ทำไม Capacitor ใน Power Supply Filter ของคุณใหญ่เกินไป

Why electrolytic capacitors are actually kinda shitty ? (มิถุนายน 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

ทำไม Capacitor ใน Power Supply Filter ของคุณใหญ่เกินไป


เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า AC-DC ทั้งหมดไม่ว่าจะเป็นอุปกรณ์แบบเส้นตรงหรือมีสวิตชิ่งอุปกรณ์ชนิดอื่น ๆ จำเป็นต้องใช้กลไกในการรับพลังงานที่ต่างกันในด้านไฟฟ้ากระแสสลับและมีกำลังไฟคงที่ที่ด้าน DC โดยปกติตัวเก็บประจุตัวกรองขนาดใหญ่จะถูกใช้เพื่อดูดซับและเก็บพลังงานเมื่อกระแสไฟ AC สูงกว่าที่ DC Load และจ่ายพลังงานให้กับโหลดเมื่อกระแสไฟ AC ต่ำกว่าที่จำเป็น รูปที่ 1 แสดงแผนภาพบล็อกของอินพุตพลังงานและเอาท์พุทกำลังของตัวแปลง AC-DC ทั่วไปที่มีความถี่ของสาย AC ที่ \ (\ omega \) โดยไม่คำนึงถึงเฉพาะของสิ่งที่อยู่ภายในแปลงแปลงแปลงทั้งหมดจะมีกำลังอินพุตที่แตกต่างกันและต้องใช้พลังงานที่คงที่

รูปที่ 1. AC-DC Converter แผนภาพบล็อกที่มีกราฟของ Power In และ Power Out
(หมายเหตุ: ภาพประกอบนี้อนุมานว่าปัจจัยด้านกำลังที่ฝั่ง AC อยู่ที่ 1 ดังนั้นตัวแปลงสัญญาณต้องมีการแก้ไขค่ากำลังไฟฟ้าในตอนท้ายของบทความนี้คุณสามารถดูสมการของแหล่งจ่ายไฟ AC ได้อย่างไร)

พลังงานอินพุตด้าน AC คือ \ (p_ {ac} (t) = P_ {o} + P_ {o} cos (2 \ omega t) \) ในขณะที่กำลังขับทางด้าน DC คือ \ (P_ {o } \) ส่วนพลังงานระลอก (\ (P_ {o} cos (2 \ omega t) \) - ซึ่งเป็นไฮไลต์ในกราฟของแผนภาพ) จะต้องถูกกำจัดโดยตัวกรองในตัวแปลง วิธีที่ใช้กันทั่วไปในการใช้ตัวกรองนี้คือการวางตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ไว้ในรูปที่ 2 วิธีนี้เป็นวิธีที่ง่าย กระบวนการกรอง

รูปที่ 2. ตัวแปลง AC-DC พร้อมตัวกรองตัวเก็บประจุที่เอาท์พุท

ขนาดของตัวกรองเอาต์พุต (เช่นความจุที่ต้องการ) จะถูกกำหนดโดยจำนวนพลังงานที่ต้องประมวลผลโดยระบบ (\ (P_ {o} \)), ความถี่ของแรงดันไฟฟ้า AC (\ (\ omega \) radians ต่อวินาที), แรงดันขาออก (\ (V_ {o} \)) และแรงบิดแรงดันไฟฟ้าสูงสุดถึงขีดสุดอนุญาต (\ (V_ {r} \)) สมการเฉพาะที่เกี่ยวข้องทั้งหมดของปัจจัยเหล่านี้เพื่อความจุคือ:

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

ระบบตัวอย่างที่มีความถี่ 60 Hz ซึ่งเป็นกำลังขับที่ 700W ที่ 390V และมีคลื่นสูงสุด 8V ต้องใช้ความจุ 595uF ถ้าคุณต้องการวัดแรงดันขาออกของระบบนี้จะมีลักษณะคล้ายนี้ (โปรดทราบว่าการกระเพื่อมในรูปนี้มีการพูดเกินจริงเพื่อวัตถุประสงค์ในการอธิบาย):

รูปที่ 3 ตัวอย่างแรงดันขาออกที่มีแรงดันไฟฟ้าระลอก

ตัวเก็บประจุทำหน้าที่ได้โดยการดูดซับพลังงานจากแหล่งจ่ายไฟ AC เมื่อจ่ายไฟ AC ให้เกินกำลังไฟ DC ที่ต้องการและส่งพลังงานกลับไปยังกระแสไฟตรงเมื่อกระแสไฟ AC ที่ให้มาน้อยกว่าความต้องการพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง ปัญหาคือส่วนใหญ่ของพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุไม่ได้ถูกใช้ มันเป็นเพียงจำนวนน้อยของการไหลของพลังงานที่สร้างระลอกแรงดันไฟฟ้าที่เป็นจริงการประมวลผลโดยตัวเก็บประจุ ทั้งหมดที่ไม่ได้ใช้พลังงานที่เก็บไว้จะต้องอยู่ในตัวเก็บประจุ แต่จะได้รับแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุขึ้นไปแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นในการส่งออก มันคล้ายกับการมีถังน้ำ 10, 000 ลิตรที่มีหัวจุกวางห่างจากด้านบนไม่กี่เซนติเมตร: กระบอกจะต้องเต็มไปหมดเพื่อให้ได้น้ำออกและคุณจะได้น้ำออกไปจนกว่าจะต่ำกว่า จุกแล้วคุณจะต้องเติมเงินอีกครั้ง น้ำทั้งหมดที่อยู่ใต้ปลั๊กไม่สามารถใช้งานได้ ในตัวเก็บประจุของตัวเก็บประจุพลังงานทั้งหมดที่เก็บไว้ - ยกเว้นการดูดซับและปล่อยออกมาเล็กน้อยในระลอกแรงดันไฟฟ้า - ไม่สามารถใช้งานได้เช่นเดียวกันเนื่องจากคุณต้องรักษาแรงดันเอาท์พุทเป็นค่าคงที่ให้สูงสุด

ถ้าคุณสามารถออกแบบวงจรที่คุณสามารถควบคุมระลอกพลังงานเพื่อประจุเพื่อให้ตรงกับระลอกไฟด้าน AC ของแปลงและอนุญาตให้แรงดันไฟฟ้าที่จะแกว่งเท่าที่คุณต้องการคุณจะมีตัวกรองที่มีประสิทธิภาพที่จะลดอย่างมีนัยสำคัญ ระลอกคลื่นความถี่คู่ ส่วนที่ดีที่สุดของวงจรนี้ก็คือตัวเก็บประจุจะไม่ต้องเก็บพลังงานเพิ่มขึ้นเพียงเพื่อให้สามารถทำงานได้ แรงดันไฟฟ้ากระแสไฟฟ้าและสัญญาณไปยังตัวเก็บประจุดังกล่าวจะมีลักษณะดังนี้:

รูปที่ 4 รูปคลื่นกระแสไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าไปยังวงจรตัวกรองสมมุติฐาน

การออกแบบวงจรดังกล่าวเป็นไปได้ วิธีหนึ่งที่คุณสามารถสร้างวงจรประเภทนี้คือการเพิ่มการประมวลผลกำลังหรือพอร์ตสตริปที่แยกจากทั้งอินพุต AC และเอาท์พุท DC พอร์ตกระเพื่อมนี้จะต้องมีส่วนประกอบของการจัดเก็บข้อมูล (เช่นตัวเก็บประจุ) และระบบควบคุมเพื่อควบคุมพลังงานให้กับพอร์ต พอร์ตจะต้องจัดเก็บพลังงานเมื่อพลังงาน AC สูงเกินไปและปล่อยพลังงานเมื่อกระแสไฟ AC ต่ำเกินไปดังที่แสดงในรูปที่ 4 แผนผังบล็อกของพอร์ตระลอกจะแสดงด้านล่างในรูปที่ 5 เนื่องจากพอร์ตระลอกถูกแยกออกจากทั้งสอง พอร์ตอินพุตและเอาต์พุตพอร์ตทั้งสองไม่มีข้อ จำกัด เกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าของพอร์ตระลอก ดังที่คุณจะเห็นคุณสามารถลดความจุลงไปที่ค่าต่ำสุดโดยให้ค่าแรงดันสูงสุดไปยังตัวเก็บประจุให้สูงมาก

รูปที่ 5. พอร์ต Ripple ในตัวแปลง AC-DC

การออกแบบพอร์ตระลอกหลายแบบได้รับการตรวจสอบและอธิบายไว้ในหนังสือวิชาการ หนึ่งการออกแบบที่โดดเด่นสำหรับความเรียบง่ายและศักยภาพที่ระบุไว้ในตลาดโลกแห่งความเป็นจริงเนื่องจากสิทธิบัตรได้รับการออกแบบโดย Krein, et al กล่าวถึงที่นี่

ความคิดทั่วไปของการออกแบบคือการที่เราต้องการให้กำลังไฟกระเพื่อมทั้งหมด (\ (P (o) cos (2 \ omega t) \)) จะไหลผ่านไปมาที่ตัวเก็บประจุพอร์ตระลอก เพื่อให้ได้สิ่งนี้เกิดขึ้นเราต้องการสมการกำลังไฟฟ้าระลอกเพื่อให้ตรงกับสมการกำลังของตัวเก็บประจุ สมการกำลังของตัวเก็บประจุในวงจร AC sinusoidal คือ

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

ควรสังเกตว่า \ (\ theta \) หมายถึงการเปลี่ยนเฟสระหว่างแรงดันไฟฟ้าที่ด้าน AC ของระบบและแรงดันไฟฟ้าไปยังตัวเก็บประจุพอร์ตระลอก สมการข้างต้นสามารถทำได้ง่ายขึ้นโดยใช้แคลคูลัสและตรีโกณมิติลงไป

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

เนื่องจากเราต้องการพลังงานทั้งหมดที่กระเพื่อมไป capacitor เราสามารถกำหนดสมการของตัวเก็บประจุให้เท่ากับสมการกำลังกระเพื่อม:

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

สำหรับสองด้านของสมการนี้ให้เท่าเทียมกัน amplitudes จะต้องเหมือนกันและการเปลี่ยนแปลงเฟสจะต้องเหมือนกัน

ขั้นแรกให้ตรวจสอบส่วนความกว้างของสมการข้างต้น เนื่องจากพวกเขาต้องเท่าเทียมกันเราจะได้รับ:

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

สององค์ประกอบที่คุณควบคุมในสมการนี้คือตัวเก็บประจุและแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ตัวเก็บประจุ (\ (V_ {c} \)) ลองกลับไปที่ตัวอย่าง 700W, 390V ที่เราดูก่อนหน้านี้และระบุว่าคุณจะหาแรงดันไฟฟ้าและความจุสูงสุดสำหรับพอร์ตกระเพื่อมได้อย่างไร แรกคุณจะตัดสินใจแรงดันไฟฟ้าสูงสุดสำหรับพอร์ตระลอก ในทางทฤษฎีคุณสามารถเลือกแรงดันไฟฟ้าที่คุณต้องการและแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นลดความจุอาจเป็นได้ แต่เพื่อความปลอดภัยคุณอาจต้องการเลือกสิ่งที่น้อยกว่าหรือเท่ากับแรงดันขาออก ในกรณีนี้เราจะเลือก 300V สำหรับพอร์ต ripple ซึ่งเป็นบิตน้อยกว่าแรงดันขาออก แต่สูงพอที่เราควรจะได้รับการลดลงที่ดีงามของความจุ ถัดไปคุณจะคำนวณความจุที่ต้องการซึ่งจะกรองพลังงานคลื่นที่ 700 วัตต์ การจัดรูปสมการกำลังสูงสุดสำหรับความจุจะช่วยให้:

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

\ v (c) = 300V \) ในสมการข้างต้นจะทำให้เรามีสมรรถนะ 41uF ความจุใหม่นี้จะลดลง 14.5 เท่าเมื่อเทียบกับตัวเก็บประจุในการออกแบบเดิม ถ้าเราใช้ \ (V_ {c} = 390V \) ความจุจะลดลงไปอีก 25uF

เรายังไม่ได้ทำทั้งหมดที่เราได้กำหนดคือแรงดันไฟฟ้าและความจุสูงสุดที่จะใช้ ต่อไปเราจำเป็นต้องกำหนดการเปลี่ยนเฟสของแรงดันไฟฟ้าไปยังตัวเก็บประจุเมื่อเทียบกับแรงดันไฟฟ้าอินพุต AC เพื่อตรวจสอบความแตกต่างของเฟสที่ต้องการตรวจสอบส่วนการเปลี่ยนเฟสของสมการกำลังและตั้งค่าการเปลี่ยนเฟสของด้านระลอกพลังงานของสมการเท่ากับการเปลี่ยนเฟสของด้านพลังงานตัวเก็บประจุของสมการ:

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

ด้วยตรีโกณมิติง่ายๆบางสมการนี้สามารถแก้ได้สำหรับ \ (\ theta \):

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

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

สุดท้ายถ้าคุณแก้ \ (\ theta \) ซึ่งเป็นอีกช่วงของความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย AC กับแรงดันของพอร์ตระลอกคุณจะได้รับ

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

วางชิ้นส่วนความกว้างและชิ้นส่วนการเปลี่ยนเฟสร่วมกันบรรทัดล่างคือถ้าคุณควบคุมแรงดันไฟฟ้าไปยังพอร์ตระลอกที่จะ

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

จากนั้นพอร์ตระลอกจะดูดซับความถี่คลื่นความถี่คู่ระลอกในระบบ

ในตัวอย่างของเรา 700W, 390V ระบบนี้หมายความว่าเราจะต้องควบคุมแรงดันไฟฟ้าไปยังพอร์ตระลอก (ที่กำลังไฟสูงสุด) จะเป็น:

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

นี้อาจดูเหมือนว่าการทำงานมากพิจารณาว่าทางเลือกคือการโยนใน capacitor electrolytic ใหญ่ ปัญหาคือตัวเก็บประจุไฟฟ้ามีอายุขัยสั้น โดยปกติแล้วพวกเขามีอายุขัยสั้นกว่าส่วนประกอบอื่น ๆ ในระบบอิเล็กทรอนิกส์ดังนั้นในระบบที่ต้องใช้อายุขัยนานหลายสิบปีหรือมากกว่านี้ตัวเก็บประจุไฟฟ้าจึงไม่ใช่ทางออกที่ดี ตัวเก็บประจุฟิล์มมีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า แต่น่าเสียดายที่มีราคาแพงกว่า electrolytics สำหรับความจุเดียวกัน ตัวอย่างเช่นการค้นหาแคตตาล็อกอิเล็กทรอนิกส์แบบออนไลน์อย่างรวดเร็วแสดงให้เห็นว่าตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ 600uF 600 โวลต์มีค่าประมาณ 20 เหรียญในขณะที่ตัวเก็บประจุฟิล์มที่มีการจัดเรตเดียวกันเท่ากับ 200 ดอลลาร์ ระบบที่ใช้พอร์ตสตริปนี้จะสามารถใช้ตัวเก็บประจุฟิล์มได้อย่างมีประสิทธิภาพแทนการใช้ไฟฟ้าเนื่องจากความต้องการในการเก็บประจุจะลดลงอย่างมาก แน่นอนก่อนที่จะใช้ระบบนี้การวิเคราะห์ต้นทุนของระบบควบคุมสำหรับพอร์ตระลอกจะต้องมีการเปรียบเทียบกับต้นทุนของการใช้ตัวเก็บประจุฟิล์มขนาดใหญ่ (และแพง)

ในฐานะที่เป็นโน้ตสุดท้ายระบบชนิดเดียวกันนี้สามารถใช้กับอินเวอร์เตอร์ได้เมื่อคุณต้องการสร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ปัญหาเกี่ยวกับความน่าเชื่อถือของตัวเก็บประจุไฟฟ้าเป็นเรื่องสำคัญสำหรับแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีอินเวอร์เตอร์ขนาดเล็กเนื่องจากตัวแปลงไฟขนาดเล็กเหล่านี้ต้องได้รับการรับประกันเป็นเวลา 20-25 ปี ช่วงเวลาดังกล่าวยาวนานกว่าอายุการใช้งานที่คาดไว้ของตัวเก็บประจุไฟฟ้าภายใต้เงื่อนไขใด ๆ

การกำหนดสมการกำลังไฟฟ้ากระแสสลับ

โปรดทราบว่าแหล่งที่มานี้อนุมานว่าปัจจัยกำลังเป็น 1 (เช่นแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าอยู่ในเฟสต่อกัน)

\ (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) \) โดยที่ \ (P_ {o} = \ frac {V_ {ac} I_ {ac}} {2} \)