Зачем специалисты включают конденсатор между генератором и трансформатором

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.

Трансформатор

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

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.

Виды конденсаторов

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.

Блок питания с трансформатором и гасящим конденсатором

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).

Все конденсаторы

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).

Конденсаторы на плате

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.

Трансформатор тесла

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.

Подключение без трансформатора

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.

Добавить комментарий
Adblock
detector