Задаваемый многими пользователями вопрос, зачем же включать конденсатор между генератором и трансформатором блока питания (БП) обычно рассматривается с точки зрения экономии потребляемой энергии. Согласно общему правилу уменьшить ток через первичную обмотку удается различными способами, включая использование последовательно включенного резистора.
Также можно увеличить число витков в первичной катушке трансформаторного изделия. Однако наиболее простым и экономичным способом его ограничения является установка гасящего конденсатора на входе трансформатора питания (ТП).
Особенности включения и теоретическое обоснование
Специфика работы конденсатора, включенного последовательно с входом ТП, сводится к двум моментам. Первый состоит в переходных процессах, протекающих в реактивных элементах при их мгновенном подключении к сети. Если не вникать в тонкости импульсной техники, то все эти явления следует свести к следующим особенностям коммутации электрических цепей:
- Ток в обмотке, обладающей индуктивным сопротивлением, не может изменяться скачкообразно, то есть он какое-то время будет тем же, что в момент подключения.
- Напряжение на самом конденсаторе также не может меняться скачком, и после резкого включения некоторое время имеет то же значение, что и прежде.
В момент подключения к сети конденсатор пока не заряжен и его гасящие свойства еще не проявились. Ток в первичной обмотке ТП также еще не вырос до нужного значения, вследствие чего все сетевое напряжение приложено к ней.
Важно! Особо опасен случай, когда момент коммутации (подключения) совпадает со временем действия амплитудного значения сетевого напряжения.
Из теоретических выкладок следует, что действие конденсатора проявляется в полной мере, если своевременно учесть все перечисленные выше моменты.
С другой стороны для описываемой ситуации характерны резонансные явления, происхождение которых проще понять из приведенной схемы . Из нее следует, что подключенный последовательно конденсатор вместе с индуктивностью первичной катушки образует колебательный контур.
Схема
Резонанс
При определенных условиях на входе трансформатора подключенного через конденсатор возможно явление резонанса, которое может быть объяснено следующим образом:
- И конденсатор и первичная катушка смещают фазу переменного напряжения практически одинаково, то есть на 90° (в векторном представлении она сдвигается в противоположные стороны).
- Из этого следует, что в точке соединения этих элементов как будто включен виртуальный генератор (рис.2), работающий синхронно с сетевым источником.
- Векторное наложение этих двух составляющих и приводить к резкому возрастанию амплитуды суммарного сигнала, а причиной этому является гасящий конденсатор в первичной цепи трансформатора.
Обратите внимание! Такое совпадение фаз возможно лишь в ситуации с виртуальным генератором, тогда как реальные их аналоги не приводят к описанному эффекту.
На практике характеристики колебаний задаются более мощными источниками, вынуждающими слабые автоматически подстраиваться под них. Это необычное резонансное явление в свое время было отмечено родоначальником кибернетики Н. Винером. Оно же используется для рекуперации мощности ветровых станций, существенно повышающих КПД источников альтернативной энергии.
Блок питания с трансформатором и гасящим конденсатором
Типичным примером того, как можно гасить излишки напряжения, не снижая при этом КПД модуля питания, является классический БП с балластной цепочкой (фото слева). Подключив трансформатор через конденсатор, установленный между генератором напряжения и первичной обмоткой ТП, удается обеспечить следующие преимущества:
- Уменьшаются габариты трансформатора (за счет снижения числа витков и меньших размеров магнитопровода).
- Изделие становится более компактным и легким.
- Удается реализовать щадящий режим работы обеих обмоток.
Благодаря такой схеме включения за счет резонансных явлений амплитуда напряжения на входе многократно возрастает. При этом необходимость подавать на первичную обмотку ТП полное сетевое напряжение отпадает, что приводит к существенной экономии энергии.
Дополнительная информация! Следует иметь в виду, что если включение трансформатора через конденсатор осуществлено некорректно, то из-за резонансных явлений может быть поврежден не только сам блок питания, но и подсоединенная к нему дорогостоящая нагрузка.
Именно поэтому при проектировании схем с конденсаторами в первичной цепи трансформатора необходимо принимать меры, позволяющие не допустить аварийной ситуации. Они обычно сводятся к тому, что в гасящей цепочке устанавливаются дополнительные элементы, ограничивающие размах колебаний.
Их назначение может быть представлено следующим образом:
- Конденсаторная первичная обмотка трансформатора осуществляет разделение высоковольтной и низковольтной составляющих питающей цепи.
- Резистор R2 выполняет функцию элемента, задающего ток через встречно включенные стабилитроны, ограничивающие напряжение после конденсаторного элемента.
- За счет их подсоединения параллельно обмотке трансформатора удается поддерживать потенциал в этой точке на уровне пробоя полупроводниковых элементов.
В качестве примера рассмотрим расчеты включений трансформаторов через конденсатор для двух случаев: когда к БП подключена нагрузка, а также вариант работы в режиме холостого хода (передаточный коэффициент ТП равен десяти).
Под нагрузкой
Предположим, что в нагруженном на Rн источнике питания на первичной обмотке действует определенное напряжение, не превышающее 20-ти Вольт. В этом случае приведенное к ней значение Rн составляет приблизительно десятую часть емкостного сопротивления |Xc1|, образуя делитель напряжения 10:1 (ориентировочно). Иначе результат расчета можно представить так: |Хс1|=10Rн.
При правильно рассчитанном трансформаторе ТП индуктивное сопротивление входной обмотки |XL| будет примерно в 10 раз меньше приведенного к первичной цепи Rн. Сопротивления этих элементов взаимно компенсируются, а добротность образованного ими контура будет крайне низка. Никаких резонансных явлений в этом случае наблюдаться не будет.
Холостой ход
Совершенно другая ситуация складывается в режиме с отключенной нагрузкой (сдвиг фаз равен нулю). В этом случае выведенные выше соотношения выглядят так: |Хс1|=10Rн и |ХL|=10Rн, то есть |Xc1|=|XL| и создаются условия для возникновения резонанса напряжений. Если на вход подключать генератор с пониженным напряжением порядка 1-2 Вольта – на первичной обмотке не нагруженного ТП оно увеличится в 10 и более раз (за счет резонанса).
Важно! Если продолжать увеличивать напряжение выше 20-ти Вольт магнитный сердечник трансформатора начнет насыщаться, его индуктивность при этом уменьшается, и контур потеряет резонансные свойства.
Но если трансформаторное изделие изготовлено с большим запасом по мощности и если еще больше увеличивать входное напряжение, то резонансные явления могут достичь значительной величины. А это приведет к существенному возрастанию его падения на конденсаторе С1, предельные параметры которого (по максимальному напряжению) придется выбирать с большим запасом.
Из проведенного анализа следует важный вывод, определяющий допустимость рабочих режимов в схемных решениях с подключаемым через конденсатор питающим трансформатором. Он заключается в следующих основных положениях:
- При подключенной нагрузке угроза перенапряжений из-за резонансных явлений в цепочке последовательно включенного конденсатора, как правило, невелика.
- В режиме холостого хода этот элемент подвергается большей опасности и если он выбран без требуемого запаса по предельному напряжению – возможен пробой обкладок конденсатора.
- При эксплуатации конструкций, построенных на основе данного схемного решения (как и в случае бестрансформаторного включения с гасящей емкостью) работа без нагрузки недопустима.
Дополнительная информация! В конкретных ситуациях для исключения негативных последствий параллельно первичной катушке устанавливаются два встречно включенных стабилитрона, рассчитанных на соответствующее напряжение пробоя.
Эти элементы выполняют чисто ограничительную функцию.
Подключение без трансформатора
В определенных условиях нагрузку к высоковольтной сети допускается включать непосредственно через конденсатор вместо трансформатора используемый в данном схемном решении.
У этого вида организации электропитания имеются свои преимущества и недостатки. Первые состоят в следующем:
- При данном способе ограничения сетевого напряжения схема преобразовательного устройства существенно упрощается.
- Снижаются его габариты и масса, а экономичность напротив – повышается.
- Такой блок питания удобен в пользовании и прост в ремонте.
Однако за все перечисленные достоинства приходится расплачиваться одним, но очень существенным недостатком, касающимся безопасности пользования этим устройством.
Важно! В отличие от трансформаторной схемы включения, при которой опасный потенциал 220 Вольт отделен от выходных цепей изолированными катушками, в данном случае налицо прямая электрическая связь.
А это чревато последствиями в виде поражения током случайно прикоснувшегося к нагрузочной цепи пользователя. Указанная опасность может возникнуть при непредвиденном пробое входного конденсатора с замыканием обкладок и попадании напряжения 220 Вольт непосредственно на выход устройства. Другим не менее неприятным последствием такой неисправности станет сгорание подключенной к БП нагрузки (а это может быть и дорогой смартфон, например).
Заключение
В заключительной части обзора отметим, что, разобравшись с тем, зачем нужен конденсатор на входе трансформатора, можно смело применять это схемное решение на практике. При этом всегда нужно помнить о тех ограничениях и особенностях подключения, которые исключат нежелательные последствия использования этого приема.
