So berechnen Sie transformatorlose Netzteile

In diesem Beitrag wird erläutert, wie Widerstands- und Kondensatorwerte in transformatorlosen Stromversorgungsschaltungen mit einfachen Formeln wie dem Ohmschen Gesetz berechnet werden.

Analyse eines kapazitiven Netzteils

Bevor wir die Formel zur Berechnung und Optimierung von Widerstands- und Kondensatorwerten in einem transformatorlosen Netzteil lernen, ist es wichtig, zunächst einen Standard zusammenzufassen transformatorloses Netzteildesign .

In Bezug auf das Diagramm sind den verschiedenen beteiligten Komponenten die folgenden spezifischen Funktionen zugeordnet:

C1 ist der unpolare Hochspannungskondensator, der eingeführt wird, um den tödlichen Netzstrom gemäß der Lastspezifikation auf die gewünschten Grenzen abzusenken. Diese Komponente wird daher aufgrund der zugewiesenen Netzstrombegrenzungsfunktion äußerst wichtig.

D1 bis D4 sind als konfiguriert Brückengleichrichternetz zum Gleichrichten des abgesenkten Wechselstroms von C1, um den Ausgang für jede beabsichtigte Gleichstromlast geeignet zu machen.

Z1 ist positioniert, um den Ausgang auf die erforderlichen sicheren Spannungsgrenzen zu stabilisieren.

C2 ist installiert auf Welligkeit herausfiltern im DC und um einen perfekt sauberen DC für die angeschlossene Last zu erzeugen.

R2 kann optional sein, wird jedoch empfohlen, um einen Einschaltstoß vom Netz zu bekämpfen, obwohl diese Komponente vorzugsweise durch einen NTC-Thermistor ersetzt werden muss.

Mit dem Ohmschen Gesetz

Wir alle wissen, wie das Ohmsche Gesetz funktioniert und wie man es verwendet, um den unbekannten Parameter zu finden, wenn die anderen beiden bekannt sind. Bei einem kapazitiven Netzteil mit besonderen Merkmalen und angeschlossenen LEDs wird die Berechnung von Strom, Spannungsabfall und LED-Widerstand jedoch etwas verwirrend.

Berechnen und Ableiten von Strom- und Spannungsparametern in transformatorlosen Netzteilen.

Nachdem ich die relevanten Muster sorgfältig untersucht hatte, entwickelte ich eine einfache und effektive Methode zur Lösung der oben genannten Probleme, insbesondere wenn das verwendete Netzteil transformatorlos ist oder PPC-Kondensatoren oder Reaktanzen zur Stromregelung enthält.

Auswertung des Stroms in kapazitiven Netzteilen

Typischerweise a transformatorloses Netzteil erzeugt einen Ausgang mit sehr niedrigen Stromwerten, aber mit Spannungen, die dem angelegten Wechselstromnetz entsprechen (bis er geladen ist).

Beispielsweise erzeugt eine 1 µF, 400 V (Durchbruchspannung) bei Anschluss an eine 220 V x 1,4 = 308 V (nach der Brücke) Netzversorgung ein Maximum von 70 mA Strom und einen anfänglichen Spannungswert von 308 Volt.

Diese Spannung fällt jedoch sehr linear ab, wenn der Ausgang geladen wird und Strom aus dem Reservoir „70 mA“ entnommen wird.

Wir wissen, dass, wenn die Last die gesamten 70 mA verbraucht, die Spannung auf fast Null abfallen würde.

Da dieser Abfall nun linear ist, können wir einfach die anfängliche Ausgangsspannung durch den maximalen Strom teilen, um die Spannungsabfälle zu ermitteln, die für verschiedene Größen von Lastströmen auftreten würden.

Das Teilen von 308 Volt durch 70 mA ergibt daher 4,4 V. Dies ist die Rate, mit der die Spannung für jeden mit der Last hinzugefügten 1 mA Strom abfällt.

Das heißt, wenn die Last 20 mA Strom verbraucht, beträgt der Spannungsabfall 20 × 4,4 = 88 Volt, sodass der Ausgang jetzt eine Spannung von 308 - 62,8 = 220 Volt Gleichstrom (nach der Brücke) anzeigt.

Zum Beispiel mit einem 1 Watt LED Ein direkter Anschluss an diese Schaltung ohne Widerstand würde eine Spannung anzeigen, die dem Durchlassspannungsabfall der LED (3,3 V) entspricht. Dies liegt daran, dass die LED fast den gesamten vom Kondensator verfügbaren Strom abführt. Die Spannung an der LED fällt jedoch nicht auf Null ab, da die Durchlassspannung die maximal festgelegte Spannung ist, die an der LED abfallen kann.

Aus der obigen Diskussion und Analyse wird klar, dass die Spannung in einem Netzteil unerheblich ist, wenn die Stromversorgungsfähigkeit des Netzteils 'relativ' niedrig ist.

Wenn wir beispielsweise eine LED betrachten, kann sie einem Strom von 30 bis 40 mA bei Spannungen nahe ihrem 'Durchlassspannungsabfall' standhalten. Bei höheren Spannungen kann dieser Strom jedoch für die LED gefährlich werden. Es geht also darum, den maximalen Strom gleich zu halten die maximal sicher tolerierbare Grenze der Last.

Widerstandswerte berechnen

Widerstand für die Last : Wenn eine LED als Last verwendet wird, wird empfohlen, einen Kondensator zu wählen, dessen Reaktanzwert nur den maximal tolerierbaren Strom zur LED zulässt. In diesem Fall kann ein Widerstand vollständig vermieden werden.

Wenn die Kondensatorwert ist groß mit höheren Stromausgängen, dann können wir wahrscheinlich, wie oben diskutiert, einen Widerstand einbauen, um den Strom auf tolerierbare Grenzen zu reduzieren.

Berechnung des Überspannungsgrenzwiderstands : Der Widerstand R2 in den obigen Diagrammformen ist als Einschalt-Überspannungsbegrenzungswiderstand enthalten. Es schützt die anfällige Last grundsätzlich vor dem anfänglichen Stoßstrom.

Während der anfänglichen Einschaltperioden wirkt der Kondensator C1 wie ein vollständiger Kurzschluss, wenn auch nur für einige Millisekunden, und kann die gesamten 220 V über den Ausgang zulassen.

Dies kann ausreichen, um die empfindlichen elektronischen Schaltkreise oder LEDs, die mit der Versorgung verbunden sind, zu blasen, zu der auch die stabilisierende Zenerdiode gehört.

Da die Zenerdiode das erste elektronische Gerät in der Reihe bildet, das vor dem anfänglichen Anstieg geschützt werden muss, kann R2 gemäß den Spezifikationen der Zenerdiode und maximal berechnet werden Zenerstrom oder Zener-Dissipation.

Der maximal tolerierbare Strom durch den Zener für unser Beispiel beträgt 1 Watt / 12 V = 0,083 Ampere.

Daher sollte R2 = 12 / 0,083 = 144 Ohm sein

Da der Stoßstrom jedoch nur eine Millisekunde beträgt, kann dieser Wert viel niedriger sein.

Hier. Wir berücksichtigen den 310-V-Eingang nicht für die Zenerberechnung, da der Strom vom C1 auf 70 mA begrenzt wird.

Da R2 während des normalen Betriebs den kostbaren Strom für die Last unnötig einschränken kann, muss es idealerweise ein NTC Art des Widerstands. Ein NTC stellt sicher, dass der Strom nur während der anfänglichen Einschaltdauer begrenzt wird, und dann dürfen die vollen 70 mA für die Last ungehindert passieren.

Berechnung des Entladungswiderstands : Der Widerstand R1 wird zum Entladen der in C1 gespeicherten Hochspannungsladung verwendet, wenn der Stromkreis vom Stromnetz getrennt wird.

Der R1-Wert sollte für eine schnelle Entladung von C1 so niedrig wie möglich sein, jedoch die minimale Wärme abführen, während er an das Stromnetz angeschlossen ist.

Da R1 ein 1/4 Watt Widerstand sein kann, muss seine Verlustleistung unter 0,25 / 310 = 0,0008 Ampere oder 0,8 mA liegen.

Daher ist R1 = 310 / 0,0008 = 387500 Ohm oder ungefähr 390 k.

Berechnung eines 20 mA LED-Widerstands

Beispiel: Im gezeigten Diagramm erzeugt der Wert des Kondensators 70 mA von max. Strom, der für jede LED ziemlich hoch ist. Verwendung der Standard-LED / Widerstandsformel:

R = (Versorgungsspannung VS - LED-Durchlassspannung VF) / LED-Strom IL,
= (220 - 3,3) / 0,02 = 10,83 K,

Der Wert von 10,83 K sieht jedoch ziemlich groß aus und würde die Beleuchtung der LED erheblich verringern. Trotzdem sehen die Berechnungen absolut legitim aus. Fehlt uns hier also etwas?

Ich denke hier ist die Spannung '220' möglicherweise nicht korrekt, da die LED letztendlich nur 3,3 V benötigt. Warum also nicht diesen Wert in der obigen Formel anwenden und die Ergebnisse überprüfen? Wenn Sie eine Zenerdiode verwendet haben, kann hier stattdessen der Zenerwert angewendet werden.

Ok, jetzt geht es wieder los.

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

Das sieht jetzt viel besser aus.

Wenn Sie beispielsweise eine 12-V-Zenerdiode vor der LED verwendet haben, kann die Formel wie folgt berechnet werden:

R = (Versorgungsspannung VS - LED-Durchlassspannung VF) / LED-Strom IL,
= (12 - 3,3) / 0,02 = 435 Ohm,

Daher der Wert des Widerstands zur Steuerung eines rote LED sicher wäre etwa 400 Ohm.

Kondensatorstrom ermitteln

In der gesamten oben diskutierten transformatorlosen Konstruktion ist C1 die eine entscheidende Komponente, die korrekt dimensioniert werden muss, damit der Stromausgang gemäß der Lastspezifikation optimal optimiert wird.

Die Auswahl eines Kondensators mit hohem Wert für eine relativ kleinere Last kann das Risiko erhöhen, dass übermäßiger Stoßstrom in die Last eindringt und diese früher beschädigt.

Ein ordnungsgemäß berechneter Kondensator hingegen sorgt für einen kontrollierten Einschaltstrom und eine Nennableitung, die eine ausreichende Sicherheit für die angeschlossene Last gewährleisten.

Mit dem Ohmschen Gesetz

Die Stromstärke, die durch eine transformatorlose Stromversorgung für eine bestimmte Last optimal zulässig sein kann, kann unter Verwendung des Ohmschen Gesetzes berechnet werden:

I = V / R.

wobei I = Strom, V = Spannung, R = Widerstand

Wie wir jedoch sehen können, ist R in der obigen Formel ein ungerader Parameter, da es sich um einen Kondensator als Strombegrenzungselement handelt.

Um dies zu knacken, müssen wir eine Methode ableiten, die den Strombegrenzungswert des Kondensators in Ohm oder Widerstandseinheit umwandelt, damit die Ohmsche Gesetzformel gelöst werden kann.

Berechnung der Kondensatorreaktivität

Dazu ermitteln wir zunächst die Reaktanz des Kondensators, die als Widerstandsäquivalent eines Widerstands angesehen werden kann.

Die Formel für die Reaktanz lautet:

Xc = 1/2 (pi) fC

wobei Xc = Reaktanz,

pi = 22/7

f = Frequenz

C = Kondensatorwert in Farad

Das aus der obigen Formel erhaltene Ergebnis ist in Ohm, das in unserem zuvor erwähnten Ohmschen Gesetz direkt substituiert werden kann.

Lassen Sie uns ein Beispiel zum Verständnis der Implementierung der obigen Formeln lösen:

Mal sehen, wie viel Strom ein 1uF-Kondensator an eine bestimmte Last liefern kann:

Wir haben folgende Daten in der Hand:

pi = 22/7 = 3,14

f = 50 Hz (Netzwechselfrequenz)

und C = 1 uF oder 0,000001 F.

Das Lösen der Reaktanzgleichung unter Verwendung der obigen Daten ergibt:

Xc = 1 / (2 × 3,14 × 50 × 0,000001)

= Ungefähr 3184 Ohm

Wenn wir diesen äquivalenten Widerstandswert in unsere Ohmsche Gesetzformel einsetzen, erhalten wir:

R = V / I.

oder I = V / R.

Angenommen, V = 220 V (da der Kondensator mit der Netzspannung arbeiten soll.)

Wir bekommen:

I = 220/3184

= Ungefähr 0,069 Ampere oder 69 mA

In ähnlicher Weise können andere Kondensatoren berechnet werden, um ihre maximale Stromabgabekapazität oder Nennleistung zu kennen.

Die obige Diskussion erklärt umfassend, wie ein Kondensatorstrom in jeder relevanten Schaltung berechnet werden kann, insbesondere in transformatorlosen kapazitiven Stromversorgungen.

WARNUNG: DAS OBIGE DESIGN WIRD NICHT VOM NETZTEINGANG GETRENNT. Daher KÖNNTE DAS GANZE GERÄT MIT TÖDLICHEN EINGANGSNETZEN SCHWIMMEN.