Sådan beregnes transformerløse strømforsyninger

Dette indlæg forklarer, hvordan man beregner modstands- og kondensatorværdier i transformerløse strømforsyningskredsløb ved hjælp af enkle formler som ohmsloven.

Analyse af en kapaktiv strømforsyning

Før vi lærer formlen til beregning og optimering af modstands- og kondensatorværdier i en transformerfri strømforsyning, ville det være vigtigt først at opsummere en standard transformerfri strømforsyning design .

Med henvisning til diagrammet er de forskellige involverede komponenter tildelt følgende specifikke funktioner:

C1 er den ikke-polære højspændingskondensator, der indføres til at droppe den dødelige strøm til de ønskede grænser i henhold til belastningsspecifikationen. Denne komponent bliver således yderst vigtig på grund af den tildelte netstrømbegrænsningsfunktion.

D1 til D4 er konfigureret som en bro ensretter netværk til afhjælpning af den nedtrappede vekselstrøm fra C1 for at gøre udgangen egnet til enhver tiltænkt jævnstrømsbelastning.

Z1 er positioneret til at stabilisere udgangen til de krævede sikre spændingsgrænser.

C2 er installeret til filtrer enhver krusning ud i jævnstrømmen og skabe en perfekt ren jævnstrøm til den tilsluttede belastning.

R2 kan være valgfri, men anbefales til at tackle en tændt strøm fra strømforsyningen, selvom denne komponent fortrinsvis skal udskiftes med en NTC-termistor.

Brug af Ohms lov

Vi ved alle, hvordan Ohms lov fungerer, og hvordan vi bruger den til at finde den ukendte parameter, når de to andre er kendt. Men med en kapacitiv type strømforsyning, der har ejendommelige funktioner og med lysdioder tilsluttet, bliver beregning af strøm, spændingsfald og LED-modstand lidt forvirrende.

Sådan beregnes og reduceres strøm-, spændingsparametre i transformerløse strømforsyninger.

Efter nøje at have studeret de relevante mønstre udtænkte jeg en enkel og effektiv måde at løse de ovennævnte problemer på, især når den anvendte strømforsyning er en transformerfri eller indeholder PPC-kondensatorer eller reaktans til styring af strøm.

Evaluering af strøm i kapacitive strømforsyninger

Typisk er en transformerfri strømforsyning producerer en udgang med meget lave strømværdier, men med spændinger svarende til det anvendte lysnet (indtil det er fyldt).

For eksempel vil en 1 µF, 400 V (nedbrydningsspænding), når den er tilsluttet en 220 V x 1,4 = 308V (efter bro) strømforsyning, producere maksimalt 70 mA strøm og en indledende spændingsaflæsning på 308 Volt.

Denne spænding vil dog vise et meget lineært fald, når output bliver belastet og strøm trækkes fra '70 mA' reservoiret.

Vi ved, at hvis belastningen bruger hele 70 mA, ville spændingen falde til næsten nul.

Da dette fald er lineært, kan vi simpelthen dele den indledende udgangsspænding med den maksimale strøm for at finde spændingsfaldene, der ville forekomme for forskellige størrelser af belastningsstrømme.

Derfor at dividere 308 volt med 70 mA giver 4,4V. Dette er den hastighed, hvormed spændingen falder for hver 1 mA strøm, der tilføjes med belastningen.

Det indebærer, at hvis belastningen bruger 20 mA strøm, vil spændingsfaldet være 20 × 4,4 = 88 volt, så output nu viser en spænding på 308 - 62,8 = 220 volt DC (efter bro).

For eksempel med en 1 watt LED forbundet direkte til dette kredsløb uden en modstand, ville vise en spænding svarende til fremadspændingsfaldet på LED'en (3.3V), dette skyldes, at LED'en synker næsten al den strøm, der er tilgængelig fra kondensatoren. Spændingen over LED'en falder dog ikke til nul, fordi fremspændingen er den maksimale specificerede spænding, der kan falde hen over den.

Fra ovenstående diskussion og analyse bliver det klart, at spænding i enhver strømforsyningsenhed er uvæsentlig, hvis strømforsyningens nuværende leveringsevne er 'relativt' lav.

For eksempel, hvis vi overvejer en LED, kan den tåle 30 til 40 mA strøm ved spændinger tæt på dens 'fremadspændingsfald', men ved højere spændinger kan denne strøm blive farlig for LED'en, så det handler om at holde den maksimale strøm lig med den maksimale sikre tolerante grænse for lasten.

Beregning af modstandsværdier

Modstand for belastningen : Når en LED bruges som belastning, anbefales det at vælge en kondensator, hvis reaktansværdi kun tillader den maksimalt tålelige strøm til LED'en, i hvilket tilfælde en modstand helt kan undgås.

Hvis kondensatorværdi er stor med højere strømudgange, så sandsynligvis som diskuteret ovenfor kan vi inkorporere en modstand for at reducere strømmen til tålelige grænser.

Beregning af overspændingsgrænsemodstand : Modstanden R2 i ovenstående diagramformularer er inkluderet som overspændingsbegrænsningsmodstand. Det beskytter dybest set den sårbare belastning fra den oprindelige overspændingsstrøm.

I løbet af de indledende tændingsperioder fungerer kondensatoren C1 som en komplet kortslutning, selvom det kun er et par millisekunder, og muligvis muliggør hele 220V på tværs af udgangen.

Dette kan være nok til at sprænge de følsomme elektroniske kredsløb eller lysdioder, der er forbundet med forsyningen, som også inkluderer den stabiliserende zenerdiode.

Da zenerdioden udgør den første elektroniske enhed i linje, som skal beskyttes mod den oprindelige bølge, kan R2 beregnes i henhold til zenerdiode-specifikationerne og maksimum zener strøm eller zener-spredning.

Den maksimale tolerante strøm fra zener for vores eksempel er 1 watt / 12 V = 0,083 ampere.

Derfor skal R2 være = 12 / 0,083 = 144 ohm

Men da overspændingsstrømmen kun er i millisekunder, kan denne værdi være meget lavere end denne.

Her. vi overvejer ikke 310V-indgangen til zener-beregningen, da strømmen er begrænset til 70 mA af C1.

Da R2 unødigt kan begrænse dyrebar strøm til belastningen under normal drift, skal den ideelt set være en NTC type modstand. En NTC sørger for, at strømmen kun er begrænset i den indledende tændingsperiode, og derefter får hele 70 mA lov til at passere ubegrænset for belastningen.

Beregning af afladningsmodstand : Modstand R1 bruges til afladning af den lagrede højspændingsladning inde i C1, når kredsløbet trækkes ud af stikkontakten.

R1-værdien skal være så lav som muligt for hurtig afladning af C1, men alligevel spreder minimumsvarmen, mens den er tilsluttet lysnettet.

Da R1 kan være en 1/4 watt modstand, skal dens spredning være mindre end 0,25 / 310 = 0,0008 ampere eller 0,8 mA.

Derfor er R1 = 310 / 0,0008 = 387500 ohm eller ca. 390 k.

Beregning af en 20 mA LED-modstand

Eksempel: I det viste diagram producerer kondensatorens værdi 70 mA på maks. strøm, der er ret høj for enhver LED at modstå. Brug af standard LED / modstandsformlen:

R = (forsyningsspænding VS - LED fremadspænding VF) / LED-strøm IL,
= (220 - 3,3) /0,02 = 10,83K,

Men 10.83K-værdien ser ret enorm ud, og vil i det væsentlige slippe belysningen på LED'en .... ikke desto mindre ser beregningerne helt legitime ud .... så mangler vi noget her ??

Jeg tror her, at spændingen '220' muligvis ikke er korrekt, fordi i sidste ende LED'en kun kræver 3,3 V .... så hvorfor ikke anvende denne værdi i ovenstående formel og kontrollere resultaterne? Hvis du har brugt en zener-diode, kan zener-værdien anvendes her i stedet.

Ok, her går vi igen.

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

Nu ser det meget bedre ud.

Lad os sige, at hvis du brugte en 12V zenerdiode før LED, kunne formlen beregnes som angivet nedenfor:

R = (forsyningsspænding VS - LED fremadspænding VF) / LED-strøm IL,
= (12 - 3.3) /0.02 = 435 ohm,

Derfor er modstandens værdi til styring af en rød LED sikkert ville være omkring 400 ohm.

Find kondensatorstrøm

I hele det transformerløse design, der er diskuteret ovenfor, er C1 den eneste vigtige komponent, der skal dimensioneres korrekt, så strømudgangen fra den optimeres optimalt i henhold til belastningsspecifikationen.

Valg af en kondensator med høj værdi til en relativt mindre belastning kan øge risikoen for overdreven overspændingsstrøm, der kommer ind i belastningen og beskadiger den hurtigere.

En korrekt beregnet kondensator tværtimod sikrer en kontrolleret overspænding og nominel spredning, der opretholder tilstrækkelig sikkerhed for den tilsluttede belastning.

Brug af Ohms lov

Strømmen, der kan være optimalt tilladt gennem en transformerfri strømforsyning til en bestemt belastning, kan beregnes ved hjælp af Ohms lov:

I = V / R

hvor I = strøm, V = Spænding, R = Modstand

Men som vi kan se, er formlen R i en ovenstående parameter, da vi har at gøre med en kondensator som det nuværende begrænsende medlem.

For at knække dette er vi nødt til at udlede en metode, der oversætter kondensatorens nuværende begrænsningsværdi med hensyn til ohm eller modstandsenhed, så Ohms lovformel kunne løses.

Beregning af kondensatorreaktans

For at gøre dette finder vi først ud af kondensatorens reaktans, som kan betragtes som modstandsækvivalenten for en modstand.

Formlen for reaktans er:

Xc = 1/2 (pi) fC

hvor Xc = reaktans,

pi = 22/7

f = frekvens

C = kondensatorværdi i Farads

Resultatet opnået fra ovenstående formel er i Ohms, som kan erstattes direkte i vores tidligere nævnte Ohms lov.

Lad os løse et eksempel til forståelse af implementeringen af ​​ovenstående formler:

Lad os se, hvor meget strøm en 1uF kondensator kan levere til en bestemt belastning:

Vi har følgende data i vores hånd:

pi = 22/7 = 3,14

f = 50 Hz (vekselstrømsfrekvens)

og C = 1 uF eller 0,000001F

Løsning af reaktansligningen ved hjælp af ovenstående data giver:

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

= Ca. 3184 ohm

Ved at erstatte denne ækvivalente modstandsværdi i vores Ohms lovformel får vi:

R = V / I

eller I = V / R

Antages V = 220V (da kondensatoren er beregnet til at arbejde med netspændingen.)

Vi får:

I = 220/3184

= 0,069 ampere eller ca. 69 mA

Tilsvarende kan andre kondensatorer beregnes for at kende deres maksimale strømforsyningskapacitet eller rating.

Ovenstående diskussion forklarer udførligt, hvordan en kondensatorstrøm kan beregnes i ethvert relevant kredsløb, især i transformerløse kapacitive strømforsyninger.

ADVARSEL: Ovennævnte design er IKKE ISOLERET FRA HOVEDINPUTEN, DERFOR KAN HELE ENHEDEN FLYDE MED LETTAL INPUT MAINS, VÆR UDVIKLIG FORSIGTIG, UNDER HÅNDTERING I SKIFTET POSITION.