Лабораторная работа № 6

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ЗАРЯДА И РАЗРЯДА КОНДЕНСАТОРА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение процессов заряда и разряда конденсаторов в RC -цепях, ознакомление с работой приборов, используемых в импульсной электронной технике.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

Рассмотрим схему, пред-ставленную на рис. 1. Схема включает в себя источник постоянного тока, активное сопротивление и конденсатор, процессы заряда и разряда в котором и будем рассматривать. Эти процессы разберем по-отдельности.

Разряд конденсатора.

Пусть вначале источник тока e подключен к конденсатору С через сопротивление R. Тогда конденсатор зарядится так, как показано на рис. 1. Переведем ключ К из положения 1 в положение 2. В результате конденсатор, заряженный до напряжения e , начнет разряжаться через сопротивление R. Считая ток положительным, когда он направлен от положительно заряженной обкладки конденсатора к отрицательно заряженной, можем записать

https://pandia.ru/text/78/025/images/image003_47.gif" width="69 height=25" height="25">, , (1)

где i – мгновенное значение силы тока в цепи, знак «минус» которого показывает, что появление тока в цепи i связано с уменьшением заряда q на конденсаторе;

q и С – мгновенные значения заряда и напряжения на конденсаторе.

Очевидно, что первые два выражения представляют собой определения силы тока и электроемкости, соответственно, а последнее – закон Ома для участка цепи.

Из двух последних соотношений выразим силу тока i следующим образом:

https://pandia.ru/text/78/025/images/image006_31.gif" width="113" height="53 src=">. (2)

18. Почему в данной установке нет источника постоянного тока, показанного на принципиальной схеме?

19. Можно ли в данной установке применить генератор синусоидального напряжения, пилообразного напряжения?

20. Какой частоты и длительности импульсы должен вырабатывать генератор?

21. Для чего нужно в данной схеме активное сопротивление R ? Какой должна быть ее величина?

22. Какого типа конденсаторы и резисторы могут применяться в данной установке?

23. Какие значения могут иметь емкость и сопротивление в данной схеме?

24. Для чего нужна синхронизация сигнала осциллографа?

25. Каким образом добиваются оптимального вида сигнала на экране осциллографа? Какие регулировки при этом применяются?

26. Чем отличаются цепи заряда и разряда конденсатора?

27. Какие измерения нужно провести, чтобы определить емкость конденсатора в RC -цепи?

28. Как оценить погрешности измерений при работе установки?

29. Как повысить точность определения времени релаксации RC -цепи?

30. Назовите пути повышения точности определения емкости конденсатора.

Ток зарядки при 100Дж и ~1 сек. при запуске холодных конденсаторов (первое включение) до 10 ампер в пике, в процессе работы до 6А, а в момент включения вообще ужас - 100А. При удачном попадании в пик напряжения 310в / 3 Ом = 103А.

Итак, даже исходя из 6А получим импульсную нагрузку в сети эквивалентную 1-1,5kW - 6A * 220V = 1320W !!

И это 100 Дж, а если вспышек несколько я бы на месте автомата на такой импульс обиделся и после первой хорощей вспышки тока больше бы не дал.
Если брать схему с БЗ без удвоителя, то там начальный бросок тока еще больше и явная асимметрия - используется только один полупериод.

С другой стороны - 100Дж при зарядке 1 сек. эквивалентно 100 Ватт, ну 130 со всевозможными потерями - совсем не страшная мощность. А что, если заряжать конденсатор через подобие корректора коэфициента мощности - бустерный преобразователь напряжения без конденсатора на входе?

Форма тока при этом будет примерно такая:

Получается профиль сетевого напряжения, заполненный высокочастотными импульсами тока. Если схема управления будет работать в режиме ограничения тока на выходе, а прерывание зарядки по достижению заданного напряжения, то мы получим и быструю зарядку - например при 350W - 300Дж/сек. и плавную регулировку мощности.
И автомат доволен, и зарядные цепи сравнительно слаботочные, и больших горячих резисторов нет, и постоянкой питать можно, и энергонадзор доволен - коэффициент мощности как у самовара...

Вот только одно НО! Я делал вспышку ПОЧТИ по приведенной схеме Вальдемара Шиманского. Вот использованная мной схема.

если не вдаваться в подробности то только гасящий резистор ставил 5,1 Ом и конденсаторы в удвоителе стоят на 22mF, так вот там предохранитель на 1А живёт долго и счастливо, если схема работает правильно. А если нет, так этот самый предохранитель там и стоит для аварийного отключения. Так что, или что то в рассчётах намудрили, или теория с практикой не совпадает.

Взять микросхему и дизайн из даташита не получится - нужно адаптировать и начинаются странные вопросы - например как поведет себя схема при действительно большом конденсаторе? - будет греться, пока не зарядит его до 310В, а только потом начнет работать...

В расчетах все впорядке - вопервых я исходил из 100мкФ зарядного конденсатора и резистора 3 Ом, во вторых плавкий предохранитель достаточно инерционный прибор и с легкостью выдерживает короткий импульс в несколько раз больше номинала, да и автомат о котором я упомянул тоже срабатывает на импульсную перегрузку в 5 - 15 раз больше номинала (в зависимости от класса).
В реальных условиях при таком импульсе в сети разве-что свет слегка моргнет. Я, например, четко вижу как включается у-х киловатный электрочайник на кухне. Тут скорее хочется получить элегантное решение без перегрузок и нагрева.

Все то же самое, что и с конденсатором, ПОРЦИЯМИ. Только ПОРЦИЯ накапливается на заряд, А МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В КАТУШКЕ.

Нет ограничения тока в случае аварии...
Единственный недостаток решения в отличие от емкости - индуктивность сама по себе не может ограничить ток после набора электромагнитной энергии и ток может течь впустую.
А конденсатор - не возьмет больше чем в него влезет. И в конце - ток оборвется. А катушку нужно еще и выключать... Опасно это и ненадежно...

Если без умножителя, то согласен - даже при пробое ключа конденсатор выживет, но при разумных токах будет слишком долго заряжаться, а вот с умножителем - если не выключить вовремя бахнет. Импульсные блоки питания довольно хорошо проработаны, но при зарядке конденсатора блок будет работать на КЗ - нужно как-то это учитывать.

Итого - что я пока нарыл - больше всего подходит обратноходовая схема

У нее выходное напряжение не зависит от входного и от соотношения витков тоже мало зависит и можно легко зарядить конденсатор до любого напряжения. Получается, что ненужно ставить после выпрямителя конденсатор и заряжаться основной конденсатор будет не только пиками синусоиды, а почти весь период.
Получаем полную гальваническую развязку от сети, хороший коэффициент мощности (если без входного конденсатора). Силовой транзистор нужен на довольно небольшой ток - на 100Дж/сек около 3А (IRF830-IRF840). Теоретически можно заставить работать от 12В без переделки.

Из минусов - схема явно сложнее в расчете (а наглазок ее не сделаешь) и наладке чем тирристорные. Нужен довольно высоковольтный транзистор - если верить книжкам - в два раза больше амплитуды сетевого напряжения + запас - около 800-900В, или более сложная схема с 2-мя транзисторами на 400В, но все равно это дешевле мощного IGBT и сравнимо с тирристором.
НУЖНО мотать трансформатор
Если не задаваться целью изолировать от сети, то красиво выглядит buck конвертор,
но он понижающий и для меня пока непонятен вопрос - что удобней 300В и больше емкость, или например 400В-500В с последовательным соединением конденсаторов?

Блок заряжает 1300 мкФ до 310В за 2,5-4 сек, в зависимости от состояния аккумуляторов! Предусмотрена защита конденсаторов вспышки от перенапряжения, пороговая импульсная защита силового транзистора по току и что-то там ещё...

Вот такой дежурный комплект получился. Да, возможность зарядки от сети 220В сохранена. Но, при запитке от блока, энергия вспышек почти в полтора раза больше...

Про сетевой обратноход мысль хорошая, если бы не:

1) IRF840, мало по напряжению бздыньк будет. Надо 1200в

2) Диод, если напряжение на конденсаторах делать 600--1200В диода может не хватить.

3) ультрафасты на такие напряжения будут иметь падение 2-3вольта. КПД 80-85 выше не получится.

4) Чтоб не мучить себя можите примерно оценить по всем идеалогиямhttp://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/smps_e.html#Aww

5) Про заряд конденсатора от сети до 300в, это вилами на воде, у меня допустим верхушка синусоиды срезана вольт на 25-30. А китайский тестер покажет в сети 220в, а банку до 300 вольт хрен зарядишь.

6) Энергия считается как напряжение в квадрате на ёмкость, всегда выгоднее поднимать напряжение.

7) Надёжный импульсный блок сложнее дороже чем тиристорный зарядник. Смысл его использовать есть только в нескольких случаях:

Зарядка от батарей
--- высокая скорость зарядки при малых габаритах (имеется в виду скорость 600-1000 дж\сек)
--- Гальваническая развязка от сети (обычно решается грамотными конструктивами)

Будете приятно удивлены! Дроссель при том же габарите раз в полтора мощней и нет удвоения напряжения на диоде! А без гальванической развязки переживёте как-нибудь! Жили же мы без неё... Работаете в диапазоне 240-410В (после сетевого выпрямителя и сглаживания. Для выходного напряжения 410В вам даже вольтодобавочной обмотки не потребуется.

в Косом мосте забыли один диодик и выходной дроссель, без дросселя ключикам уж очень тяжко будет.

По простоте конечно обратноход конечно лучше, минимум деталей, не боится кз и т.д.

О чем речь. Это и есть обратноходовая 2-х ключевая схема.

Но тогда основное преимущество обратнохода (простота) теряется, надо драйвер верхнего плеча ставить, или трансформаторный драйвер.

итак: для заряда конденсатора вспышки подходит только обратноходовая схема, т.к. она является источником тока (все прямоходы - источники напряжения - а источник напряжения у нас уже есть - сеть 220 вольт).

рассмотрим немного теории. схему не привожу, ее все отлично знают.

Максимальное напряжение на транзисторе определяется суммой выпрямленного питающего напряжения сети и обратного напряжения на первичной обмотке. С питающим все понятно, это 310 вольт (плюс, минус). Обратное же напряжение на первичной обмотке зависит _только_ от скважности импульса или duty cycle! Объясняю - в установившемся режиме работы энергия, запасаемая на прямом ходу должна быть вся передана в нагрузку на обратном (если она вся не передается, то она начинает накапливаться в сердечнике, мы доходим до ограничения по току первичной обмотки (и, возможно, насыщения) и ШИМ-контроллер уменьшает длительность импульсов). Вспоминаем формулу:

U = L(dI/dt)

т.е. если T обратного хода будет в два раза больше, чем прямого, то U обратного хода будет в два раза меньше. О тсюда при D = 33% мы получаем обратное напряжение в 155 вольт. все. Это наша расчетная величина, на нее мы опираемся. Т аким образом, не считая выброса за счет индуктивности рассеяния, на ключе будет всего 310 + 155 = 465 вольт! При _любом_ выходном напряжении (выходное напряжение рассчитывается как N2*155/N1, где N1 и N2 - количество витков в первичной и вторичной обмотках, соответственно). N1 выбирается исходя из T прямого хода и энергии, которую необходимо передать за один импульс. N2 выбирается для достижения заданного максимального выходного напряжения. О сталась проблема выброса за счет индуктивности рассеяния. Его амплитуда не ограничена ничем, а мощность зависит от тока через первичную обмотку и, собственно, индуктивности рассеяния. Можно пойти по стандартному пути и поставить снаббер, тогда вся эта энергия выделится на его резисторе (или стабилитроне). можно не ставить снаббер, тогда энергия будет выделяться на ключе (мосфеты достаточно устойчивы к лавинным процессам и позволяют рассеивать достаточно большую мощность выбросов без выхода из строя или ухудшения параметров, чего нельзя сказать о биполярниках).
Но, в нашем случае нет никакой необходимости делать развязку вспышки с сетью, поэтому мы можем сделать импульсный трансформатор в виде автотрансформатора (или дросселя с отводом) и... тогда у нас не будет индуктивности рассеяния вообще! В этом случае, напряжение на ключе будет всегда 465 вольт! Ч то касается обратного напряжения на выходном диоде, то да, оно будет большим и вполне может превысить киловольт (т.е. напряжение, на которое рассчитано большинство современных диодов). но мы тут можем соединить два диода последовательно и получить выпрямитель на 2 киловольта.

Итак, мы рассчитали схему на максимальное выходное напряжение. что же с ней будет, если мы захотим остановить заряд конденсатора на напряжении в два (например) раза меньше? а ничего плохого. амплитуда напряжения на ключе не достигнет даже 465 вольт - она будет 310 + 155/2 вольт.

основной проблемой в данной схеме будет являться изготовление трансформатора - он должен будет запасть достаточно большое количество энергии на каждом импульсе, чтобы заряжать выходной конденсатор с нужной скоростью. его можно изготовить на достаточно крупном Ш-образном сердечнике с зазором или же дроссельном кольце с низкой проницаемостью. параметры можно рассчитать и/или подобрать опытным путем, намотав обмотку, пропуская через нее ток и смотря момент насыщения. М аксимальный ток через ключ будет более чем скромным - 4-6 ампер в зависимости от режима схемы (разрывные или неразрывные токи) и мощности (я считал примерно на 300-320 ватт).

Представляю набросок схемы. Схема основана на UC3842 (или 3844) – недорогом ШИМ-контроллере (в принципе, можно адаптировать схему и для любого другого).

Кратко расскажу, как все работает.

При подключении питания (входной фильтр, выпрямитель и конденсатор я оставляю на ваш выбор) через резистор R7 конденсатор С3 заряжается до напряжения 16.5 вольта, которое является пороговым для запуска ШИМ-контроллера. После этого питание берется с обмотки III трансформатора через выпрямитель и фильтр R9, VD4, C8. Диод VD1 необходим для того, чтобы через резистор R7 заряжался только конденсатор С3, но не С8. Следует обратить внимание, что обмотка III включена таким образом, что напряжение на ней берется на прямом ходу, а не на обратном и, таким образом, не зависит от выходного напряжения блока, а зависит только от питающего напряжения. По такому же принципу включена обмотка IV, которая обеспечивает питание цепи обратной связи. Поскольку, токи в этих цепях небольшие (ограничены резисторами R8 и R9), такое их включение практически не влияет на работу схемы.

Частоту и максимальный рабочий цикл генератора ШИМ задают конденсатор С1 и резистор R1. На схеме привожу ориентировочные данные, возможно, эти элементы придется подобрать (я планировал частоту 100КГц). Общий принцип работы генератора ШИМ такой – в начале конденсатор С1 заряжается через резистор R1 от опорного напряжения микросхемы (5 вольт), затем разряжается через внутренний источник тока. При этом, в процессе разряда конденсатора выходное напряжение микросхемы всегда низкое (т.е. мертвое время).

На резисторе R2 выделяется напряжение, пропорциональное току через ключ. При достижении 4А (напряжение 1В на входе CS) ШИМ закрывает транзистор. Фильтр R3C6 предназначен для подавления помех, связанных с переключением транзистора. Резистор R1 и диод VD2 предназначены для относительно медленного открывания ключа и максимально быстрого его закрывания.

Итак, теперь рассмотрим получение выходного напряжения. Пока ключ открыт, через обмотку I трансформатора протекает ток. При этом, на диодах VD5-VD6 напряжение обратное и они закрыты. Когда ключ закрывается, напряжение на обмотках I и II резко меняет знак, диоды открываются и начинают заряжать конденсатор линейно спадающим током. За счет того, что в этом случае напряжение берется и с первичной обмотки тоже, мы не имеем индуктивности рассеяния вообще, и нам нет необходимости ставить снаббер. Недостаток этой схемы только в том, что выходное напряжение имеет другой «общий» провод и гальванически связано с сетью. Но для питания вспышек это значения не имеет.

На TL431A и оптроне 817C сделан стабилизатор выходного напряжения, которое регулируется резистором R16 примерно от 150 до 350 вольт. Резистор R13 нужен для того, чтобы конденсатор постоянно немного разряжался и ШИМ-контроллер при достижении заданного напряжения не выключался (т.к. он питает себя и цепь обратной связи). Хотя, я до конца не уверен, что такое питание будет надежно работать – надо собрать и проверить. Альтернативно можно питать контроллер и обратную связь от отдельного источника питания на трансформаторе, но это увеличит габариты конструкции.

Как я и говорил ранее, приблизительные данные трансформатора – обмотки I и II по 500 мкГн, обмотки III и IV – такие, чтобы на прямом ходу на них формировались нужные напряжения (около 16 в и 12 в соответственно). Трансформатор должен выдерживать ток 4А в первичной обмотке без насыщения. В принципе, ток может быть и другим – от этого изменится только мощность блока и скорость заряда конденсатора (только R2 надо подобрать под максимальный допустимый ток обмотки).

Конденсатор – это элемент электрической цепи, который способен накапливать электрический заряд. Важной особенностью конденсатора является его свойство не только накапливать, но и отдавать заряд, причем практически мгновенно.

Согласно второму закону коммутации напряжение на конденсаторе не может измениться скачком. Эта особенность активно используется в различных фильтрах, стабилизаторах, интегрирующих цепях, колебательных контурах и тд.

В том, что напряжение не может измениться мгновенно, можно убедиться из формулы

Если бы напряжение в момент коммутации изменилось скачком, это означало бы, что скорость изменения du/dt = ∞, чего в природе быть не может, так как потребовался бы источник бесконечной мощности.

Процесс заряда конденсатора

На схеме представлена RC – цепь (интегрирующая), запитанная от постоянного источника питания. При замыкании ключа в положение 1 происходит заряд конденсатора. Ток проходит по цепи: “плюс” источника – резистор – конденсатор - “минус” источника.

Напряжение на обкладках конденсатора изменяется по экспоненциальному закону. Ток, протекающий через конденсатор, также изменяется по экспоненте. Причем эти изменения взаимообратны, чем больше напряжение, тем меньше ток, протекающий через конденсатор. Когда напряжение на конденсаторе сравняется с напряжением источника, процесс заряда прекратится, и ток в цепи перестанет течь.

Теперь, если мы переключим ключ в положение 2, то ток потечет в обратную сторону, а именно по цепи: конденсатор – резистор – “минус” источника. Таким образом, конденсатор разрядится. Процесс будет носить также экспоненциальный характер.

Важной характеристикой данной цепи является произведение RC , которую еще называют постоянной времени τ . За время τ конденсатор заряжается или разряжается на 63%. За 5 τ конденсатор отдает или принимает заряд полностью.

От теории перейдем к практике. Возьмем конденсатор на 0,47 мкФ и резистор номиналом 10 КОм.

Рассчитаем примерное время, за которое должен зарядиться конденсатор.

Теперь соберем данную схему в multisim и попробуем промоделировать

Собранная схема, запитана от батареи 12 В. Меняя положение переключателя S1, мы сначала заряжаем, а затем разряжаем конденсатор через сопротивление R = 10 КОм. Для того чтобы увидеть наглядно работу схемы посмотрите видео ниже.