Муфты электромонтажные от производителя Fucon
РадиоЛоцман - Все об электронике

Импульсное регулирование тока в цепи с гасящим конденсатором

Inchange Semiconductor 2N6423 2N6545

- Томск

Рассмотрен способ повышения величины электрического тока в последовательной цепи из активного сопротивления и конденсатора в сети переменного тока. Увеличение силы тока в цепи активной нагрузки более чем на порядок возможно за счет периодического прерывания электрической цепи.

Критерии выбора литиевых аккумуляторов и батареек: что необходимо учитывать разработчикам

В ряде публикаций предыдущих лет был описан довольно примечательный эффект, Рисунок 1, заключающийся в резком росте тока в последовательной цепи из лампы накаливания EL1, конденсатора C1 и электрического разрядника F1 [1–5]. Все элементы схемы включены последовательно и подключены к сети переменного тока. Параллельно разряднику F1 подключен переключатель SA1. При замкнутом переключателе SA1 сила тока в электрической цепи минимальна и недостаточна для свечения нити накаливания лампы EL1. Однако стоит разомкнуть переключатель SA1 и обеспечить электрический разряд в разряднике F1, ток в цепи резко возрастает, лампа накаливания EL1 светится полным накалом.

Питание лампы накаливания (активной нагрузки) от сети переменного тока через: а) гасящий конденсатор C1; б) гасящий конденсатор C1 и электрический разрядник F1.
Рисунок 1. Питание лампы накаливания (активной нагрузки) от сети переменного тока через: а) гасящий конденсатор C1;
б) гасящий конденсатор C1 и электрический разрядник F1.

Электрический разрядник F1 может быть выполнен в виде дух заостренных контактов, расстояние между которыми можно регулировать микрометрическим винтом. При размыкании переключателя SA1 и регулировке межэлектродного расстояния в разряднике F1 возникает электрический разряд, лампа начинает ярко светиться. Ранее подобный эффект пытались объяснить протеканием через электрическую цепь токов повышенный частоты, в результате чего эквивалентная емкость конденсатора снижалось, а ток через последовательную цепочку «лампа накаливания – конденсатор», Рисунок 1б, заметно возрастал.

Отметим, что подобный эффект зачастую проявляется при работе ряда устройств, имеющих гасящий конденсатор. При наличии плохого контакта в цепи питания это приводит к повреждению как самого источника питания, так и питаемого от него устройства.

Для исследования процессов, протекающих в электрической цепи, состоящей из сопротивления R1, конденсатора C1, а также эквивалента электрического разрядника S1 с использованием пакета программ схемотехнического моделирования Multisim была исследована схема, представленная на Рисунке 2. При помощи осциллографов XSC1 и XSC2 контролировались напряжение на конденсаторе C1 (1) напряжение на эквиваленте разрядника S1 (2), осциллограмма тока (3) и сила тока в электрической цепи (PA1). Параллельно эквиваленту разрядника S1 подключался ключ SA1. На управляющий вход аналога разрядника S1 подавались импульсы прямоугольной формы регулируемый частоты и коэффициента заполнения импульсов. Для моделирования был избран идеальный ключ S1 с минимальными потерями на коммутацию.

Моделирование электрических процессов в последовательной RC-цепи с периодически коммутируемым конденсатором.
Рисунок 2. Моделирование электрических процессов в последовательной RC-цепи
с периодически коммутируемым конденсатором.

На Рисунке 3 приведены осциллограммы сигналов, снимаемых в различных точках устройства. Подобная картина была получена при частоте коммутации 1.5 кГц и коэффициенте заполнения импульсов D = 12%.

Осциллограммы напряжения: 1 - на обкладках конденсатора C1; 2 - в точке соединения конденсатора C1 и измерителя тока PA1; 3 - на резисторе R2 (пунктир - огибающая кривая).
Рисунок 3. Осциллограммы напряжения:
1 – на обкладках конденсатора C1;
2 – в точке соединения конденсатора C1 и измерителя тока PA1;
3 – на резисторе R2 (пунктир – огибающая кривая).

Величина электрического тока в цепи помимо осциллографических наблюдений контролировалась измерителем силы переменного тока PA1. Сразу стоит отметить: данный способ измерения не претендует на абсолютную точность ввиду того, что он рассчитан на измерение тока синусоидальные формы. По этой причине показания прибора PA1 лишь косвенным образом отображают реальную величину. Более правильным представляется интегральная оценка силы тока на основании осциллографических измерений. Тем не менее, при замыкании цепи электрического разрядника S1 ключом SA1 сила тока в цепи (синусоидальный ток) составляла всего 47 мкА. При размыкании ключа SA1 ток в цепи возрастал до 630 мкА при частоте коммутации 1.5 кГц и до 1.44 мА при 125…150 Гц, Рисунки 4 и 5, или более чем в 30 раз.

Зависимость тока в цепи коммутатора от частоты коммутации при коэффициенте заполнения импульсов 12%. Локальный минимум отмечается на частоте 100 Гц.
Рисунок 4. Зависимость тока в цепи коммутатора от частоты коммутации
при коэффициенте заполнения импульсов 12%. Локальный минимум
отмечается на частоте 100 Гц.

 
Зависимость тока в цепи коммутатора от коэффициента заполнения импульсов (КЗИ) при частоте коммутации 125 Гц.
Рисунок 5. Зависимость тока в цепи коммутатора от коэффициента
заполнения импульсов (КЗИ) при частоте коммутации 125 Гц.

На Рисунке 6 показан вариант выполнения коммутатора на биполярных транзисторах p n p и n-p-n структуры. Для управления коммутатором использованы прямоугольные импульсы положительной и отрицательной полярности. Такой коммутатор при использовании высоковольтных транзисторов VT1 2N6545 и VT2 2N6423, а также диодов VD1 и VD2 1N4007 может быть использован для работы в электрической сети 230 В 50 Гц.

Вариант коммутатора на биполярных транзисторах.
Рисунок 6. Вариант коммутатора на биполярных транзисторах.

В процессе исследования электрических процессов в последовательный RC-цепи с эквивалентом разрядника было показано, что прирост тока наиболее заметен при существенной разности между величиной активного сопротивления R1 и реактивного сопротивления конденсатора C1. Так, например, с увеличением емкости гасящего конденсатора C1 прирост тока при размыкании ключа SA1 менее заметен.

Для последовательной RC-цепи закон Ома можно записать как:

где

U – напряжение;
I – ток;
R, XC = 1/ωC – активное и емкостное сопротивление элементов цепи;
ω = 2πf – круговая частота;
f – частота электрических колебаний.

При XC >> R формула упрощается: I ~ 2πfCU.

Казалось бы, что при росте частоты коммутации величина тока в цепи должна безгранично возрастать. Априори полагалось, что прирост тока обусловлен снижением реактивного сопротивления гасящего конденсатора с ростом частоты. На деле оказалось, что наибольший эффект увеличения тока в цепи наблюдается при частоте коммутации порядка 120…150 Гц, Рисунки 4 и 5. Причиной этого, по-видимому, является то, что разрядный ток представляет собой сложный переменный набор частот и гармоник варьируемой амплитуды.

Импульсное регулирование эквивалентной емкости гасящего конденсатора при создании малогабаритных дешевых источников сетевого питания позволит резко снизить их массогабаритные показатели. В то же время при использовании таких устройств следует учитывать наличие выраженных импульсных помех, что потребует экранировки источника питания.

Литература

  1. Чернетский А.В. Неизведанный океан энергии. Энергия. 1990. № 6. С. 32–33.
  2. Нетушил А.В., Ермуратский П.В. Энергетический курьез. Энергия. 1990. № 6. С. 34–36.
  3. Шустов М.А. Парадоксы переменного тока. Радiоаматор-Электрик. 2003. № 1. С. 3–5.
  4. Шустов М.А. Основы силовой электроники. СПб.: Наука и Техника, 2017. 336 с.; 2019. 336 с. (Второе изд.).
  5. Шустов М.А. Электронные регуляторы параметров RLC-элементов. Радиолоцман. 2023. № 3–4. С. 10–16.

Материалы по теме

  1. Datasheet Inchange Semiconductor 2N6423
  2. Datasheet Inchange Semiconductor 2N6545
6 предложений от 6 поставщиков
TRANS PNP 300V 2A TO66
Элитан
Россия
2N6423
2 157 ₽
Acme Chip
Весь мир
2N6423
Microchip
по запросу
2N6423/DSI
по запросу
Augswan
Весь мир
2N6423
Microchip
по запросу
Электронные компоненты. Летние скидки и кэшбэк от ТМ Электроникс
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • ----- Казалось бы, что при росте частоты коммутации величина тока в цепи должна безгранично возрастать. "" Да, если конденсатор идеальный, сопротивление нагрузки равняется нулю и внутреннее сопротивление источника питания тоже равняется нулю. На практике, в контактных электросварках и установках индукционного нагрева применяют батареи конденсаторов именно потому что один единственный конденсатор не способен пропустить сквозь себя большой ток. Реального применения такой схемотехники я не вижу, на двух высоковольтных транзисторах делаются полумостовые схемы, схемы Ройера а на одном транзисторе вообще flyback, и все они с гораздо меньшими импульсными помехами. Это как бы демонстрационная схема, что можно ещё и так.
  • А по моему данная схема не даёт выигрыша: как не коммутируй последовательно цепь конденсатора, через него проходит только определённый заряд, интегральный ток за период и в конечная мощность. Единственно, что можно регулировать, так это "ползать" по нелинейной зависимости выходной ток-выходное напряжение, выбирая точку максимальной выходной мощности.
  • Раньше только пытались объяснить да не получалось. А тут Мультисим все четко так разложил. Гениально. Мультисимщику надо бы провести натурный эксперимент. Между реалом и виртуалом все таки есть расхождения.