Hur man beräknar transformatorlösa strömförsörjningar

Det här inlägget förklarar hur man beräknar motstånds- och kondensatorvärden i transformatorlösa strömförsörjningskretsar med enkla formler som ohmsk lag.

Analysera en kapaktiv strömförsörjning

Innan vi lär oss formeln för beräkning och optimering av motstånds- och kondensatorvärden i en transformatorfri strömförsörjning, skulle det vara viktigt att först sammanfatta en standard transformatorlös strömförsörjningsdesign .

Med hänvisning till diagrammet tilldelas de olika inblandade komponenterna följande specifika funktioner:

Cl är den icke-polära högspänningskondensatorn som införs för att släppa den dödliga nätströmmen till önskade gränser enligt lastspecifikationen. Denna komponent blir således extremt viktig på grund av den tilldelade nätströmbegränsningsfunktionen.

D1 till D4 är konfigurerade som en nätverk för brygglikriktare för att rätta till den nedgångna växelströmmen från C1 för att göra utgången lämplig för alla avsedda likströmsbelastningar.

Z1 är positionerad för att stabilisera utgången till de nödvändiga säkra spänningsgränserna.

C2 är installerad på filtrera bort krusningar i DC och för att skapa en helt ren DC för den anslutna belastningen.

R2 kan vara valfritt men rekommenderas för att hantera en strömbrytare från nätet, även om denna komponent helst måste bytas ut mot en NTC-termistor.

Använda Ohms lag

Vi vet alla hur Ohms lag fungerar och hur man använder den för att hitta den okända parametern när de andra två är kända. Men med en kapacitiv typ av strömförsörjning med speciella egenskaper och med lysdioder anslutna till det blir beräkningsström, spänningsfall och LED-motstånd lite förvirrande.

Hur man beräknar och minskar ström, spänningsparametrar i transformatorlösa nätaggregat.

Efter att ha studerat relevanta mönster noggrant, utformade jag ett enkelt och effektivt sätt att lösa ovanstående problem, särskilt när strömförsörjningen som används är transformatorfri eller innehåller PPC-kondensatorer eller reaktans för styrning av ström.

Utvärdera ström i kapacitiva strömförsörjningar

Vanligtvis är en transformatorlös strömförsörjning producerar en utgång med mycket låga strömvärden men med spänningar som är lika med det anslutna nätet (tills det laddas).

Till exempel kommer en 1 µF, 400 V (nedbrytningsspänning) när den är ansluten till en 220 V x 1,4 = 308V (efter bryggans) nätaggregat producerar maximalt 70 mA ström och en initial spänningsavläsning på 308 Volt.

Denna spänning kommer dock att visa ett mycket linjärt fall när utgången laddas och ström tas från '70 mA' -behållaren.

Vi vet att om belastningen förbrukar hela 70 mA skulle spänningen sjunka till nästan noll.

Eftersom detta fall är linjärt kan vi helt enkelt dela utgångsspänningen med maxströmmen för att hitta de spänningsfall som skulle uppstå för olika storheter av belastningsströmmar.

Att dela 308 volt med 70 mA ger därför 4,4V. Detta är den hastighet med vilken spänningen sjunker för varje 1 mA ström som läggs till med belastningen.

Det innebär att om belastningen förbrukar 20 mA ström kommer spänningsfallet att vara 20 × 4,4 = 88 volt, så utgången visar nu en spänning på 308 - 62,8 = 220 volt DC (efter bryggan).

Till exempel med en 1 watt LED ansluten direkt till den här kretsen utan motstånd skulle visa en spänning som är lika med framåtspänningsfallet på lysdioden (3,3V), detta beror på att lysdioden sjunker nästan all ström tillgänglig från kondensatorn. Spänningen över lysdioden sjunker dock inte till noll eftersom framspänningen är den maximalt angivna spänningen som kan falla över den.

Från ovanstående diskussion och analys blir det tydligt att spänningen i vilken strömförsörjningsenhet som helst är oväsentlig om strömförsörjningens strömförmåga är 'relativt' låg.

Om vi ​​till exempel tänker på en lysdiod kan den motstå 30 till 40 mA ström vid spänningar nära dess 'framåt spänningsfall', men vid högre spänningar kan denna ström bli farlig för lysdioden, så det handlar om att hålla den maximala strömmen lika med den maximalt säkra tolererbara gränsen för lasten.

Beräkning av motståndsvärden

Motstånd för belastningen : När en lysdiod används som belastning rekommenderas att du väljer en kondensator vars reaktansvärde endast tillåter den maximalt acceptabla strömmen till lysdioden, i vilket fall ett motstånd helt kan undvikas.

Om kondensatorvärde är stor med högre strömutgångar, då kan vi antagligen som diskuterat ovan införliva ett motstånd för att minska strömmen till acceptabla gränser.

Beräkning av överspänningsgränsmotstånd : Motståndet R2 i ovanstående diagramformer ingår som överspänningsbegränsningsmotstånd. Det skyddar i princip den sårbara belastningen från den initiala överspänningsströmmen.

Under de första PÅ-perioderna fungerar kondensatorn C1 som en komplett kortslutning, även om det bara är några millisekunder, och kan tillåta hela 220V över utgången.

Detta kan vara tillräckligt för att blåsa de känsliga elektroniska kretsarna eller lysdioderna som är anslutna till strömförsörjningen, vilket också inkluderar den stabiliserande zenerdioden.

Eftersom zenerdioden bildar den första elektroniska anordningen i linje som måste skyddas från den initiala överspänningen kan R2 beräknas enligt zenerdiodspecifikationerna och maximala zenerström , eller zenerförlust.

Den maximalt tillåtna strömmen från zenern för vårt exempel är 1 watt / 12 V = 0,083 ampere.

Därför bör R2 vara = 12 / 0,083 = 144 ohm

Eftersom överspänningsströmmen endast är i millisekunder kan detta värde vara mycket lägre än detta.

Här. vi överväger inte 310V-ingången för zenerberäkningen, eftersom strömmen är begränsad till 70 mA av C1.

Eftersom R2 i onödan kan begränsa värdefull ström för lasten under normal drift måste den helst vara en NTC typ av motstånd. En NTC ser till att strömmen endast är begränsad under den första PÅ-perioden, och sedan får hela 70 mA passera obegränsat för belastningen.

Beräkning av urladdningsresistorn : Motstånd R1 används för urladdning av den lagrade högspänningsladdningen inuti C1, när kretsen dras ur nätet.

R1-värdet bör vara så lågt som möjligt för snabb urladdning av C1, men ändå avleda minimivärmen när den är ansluten till elnätet.

Eftersom R1 kan vara ett motstånd på 1/4 watt måste dess avledning vara lägre än 0,25 / 310 = 0,0008 ampere eller 0,8 mA.

Därför är R1 = 310 / 0,0008 = 387500 Ohm eller 390 k ungefär.

Beräknar ett 20 mA LED-motstånd

Exempel: I det visade diagrammet producerar kondensatorns värde 70 mA max. ström som är ganska hög för alla lysdioder att tåla. Med standardformeln LED / motstånd:

R = (matningsspänning VS - LED framspänning VF) / LED-ström IL,
= (220 - 3,3) /0,02 = 10,83K,

Men 10,83K-värdet ser ganska stort ut och skulle avsevärt tappa belysningen på lysdioden .... ändå beräkningarna ser helt legitima ut .... så saknar vi något här ??

Jag tror här att spänningen '220' kanske inte är korrekt för att i slutändan skulle LED bara kräva 3,3 V ... så varför inte tillämpa detta värde i ovanstående formel och kontrollera resultaten? Om du har använt en zenerdiod kan zenervärdet tillämpas här istället.

Okej, här går vi igen.

R = 3,3 / 0,02 = 165 ohm

Nu ser det här mycket bättre ut.

Om du använde, låt oss säga en 12V zenerdiod före lysdioden, kan formeln beräknas enligt nedan:

R = (matningsspänning VS - LED framspänning VF) / LED-ström IL,
= (12 - 3.3) /0.02 = 435 Ohm,

Därför värdet på motståndet för att styra ett röd lysdiod säkert skulle vara runt 400 ohm.

Hitta kondensatorström

I hela den transformatorlösa konstruktionen som diskuterats ovan är C1 den avgörande komponenten som måste dimensioneras korrekt så att strömutgången från den optimeras optimalt enligt lastspecifikationen.

Att välja en kondensator med högt värde för en relativt mindre belastning kan öka risken för kraftig överströmsström som kommer in i lasten och skadar den tidigare.

En korrekt beräknad kondensator säkerställer tvärtom en kontrollerad stigning och nominell avledning som bibehåller tillräcklig säkerhet för den anslutna belastningen.

Använda Ohms lag

Storleken på strömmen som kan vara optimalt tillåten genom en transformatorlös strömförsörjning för en viss belastning kan beräknas med hjälp av Ohms lag:

I = V / R

där jag = ström, V = spänning, R = motstånd

Men som vi kan se är i ovanstående formel R en udda parameter eftersom vi har att göra med en kondensator som det nuvarande begränsande elementet.

För att knäcka detta måste vi härleda en metod som översätter kondensatorns nuvarande begränsningsvärde i termer av Ohm eller motståndsenhet, så att Ohms lagformel kan lösas.

Beräkning av kondensatorreaktans

För att göra detta får vi först reda på kondensatorns reaktans som kan betraktas som motståndsekvivalenten hos ett motstånd.

Formeln för reaktans är:

Xc = 1/2 (pi) fC

där Xc = reaktans,

pi = 22/7

f = frekvens

C = kondensatorvärde i Farads

Resultatet erhållet från ovanstående formel är i Ohms som kan ersättas direkt i vår tidigare nämnda Ohms lag.

Låt oss lösa ett exempel för att förstå implementeringen av ovanstående formler:

Låt oss se hur mycket ström en 1uF kondensator kan leverera till en viss belastning:

Vi har följande uppgifter i vår hand:

pi = 22/7 = 3,14

f = 50 Hz (nätfrekvens)

och C = 1uF eller 0,000001F

Lösning av reaktansekvationen med ovanstående data ger:

Xc = 1 / (2 x 3,14 x 50 x 0,000001)

= 3184 ohm ungefär

Genom att ersätta detta motsvarande motståndsvärde i vår Ohms lagformel får vi:

R = V / I

eller I = V / R

Förutsatt att V = 220V (eftersom kondensatorn är avsedd att arbeta med nätspänningen.)

Vi får:

I = 220/3184

= 0,069 ampere eller 69 mA ungefär

På liknande sätt kan andra kondensatorer beräknas för att känna till deras maximala strömkapacitet eller klassificering.

Ovanstående diskussion förklarar fullständigt hur en kondensatorström kan beräknas i vilken relevant krets som helst, särskilt i transformatorlösa kapacitiva strömförsörjningar.

VARNING: Ovanstående design är INTE ISOLERAD FRÅN HUVUDINGÅNGEN, DÄR KAN HELA ENHETEN FLYTTA MED LÄTTA INGÅNGSHUVUD, VARA EXTREMT FÖRSIKTIG MEDAN HANTERING I KOPPLAD POSITION.