Схема заряда конденсаторов фильтра большой емкости.

В статье рассматривается вопрос об ограничении тока заряда конденсаторов большой емкости. Обычно такие конденсаторы, а чаще батареи конденсаторов устанавливаются в блоках питания мощных усилителей низкой частоты, в мощных преобразователях и сварочных инверторах. В общем везде, где нужна хорошая фильтрация выпрямленного напряжения первичной сети переменного тока при больших токах нагрузки.

Уменьшить зарядный ток можно введением в схему ограничивающего резистора. После окончании зарядки выводы резистора шунтируют контактами реле, чтобы исключить потери энергии при последующей работе устройства. Схема узла заряда показана на рисунке 1.

Обычно время, необходимое для заряда конденсаторов отсчитывается простеньким таймером, ну или реле времени. После истечения установленного времени контакты реле срабатывает и своими контактами замыкает ограничивающий резистор. Беда такого решения вопроса в том, что в случае обрыва в цепи ограничивающего резистора, конденсаторы не будут заряжены, и реле подключит к выпрямителю не заряженные конденсаторы. В такой ситуации последствия могут быть не предсказуемые. На скриншоте показано окно программы Ltspice, где показан результат моделирования данной ситуации. Емкость С1 равна 40000мкФ. Для замера тока заряда резистор R1 выбран равным 0.01Ом. Для большей наглядности в модель введено внутреннее сопротивление источника напряжения равное тоже 0.01Ом.

Прекрасно, всего то 1,14 килоампер (кА).

На рисунке 1 показана общая схема. В ней я для моделирования использовал линейный стабилизатор на 15 вольт. Напряжение на источнике напряжения V1 выбрано равным 24 вольта. Можно применять и импульсный или вообще ничего не ставить, а контролировать напряжение непосредственно на конденсаторе С1. И так по схеме: После подачи напряжения на диодный мост, через ограничивающий резистор R1 начинает течь ток заряда, напряжение на конденсаторах начинает расти. Это напряжение подается на стабилизатор, на выходе которого также начинает увеличиваться напряжение. Это напряжение через резистор R2 поступает на катод стабилитрона VD2, у которого напряжение стабилизации на 2…3 вольта должно быть меньше выходного напряжения стабилизатора. Как только напряжение на стабилитроне превысит напряжение его пробоя, по базовой цепи транзистора VT1, потечет ток: выход стабилизатора -> R3 -> VD2 -> база транзистора VT1 — > эмиттер транзистора VT1 — > общий провод. Транзистор откроется, через обмотку реле потечет ток, реле сработает и своими контактами зашунтирует ограничительный резистор. Смотрим результат моделирования схемы без конденсатора С2.

Синяя линия – заряд конденсатора С1 – 40000мкФ. Красный график – напряжение на выходе стабилизатора, зеленая кривая – напряжение на коллекторе транзистора VT1. Как видно из результата моделирования транзистор откроется при напряжении на конденсаторе в районе 15 вольт.

То есть конденсаторы полностью не заряжены и возникает необходимость ввести в работу схемы не большую задержку. На следующем скриншоте показан результат работы схемы с графиком тока заряда.

Красный график, это ток заряда, смотрим в маленьком окошке на первый курсор справа – 4,3 А. Зеленый график – напряжение на коллекторе VT1. В момент срабатывания реле – курсор 2, ток заряда равен (курсор 1) 1,47 А. Рановато. Кстати, вместо обмотки реле в моделируемой схеме поставлен резистор 600 Ом. Вводим в схему С2, (если будете повторять схему, то величиной емкости этого конденсатора выберите вам необходимую задержку) и смотрим скриншот 4.

Из графика видно, что интегрирующая цепочка R3 и С2 сдвинули начало открывания транзистора по времени вправо. Без задержки транзистор открывался в районе 330 мС, а с конденсаторм – 800 мС (Начало подачи напряжения на конденсатор задержано от начала моделирования на 100 мС). При этом в момент открытия транзистора – шунтирования R2 контактами реле, ток заряда С1 имеет значение всего 165 мА (точка 1 на синей кривой тока заряда конденсатора С1). А напряжение на С1 в этот момент (точка 2 на красном графике) имеет значение чуть больше 22 вольт. Конденсаторы практически полностью зарядились за 0,7 С. Учитывая качество электролитов из КНР, я бы поставил С2 емкостью в 1000 мкФ.

базовый ток транзистора VT1 находится в районе 1,8 мА. Транзистор можно применить любой соответствующей проводимости и с током коллектора больше рабочего тока реле.

На пятом скриншоте моделируется схема без стабилизатора, а емкость С2 – 1000 мкФ. Ток заряда С1 – зеленый, напряжение на С1 – синее, напряжение на транзисторе – красное. Время срабатывания реле после включения – 1, 052 С. Время спада напряжения на коллекторе VT1 – 40мС. В момент шунтирования резистора процесс заряда конденсатора практически завершен.