На главную

Расчет сглаживающего конденсатора в сетевом выпрямителе.

Входной выпрямитель является неотъемлемым элементом большинства преобразователей, питающихся от переменного сетевого напряжения. После диодного моста напряжение на конденсаторе будет иметь вид пилы, верхняя точка которой равна амплитудному напряжению сети (минус падение напряжения на диодах моста, что несущественно для устройств, питающихся от 220В), а нижняя зависит от емкости конденсатора и тока потребления нагрузки выпрямителя. В этой статье приведен пример расчета емкости сглаживающего конденсатора выпрямителя. Более полная информация приведена в статье А.И. Колпакова.

 

В качестве примера приведен расчет конденсатора для реального преобразователя, разработка которого была доведена до практического воплощения,  Pвых=1200Вт (выходное напряжение 60В, ток 20А, КПД около 90%)

 

Исходные данные для расчета:

Uвх = 220В       (напряжение сети)

f = 50Гц             (частота сетевого напряжения)

Задаваемые параметры:

Umin =260В     (минимальное напряжение - задается минимальное значение пилообразного напряжения на конденсаторе)

Iнагр = 5.13А           (ток потребления нагрузки выпрямителя, если известна мощность нагрузки, то ток можно вычислить как I=Pвх/Uмин, в моем случае Pвх=Pвых/КПД, т.е I=(1200/0.9)/260=5.13А )

  1. Вычисляется время заряда конденсатора (в течение которого ток потребляется от сети). Так как напряжение изменяется по синусоидальному закону, используем для расчета формулу тригонометрии:

    t(зар) = (arccos(Umin/Umax))/(2*pi*f)

    Для синусоиды Umax = Uвх*1.41=220*1.41= 310 В (амплитудное сетевое напряжение), т.е.

    t(зар) = (arccos(260/310))/(2*3.141*50) = 0.00183 c

  2. Вычисляется время разряда конденсатора:

    t(раз) = T-t(зар)

    в двухполупериодном выпрямителе T = (1/f)/2 = 1/50/2=0.01с (частота сети в двухполупериодном выпрямителе удваивается)

    t(раз) = 0.01-0.00183 = 0.0082 с

  3. Находится емкость конденсатора, на которой за время t(раз) при токе нагрузки Iнагр напряжение с Umax уменьшится до Umin:

      C = Iнагр*dt/dU,

     в нашем случае dt это  t(раз), а dU является разница (Umax-Umin)

    C = 5.13*0.0082/(310-260) = 0.00084Ф = 840 мкФ

  4. Находим пиковый зарядный ток:

    Ipic = C*dU/dt,

    где dU = Umax-Umin, а dt - это время заряда конденсатора, т.е. t(зар)

    Ipic = 0.00084*(310-260)/0.00183 = 23А

  5. Находим среднеквадратичное значение импульсного тока через конденсатор по формуле:

    Irms = √(I(зар)²+I(разр)²),

    где  I(зар)-среднеквадратичный ток через конденсатор на цикле заряда, а I(разр) - среднеквадратичный ток через конденсатор на цикле разряда.

    Считаем, что ток заряда конденсатора имеет треугольную форму, тогда

    I(зар) = Ipic*√((t(зар)/T)/3) = 23*√((0.00183/0.01)/3) = 5.7A

    На интервале разряда через конденсатор течет ток нагрузки, поэтому

    I(разр) = Iнагр*t(раз)/T = 5.13*0.0082/0.01 = 4.2А

    Итак,  Irms = (5.7²+4.2²) = 7.1А

    Полученное  Irms используется при выборе конденсатора (для электролитических конденсаторов обычно указывается допустимое значение импульсного тока для частоты 100Гц). Если у выбранного конденсатора допустимое значение импульсного тока меньше, необходимо набирать конденсаторы с меньшей емкостью и соединять в параллель исходя из условия: суммарная емкость не меньше рассчитанной, а ток, приходящийся на каждый из конденсаторов (ток по конденсаторам с одинаковой емкостью разделится равномерно), не более допустимого.

     

Расхождение теоретического расчета с практикой.

В заключение скажу, насколько вышеизложенная теория разошлась с практикой, и решайте сами, стоит ли применять эту методику.

Суммарная реальная емкость конденсаторов в моем преобразователе составила 1020мкФ, при этом измеренные осциллографом параметры были следующие: