Конденсатор увеличивает выпрямленное напряжение

Как конденсатор влияет на напряжение в блоке питания.

Данная статья написана для новичков и для тех, кому интересно. Теории здесь не будет. На деле покажу, зачем нужен конденсатор.

Конденсатор это двухполюсник, который имеет определенную переменную либо постоянную емкость.

Он состоит из двух пластинчатых электродов разделенных диэлектриком. На этих пластинах накапливается электрический заряд разной полярности. Если подключить питание, то одна пластина зарядится положительно, а другая отрицательно.

Применяется конденсатор в электротехнике по разному, но самая главная его задача это именно накапливать электрический заряд и отдавать его в нагрузку.

Основная характеристика конденсатора это емкость, которая измеряется в фарадах. От емкости зависит, какое количество заряда он сможет накопить. Чем она больше, тем большее количество энергии он сможет отдать в нагрузку.

Для того чтобы посмотреть наглядно как работает конденсатор нужно воспользоваться осциллографом.

Если взять трансформатор и подключить его к сети 220, то на выходе диодного моста напряжение будет иметь следующую форму.

Как видно напряжение постоянно изменяет свое значение с частотой 100 герц, то есть 100 раз в секунду. Электроника при таком питании будет работать не стабильно, появятся помехи.

При подключении конденсатора напряжение выравнивается.

В тот момент, когда напряжение возрастает, конденсатор заряжается, а когда идет спад, то за счет этого заряда, оно поддерживается на одном уровне. Теперь можно запитывать от этого трансформатор все что нужно.

Лампочка, подключенная к трансформатору без конденсатора, потребляет 4 ампера.

Источник

Как соединить конденсаторы чтобы увеличить вольтаж

Как увеличить емкость конденсатора: проверенный способ соединения, формула, типы подключений

Если нужно срочно отремонтировать технику, а нужного конденсатора нет, то можно увеличить емкость конденсатора, как известно из школьной программы, соединив несколько приборов в одну цепь.

Такая проблема может также возникнуть, если, например, нужного номинала нет в продаже, то есть для нестандартных подключений, например, в радиотехнических опытах.

Электрическая емкость

При соединении приборов для конденсации заряда, как правило, техника интересует электрическая емкость, которая получится в итоге.

Электроемкость показывает способность двухполюсника накапливать в себе заряд и измеряется в фарадах. Может показаться, что чем выше это значение, тем лучше, но на практике не существует возможности создать все возможные на свете емкости, более того, часто это и не нужно, так как во всех приборах, использующихся повседневно, применяются стандартные приборы для конденсации.

Можно соединить несколько приборов для конденсации в цепь, создав одну конденсирующую емкость, при этом значение характерной величины будет зависеть от типа подключения, и для его расчета есть давно известные формулы.

Параллельное соединение

Существует два типа подключения приборов в цепь: последовательное и параллельное. Каждый из них обладает своими свойствами, но, как правило, используется параллельное соединение конденсаторов.

Параллельное соединение обладает такими свойствами:

1. Емкость составного двухполюсника увеличивается по сравнению с каждым отдельным прибором.
2. Напряжение в сети не изменяется.

Соединить конденсаторы для увеличения емкости, как показывают свойства, лучше этим способом. Для этого нужно соединить выводы с каждого двухполюсника по группам: у каждого из них два вывода. Нужно создать две группы: в одну соединить все конденсаторы с одного вывода, а во вторую с оставшегося.

При таком соединении приборы для конденсации образуют одну емкость, поэтому верна такая формула: С=С1+С2+СN, где N — количество конденсаторов в цепи.

Например, если имеются номинальные значения 50мкф, 100мкф и 150мкф, то при последовательном подключении общее значение в цепи будет 300мкф.

В жизни это подключение используют довольно часто, например, если при расчетах оказалось, что требуется такой двухполюсник, которого в продаже точно не найти. С помощью этого способа можно варьировать емкость конденсатора так, как это потребуется, при этом не изменяя напряжение в сети.

Последовательное включение конденсаторов

Свойства последовательного включения конденсаторов:

1. Емкость последовательно соединенных приборов для конденсации заряда в отличие от емкости параллельно соединенных конденсаторов уменьшается.
2. Напряжение на приборах растет.

Для такого подключения нужно просто соединять выводы двухполюсников один с другим, образуя цепочку: вывод первого будет соединен с выводом второго, оставшийся вывод второго с выводом третьего и так далее.

Формула подключения: 1/(1/С1+1/С2++1/СN), где N — это количество приборов в соединении.

Например, есть три конденсатора по 100мкф. 1/100+1/100+1/100=0,03мкф. 1/0,03=33мкф.

Заряды распределятся с чередующимся знаком, а емкостное значение будет ограничено только им же для самого слабого звена в цепи. Как только он получит свой заряд, передача тока в цепи прекратится.

Для чего тогда нужен подобный способ подключения? Такая цепь более устойчива и может выдержать большее напряжение при подключении в схему при меньшем емкостном номинале конденсатора. Однако в продаже имеются приборы, которые и без того обладают нужными свойствами, поэтому-то такое подключение в жизни практически не используется, а если используется, то для специфических задач.

Смешанный способ

Сочетает в себе параллельное и последовательное подключения.

При этом для участков с последовательным соединением характерны свойства последовательного соединения, а для участков с параллельным — свойства параллельного.

Оно используется, когда ни электроемкость, ни номинальное напряжение приборов, имеющихся в продаже, не подходят для задачи. Обычно такая проблема возникает в радиотехнике.

Чтобы определить общее значение электроемкости, нужно будет сначала определить это же значение для параллельно соединенных двухполюсников, а потом для их последовательного соединения.

Сравнение различных вариантов

Емкость	Напряжение
Параллельное	Увеличивается	Не изменяется
Последовательное	Уменьшается	Увеличивается
Смешанное	Изменяется	Увеличивается

Для выбора соединения можно воспользоваться такой таблицей. Слева тип соединения приборов, сверху свойства прибора для конденсации заряда.

Если требуется увеличить емкость, то нужно использовать параллельное соединение, а если увеличить напряжение — то последовательное. Если же требуется и то, и то, то нужно будет рассчитывать смешанное подключение конденсаторов в цепь.

Как соединить конденсаторы параллельным или последовательным соединением

Умельцы, собирая прибор, часто задумываются, как соединить конденсаторы параллельным или последовательным соединением. Далеко не любой номинал выпускается промышленностью, задача обеспечить конструкцию связкой ёмкостей встречается повсеместно.

При параллельном включении номиналы складываются, а при последовательном используется более сложная формула. Вдобавок конденсаторы бывают подстроечными, подобные совершенно точно включаются в цепи, где требуется обеспечить нужные резонансные характеристики.

И тоже требуется решить указанную выше задачу.

Последовательные и параллельные соединения конденсаторов

При параллельном соединении конденсаторов их ёмкости складываются. Несложно посчитать нужный номинал. Допустим, требуется 7 мкФ, но промышленность подобные конденсаторов не выпускает. Зато присутствуют на 6,8 мкФ и 200 нФ. Их сложением образуется связка в искомые 7 мкФ. Заводские номиналы специально выбраны так, чтобы создать любые значения.

Когда применяется последовательное соединение конденсаторов, результирующее значение номинала определяется как произведение ёмкостей, делённое на их сумму.

К примеру, если поставить друг за другом две одинаковые ёмкости, суммарный конденсатор заработает номинал, равный половине исходных. Когда складываются различные конденсаторы, больший вклад вносит именно меньший.

Бессмысленно последовательно соединять мощные ёмкости со слабыми. Конденсаторы, идущие друг за другом, по номиналу выбираются приблизительно равноценные.

Возникает вопрос – зачем использовать последовательное соединение. В физике часто рассматривается тема, но не говорится, зачем уменьшать ёмкость конденсаторов. Ведь цена конструкции от этого увеличивается, массу сложностей представляет расчёт режима. Причина в практической стороне. В обзорах уже писали, что рабочее напряжение конденсатора сильно зависит от типа диэлектрика и толщины его слоя. Повысить указанный параметр проблематично.

Тогда требуется составить последовательное соединение конденсаторов, при котором напряжение между ними разделится пропорционально номиналам ёмкостей: чем меньше фарад, тем больше приложится. Импеданс элементов находится по формуле R =j 1/W C, где W – круговая частота цепи (f х 2 П; 6,28 f). Литера j означает, что сопротивление ёмкости переменному току носит мнимый характер (хотя, в отличие от идеала, считается комплексным числом из-за потерь на обкладках и прочих явлений).

Рассмотрим, как проявится конденсатор в цепи постоянного тока. Ёмкости заполнятся зарядами, а напряжение поделится между элементами, обратно пропорционально ёмкостям составляющих цепь элементов. Представьте ситуацию, когда разница потенциалов в цепи явно превышает рабочую. Потребуется набрать последовательную цепь из конденсаторов с пониженным рабочим напряжением, пожертвовав величиной ёмкости.

Порой выгодным оказывается смешанное соединение конденсаторов. Допустим, часть номинала набрать параллельным включением, а остальные элементы предназначены для работы с более низким напряжением. Тогда пробуем набрать из последних последовательную ветку нужного размера в фарадах.

Ряды номиналов ёмкостей конденсаторов

Известны ряды стандартных номиналов конденсаторов: Е3, Е6, Е12, Е24. После войны 45-го года, когда страны сели за стол переговоров, выяснилось, что у собеседников присутствует два основных стандарта на ряду ёмкостей. Смысл заключался в возможности набрать любой номинал из составляющих путём параллельного соединения.

Оказалось, что это делается двумя способами:

1. Взять ряды, где любое значение равняется корню десятой степени из возведённой в некоторую степень десятки. Такой ряд пропорционален единому значению: корню десятой степени из десятки.
2. Второй ряд использовал аналогичные соотношения, но корень брался в двенадцатой степени. Поясним с точки зрения математики. Стандартно обращаемся к квадратному корню. Что соответствует степени 2. К примеру, корень из 9 равняется 3. Кубический корень – число, возводимое в третью степень, чтобы вышло подкоренное выражение. К примеру, кубический корень из 27 также равняется 3.

Теперь читатели понимают, что ряды стандартных номиналов конденсаторов сложны. Итак, выяснилось, что часть стран уже использует вторую методику, но теоретически большую выгоду несёт первая. В угоду неким условиям решили применять именно корень двенадцатой степени. Туда входит ряд конденсаторов Е12. Все его значения пропорциональны степеням десятки, над которыми произведена указанная математическая операция. На практике это выглядит, как 1, 1,2, 1,5, 1,8 и пр.

Прочие ряды кратны этому. Там корень берётся, соответственно, третьей, шестой, двадцать четвертой, сорок восьмой, девяносто шестой и даже сто девяносто второй степеней. В результате образуются стандартные ряды. Установлены собственные допуски номиналов конденсаторов. К примеру, для:

• Е12 плюс минус 10%.
• Е24 плюс минус 5%.
• Для допусков жёстче 5% применяются ряды Е48 и выше.

Со снижением степени корня растёт расстояние между номиналами. Поэтому для перекрытия всего диапазона и допуски следует взять менее жёсткие. На практике, как говорили ранее в обзорах, номинал постепенно выходит за указанные рамки.

Люди измеряют реальное значение тестером и продолжают пользоваться изделием на собственный страх и риск.

Стоит заметить, что в рядах Е48 и Е96 исключены чётные члены (чётные степени числа десять под корнем), а в Е192 впервые появляются отрицательные значения (к примеру, 10 в степени минус один).

Приведённая информация позволит читателям лучше понять смысл маркировки конденсаторов, чтобы правильно набрать нужные последовательные и параллельные цепочки. Вдобавок ясно, какие номиналы искать с тем либо иным допуском, либо таковых нет в природе.

Со времени съезда 1948 года в Стокгольме в большинстве стран номиналы конденсаторов унифицированы. Поэтому американские ёмкости полностью годятся для российских условий.

Лишь сетевое напряжение за океаном показывает иной номинал, предлагается проявлять осторожность.

Ряд рабочих напряжений также прописан в ГОСТ 28884, как и номиналы. Причём учтены интересы всех стран. Допустим, для сетевых фильтров в Российской Федерации подойдут конденсаторы на 250 В, для Соединённых Штатов Америки уместны изделия с номиналов на 127 В. Ряды постоянных напряжений изолированы.

В блоках питания, к примеру, значение зависит от типа выпрямителя (однополупериодный, двухполупериродный и пр.).

Нужно учитывать, что большинство конденсаторов в подобных цепях находится под удвоенной нагрузкой (к примеру, в блоке питания персонального компьютера напряжение на обкладках достигает 600 В).

Источник

Выпрямитель, что может быть проще? Часть первая, описательно теоретическая.

Выпрямитель. Казалось бы, что может быть проще? Основные схемы выпрямителей (без умножения напряжения) известны давно и во всех подробностях.

Схемы выпрямления могут использоваться не только с трансформатором, но и без трансформатора (кроме схемы со средней точкой).

Данная статья носит по большей части описательный и теоретический характер . И рассчитана на начинающих любителей электроники и тех, кто не имеет профильного образования, но хочет получше узнать о процессах происходящих в выпрямителе при различных условиях работы . Профессионалам и студентам радиотехнических и электротехнических специальностей ВУЗов она будет не интересна . Практические методики расчета выпрямителей я приведу в следующей статье , которая будет сугубо практической.

Сначала рассмотрим, как эти схемы выпрямителей работают на активную нагрузку. Рассмотрение будет довльно кратким, так это, действительно хорошо известно. Затем рассмотрю работу выпрямителя (мостовую схему) на активно-индуктивную и активно-емкостную нагрузки. Это соответствует двум способам сглаживания, уменьшения пульсаций, выпрямленного напряжения. Не обойду стороной и влияние сопротивления источника на работу выпрямителя.

Но сначала напомню пару общих моментов. Коэффициент пульсаций Кп на выходе выпрямителя определяется как отношение амплитуда первой (основной) гармоники U1 к постоянной составляющей выпрямленного напряжения

Постоянная составляющая U0 выпрямленного напряжения представляет собой среднее значение выпрямленного напряжения за период Т

Все временные диаграммы в статье, для упрощения, получены на симуляторе TINA версии 9.3.200.277 SF-TI, а не сняты осциллографом с реальных схем.

Однополупериодный выпрямитель

В течении положительной полуволны входного переменного напряжения диод открыт и напряжение на нагрузке равно по величине входному напряжению, за вычетом падения напряжения на диоде, и совпадает с ним по форме. В течении обратной полуволны диод закрыт и напряжение на нагрузке можно считать нулевым.

На этой иллюстрации входное напряжение показано фиолетовом цветом, его амплитуда 10 В, а частота 50 Гц. Выпрямленное напряжение показано синим цветом. Хорошо видно, что амплитуда выпрямленного напряжения меньше, чем входного. Однако, здесь не видно одной тонкости. Диод открыт только когда к нему приложено достаточное напряжение (разное для Si и Ge). Я увеличил этот момент, что бы было видно. Линейный участок на графике выпрямленного напряжения, при приближении к нулевому уровню, не ошибка моделирования. Он отражает процесс, в данном случае, закрывания диода.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения, без учета падения напряжения на диоде

Обратите внимание, здесь Uвх это амплитудное напряжение, а не действующее . Интегрирование выполняется на интервале 0-π, так как выходное напряжение отлично от 0 только в течении половины периода.

Коэффициент пульсаций Kп=1.57 . Вывод амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения я оставлю за скобками, так как это уже упражнение в математике и к теме статьи отношения не имеет.

Обратите внимание, что к диоду в закрытом состоянии прикладывается полное амплитудное напряжение. Например, для привычного действующего напряжения 220 В бытовой сети переменного тока амплитудное составит 310 В.

Кроме больших пульсаций выпрямленного напряжения однополупериодная схема обладает еще одним недостатком — она создает подмагничивание сердечника трансформатора (если он используется) постоянным током, так как ток в обмотке протекает только в одном направлении. И это надо учитывать при расчете трансформатора.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Фактически, является объединением двух однополупериодных выпрямителей, входной сигнал которых сдвинут на половину периода за счет использования вторичной обмотки трансформатора с отводом от средней точки. Диоды в этой схеме открываются поочередно, каждый в свою половину периода.

Параметры входного напряжения и цвета кривых точно такие же, как и для однополупериодного выпрямителя. Хорошо видно, частота пульсаций выпрямленного напряжения равна удвоенной частоте выходного переменного напряжения. Видно, что амплитуда выпрямленного напряжения меньше амплитуды входного из-за падения напряжения на диодах, как и для однополупериодного выпрямителя. Я не буду приводить увеличенного участка диаграммы, что бы показать моменты открывания и закрывания диодов. Тут все в точности, как и в однополупериодном выпрямителе.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения для двухполупериодной схемы, без учета падения напряжения на диодах.

Обратите внимание, здесь Uвх это амплитудное напряжение каждой из половин вторичной обмотки трансформатора . Интегрирование выполняется на интервале 0-π, так как каждый из диодов открыт только половину периода. Коэффициент пульсаций Кп=0.67 .

Двухполупериодная схема обеспечивает в два раза меньшие пульсации выпрямленного напряжения и исключает подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, но имеет два существенных недостатка. Во первых, в два раза увеличиваются затраты на изготовление вторичной обмотки, да и места она занимает в два раза больше. Во вторых, к закрытому диоду приложено удвоенное амплитудное напряжение.

Мостовой двухполупериодный выпрямитель

Очень популярная схема выпрямителя. Входное переменное напряжение подается в одну диагональ моста, а выпрямленное снимается с другой

Временная диаграмма работы мостового выпрямителя похожа на диаграмму для двухполупериодного со средней точкой. Но в мостовой схеме ток нагрузки протекает через два диода, поэтому амплитуда выпрямленного напряжения меньше. И это хорошо видно на иллюстрации.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения, без учета падения напряжения на диодах, такая же, как для схемы со средней точкой

Обратите внимание, здесь Uвх это амплитудное напряжение каждой из половин вторичной обмотки трансформатора . Коэффициент пульсаций Кп=0.67 .

К закрытым диодам в мостовой схеме приложено полное амплитудное напряжение. Мостовая схема не подмагничивает сердечник трансформатора (если он используется) постоянным током и не требует дополнительных затрат на вторичную обмотку. Но в ней используется в два раза больше диодов, чем в схеме со средней точкой. И потери на диодах в два раза больше.

Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку

Работа выпрямителя на активную нагрузку встречается не часто. Давайте сначала посмотрим, что изменится, если нагрузка активно-индуктивная. Например, обмотка реле, или последовательно с активной нагрузкой включен сглаживающий дроссель. Для краткости я буду рассматривать лишь мостовую схему.

Сначала приведу временные диаграммы для напряжений

Здесь коричневым цветом показано напряжение на активной составляющей нагрузки, Rн, а синим напряжение на выходе выпрямителя, то есть, на последовательно включенных Lн и Rн.

Здесь зеленым цветом показан ток в нагрузке (Lн+Rн). А красным ток во вторичной обмотке трансформатора, то есть, входной ток выпрямителя с нагрузкой. Там, где красная линия пропадает, она совпадает с зеленой. На значения токов можно не обращать внимания, но если кому то интересно, то для моделирования выбрано сопротивление нагрузки 10 Ом и индуктивность 20 мГн.

Интересная картина, правда? Почему же так получилось? Во время положительного полупериода входного напряжения открыты диоды VD1 и VD4, а диоды VD2 и VD3 закрыты. Когда полярность входного напряжения меняется диоды VD1 и VD4 закрываются, а VD2 и VD3 открываются. Но при этом ток в нагрузке сохраняет прежнее направление.

Если нагрузка активная, то ток в ней повторяет по форме напряжение, а ток вторичной обмотки, входной ток выпрямителя, имеет синусоидальную форму.

Однако, наличие индуктивности препятствует изменению тока и ток нагрузки будет отставать от напряжения. Кроме того, пульсации тока будут сглаживаться, что видно на графике токов (зеленая линия). Если реактивное сопротивление индуктивности большое, примерно XL=ωпLн>10Rн (ωп частота пульсаций), ток нагрузки можно считать постоянным (пульсации отсутствуют), а следовательно и напряжение на активной составляющей нагрузки постоянно. При этом ток через диоды и ток вторичной обмотки трансформатора принимают практически прямоугольную форму.

При активно-индуктивной нагрузке длительность проводящего состояния диодов равна длительности полупериода входного переменного напряжения.

Если принять потери в индуктивности нулевыми, ток нагрузки идеально сглаженным, то напряжение на активном сопротивлении нагрузки будет равно постоянной составляющей выпрямленного напряжения для двухполупериодной схемы выпрямителя. При этом к закрытым диодам прикладывается полное амплитудное входное напряжение, как и в обычной мостовой схеме.

Таким образом, индуктивность в цепи нагрузки выпрямителя можно использовать для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Однако, форма входного тока в таком случае не будет синусоидальной.

Работа выпрямителя на активно-емкостную нагрузку

Это гораздо более часто встречающийся случай. Почти всегда пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются подключенным параллельно нагрузке конденсатором

Источник