Балансный резистор как рассчитать

15

Выбор стабилитрона

Чтобы подобрать стабилитрон для схемы, показанной на рис. 3, нужно знать диапазон входных напряжений U1 и диапазон изменения нагрузки R_Н.

Рис. 3. Схема включения стабилитрона.

Для примера рассчитаем сопротивление R и подберём стабилитрон для схемы на рис. 3 со следующими требованиями:

Такая схема может потребоваться, например, для питания какого-либо устройства с небольшим потреблением от бортовой сети автомобиля.

Итак, для начала рассчитаем значение сопротивления R. Минимальное напряжение на входе равно 11 В. При таком напряжении мы должны обеспечить ток на нагрузке не менее 100 мА (или 0,1 А). Закон Ома позволяет определить сопротивление резистора: То есть цепь для обеспечения заданного тока на нагрузке должна иметь сопротивление не более 110 Ом.

На стабилитроне падает напряжение 9 В (в нашем случае). Тогда при токе 0,1 А эквивалент нагрузки: Тогда, для того чтобы обеспечить на нагрузке ток 0,1 А, гасящий резистор должен иметь сопротивление: С учётом того, что сам стабилитрон тоже потребляет ток, можно выбрать несколько меньшее сопротивление из стандартного ряда Е24 статью о резисторах). Но, так как стабилитрон потребляет небольшой ток, этим значением в большинстве случаев можно пренебречь.

Теперь определим максимальный ток через стабилитрон при максимальном входном напряжении и отключенной нагрузке. Расчёт нужно выполнять именно при отключенной нагрузке, так как даже если у вас нагрузка будет всегда подключена, нельзя исключить вероятность того, что какой-нибудь проводок отпаяется и нагрузка отключится.

Итак, вычислим падение напряжения на резисторе R при максимальном входном напряжении: А теперь определим ток через резистор R из того же закона Ома: Так как резистор R и стабилитрон VD включены последовательно, то максимальный ток через резистор будет равен максимальному току через стабилитрон (при отключенной нагрузке), то есть Нужно ещё рассчитать мощность рассеивания резистора R. Но здесь это мы делать не будем, поскольку данная тема подробно описана в статье Резисторы.

А вот мощность рассеяния стабилитрона рассчитаем: Мощность рассеяния – очень важный параметр, который часто забывают учесть. Если окажется, что мощность рассеяния на стабилитроне превысит максимально допустимую, то это приведёт к перегреву стабилитрона и выходу его из строя. Хотя при этом ток может быть в пределах нормы. Поэтому мощность рассеяния как для гасящего резистора R, так и для стабилитрона VD нужно всегда рассчитывать.

Осталось подобрать стабилитрон по полученным параметрам:

U_СТ = 9 В – номинальное напряжение стабилизации
I_{СТ.МАКС} = 300 мА – максимально допустимый ток через стабилитрон
Р_МАКС = 2700 мВт – мощность рассеяния стабилитрона при I_{СТ.МАКС}

По этим параметрам в справочнике находим подходящий стабилитрон. Для наших целей подойдёт, например, стабилитрон Д815В.

Надо сказать, что этот расчет довольно грубый, так как он не учитывает некоторые параметры, такие, например, как температурные погрешности. Однако в большинстве практических случаев описанный здесь способ подбора стабилитрона вполне подходит.

Стабилитроны серии Д815 имеют разброс напряжений стабилизации. Например, диапазон напряжений Д815В – 7,4…9,1 В. Поэтому, если нужно получить точное напряжение на нагрузке (например, ровно 9 В), то придётся опытным путём подобрать стабилитрон из партии нескольких однотипных. Если нет желания возиться с подбором «методом тыка», то можно выбрать стабилитроны другой серии, например серии КС190. Правда, для нашего случая они не подойдут, поскольку имеют мощность рассеивания не более 150 мВт. Для повышения выходной мощности стабилизатора напряжения можно использовать транзистор. Но об этом как-нибудь в другой раз…

И ещё. В нашем случае получилась довольная большая мощность рассеивания стабилитрона. И хотя по характеристикам для Д815В максимальная мощность 8000 мВт, рекомендуется устанавливать стабилитрон на радиатор, особенно если он работает в сложных условиях (высокая температура окружающей среды, плохая вентиляция и т.п.).

Если необходимо, то ниже вы можете выполнить описанные выше рассчёты для вашего случая

Vladimirus-team

Онлайн калькуляторы, приложения для Android и Windows.

Расчёт балластного резистора для стабилитрона

Используйте наш онлайн калькулятор для расчета балластного резистора для стабилитрона. Этот инструмент поможет вам быстро и легко определить необходимое значение балластного резистора для стабилитрона, основываясь на параметрах, таких как напряжение и ток. Наш калькулятор удобен и прост в использовании, и позволяет быстро получить результаты расчета. Оптимизируйте свой процесс проектирования с помощью нашего онлайн калькулятора для расчета балластного резистора для стабилитрона!

Расчет балластного резистора для светодиода

Светодиоды чувствительны к току, протекающему через них. Это значит, что при превышении максимально допустимых параметров тока светодиод может выйти из строя, а при недостаточном уровне, наоборот – просто не загореться.

Поэтому включение в цепь электрического тока такого простого элемента, как светодиод, требует применения правильно рассчитанного балластного резистора.

О том, как это сделать и пойдет речь далее.

В основе всех последующих расчётов лежит закон Ома для участка цепи. Школьникам материал покажется до боли знакомым и простым, однако, многие взрослые уже давно забыли о его существовании или о его смысле.

Георг Ом выявил следующую закономерность:

Сила тока прямопропорциональна напряжению и обратнопропорциональна сопротивлению.

В виде формулы это записывается так

Из указанной, путем перестановки, легко получаются следующие.

Нам наиболее интересна последняя.

То есть, чтобы получить значение требуемого балластного сопротивления, необходимо знать напряжение на участке цепи и силу тока.

Исходные параметры и где их взять

Напряжение. В качестве источника такового в цепи может выступать блок питания, тогда для расчётов можно взять номинальные показатели БП. Они указываются в сопроводительной документации и на шильде.

Если светодиод или светодиодная лента питаются от аккумулятора / аккумуляторной батареи, то в качестве показателей можно использовать их номинал (в зависимости от схемы подключения, номинал напряжения может изменяться, например, при последовательном соединении аккумуляторов их напряжение складывается).

Если цепь имеет нестандартный блок питания или светодиод включается в участок цепи, где напряжение неизвестно, его необходимо измерить вольтметром.

Сила тока. Ввиду того, что основное назначение балластного сопротивления – ограничение тока, идущего через диод, то исходить следует не из имеющегося значения на участке цепи, а из показателя рабочего тока самого светодиода.

То есть, в расчётах будет использоваться показатель, прописанный производителем. Узнать его можно или по маркировке диода, или из сопроводительной документации / даташита радиоэлемента. В большинстве случаев это 0,01 А (или 10 мА), именно этот показатель мы и будет использовать ниже в примерах расчётов.

Напряжение питания светодиода. Имеется ввиду номинальный (рабочий) показатель, при котором светодиод излучает свет. Чаще всего это диапазон 1,5 — 2 В. В примерах для наглядности возьмем показатель 1,7 В.

Расчет при последовательном соединении светодиодов

Для наглядности можно использовать следующие схемы.

Рис. 1. Последовательное соединение

Здесь стоит отметить, что указанный тип подключения соответствует и светодиодным лентам, ведь внутри отдельные светодиоды соединяются так же, как и в примере выше – последовательно (рисунок ниже).

Рис. 2. Светодиодные ленты

В обозначенных случаях сопротивление рассчитывается следующим образом.

В указанной формуле:

• U_пит – это напряжение, прикладываемое непосредственно к участку цепи со светодиодом (при отсутствии других элементов, это может быть напряжение блока питания);
• U_сд – это рабочее (номинальное) напряжение, необходимое для работы одного светодиода (из техдокументации радиоэлемента);
• I_сд – рабочая (номинальная) сила тока, светодиода (из техдокументации).

Если диодов несколько, то для расчетов используется следующая формула.

Здесь дополнительно вводится коэффициент N, который обозначает количество одинаковых светодиодов, соединенных последовательно (если речь идет о ленте, то N- может быть заменено количеством погонных метров, а U_сд – номинальным напряжением питания одного метра).

Пусть 5 светящихся элементов подключено к блоку питания 12 В, тогда при показателях диодов, обозначенных ранее (0,01 А и 1,7 В) сопротивление балласта будет считаться так:

R = (12 — 5·1,7)/0,01 = 3,5/0,01 = 350 (Ом).

При подключении лент – такое подключение практически не используется, так как оно сложнее в расчетах и менее эффективное.

1. При такой схеме ток равномерно распределяется по параллельным веткам (делится по количеству веток).

2. Напряжение на параллельных участках сохраняется одинаковым.

3. Получается, что балластный резистор необходимо ставить перед каждой распараллеленной веткой.

То есть схема включения должна быть только такой.

Рис. 3. Параллельное подключение

Тогда каждая отдельная ветка считается, как и в случае с последовательным соединением.

Балластный резистор не всегда можно подобрать точно в том номинале, который у вас получился при расчётах.

Для точного подбора значения сопротивления следует помнить, что их значения складываются при последовательном соединении. То есть можно собрать блок сразу из нескольких резисторов.

Если вы хотите уменьшить силу тока, протекающего через один резистор (или, например, увеличить площадь рассеивания тепла), то следует соединить их параллельно. Тогда итоговое сопротивление блока будет считаться по следующей формуле.

Как и при любой другой работе, ток при прохождении через элемент, оказывающий ему сопротивление, нагревает его.

Чтобы резистор не сгорел от высокой температуры и правильно рассеивал получаемое тепло, необходимо правильно рассчитать его теплоотдачу.

В качестве I в нашем случае выступает сила тока, до которой мы ее ограничиваем балластом, то есть 0,01 А.

То есть, для сопротивления в 350 Ом, получаемая мощность будет равна

350 · 0,01 · 0,01 = 0,035 Вт.

Лучше всего брать сопротивления с определенным запасом рассеиваемой мощности.

Мнения читателей

• Валерий / 03.04.2018 — 13:28

Очень полезная информация. Спасибо!

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Балансный резистор как рассчитать

Вопрос к знатокам электроники. Как рассчитать балансировочные (шунтирующие) резисторы R для последовательной цепочки конденсаторов?

В электронике не силен, по инету искал, и результате нашел несколько совершенно разных решений, какое из них правильное — не понимаю:

1. Просто в районе 100 килоом (типа на все случаи жизни)
2. R в мегаомах = 10 / С в микрофарадах
3. Сложные непонятные по сути формулы, в которых фигурируют токи утечки (а как их определить?), различные напряжения и т.п.

Речь идет про энергетический буфер для DCC-декодера, локомотивного или функционального (без моторного выхода — для вагонов).

На входе приведенной схемы может быть от 12 до 20 вольт (зависит от настройки станции/бустера и нагрузки). Для простоты все конденсаторы (или ионисторы) C одинаковые.

Просьба на тему "зачем делать последовательное соединение конденсаторов или ионисторов" не флеймить.

И еще подвопросик — какой должна быть мощность этих резисторов R.

В нарисованной схеме единственное понятное мне назначение этих резисторов — обеспечить путь току для саморазряда конденсаторов, в периода, когда вся схема обесточена. Обычно такой саморазряд нужен для безопасности высоковольтых цепей — обычно в сетевых преобразователях и цепях управления вольт на 100 и выше. Отключил прибор от сети, и через пару секунд на конденсаторах не осталось никаких опасных напряжений. Если для этой цели, тогда действительно тупо поставить 50-100 кОм, и свою функцию оно будет выполнять.

Никаких временных постоянных RC-цепей тут вроде не требуется. Только вот зачем надо саморазряжать конденсаторы в низковольтных цепях, — ума не приложу.

Может я чего-то недопонял в схеме.

Zimo, разные, из тех что сейчас выпускаются.

То что на схеме обозвано "decoder ground" ("земля декодера") — это название контактной площадки на декодерах Zimo, к которой подключается минус энергетического буфера (конденсатор или цепь ионисторов).

Все правильно — ионисторы (на английском их называют супер-конденсаторами, а также "gold caps"). У них очень большая емкость — легко можно найти размером с таблетку анальгина и емкостью 0.1 фарад (!). Но у них макс. напряжение 5.5 вольт, поэтому они объединяются в последовательную цепочку из четырех, при этом макс. напряжение цепи будет 22 вольта, а суммарная емкость будет 0.025 фарад (25000 микрофарад), что весьма внушительно. Размер позволит их разместить, например, под крышей небольшого лока или вагончика. Аналогичный электролит на 25 вольт и 25000 микрофарад будет размером с большую цистерну в H0 .

Спасибо, объяснили. Я действительно не знал.

В этом случае при расчете резисторов я бы руководствовался примерно таким алгоритмом:

Поскольку в схеме одновременно идут несколько противоположных процессов:

— ток утечки через эти балластные резисторы,
— заряд коденсаторов от декодера,
— медленный саморазряд конденсаторов через эти балластные резисторы,
— а при пропадании питания — еще и энергичный разряд конденсаторов через цепь двигателя, в течении пары-тройки секунд,

то надо задаться сначала следующими величинами:

1) сколько секунд составит постоянная времени разряда "конденсатор + двигатель" при аварийном отключении питания. Для этого напряжение заряженной батареи конденсаторов (вольты) делим на номинальный ток двигателя (под нагрузкой от поезда) (амперы), и получаем примерное комплексное сопротивление (омы) двигателя на номинальном ходу (недостаточно просто измерить омметром сопротивление обмотки двигателя). Теперь умножить емкость батареи конденсаторов (фарады) на это комплексное сопротивление (омы) = получим постоянную времени RC-цепи в системе конденсатор + двигатель" (секунды). Если я еще не совсем забыл электричество, эта величина обозначает время разряда конденсатора через резистор до уровня х0,7 от полного напряжения (напряжение потом уменьшается по экспоненте до нуля). Пример: 12 В : 0,2 А = 60 Ом. 25000 мкФ = 0,025 Ф. 0,025 Ф х 60 Ом = 1,5 сек. Значит, наша батарея конденсаторов будет двигать локомотив как минимум 1,5 секунды до того момента, как она разрядится до уровня 12 В х 0,7 = 8,4 В (на практике движение продолжится дольше, т.к. напряжение экспоненциально будет убывать и дальше, до нуля, продолжая крутить двигатель еще несколько секунд.)

2) Теперь мы можем задать себе условие, что "пассивный" саморазряд конденсаторов через балластные резисторы должен происходить с током как минимум в 100 раз меньшим, чем "активный" разряд через двигатель. Но тут мы должны учесть, что на мотор разряжается ВСЯ БАТАРЕЯ СРАЗУ, а на балластные резисторы — КАЖДЫЙ КОНДЕНСАТОР ИНДИВИДУАЛЬНО. Поэтому берем чеверть напряжения батареи 12 В : 4 = 3 В, и берем одну сотую номинального тока двигателя 0,2 А : 100 = 0,002 А. Считаем: 3 В : 0,002 А = 1500 Ом. Это будет номинал каждого балластного резистора к каждому конденсатору.

3) Теперь осталось проверить, не противоречит ли последовательная цепь резисторов 1500 х 4 = 6000 Ом условиям работы выходного каскада зарядной цепи декодера. Поскольку в том каскаде работают транзисторы, которые нуждаются в протекании постоянного тока через переходы (я думаю, что одна из функция этих балластных резисторов — это именно оставить путь для постоянного тока транзисторных каскадов декодера, т.к. транзистор не сможет работать на "конденсаторную нагрузку"). Проверить это у меня нет способа, т.к. я не знаю внутренней схемы декодера. Но прежний любительский опыт работы с транзисторами подсказывает мне, что 6000 Ом — это вполне правдоподобная нагрузка [в режиме покоя] для коллекторной цепи обычного транзистора средней мощности.

Все вышеописанное — сугубо ИМХО, на базе того, что осталось в голове с любительских времен. )))