Как повысить напряжение постоянного тока с помощью конденсатора

Как повысить напряжение постоянного тока с помощью конденсатора

В быту и на производстве широко используются электрические и электронные приборы различного назначения. Необходимое условие их функционирования — подключение к электрической сети или иному источнику электрической энергии. Из соображений упрощения создания и последующей эксплуатации сети или источника целесообразно, чтобы выходное напряжение имело определенное значение. Например 220 В бытовой сети переменного тока и 12 В автомобильной сети постоянного тока.

На практике применяются сети как постоянного, так и переменного тока. Например, бытовая 220-вольтовая сеть функционирует на переменном токе, а бортовая автомобильная сеть использует постоянный ток. В зависимости от разновидности сети повышение напряжения до нужного значения решается в них по-разному.

При обращении к современной микроэлектронной элементной базе реализующие эти функции устройства при солидной выходной мощности обладают очень хорошими массогабаритными показателями. Для иллюстрации этого положения на рисунке 1 показан пример платы со снятым корпусом повышающего преобразователя постоянного тока.

Рис. 1. Повышающий преобразователь постоянного тока бестрансформаторного типа

В этой статье мы рассмотрим, как повысить напряжение постоянного и переменного тока и как это делать правильно.

Повышение переменного напряжения

Разновидности трансформаторов

Наиболее простой способ увеличения переменного напряжения – установка между выходом сети и питаемой нагрузкой повышающего трансформатора. Применяемые на практике устройства делятся на две основные разновидности. Первая — классические трансформаторы, вторая — автотрансформаторы. Схемы этих устройств приведены на рисунке 2.

Рис. 2. Схемы трансформатора и автотрансформатора

Классический трансформатор содержит две обмотки: первичную или входную с числом витков W1, а также вторичную или выходную с числом витков W2. Для трансформатора действует правило U_выхода = K×U_входа, где K = W2/W1 – коэффициент трансформации. Таким образом, в повышающем трансформаторе количество витков вторичной обмотки превышает таковое у первичной.

Повышающий авторансформатор содержит единственную обмотку с W2 витками. Сеть подключается на часть W1 ее витков. Повышение U происходит за счет того, что магнитное поле, создаваемое при протекании тока через входную часть общей обмотки, наводит ток уже во всей обмотке W2. Расчетная формула автотрансформатора аналогична обычному: U_выхода = K×U_входа, где K = W2/W1 – коэффициент трансформации.

Особенности трансформаторов

Эффективность функционирования трансформаторов наращивают применением сердечника из электротехнической стали. Этот компонент

• увеличивает КПД устройства за счет уменьшения рассеяния магнитного поля в окружающем пространстве;
• выполняет функцию несущей силовой основы для обмоток.

Неизбежные потери на вихревые тока уменьшают тем, что сердечник представляет собой наборный пакет из тонких профилированных изолированных пластин.

При прочих равных условиях целесообразно использовать трансформатор. Это связано с тем, что не пропускает постоянный ток, т.е. обеспечивает гальваническую развязку сети от приемника, позволяя добиться большей электробезопасности.

Особенность трансформатора — его обратимый характер, т.е. в зависимости от ситуации он может одинаково успешно выполнять функции повышающего и понижающего устройства. Единственное серьезное ограничение — необходимость соблюдения штатных режимов работы первичной и вторичной обмоток.

В отличие от компьютерных розеток, называемых RJ45, в различных странах при устройстве бытовых сетей электроснабжения устанавливают различные типа розеток. Известны, например, розетки, немецкого, французского, английского и иных стандартов или стилей. Поэтому на трансформатор малой мощности целесообразно возложить функции адаптера, который за счет разных типов вилок и гнезд обеспечивает механическое согласование сети и нагрузки. Пример такого устройства изображен на рисунке 3.

Рис. 3. Пример обратимого маломощного трансформатора с возможностью согласования типов розеток

Лабораторные автотрансформаторы ЛАТР

Сильная сторона автотрансформатора – простота регулирования выходного напряжения простым перемещением токосъемного контакта по обмотке. Устройства, допускающие выполнение этой опции, известны как лабораторные автотрансформаторы ЛАТР. Отличаются характерным внешним видом за счет наличия регулятора напряжения и вольтметра для его контроля, рисунок 4.

ЛАТР востребованы не только в лабораториях. Они массово применяются в гаражах, на садовых участках и других местах, где из-за перегрузки и износа линии напряжение в розетке оказывается ниже минимально допустимого.

При колебаниях сетевого напряжения вместо обычного ЛАТР целесообразно использовать стабилизатор, куда он входит в виде одного из блоков.

Рис. 4. Внешний вид одного из вариантов ЛАТР

Повышение постоянного напряжения

Общий принцип увеличения постоянного напряжения в произвольное число раз

Трансформаторный способ увеличения напряжения не может применяться в сетях постоянного тока. Поэтому при необходимости решения этой задачи используют более сложные устройства, в основу функционирования которых положена следующая схема: постоянный входной ток используется для питания генератора, с выхода которого снимают переменный сигнал. Переменное напряжение увеличивают тем или иным образом, после чего выпрямляют и сглаживают для получения более высокого постоянного.

Структурная схема такого преобразователя показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Обобщенная структурная схема повышающего преобразователя

Отдельные разновидности схем отличаются между собой:

• формой сигнала, снимаемого с выхода генератора (синусоидальное или близкое к нему, пилообразное, импульсное и т.д.);
• принципом увеличения генерируемого напряжения (трансформатор, умножитель);
• типом выпрямления и сглаживания напряжения перед подачей его на выход устройства.

В продаже доступны микроэлектронная элементная база, которая позволяет собирать преобразователи данной разновидности при наличии даже начальных навыков радиомонтажника.

Умножители

Умножители применяют в тех случаях, когда из переменного входного напряжения нужно получить постоянное, которое в кратное количество раз превышает входное.

Существует большое количество схем умножителей. Одна из них показана на рисунке 6.

Рис. 6. Принципиальная схема умножителя

Коэффициент умножения можно нарастить увеличением количества каскадов.

Рис. 7. Еще пример: умножитель в 6 и 8 раз Рис. 8. Учетверитель напряжения

Общее для таких схем:

• мостовой принцип реализации для увеличения общего КПД устройства;
• использование конденсаторов для накапливания заряда;
• применение диодов как элемента выпрямления.

Техника безопасности

При сборке и использовании повышающих устройств вне зависимости от их разновидности необходимо соблюдать базовые положения правил техники безопасности. Главные из них:

• ни при каких условиях нельзя касаться незащищенными частями тела токоведущих элементов схем;
• запрещается даже кратковременное превышение максимальной нагрузки;
• устройства в обычном офисном исполнении нельзя эксплуатировать во влажных помещениях;
• оборудование следует защищать от попадания брызг воды.

Заключение

Приведем несколько областей использования устройств для увеличения напряжения.

Для переменного тока наиболее распространено использование повышающих трансформаторов для подключения различной европейской электронной и электротехнической техники к бытовой 110-вольтовой сети в США.

Примеры из области постоянного напряжения:

• мощность широко распространенных USB-зарядников достаточна для питания СД-ленты, но последние требуют для работы напряжения 12 В; для такой выгодно ситуации применение повышающего преобразователя;
• на 3,3-вольтовых литиевых аккумуляторах можно собрать power bank для мобильных телефонов;
• регулируемые устройства хорошо востребованы при выполнении настроек автомобильных генераторов.

Автомобильный аккумулятор с подключенным к нему повышающим преобразователем может эффективно питать за городом такие 220-вольтовые устройства как телевизор, магнитофон, дрель.

Устройства для увеличения постоянного и переменного напряжения имеют обширную область применения, серьезно отличаясь друг от друга схемотехнически.

Выбор конкретной реализации зависит от ряда факторов, основные среди которых:

• соотношение входного и выходного напряжения;
• мощность питаемой нагрузки
• уровень жесткости требований электробезопасности.

На практике можно воспользоваться как покупными, так и самодельными устройствами. Большинство самодельных схем доступны для воспроизведения при наличии даже среднего уровня подготовки в области электротехники и схемотехники.

Последовательное соединение конденсаторов как вариант подбора ёмкости

Многие, собирая тот или иной прибор, часто задумываются о том, как соединить конденсаторы параллельным или последовательным соединением.

Далеко не каждый номинал выпускается промышленностью, поэтому задача обеспечить конструкцию связкой ёмкостей встречается тут и там.

При параллельном включении номиналы складываются.

При последовательном используется более сложная формула.

А ещё конденсаторы бывают подстроечными, такие совершенно точно включаются в цепи, где требуется обеспечить нужные резонансные характеристики.

В этом случае также требуется решить указанную выше задачу. Проблема ещё в том, что часто сборка какого-нибудь индукционного нагревателя идёт буквально на коленках, железа целая кипа, колодок под рукой нет, а паять лень – что делать?

Последовательные и параллельные соединения конденсаторов

При параллельном соединении конденсаторов их ёмкости складываются.

Таким образом, нет никаких проблем в том, что посчитать нужный номинал.

Допустим, нам нужно получить 7 мкФ, но промышленность подобные конденсаторов не выпускает. Зато имеются на 6,8 мкФ и 200 нФ.

Их сложением образуется связка в искомые 7 мкФ.

Заводские номиналы специально выбраны так, чтобы можно было получить любые значения.

В том случае, когда применяется последовательное соединение конденсаторов, результирующее значение номинала определяется как произведение ёмкостей, делённое на их сумму.

Мы полагаем, что калькулятор Windows поможет нашим читателям получить заданную цифру

Например, если поставить друг за другом две одинаковые ёмкости, то суммарный конденсатор получит номинал, равный половине исходных.

Когда складываются различные конденсаторы, то больший вклад вносит именно меньший. То есть нет смысла в том, чтобы последовательно соединять мощные ёмкости со слабыми. Другими словами, конденсаторы, идущие друг за другом, по номиналу должны быть примерно равноценны.

У многих возникает вопрос – зачем вообще использовать последовательное соединение.

В физике часто рассматривается этот вопрос, но не говорится, зачем кому-то может понадобиться уменьшать ёмкость своих конденсаторов.

Казалось бы, цена конструкции от этого увеличивается. Не говоря о том, сколько сложностей представляет расчёт режима. А все дело в практической стороне.

Ранее в наших обзорах мы писали, что рабочее напряжение конденсатора сильно зависит от типа диэлектрика и толщины его слоя.

Поэтому повысить этот параметр тоже проблематично. Зато можно взять и составить последовательное соединение конденсаторов, при котором напряжение между ними разделится пропорционально номиналам ёмкостей: чем меньше фарад, тем больше к ним приложится.

Строго говоря, импеданс каждого элемента 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 чисто мнимый характер (хотя на самом деле в отличие от идеала является комплексным числом из-за потерь на обкладках и некоторых других явлений).

А как будет вести себя конденсатор в цепи постоянного тока? Ёмкости заполнятся зарядами, а напряжение по-прежнему поделится между всеми элементами обратно пропорционально ёмкостям составляющих цепь элементов.

А теперь представьте ситуацию, когда разница потенциалов в цепи явно превышает рабочую.

Что делать? Набрать последовательную цепь из конденсаторов с более низким рабочим напряжением.

А жертвуем мы за это величиной ёмкости.

В некоторых случаях выгодным оказывается смешанное соединение конденсаторов.

Допустим, мы можем только 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.

Характеристики конденсаторов

Главной характеристикой прибора является емкость, то есть, количество энергии, которое он может накопить в виде электронов. Общее число зарядов на пластинах определяет величину емкости конденсатора.

Обратите внимание! Емкость зависит от площади обкладок и диэлектрической проницаемости материала. Чем больше площадь конденсаторных пластин, тем больше заряженных частиц могут поместиться на них и тем выше показатель емкости.

Из важнейших характеристик также можно назвать удельную емкость, плотность, номинальную силу заряда и полярность. Из дополнительных параметров можно указать количество фаз, метод установки конденсатора, рабочую температуру, активный электрический ток переменного или постоянного типа.

В электротехнике существуют также понятия негативных факторов, искажающих рабочие свойства колебательного контура. К ним относятся электрическое сопротивление и эквивалентная последовательная индуктивность. В качестве примера негативного критерия можно привести показатель, показывающий падение заряда после отключения электричества.

Вам это будет интересно Особенности реактивного сопротивления

Ряды номиналов ёмкостей конденсаторов

Существует несколько рядов стандартных номиналов конденсаторов, например, Е3, Е6, Е12, Е24.
Что это такое? После войны 45-го года, когда все страны сели за стол переговоров, выяснилось, что у собеседников присутствует два основных стандарта на ряду ёмкостей.

Весь смысл в том, чтобы, как это говорилось выше, можно было бы набрать любой номинал из составляющих путём параллельного соединения.

Оказалось, что это можно сделать двумя способами:

• Взять ряды, где каждое значение равнялось бы корню десятой степени из возведённой в некоторую степень десятки.

Такой ряд можно назвать пропорциональным одному и тому же значению. А именно, корню десятой степени из десятки

Теперь нужно пояснить немного с точки зрения математики. Мы обычно берём квадратный корень. Что соответствует степени 2.

Например, корень из 9 равняется 3. Кубический корень это то число, которое нужно возвести в третью степень, чтобы получить подкоренное выражение. Например, кубический корень из 27 также равняется 3.

Теперь читатели понимают, что эти ряды стандартных номиналов конденсаторов достаточно сложные.

Итак, выяснилось, что некоторая часть стран уже использует вторую методику, тогда как теоретически большую выгоду несёт именно первая.

Но в угоду неким условиям было решено применять именно корень двенадцатой степени.

И именно туда входит ряд конденсаторов Е1

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.

Другие ряды кратны этому. В них корень берётся, соответственно, третьей, шестой, двадцать четвертой, сорок восьмой, девяносто шестой и даже сто девяносто второй степеней.

В результате и образуются стандартные ряды. Для каждого из них были установлены свои допуски номиналов конденсаторов.

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

Дело в том, что со снижением степени корня растёт расстояние между номиналами. Поэтому для перекрытия всего диапазона и допуски следует взять менее жёсткие.

На практике, как это мы говорили ранее в наших обзорах, номинал со временем может выходить за указанные рамки. Как бы то ни было, люди измеряют реальное значение тестером и продолжают пользоваться изделием на свой страх и риск.

Как физически соединить конденсаторы последовательными или параллельными цепочками

Очень часто при сборке прибор до тестирования не имеет чётких рамок.

Поэтому приходится добавлять или убирать различные элементы.

Что делать в этом случае? Чаще всего применяют обычные скрутки.

Наравне с пожароопасностью это создаёт угрозу поражения током.

Кроме того скрутки сложно выполнить для большого количества присоединяемых проводов. А паять, как мы говорили выше, не вариант.

Во-первых, можно купить шину (наподобие заземления) в ближайшем хозяйственном магазине. Обычно такие продаются вместе с изолирующим основанием, которое без проблем крепится саморезами на деревянное основание.

В результате у нас получается надёжный мост, причём в каждое гнездо можно завести по несколько жил. Здесь могут возникнуть проблемы только в том случае, если проводки тонкие (высокочастотная часть).

Но связки конденсаторов как раз часто набирают для силовых цепей, поэтому мы не видим большой беды в том, что использовать прямо предназначенные для таких случаев колодки.

Цена вопроса не более 50 рублей за штуку. Плюс в том, что клеммы можно будет использовать каждый раз при отладке.

Но, допустим, размеры корпуса малы и не позволяют внутри разместить колодку.

А после тестирования как объединить множество параллельных проводов? Следует сказать, что никаких методик на этот счёт не предусматривается.

Либо выполняется разводка на печатной плате (можно специально для этого протравить небольшой отрезок нужным образом, либо воспользуйтесь одиночными клеммами.

Такие обычно обжимаются вокруг жилы, после чего можно их целыми связками объединять при помощи резьбовых соединений.

Например, закрепить на планке из дерева болт резьбой вверх, а все это установить на прочное деревянное основание.

Такое допускается на период тестирования. В случае прямого соединения аппаратуры или электрики можно применить обычный болт.

Многие читатели скажут, что параллельное соединение конденсаторов было бы удобнее набрать, прокладывая разделительные шайбы между витками проводки, а не применением индивидуальных клемм.

Мы ответим – попробуйте это сделать сами, в особенности с жилой высокого класса гибкости (которая состоит из множества тончайших проволочек), разницу почувствуете сразу. Особенно в том случае, когда часто придётся выполнять перекоммутацию.

Понятно, что конденсатор в цепи переменного тока обычно стоит под низким напряжением, следовательно, все жилы тонкие, и тогда может показаться, что клемму сложно обжать.

А вот прочие можно уже и скруткой сделать.

В общем и целом нужно понимать, что последовательное и параллельное соединения принципиально отличаются числом входящих и исходящих проводов. Поэтому и способы коммутации будут разными.

Как проверить качество соединения конденсаторов в цепи

Самый идеальный случай, когда у нас на руках имеется соответствующего типа вольтметр. Он стоит в пределах одной тысячи рублей.

Это не так много, учитывая, что вкупе мы получаем прибор для измерения сопротивлений, постоянного и переменного напряжения, токов.

Гнездо под измерение конденсатор (см. фото слева) представляет собой две узкие щели, куда должны вставляться ножки.

По нашим наблюдениям нет разницы, какой стороной вставлять электролитический конденсатор. Хотя лучше все же руководствоваться инструкцией по эксплуатации.

Ззатем как-то нужно промаркировать их, либо разложить по нарисованной на бумаге схеме, где уже проставлять все цифры (кстати, так обычно и делается во всей китайской технике).

Затем следует вычислить по формулам, какое именно значение должно получиться и проверить это тестером. Не получается? Значит, качество контактов плохое – меньше применяйте скруток.

§11. СОЕДИНЕНИЯ КОНДЕНСАТОРОВ

Если необходимо увеличить общую емкость конденсаторов, то их соединяют между собой параллельно (рис. 9, а

). При этом способе соединения общая площадь пластин увеличивается по сравнению с площадью пластины каждого конденсатора.
Общая емкость конденсаторов, соединенных параллельно, равна сумме емкостей отдельных конденсаторов и вычисляется по формуле
Собщ=С1 + С2+С3+

Это можно подтвердить следующим образом.

Соединенные параллельно конденсаторы находятся под одним и тем же напряжением, равным U вольт, а общий заряд этих конденсаторов равен q кулонов. При этом каждый конденсатор соответственно получает заряд q 1 , q 2 , q 3, и т. д. Следовательно,

Из формулы (8) вытекает, что заряд

а заряды q 1 = С 1 U; q 2 = С 2 U; q 3 = С 3 U.

Подставив эти выражения в формулу (11), получим:

С общ U= С 1 U + С 2 U + С 3 U.

Разделив левую и правую части этого равенства на равную для всех конденсаторов величину U, после сокращения найдем:

. Три конденсатора емкостью С 1 =2
мкф
; C 2 =0,1
мкф
и C 3 =0,5
мкф
соединены параллельно.

Вычислить их общую емкость.

С общ = С 1 + С 2 + С 3 =2+00,1+0,5=2,6 мкф

Общую емкость конденсаторов, имеющих одинаковую емкость и соединенных параллельно, можно вычислить по формуле

где С — емкость одного конденсатора,

Пять конденсаторов емкостью 2
мкф
каждый соединены параллельно. Определить их общую емкость.

Конденсаторы соединяют последовательно (рис. 9, б), когда рабочее напряжение установки превышает напряжение, на которое рассчитана изоляция одного конденсатора. В этом случае правую пластину первого конденсатора соединяют с левой пластиной второго, правую пластину второго — с левой пластиной третьего и т. д. Общая емкость конденсаторов при таком соединении уменьшается. Величина, обратная общей емкости конденсаторов, соединенных последовательно , равна сумме обратных величин емкостей отдельных конденсаторов:

Это можно подтвердить следующим образом. Общее напряжение на конденсаторах U общ а на каждом конденсаторе U 1 , U 2 , U 3 , тогда

Из Формулы (8) следует, что напряжение

Подставив эти выражения в формулу (14), получим:

Разделим левую и правую части этого равенства на величину q и после сокращения найдем:

Пример. Три конденсатора С1=2 мкф, С2=4 мкф и С3=8 мкф соединены последовательно. Определить их общую емкость.

Если последовательно соединены конденсаторы, имеющие одинаковую емкость, то их общую емкость можно вычислить по формуле

Четыре конденсатора емкостью 1000 пф каждый соединены последовательно. Определить их общую емкость. Решение.

Если последовательно соединены два конденсатора различной емкости, то их общую емкость можно найти по формуле

Два конденсатора С 1 =200 пф

и С 2 =300
пф
соединены последовательно. Вычислить их общую емкость.

Как видно из приведенных примеров, общая емкость конденсаторов, соединенных последовательно, всегда меньше наименьшей емкости, входящей в соединение.

Конденсаторы выбирают по емкости и рабочему напряжению которое подается на его пластины при включении в схему. При напряжении, превышающем допустимое, происходит пробой диэлектрика в конденсаторе. Это напряжение называется пробивным. Пробой диэлектрика сопровождается электрическим разрядом — искрой с характерным треском. Конденсатор с пробитым диэлектриком не пригоден для применения.

Каждый диэлектрик обладает определенной электрической прочностью, т. е. способностью противостоять пробою. Электрическая прочность (табл. 2) измеряется обычно в (в/см

) и определяется по формуле

d — толщина диэлектрика, см.

Многие, собирая тот или иной прибор, часто задумываются о том, как соединить конденсаторы параллельным или последовательным соединением. Далеко не каждый номинал выпускается промышленностью, поэтому задача обеспечить конструкцию связкой ёмкостей встречается тут и там. При параллельном включении номиналы складываются, а при последовательном используется более сложная формула. А ещё конденсаторы бывают подстроечными, такие совершенно точно включаются в цепи, где требуется обеспечить нужные резонансные характеристики. В этом случае также требуется решить указанную выше задачу. Проблема ещё в том, что часто сборка какого-нибудь индукционного нагревателя идёт буквально на коленках, железа целая кипа, колодок под рукой нет, а паять лень – что делать?

Работа диодного моста

Принцип работы диодного моста заключается в следующем. На его вход, обозначенный переменным значком, производится подача переменного тока с изменяющейся полярностью. Частота изменений, как правило, совпадает с частотой в электрической сети. На выходе, где расположены положительный и отрицательный выводы, получается ток исключительно с одной полярностью.

Однако, на выходящем токе будут наблюдаться пульсации с частотой, превышающей частоту переменного тока, подаваемого на вход. Такие пульсации являются нежелательными и препятствуют нормальной работе всей схемы. Для ликвидации таких пульсаций, применяются специальные фильтры. Для самых простых фильтров используются электролитические конденсаторы с большой емкостью. Таким образом, во всех блоках питания устанавливается диодный мост, схема с конденсатором которого позволяет эффективно сглаживать все пульсации выходящего тока.

Чтобы повысить производительность выпрямляющих устройств, в их конструкции применяется схема диодной сборки. В ее состав входят четыре диода с одинаковыми параметрами, объединенные в одном общем корпусе. Для их соединения используется схема мостового выпрямителя. Такая сборка очень компактная, для всех диодов соблюдается одинаковый тепловой режим. Стоимость общей конструкции значительно ниже, чем у четырех отдельных диодов. Однако, существенным недостатком является необходимость замены всего диодного моста, при выходе из строя хотя-бы одного диода.

Последовательные и параллельные соединения конденсаторов

При параллельном соединении конденсаторов их ёмкости складываются. Таким образом, нет никаких проблем в том, что посчитать нужный номинал. Допустим, нам нужно получить 7 мкФ, но промышленность подобные конденсаторов не выпускает. Зато имеются на 6,8 мкФ и 200 нФ. Их сложением образуется связка в искомые 7 мкФ. Заводские номиналы специально выбраны так, чтобы можно было получить любые значения.

В том случае, когда применяется последовательное соединение конденсаторов, результирующее значение номинала определяется как произведение ёмкостей, делённое на их сумму. Мы полагаем, что калькулятор Windows поможет нашим читателям получить заданную цифру. Например, если поставить друг за другом две одинаковые ёмкости, то суммарный конденсатор получит номинал, равный половине исходных. Когда складываются различные конденсаторы, то больший вклад вносит именно меньший. То есть нет смысла в том, чтобы последовательно соединять мощные ёмкости со слабыми. Другими словами, конденсаторы, идущие друг за другом, по номиналу должны быть примерно равноценны.

У многих возникает вопрос – зачем вообще использовать последовательное соединение. В физике часто рассматривается этот вопрос, но не говорится, зачем кому-то может понадобиться уменьшать ёмкость своих конденсаторов. Казалось бы, цена конструкции от этого увеличивается. Не говоря о том, сколько сложностей представляет расчёт режима. А все дело в практической стороне. Ранее в наших обзорах мы писали, что рабочее напряжение конденсатора сильно зависит от типа диэлектрика и толщины его слоя. Поэтом повысить этот параметр тоже проблематично.

Зато можно взять и составить последовательное соединение конденсаторов, при котором напряжение между ними разделится пропорционально номиналам ёмкостей: чем меньше фарад, тем больше к ним приложится. Строго говоря, импеданс каждого элемента находится по формуле R =j 1/W C, где W – круговая частота цепи (f х 2 П; 6,28 f). А литера j означает, что сопротивление ёмкости переменному току носит чисто мнимый характер (хотя на самом деле в отличие от идеала является комплексным числом из-за потерь на обкладках и некоторых других явлений).

А как будет вести себя конденсатор в цепи постоянного тока? Ёмкости заполнятся зарядами, а напряжение по-прежнему поделится между всеми элементами обратно пропорционально ёмкостям составляющих цепь элементов. А теперь представьте ситуацию, когда разница потенциалов в цепи явно превышает рабочую. Что делать? Набрать последовательную цепь из конденсаторов с более низким рабочим напряжением. А жертвуем мы за это величиной ёмкости.

В некоторых случаях выгодным оказывается смешанное соединение конденсаторов. Допустим, мы можем только 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.

Формулы измерения напряжения конденсаторов

Численный показатель напряжения равен электродвижущей силе. Также он определяется, как емкость, поделенная на величину заряда, исходя из формулы определения его величины. В соответствии с ещё одним правилом, напряжение равно току утечки, поделенному на изоляционное сопротивление.

Вам это будет интересно Как рассчитать индуктивность катушки

Основные формулы для расчета

В целом, конденсатор – это устройство для аккумулирования электрического заряда, состоящее из нескольких пластинчатых электродов, которые разделены с помощью диэлектриков. Устройство имеет электрод, измеряемый в фарадах. Один фарад равен одному кулону. На напряжение устройства влияет ток, показатели которого можно вычислить через описанные выше формулы.

Ряды номиналов ёмкостей конденсаторов

Существует несколько рядов стандартных номиналов конденсаторов, например, Е3, Е6, Е12, Е24. Что это такое? После войны 45-го года, когда все страны сели за стол переговоров, выяснилось, что у собеседников присутствует два основных стандарта на ряду ёмкостей. Весь смысл в том, чтобы, как это говорилось выше, можно было бы набрать любой номинал из составляющих путём параллельного соединения.

Оказалось, что это можно сделать двумя способами:

1. Взять ряды, где каждое значение равнялось бы корню десятой степени из возведённой в некоторую степень десятки. Такой ряд можно назвать пропорциональным одному и тому же значению. А именно, корню десятой степени из десятки.
2. Второй ряд использовал в точности те же соотношения, но корень брался в двенадцатой степени. Теперь нужно пояснить немного с точки зрения математики. Мы обычно берём квадратный корень. Что соответствует степени 2. Например, корень из 9 равняется 3. Кубический корень это то число, которое нужно возвести в третью степень, чтобы получить подкоренное выражение. Например, кубический корень из 27 также равняется 3.

Теперь читатели понимают, что эти ряды стандартных номиналов конденсаторов достаточно сложные. Итак, выяснилось, что некоторая часть стран уже использует вторую методику, тогда как теоретически большую выгоду несёт именно первая. Но в угоду неким условиям было решено применять именно корень двенадцатой степени. И именно 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.

Другие ряды кратны этому. В них корень берётся, соответственно, третьей, шестой, двадцать четвертой, сорок восьмой, девяносто шестой и даже сто девяносто второй степеней. В результате и образуются стандартные ряды. Для каждого из них были установлены свои допуски номиналов конденсаторов. Например, для:

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

Дело в том, что со снижением степени корня растёт расстояние между номиналами. Поэтому для перекрытия всего диапазона и допуски следует взять менее жёсткие. На практике, как это мы говорили ранее в наших обзорах, номинал со временем может выходить за указанные рамки. Как бы то ни было, люди измеряют реальное значение тестером и продолжают пользоваться изделием на свой страх и риск. Стоит также обратить внимание, что в рядах Е48 и Е96 исключены чётные члены (чётные степени числа десять под корнем), тогда как в Е192 впервые появляются отрицательные значения (например, 10 в степени минус один).

Приведённая информация позволит нашим читателям лучше понять смысл маркировки конденсаторов, чтобы правильно набрать из них нужные последовательные и параллельные цепочки. Кроме того, будет ясно, какие номиналы следует искать с тем или иным допуском, а которых и не существует вовсе в природе. Также должно быть понятно, что со временем съезда 1948 года в Стокгольме в большинстве стран номиналы конденсаторов унифицированы. Поэтому не нужно думать, что американские ёмкости полностью не годятся для наших российских условий. Вот только сетевое напряжение за океаном имеет другой номинал, в этом плане и нужно проявлять осторожность.

Однако! 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, тогда как для Соединённых Штатов Америки более уместны изделия с номиналов на 127 В. Ряды постоянных напряжений и вовсе изолированы. В блоках питания, к примеру, значение зависит от типа выпрямителя (однополупериодный, двухполупериродный и пр.). Нужно также учитывать, что большинство конденсаторов в подобных цепях находится под удвоенной нагрузкой (к примеру, в блоке питания персонального компьютера напряжение на обкладках может достигать 600 В).

Какие диоды нужны для диодного моста? Как правильно подобрать диоды для выпрямления.

Тема: как выбрать диод для получения постоянного тока из переменного.

Порой, когда дело приходится иметь с блоками питания (их ремонтом, сборкой своими руками) сталкиваешься с его выпрямительной частью, которая из переменного напряжения делает постоянное. Эта часть есть не что иное как диодный выпрямительный мост. Для технарей электротехников известно, что это такое и какова функция этого элемента электрических схем. Для непосвященных поясню — большинство электротехники содержат в своих схемах блок питания, который понижает сетевое напряжение 220 вольт в меньшее, что используется устройствами (3, 5, 9, 12, 24 вольта, это наиболее распространенные величины пониженных напряжений). В сети используется переменный ток, а практически все электронные схемы работают на постоянном. Так вот, для преобразования переменного напряжения в постоянное и используется диодный мост.
Выпрямительные диодные мосты бывают готовыми сборками в едином корпусе, а бывают и самодельными, которые спаиваются из четырех одинаковых диодов. А какие диоды нужны для самодельного диодного моста и как правильно подобрать их для выпрямителя? Все достаточно просто. Основными параметрами для выбора диодов на мост являются напряжение (обратное) и сила тока (которую они могут через себя пропускать без перегрева).

Напомню, что диоды при прямом подключении (плюс диода к плюсу прилагаемого напряжения, а минус диода к минусу прилагаемого напряжения) к питанию пропускают через себя электрический ток. В этом режиме (открытом) на них оседает небольшое напряжение в пределах около 0,6 вольт. Как и любые другие проводники они имеют свое внутреннее сопротивление (что и обуславливает это небольшое падение напряжения на них в открытом состоянии). Чем оно больше, тем меньшую силу тока диод способен через себя пропустить. Если же на диод приложить постоянное обратное напряжение (на плюс диода подать минус источника, и на минус диода подать плюс источника), то диод будет работать в режиме запирания. Он не будет через себя пропускать постоянный ток (будет закрыт).

Так вот, есть максимальная величина обратного напряжения, которую диод может выдержать не входя в режим электрического и теплового пробоя. Именно это обратное напряжение и нужно учитывать при выборе диодов на выпрямительный мост. Если на диодный мост будет подаваться напряжение 220 вольт переменного тока, значит диоды моста должны быть рассчитаны на большее напряжение (с запасом не менее 25%). А лучше вовсе брать с достаточно большим запасом. Это убережет полупроводники от попадания на них случайных скачков напряжения, идущие от сети. Сейчас на обычные, небольшие блоки питания ставят диоды серии 1n4007, у которых обратное напряжение равно 1000 вольтам, а долговременный ток они могут выдерживать до 1 ампера (при температуре 75 градусов).

Второй, и пожалуй главной характеристикой выпрямительного диода является сила тока, которую он может пропускать через себя длительное время (без перегрева). Изначально вы должны знать, на какой максимальный ток рассчитан ваш блок питания. И только после этого уже нужно подбирать выпрямительные диоды на мост. К примеру, вы решили сделать себе самодельный регулируемый блок питания с выходным напряжением до 15 вольт и максимальным током в 6 ампер. Следовательно, под такой источник питания нужно брать диоды, рассчитанные на силу тока порядка 10 ампер (плюс определенный запас по току). Ток в 6 ампер как бы относительно немалый. Он будет нагревать диоды выпрямительного моста. Значит под эти диоды, мост еще нужно предусмотреть охлаждающий радиатор.

Напомню, что большинство полупроводниковых компонентов сделаны из кремния, а этот материал имеет максимальную рабочую температуру 150—170 °C. Выход за эти пределы разрушаю полупроводник, в нашем случае диоды диодного моста. Лучше держать температуру диодов в пределах до 75 °C. Поставьте на мост небольшой радиатор и посмотрите не выходит ли температура при максимальной нагрузки блока питания за допустимые пределы.

Диодных мостов и диодов (под них) существует достаточно большое количество. При выборе сначала в поисковике найдите справочную таблицу диодов и диодных мостов, где указаны основные технические характеристики выпрямителей. Выберите наиболее подходящий компонент с учетом номинального обратного напряжения и силы тока. Если вы поставите на диодный мост диоды с большими номинальными токами и напряжениями, ничего страшного, это будет даже лучше, как бы излишний запас. Но подбирать меньшие или впритык лучше не стоит.

Видео по этой теме:

P.S. Кроме основных характеристик (тока и напряжения) диодов, которые будут ставится на диодный мост, еще нужно обращать внимание на частоту, на которой они могут нормально работать. Частота сети в 50 герц является достаточно малой и под нее подойдут практически все диоды. Выше приведенный диод 1n4007 имеет рабочую частоту в 1 мГц. Обращать внимание на частоту актуально для электрических схем, рассчитанных на действительно высокие частоты.

Как физически соединить конденсаторы последовательными или параллельными цепочками

Очень часто при сборке прибор до тестирования не имеет чётких рамок. Поэтому приходится добавлять или убирать различные элементы. Что делать в этом случае? Чаще всего применяют обычные скрутки. Наравне с пожароопасностью это создаёт угрозу поражения током. Кроме того скрутки сложно выполнить для большого количества присоединяемых проводов. А паять, как мы говорили выше, не вариант.

Здесь можно порекомендовать использовать групповые клеммы (клеммник, шина) в особо проблемных узлах. Во-первых, можно купить шину (наподобие заземления) в ближайшем хозяйственном магазине. Обычно такие продаются вместе с изолирующим основанием, которое без проблем крепится саморезами на деревянное основание. В результате у нас получается надёжный мост, причём в каждое гнездо можно завести по несколько жил. Здесь могут возникнуть проблемы только в том случае, если проводки тонкие (высокочастотная часть). Но связки конденсаторов как раз часто набирают для силовых цепей, поэтому мы не видим большой беды в том, что использовать прямо предназначенные для таких случаев колодки. Цена вопроса не более 50 рублей за штуку.

Плюс в том, что клеммы можно будет использовать каждый раз при отладке. Но, допустим, размеры корпуса малы и не позволяют внутри разместить колодку. А после тестирования как объединить множество параллельных проводов? Следует сказать, что никаких методик на этот счёт не предусматривается. Либо выполняется разводка на печатной плате (можно специально для этого протравить небольшой отрезок нужным образом, либо воспользуйтесь одиночными клеммами. Такие обычно обжимаются вокруг жилы, после чего можно их целыми связками объединять при помощи резьбовых соединений.

Например, закрепить на планке из дерева болт резьбой вверх, а все это установить на прочное деревянное основание. Такое допускается на период тестирования. В случае прямого соединения аппаратуры или электрики (например, в тесной распаячной коробке) можно применить обычный болт. Многие читатели скажут, что параллельное соединение конденсаторов было бы удобнее набрать, прокладывая разделительные шайбы между витками проводки, а не применением индивидуальных клемм. Мы ответим – попробуйте это сделать сами, в особенности с жилой высокого класса гибкости (которая состоит из множества тончайших проволочек), разницу почувствуете сразу. Особенно в том случае, когда часто придётся выполнять перекоммутацию.

Понятно, что конденсатор в цепи переменного тока обычно стоит под низким напряжением, следовательно, все жилы тонкие, и тогда может показаться, что клемму сложно обжать. Но мы рекомендуем на этапе тестирования под одно кольцо заделывать сразу несколько жил. Это, как правило, те, что не будут меняться. А вот прочие можно уже и скруткой сделать. В общем и целом нужно понимать, что последовательное и параллельное соединения принципиально отличаются числом входящих и исходящих проводов. Поэтому и способы коммутации будут разными.

Как проверить качество соединения конденсаторов в цепи

Самый идеальный случай, когда у нас на руках имеется соответствующего типа вольтметр. Он стоит (после аннексии Крыма) в пределах одной тысячи рублей. Это не так много, учитывая, что вкупе мы получаем прибор для измерения сопротивлений, постоянного и переменного напряжения, токов. Гнездо под измерение конденсатор (см. фото) представляет собой две узкие щели, куда должны вставляться ножки. По нашим наблюдениям нет разницы, какой стороной вставлять электролитический конденсатор. Хотя лучше все же руководствоваться инструкцией по эксплуатации.

В общем и целом рекомендуется до начала работ измерить все номиналы, затем как-то промаркировать их, либо разложить по нарисованной на бумаге схеме, где уже проставлять все цифры (кстати, так обычно и делается во всей китайской технике). Затем следует вычислить по формулам, какое именно значение должно получиться и проверить это тестером. Не получается? Значит, качество контактов плохое – меньше применяйте скруток.

Конденсаторные преобразователи напряжения

В статье рассматриваются преобразователи напряжения, построенные на цепях с переключаемыми конденсаторами. На взгляд автора, подобные топологии незаслуженно забыты и в настоящее время, с учетом наличия на рынке быстродействующих и экономичных силовых ключей, могут обрести «вторую молодость».

Конденсаторные, или как их еще называют, безындуктивные преобразователи напряжения используются относительно нечасто. На то есть свои причины – например, относительно небольшая выходная мощность и невысокий КПД. Однако в ряде случаев, когда требуется увеличить напряжение для небольшой нагрузки, а пульсации выходного напряжения не особенно критичны, использование подобных схем может оказаться весьма соблазнительной альтернативой.

Схема одного из диодно–конденсаторных каскадов, который обеспечивает высокое выходное напряжение, приведена на рисунке 1а. Наиболее примечательным в этой схеме является то обстоятельство, что номинальные напряжения диодов и конденсаторов каждого каскада должны соответствовать напряжениям этого каскада, а не сумме напряжений всех предыдущих каскадов, хотя выходное напряжение цепочки каскадов (см. рис. 1б) равно именно суммарному напряжению всех каскадов, составляющих цепочку!

Приведенные на рисунке 1 схемы, наверное, знакомы каждому радиолюбителю, и все же в двух словах напомним их принцип действия. При отрицательной полуволне правая обкладка конденсатора С1 (см. рис. 1а) заряжается до пикового напряжения полуволны за вычетом напряжения на диоде D1. При положительной полуволне конденсатор С1 оказывается последовательно включенным с вторичной обмоткой трансформатора, поэтому конденсатор С2 заряжается удвоенным напряжением за вычетом напряжения на диодах D1 и D2. При последовательном соединении нескольких цепочек (см. рис. 1б) конденсаторы С2, С4 и С6 составляют последовательно соединенный стек конденсаторов, и напряжение всех конденсаторов суммируется.

Рис. 1.
а) схема диодно-конденсаторного каскада;
б) цепочки диодно-конденсаторных каскадов

На основе описанной схемы появились разные модификации для работы с постоянным входным напряжением. Одна из таких схем – зарядный насос Диксона – показана на рисунке 2.

Рис. 2. Схема зарядного насоса Диксона с:
а) диодными каскадами;
б) MOSFET

Похожая схема используется в ИС EEPROM и флэш-памяти для увеличения напряжения питания. Благодаря ей стало возможным уменьшить внешнее питание этих микросхем до 1,8 В. Выходное напряжение N‑каскадной схемы описывается уравнением (1):

где V_F – прямое падение напряжения на диоде.

Для повышения выходного напряжения можно вместо диодов использовать MOSFET с низким сопротивлением канала в открытом состоянии, но при этом несколько возрастет стоимость решения. На рисунке 3 показан результат моделирования в LT-spice трехкаскадного зарядного насоса Диксона.

Рис. 3. Результат моделирования в LTspice трехкаскадного зарядного насоса Диксона

На рисунке 4 показана схема зарядовых насосов с плавающими или переключающимися конденсаторами. Такое название обусловлено тем, что при коммутации в некоторые моменты времени конденсаторы извлекаются из схемы и оба их конца «висят в воздухе». Необходимо, чтобы между коммутациями было мертвое время. Эту универсальную топологию можно использовать не только для усиления, но и для уменьшения, а также для инвертирования напряжения. Как правило, эту топологию компании производители применяют для построения безындуктивных DC/DC-преобразователей.

Рис. 4. Схема зарядового насоса с плавающими конденсаторами

В фазе 1 ключи SW1 и SW2 замкнуты (см. рис. 4), а ключи SW3 и SW4 разомкнуты; при этом конденсаторы С1 и С2 соединены последовательно и подключены к источнику входного напряжения. Каждый конденсатор заряжается до половины входного напряжения. Во второй фазе картина меняется на противоположную: ключи SW1 и SW2 разомкнуты, а SW3 и SW4 – замкнуты. В этом случае конденсаторы С1 и С2 соединены параллельно и подключены к выходу схемы. Таким образом, входное напряжение уменьшается в два раза.

Для уменьшения размера конденсаторов можно увеличить рабочую частоту; при этом, однако, возрастут коммутационные потери. Еще одним фактором, ограничивающим рабочую частоту, является постоянная времени заряда конденсаторов, которая ограничена выходным сопротивлением источника входного напряжения VIN, сопротивлением открытого канала ключей и эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) конденсаторов. В практической схеме, возможно, следует предусмотреть мягкий пуск, чтобы ограничить пусковой ток. В противном случае не исключено срабатывание защиты от максимального тока.

Примечательной особенностью этой схемы является ее обратимость. Если поменять местами входы и выходы и на выход VOUT подать входное напряжение, то на выводе VIN схемы появится удвоенное напряжение. В этом случае заряжаются параллельно соединенные конденсаторы С1 и С2, а выходное напряжение снимается с последовательно соединенных конденсаторов. Заметим, что максимальный выходной ток в этом случае меньше, чем в случае понижения напряжения.

Для схемы, представленной на рисунке 4, при низком сопротивлении открытых каналов ключей SW1, SW2, SW3 и SW4 величина КПД достигает 90%. Следует учесть, что при использовании N‑канальных MOSFET для управления ключей высокой стороны понадобится большее напряжение, чем VIN. В этом случае придется использовать удвоитель напряжения (см. рис. 1). Меняя схему коммутации ключей, можно получить источник отрицательного напряжения, а с помощью дополнительных конденсаторов и ключей можно изменять коэффициент передачи напряжения.

При необходимости только инвертировать напряжение применяется простейшая схема, показанная на рисунке 5. Импульс тактирования заряжает конденсатор С1 через диод D2. В паузе между импульсами, когда потенциал на входном выводе близок к потенциалу земли, конденсатор С1 разряжается по цепи «С1 – вывод «Вход» – С2 – D1». Таким образом, на верхней обкладке конденсатора, связанной с выходным электродом, появляется отрицательный заряд.

Рис. 5. Схема инвертирования напряжения

Существует еще одна интересная топология для получения высоковольтного отрицательного напряжения. Ее упрощенная схема показана на рисунке 6. Заметим, что в этой схеме ключ Q1 контроллера (для простоты контроллер не показан на схеме) жестко «привязан» к земле, в то время как в других подобных схемах его потенциал «плавает» между входным и выходным выводами. Соответственно, и выходное напряжение в таких схемах ограничено максимальным напряжением питания контроллера за вычетом входного напряжения. В схеме на рисунке 6 это ограничение отсутствует – она работает в режиме прерывистой проводимости.

Рис. 6. Упрощенная схема высоковольтного инвертирующего преобразователя

Работу схемы можно разделить на три интервала (см. рис. 7). В первом интервале d1 (см. рис. 7а) силовой MOSFET включен, ток через дроссель нарастает, и в нем запасается энергия. Конденсатор С2 отдает запасенную энергию в нагрузку. Поскольку схема рассматривается в установившемся режиме, мы полагаем конденсатор С1 заряженным, т. е. ток через него не течет.

Рис. 7. Этапы работы схемы, показанной на рисунке 6

В следующем интервале времени d2 силовой MOSFET выключается, и ток дросселя начинает протекать через конденсатор С1 через диод D1. При выключении диода из-за восстановления его обратной проводимости ток в контуре меняет направление. И, наконец, в третьем интервале d3, когда конденсатор С1 заряжен током дросселя и его напряжение превышает выходное напряжение, энергия передается от конденсатора С1 к конденсатору С2. Ток протекает через диод D2, пока напряжения на конденсаторах С1 и С2 не сравняются. При этом ток дросселя продолжает протекать через внутренний диод силового ключа MOSFET. Подробная временная диаграмма рассмотренной выше схемы, показана на рисунке 8.

Рис. 8. Временная диаграмма схемы, показанной на рисунке 6

Для режима с прерывистыми токами расчетные соотношения для схемы, приведенной на рисунке 6, следуют из формулы (2), оценивающей необходимый запас энергии в дросселе в течение интервала времени d1.

где: I_PK – пиковый ток индуктивности; L – индуктивность дросселя; f – частота коммутации; K – КПД преобразователя; VOUT – выходное напряжение; R_LOAD – сопротивление нагрузки.

Опуская ряд промежуточных алгебраических преобразований, приведем расчетные соотношения для выбора компонентов схемы. Длительность интервала времени d1 определяется из (3):

где: Т = 1/f – период цикла коммутации.

Длительность интервала времени d2 рассчитывается следующим образом:

Последний интервал времени d3 определяется из простого соотношения (5):

d3 = Т – (d1 + d2). (5)

В этом кратком обзоре мы хотели напомнить разработчикам о незаслуженно, на наш взгляд, забытых решениях, которые могут облегчить жизнь при проектировании систем питания для случаев, когда не требуется высокая стабильность выходного напряжения и минимальные значения линейных и нагрузочных регулировочных характеристик.

Как повысить переменное и постоянное напряжение?

В быту и на производстве широко используются электрические и электронные приборы различного назначения. Необходимое условие их функционирования — подключение к электрической сети или иному источнику электрической энергии. Из соображений упрощения создания и последующей эксплуатации сети или источника целесообразно, чтобы выходное напряжение имело определенное значение. Например 220 В бытовой сети переменного тока и 12 В автомобильной сети постоянного тока.

На практике применяются сети как постоянного, так и переменного тока. Например, бытовая 220-вольтовая сеть функционирует на переменном токе, а бортовая автомобильная сеть использует постоянный ток. В зависимости от разновидности сети повышение напряжения до нужного значения решается в них по-разному.

При обращении к современной микроэлектронной элементной базе реализующие эти функции устройства при солидной выходной мощности обладают очень хорошими массогабаритными показателями. Для иллюстрации этого положения на рисунке 1 показан пример платы со снятым корпусом повышающего преобразователя постоянного тока.

Рис. 1. Повышающий преобразователь постоянного тока бестрансформаторного типа

В этой статье мы рассмотрим, как повысить напряжение постоянного и переменного тока и как это делать правильно.

Повышение переменного напряжения

Разновидности трансформаторов

Наиболее простой способ увеличения переменного напряжения – установка между выходом сети и питаемой нагрузкой повышающего трансформатора. Применяемые на практике устройства делятся на две основные разновидности. Первая — классические трансформаторы, вторая — автотрансформаторы. Схемы этих устройств приведены на рисунке 2.

Рис. 2. Схемы трансформатора и автотрансформатора

Классический трансформатор содержит две обмотки: первичную или входную с числом витков W1, а также вторичную или выходную с числом витков W2. Для трансформатора действует правило U_выхода = K×U_входа, где K = W2/W1 – коэффициент трансформации. Таким образом, в повышающем трансформаторе количество витков вторичной обмотки превышает таковое у первичной.

Повышающий авторансформатор содержит единственную обмотку с W2 витками. Сеть подключается на часть W1 ее витков. Повышение U происходит за счет того, что магнитное поле, создаваемое при протекании тока через входную часть общей обмотки, наводит ток уже во всей обмотке W2. Расчетная формула автотрансформатора аналогична обычному: U_выхода = K×U_входа, где K = W2/W1 – коэффициент трансформации.

Особенности трансформаторов

Эффективность функционирования трансформаторов наращивают применением сердечника из электротехнической стали. Этот компонент

• увеличивает КПД устройства за счет уменьшения рассеяния магнитного поля в окружающем пространстве;
• выполняет функцию несущей силовой основы для обмоток.

Неизбежные потери на вихревые тока уменьшают тем, что сердечник представляет собой наборный пакет из тонких профилированных изолированных пластин.

При прочих равных условиях целесообразно использовать трансформатор. Это связано с тем, что не пропускает постоянный ток, т.е. обеспечивает гальваническую развязку сети от приемника, позволяя добиться большей электробезопасности.

Особенность трансформатора — его обратимый характер, т.е. в зависимости от ситуации он может одинаково успешно выполнять функции повышающего и понижающего устройства. Единственное серьезное ограничение — необходимость соблюдения штатных режимов работы первичной и вторичной обмоток.

В отличие от компьютерных розеток, называемых RJ45, в различных странах при устройстве бытовых сетей электроснабжения устанавливают различные типа розеток. Известны, например, розетки, немецкого, французского, английского и иных стандартов или стилей. Поэтому на трансформатор малой мощности целесообразно возложить функции адаптера, который за счет разных типов вилок и гнезд обеспечивает механическое согласование сети и нагрузки. Пример такого устройства изображен на рисунке 3.

Рис. 3. Пример обратимого маломощного трансформатора с возможностью согласования типов розеток

Лабораторные автотрансформаторы ЛАТР

Сильная сторона автотрансформатора – простота регулирования выходного напряжения простым перемещением токосъемного контакта по обмотке. Устройства, допускающие выполнение этой опции, известны как лабораторные автотрансформаторы ЛАТР. Отличаются характерным внешним видом за счет наличия регулятора напряжения и вольтметра для его контроля, рисунок 4.

ЛАТР востребованы не только в лабораториях. Они массово применяются в гаражах, на садовых участках и других местах, где из-за перегрузки и износа линии напряжение в розетке оказывается ниже минимально допустимого.

При колебаниях сетевого напряжения вместо обычного ЛАТР целесообразно использовать стабилизатор, куда он входит в виде одного из блоков.

Рис. 4. Внешний вид одного из вариантов ЛАТР

Повышение постоянного напряжения

Общий принцип увеличения постоянного напряжения в произвольное число раз

Трансформаторный способ увеличения напряжения не может применяться в сетях постоянного тока. Поэтому при необходимости решения этой задачи используют более сложные устройства, в основу функционирования которых положена следующая схема: постоянный входной ток используется для питания генератора, с выхода которого снимают переменный сигнал. Переменное напряжение увеличивают тем или иным образом, после чего выпрямляют и сглаживают для получения более высокого постоянного.

Структурная схема такого преобразователя показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Обобщенная структурная схема повышающего преобразователя

Отдельные разновидности схем отличаются между собой:

• формой сигнала, снимаемого с выхода генератора (синусоидальное или близкое к нему, пилообразное, импульсное и т.д.);
• принципом увеличения генерируемого напряжения (трансформатор, умножитель);
• типом выпрямления и сглаживания напряжения перед подачей его на выход устройства.

В продаже доступны микроэлектронная элементная база, которая позволяет собирать преобразователи данной разновидности при наличии даже начальных навыков радиомонтажника.

Умножители

Умножители применяют в тех случаях, когда из переменного входного напряжения нужно получить постоянное, которое в кратное количество раз превышает входное.

Существует большое количество схем умножителей. Одна из них показана на рисунке 6.

Рис. 6. Принципиальная схема умножителя

Коэффициент умножения можно нарастить увеличением количества каскадов.

Рис. 7. Еще пример: умножитель в 6 и 8 раз Рис. 8. Учетверитель напряжения

Общее для таких схем:

• мостовой принцип реализации для увеличения общего КПД устройства;
• использование конденсаторов для накапливания заряда;
• применение диодов как элемента выпрямления.

Техника безопасности

При сборке и использовании повышающих устройств вне зависимости от их разновидности необходимо соблюдать базовые положения правил техники безопасности. Главные из них:

• ни при каких условиях нельзя касаться незащищенными частями тела токоведущих элементов схем;
• запрещается даже кратковременное превышение максимальной нагрузки;
• устройства в обычном офисном исполнении нельзя эксплуатировать во влажных помещениях;
• оборудование следует защищать от попадания брызг воды.

Заключение

Приведем несколько областей использования устройств для увеличения напряжения.

Для переменного тока наиболее распространено использование повышающих трансформаторов для подключения различной европейской электронной и электротехнической техники к бытовой 110-вольтовой сети в США.

Примеры из области постоянного напряжения:

• мощность широко распространенных USB-зарядников достаточна для питания СД-ленты, но последние требуют для работы напряжения 12 В; для такой выгодно ситуации применение повышающего преобразователя;
• на 3,3-вольтовых литиевых аккумуляторах можно собрать power bank для мобильных телефонов;
• регулируемые устройства хорошо востребованы при выполнении настроек автомобильных генераторов.

Автомобильный аккумулятор с подключенным к нему повышающим преобразователем может эффективно питать за городом такие 220-вольтовые устройства как телевизор, магнитофон, дрель.

Устройства для увеличения постоянного и переменного напряжения имеют обширную область применения, серьезно отличаясь друг от друга схемотехнически.

Выбор конкретной реализации зависит от ряда факторов, основные среди которых:

• соотношение входного и выходного напряжения;
• мощность питаемой нагрузки
• уровень жесткости требований электробезопасности.

На практике можно воспользоваться как покупными, так и самодельными устройствами. Большинство самодельных схем доступны для воспроизведения при наличии даже среднего уровня подготовки в области электротехники и схемотехники.

Повышающий преобразователь постоянного тока с 8-32 В до 45-390 В

Габариты: 60х50х22
Вес: 55 грамм
Сборка-пайка на четверочку, флюс кое-где не отмыт.


Силовой Переключающий элемент — RU7088R — MOSFET, 70V, 80A
Остальные микросхемы с заботливо потертыми производителем маркировками.
Вход защищен от переплюсовки автомобильным предохранителем на 10А.
Выходная мощность 40 Ватт (Пиковая 70 Ватт)
Максимальный ток 0,2 А
Ток покоя: 15 мА
Рабочая частота: 75 кГц
Алгоритм работы: Подаем на вход 8-32 В DC, подстроечным резистором выставляем требуемое напряжение на выходе. (изменение входного напряжения в заданном диапазоне не влияет на выходное!)
По факту при 8 вольтах преобразователь работает нестабильно. При 10 В нестабильно работает под нагрузкой. Нормально работает от 12 В и выше.
Выход Мин и Макс:


Перед тем, как перейти к экспериментам, напоминаю — на разных частях платы присутствует высокое напряжение, которое опасно для ваших любимых дорогостоящих приборов!
Купил я как-то парочку конденсаторов на Алиэкспресс и написал про них обзор: Алюминиевый электролитический конденсатор 2200 мкФ 450 В Hitachi или «Hitachi»
Кому лень ходить по ссылкам: при низковольтных измерениях – отличные конденсаторы. Но аборигены mysku.club методом запугивания убедили меня, что вряд ли они будут работать при высоком напряжении, и красивый взрыв с эффектно разлетающимися конфетти из фольги неизбежен. Я переложил на всякий случай конденсаторы из ящика стола в сейф для хранения оружия и запретил к нему подходить всем, кроме тещи.


Собрал вот такой стенд на лоджии (благо там сейчас ремонт):

Для пущего эффекта разложил все равномерно вокруг конденсатора. Подключил и токоизмерительные клещи, и термопару примотал изолентой к корпусу- я же серьезный исследователь. Камеру засунул в аквабокс.
После выключения питания конденсатор довольно долго разряжается. Ускорение этого процесса с помощью металлического предмета приводит к вспышке, хлопку и порче металлического предмета.
Если не удалось использовать китайский электролит в качестве китайской петарды, придется его использовать по прямому назначению.
Что можно и нужно измерить? Правильно – ток утечки при заданном напряжении. У меня максимально возможное 394 В, на нем и будем мерить.

У идеального конденсатора ток утечки стремится к нулю. В реальности все не так, поэтому смотрим в таблицу и выбираем оттуда значение, которое ток не должен превышать. Для моего конденсатора 2200 мкФ на 394 вольтах не более 5,5 мА.
Схема подключения приборов при измерении:

Методика измерения — замыкаете накоротко амперметр, полностью заряжаете конденсатор, контролируя напряжение вольтметром. После полного заряда размыкаете амперметр – он показывает ток утечки. Если уверенны в своем амперметре, то можете его входы не замыкать, тогда еще и ток заряда посмотрите.


Для испытуемого конденсатора ток утечки в норме. От этого он не стал японским, но его смело можно использовать.
Выводы:
Не знаю, годен ли обозреваемый в качестве источника питания, пульсации я осциллографом не смотрел, но заряжать конденсаторы, пытать шпионов и убивать хомяков данным устройством можно.
Плюсы:
+ работает
+ приличный изменяемый диапазон выходного напряжения
+ есть возможность выбора входного напряжения
Минусы:
— можно предъявить претензии к качеству пайки и отмывки платы. Не критично, но все же.
Если нужен источник высокого напряжения, можно брать.

• 12 августа 2017, 09:05
• автор: Evidencia
• просмотры: 21804

Нет, вы там не были, вот что там написано:

5000 flashes at rated voltage applied at 5

35°C repeating every 30 seconds thru a Xe flash tube having a discharge resistance if 0.7

Цитата из вики, сорри что на английском, но думаю что разберетесь.

Конденсатор при этом тоже портится Не обязательно — зависит от «кондовости» конденсатора и запасённой энергии, которую пытаются методом КЗ через него выдернуть.
Т.е. мелким электролитам — пофиг. А вот «банки» уже столько в себе помещают кулонов/вольтов, что при КЗ может элементарно внутри отвариться контакт от фольги.
Поэтому — через около-МегаОм-ный резистор.

— К слову, в эхе Su.Hardw.Audio рассказывалась метода «тренировки» электролитов. ЕМНИП, смысл — в постепенной подаче высокого напряжения от источника с очень большим внутренним сопротивлением — при превышении некоего порога, происходил «микропробой» — никаких фейерверков — просто нано-КЗ, которое имеет 2 следствия:
1) виден реальный потолок по напряжению для конкретного экземпляра, БЕЗ его порчи;
2) микропробой при некотором токе «вышибает» «слабое звено» — фольга обкладок в этом месте оплавляется и «отходит» от этого слабого места в изоляторе, т.е. таким образом можно неколько повысить максималку для конденсатора.

Насчёт второго может уже и насочинял… или спутал с «тренировкой» ламп (форум-то ХайФай-ный) — уже прошло-то лет двадцать…