Перейти к содержанию

Сглаживающий (накопительный) конденсатор

После диодного моста напряжение пульсирует от нуля до пика сто раз в секунду. Конденсатор большой ёмкости сразу после моста заряжается на пиках и отдаёт заряд нагрузке в промежутках — так из пульсирующего напряжения получается почти постоянное.

Обновлено Редакция GAW

Сглаживающий конденсатор (reservoir capacitor, накопительный конденсатор, конденсатор фильтра) — конденсатор большой ёмкости, включённый сразу после выпрямителя параллельно нагрузке. На пиках выпрямленного напряжения он заряжается, а между пиками отдаёт запасённый заряд нагрузке, поэтому напряжение на ней не падает до нуля, а лишь проседает на величину пульсаций.

Uпик≈1,41⋅U∼−2UF,ΔU≈Iн2fC.U_\text{пик} \approx 1{,}41 \cdot U_\sim - 2 U_F, \qquad \Delta U \approx \frac{I_\text{н}}{2 f C}.

Первая формула — из руководства Hammond (пик постоянного напряжения 1,41 × U~ для моста с ёмкостной нагрузкой) с вычетом падения на двух диодах моста. Вторая следует из определения ёмкости: за полупериод 1/(2f) конденсатор теряет заряд I·t, и напряжение падает на I·t/C.

Пример

Наш расчёт по этим формулам: обмотка 12 В, мост с диодами по 1 В, 2200 мкФ, нагрузка 0,5 А: пик 12 · 1,41 ≈ 17 В, после моста около 15 В, пульсации 0,5 / (2 · 50 · 0,0022) ≈ 2,3 В. Полный разбор с выбором моста, трансформатора и стабилизатора — в статье «Выпрямитель: трансформатор, диодный мост и конденсатор», расчёт ёмкости под заданные пульсации — в ответе «Как рассчитать конденсатор после диодного моста?».

Обратная сторона

Конденсатор подзаряжается только около пика, поэтому ток через мост идёт короткими импульсами, в разы превышающими ток нагрузки. Отсюда три следствия:

  • Ток пульсаций конденсатора велик: Hammond оценивает его в 2–3 тока нагрузки. Он греет конденсатор на ESR и должен укладываться в допустимый ток пульсаций из каталога — у Nichicon UPW1E222MHD 2555 мА при 100 кГц, а на 50 Гц — 0,8 от него, около 2044 мА.
  • Ток включения. Разряженный конденсатор в первый полупериод — почти короткое замыкание, мост должен выдержать ударный ток: у Vishay GBU4 это 150 А.
  • Обмотка нагружается сильнее, чем постоянным током, — Hammond пересчитывает ток трансформатора с коэффициентом 0,62.

Не путать с развязывающим конденсатором у микросхем: тот подавляет высокочастотные помехи по питанию и имеет ёмкость в доли микрофарады. И не путать с буферными конденсаторами питания — выходным конденсатором накачки заряда или запасом у модуля ESP32: они тоже накапливают заряд, но стоят не после выпрямителя сети и сглаживают не пульсации 100 Гц, а провалы от импульсов тока. Срок службы электролита при его токе пульсаций и температуре оценит калькулятор ресурса конденсатора.

Частые вопросы

Зачем конденсатор после диодного моста?

Без него напряжение на нагрузке пульсирует от нуля до пика с частотой 100 Гц. Конденсатор заряжается до пика, около 1,41 действующего напряжения обмотки минус падение на диодах, и между пиками сам питает нагрузку. Напряжение проседает только на величину пульсаций.

Как оценить пульсации на сглаживающем конденсаторе?

За полупериод сети, 10 мс при 50 Гц, конденсатор отдаёт заряд I · t, и напряжение падает на ΔU ≈ I / (2·f·C). При 0,5 А и 2200 мкФ это около 2,3 В. Формула чуть завышает: часть полупериода конденсатор уже заряжается.

Почему чем больше ёмкость, тем сильнее греется мост?

Конденсатор подзаряжается только вблизи пика, за короткое время, и чем меньше пульсации, тем короче и выше импульсы тока. Тот же средний ток идёт короткими пиками в несколько ампер — они греют диоды и обмотку и дают большой ток пульсаций самого конденсатора.

Источники

  1. Hammond Mfg. Design Guide For Rectifier Use — мостовой выпрямитель с ёмкостной нагрузкой: пиковое постоянное напряжение 1,41 × U~ вторичной обмотки, среднее 0,90 × U~, ток обмотки пересчитывается из тока нагрузки (I DC = 0,62 × I AC) с учётом импульсов заряда конденсатора; действующий ток пульсаций конденсатора фильтра в 2–3 раза больше постоянного тока нагрузки
  2. Vishay. GBU4A thru GBU4M: Glass Passivated Single-Phase Bridge Rectifier (Document Number 88614, revised 13-Jul-2020) — ударный прямой ток IFSM 150 А, прямое напряжение не больше 1,0 В на диод при 4,0 А
  3. Nichicon. UPW: Miniature Sized, Low Impedance, High Reliability For Switching Power Supplies (CAT.8100N) — UPW1E222MHD — 25 В, 2200 мкФ, 16 × 25 мм, допустимый ток пульсаций 2555 мА при 105 °C и 100 кГц; коэффициент 0,80 на 50 Гц

Нашли ошибку?

Смотрите также