Как правильно подобрать фильтрующие конденсаторы в конструкции импульсного блока питания?
Конденсаторы фильтра играют очень важную роль в импульсных источниках питания. Как правильно подобрать фильтрующие конденсаторы, особенно выбор выходных фильтрующих конденсаторов, — проблема, которая очень волнует каждого инженера и техника. Мы можем видеть множество конденсаторов в цепи фильтра питания, 100 мкФ, 10 мкФ, 100 нФ, 10 нФ с разными значениями емкости, так как же определяются эти параметры? Не говорите мне, что я скопировал чужую схему, а.
Обычный электролитический конденсатор, используемый в цепи промышленной частоты 50 Гц, имеет частоту пульсирующего напряжения всего 100 Гц, а время зарядки и разрядки составляет порядка миллисекунд. Для получения меньшего коэффициента пульсации необходимая емкость достигает сотен тысяч мкФ, поэтому целью обычных низкочастотных алюминиевых электролитических конденсаторов является увеличение емкости. Основные параметры плюсы и минусы. Электролитический конденсатор выходного фильтра в импульсном блоке питания имеет частоту пилообразного напряжения, достигающую десятков кГц или даже десятков МГц. В настоящее время емкость не является его основным показателем. Эталоном измерения качества высокочастотных алюминиевых электролитических конденсаторов является характеристика «импеданс-частота», требует меньшего эквивалентного импеданса в пределах рабочей частоты импульсного источника питания, и в то же время обладает хорошим фильтрующим эффектом на высокочастотных сигнал скачка частоты, генерируемый при работе полупроводникового устройства.
Обычные низкочастотные электролитические конденсаторы начинают показывать индуктивность около 10кГц, что не может удовлетворить требованиям импульсных блоков питания. Высокочастотные алюминиевые электролитические конденсаторы, предназначенные для импульсных источников питания, имеют четыре вывода. Ток течет от одного положительного вывода четырехвыводного конденсатора, проходит через внутреннюю часть конденсатора, а затем течет от другого положительного вывода к нагрузке; ток, возвращающийся от нагрузки, также течет от одного отрицательного конца конденсатора, а затем течет от другого отрицательного вывода к отрицательному концу источника питания.
Поскольку четырехвыводной конденсатор обладает хорошими высокочастотными характеристиками, он представляет собой чрезвычайно выгодное средство для уменьшения пульсирующей составляющей напряжения и подавления коммутационного пикового шума. Высокочастотные алюминиевые электролитические конденсаторы также имеют многожильный вид, то есть алюминиевая фольга разделена на несколько более коротких участков, а несколько выводных листов соединены параллельно для уменьшения импедансной составляющей в емкостном реактивном сопротивлении. А в качестве выводной клеммы используется материал с низким удельным сопротивлением, что улучшает способность конденсатора выдерживать большие токи.
Цифровая схема должна работать стабильно и надежно, питание должно быть «чистым», а подача энергии — своевременной, то есть фильтрация и развязка должны быть хорошими. Что такое развязка фильтра, проще говоря, он запасает энергию, когда микросхеме не нужен ток, и я могу пополнять энергию в то время, когда нужен ток. Не подскажете, что эта ответственность не входит в обязанности DCDC и LDO? Да, на низких частотах они справятся, но с высокоскоростными цифровыми системами дело обстоит иначе.
Сначала рассмотрим конденсатор. Функция конденсатора заключается в простом накоплении заряда. Все мы знаем, что в блок питания нужно добавить конденсаторную фильтрацию, а на вывод питания каждой микросхемы поставить конденсатор >.1uF для развязки и т.д. Почему я вижу, что Емкость конденсатора рядом с выводом питания некоторых микросхем платы составляет 0.1 мкФ или 0,01 мкФ. Да, это имеет значение? Чтобы это понять, необходимо разобраться в реальных характеристиках конденсаторов. Идеальный конденсатор — это просто накопитель заряда C. Однако реально изготовленный конденсатор не так прост. При анализе целостности питания мы обычно используем модель конденсатора.
Как правильно подобрать фильтрующие конденсаторы в конструкции импульсного блока питания?
ESR — это последовательное эквивалентное сопротивление конденсатора, ESL — это последовательная эквивалентная индуктивность конденсатора, а C — реальный идеальный конденсатор. ESR и ESL определяются процессом изготовления и материалом конденсатора и не могут быть устранены. Какое влияние эти две вещи оказывают на схему? ESR влияет на пульсации источника питания, а ESL влияет на частотную характеристику фильтра конденсатора.
Мы знаем, что емкостное сопротивление конденсатора Zc=1/ωC, индуктивное сопротивление катушки индуктивности Zl=ωL, (ω=2πf), комплексное сопротивление реального конденсатора равно Z=ESR плюс jωL-1/jωC=ESR плюс j2πf L-1/j2πf C. Можно видеть, что при очень низкой частоте емкость играет роль, и когда частота достигает определенного уровня, роль индуктивности нельзя игнорировать, и когда частота высока, индуктивность играет ведущую роль. Конденсаторы теряют фильтрующий эффект. Так что помните, конденсаторы — это не просто конденсаторы на высоких частотах.
Как упоминалось выше, эквивалентная последовательная индуктивность конденсатора определяется процессом изготовления и материалом конденсатора. ESL реального керамического конденсатора микросхемы колеблется от нескольких десятых долей нГн до нескольких нГн. Чем меньше пакет, тем меньше ESL.
На кривой фильтра конденсатора мы также видим, что он не плоский, он похож на букву «V», что означает, что он имеет характеристики выбора частоты. Иногда вы хотите, чтобы он был как можно более резким (отфильтрованным или режет). На эту характеристику влияет добротность Q конденсатора, Q>/ωCESR. Чем больше ESR, тем меньше добротность и тем более пологая кривая. Наоборот, чем меньше ESR, тем больше Q и тем острее кривая. Как правило, танталовые конденсаторы и алюминиевые электролизеры имеют относительно небольшой ESL и большой ESR, поэтому танталовые конденсаторы и алюминиевые электролизеры имеют широкий эффективный диапазон частот, что очень подходит для предварительной фильтрации на уровне платы. То есть входной каскад DCDC или LDO часто фильтруется танталовым конденсатором большей емкости. И поместите несколько конденсаторов 10 мкФ и 0,1 мкФ рядом с чипом для развязки, керамические конденсаторы имеют очень низкое ESR.
Конденсаторы в БП?
Я не буду уподобляться авторам таких постов (что-то последнее время на хабре стало модно писать о том как перепаять конденсатор) и не стану писать топик о том, как я, перепаяв пару конденсаторов и запаяв пару контактов оживил компьютерный БП.
В общем, было в БП 2 вздувшихся конденсатора 10В x 1000мкФ. Под рукой не оказалось таких же и я впаял на их место 16В x 1000мкФ и 25В x 1000мкФ (уж что было, то и впаял). Здравый смысл подсказывает, что ничего страшного не случится и всё будет работать хорошо, однако информация в интернете по этому поводу разнится. Хотелось бы спросить у опытных и умных хабрапользователей, чем чревата такая замена?
И еще вопрос. Блок питания заработал и чувствует себя хорошо, но выходные напряжения немного высоковаты (12.28 и 5.13), но стабильны — просадок и скачков не наблюдается. Нагрузка — мат. плата miniITX и жесткий диск. Насколько это опасно для комплектующих?
- Вопрос задан более трёх лет назад
- 62809 просмотров
Комментировать
Решения вопроса 1
Программист+Инженер-электронщик
По поводу напряжений: по спецификации допуски +5 и +12 В ±5%, то есть максимум — 5.25 и 12.6 В, у вас всё в порядке.
Ответ написан более трёх лет назад
Нравится 9 1 комментарий
Николай Васильчук @Anonym Автор вопроса
Большое спасибо. Коротко и по делу, все бы так отвечали.
Ответы на вопрос 5
Напряжение написанное на конденсаторе показывает по сути его запас прочности. Подадите более высокое — его пробьет. Вы просто увеличили «запас прочности» конденсаторам, и ничего более. Если погуглите на тему блоков питания — ставить конденсаторы с запасом по напряжению рекомендуют практически все, единственное ограничение здесь — запас лучше делать разумным, т.к. конденсаторы бОльшего вольтажа, как правило, крупнее и дороже.
По поводу увеличения емкости — совет верен в отношении фильтров блоков питания, но не в остальных случаях (скажем, если вы значительно измените емкость конденсатора в кроссовере колонок, вы измените частоты среза и вероятно подпортите звук). В традиционных трансформаторных блоках питания (с импульсными не знаком) конденсатор гасит пульсации, там с увеличением емкости увеличивается и подавление пульсаций, но при этом на старте значительно возрастает ток первичной зарядки конденсатора.
Какие конденсаторы выбрать для блока питания усилителя?
Подскажите, чем можно заменить BHC Aerovox (10 000 мкФ, 63 В) в блоке питания усилителя? Перечитал кучу статей: действительно, сколько людей — столько и мнений. Хотелось бы тут ещё спросить. Mundorf в Аудиомании «золотым» выходит. Да и отзывы о них не лестные. Nichicon есть таким номиналом, Elna (но с приставкой For — смущает). Более не знаю, что ставить (только на советуйте Rifa), и проблемно найти на наших просторах ещё что-либо. Подскажите, кто в теме.
Ответы
10т.мкФ как бы мало. Или вы их по несколько шт. в параллель будете? Я в выборы конденсаторов исходил от класса/бюджета усилителя. Иногда нет смысла ставить очень дорогие. Поэтому для совета очень мало информации. Какое рабочее напряжение, куда будете ставить, какая цель?
Ус. Аркам .BHC Aerovox (10 000 мкФ, 63 В)—родные.С
Я и не претендую на особо дорогие(зачем?усилок средненький) ,но и гуано не нужно.
Выбирать по даташиту, ESR и riple, ESR меньше, riple больше.
Меня собственно более производитель интересовал
Nippon Cemi-con, SMH series.
Конденсаторы вышли из строя? Пока не могу понять цель. Я бы комплексно рассматривал вопрос по питанию: усиление дорожек, добавление ёмкостей (или замена на большие), шунтирование диодного моста, замена терминалов для акустики .
Есть подозрения на кондер правого канала.Уж больно у него «шляпа» выпирает ,ну и звук размытый в нем что-ли.Да и время их менять давно пришло.Выпаивать,чтобы замерить ёмкости -нет желания.Вот и хочу заменить.Усилку -то уж под двадцатник—пора.
Конденсаторы общие для обоих каналов. Обычно они живут долго. На мой взгляд, емкости маловато, но и места для увеличения нет.
В точку. Полностью согласен.
Добавлю. Искать service manual. Посмотреть, что сделано с питанием, где какие фильтры по питанию, конденсаторы, замерить. пульсации, просадки. По фото трудно гадать.
Ставьте JAMICON, и не заморачивайтесь.
Обычно эти конденсаторы долго держатся. Да и вообще Аркам уж откровенную шляпу не ставит. А то что звук размытый-это скорей всего сам усилитель их мылит. Есть мнение что усилительный тракт должен быть минимальным, а тут столько всего-поди разберись что гадит звук?
У самого был Arcam Alpha 7. Имхо, распиаренная фирма. В реалиях звучит всё далеко не так как в Мурзилках. Потом его обменял на стереоресивер NAD 712-тот и то прозрачнее звучал при всем его мутном звуке.
Ну вот о чём речь. Я писал про звук в одном канале. И ещё.Как долго по вашему служат электролиты? В среднем 6000 ч пробег.С учетом возраста усилителя. Аркам 7 . это вообще бюджетка.а тут все же усилок за 1600 бакинских и звук вполне нейтральный,что меня радует.Динамики не достает-это да ,но это все из минусов
Не хочу уже ни с кем спорить(тем более,что все слышат по-разному)Конечно,всё упиралось в бюджет,главным образом.Были бы деньги-взял бы что-то серьёзнее.НО! То,что я услышал,меня вполне удовлетворило.Кстати .У одного знакомого слушал китайца (ритейл примерно 35-40 к)Так вот.Он такой звук выдавал,как у другого приятеля макинтош за 200 рублей.Вот тут я просто растерялся.Однако сам побаиваюсь такие вещи у узкоглазых брать.Тут нужно и в компонентах и в схемотехнике разбираться.У меня,к сожалению,радиотехнического образования нет.Только слух. Но это все не в тему. Просил только аналог BHC посоветовать,а не рассуждать о тракте и т.д. ,и т.п.
EPCOS B41560 или B41580 там есть 10000мкф 63в а размеры сами посмотрите.
Почему в импульсных источниках питания лучше использовать пленочные конденсаторы
Из данной статьи вы узнаете почему в новейших источниках тока для светодиодных светильников производства фирмы МЭЛТ применяются пленочные конденсаторы (Film сapacitor).
Пленочные конденсаторы, в отличие от электролитических, имеют практически неограниченный срок службы и широкий диапазон рабочих температур благодаря отсутствию в них жидкого электролита.
Ниже приведен список причин, по которым применение электролитические конденсаторы в источниках тока снижает надежность всего источника в целом:
- В связи с тем, что в конструкции электролитических конденсаторов применяется жидкий электролит, они имеют не герметичную конструкцию. В связи с этим готовый источник питания, в которой применены электролитические конденсаторы, нельзя залить компаундом для защиты от воздействий окружающей среды.
- Электролит конденсаторов, рассчитанных на работу при высоких температурах, теряет свои свойства при низких температурах (сильно повышается сопротивление ESR).
- Электролит конденсаторов, рассчитанных на работу при низких температурах, очень быстро высыхает при высоких температурах. В связи с этим очень сложно сделать источник питания, рассчитанный на длительную работу в широком температурном диапазоне.
- Кроме этого, в процессе эксплуатации электролитических конденсаторов постепенно увеличивается их эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), а это приводит к еще бОльшему увеличению температуры конденсатора, причем, часто это происходит в каких-либо локальных областях конденсатора и он быстро выходит из строя.
Эквивалентная схема электролитического конденсатора приведена на рисунке:
На схеме обозначены ESR — эквивалентное последовательное сопротивление, ESL — паразитная индуктивность конденсатора и R l eakage — паразитный ток утечки. ESR является паразитным активным сопротивлением и является причиной нагрева и перегрева электролитических конденсаторов.
При максимальной температуре (обычно 105 градусов Цельсия) срок службы конденсатора очень небольшой — для разных конденсаторов он составляет от 1000 до 5000 часов. Уменьшение температуры на 10 градусов Кельвина увеличивает срок службы конденсатора в 2 раза. Если взять средний конденсатор со сроком службы 2000 часов при температуре 105 градусов, то при температуре 55 градусов цельсия его срок службы будет около 64000 часов или около 7 лет непрерывной работы.
Однако, в реальных условиях, конденсатор, который работает на высоких частотах импульсного преобразователя, имеет высокое сопротивление ESR, которое его сильно разогревает. Поэтому реальная температура конденсатора, который работает в блоке питания, может быть намного больше температуры окружающей среды и платы, что приводит к значительному уменьшению его срока службы, а вместе с этим и к необходимости ремонта или замены всего источника питания.
Фото взорвавшихся электролитических конденсаторов
В отличие от электролитических конденсаторов, пленочные конденсаторы не содержать в себе жидкого электролита, имеют герметичную конструкцию, широкий диапазон рабочих температур и практически неограниченный срок службы.
В то время как в большинстве источников питания на рынке установлены электролитические конденсаторы, в новых высоконадежных источниках тока выпускаемые фирмой МЭЛТ применены пленочные конденсаторы. Благодаря этому источники МЭЛТ, предназначенные для изготовления светодиодных ламп, прожекторов и светильников, могут работать в тяжелых климатических условиях. Высоконадежные источники тока МЭЛТ обладают следующими уникальными свойствами:
- срок службы до 100 000 часов (благодаря отсутствию в схеме электролитических конденсаторов)
- высокий КПД ≥ 93%
- высокая надежность
- широкий температурный диапазон (от -50 до +50 °C)
- соответствие ГОСТам по уровню радиопомех и эмиссии гармонических составляющих тока