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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Begrenzung des Ladestroms des Kondensators des Netzgleichrichters SMPS
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Ladegeräte, Batterien, galvanische Zellen Eines der wichtigen Probleme bei Netzwerk-Schaltnetzteilen ist die Begrenzung des Ladestroms eines Glättungskondensators mit großer Kapazität, der am Ausgang des Netzwerkgleichrichters installiert ist. Sein Maximalwert, der durch den Widerstand des Ladekreises bestimmt wird, ist für jedes einzelne Gerät festgelegt, ist jedoch in allen Fällen sehr wichtig, was nicht nur zum Durchbrennen von Sicherungen, sondern auch zum Ausfall von Elementen des Eingangskreises führen kann. Der Autor des Artikels bietet eine einfache Möglichkeit, dieses Problem zu lösen. Der Lösung des Problems der Einschaltstrombegrenzung sind zahlreiche Arbeiten gewidmet, in denen sogenannte „weiche“ Schaltgeräte beschrieben werden [1 - 3]. Eine der weit verbreiteten Methoden ist die Verwendung einer Ladeschaltung mit nichtlinearer Kennlinie. Typischerweise wird der Kondensator über einen strombegrenzenden Widerstand auf Betriebsspannung aufgeladen und dieser Widerstand dann mit einem elektronischen Schlüssel geschlossen. Das einfachste Gerät dieser Art erhält man mit einem Thyristor [4]. Die Abbildung zeigt eine typische Schaltung des Eingangsknotens eines Schaltnetzteils. Der Zweck von Elementen, die nicht direkt mit dem vorgeschlagenen Gerät zusammenhängen (Eingangsfilter, Netzgleichrichter), wird im Artikel nicht beschrieben, da dieser Teil standardmäßig hergestellt wird [5].
Der Glättungskondensator C7 wird vom Netzgleichrichter VD1 über den Strombegrenzungswiderstand R2 geladen, parallel zu dem der Thyristor VS1 geschaltet ist. Der Widerstand muss zwei Anforderungen erfüllen: Erstens muss sein Widerstandswert ausreichend sein, damit der Strom durch die Sicherung während des Ladevorgangs nicht zu deren Durchbrennen führt, und zweitens muss die Verlustleistung des Widerstands so bemessen sein, dass er vor dem vollständigen Laden nicht ausfällt Kondensator C7. Die erste Bedingung wird durch einen Widerstand mit einem Widerstandswert von 150 Ohm erfüllt. Der maximale Ladestrom beträgt in diesem Fall etwa 2 A. Es wurde experimentell festgestellt, dass zwei parallel geschaltete Widerstände mit einem Widerstand von 300 Ohm und einer Leistung von jeweils 2 W die zweite Anforderung erfüllen. Die Kapazität des Kondensators C7 660 μF wurde unter der Bedingung ausgewählt, dass die Amplitude der gleichgerichteten Spannungspulsationen bei einer maximalen Lastleistung von 200 W 10 V nicht überschreiten sollte. Die Werte der Elemente C6 und R3 werden wie folgt berechnet. Der Kondensator C7 wird in der Zeit t=2R95·C3=2·7·3·150-660 -10 s fast vollständig über den Widerstand R6 aufgeladen (0,3 % der maximalen Spannung). In diesem Moment sollte der Thyristor VS1 öffnen. Der Thyristor schaltet ein, wenn die Spannung an seiner Steuerelektrode 1 V erreicht, was bedeutet, dass sich der Kondensator C6 in 0,3 s auf diesen Wert aufladen muss. Genau genommen wächst die Spannung am Kondensator nichtlinear, aber da der Wert von 1 V etwa 0,3 % des maximal möglichen Werts (ungefähr 310 V) beträgt, kann dieser Anfangsabschnitt als nahezu linear betrachtet werden, daher wird die Kapazität des Kondensators C6 mit berechnet eine einfache Formel: C = Q /U, wobei Q=l·t – Kondensatorladung; I - Ladestrom. Bestimmen wir den Ladestrom. Er sollte etwas größer sein als der Steuerelektrodenstrom, bei dem der Thyristor VS1 einschaltet. Wir wählen den Thyristor KU202R1, ähnlich dem bekannten KU202N, jedoch mit geringerem Einschaltstrom. Dieser Parameter lag in einer Charge von 20 SCRs zwischen 1,5 und 11 mA, und bei der überwiegenden Mehrheit überschritt sein Wert 5 mA nicht. Für weitere Experimente wurde ein Gerät mit einem Schaltstrom von 3 mA ausgewählt. Wir wählen den Widerstandswert des Widerstands R3 gleich 45 kOhm. Dann beträgt der Ladestrom des Kondensators C6 310 V/45 kOhm = 6,9 mA, was 2,3-mal größer ist als der Einschaltstrom des Thyristors. Berechnen wir die Kapazität des Kondensators C6: C=6,9·10-3·0,3/1-2000 µF. Das Netzteil verwendet einen kleineren Kondensator mit einer Kapazität von 1000 μF für eine Spannung von 10 V. Die Ladezeit wurde halbiert, auf etwa 0,15 s. Ich musste die Zeitkonstante der Ladeschaltung für Kondensator C7 reduzieren – der Widerstandswert von Widerstand R2 wurde auf 65 Ohm reduziert. In diesem Fall beträgt der maximale Ladestrom im Moment des Einschaltens 310 V/65 Ohm = 4,8 A, nach einer Zeit von 0,15 s sinkt der Strom jedoch auf ca. 0,2 A ab. Es ist bekannt, dass eine Sicherung eine erhebliche Trägheit aufweist und kurze Impulse, die ihren Nennstrom weit übersteigen, ohne Schaden durchlassen kann. In unserem Fall liegt der Mittelwert über eine Zeit von 0,15 s bei 2,2 A und die Sicherung verträgt dies „schmerzlos“. Auch zwei parallel geschaltete Widerstände mit einem Widerstand von 130 Ohm und einer Leistung von jeweils 2 W halten einer solchen Belastung stand. Während der Ladezeit des Kondensators C6 auf eine Spannung von 1 V (0,15 s) wird der Kondensator C7 auf 97 % des Maximums aufgeladen. Somit sind alle Voraussetzungen für einen sicheren Betrieb erfüllt. Der Langzeitbetrieb eines Schaltnetzteils hat eine hohe Zuverlässigkeit des beschriebenen Geräts gezeigt. Es ist zu beachten, dass sich ein allmählicher Spannungsanstieg am Glättungskondensator C0,15 über 7 s positiv auf den Betrieb sowohl des Spannungswandlers als auch der Last auswirkt. Der Widerstand R1 dient zur schnellen Entladung des Kondensators C6, wenn die Stromversorgung vom Netz getrennt wird. Ohne sie würde die Entladung dieses Kondensators viel länger dauern. Wenn Sie in diesem Fall die Stromversorgung nach dem Ausschalten schnell wieder einschalten, kann es sein, dass der Thyristor VS1 noch offen ist und die Sicherung durchbrennt. Der Widerstand R3 besteht aus drei in Reihe geschalteten Widerständen mit einem Widerstand von jeweils 15 kOhm und einer Leistung von 1 W. Sie verbrauchen etwa 2 W Leistung. Der Widerstand R2 besteht aus zwei parallel geschalteten MLT-2 mit einem Widerstand von 130 Ohm, und der Kondensator C7 besteht aus zwei parallel geschalteten Kondensatoren mit einer Kapazität von 330 μF für eine Nennspannung von 350 V. Schalter SA1 - Kippschalter T2 oder Druckschalter PkN41-1. Letzteres ist vorzuziehen, da Sie damit beide Leiter vom Netzwerk trennen können. Der Thyristor KU202R1 ist mit einem Aluminiumkühlkörper mit den Abmessungen 15x15x1 mm ausgestattet. Literatur
Autor: M. Dorofeev, Moskau
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