Warum ist der Kondensator in Ihrem Netzteilfilter zu groß?

Ersetzen des Kondensators Ihrer Mikrowelle | Das Ersatzteilecenter.de Verfahren (Juni 2019).

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Anonim

Warum ist der Kondensator in Ihrem Netzteilfilter zu groß?


Alle AC-DC-Wandler, unabhängig davon, ob es sich um Linearversorgungen oder um eine Art von Schaltelementen handelt, erfordern einen Mechanismus, um die variierende Leistung auf der AC-Seite zu übernehmen und eine konstante Leistung auf der DC-Seite zu erzeugen. Typischerweise wird ein großer Filterkondensator verwendet, um Energie zu absorbieren und zu speichern, wenn die AC-Leistung höher als die von der DC-Last benötigte ist, und um der Last Energie zuzuführen, wenn die AC-Leistung niedriger als benötigt ist. 1 ist eine Blockdiagrammdarstellung der Leistungseingabe und der Leistungsausgabe eines generischen AC-DC-Wandlers, der eine Wechselstromleitungsfrequenz von \ (\ omega \) aufweist. Unabhängig von den Besonderheiten des Wandlerblocks haben alle Wandler eine unterschiedliche Eingangsleistung und benötigen eine konstante Ausgangsleistung.

Abbildung 1. Blockschaltbild des AC / DC-Wandlers mit grafischer Darstellung des Ein- und Ausgangs
(Hinweis: In dieser Abbildung wird angenommen, dass der Leistungsfaktor auf der AC-Seite 1 ist. Daher muss der Umrichter eine Leistungsfaktorkorrektur enthalten. Am Ende dieses Artikels können Sie sehen, wie die Gleichung für die AC-Leistung abgeleitet wurde).

Die Eingangsleistung auf der AC-Seite ist \ (p_ {ac} (t) = P_ {o} + P_ {o} cos (2 \ omega t) \), während die Ausgangsleistung auf der DC-Seite \ (P_ {o } \). Der Welligkeitsteil (\ (P_ {o} cos (2 \ omega t) \) - der auch in der Grafik des Diagramms hervorgehoben ist) muss durch einen Filter im Konverter eliminiert werden. Der am weitesten verbreitete Weg zur Implementierung dieses Filters besteht darin, einen großen Kondensator über den Ausgang zu legen, wie in Abbildung 2 gezeigt. Diese Lösung ist einfach und kostengünstig, aber wie wir sehen werden, speichert der Filterkondensator viel mehr Energie als tatsächlich benötigt wird Filterprozess.

Abbildung 2. AC-DC-Konverter mit Filterkondensator am Ausgang

Die Größe des Ausgangsfilters (dh die erforderliche Kapazität) hängt davon ab, wie viel Leistung das System (\ (P_ {o} \)), die Frequenz der Wechselspannung (\ (\ omega \) Radianten), verarbeiten muss pro Sekunde), die Ausgangsspannung (\ (V_ {o} \)) und die Spitze-Spitze-Spannungswelligkeit zulässig (\ (V_ {r} \)). Die spezifische Gleichung, die alle diese Faktoren auf die Kapazität bezieht, ist:

\ (C_ {filt} = \ frac {P_ {o}} {\ omega V_ {o} V_ {r}} \)

Ein Beispielsystem mit einer Netzfrequenz von 60 Hz, einer Ausgangsleistung von 700 W bei 390 V und einer maximalen Welligkeit von 8 V erfordert eine Kapazität von 595 uF. Wenn Sie die Ausgangsspannung dieses Systems messen würden, würde es in etwa so aussehen (beachten Sie, dass die Welligkeit in dieser Figur zu Illustrationszwecken übertrieben ist):

Abbildung 3. Beispiel Ausgangsspannung mit Restwelligkeit

Der Kondensator macht seine Arbeit, indem er Energie von der Wechselstromquelle absorbiert, wenn die bereitgestellte Wechselstromleistung die benötigte Gleichstromleistung übersteigt, und Energie an die Gleichstromlast zurückgibt, wenn die bereitgestellte Wechselstromleistung geringer ist als die benötigte Gleichstromleistung. Das Problem ist, dass der größte Teil der im Kondensator gespeicherten Energie nicht genutzt wird. Es ist nur der kleine Betrag des Leistungsflusses, der die Spannungswelligkeit erzeugt, die tatsächlich von dem Kondensator verarbeitet wird. Die gesamte ungenutzte gespeicherte Energie muss jedoch im Kondensator sein, um die Spannung des Kondensators auf die am Ausgang erforderliche Spannung zu bringen. Es ist so, als hätte man ein 10.000 Liter fassendes Wasser mit dem Zapfen, der ein paar Zentimeter von der Spitze entfernt ist: der Lauf muss fast voll sein, um Wasser herauszubekommen, und man kann nur so viel Wasser herausbekommen, bis es knapp unter dem Wasser ist Spigot, dann musst du es wieder auffüllen. Das gesamte Wasser unterhalb des Zapfens ist unbrauchbar. In dem Filterkondensator ist die gesamte gespeicherte Energie - mit Ausnahme des kleinen Bits, das während der Spannungswelligkeit absorbiert und freigesetzt wird - in ähnlicher Weise unbrauchbar, weil Sie die Ausgangsspannung so konstant wie möglich halten müssen.

Wenn Sie eine Schaltung entwickeln könnten, bei der Sie die Stromwelligkeit eines Kondensators so steuern können, dass sie der Stromwelligkeit der AC-Seite des Wandlers entspricht und die Spannung so weit schwingen lässt, wie Sie möchten, hätten Sie einen effektiven Filter, der erheblich reduziert würde die doppelte Zeilenfrequenzwelligkeit. Der beste Teil dieser Schaltung wäre, dass der Kondensator keine zusätzliche Energie speichern müsste, nur um arbeiten zu können. Die Spannungs-, Strom- und Leistungssignale zu einem solchen Kondensator würden in etwa so aussehen:

Abbildung 4. Spannungs-, Strom- und Leistungswellenformen zum hypothetischen Filterkreis

Der Entwurf einer solchen Schaltung ist möglich. Eine Art, wie Sie diese Art von Schaltung erstellen können, besteht darin, einen Stromverarbeitungs- oder Ripple-Port hinzuzufügen, der vom AC-Eingang und vom DC-Ausgang getrennt ist. Dieser Ripple-Port würde eine Speicherkomponente (dh den Kondensator) und ein Steuersystem benötigen, um die Stromversorgung zu dem Port zu steuern. Der Port müsste Energie speichern, wenn die AC-Leistung zu hoch ist, und Energie freisetzen, wenn die AC-Leistung zu niedrig ist, wie in 4 gezeigt. Ein Blockdiagramm des Ripple-Ports ist in 5 gezeigt. Da der Ripple-Port von beiden getrennt ist der Eingangs- und der Ausgangsport, keiner der Ports unterliegt Beschränkungen für die Spannung des Ripple-Ports. Wie Sie sehen werden, können Sie die Kapazität auf einen beliebig niedrigen Wert reduzieren, indem Sie zulassen, dass die Spitzenspannung am Kondensator wirklich hoch ist.

Abbildung 5. Der Ripple-Port in einem AC-DC-Konverter

Mehrere verschiedene Ripple-Port-Designs wurden untersucht und in der wissenschaftlichen Literatur beschrieben. Ein Design, das sich durch sein Patent sowohl durch seine Einfachheit als auch durch sein angedeutetes Potenzial im realen Weltmarkt auszeichnet, ist ein Entwurf von Krein et al., Der hier diskutiert wird.

Die allgemeine Idee des Designs ist, dass wir wollen, dass die gesamte Welligkeitsleistung (\ (P_ {o} cos (2 \ omega t) \)) zum Ripple-Port-Kondensator hin und her fließt. Um dies zu erreichen, benötigen wir die Gleichung für die Welligkeitsleistung, um die Gleichung für die Leistung eines Kondensators anzupassen. Die Gleichung für die Leistung zu einem Kondensator in einem sinusförmigen Wechselstromkreis ist

\ (P_ {c} (t) = v_ {c} (t) i_ {c} (t) = (V_ {c} cos (\ omega t + \ theta)) \ mal C \ frac {dv_ {c} } {dt} \)

Es sollte beachtet werden, dass \ (\ theta \) die Phasenverschiebung zwischen der Spannung auf der AC-Seite des Systems und der Spannung zu dem Ripple-Port-Kondensator darstellt. Die obige Gleichung kann vereinfacht werden, indem einige Berechnungen und Trigonometrien verwendet werden

\ (P_ {c} (t) = - \ omega CV_ {c} ^ {2} \ mal sin (2 \ omega t + 2 \ theta) \)

Da wir wollen, dass die gesamte Welligkeitsenergie zum Kondensator fließt, können wir die Kondensatorleistungsgleichungen so einstellen, dass sie gleich der Welligkeitsleistungsgleichung sind:

\ (P_ {o} cos (2 \ omega t) = \ frac {- \ omega CV_ {c} ^ {2}} {2} \ mal sin (2 \ omega t + 2 \ theta) \)

Damit die beiden Seiten dieser Gleichung gleich sind, müssen die Amplituden gleich sein und die Phasenverschiebungen müssen gleich sein.

Betrachten wir zunächst die Amplitudenteile der obigen Gleichung; da sie gleich sein müssen, erhalten wir:

\ (P_ {o} = \ frac {\ omega CV_ {c} ^ {2}} {2} \)

Die beiden Elemente, die Sie in dieser Gleichung steuern, sind der Kondensator und die Spitzenspannung am Kondensator (\ (V_ {c} \)). Gehen wir zurück zu dem Beispiel von 700 W, 390 V, das wir vorher betrachtet haben, und skizzieren Sie, wie Sie die Spitzenspannung und die Kapazität für den Ripple-Port bestimmen würden. Zuerst würden Sie sich für eine Spitzenspannung für den Ripple-Port entscheiden. Theoretisch könnten Sie jede gewünschte Spannung wählen und je höher die Spannung, desto niedriger die Kapazität, aber aus Sicherheitsgründen möchten Sie wahrscheinlich etwas kleiner oder gleich der Ausgangsspannung wählen. In diesem Fall werden wir 300 V für den Ripple-Port wählen, der ein bisschen kleiner als die Ausgangsspannung ist, aber hoch genug, dass wir eine ziemlich gute Reduzierung der Kapazität erhalten sollten. Als nächstes würden Sie die erforderliche Kapazität berechnen, die die Welligkeitsleistung bei 700 W filtern würde. Neuordnung der Spitzenleistungsgleichung für die Kapazität ergibt:

\ (C = \ frac {2P_ {o}} {\ omega V_ {c} ^ 2} \)

Das Einstecken von \ (P_ {o} = 700W \), \ (\ omega = 2 \ pi \ mal 60 \) und \ (V_ {c} = 300V \) in die obige Gleichung liefert uns 41uF. Diese neue Kapazität ist im Vergleich zum ursprünglichen Kondensator um den Faktor 14, 5 reduziert. Wenn wir \ (V_ {c} = 390V \) verwenden, könnte die Kapazität noch weiter auf 25uF reduziert werden.

Wir sind noch nicht fertig, alles, was wir bestimmt haben, ist die zu verwendende Spitzenspannung und Kapazität. Als nächstes müssen wir die Phasenverschiebung der Spannung zu dem Kondensator im Vergleich zu der AC-Eingangsspannung bestimmen. Um die erforderliche Phasendifferenz zu bestimmen, untersuchen Sie die Phasenverschiebungsanteile der Leistungsgleichungen und stellen Sie die Phasenverschiebung der Leistungsrippelseite der Gleichung gleich der Phasenverschiebung der Kondensatorleistungsseite der Gleichung ein:

\ (- sin (2 \ omega t + 2 \ theta) = cos (2 \ omega t) \)

Mit einer einfachen Trigonometrie kann diese Gleichung für \ (\ theta \) gelöst werden:

\ (= cos (2 \ omega t + 2 \ theta + \ frac {\ pi} {2}) = cos (2 \ omega t) \)

\ (2 \ omega t + 2 \ theta + \ frac {\ pi} {2} = 2 \ omega t \)

Schließlich, wenn Sie für \ (\ Theta \) lösen, was wiederum die Phasendifferenz zwischen der Spannung der AC-Quelle und der Spannung des Ripple-Ports ist, erhalten Sie

\ (\ theta = - \ frac {\ pi} {4} \)

Setzen Sie das Amplitudenteil und das Phasenverschiebungsstück zusammen, ist die unterste Linie das, wenn Sie die Spannung zum Ripple-Anschluss steuern

\ (v_ {c} (t) = \ sqrt {\ frac {2P_ {o}} {\ omega C}} sin (\ omega t - \ frac {\ pi} {4}) \)

Dann absorbiert der Ripple-Port die doppelte Netzfrequenzwelligkeit im System.

In unserem Beispiel 700W, 390V System, das bedeutet, dass wir die Spannung zum Ripple-Port (bei maximaler Leistung) steuern müssen:

\ (v_ {c} (t) = 300sin (\ omega t - \ frac {\ pi} {4}) \)

Dies scheint wahrscheinlich eine Menge Arbeit zu sein, wenn man bedenkt, dass die Alternative darin besteht, einfach einen großen Elektrolytkondensator einzuwerfen. Das Problem ist, dass Elektrolytkondensatoren eine kurze Lebenserwartung haben. Typischerweise haben sie eine kürzere Lebenserwartung als jede andere Komponente in einem elektronischen System, so dass in Systemen, in denen eine Lebensdauer von Jahrzehnten oder mehr erforderlich ist, Elektrolytkondensatoren keine gute Lösung darstellen. Folienkondensatoren haben eine viel längere Lebensdauer, sind aber leider bei gleicher Kapazität wesentlich teurer als Elektrolyte. Zum Beispiel zeigt eine schnelle Suche in einem elektronischen Online-Komponentenkatalog, dass ein 600uF, 600V-Elektrolytkondensator etwa 20 US-Dollar kostet, während ein Folienkondensator mit den gleichen Bewertungen etwa 200 US-Dollar kostet. Ein System, das diese Art von Ripple-Port verwendet, wäre in der Lage, kostengünstig einen Filmkondensator anstelle eines Elektrolytkondensators zu verwenden, da die Kapazitätsanforderungen um so viel verringert werden würden. Bevor diese Art von System verwendet wird, müsste natürlich eine Kostenanalyse des Steuersystems für den Ripple-Port mit den Kosten verglichen werden, die entstehen, wenn nur ein großer (und teurer) Filmkondensator verwendet wird.

Als letzte Anmerkung kann dieselbe Art von System für Wechselrichter verwendet werden, wenn Sie Wechselspannung von einer Gleichstromquelle erzeugen müssen. Das Zuverlässigkeitsproblem bei Elektrolytkondensatoren wird für Photovoltaikmodule mit eingebauten Mikrowechselrichtern zu einem Problem, da diese Mikrowechselrichter 20 bis 25 Jahre Garantie erhalten müssen. Diese Zeitspanne ist viel länger als die erwartete Lebensdauer eines Elektrolytkondensators unter allen Bedingungen.

Ableitung der AC-Netzleistungsgleichung

Beachten Sie, dass diese Ableitung davon ausgeht, dass der Leistungsfaktor 1 ist (dh Spannung und Strom sind miteinander in Phase).

\ (p (t) = v_ {ac} (t) i_ {ac} (t) \)

\ (= V_ {ac} cos (\ omega t) I_ {ac} cos (\ omega t) \)

\ (= V_ {ac} I_ {ac} cos ^ 2 (\ omega t) \)

\ (= V_ {ac} I_ {ac} (\ frac {1} {2} (1 + cos (2 \ omega t))) \)

\ (= \ frac {V_ {ac} I_ {ac}} {2} + \ frac {V_ {ac} I_ {ac}} {2} cos (2 \ omega t) \)

\ (= P_ {o} + P_ {o} cos (2 \ omega t) \) wobei \ (P_ {o} = \ frac {V_ {ac} I_ {ac}} {2} \)