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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Unidades de transformador com capacitor de lastro
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de alimentação Fontes de alimentação com capacitor de reator e transformador de isolamento ganharam popularidade entre os rádios amadores devido às suas pequenas dimensões e ao fato de não estarem galvanicamente conectadas à rede. Porém, no desenvolvimento de tais dispositivos, é necessário levar em consideração uma série de fatores para eliminar situações de emergência, em que não só a fonte de energia, mas também a carga podem falhar. O autor do artigo, resumindo a experiência de criação de tais dispositivos, recomenda o que você deve prestar atenção ao projetá-los e instalá-los. Na prática de rádio amador, fontes com capacitor de lastro e transformador de isolamento têm sido amplamente utilizadas [1-6]. Esta solução permite projetar fontes de alimentação de pequeno porte. Vamos considerar algumas questões de projeto de tais dispositivos usando o exemplo de uma fonte de energia de baixa potência descrita em [1] (veja a figura). O transformador T1 desempenha a função de um transformador de isolamento. Opera com baixa tensão de entrada e saída. Seu design é muito simples. O capacitor C1 é um capacitor de lastro e o resistor R2 limita o pulso de corrente quando ligado. A tensão no enrolamento primário do transformador é limitada pelos diodos zener VD1 e VD2. No circuito oscilatório, composto pelo capacitor C1, a indutância do enrolamento primário do transformador L e a resistência de carga RH reduzida ao enrolamento primário, é possível a ressonância, o que pode levar à falha da fonte de alimentação. Suponhamos que em uma fonte carregada a tensão no enrolamento primário seja de 20 V (caso típico). Isto significa que a resistência de carga RH reduzida ao enrolamento primário é aproximadamente 10 vezes menor que a capacitância |XC1| capacitor C1 e forma um divisor de tensão com ele 10:1 (aproximadamente), ou seja, |XC1|=10UR. Com um transformador corretamente projetado, a reatância indutiva do enrolamento primário |XL| deve ser aproximadamente 10 vezes maior que a resistência da carga RH reduzida ao enrolamento primário, pois o fator de qualidade do circuito mencionado é extremamente baixo, não podendo haver ressonância. Uma situação completamente diferente ocorre quando a carga está desligada (em marcha lenta). Se as relações acima |ХC1|=10RH e |XL|=10RH forem satisfeitas, então |XC1|=|XL| e a ressonância ocorre. Se uma tensão de 1...2 V for aplicada à entrada em vez da tensão da rede, então no enrolamento primário de um transformador sem carga ela aumentará 10 vezes ou mais devido à ressonância; o fator de qualidade do circuito resultante é bastante grande, mas quando a tensão da rede for aplicada, esse aumento não ocorrerá. Com o aumento da tensão no enrolamento acima do nominal (20 V), o circuito magnético do transformador entra em saturação, sua indutância diminui e o circuito deixa de estar sintonizado em ressonância. Entretanto, se o transformador for projetado com uma boa margem para a tensão de entrada permitida, o aumento pode ser bastante significativo. Isso causará um aumento na tensão no capacitor C1 em relação à operação no modo nominal, e se o capacitor for selecionado sem reserva, poderá ocorrer uma quebra. Outras consequências igualmente graves são possíveis. Portanto, como para uma fonte de alimentação sem transformador com capacitor de reator, a operação sem carga nominal é inaceitável. A solução usual é conectar um diodo zener à saída da fonte ou dois diodos zener costas com costas (ou um simétrico) ao enrolamento primário (veja a figura).
É assim que o problema é resolvido para fontes de alimentação de potência relativamente baixa. Para dispositivos potentes semelhantes (carregadores para baterias de automóveis são muito simples [2-4]), tais medidas não são suficientes. Aqui você pode conectar um análogo de um dinistor simétrico em paralelo ao enrolamento primário ou secundário [7, Fig. 5, a] ou fornecer proteção de relé contra modo inativo [3]. Atenção especial deve ser dada à seleção de um capacitor de lastro com base na tensão nominal. Esta é a tensão mais alta entre as placas do capacitor na qual ele é capaz de operar de forma confiável e por muito tempo. A maioria dos tipos é regulada por uma tensão CC nominal. A tensão CA permitida é sempre menor que a tensão nominal, com exceção dos capacitores de papel metálico MBGCH, K42-19, polipropileno K78-4 e tereftalato de polietileno K73-17 para tensões nominais de até 250 V inclusive, para os quais esses parâmetros são igual. Portanto, na hora de escolher o tipo e a tensão nominal, deve-se utilizar um livro de referência sobre capacitores elétricos e lembrar que o cálculo é feito para o valor da amplitude da tensão alternada. No momento em que a fonte de alimentação é conectada (ou desconectada) à rede, ocorre um processo transitório em seus circuitos, que após algum tempo é substituído por um estado estacionário. Sem entrar nos fundamentos teóricos dos processos transitórios, notamos duas leis de comutação: 1. A corrente no indutor (dispositivo com reatância indutiva) não pode mudar abruptamente, ou, caso contrário, a corrente após a comutação terá o mesmo valor que tinha no momento imediatamente anterior à comutação. 2. A tensão no capacitor não pode mudar abruptamente ou, caso contrário, a tensão após a comutação terá o mesmo valor que imediatamente antes da comutação. Quando a fonte de alimentação está conectada à rede, o capacitor ainda não está carregado e a queda de tensão nele é zero. A corrente na indutância não pode ocorrer instantaneamente, então a tensão no resistor é zero e a tensão da rede é completamente aplicada ao enrolamento primário do transformador, que é projetado para um valor significativamente menor. É quando ligado que existe um alto risco de quebra entre espiras e desaparece a vantagem na simplicidade de projeto de um transformador com enrolamento volumétrico, razão pela qual ganhou grande popularidade entre os rádios amadores. É especialmente perigoso conectar a fonte de alimentação a uma rede na qual naquele momento haja uma amplitude ou tensão próxima a ela. A tarefa de limitar a tensão no enrolamento primário no momento da conexão torna-se urgente. Um resistor limitador de corrente não ajuda em tal situação. Isto obriga-nos a procurar outra solução que nos permita evitar a possibilidade de avaria entre espiras no transformador e proteger os elementos da fonte de alimentação de tensões aumentadas dezenas de vezes. Um limitador de tensão em dois diodos zener de contra-série conectados em paralelo ao enrolamento primário (veja a figura) permite resolver este problema. Para cada meio ciclo, o limitador funciona como um estabilizador paramétrico de tensão no enrolamento primário do transformador. A função de reator é executada principalmente pelo resistor limitador de corrente R2. O resistor deve ser projetado para corrente de sobrecarga de curto prazo, e os diodos zener, via de regra, fornecem isso. Se no modo nominal os diodos zener abrem e funcionam como estabilizadores, pode ocorrer diferença nas amplitudes dos pulsos de corrente retificada das meias ondas positivas e negativas. Este efeito é explicado pelo fato de que as meias ondas positivas são estabilizadas por um diodo zener e as meias ondas negativas por outro. Sabe-se que a tensão de estabilização de duas cópias de diodos zener, mesmo do mesmo lote, pode diferir significativamente. Isso cria um componente adicional de ondulação na frequência de 50 Hz, que é mais difícil de suprimir com um filtro anti-aliasing do que com um filtro de 100 Hz. Para reduzir o componente adicional de ondulação resultante de diferenças na tensão de estabilização, pode ser recomendado, em vez de conectar dois diodos zener em uma série consecutiva, incluir um diodo zener na diagonal da ponte de diodos paralelo ao Primeira frase. Isso manterá a confiabilidade da fonte de alimentação. Se não houver requisitos aumentados para a estabilidade da tensão de saída, podemos recomendar uma seleção de diodos zener com uma tensão de estabilização mínima de 1...3 V maior que a tensão de amplitude máxima no enrolamento primário em estado estacionário. Neste caso, o estabilizador paramétrico desempenhará as funções de limitador de tensão apenas no momento de ligar e em marcha lenta. E depois que a fonte de alimentação atinge um estado estacionário, ela desliga automaticamente, aumentando significativamente a eficiência da unidade. Literatura
Autor: B.Sadovskov, Chelyabinsk
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