тока и нулевом значении напряжения.

В следующую ¼ периода, UI будет лежать в отрицательной области координат, поэтому, мощность будет уходить обратно в источник питания. То же самое случится и в отрицательном токовом полупериоде. В результате средняя (активная) потребляемая мощность P avg за период будет нулевой.

В этом случае реактивная мощность, в соответствии с формулой выше стремится к нулю. Потребляемая мощность равна произведению тока и напряжения, Полная мощность будет равна только активной мощности. Коэффициент мощности будет равен единице (P/S = 1 ).

Рассмотрим случай равенства реактивного и активного сопротивлений в нагрузке , т.е сдвиг фаз между током и напряжением на 45°.

В этом случае: Q = U×I×sin45° = 0.71×U×I . Коэффициент мощности = 0.71

Как вы наверное заметили, реактивная мощность оказывает обычно отрицательное воздействие, в связи с чем, необходима ее компенсация.

Для фильтров, применяемых на предприятиях, используются конденсаторы с большой единичной мощностью (75 — 100 квар и более) с напряжением, соответствующим номинальному напряжению сети. При напряжении выше 15 кВ применяется последовательное включение конденсаторов с меньшим номинальным напряжением.  

Особенностью данной схемы является некоторое увеличение длины из-за последовательного включения конденсатора перестройки.  

Рассмотрение кривых показывает, что обратные напряжения на вентилях при работе схем с одноступенчатой искусственной коммутацией в режиме преобразователя-компенсатора могут достигать значительной величины. Следует, однако, отметить особенность мостоиой схемы с последовательным включением конденсаторов, в которой напряжения на вентилях при значениях генерируемой реактивной мощности, близких к минимальным, оказываются небольшими и даже существенно ниже, чем в схеме без искусственной коммутации.  

Цепь переменного тока, содержащая самоиндукцию и емкость. Цепь переменного тока, в отличие от цепи постоянного тока, допускает последовательное включение конденсатора.  

При прямоточной системе иногда некоторое количество воды используется повторно для уменьшения производительности береговой насосной станции и расхода энергии на собственные нужды. В некоторых случаях при недостаточности воды в реке и при низких ее температурах может быть применена схема последовательного включения конденсаторов, с использованием отработавшей воды от одного агрегата для охлаждения второго.  

Если же сопротивления между обкладками (сопротивления утечки) конечны по величине, то напряжения на конденсаторах будут пропорциональны их сопротивлениям утечки. Поэтому при последовательном включении конденсаторов их шунтируют внешними сопротивлениями, чтобы напряжения на них определялись величинами этих сопротивлений, а не случайными значениями сопротивлений утечки.  

На рис. 1 — 14 6 изображено параллельное включение упругих элементов. Здесь все элементы одинаково деформируются, а силы, приложенные к элементам, складываются. По I системе аналогий требуется последовательное включение конденсаторов, а по второй — параллельное соединение индуктивностей.  

Такой способ уменьшения реактивного сопротивления в электрических сетях получил название продольной компенсации, а установки конденсаторов, включенных последовательно в рассечку каждого из проводов линии, названы установками ПЕК или УПК. При равенстве индуктивного сопротивления линии емкостному сопротивлению конденсаторов величина потери напряжения в сети определяется только ее активным сопротивлением. Последовательное включение конденсаторов в сеть для получения надбавки напряжения является целесообразным при относительно невысоких коэффициентах мощности и в сетях со сравнительно крупными сечениями проводов, так как при малых сечениях проводов потеря напряжения в линии определяется в основном ее активным сопротивлением и включение конденсаторов мало повлияет на величину отклонений напряжения у потребителя.  

Предназначены для измерения разности потенциалов главным образом на высоком напряжении. Состоят из системы неподвижных и подвижных пластин, связанных со стрелкой. Основаны на притяжении или отталкивании между заряженными подвижными и неподвижными пластинами. Расширение пределов измерений достигается последовательным включением конденсатора или ответвления с большим безиндукци-онным сопротивлением. Собственное потребление равно нулю на постоянном токе и фактически равно нулю на переменном токе.  

Весьма обстоятельные исследования по схемам с конденсаторами в силовых цепях преобразователей выполнены чл. Работы этих авторов относятся главным образом компенсации реактивной мощности на преобразовательных подстанциях линий электропередач постоянного тока. Этими авторами подробно исследованы схемы с однократной и тройной частотой напряжения конденсаторов применительно к мостовым преобразователям. В работах Л. Р. Неймана и С. Р. Глинтерника исследован вопрос повышения устойчивости инвертора при последовательном включении конденсаторов в его силовую цепь.  

В отличие от остальных цепей с большой постоянной времени ячейка фильтра в цепи коллектора вызывает подъем плоской вершины импульса. Существуют и другие возможности получить подъем вершины импульса для коррекции спада. В частности, при использовании схемы с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению эффект подъема плоской вершины импульса достигается последовательным включением конденсатора в цепь обратной связи.  

Использование конденсатора в качестве сопротивления

Другой способ уменьшения напряжения питания компрессора немного расточительный, но достаточно простой и совсем не затратный. Отличается при этом повышенной надежностью. (Мое мнение, — он надежней промышленного ЛАТР-а.). Из недостатков, — способ не отличается универсальностью. И еще дополнительно придется немного посчитать и померить, т.е. напрячь себя, любимого…
Заключается он в простом, — последовательно с обмоткой компрессора включается гасящий р езистор. На этом резисторе гасится (падает) часть сетевого напряжения, и в итоге рабочая обмотка компрессора хронически недополучает питание. Номинал этого резистора зависит не только от того какую часть от 220 (240) Вольт мы хотим погасить, но еще и от мощности самого компрессора. Для упрощения можно остановиться на тех же обсуждаемых 10%, которые хотим погасить. Т.е. резистор должен на себя «принять» порядка 20 Вольт, а остальные 200-220 Вольт отдать компрессору.

Ниже приведена упрощенная методика расчета этого резистора для НЕ-электронщиков (специально упрощаю расчет, дабы не плодить в расчетах непонятные места, которые на конечный результат очень мало влияют.)

Расчет гасящего резистора

1. Читаем на этикетке или на нижней стороне компрессора данные о его потребляемой мощности.

Пример:

Пусть наш компрессор 22 Ватт, а сетевое напряжение для упрощения примем равным 220 Вольт.Тогда ток, протекающий через компрессор, будет равен:

I=P/U= 22/220= 0,1 Ампер

Нашей задачей является погасить порядка 20 Вольт. Тогда по закону Ома сопротивление такого резистора должно быть:

R=U/I = 20/0,1 = 200 Ом

Мощность резистора определяется по тем же простым формулам:

P=U х I = 20 х 0,1 = 2 Ватт

Мощность гасящего резистора следует брать обязательно с запасом, — как минимум, на 50% больше от расчетного значения . Но лучше запас делать еще бО льшим. Ближайшим стандартным номиналом является резистор 200 Ом мощностью 5 Ватт. Если поставите 10-ваттный резистор, то будет только лучше, — тогда он совсем не будет греться.

Можно встроить резистор в коробку компрессора. Можно еще проще поступить, — выделить для компрессора отдельный удлинитель с тройником, и вмонтировать резистор в корпус тройника, включив его последовательно с нагрузкой (т.е. с компрессором).

Повторюсь, — описанная выше методика вычисления номинала резистора не совсем точная. Считается это все несколько иначе. Но для наших целей вполне достаточно и такого приблизительного подсчета. Поставите Вы резистор номиналом 200, 210, или 220 Ом, — особо это не скажется на конечном результате. Отмечу лишь, что резисторы лучше выбирать те же «совковые», или хотя бы современные отечественные. На фото пример правильного резистора. Китайские же Ватты, указанные на их резисторах, заметно отличаются от заявленных. И, разумеется, в меньшую сторону.

Предупреждение! В этот тройник нельзя будет включать другие приборы. Потому что при подключении другого прибора нужно пересчитать номинал гасящего резистора.
Напишите на этом тройнике фломастером «Компрессор!», чтобы не забывать о том, что этот тройник перестал быть тройником общего назначения.
(Вряд ли можно посчитать недопустимой расточительностью выделение отдельной колодки для такого жизненно важного узла, как компрессор в аквариумной системе. 😉

Выпрямители для зарядки аккумуляторных батарей, осветительные лампы небольшой мощности и другие устройства, с рабочим напряжением меньше напряжения сети, обычно подключают к ней через трансформатор или последовательно с добавочными резисторами, на которых гасится излишнее напряжение. При этом на гасящем резисторе выделяется большая мощность, которая рассеивается в виде тепла.

Но известно, что конденсатор, установленный к цепи переменного тока, обладает сопротивлением, зависящим от частоты и называемым реактивным. Используя его, также можно гасить излишнее напряжение сети, причем мощность на реактивном сопротивлении не выделяется, что является большим преимуществом конденсатора перед гасящим резистором.

Так как полное сопротивление Z цепи, составленной из последовательно включенных нагрузки с активным сопротивлением R H и конденсатора с реактивным сопротивлением Х с равно Z=√R H 2 +X C 2 , то непосредственный расчет емкости гасящего конденсатора довольно сложен. Для определения ее проще пользоваться номограммой, приводимой на рис. 1.


На ней по оси абсцисс отложены сопротивления R H в кОм, по оси ординат — емкости С гасящих конденсаторов в мкФ и по оси, проведенной под углом 45° к оси абсцисс,- полные сопротивления Z цепи в кОм.

Чтобы воспользоваться номограммой, предварительно нужно по закону Ома или формуле мощности определить R H и Z.

На оси абсцисс номограммы находят вычисленное значение R H и проводят из этой точки вертикальную прямую, параллельную оси ординат. Затем на наклонной оси отыскивают ранее определенное значение Z. Из точки начала координат через точку Z проводят дугу, которая должна пересечь линию, проведенную параллельно осп ординат. Из точки пересечения ведут линию, параллельную оси абсцисс. Точка, где эта линия встретится с осью ординат, укажет искомую емкость гасящего конденсатора.

Пример 1 . Определить емкость конденсатора, который нужно соединить последовательно с осветительной лампой 127 В 25 Вт, чтобы се можно было включить н сеть переменного тока напряжением 220 В. Находим R H:

R H =U 2 /P=127 2 /25=640 Ом

где U — напряжение, на которое рассчитана осветительная лампа, Р — мощность лампы. Чтобы определить Z, нужно узнать ток I, протекающий в цепи:

I=P/U=25/127=0,2A

Тогда Z равно:

Z=220/0,2=1100 Ом

Как найти емкость гасящего конденсатора, пользуясь вычисленными предварительными данными, показано на номограмме жирными линиями.

Пример 2 . Мостовой выпрямитель (рис. 2) с выходным напряжением U вых = 18 В и током нагрузки I H = 20mA необходимо питать от сети с напряжением 127 В. Найти емкость конденсатора С 1 , который нужно подключить последовательно выпрямителю, чтобы погасить излишнее напряжение.

Определяем сопротивление нагрузки:

R H =U вых /I H =18/0,02=900 Ом

и полное сопротивление пепи:

Для гашения напряжения можно использовать только бумажные конденсаторы, предназначенные для работы в цепи переменного тока (типов МБМ, МБГП, БМТ и др.). Их рабочее напряжение для большей надежности работы должно превышать в два-три раза напряжение, которое нужно погасить.

Маломощные зарядные устройства для герметизированных малогабаритных аккумуляторов, блоки питания для светодиодных ламп, блоки питания для низковольтных слаботочных устройств обычно подключают к первичной сети переменного тока 220 вольт через понижающие трансформаторы или добавочные резисторы. При этом на гасящем резисторе выделяется большая бесполезная мощность в виде тепла, а трансформаторы имеют большие габариты и вес.

Можно конечно применить малогабаритные трансформаторы, но из-за применения в них очень тонких обмоточных проводов, резко уменьшается надежность таких блоков питания. Известно, что конденсатор, установленный в цепи переменного тока, обладает реактивным сопротивлением, которое зависит от частоты переменного тока, протекающего через его обкладки. Использование конденсаторов позволяет гасить излишнее напряжение, при этом мощность на реактивном сопротивлении не выделяется и это является большим преимуществом конденсатора перед резистором. Один из методов расчета гасящего конденсатора , теперь хочу предложить еще один, с использованием номограммы.
Так как полное сопротивление Z цепи, составленной из последовательно включенных нагрузки с активным сопротивлением Rн и гасящего конденсатора с реактивным сопротивлением Хс равно

То прямой расчет емкости гасящего конденсатора довольно сложен.

Поэтому проще воспользоваться номограммой. На ней по оси абсцисс отложены величины сопротивлений нагрузки Rн в килоомах, а по оси ординат отложены величины емкостей гасящих конденсаторов в микрофарадах. По оси, проведенной под углом сорок пять градусов – полные сопротивления Z цепи в килоомах.
Чтобы воспользоваться номограммой, надо определить сопротивление нагрузки — Rн. Rн = I2 R = U2/R и полное сопротивление цепи Z.
Пример. Мостовой выпрямитель с выходным напряжением 12 вольт и током нагрузки 120 мА необходимо питать от сети переменного тока 220 вольт. Надо найти емкость гасящего конденсатора, подключенного последовательно выпрямительному диодному мосту.
Для начала нам необходимо определить сопротивление нагрузки. Rн = U/I = 12 В / 0,12 А = 100 Ом. Теперь определяем полное сопротивление цепи в сети переменного тока 220 вольт. Z = 220 В/0,12 А = 1833 Ом. Далее определяем емкость гасящего конденсатора по номограмме. Для этого из точки на оси абсцисс, соответствующей сопротивлению 100 Ом восстановим перпендикуляр. Через точку, находящуюся на оси Z и соответствующей сопротивлению 1833 Ома, проводим дугу В с центром в точке 0, до пересечения с перпендикуляром А. Получаем точку С, которую проектируем на оси Y – ось емкости. Получаем необходимую емкость гасящего конденсатора, примерно 1,8 мкф. Все просто и удобно. Успехов. К.В.Ю.
Используемая литература: журнал «Радио» № 7 за 1970 год. Автор статьи В. Шишков
Скачать рисунок номограммы можно в формате sPlan здесь.

В радиолюбительской практике, да и в промышленной аппаратуре источником электрического тока обычно являются гальванические элементы, аккумуляторы, или промышленная сеть 220 вольт. Если радиоприбор переносной (мобильный), то использование батарей питания себя оправдывает такой необходимостью. Но если радиоприбор используется стационарно, имеет большой ток потребления, эксплуатируется в условиях наличия бытовой электрической сети, то питание его от батарей практически и экономически не выгодно. Для питания различных устройств низковольтным напряжением от бытовой сети 220 вольт существуют различные виды и типы преобразователей напряжения бытовой сети 220 вольт в пониженное. Как правило, это схемы трансформаторного преобразования. Схемы трансформаторного питания строятся по двум вариантам:

1. «Трансформатор – выпрямитель — стабилизатор» — классическая схема питания, обладающая простотой построения, но большими габаритными размерами;

2. «Выпрямитель — импульсный генератор – трансформатор – выпрямитель – стабилизатор» — схема импульсного источника питания, обладающая малыми габаритными размерами, но имеющая более сложную схему построения.

Самое главное достоинство указанных схем питания – наличие гальванической развязки первичной и вторичной цепи питания. Это снижает опасность поражения человека электрическим током, и предотвращает выход аппаратуры из строя по причине возможного замыкания токоведущих частей устройства на «ноль». Но иногда, возникает потребность в простой, малогабаритной схеме питания, в которой наличие гальванической развязки не важно. И тогда мы можем собрать простую конденсаторную схему питания . Принцип её работы заключается в «поглощении лишнего напряжения» на конденсаторе. Для того, чтобы разобраться в том, как это поглощение происходит, рассмотрим работу простейшего .

Делитель напряжения состоит из двух резисторов R1 и R2 . Резистор R1 – ограничительный, или по другому называется добавочный. Резистор R2 – нагрузочный (), он же является внутренним сопротивлением нагрузки.

Предположим, что нам необходимо из напряжения 220 вольт получить напряжение 12 вольт. Указанные U2 = 12 вольт должны падать на сопротивлении нагрузки R2 . Это означает, что остальное напряжение U1 = 220 – 12 = 208 вольт должно падать на сопротивлении R1 .

Допустим, что в качестве сопротивления нагрузки мы используем обмотку электромагнитного реле, а активное сопротивление обмотки реле R2 = 80 Ом . Тогда по закону Ома, ток, протекающий через обмотку реле, будет равен: Iцепи = U2/R2 = 12/80 = 0,15 ампер . Указанный ток должен течь и через резистор R1 . Зная, что на этом резисторе должно падать напряжение U1 = 208 вольт , по закону Ома определяем его сопротивление:

R1 = UR1 / Iцепи = 208/0,15 = 1 387 Ом .

Определим мощность резистора R1: Р = UR1 * Iцепи = 208 * 0,15 = 31,2 Вт .

Для того, чтобы этот резистор не грелся от рассеиваемой на нём мощности, реальное значение его мощности необходимо увеличить в раза два, это приблизительно составит 60 Вт . Размеры такого резистора довольно внушительны. И вот здесь нам пригодится конденсатор!

Мы знаем, что любой конденсатор в цепи переменного тока обладает таким параметром, как «реактивное сопротивление» — сопротивление радиоэлемента изменяющееся в зависимости от частоты переменного тока. Реактивное сопротивление конденсатора определяется по формуле: где п – число ПИ = 3,14, f – частота (Гц), С – ёмкость конденсатора (фарад).

Заменив резистор R1 на бумажный конденсатор С , мы «забудем» что такое резистор внушительных размеров.

С должно приблизительно равняться ранее рассчитанному значению R1 = Хс = 1 387 Ом .

Преобразовав формулу заменив местами величины С и Хс , мы определим значение ёмкости конденсатора:
С1 = 1 / (2*3,14*50*1387) = 2,3*10 -6 Ф = 2,3 мкФ

Это может быть несколько конденсаторов с требуемой общей ёмкостью, включенных параллельно, или последовательно.

Схема бестрансформаторного (конденсаторного) питания будет выглядеть следующим образом:

Но изображённая схема работать будет, но не так как мы планировали! Заменив массивный резистор R1 на один, или два малогабаритных конденсатора, мы выиграли в размерах, но не учли одно — конденсатор должен работать в цепи переменного тока, а обмотка реле – в цепи постоянного тока. На выходе нашего делителя переменное напряжение, и его необходимо преобразовать в постоянное. Это достигается вводом в схему диодного выпрямителя разделяющего входную и выходную цепь, а так же элементов сглаживающих пульсацию переменного напряжения в выходной цепи.

Окончательно, схема бестрансформаторного (конденсаторного) питания будет выглядеть следующим образом:

Конденсатор С2 — сглаживающий пульсации. Для исключения опасности поражения электрическим током от накопленного напряжения в конденсаторе С1 , в схему введен резистор R1 , который шунтирует конденсатор своим сопротивлением. При работе схемы он своим большим сопротивлением не мешает, а после отключения схемы от сети, в течение времени, определяемого секундами, через резистор R1 происходит разряд конденсатора. Время разряда определяется обыкновенной формулой:

Для того, чтобы следующий раз не делать все вышеперечисленные расчёты, выведем окончательную формулу расчёта ёмкости конденсатора схемы бестрансформаторного (конденсаторного) питания. При известных значениях входного и выходного напряжения, а также сопротивления R2 (оно же — сопротивление нагрузки ), значение сопротивления R1 находится в соответствии с пунктом 3 статьи » «:

Объединив две формулы, находим конечную формулу расчета ёмкости конденсатора схемы бестрансформаторного питания:

где Р1 .

Учитывая, что при работе в переменном напряжении в конденсаторе происходят перезарядные процессы, а также сдвиг фазы тока по отношению к фазе напряжения, необходимо брать конденсатор на напряжение в 1,5…2 раза больше того напряжения, которое подаётся в цепь питания. При сети 220 вольт, конденсатор должен быть рассчитан на рабочее напряжение не менее 400 вольт .

По указанной выше формуле можно рассчитать значение ёмкости схемы бестрансформаторного питания для любого устройства, работающего в режиме постоянной нагрузки. Для работы в условиях переменной нагрузки, меняется также ток и напряжение выходной цепи. Для стабилизации выходного напряжения обычно применяют стабилитроны, или эквивалентные транзисторные схемы, ограничивающие выходное напряжение на необходимом уровне. Одна из таких схем показана на рисунке ниже.

Вся схема включена в сеть 220 вольт постоянно, а реле Р1 включается в цепь и выключается с помощью выключателя S1 . В качестве выключателя может быть и полупроводниковый прибор, например транзистор. Транзисторный каскад VT1 включен параллельно нагрузке, он исключает увеличение напряжения во вторичной цепи. Когда нагрузка отключена, ток течёт через транзисторный каскад. Если бы этого каскада не было, то при отключении S1 и отсутствии другой нагрузки, на выводах конденсатора С2 напряжение могло бы достигнуть максимального сетевого – 315 вольт.

Стоит отметить, что при расчёте схем автоматики с реле, необходимо учитывать, что напряжение срабатывания реле, как правило, равно его номинальному (паспортному) значению, а напряжение удержания реле во включенном состоянии приблизительно в 1,5 раза меньше номинального. Поэтому, рассчитывая схему, изображённую выше, оптимально вести расчёт конденсатора для режима удержания, а напряжение стабилизации сделать равным номинальному (или чуть выше номинального). Это позволит работать всей схеме в режиме меньших токов, что повышает надёжность. Таким образом, для расчета емкости конденсатора С1 в схеме с коммутируемой нагрузкой, параметр Uвх мы берём равным не 12 вольт, а в полтора раза меньше – 8 вольт, а для расчёта ограничительного (стабилизирующего) транзисторного каскада – номинальное 12 вольт. С1 = 1 / (2 * 3,14 * 50 * ((220 * 80) / 8 – 80)) = 1,5 мкФ В качестве стабилизирующего элемента при малых токах можно использовать стабилитрон. При больших токах стабилитрон не годится – слишком малая у него рассеиваемая мощность. Поэтому в таком случае оптимально использовать транзисторную схему стабилизации напряжения. Расчёт стабилизирующего транзисторного каскада основан на использовании порога открытия биполярного транзистора, при достижении напряжения база-эмиттер 0,65 вольта (на кристалле кремния). Но учтите, что для разных транзисторов это напряжение колеблется в пределах 0,1 вольта, не только по типам, но и по экземплярам транзисторов. Поэтому напряжение стабилизации на практике может немного отличаться от рассчитанного значения.
Расчёт делителя смещения каскада стабилизации проводится всё по тем же формулам делителя напряжения, при известных Uвх.дел. = 12 вольт , Uвых.дел. = 0,65 вольт и токе транзисторного делителя, который должен быть приблизительно в двадцать раз меньше тока протекающего через ёмкость С1 . Этот ток легко найти: Iдел. = Uвх.дел. / (20*Rн) = 12 / (20 * 80) = 0,0075 ампер , где – сопротивление нагрузки, в нашем случае это – сопротивление обмотки реле Р1 , равное 80 Ом .

Номиналы резисторов R1 и R2 определяются по формулам, ранее опубликованным в статье » «: , где Rобщ – общее сопротивление резисторов делителя смещения транзистора VT1 , которое находится по закону Ома:

Итак: Rобщ = 12 / 0,0075 = 1600 Ом ;

R3 = 0,65 * 1600 / 12 = 86,6 Ом 82 Ом ;

R2 = 1600 – 86,6 = 1513,4 Ом , по номинальному ряду, ближайший номинал – 1,5 кОм .

Зная падение напряжения на резисторах и ток делителя, не забудьте рассчитать их габаритную мощность. С запасом, габаритную мощность R2 выбираем в 0,25 Вт, а R3 – в 0,125 Вт. Вообще, вместо резистора R2 лучше поставить стабилитрон, в данном случае это может быть Д814Г, КС211(с любым индексом), Д815Д, или КС212(с любым индексом). Я научил вас рассчитывать резистор намеренно.

Транзистор выбирается также с запасом падающей на его переходе мощности. Как выбирать транзистор в подобных стабилизирующих каскадах, хорошо описано в статье » «. Для лучшей стабилизации, возможно использование схемы «составного транзистора».

Думаю, что статья своей цели достигла, «разжёвано» всё до каждой мелочи.

Все своими руками Использование конденсатора в качестве сопротивления

Опубликовал admin | Дата 10 ноября, 2014

     Маломощные зарядные устройства для герметизированных малогабаритных аккумуляторов, блоки питания для светодиодных ламп, блоки питания для низковольтных слаботочных устройств обычно подключают к первичной сети переменного тока 220 вольт через понижающие трансформаторы или добавочные резисторы. При этом на гасящем резисторе выделяется большая бесполезная мощность в виде тепла, а трансформаторы имеют большие габариты и вес.

      Можно конечно применить малогабаритные трансформаторы, но из-за применения в них очень тонких обмоточных проводов, резко уменьшается надежность таких блоков питания. Известно, что конденсатор, установленный в цепи переменного тока, обладает реактивным сопротивлением, которое зависит от частоты переменного тока, протекающего через его обкладки. Использование конденсаторов позволяет гасить излишнее напряжение, при этом мощность на реактивном сопротивлении не выделяется и это является большим преимуществом конденсатора перед резистором. Один из методов расчета гасящего конденсатора я уже приводил ранее, теперь хочу предложить еще один, с использованием номограммы.
     Так как полное сопротивление Z цепи, составленной из последовательно включенных нагрузки с активным сопротивлением Rн и гасящего конденсатора с реактивным сопротивлением Хс равно


то прямой расчет емкости гасящего конденсатора довольно сложен.

     Поэтому проще воспользоваться номограммой. На ней по оси абсцисс отложены величины сопротивлений нагрузки Rн в килоомах, а по оси ординат отложены величины емкостей гасящих конденсаторов в микрофарадах. По оси, проведенной под углом сорок пять градусов – полные сопротивления Z цепи в килоомах.
Чтобы воспользоваться номограммой, надо определить сопротивление нагрузки — Rн. Rн = I2•R = U2/R и полное сопротивление цепи Z.
Пример. Мостовой выпрямитель с выходным напряжением 12 вольт и током нагрузки 120 мА необходимо питать от сети переменного тока 220 вольт. Надо найти емкость гасящего конденсатора, подключенного последовательно выпрямительному диодному мосту.
Для начала нам необходимо определить сопротивление нагрузки. Rн = U/I = 12 В / 0,12 А = 100 Ом. Теперь определяем полное сопротивление цепи в сети переменного тока 220 вольт. Z = 220 В/0,12 А = 1833 Ом. Далее определяем емкость гасящего конденсатора по номограмме. Для этого из точки на оси абсцисс, соответствующей сопротивлению 100 Ом восстановим перпендикуляр. Через точку, находящуюся на оси Z и соответствующей сопротивлению 1833 Ома, проводим дугу В с центром в точке 0, до пересечения с перпендикуляром А. Получаем точку С, которую проектируем на оси Y – ось емкости. Получаем необходимую емкость гасящего конденсатора, примерно 1,8 мкф. Все просто и удобно. Успехов. К.В.Ю.
Используемая литература: журнал «Радио» № 7 за 1970 год. Автор статьи В. Шишков
Скачать рисунок номограммы можно в формате sPlan здесь.

Скачать “Использование конденсатора в качестве сопротивления” Nomogramma.rar – Загружено 2286 раз – 2 КБ

Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».

Просмотров:17 902


гасящий конденсатор за место трансформатора

Конденсатор в качестве понижающего трансформатора

Конденсатор при включении в цепь с переменным напряжением обладает реактивным сопротивлением. Его сопротивление меняется в зависимости от частоты.

Благодаря этому свойству конденсатора его возможно использовать за место гасящего резистора.При этом на конденсаторе не выделяет тепло, что является большим преимуществом над обычным резистором.

Расчет номиналов такого конденсатора достаточно сложен, для упрощения расчета предлагаю воспользоваться номограммой, представленной ниже.2/25=645 Ом

Где, U- необходимое напряжение на нагрузке (в нашем случае на паяльнике). P- мощность нагрузки.
Затем рассчитываем ток проходящий через нагрузку

Iн=Pн/Uвых=25/127=0.2 А

Затем рассчитываем сопротивление цепи Z

Z=Uвх/Iн=220/0,2=1100 Ом

На номограмме данные значения выделены, нам нужен конденсатор на 3,5 мкФ.

Пример 2

Нам необходимо запитать постоянным током устройство рассчитанное на напряжение 18В и ток 20мА. При этом напряжение сети 127В.

Внимание схема работает от 220В, развязки от сети нет. Будьте внимательны, соблюдайте технику безопасности!

Rн=Uвых/Iн=18/0,02=900 Ом
Z=Uвх/Iн=127/0,02=6,35 кОм

Данный пример на номограмме выделен пунктиром. Емкость конденсатора составляет 0,51 мкФ.
Конденсаторы в качестве гасящего элемента следует выбирать бумажные. С запасом по напряжению в 2-3 раза, превышающего напряжение которое нужно погасить.

советы электрику

3)пайка транзисторов


Выводы транзистора паяют в определенной последовательности, предотвращающей его выход из строя, — сначала вывод базы, затем эмиттера, и в последнюю очередь коллектора. Аналогично поступают и с полевым транзистором: сначала припаивают вывод затвора, а после — истока и стока;

4)индикатор включения


Для индикации включения в сеть той или иной самоделки параллельно первичной обмотке трансформатора включают световой индикатор — лампу ТН — 0,2 или ТН — 0,3. Для ограничения тока через лампу последовательно с ней (подобно конденсатору на рис.1) включают резистор мощностью не менее 0,5Вт. Яркость свечения лампы зависит от этого резистора. Однако, ставить резистор сопротивлением менее 200кОм не рекомендуется.

 

5)лужение нихромового провода

Проволочные резисторы маленького номинала чаще всего самостоятельно изготавливают из нихрома. При этом всегда возникает проблема обеспечения надежного электрического соединения с медным проволочным выводом — ведь нихром плохо поддается лужению с обычным канифольным флюсом. Значительно легче облудить конец нихромового провода, если в качестве флюса использовать обычную лимонную кислоту в порошке. На деревянную подставку насыпают очень немного (две спичечные головки) порошка лимонной кислоты, кладут на порошок зачищенный конец провода и с некоторым усилием водят по нему жалом горячего паяльника. Порошок плавится и хорошо смачивает провод. Залуженный проводник кладут на канифоль и еще разоблуживают — это необходимо для того, чтобы удалить с провода остатки лимонной кислоты.
Описанным способом можно лудить мелкие предметы из стали и других металлов.

6) неполярный конденсатор из двух полярных

Если вам когда-либо понадобится обычный неполярный конденсатор большой емкости, например, для запуска асинхронного двигателя, а найти таковой будет сложно, можно воспользоваться еще одни хитрым советом. Такой конденсатор можно составить из двух полярных электролитических конденсаторов, соединенных последовательно. Для этого их требуется соединить друг с другом минусовыми выводами. Но необходимо помнить, что емкость каждого из применяемых электролитических конденсаторов должна быть вдвое больше требуемой емкости неполярного конденсатора, потому как при последовательном соединении конденсаторов их емкостя складываются по формуле для нахождения общего сопротивления двух параллельно включенных сопротивлений. Эту формулу можно посмотреть здесь. Только вместо значений сопротивлений необходимо подставить значения емкости

Демпфирующий резистор

— обзор

4.5.3 Подавление VFTO

VFTO в основном подавляются путем установки демпфирующего резистора в разъединитель. Этот демпфирующий резистор последовательно подключается к разрядной цепи во время размыкания / замыкания разъединителя, чтобы подавить электромагнитные колебания из-за повторяющихся искр в промежутке, тем самым уменьшая амплитуду и частоту VFTO [10,11].

На рисунке 4.30 изображена кривая зависимости амплитуд VFTO от демпфирующего сопротивления при типичных условиях работы разъединителя.Эти амплитуды получены от демпфирующих резисторов разного сопротивления. Этот рисунок показывает, что демпфирующий резистор может значительно снизить VFTO, то есть более высокое сопротивление приведет к более низкому VFTO. При сопротивлении 100–500 Ом все VFTO составляют менее 1,5 о.е. Когда сопротивление превышает 500 Ом, VFTO немного уменьшаются. На рисунке 4.31 изображена кривая зависимости потребления энергии демпфирующим резистором от сопротивления во время одной искры. Видно, что более высокое сопротивление приводит к более высокому потреблению энергии.Когда сопротивление находится в диапазоне 0–100 Ом, потребление энергии резко возрастает с увеличением сопротивления. При увеличении сопротивления от 100 до 500 Ом потребление энергии увеличивается с 1100 до 1200 Дж. После того, как сопротивление превышает 500 Ом, потребление энергии увеличивается лишь незначительно.

Рисунок 4.30. Кривая зависимости амплитуды VFTO от демпфирующего сопротивления.

Рисунок 4.31. Кривая зависимости энергозатрат демпфирующего сопротивления от демпфирующего сопротивления.

Как было проанализировано, когда сопротивление демпфирования находится в диапазоне 100–500 Ом, все VFTO меньше 1.5 о.е., поэтому требования по согласованию изоляции соблюдены. После того, как сопротивление демпфирования превышает 500 Ом, VFTO немного уменьшаются. С этой точки зрения сопротивление должно быть в пределах 100–500 Ом. Кроме того, более высокое сопротивление приведет к более высокому потреблению энергии, большим производственным трудностям и более высокой стоимости. Следовательно, сопротивление демпфирования следует определять с учетом различных факторов, таких как пределы VFTO, производство и стоимость.

Кроме того, теоретические и тестовые исследования показывают, что скорость переключения разъединителя имеет большое влияние на VFTO, то есть более медленное переключение может помочь уменьшить VFTO.Следовательно, правильная скорость переключения и структура разъединителя могут способствовать снижению VFTO [11].

В последние годы другие меры, такие как MOA и магнитные кольца на шинопроводе GIS, привлекли широкое внимание. Однако эти меры подлежат дальнейшим испытаниям и модельным исследованиям перед использованием.

R-C Snubbing для лаборатории

По мере повышения эффективности источников питания сопротивление цепей имеет тенденцию к снижению. Это может привести к созданию высокочастотных цепей, потенциально способных вызвать большие выбросы напряжения и длительное время спада.Это может вызвать перенапряжение в полупроводниках, что ограничивает эффективность и надежность схемы.

Демпфирование этих высокочастотных цепей простой цепью резистор-конденсатор обеспечивает демпфирование, которое сводит к минимуму звон и перенапряжение.

Базовая схема, показанная на Рис. 1 , служит полезной моделью. L1 и C1 образуют резонансный контур, который демпфируется RL. В реальном приложении сложно использовать RL для демпфирования, потому что он либо физически слишком велик, либо слишком далеко, чтобы работать как реальная резистивная нагрузка на частоте вызывного сигнала, которая обычно находится в диапазоне МГц.


Рисунок 1.

Когда схема на Рисунке 1 стимулируется прямоугольной волной с пиком 10 В на V (1), выход на V (2) звенит. В этой схеме напряжения компонентов увеличены почти вдвое. Стимул 10 В дает ответ 19 В. График на рис. 2 показывает V (1) (верхняя кривая) и V (2) (нижняя кривая). На этой частоте вызывного сигнала 10 МГц может быть трудно предсказать, как будут вести себя отдельные компоненты схемы.


Рисунок 2.

Очень простой метод определения оптимального демпфера для данной цепи — это найти компоненты резонансного резервуара L-C.Если фактическая схема резервуара неизвестна, попробуйте добавить конденсатор между подозреваемыми узлами, пока не будет наблюдаться изменение частоты вызывного сигнала. Если все возможные узлы в цепи исчерпаны, попробуйте переместить кусок феррита ближе к плате. Когда высокопроницаемый феррит взаимодействует с токовой петлей в резервуаре, его компоненты можно идентифицировать, наблюдая снижение частоты. Как только баковый конденсатор найден, добавляйте к нему емкость, пока частота вызывного сигнала не уменьшится вдвое.Частота вызывного сигнала уменьшается вдвое путем возведения в квадрат значения общей емкости, а затем добавления последовательного сопротивления к конденсатору до тех пор, пока не будет достигнуто приемлемое демпфирование. Эта демпферная цепь образована RS и CS и показана на , рис. 3, .


Рисунок 3.

Зная, какая емкость необходима для уменьшения частоты вдвое, легко определить индуктивность цепи по формуле

где C1 и F — исходная емкость цепи и частота вызывного сигнала.Поскольку для уменьшения частоты вдвое требуется C1 плюс 3 добавленных C1, исходная емкость схемы рассчитывается путем деления добавленной емкости на три. Оптимальный резистор для гашения выброса — это удвоенное индуктивное сопротивление на новой резонансной частоте. Например, если в схеме используется кольцо 100 нс, а добавление конденсатора 1500 пФ уменьшает период до 200 нс, расчетные значения для C1 и L2 составляют 500 пФ и 500 нГн соответственно. Индуктивное сопротивление тогда
Поскольку новая частота составляет 5 МГц, а L1 — 500 нГн, отсюда следует, что Z равно 15.7 Ом. Чтобы найти оптимальный резистор, умножьте это индуктивное сопротивление на два: для этой схемы — 32 Ом. Результирующие выбросы и затухания значительно уменьшаются, как показано на графиках , рис. 4, .


Рис. 4.

Мощность, рассеиваемая в резисторе RS, может быть приблизительно рассчитана, если предположить, что энергия, запасенная в добавленном конденсаторе, теряется в резисторе при каждом переходе, или

где P — мощность, рассеиваемая в резисторе, в ваттах, CS — добавленная емкость, Vpk — пиковое напряжение конденсатора, а Ft — частота переключения (два перехода за цикл).В этой схеме на частоте 100 кГц RS рассеивает примерно 31 мВт. Это только приблизительное значение размера резистора и его влияния на схему. Для более точного расчета рассеиваемой мощности необходимо знать истинное среднеквадратичное значение тока через резистор RS.

Если требуется дальнейшее снижение напряжения вызывного сигнала, увеличивайте емкость резервуара до тех пор, пока не будет получено трехкратное снижение частоты вызывного сигнала. Это сокращение будет происходить за счет потери мощности, поскольку схема должна управлять в 9 раз большей емкостью.В приведенном выше примере необходимо добавить значение 4000 пФ или восьмикратное значение CS, чтобы снизить частоту вызывного сигнала до 3,33 МГц (300 нс). Добавленная емкость, разделенная на восемь, дает емкость цепи C1, а индуктивное сопротивление составляет 10,5 Ом. Опять же, чтобы найти RS, индуктивное реактивное сопротивление нужно умножить на два. Для этой схемы 21 Ом является оптимальным значением для RS, и она рассеивает примерно 63 мВт. На графике , рис. 5, показан отклик схемы на рис. 3 с этими значениями.


Рис. 5.

Несмотря на то, что демпфирование приводит к потерям, оно может повысить эффективность и надежность. С меньшим звоном можно использовать детали с более низким напряжением, и можно избежать чрезмерных потерь из-за лавинных эффектов в полупроводниках. Также снижается уровень шума цепи. Этот метод может быстро решить проблемы в лаборатории, когда у инженера нет времени на измерение и анализ цепи.

Схемы серии RLC — University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определить угловую частоту колебаний для резистора, катушки индуктивности, конденсатора последовательной цепи
  • Свяжите цепь с демпфированными колебаниями пружины

Когда переключатель замкнут в цепи RLC (Рисунок) (a), конденсатор начинает разряжаться, и электромагнитная энергия рассеивается резистором со скоростью.Для U (рисунок) мы имеем

, где i и q — функции, зависящие от времени. Это снижается до

. (а) Схема RLC . Электромагнитные колебания начинаются при включении переключателя. Конденсатор изначально полностью заряжен. (b) Затухающие колебания заряда конденсатора показаны на этой кривой зависимости заряда от времени, или q против t . Конденсатор содержит заряд до включения переключателя.

Это уравнение аналогично

.

, которое представляет собой уравнение движения для системы с амортизированной массой и пружиной (вы впервые встретили это уравнение в «Колебаниях»).Как мы видели в этой главе, можно показать, что решение этого дифференциального уравнения принимает три формы, в зависимости от того, больше, равно или меньше угловая частота незатухающей пружины b /2 m . Следовательно, результат может быть недостаточно демпфированным, критически демпфированным или избыточным. Аналогично, решение q ( t ) дифференциального уравнения RLC имеет ту же особенность. Здесь мы рассмотрим только случай недостаточного демпфирования.Заменив m на L , b на R , k на 1/ C и x на q на (Рисунок) и предполагая, мы получаем

, где угловая частота колебаний равна

Это решение с недостаточным демпфированием показано на (Рисунок) (b). Обратите внимание, что амплитуда колебаний уменьшается по мере рассеивания энергии в резисторе. (Рисунок) можно подтвердить экспериментально, измерив напряжение на конденсаторе как функцию времени.Это напряжение, умноженное на емкость конденсатора, дает q ( t ).

Проверьте свое понимание В цепи RLC : (a) Имеется ли в цепи недостаточное, критическое или избыточное демпфирование? (b) Если цепь начинает колебаться при заряде конденсатора, сколько энергии рассеивается в резисторе к тому времени, когда колебания прекращаются?

Сводка

  • Решение с недостаточным демпфированием заряда конденсатора в цепи RLC составляет
  • Угловая частота, указанная в решении с недостаточным демпфированием для цепи RLC , составляет

Концептуальные вопросы

Когда провод подключен между двумя концами соленоида, результирующая цепь может колебаться, как цепь RLC .Опишите причину появления емкости в этой цепи.

Опишите, какое влияние оказывает сопротивление соединительных проводов на колеблющуюся цепь LC .

Это создает цепь RLC , которая рассеивает энергию, вызывая медленное или быстрое уменьшение амплитуды колебаний в зависимости от значения сопротивления.

Предположим, вы хотите разработать схему LC с частотой 0,01 Гц. С какими проблемами вы можете столкнуться?

Радиоприемник использует схему RLC для выбора определенных частот для прослушивания дома или в машине, не слыша других нежелательных частот.Как бы кто-нибудь спроектировал такую ​​схему?

Вам нужно выбрать достаточно маленькое сопротивление, чтобы можно было снимать только одну станцию, но достаточно большое, чтобы тюнер не нужно было настраивать точно на правильную частоту. Индуктивность или емкость должны быть изменены для настройки на станцию, однако практически говоря, переменные конденсаторы намного проще встроить в схему.

Проблемы

Какова угловая частота колебаний в колебательном контуре RLC ?

Сколько времени проходит в колеблющейся схеме RLC , прежде чем амплитуда колебаний упадет до половины своего первоначального значения?

Какое сопротивление R должно быть последовательно соединено с индуктором на 200 мГн образующегося колебательного контура RLC , чтобы за 50 циклов разрядиться до своего начального значения заряда? До исходного значения за 50 циклов?

Дополнительные проблемы

Покажите, что самоиндукция на единицу длины бесконечного прямого тонкого провода бесконечна.

Пусть a равняется радиусу длинной тонкой проволоки, r — месту, где измеряется магнитное поле, а R — верхнему пределу задачи, где мы возьмем R , когда оно приближается к бесконечности.
пруф

Два длинных параллельных провода несут одинаковые токи в противоположных направлениях. Радиус каждого провода составляет a , а расстояние между центрами проводов составляет d . Покажите, что если можно пренебречь магнитным потоком внутри самих проводов, самоиндукция длины l такой пары проводов будет

.

( Подсказка : рассчитайте магнитный поток через прямоугольник длиной l между проводами, а затем используйте.)

Маленькая прямоугольная одиночная петля из проволоки с размерами l и a размещается, как показано ниже, в плоскости гораздо большей прямоугольной одиночной петли из проволоки. Две короткие стороны большой петли так далеко от меньшей петли, что их магнитными полями над меньшими полями над меньшей петлей можно пренебречь. Какова взаимная индуктивность двух контуров?

Предположим, что цилиндрический соленоид намотан на железный сердечник, магнитная восприимчивость которого составляет x .Используя (рисунок), покажите, что самоиндукция соленоида равна

.

, где l — длина, A — площадь поперечного сечения и N — общее количество витков.

В соленоид с витками на метр помещен железный сердечник с магнитной восприимчивостью. (а) Если через соленоид протекает ток силой 2,0 А, каково магнитное поле в железном сердечнике? (б) Каков эффективный поверхностный ток, образованный выровненными петлями атомного тока в железном сердечнике? (c) Какова самоиндукция заполненного соленоида?

а.100 т; б. 2 А; c. 0.50 H

Переключатель S схемы, показанной ниже, замкнут на. Определите (а) начальный ток через батарею и (б) установившийся ток через батарею.

В колеблющейся цепи RLC . Изначально конденсатор имеет заряд, а ток равен нулю. Рассчитайте заряд конденсатора (а) через пять циклов и (б) через 50 циклов.

Катушка индуктивности 25,0 Гн имеет отключенный ток 100 А в 1.00 мс. а) Какое напряжение индуцируется, чтобы противостоять этому? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка ответственны?

а. ; (b) Напряжение настолько велико, что возникнет дуга, и ток не уменьшится так быстро. (c) Неразумно отключать такой большой ток в такой большой катушке индуктивности за такое чрезвычайно короткое время.

Глоссарий

RLC цепь
Цепь
с последовательно включенными источником переменного тока, резистором, катушкой индуктивности и конденсатором.

Демпфирование

  • Изучив этот раздел, вы сможете:
  • • Описать методы демпфирования в параллельных цепях LCR и связать добротность и полосу пропускания.

Эффекты сопротивления в параллельных цепях LC

Без учета сопротивления резонансная частота параллельной LC-цепи определяется по той же формуле, что и для последовательных LC-цепей:

Рис 10.4.1 Кривая отклика параллельной цепи LCR.

Хотя эта формула является приблизительной из-за сопротивления в параллельной цепи LC, неточности будут небольшими на высоких частотах. На практике вышеупомянутая формула все еще может использоваться на более высоких частотах, которые обычно встречаются в электронике как для последовательных, так и для параллельных LC-цепей, где внутреннее сопротивление используемых катушек индуктивности, вероятно, будет очень маленьким.

Однако сопротивление в параллельной цепи может существенно изменить график зависимости полного сопротивления (Z) от частоты (f).

График зависимости импеданса от частоты на рис. 10.4.1 показывает, что по мере увеличения частоты от нуля к резонансу ( r ) полное сопротивление цепи увеличивается до максимального значения (R D ) в резонансе, а затем снова уменьшается в течение частоты выше резонанса. График показывает ЧАСТОТНУЮ ЧАСТОТУ цепи.

Форму кривой отклика можно значительно изменить, добавив сопротивление к индуктивной ветви цепи, например.грамм. увеличивая внутреннее сопротивление катушки индуктивности или добавляя внешний резистор, называемый резистором SHUNT, через LC-цепь, как показано на рис. 10.4.2. Добавление сопротивления любым способом называется ДЕМПФИРОВАНИЕМ.

Демпфирование часто используется в LC-цепях, чтобы получить более пологую кривую отклика, дающую более широкую полосу пропускания цепи, как показано нижней кривой на рис. 10.4.1. Применение демпфирования имеет два основных эффекта.

  • 1. Уменьшает увеличение тока за счет уменьшения добротности.(R больше по сравнению с XL).
  • 2. Увеличивает ширину полосы пропускания контура.

Полоса пропускания параллельной LC-цепи — это диапазон частот по обе стороны от R D , в пределах которого полное сопротивление цепи больше 0,707 для R D .

Нижняя кривая на рис. 10.4.1 показывает состояние, при котором добротность уменьшается за счет включения демпфирующего резистора. Максимальный импеданс ниже и теперь область выше (зеленый) 0.Линия 707xR D2 охватывает более широкую полосу частот.

Рис. 10.4.2 Демпфирование с помощью шунтирующего резистора

Полоса пропускания, резонансная частота и добротность в параллельной цепи связаны по формуле:

Где B — полоса пропускания (верхний предел частоты — нижний предел частоты) в Гц.

Из этих уравнений видно, что если Q уменьшается, а ƒ r является постоянным, то ширина полосы (B) должна увеличиваться.

В параллельной цепи величина демпфирования устанавливается как значением внутреннего сопротивления L, так и значением шунтирующего резистора.Коэффициент добротности будет уменьшен за счет увеличения значения внутреннего сопротивления L. Чем больше внутреннее сопротивление индуктора, тем ниже коэффициент добротности.

Шунтирующий резистор оказывает противоположное влияние на добротность, и чем ниже значение R, тем больше уменьшается добротность. Если значение шунтирующего резистора уменьшается вдвое, то увеличивается и добротность, но полоса пропускания удваивается.

Это приводит к тому, что если значение шунтирующего резистора уменьшается вдвое, то увеличивается и добротность, но полоса пропускания удваивается.

Наличие двух совершенно разных формул усложняет проблему, но часто на практике либо внутреннее сопротивление, либо сопротивление шунта является доминирующим эффектом в той степени, в которой можно игнорировать другое.

Уравнения цепи RLC серии

— Ness Engineering Inc.

С недостаточным демпфированием
с избыточным демпфированием
с критическим демпфированием

Формулы на этой странице связаны с последовательным разрядом цепи RLC, поскольку это основная модель для большинства схем высоковольтного и импульсного разряда.

Можно щелкнуть каждый из следующих графиков осциллограмм, чтобы открыть полноразмерный график в отдельном окне.

С недостаточным демпфированием

Уравнение состояния цепи с пониженным демпфированием RLC

Принципиальная электрическая схема корпуса с недостаточным демпфированием показана ниже. В этой конкретной модели сопротивление на порядок (в 10 раз) меньше значения, необходимого для схемы с критическим демпфированием.

Принципиальная схема для моделирования цепи RLC серии с пониженным демпфированием

Результаты схемной модели показаны ниже.V (1) — это напряжение на конденсаторе 1 мФ при его разряде в колебательном режиме. V (3) — это напряжение на нагрузочном резисторе, в данном случае значение 0,2 Ом. Ток цепи показан на втором, нижнем графике и достигает своего пикового значения почти при t = p / 2w 0 .

Формы сигналов цепи для имитации цепи RLC с пониженным демпфированием

Уравнение для частоты колебаний последовательного RLC

Омега

L — индуктивность цепи (H),
C — емкость цепи (F),
R — сопротивление цепи (W).

Уравнение для зависимости тока от времени серии RLC с пониженным демпфированием

Текущий

В 0 — начальное напряжение на емкости (В)

Уравнение пикового тока в цепи разряда RLC с пониженным демпфированием

Пиковый ток

То же, что указано выше

С избыточным демпфированием

Уравнение состояния цепи с избыточным демпфированием RLC

Принципиальная электрическая схема для случая избыточного демпфирования показана ниже.В этой конкретной модели сопротивление на порядок (в 10 раз) больше, чем значение, требуемое для схемы с критическим демпфированием.

Принципиальная схема для моделирования цепи последовательного RLC с избыточным демпфированием

Результаты схемной модели показаны ниже. V (1) — это напряжение на конденсаторе емкостью 1 мФ, когда он разряжается в режиме простого RC-спада. V (3) — это напряжение на нагрузочном резисторе, в данном случае значение 20 Ом. В этом случае, как только переключатель замыкается и напряжение на нагрузочном резисторе повышается, чтобы соответствовать напряжению на конденсаторе, обе формы волны по существу перекрываются и затухают с одинаковой скоростью, поскольку напряжение на катушке индуктивности минимально.Ток в цепи показан на втором, нижнем графике.

Формы сигналов цепи для имитации цепи последовательного RLC с избыточным демпфированием

Уравнение цепи RLC серии

с избыточным демпфированием для Omega

Омега

L — индуктивность цепи (H),
C — емкость цепи (F),
R — сопротивление цепи (W).

Уравнение для зависимости тока от времени серии RLC с избыточным демпфированием

Текущий

В 0 — начальное напряжение на конденсаторе (В)

С критическим демпфированием

Уравнение состояния цепи с критическим демпфированием RLC

Принципиальная электрическая схема для случая критического демпфирования показана ниже.В этой конкретной модели сопротивление точно равно значению, требуемому для схемы с критическим демпфированием.

Принципиальная схема для моделирования цепи RLC серии с критическим демпфированием

Результаты схемной модели показаны ниже. V (1) — это напряжение на конденсаторе 1 мФ, когда он разряжается до нуля без выброса. V (3) — это напряжение на нагрузочном резисторе, в данном случае значение 20 Ом. Видно, что напряжение на резисторе также не перескакивает. Ток цепи показан на втором, нижнем графике и достигает своего пикового значения при t = 2L / R.Эта схема часто желательна (если возможно) с высоковольтными конденсаторами накопления энергии, поскольку инверсия напряжения может часто сокращать срок службы конденсатора.

Формы сигналов цепи для моделирования цепи RLC с критическим демпфированием

Уравнение для критически демпфированного серийного RLC тока в зависимости от времени

Текущий

В 0 — начальное напряжение на конденсаторе (В).
L — индуктивность цепи (Гн).
R — сопротивление цепи (Вт).

Уравнение для пикового тока RLC серии с критическим демпфированием

Пиковый ток

То же, что указано выше

Консультации, комментарии и предложения направляйте по адресу ri[email protected]

Пожалуйста, объясните роль каждого компонента колебательного контура.

Каждое значение цепи играет следующую роль:

Rf: Резистор обратной связи

Резистор обратной связи определяет смещение колебательного контура.Как правило, микросхема C-MOS использует сопротивление обратной связи от 100 кОм до 10 МОм (обычно 1 МОм), в то время как ИС TTL использует сопротивление обратной связи от 1 кОм до 10 кОм (обычно 4,7 кОм) из-за низкого импеданса ввода-вывода. Если сопротивление обратной связи слишком велико, количество обратной связи будет уменьшено, что сделает рабочую точку нестабильной. Если сопротивление обратной связи слишком мало, коэффициент усиления будет уменьшен или ток будет увеличен (в последнее время в большинстве микросхем встроен резистор обратной связи).

Rd: Демпфирующий резистор

Демпфирующий резистор и нагрузочные конденсаторы работают как фильтр нижних частот, который может подавлять аномальные гармонические колебания за счет уменьшения усиления в высокочастотном диапазоне.Кроме того, усиление IC может быть ограничено и CERALOCK должным образом согласован с IC, нежелательные звонки, перерегулирование и перерегулирование могут быть подавлены. В диапазоне кГц демпфирующее сопротивление должно составлять несколько кОм, а в диапазоне МГц — от десятков до сотен Ом. Демпфирующий резистор не является обязательным.

CL1 / CL2: Нагрузочный конденсатор

Этот параметр является наиболее важным для определения стабильности колебательного контура. Если емкость нагрузки слишком мала, форма колебательного сигнала будет искажена, что приведет к нестабильным колебаниям.Если он будет слишком большим, колебания могут прекратиться. По сравнению с той же ИС, колебательный контур, обеспечивающий более низкую частоту, требует большей емкости.

Rb: резистор смещения

Когда усиление IC слишком велико, или когда используется TTL или трехступенчатая буферизация IC, можно использовать резистор смещения для преднамеренного изменения точки смещения, чтобы уменьшить усиление IC или подавить неустойчивые колебания. В микросхеме C-MOS используется резистор смещения от 1 МОм до 10 МОм, а в TTL — резистор смещения от нескольких кОм до 10 кОм.

Каждая константа различается в зависимости от используемой IC и CERALOCK. За подробностями обращайтесь к Мурате.

Роль развязки, индуктивности и сопротивления в PDN | Блог

Захария Петерсон

| & nbsp Создано: 1 июля 2019 г. & nbsp | & nbsp Обновлено: 8 апреля 2021 г.

Вы можете добавить один из этих компонентов к своей развязывающей сети

В предыдущей статье мы рассмотрели роль развязывающих конденсаторов, а также разницу между развязкой и шунтированием.Развязочный конденсатор выполняет те же функции, что и байпасный конденсатор, но он также обеспечивает другую важную функцию, поскольку он компенсирует изменения потенциала земли при переключении ИС.

Есть еще один важный момент, связанный с проектированием вашей PDN для обеспечения целостности питания. Это роль индуктивности при проектировании вашего PDN. В высокоскоростных схемах (а в наши дни это все конструкции) развязка обычно является чисто емкостной, пока вы не начнете смотреть на достаточно высокие частоты.Теперь есть индуктивность, которая может вызвать большой переходный отклик в PDN. Это вызывает два вопроса:

  1. Поскольку питание PDN может проявлять некоторый переходный отклик с индуктивностью, можем ли мы убедиться, что отклик критически затухает?
  2. Если ответ на №1 — «Нет», можем ли мы гарантировать, что искажения напряжения из-за тока, протекающего в PDN, сведены к минимуму?

Ответ на №1 — «Да», но, как мы увидим, идти по пути №2 более практично и является стандартной практикой в ​​отрасли.Как мы увидим, попытка №1 дает нам возможность многое узнать о реальных конденсаторах, индуктивности в PDN и о том, что такое развязка.

Цель сети развязки PDN

Проектирование развязывающей сети — непростая задача. В цепях с более низкой частотой для развязки было достаточно использования развязывающего конденсатора. Частота собственного резонанса многих конденсаторов меньшего размера все еще была несколько выше, чем частота перегиба для многих логических семейств, поэтому было бы трудно привести шину питания в резонанс во время переключения.Кроме того, развязывающие конденсаторы также будут действовать как шунтирующий конденсатор для компенсации изменений потенциала при переключении ИС.

В более быстрых логических семействах частоты излома теперь могут совпадать с частотой собственного резонанса эквивалентной схемы, образованной шунтирующим / развязывающим конденсатором, шиной источника питания, любыми соседними шунтирующими / развязывающими конденсаторами, проводниками, которые соединяют компоненты, и самими компонентами. . Это создает возможность звонка в силовой шине с высокоскоростными цепями в качестве переключателя логических вентилей.При повторном переключении это вызовет резонансные колебания в силовой шине с большой амплитудой. Как и в случае с отскоком заземления, один переключающий выход на ИС может не иметь большого влияния, но одновременное переключение многих компонентов может вызвать значительный звон в шине питания и большие изменения уровня напряжения, наблюдаемые на выводах питания ИС. .

По этой причине индуктивность в PDN считается плохой вещью: она создает более высокий импеданс во всем спектре импеданса PDN за пределами определенного частотного предела.Высокий широкополосный импеданс плох для широкополосных цифровых сигналов, поскольку эти сигналы преобразуют переходный ток в большее напряжение во всей полосе пропускания сигнала. При большом потреблении тока звон в силовой шине может превышать допуски по уровням напряжения ядра около одной из резонансных частот в PDN. Есть несколько рекомендаций, которые предлагают добавить катушку индуктивности, конденсатор, а иногда и резистор, чтобы снизить уровень шума. Стоит посмотреть, как именно индуктивность влияет на шину питания и вызывной сигнал, и как может выглядеть «критически затухающий» PDN.

Подавление вызывных сигналов PDN с помощью развязки сети

Как обсуждалось в предыдущей статье, эквивалентная модель RLC для развязывающего конденсатора может быть недостаточно демпфированной, и вы можете попытаться приблизить эту схему как можно ближе к критически демпфированному случаю. Однако вам нужно будет рассмотреть всю эквивалентную схему для развязывающего конденсатора и остальной части системы.

В идеале вы хотите подавить звонок несколькими способами:

  1. Критически демпфирует или чрезмерно демпфирует ответ на шине питания.Это довольно просто, так как требует добавления некоторых пассивных элементов (катушки индуктивности, резистора или того и другого) для изменения условий резонанса.
  2. Добавьте компоненты, которые сдвигают резонансную частоту в любой части цепи до значений, которые находятся за пределами спектра мощности для сигнала переключения. Опытный читатель, вероятно, заметит, что это всего лишь повторение пункта 1
  3. .
  4. Добавьте дополнительные конденсаторы с разными резонансными частотами параллельно, чтобы попытаться сгладить весь спектр импеданса PDN.Перекрывающиеся части с низким импедансом должны объединяться, чтобы давать достаточно низкий импеданс по всей ширине полосы сигнала.

# 1 и # 2 могут подойти для аналоговой PDN, поскольку вам следует заботиться только о том, что происходит в очень узкой полосе пропускания. №3 более важен для цифровых компонентов, которые имеют широкую полосу пропускания.

Перспектива демпфирования

Эти три метода в некоторой степени исключают друг друга. Последовательное добавление катушки индуктивности между разделительным конденсатором и ИС увеличит импеданс любых высокочастотных сигналов (включая сигнал вызова), распространяющихся по направлению к нагрузке, но также уменьшит резонансную частоту.Кроме того, это уменьшит постоянную демпфирования на больший уровень, поскольку резонансная частота только обратно пропорциональна квадратному корню из индуктивности. Следовательно, если отклик развязывающего конденсатора уже чрезмерно демпфирован, добавление последовательной катушки индуктивности между развязывающим конденсатором и нагрузкой может приблизить отклик к критическому затуханию.

Если ответ, наблюдаемый на шине питания, уже недостаточно демпфирован, вам необходимо увеличить постоянную демпфирования и уменьшить амплитуду звонка.Один простой способ — использовать конденсатор с большим эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Обратите внимание, что электролитические конденсаторы, как правило, имеют более высокие значения ESR. Другой вариант — добавить резистор и катушку индуктивности перед соответствующей ИС, как показано на схеме ниже:

Сеть с полной развязкой с байпасным конденсатором

Обратите внимание, что L в приведенной выше модели равна индуктивности проводника (например, индуктивности силовой плоскости), ведущего к нагрузке, плюс значение развязывающей индуктивности.Константа демпфирования в эквивалентной цепи RLC, образованной нагрузкой, развязывающим конденсатором, L и R, равна обычному значению для последовательной цепи RLC. Добавление катушки индуктивности уменьшает собственную резонансную частоту, а добавление небольшого резистора R может увеличить демпфирование в цепи. Когда R равно критическому значению, показанному выше, тогда переходная характеристика в этой цепи будет критически демпфирована.

Резисторы

отлично подходят для добавления демпфирования. К сожалению, вы теряете мощность, поэтому резистор хорош только тогда, когда он имеет низкое значение, чтобы не падать слишком много напряжения.Альтернативный способ посмотреть на демпфирование — вынуть резистор и просто рассмотреть развязывающую / байпасную емкость с любой индуктивностью между ними и нагрузкой.

Альтернативная развязывающая сеть

Показанная выше сеть увеличит падение напряжения постоянного тока по всей PDN, поэтому существует альтернативная развязывающая сеть, обеспечивающая критическое демпфирование:

Альтернативная развязывающая сеть с байпасным конденсатором

Эти уравнения сообщают вам, каковы ограничения на байпасную и развязывающую емкости для заданных значений ESR, ESL и L, которые дадут вам критическое демпфирование.Обратите внимание, что L не обязательно является реальной катушкой индуктивности; мы могли бы смотреть на индуктивность шины питания.

В этой сети критическое сопротивление такое же, как и в предыдущей сети. Однако существует также ограничение на номиналы разделительных и байпасных конденсаторов (показано выше). Увеличение демпфирующего сопротивления между указанными выше пределами приведет к переходу отклика в режим сверхдемпфирования, таким образом замедляя общий отклик развязывающего конденсатора.

Последние мысли об импедансе PDN

Важно помнить роль индуктивности в любом PDN, будь то паразитный элемент или он намеренно размещен. С точки зрения схемы заявляется, что байпасный конденсатор, помещенный между выводами питания и заземления на нагрузке, будет обеспечивать путь с низким импедансом к земле для высоких частот, в основном снижая общее сопротивление PDN ниже частоты собственного резонанса конденсатора и делая PDN похожим на фильтр нижних частот. Индуктивность контрпродуктивна и в конечном итоге превращает импеданс в чисто индуктивный.

Это должно проиллюстрировать точку размещения развязывающих конденсаторов на PDN вместе с байпасными конденсаторами рядом с большими ИС. Разделительные конденсаторы обеспечивают набор параллельно включенных элементов с низким импедансом с целью создания общего низкого импеданса в PDN.

При разработке PDN для вашей печатной платы вам потребуются инструменты компоновки и моделирования в Altium Designer, чтобы убедиться, что ваша плата не имеет проблем с целостностью питания и целостностью сигнала. Использование моделирования схем поможет вам уточнить выбор и компоновку компонентов, а также позволит визуализировать поведение электрических цепей в PDN во время переходного процесса.

Свяжитесь с нами или загрузите бесплатную пробную версию, если вы хотите узнать больше об Altium Designer. У вас будет доступ к лучшим в отрасли инструментам для трассировки, компоновки и моделирования. Обратитесь к эксперту Altium сегодня, чтобы узнать больше.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.