Данная статья - дополнение к нашей статье о встречно-последовательном соединении 2 полярных электролитических конденсаторов с целью образования одного неполярного.
В дополнении рассмотрим каждую из 3 приведенных схем встречно-последовательного соединения, снимем характеристики 2 из них, и придем к некоторым выводам.
Схемы таковы, мы их приводили в предыдущей статье.
Соединим по схемам а (без шунтирующих диодов) и б (с шунтирующими диодами Д209) два электролитических конденсатора К50-6 500 мкФ 50 В и снимем характеристику тока через них в зависимости от приложенного переменного напряжения.
Экспериментальные точки по схеме а - голубые, по схеме б - зеленые. Средствами MS Excel проведены линии линейного тренда, соответствующего точкам цвета. По приведенным на графике уравнениям можно найти обратные зависимости, напряжения V (в вольтах) от тока I (в амперах).
Для схемы а: V = 2,46 + 10,06*I
Для схемы б: V = 2,47 + 9,80*I
Рассмотрим эквивалентную схему (или схему замещения) электролитического конденсатора. Полная схема такова (рисунок г ниже). Ls - эквивалентная последовательная индуктивность (чем больше эта индуктивность, тем хуже работает конденсатор на высоких частотах), Rs - сопротивление диэлектрика и корпуса между обкладками конденсатора (чем меньше это сопротивление, тем больше ток утечки через конденсатор), Rp - эквивалентное последовательное сопротивление (ухудшает характеристики конденсатора), а D - стабилитрон с некоторым рабочим напряжением, равным напряжению отсечки электролитического конденсатора, включенного противополярно.
Дело в том, что в электролитическом конденсаторе диод присутствует физически, он образован металлами и оксидами, применяемыми для пластин и диэлектрика. Из электролитических конденсаторов можно даже собрать все известные схемы выпрямителей, однополупериодных и двухполупериодных.
Особо этот совет пригодится выживальщикам - вдруг такая схема позволит зарядить мобильник или аккумулятор радиостанции и спасти себе и товарищам жизнь, если под рукой окажется лишь генератор переменного тока при отсутствии зарядного устройства или диодов для сборки такового.
P.S. Такая статья написана.
Из приведенных выше уравнений можно судить, что напряжение отсечки испытываемых конденсаторов равно примерно 2,5 В, а реактивное сопротивление конденсатора на частоте сети 50 Гц составляет порядка Xc = 9,8 Ом (по причинам, излагаемым ниже, берем значение коэффициента при токе для схемы б).
Находим электрическую емкость конденсатора по формуле
где f = 50 Гц - частота сети.
В предыдущей статье мы пояснили, отчего емкость результирующего неполярного конденсатора равна половине емкости каждого из полярных конденсаторов. Конденсаторы применены емкостью 500 мкФ, можно рассчитывать на емкость результирующего конденсатора в 500/2 = 250 мкФ. По факту вышло больше на 30%. Но допуск на емкость конденсаторов подобного типа (—20 + 80)%; все в пределах допуска.
Схему для низких частот и при небольшой утечке через конденсатор можно упростить, убрав последовательную индуктивность и параллельный резистор (рисунок д выше).
Влияние последовательного сопротивления Rs, вызывающего потери в конденсаторе и его нагрев, можно устранить, зашунтировав электролитический конденсатор полупроводниковым диодом, в итоге эквивалентная схема преобразуется к схеме рисунка е. Прямое падение напряжения на дополнительных диодах, подключенных параллельно электролитическим конденсаторам, устраняет влияние сопротивления Rs неработающего в данный полупериод конденсатора, что и снижает потери в схеме и нагрев конденсаторов.
Влияние сопротивления Rs работающего в данном полупериоде конденсатора, разумеется, устранить нельзя.
Из графика, несмотря на некоторый разброс точек, вызванный процессом измерения, явствует, особенно после проведения линий тренда, где погрешности частично взаимно компнсируются, что схема с конденсаторами обеспечивает больший ток через результирующий конденсатор, что и объясняется исключением из схемы сопротивления Rs неработающего в данном полупериоде конденсатора.
Для схемы с диодами полное сопротивление результирующего конденсатора равно 9,80 Ом, для схемы без диодов 10,06 Ом. Поскольку сопротивление конденсатора реактивное, а Rs активное, нельзя для нахождения Rs вычесть 9,80 из 10,06 - напряжения на последовательно включенных конденсаторе и активном сопротивлении изменяются со сдвигом по фазе на 90°, и придется воспользоваться теоремой Пифагора с возведением в квадрат и извлечением квадратного корня:
"Паразитное" сопротивление Rs в данном случае можно считать равным 2,3 Ома. Включением диодов по схеме б мы устраняем влияние этого сопротивления. Но диоды работают в импульсном режиме, и для облегчения их работы применяется схема в. Она промежуточная между схемами а и б по всем характеристикам, как по току через диоды, так и по потерям. Чем меньше схемное сопротивление R, тем характеристики схемы (в) с сопротивлением ближе к характеристикам схемы (б) без сопротивления; чем больше сопротивление, тем характеристики ближе к схеме (а) без диодов.
Сопротивление R, равное 2-2,5 Омам, т.е. близкое к значению Rs, окажется разумным компромиссом. В практических рекомендациях нам встречалось рекомендованное значение 5 Ом, что, очевидно, оптимально для схем с более высоким напряжением и/или меньшими токами, чем исследованная нами. Обычно схемы запуска маломощных асинхронных электродвигателей от однофазной сети для бытовых целей (электроточило, водяной насос) таковыми и являются.