Kondensator filtrujący a niepełny sinus

[MiloszW]

Witam.
Zawsze używałem do obliczania kondensatorów filtrujących następującego wzoru:
C=It/U
Gdzie:
C - pojemność, w mF;
I - prąd pobierany z filtru, w A;
T - okres przebiegu wyprostowanego, w ms;
U - dopuszczalna międzyszczytowa wartość tętnień, w V.
Jak to się ma do niepełnej sinusoidy? Na przykład z prostownika tyrystorowego lub prostownika, na którego wejście podano napięcie z transformatora sterowanego fazowo. Taka sinusoida jest ucięta. Jaki wzór zastosować w takim przypadku?
Pozdrawiam

[tszczesn]

Ten wzór jest zawsze dobry, bo operuje na teroretycznej zależności między napięcie na kondensatorze a ładunkiem w nim zgromadzonym. I*t to wartość ładunku pobrana z kondensatora w czasie t prądem I, a C=Q/U - zależność między ładunkiem, napięciem a pojemnością kondensatora. Wzór ten zajmuje się tylko rozładowywaniem kondensatora, a nie jego doładowywaniem.

[Tomek Janiszewski]

Autor chyba miał na myśli jak obliczyć czasy ładowania i rozładowania kondensatora. Łatwe to nie jest, nawet w najprostszym i najczęstszym przypadku prostownika diodowego (a więc niesterowanego) z filtrem pojemnościowym, ponieważ i wówczas doładowywanie kondensatora odbywa się krótszymi lub dłuższymi impulsami, o długości zależnej od prądu obciążenia, rezystancji obwodu ładowania i pojemności. Potrzebny jest rachunek całkowy, dlatego dawno już sporządzono nomogramy pozwalające określić poziom tętnień na podstawie powyższych danych; znaleźć je można w literaturze. Dziś jednak można posłużyć się także programami symulacyjnymi (np. PSPICE, LTSpice) które pozwolą uwzględnić takie subtelności jak nieliniowy charakter diody w kierunku przewodzenia (jest bogaty wybór modeli elementów prostowniczych, zarówno diod klasycznych jak i Schottky'ego i wreszcie tyrystorów a nawet triaków), a nawet niesinusoidalny kształt napięcia sieci o ile potrafi się go określić i zadać. Tę drogę należy polecać każdemu konstruktorowi.
I jeszcze należy dodać że praca prostownika sterowanego na obciążenie pojemnościowe jest niedopuszczalna, i świadczy jak najgorzej o tych co ją stosują. To najczęściej gimbaza.

[MiloszW]

I jeszcze należy dodać że praca prostownika sterowanego na obciążenie pojemnościowe jest niedopuszczalna[/i]

Jak w takim razie filtrować to napięcie?
Chcę zrobić zasilacz anodowy do 2kV. Wstępnie napięcie chciałbym obniżyć przez prostownik tyrystorowy, żeby zmniejszyć moc wydzielaną na lampach regulacyjnych (wtórniki katodowe).

[MiloszW]

Nie chciałbym, aby tętnienia przekroczony maksymalny dopuszczalny poziom ani przy maksymalnym, ani minimalnym punkcie pracy prostownika.

[Tomek Janiszewski]

I jeszcze należy dodać że praca prostownika sterowanego na obciążenie pojemnościowe jest niedopuszczalna[/i]

Jak w takim razie filtrować to napięcie?

Za tyrystorem należy umieścić diodę dołączoną do masy w kierunku zaporowym, a następnie dławik o indukcyjności typowej dla filtrów LC stosowanych dla napięcia sieciowego. Tzn. liczonej w henrach a nie nanohenrach, jak to mają dławiki filtracyjne w.cz. Dopiero za dławikiem można dołączyć kondensator filtrujący, i ewentualnie kolejne ogniwa filtracyjne LC. Niekiedy rolę tej dodatkowej diody mogą spełnić diody wchodzące w skład mostka prostowniczego; zależy to od jego konfiguracji. Całość działa jak impulsowy stabilizator obniżający napięcie (Step-Down) o stałej częstotliwości kluczowania 100Hz i zmiennym współczynniku wypełnienia. Bez dławika tyrystory najpewniej ulegną natychmiastowemu zespawaniu, nie znoszą bowiem szybko narastających prądów, nawet jeśli nie przekraczają one wartości dopuszczalnych dla elementu. Dławik ma za zadanie nie tylko ograniczyć szybkość narastania prądu ładującego kondensatora i jego wartość szczytową ale i oddaje do obciążenia zgromadzoną w sobie energię w czasie gdy tyrystory już nie przewodzą, właśnie za pośrednictwem diody. To umożliwia teoretycznie bezstratną pracę prostownika, przy dowolnym napięciu wyjściowym. Bez dławika, nawet gdyby tyrystory wytrzymały - traciłaby się w nich taka sama moc jak w stabilizatorach o działaniu ciągłym (np. 50% mocy doprowadzonej przy połowie napięcia maksymalnego na wyjściu) bez względu na impulsowy charakter ich pracy.

Chcę zrobić zasilacz anodowy do 2kV. Wstępnie napięcie chciałbym obniżyć przez prostownik tyrystorowy, żeby zmniejszyć moc wydzielaną na lampach regulacyjnych (wtórniki katodowe).

To ma być zasilacz laboratoryjny (np. do zdejmowania charakterystyk lamp) czy do zasilania jakiegoś audiofilskiego knota, np. na 300B w układzie SE? Po co w nim w ogóle lampy, skoro napięcie na wyjściu prostownika tyrystorowego można regulować w sposób płynny przy pomocy sterowania fazowego, w końcu po to stosuje się tyrystory zamiast diod.

[MiloszW]

Za tyrystorem należy umieścić diodę dołączoną do masy w kierunku zaporowym, a następnie dławik o indukcyjności typowej dla filtrów LC stosowanych dla napięcia sieciowego. Tzn. liczonej w henrach a nie nanohenrach, jak to mają dławiki filtracyjne w.cz. Dopiero za dławikiem można dołączyć kondensator filtrujący, i ewentualnie kolejne ogniwa filtracyjne LC.

Bardzo dziękuję.

To ma być zasilacz laboratoryjny (np. do zdejmowania charakterystyk lamp) czy do zasilania jakiegoś audiofilskiego knota, np. na 300B w układzie SE? Po co w nim w ogóle lampy, skoro napięcie na wyjściu prostownika tyrystorowego można regulować w sposób płynny przy pomocy sterowania fazowego, w końcu po to stosuje się tyrystory zamiast diod.

Zasilacz laboratoryjny. Stabilizator wtornikowy ze względu na znacznie krótszy czas zadziałania stabilizacji oraz zabezpieczeń.

[MiloszW]

Jeszcze jedno pytanie. Czy mógłbym sterować fazowo uzwojenie pierwotne transformatora? Myślę ze byłoby to znacznie lepsze rozwiązanie. Czy w takim przypadku również powinienem przed prostownikiem diodowym lub filtrem dodać dławik?

[Tomek Janiszewski]

Stabilizator wtornikowy ze względu na znacznie krótszy czas zadziałania stabilizacji oraz zabezpieczeń.

Sterowany prostownik tyrystorowy cechuje się tym że w razie zwarcia na wyjściu prąd narasta wolno - z szybkością wyznaczoną przez dławik. Wystarczająco wolno aby w kolejnym półokresie załączyć tyrystor na czas odpowiednio krótszy, lub w ogóle go nie załączać. Tak więc można go skutecznie zabezpieczyć przed zwarciem bez wspomagania lampą bądź innym stabilizatorem o działaniu ciągłym. Podobnie szybkość zmian napięcia wyjściowego ograniczona jest przez filtry, i układ regulacyjny zdąży w porę zareagować nie dopuszczając do przepięć.

[Tomek Janiszewski]

Jeszcze jedno pytanie. Czy mógłbym sterować fazowo uzwojenie pierwotne transformatora? Myślę ze byłoby to znacznie lepsze rozwiązanie.

Trzeba by zastosować triak (a to jeszcze delikatniejszy element), lub dwa tyrystory połączone antyrównolegle z odseparowanymi galwanicznie obwodami sterowania. Tak więc dodatkowe komplikacje.

Czy w takim przypadku również powinienem przed prostownikiem diodowym lub filtrem dodać dławik?

Z całą pewnością filtr o wejściu pojemnościowym jest niedopuszczalny również i w tym przypadku. Dojdą jedynie kłopoty z indukcyjnościami rozproszenia transformatora sieciowego, i trzeba będzie gasić przepięcia po stronie pierwotnej. Więc pomysł od czapy.

[Romekd]

Czołem.
Oczywiście sterowanie fazowe w obwodzie uzwojenia pierwotnego przy pomocy dwóch tyrystorów jest jak najbardziej możliwe. Jednak transformator sieciowy do takiego układu musi być odpowiednio zaprojektowany, czyli mieć pewien zapas mocy oraz uzwojenia nawinięte drutem o większej średnicy. Za transformatorem można umieścić podwajacz napięcia typu Delona (jeżeli układ ma dostarczać napięcia liczonego w setkach woltów), z odpowiednio dużymi pojemnościami kondensatorów na wyjściu, celem lepszej filtracji. Dławik nie jest konieczny, za to wskazane jest odpowiednie rozmieszczenie uzwojeń na transformatorze, zapewniające nieco większą indukcyjność rozproszenia.
Wiele wzmacniaczy audio miało stabilizację napięć zasilających stopnie wyjściowe i pozostałe bloki rozwiązaną przez zastosowanie fazowego sterowania transformatorem sieciowym (po stronie pierwotnej), choć nie były to najprostsze rozwiązania...

Pozdrawiam
Romek

[Tomek Janiszewski]

Czołem.
Oczywiście sterowanie fazowe w obwodzie uzwojenia pierwotnego przy pomocy dwóch tyrystorów jest jak najbardziej możliwe. Jednak transformator sieciowy do takiego układu musi być odpowiednio zaprojektowany, czyli mieć pewien zapas mocy oraz uzwojenia nawinięte drutem o większej średnicy. Za transformatorem można umieścić podwajacz napięcia typu Delona (jeżeli układ ma dostarczać napięcia liczonego w setkach woltów), z odpowiednio dużymi pojemnościami kondensatorów na wyjściu, celem lepszej filtracji. Dławik nie jest konieczny, za to wskazane jest odpowiednie rozmieszczenie uzwojeń na transformatorze, zapewniające nieco większą indukcyjność rozproszenia.

Która to indukcyjność rozproszenia jest równoważna dławikowi włączonego w szereg z transformatorem po jednej ze stron lub obu naraz. Ale co będzie jak budowniczy uzna że wskazane to nie znaczy konieczne? I będzie klął w żywe oczy że pali coraz to mocniejsze tyrystory. Dla bezpieczeństwa ma może użyć transformatora spawalniczego który ma konstrukcyjną indukcyjność rozproszenia osiągniętą dzięki bocznikowi magnetycznemu?

Wiele wzmacniaczy audio miało stabilizację napięć zasilających stopnie wyjściowe i pozostałe bloki rozwiązaną przez zastosowanie fazowego sterowania transformatorem sieciowym (po stronie pierwotnej), choć nie były to najprostsze rozwiązania...

Natomiast wiele amatorskich (choć nie tylko) konstrukcji lamp błyskowych miało przetwornicę przeciwsobną ładującą kondensator elektrolityczny o dużej pojemności przez zwyczajny mostek Graetza, albo nawet i właściwą w tym zastosowaniu przetwornicę dwutaktową ale ładującą kondensator nie przez pojedynczą diodę (a więc w trybie zaporowym) tylko znów przez mostek Graetza albo właśnie podwajacz typu Delona. Mimo że nie były to poprawnie techniczne rozwiązania.

[Romekd]

Czołem.
By dać do myślenia uczestnikom tej dyskusji przedstawię "okrojone" schematy wspomnianych przeze mnie urządzeń, w których stabilizacja napięcia dokonywana jest przez zmianę fazy załączania tyrystorów, włączonych w pierwotne uzwojenie transformatora sieciowego. Metod tych w dzisiejszych czasach raczej nie polecam, gdyż praca tych układów nie jest optymalna ze względu na generowanie stosunkowo dużych zaburzeń w obwodach zasilania z sieci 220 V, co na pewno negatywnie wpływa na poziom współczynnika mocy (PF). Zacznę od ciekawego modelu wzmacniacza firmy Yamaha o oznaczeniu A-960, którego wiele lat temu dostałem w stanie mocno uszkodzonym (pozornie; usterka w obwodzie "fazowego" sterowania uzwojenia pierwotnego transformatora sieciowego). Wzmacniacz ma ciekawy wygląd i dużo przydatnych funkcji (monitor mocy wyjściowej, przełączane częstotliwości filtrów niskich i wysokich częstotliwości oraz możliwość przełączania rezystancji wejściowej urządzenia):

Zdjęcie pochodzi ze strony: https://www.hifiengine.com/manual_libra ... -960.shtml
parametry wzmacniacza można też obejrzeć na stronie: https://www.hifi-wiki.de/index.php/Yamaha_A-960

Od strony pierwotnej transformatora układ wygląda na dość prosty, choć niestety zawiera w swoich obwodach grubowarstwowy układy scalony (od długiego już czasu całkowicie niedostępny...) o dość prostej budowie wewnętrznej, przynajmniej wg schematu, gdyż w rzeczywistości może on zawierać znacznie więcej elementów... Wzmacniacz ten udało mi się wówczas naprawić, po czym sprezentowałem go mojemu dobremu znajomemu (miało to miejsce ponad 20 lat temu). Po stronie pierwotnej transformatora nie było żadnego dławika o większej pojemności, ani też rozbudowanego filtru sieciowego. Mimo tego wzmacniacz działała poprawnie do dzisiaj, a w podłączonych do jego wyjść głośnikach nie występuje żadne "bzyczenie", które mogłoby sugerować istnienie w obwodach zasilania jakiegoś "fazowego" sterowania transformatora... Za to napięcie na kondensatorach filtru jest stabilne (jego wartość może być w dość szerokich granicach regulowana).

Od strony wtórnej wtórnej transformatora sieciowego również nie znajdziemy dławika, a jedynie mostek Graetza, sterujący bezpośrednio kondensatory filtru (o dużej pojemności)...

I jeszcze jedno ciekawe urządzenie, które zamieszczam do "przemyśleń". Jest to zasilacz wysokiego napięcia firmy Hewlett Packard, model 6448B o napięciu regulowanym w przedziale 0...600 V (pokazany poniżej egzemplarz ma ustawiony górny próg na 650 V) przy prądzie wyjściowym regulowanym w przedziale 0...1500 mA (miernik prądu sugeruje, że prąd ten może chwilowo osiągać wartość równą 1,8 A). Wartość napięcia regulowana jest w nim przy pomocy potencjometru 10-obr., a regulacji prądu maksymalnego dokonuje się potencjometrem standardowym.

Napięcie wyjściowe regulowane jest poprzez "fazowe" sterowanie uzwojenia pierwotnego transformatora sieciowego. W układzie nie znajdziemy żadnego dużego dławika, poza tymi małymi w filtrze sieciowym (o niskiej indukcyjności).

Czy świadczy to o tym, że w latach 50. zeszłego stulecia w firmie Hewlett Packard brakowało prawdziwych inżynierów, "formatu" T.J.? A może kadrę inżynierską w biurze projektowym tej firmy stanowiła jakaś gimbaza? A może po prostu firma dysponowała już w tamtych czasach wystarczająco mocnymi tyrystorami i nie przejmowała się czymś takim jak moc bierna czy współczynnik mocy PF? (w latach 50. zeszłego stulecia tak pewnie było)

Widoczny na zdjęciu element z rdzeniem EI, to dodatkowy, mały transformator sieciowy, niezbędny do zasilania obwodów sterowania tyrystorami i obwodami kontroli i regulacji napięcia oraz maksymalnego natężenia prądu wyjściowego. Ogromny transformator zasila podwajacz Delona z dwoma kondensatorami elektrolitycznymi o pojemności 1000 μF/400 V każdy. Za podwajaczem napięcia znajdują się jeszcze dwa takie same kondensatory w połączeniu szeregowym, który stanowią dodatkowe elementy filtru. Transformator jest naprawdę potężny. Jego szerokość jest większa od 19,5 cm, głębokość stanowi aż 16 cm, a grubość pakietu blach to 4 cm, co przy 6,4 cm szerokości blaszki w kolumnie środkowej daje pole przekroju rdzenia przekraczający 25 cm^2. Uzwojenie pierwotne zostało nawinięte drutem nawojowym o średnicy ok. 2,6 mm, co daje pole przekroju równe aż 6,76 mm^2! Poniżej jego zdjęcie, gdzie dla zobrazowania wymiarów postawiłem na transformatorze pudełko zapałek i pojedynczą zapałkę między uzwojeniami. Uzwojenia tylko pozornie są od siebie dość oddalone, gdyż kolejna warstwa zaczyna się zaraz przy ściance stanowiącej połówkę podwójnego karkasu.

Zasilacz działa poprawnie, choć przy gwałtownych zmianach prądu obciążenia daje się zauważyć pewną inercję obwodów kontroli napięcia i prądu wyjściowego.

Pozdrawiam
Romek

[Marek7HBV]

Philips w latach 90-tych stosował stabilizację w uzwojeniu pierwotnym - w serii swych wież audio.

[Romekd]

Czołem.

Philips w latach 90-tych stosował stabilizację w uzwojeniu pierwotnym - w serii swych wież audio.

Tego nie wiedziałem Czyli stosowano taką metodę dość późno... Ciekawe jak w ich sprzętach wyglądały obwody sterowania. Zna Kolega jakiś konkretny model z tyrystorową stabilizacją napięć? Chętnie bym się zapoznał ze schematem takiego sprzętu.

Pozdrawiam
Romek