Особенности использования конденсаторов в сглаживающих фильтрах

В фильтрах современных источников питания используются преимущественно электролитические конденсаторы, обладающие большой емкостью. В ИП со средним и высоким уровнями вы­ходного напряжения иногда используют масляные конденсаторы, которые по сравнению с электролитическими при одинаковых зна­чениях емкости имеют больший размер, но и более высокое рабо­чее напряжение. Конденсатор, установленный на выходе ИП, дол­жен иметь рабочее напряжение выше выходного приблизительно на 25%. Например, в ИП с U _вых= 12 В должен использоваться фильтровый конденсатор с U _ра6 ≥ 15 В.

Емкость электролитических конденсаторов ИП достигает не­скольких тысяч микрофарад и при малых значениях выходного напряжения размеры этих конденсаторов сравнительно невели­ки. С ростом же рабочего напряжения конденсаторов прямо про­порционально увеличиваются их размеры, и поэтому конденсато­ры с очень большими значениями емкости физически нереализуемы. Например, конденсатор с С= 1 000 мкФ и U _ра6 = 12 В вполне уместится на ладони, а конденсатор той же емкости, но с U_pae, = 1 000 В имел бы массу более 100 кг.

Разработчикам ИП следует обращать особое внимание на со­ответствие U _ра6 конденсаторов режимам их работы. Если U _ра6 пре­вышено, то электролит нагревается, а следовательно, расширяет­ся, что может вызвать взрыв конденсатора и причинить соответ­ственно ущерб ИП и пользователю. У неэлектролитических кон­денсаторов превышение U _ра6вызывает короткое замыкание меж­ду обкладками.

Необходимо отметить, что электролитический конденсатор нормально работает только при постоянном напряжении. Если его включить в цепь переменного тока, то также возможен взрыв конденсатора. В отличие от большинства конденсаторов электро­литические — почти всегда полярные, т.е. напряжение между их выводами имеет вполне определенную полярность. Если на элек­тролитический конденсатор подать

напряжениеобратной поляр­ности, он может быть поврежден и потеряет свои функции. Как известно, конденсаторы включают параллельно или по­следовательно между собой

.

Рис. 118. Схема параллельного соединения

выводами имеет вполне определенную полярность. Если на элек­тролитический конденсатор подать напряжение обратной поляр­ности, он может быть поврежден и потеряет свои функции.

Как известно, конденсаторы включают параллельно или по­следовательно между собой.

При параллельном соединении (рис. 118) эквивалентный кон­денсатор будет иметь результирующую емкость С_экв = С, + С₂ = = 1 000 мкФ и U _ра6= 50 В. Необходимо обеспечивать соответствие рабочих напряжений всех конденсаторов уровню U _вых. Например, если имеются три конденсатора с емкостями 50, 10 и 100 мкФ и соответственно с рабочими напряжениями 20, 50 и 6 В, результи­рующее параллельное соединение будет иметь емкость С₁ + С₂ + + С₃= 50 + 10 + +100 = 160 мкФ и U_pаб = 6 В.

При параллельном соединении электролитических конденса­торов необходимо следить за тем, чтобы соединялись между со­бой выводы одинаковой полярности (рис. 119, а).

Параллельное соединение является стандартным и широко ис­пользуется в источниках питания.

Последовательное соединение нескольких конденсаторов, как известно, используется для увеличения рабочего напряжения. Та­кое соединение показано на рис. 120. Например, имеются четыре конденсатора емкостью 100 мкФ и с U_pa6 = 500 В каждый. При последовательном их соединении емкость эквивалентного кон­денсатора С_экв = 100/4 = 25 мкФ, а U _ра6 = 2000 В, т.е. рабочее напряжение возрастает, а емкость эквивалентного конденсатора уменьшается.

В ИП со средним и высоким уровнями выходного напряжения часто используют последовательное соединение электролитиче­ских конденсаторов, обеспечивающее при незначительных разме­рах большое значение U_paб. Например, имеются восемь конденса­торов емкостью по 160 мкФ и с U_pa6 = 450 В, соединенных последовательно.

Рис. 119. Схемы правильного (а) и неправильного (б) включений по­лярных конденсаторов.

Рис. 120. Схема последова­тельного соединения конден­саторов

Эквивалентная емкость этой цепи С_экв = 160/8 - 20 мкФ, а U_pa6 = 3 600 В. Такое соединение яв­ляется стандартным и широко при­меняется в ИП с U_вых > 3 000 В.

Последовательное соединение тре­бует идеальных по своим характерис­тикам конденсаторов, так как напряжение на каждом из них бу­дет в 8 раз меньше общего напряжения только в том случае, если параметры отдельных конденсаторов абсолютно совпадают, тогда на каждом будет действовать постоянное напряжение U= 450 В. Так как каждый конденсатор рассчитан на 450 В, то имеется запас по напряжению, обеспечивающий нормальное функционирова­ние конденсаторной батареи.

Если же конденсаторы имеют разброс, то распределение на­пряжений будет неравномерным, т, е. на одних конденсаторах может быть 150 и 200 В, а на других 550 В и больше, что превысит рабочее напряжение 450 В и неизбежно приведет к возникнове­нию повреждений. Следует отметить, что даже идентичные кон­денсаторы имеют технологический разброс параметров (10...20% и более), поэтому при их последовательном соединении приме­няют выравнивающие компоненты — резисторы, подключаемые параллельно к выводам каждого конденсатора (рис. 121).

Выбор одинаковых резисторов не является проблемой. Обыч­но берут резисторы с сопротивлением R₁ = R₂ = Я₂ = R₄ = 25 кОм. Стандартная и используемая в высоковольтных ИП цепь (рис. 8.13) выполняет две функции: выравнивает постоянное напряже­ние на конденсаторах; создает стабилизирующий нагрузочный ре­зистор с сопротивлением

R_экв = 25 * 8 = 200 кОм.

Эквивалентный резистор обеспечивает дополнительную нагруз­ку выпрямителю с емкостным фильтром и необходимый уровень U_вых при отключенной основной нагрузке и обеспечивает разряд конденсаторов при выключении сети.

Использование батареи конденсаторов в сглаживающих филь­трах источников питания требует соблюдения определенных мер безопасности при работе с ними, так как при выходном напряже­нии более 200 В можно получить не только электрический удар, но и серьезные ожоги и повреждения внутренних органов.

Следует отметить, что некоторые конденсаторы большой ем­кости, поступающие с завода-изготовителя в упаковке, имеют закороченные внешним проводом выводы.

Рис. 121. Схема последовательного со­единения конденсаторов с выравниваю­щими компонентами

Это свидетельствует о том, что они разряжены. Подобные меры предосторожности практически всегда применяют для высоковольтных конденса­торов, которые в процессе проверки на выпускающих предпри­ятиях заряжают до напряжений, превышающих номинальные значения.

При обращении с высоковольтными конденсаторами следует соблюдать осторожность, а при хранении необходимо соединять накоротко их выводы. В процессе работы следует избегать кон­такта с корпусами конденсаторов, установленных на изолирую­щей панели. Если коснуться такого корпуса одной рукой, а дру­гая рука при этом будет находиться на металлическом корпусе всего устройства, то через руки и шейную область пройдет элект­рический разряд, который может остановить работу сердца.