Détermination de la tension de sortie. Alimentation du condensateur

Le diviseur de tension est également appelé diviseur de tension capacitif. En raison de leurs propriétés, qui seront discutées ci-dessous, les condensateurs, contrairement à, sont avantageusement utilisés comme diviseurs de tension alternative.Depuis quand coule courant alternatif propriétés d'inductance apparaissent, alors les inductances peuvent également être utilisées pour les diviseurs de tension, mais il serait plus rationnel de les utiliser comme diviseurs alternatifs.

Regardons de plus près le robot des diviseurs de tension capacitifs. Résistance du condensateur XC dépend à la fois de sa capacité AVEC , et sur la fréquence de la tension alternative F et est déterminé par la formule suivante :

Comme le montre la formule, avec une augmentation de la fréquence et une augmentation de la capacité, la résistance diminue. Cela suggère que si vous prenez un condensateur avec une valeur de capacité fixe et le connectez à une source de tension, la fréquence 50 Hz puis augmentez la fréquence à 100 Hz, alors la réactance du condensateur sera réduite de moitié et, par conséquent, le courant doublera également.

Pourquoi est-il bon d'utiliser des condensateurs comme diviseurs de tension ? Le fait est qu'il ne consomme pratiquement pas d'énergie active, car il ne chauffe donc presque pas. Un condensateur consomme principalement de l'énergie réactive, c'est-à-dire qu'il est un consommateur de puissance réactive, qui, contrairement à la puissance active, n'effectue aucun travail utile, et seul l'échange d'énergie est effectué entre les éléments réactifs (inductance, condensateur) et la tension alternative la source. La puissance réactive n'apparaît que dans les circuits de tension alternative. À courant continu puissance réactive est nul, et seule la puissance active circule.

Voyons pourquoi un condensateur ne consomme pas de puissance active. Sans entrer dans la théorie, nous notons seulement que la tension aux bornes du condensateur est en retard sur le courant d'un angle de 90 ° ( riz. 1 ). Par conséquent, lorsque le courant atteint son maximum, la tension est nulle, et au moment où la tension atteint son amplitude, le courant est nul.

Riz. 1 - Graphique du courant et de la tension aux bornes du condensateur

La puissance active dans les circuits CA est déterminée par la formule suivante :

P a = UIcosφ ,

φ – angle entre le courant et la tension.

Comme nous l'avons noté précédemment, l'angle = 90º et le cosinus de cet angle est nul. Maintenant, si nous substituons dans l'expression ci-dessus la valeur de l'angle φ , alors nous verrons que la puissance active est nulle.

Schéma de connexion des condensateurs ( riz. 2, 3 ) pour former un diviseur de tension est le même que le circuit de connexion de résistance, seulement, contrairement aux résistances, la chute de tension est inversement proportionnelle à la capacité.

Riz. 2 - Circuit diviseur de tension de condensateur

Riz. 3 - Circuits diviseurs de tension avec différents calibres de condensateur

Il ne faut pas oublier que des condensateurs non polaires doivent être utilisés dans les circuits CA, donc la plupart des condensateurs électrolytiques ne fonctionneront pas ici.

Et plus loin, Tension nominale le condensateur doit être supérieur à ce qui lui sera fourni, en √2 ≈ 1,41 fois:

E = √2U,

E — valeur de tension de crête, V;

U — valeur de tension efficace, V.

Beaucoup moins souvent, les inductances sont utilisées pour les diviseurs de tension alternative ( riz. 4, 5 ). La résistance de la bobine est directement proportionnelle à la fréquence F tension et inductance appliquées L .

X L = 2πfL = ωL .

Riz. 4 - Schéma du diviseur de tension sur les inductances

Riz. 5 - Circuits de diviseurs de tension avec différentes dénominations inducteurs

Contrairement au condensateur, la tension aux bornes de l'inducteur conduit le courant d'un angle de 90 ° ( riz. 6, 7 ), donc l'inducteur est aussi un élément réactif et ne consomme pas de puissance active. Seule une petite partie de la puissance active est consommée en raison de la résistance active du fil de la bobine lui-même.

Riz. 6 - Graphique du courant et de la tension sur l'inductance

Riz. 7 - Graphique du courant et de la tension sur divers éléments ntah

Quelque chose a souvent commencé à me demander comment connecter un microcontrôleur ou quel circuit basse tension directement à 220 sans utiliser de transformateur. Le désir est assez évident - un transformateur, même impulsionnel, est très encombrant. Et le pousser, par exemple, dans le circuit de commande du lustre placé juste dans l'interrupteur ne fonctionnera pas avec tout le désir. Peut-être creuser une niche dans le mur, mais ce n'est pas notre méthode !

Néanmoins, il existe une solution simple et très compacte - un diviseur sur le condensateur.

Certes, les alimentations à condensateur n'ont pas de découplage du réseau, donc si soudainement quelque chose y brûle, ou va mal, alors il peut facilement vous battre avec le courant, ou brûler votre appartement, eh bien, et abandonner l'ordinateur en général pour un chouette chose, en général, une sécurité technique ici doit être respectée comme jamais auparavant - c'est décrit à la fin de l'article. En général, si je ne vous ai pas convaincu que les alimentations sans transformateur sont diaboliques, alors il est lui-même un Pinocchio diabolique, je n'ai rien à voir avec cela. Bon, plus proche du sujet.

Vous vous souvenez du diviseur résistif habituel ?

Il semblerait que quel est le problème, j'ai choisi les valeurs requises et obtenu la tension requise. Puis il redressa le Profit. Mais tout n'est pas si simple - un tel diviseur peut et peut donner tension requise, mais il ne donnera pas du tout le courant requis. Parce que les résistances sont très élevées. Et si les résistances sont proportionnellement réduites, un courant important les traversera, ce qui, à une tension de 220 volts, entraînera des pertes de chaleur très importantes - les résistances chaufferont comme un poêle et, par conséquent, échoueront ou démarreront un Feu.

Tout change si l'une des résistances est remplacée par un condensateur. L'essentiel est que - comme vous vous en souvenez dans l'article sur les condensateurs, la tension et le courant sur le condensateur sont déphasés. Celles. lorsque la tension est à son maximum, le courant est minimal, et vice versa.

Étant donné que notre tension est variable, le condensateur se déchargera et se chargera constamment, et la particularité de la décharge-charge du condensateur est que lorsqu'il a un courant maximal (au moment de la charge), alors la tension minimale et réglée est. Lorsqu'il est déjà chargé et que la contrainte est maximale, alors le courant est nul. En conséquence, dans cette situation, la puissance de déperdition thermique libérée sur le condensateur (P = U * I) sera minime. Celles. il ne transpire même pas. Et la résistance réactive du condensateur est Xc = -1 / (2pi * f * C).

Digression théorique

Il existe trois types de résistances dans un circuit :

Actif - résistance (R)
Réactif - condensateur (X c) et bobine (X L)
La résistance totale du circuit (impédance) Z = (R 2 + (X L + X c) 2) 1/2

La résistance active est toujours constante et la réactance dépend de la fréquence.
X L = 2pi * f * L
Xc = -1 / (2pi * f * C)
Le signe de la réactance d'un élément indique sa nature. Celles. s'il est supérieur à zéro, alors ce sont des propriétés inductives ; s'il est inférieur à zéro, alors elles sont capacitives. Il en résulte que l'inductance peut être compensée par la capacité et inversement.

f est la fréquence du courant.

En conséquence, sur courant continu lorsque f = 0 et X L de la bobine devient égal à 0 et la bobine se transforme en un morceau de fil ordinaire avec une seule résistance active, tandis que le Xc du condensateur va à l'infini, le transformant en un circuit ouvert.

Il s'avère que nous avons le schéma suivant :

Tout, dans un sens le courant circule dans une diode, dans l'autre dans la seconde. En conséquence, sur le côté droit du circuit, nous n'avons plus de changement, mais un courant pulsé - une demi-onde d'une sinusoïde.

Ajoutez un condensateur de lissage pour rendre la tension plus silencieuse, microfarads à 100 et volts à 25, électrolyte :

En principe, c'est déjà prêt, la seule chose est de mettre la diode Zener à un tel courant pour qu'elle ne meure pas quand il n'y a pas de charge du tout, car alors il devra prendre le rap pour tout le monde, en traînant tout le courant que le PSU peut donner.

Et vous pouvez l'aider slegonets. Installez une résistance de limitation de courant. Certes, cela réduira considérablement la capacité de charge de l'alimentation, mais cela nous suffit.

Le courant que ce circuit peut donner peut être, EMNIP, calculé approximativement par la formule :

I = 2F * C (1.41U - Uout / 2).

• F - fréquence d'alimentation. Nous avons 50Hz.
• - capacité
• U - tension dans la prise
• Uout - tension de sortie

La formule elle-même est dérivée d'intégrales étranges de formes d'onde de courant et de tension. En principe, vous pouvez le rechercher vous-même sur Google sur le mot-clé "calcul du condensateur de trempe", il y a beaucoup de matériel.

Dans notre cas, il s'avère que I = 100 * 0.46E-6 (1.41 * U - Uout / 2) = 15mA

Pas une extravagance, mais pour le fonctionnement de MK + TSOP + une optointerface est plus que suffisante. Et plus n'est généralement pas nécessaire.

Ajoutez quelques condensateurs pour un filtrage de puissance supplémentaire et vous pouvez utiliser :

Ensuite, comme d'habitude, j'ai tout gravé et soudé :

Le circuit a été testé plusieurs fois et fonctionne. Une fois, je l'ai poussé dans le système de contrôle du chauffage du verre thermique. Il y avait là une place dans une boîte d'allumettes, et la sécurité était garantie par la vitrification totale de l'ensemble du bloc.

SÉCURITÉ

Dans ce schéma pas de découplage de tension du circuit d'alimentation, ce qui signifie que le circuit TRÈS DANGEREUX en termes de sécurité électrique.

Par conséquent, il est nécessaire d'être extrêmement responsable dans son installation et la sélection des composants. Et aussi, manipulez-le soigneusement et très soigneusement lors de la mise en place.

Tout d'abord, notez que l'une des broches va à GND directement à partir de la prise. Cela signifie qu'il peut y avoir une phase, selon la façon dont la fiche est branchée dans la prise.

Par conséquent, suivez strictement un certain nombre de règles:

• 1. Les valeurs nominales doivent être définies avec une marge pour autant de tension que possible. Cela est particulièrement vrai pour le condensateur. J'ai 400 volts, mais c'est celui qui était disponible. Il vaudrait mieux faire 600 volts en général, car dans le réseau électrique, il y a parfois des surtensions très supérieures à la nominale. Les alimentations standard, en raison de leur inertie, y survivront facilement, mais un condensateur peut percer - imaginez les conséquences. C'est bien s'il n'y a pas de feu.
• 2. Ce circuit doit être soigneusement isolé de l'environnement. Corps fiable pour que rien ne dépasse. Si le circuit est monté dans un mur, il ne doit pas toucher les murs. En général, on emballe le tout hermétiquement dans du plastique, on le vitrifie et on l'enfouit à 20 mètres de profondeur. :))))))
• 3. Lors de l'installation, n'atteignez jamais avec vos mains l'un des éléments de la chaîne. Ne soyez pas rassuré par le fait qu'il y a une sortie 5 volts. Puisque cinq volts sont là exclusivement par rapport à lui-même. Mais par rapport à environnement il y a toujours les mêmes 220.
• 4. Après l'arrêt, il est hautement souhaitable de décharger le condensateur de trempe. Parce que il y a une charge de 100 à 200 volts, et si vous piquez par inadvertance quelque part au mauvais endroit, cela vous fera mal au doigt. Ce n'est guère fatal, mais il y a peu d'agréable, et par imprévu, vous pouvez faire du mal.
• 5. Si un microcontrôleur est utilisé, son firmware doit être effectué UNIQUEMENT lorsqu'il est complètement déconnecté du réseau. De plus, il doit être éteint en le tirant hors de la prise. Si cela n'est pas fait, alors avec une probabilité proche de 100 %, l'ordinateur sera tué. Et très probablement tous.
• 6. La même chose s'applique à la connexion avec l'ordinateur. Avec une telle alimentation, il est interdit de se connecter via l'USART, il est interdit de connecter la terre.

Si vous souhaitez toujours communiquer avec un ordinateur, utilisez des interfaces potentiellement séparées. Par exemple, un canal radio, transmission infrarouge, au pire, divisant les optocoupleurs RS232 en deux parties indépendantes.

Commençons donc par savoir pourquoi une telle alimentation est nécessaire. Et puis c'est nécessaire, ce qui permet d'alimenter des charges à faible courant sans se soucier des transformateurs d'enroulement et en utilisant un minimum de composants. Le nombre minimum de composants (et encore plus l'absence de composants dimensionnels tels qu'un transformateur), à son tour, rend l'alimentation avec un diviseur de condensateur (parfois appelé "diviseur capacitif") simple et extrêmement compacte.

Considérez le circuit représenté sur la figure :

Ici Z 1 = -j / WC 1 ; Z 2 = -j / WC 2 — réactances condensateurs

Trouvons le courant de charge : je n = je 1 -je 2 (1) Est la première loi de Kirchhoff pour le nœud 1.

Considérant que selon la loi d'Ohm pour une section du circuit : je 1 = tu 1 / Z 1, un vous 1 = u c -u 2 ;

expression (1) peut être réécrit comme suit :

i n = (u c -u 2 ) / Z 1 -u 2 / Z 2 ;

ou d'une autre manière : In = jwC 1 (Uс m -U 2m ) -jwC 2 U 2m, où l'indice "m" est une abréviation du mot maximum, cela signifie que nous parlons de valeurs d'amplitude.

En développant les parenthèses et en regroupant cette expression, on obtient :

In = jwC 1 (Uс m -U 2m ( 1+ C 2 /AVEC 1 )) (2) - ici, en fait, nous avons obtenu une expression pour le courant traversant la charge Zн, en fonction de la tension aux bornes de cette charge et de la tension du réseau d'alimentation. De la formule (2) il résulte que la valeur d'amplitude du courant est égale à : Inm = WC 1 (Uс m -U 2m ( 1+ C 2 /AVEC 1 )) (3)

Supposons que notre charge soit un pont, un condensateur de lissage et, en fait, une charge utile (voir la figure).

A la mise sous tension initiale, lorsque le condensateur C 3 est déchargé, la valeur de U 2 sera égale à zéro et le courant de charge de démarrage traversera le pont, dont la valeur initiale maximale peut être trouvée en substituant la valeur de U 2m égal à zéro dans la formule (3) ( Istart = wc 1 Uc m). Cette valeur correspond au pire des cas, lorsqu'au moment de la mise sous tension la valeur instantanée de la tension secteur était égale à la valeur maximale.

A chaque demi-cycle, le condensateur C 3 sera chargé et notre tension U 2m, égal en module à la tension aux bornes du condensateur C 3 et à la tension aux bornes de la charge utile (nous l'appelons U out), augmentera également jusqu'à ce qu'il atteigne une valeur constante. Dans ce cas, le courant traversant la charge utile sera égal au courant redressé moyen, c'est-à-dire je dehors = je nm * 2 / "Pi" (pour courant d'entrée sinusoïdal).

Considérant aussi que Uc m = U c * 1.414 ( U c est la valeur efficace de la tension d'alimentation), et w= 2 * "Pi" * F, où F est la fréquence de la tension d'alimentation en hertz, on obtient :

Iout = 4fC 1 ( 1,414Uc-Uout ( 1+ C 2 / C 1 )) , si l'on prend également en compte la chute aux bornes des diodes du pont, alors le résultat final sera :

Iout = 4fC 1 ( 1,414Uc- (Uout + 2Uд) ( 1+ C 2 / C 1 )) (4) , où Ud- déposer sur une diode

A partir de cette expression, vous pouvez obtenir et relation inverse Uout (Iout):

Uout = ( 1,414Uc-Iout / 4fC 1 )/( 1+ C 2 / C 1 )- 2Ud (5)

Que peut-on voir des deux dernières formules? On peut voir à partir d'eux qu'avec une augmentation du courant consommé par la charge, la tension aux bornes de la charge diminue, et avec une diminution du courant consommé, elle augmente. Après avoir ouvert le circuit de charge (c'est-à-dire en prenant le courant de charge à zéro), nous trouvons la tension en circuit ouvert : Uout xx = 1,414Uc / ( 1+ C 2 / C 1 )- 2Ud(6). Évidemment, le pont et le condensateur C 2 doivent être calibrés pour une tension d'au moins U 2m max = Uout xx + 2U ré = 1,414Uc / ( 1+ C 2 / C 1 ) .

À proprement parler, nos calculs ne sont pas tout à fait irréprochables, car les processus réels ici seront généralement non linéaires, mais nos petites simplifications facilitent grandement les calculs et n'affectent pas beaucoup le résultat final.

Vient maintenant la partie amusante. Je lis souvent sur Internet que les stabilisateurs linéaires ne fonctionnent pas dans de tels circuits, ils grillent, etc. Eh bien, redessinons à nouveau notre circuit en y ajoutant un régulateur de tension linéaire (voir figure).

(Ust. , Je- tension et courant de charge).

Ici, notre Uout (tension aux bornes du condensateur C 3) est la tension d'entrée du stabilisateur (Uin). Rappelons qu'en l'absence de charge, la tension de sortie sera maximale et égale à Uout xx. Il est donc bien évident que pour un fonctionnement normal, notre stabilisateur linéaire doit supporter une tension d'entrée d'au moins Uout xx. Ou nous pouvons le dire autrement - les condensateurs doivent être sélectionnés de manière à ce que la tension de sortie en circuit ouvert (c'est-à-dire la tension de sortie diviseur de condensateur) n'a pas brûlé le stabilisateur en cas de déconnexion accidentelle de la charge (on ne sait jamais, une sorte de sans contact).

Le courant de charge maximal peut être déterminé en substituant la tension d'entrée minimale du stabilisateur dans la formule (4) au lieu de Uout. Comme vous pouvez le voir, l'essentiel est de tout calculer correctement, alors rien ne menace le stabilisateur.

Ce schéma fonctionne déjà assez bien, mais il présente un inconvénient important. Dans le cas où nous devons obtenir la tension d'entrée du stabilisateur nettement inférieure à la tension d'alimentation du réseau (lorsqu'il est alimenté à partir de 220 V, c'est exactement ce dont nous avons besoin), la capacité du condensateur C 2 s'avère assez important. Et un condensateur non polaire de capacité importante est un plaisir assez cher (et les dimensions ne sont pas encourageantes). Est-il possible d'une manière ou d'une autre au lieu de condensateur non polaire utiliser, par exemple, l'électrolyse classique ?

Il s'avère que vous pouvez. Pour ce faire, nous allons refaire notre circuit, de la même manière que sur la figure. Dans ce circuit, au lieu d'un condensateur C 2 , on utilise deux condensateurs C 2 et C 2' (de même capacité que dans le cas où il n'y a qu'un seul condensateur C 2 ), découplés par l'intermédiaire des diodes du pont. Dans ce cas, la tension inverse aux bornes de chacun de ces condensateurs ne dépasse pas la chute de tension aux bornes de la diode.

Malgré le fait que dans ce cas, au lieu d'un condensateur non polaire, deux condensateurs électrolytiques soient utilisés, un tel schéma s'avère plus économique à la fois en termes d'argent et de dimensions.

Certes, il y a une mise en garde. Le grillage de l'une des diodes du pont peut conduire au fait que condensateurs électrolytiques il y aura toujours une tension inverse complète. Si cela se produit, le condensateur explosera très probablement.

Je voudrais également noter qu'il faut être extrêmement prudent lors de la manipulation d'alimentations sans transformateur, car un tel circuit n'est pas isolé du secteur et toucher ses parties conductrices peut provoquer un choc électrique grave.

Calculateur en ligne pour calculer un bloc d'alimentation avec un diviseur de condensateur:

(pour des calculs corrects, utilisez un point comme point décimal, pas une virgule)

1) Données initiales :

(si vous ne connaissez pas la tension d'entrée minimale du stabilisateur et l'amplitude de la chute de tension aux bornes des diodes du pont, alors le calcul sera fait pour : Uin = Ust et Ud = 0, comme si la tension d'entrée minimale était égale à la tension de sortie du stabilisateur et les diodes sont idéales).