Зарядка конденсатора

[SerpSB]

Работа фотовспышки обычно начинается с заряда накопительного конденсатора.
Простейший случай – это заряд конденсатора от источника ЭДС через резистор, ограничивающий максимальный ток в цепи:



Заряд конденсатора протекает по экспоненциальному закону. Это можно увидеть по приведенному ниже графику, где по оси X отложено время, измеряемое в RC, а по оси Y - напряжение на конденсаторе в процентах от напряжения источника ЭДС:



Произведение RC называют постоянной времени цепи. Если сопротивление резистора R измерять в килоомах (кОм), а ёмкость конденсатора C - в микрофарадах (мкФ), то произведение RC получится в миллисекундах (мс).

За время t = RC конденсатор успевает зарядится до напряжения, которое составляет 63% от напряжения источника ЭДС, за время t = 3RC – конденсатор зарядится до 95% и при t = 5RC – до 99%. Т.е. при выполнении условия t >> RC напряжение на конденсаторе практически достигнет значения ЭДС.

Очевидно, что чем меньше сопротивление ограничительного резистора и меньше ёмкость конденсатора, тем быстрей этот конденсатор заряжается.

1.1 Заряд конденсатора в кулонах считается по формуле q=CU:

(к, кулон), где С - ёмкость конденсатора, Фарад; U - напряжение на обкладках конденсатора, Вольт.

1.2 Связь зарядного тока, заряда и времени I=q/t, I=CU/t:

(А, ампер), где q - заряд конденсатора, кулоны; t - время, в течение которого переносится заряд, секунды.

1.3 Энергию E в джоулях (ватт*сек) заряженного конденсатора можно рассчитать по формуле E=0,5CU²:

(Дж, джоуль), где С - ёмкость конденсатора, Фарад; U - напряжение на обкладках конденсатора, Вольт.


Примечание: иногда удобнее считать, выразив ёмкость в микрофарадах (мкФ), а напряжение в киловольтах (кВ).

Как видно из формулы, зависимость энергии от ёмкости конденсатора линейная, а от напряжения - квадратичная. Т.е. при увеличении напряжения на конденсаторе, например, в два раза энергия, накопленная в нем, возрастет в четыре раза.

1.4 С учетом того, что в импульсной лампе прекращается горение при некотором напряжении, примерно равном 40-70 Вольт в зависимости от типа лампы и её состояния, формула энергии импульса имеет вид разности энергий конденсатора в начале и в конце разряда:

(Дж), где С - ёмкость конденсатора, мкФ; Uн - напряжение на обкладках конденсатора начальное, килоВольт, Uк - напряжение на обкладках конденсатора конечное, килоВольт.

Интересно заметить, что количество теплоты, выделяющейся на резисторе при заряде конденсатора, не зависит от сопротивления этого резистора и равно энергии переданной конденсатору. То есть, половина энергии источника переходит в энергию электрического поля конденсатора, а вторая половина - в тепловую энергию, выделяющуюся в зарядной цепи в виде тепловых потерь.

[d324co]

То есть, половина энергии источника переходит в энергию электрического поля конденсатора, а вторая половина - в тепловую энергию, выделяющуюся в зарядной цепи в виде тепловых потерь.

Может именно потому более-менее мощные студийные вспышки в зарядной цепи в качестве элемента, ограничивающего ток, используют конденсатор ??

[SerpSB]

Аналогично происходит зарядка накопительного конденсатора через балластный резистор от источника переменного напряжения, например, от электросети 220 В:


Диод пропускает положительные полуволны напряжения источника, и они распределяются в делителе, образованном резистором R1 и конденсатором C1. По мере роста небольшими «ступеньками» напряжения на конденсаторе C1, амплитуда импульсов на резисторе R1 убывает:



Часто вместо активного сопротивления гасящего резистора используют ёмкостное сопротивление конденсатора. Как известно, конденсатор, установленный в цепи переменного тока, обладает реактивным сопротивлением, зависящим от частоты.
Величину ёмкостного сопротивления конденсатора можно определить по формуле:



или онлайн с сайта:
http://rf.atnn.ru/s1/calc-00.html

или с помощью программы Color and Code:



Реактивное сопротивление конденсатора, так же как и сопротивление резистора, может гасить излишнее переменное напряжение сети, причем активная мощность на реактивном сопротивлении конденсатора не выделяется, что является большим преимуществом конденсатора перед гасящим резистором.

Для получения малого реактивного сопротивления необходимо применение конденсаторов большой ёмкости. Поэтому в качестве балластного сопротивления на переменном токе часто используются электролитические конденсаторы. Чтобы полярные конденсаторы могли работать в цепи переменного тока, их включают по следующей схеме:



Диоды на этой схеме создают смещение напряжения, необходимое для нормальной работы конденсаторов. Общая ёмкость такой цепи равна ёмкости последовательно соединенных конденсаторов C1 и C2:

C = (C1 • C2) / (C1+C2)

При равных ёмкостях C1 = C2 - это будет половина ёмкости одного из конденсаторов:

C = (C1)/2 = (C2)/2

Формула для 3 разных последовательных конденсаторов выглядит так:

С=С1 • C2 • С3/(С2 • C3 + C1 • C3 + C1 • С2)

Следствие из формул: если С1=С2, то С=(С1)/2 - для двух и С=(С1)/3 - для трёх одинаковых конденсаторов.

[ramon13]

Админ, расскажите еще про быструю зарядку, когда резистор шунтирован транзистором, и по мере его открытия общее балластное сопротивление меняется от R до 0. При этом время заряда получается 100% за RC, то есть в 3-5 раз быстрее.

Хочу простейшую принципиальную схему с минимумом необходимых элементов.

[IURII]

хотел бы поправить : в формуле подсчёта энергии, накопленная конденсатором C - это Фарады, а не микрофарады (ёмкость в микрофарадах делим на миллион и получаем фарады)
Для уточнения тем, кто знает и ёмкость конденсатора и до какого напряжения заряжаются конденсаторы в своей вспышке: 1500 мкФ делим на миллион = 0,0015 фарад. 300 Вольт, до которых заряжается, умножаем на 300 и равняется 90 000.
90 000 х 0,0015=135/2=67,5 джоулей или W/s Ws. И, чтоб понять сколько энергии в ста Джоулях, - это столько же энергии сколько потребляет одна 100 Вт лампочка за одну секунду.
Один джоуль равняется одному ватту разделённому к одной секунде. Один Джоуль равняется одному Ватту в одну секунду.
Cто Джоулей - это сто ватт поделив на одну секунду. Вот откуда и W/s. Cто Джоулей - это сто Ватт, умноженных на одну секунду. Или 10 Вт, умноженных на 10 секунд.

[Impulsite]

Смотрим внимательно:

где С - ёмкость конденсатора, мкФ;
U - напряжение на обкладках конденсатора, киловольт (кВ).

Можно и в микрофарадах считать, если напряжение брать в киловольтах.
А ориентировочная энергия батареи конденсаторов при напряжении 300 Вольт (0,3кВ) считается просто: каждая тысяча микрофарад заряжается до 45 джоулей. Т.е. батарея в 8000 мкФ с рабочим напряжением 0,3 кВ имеет энергию 8*45=360 Дж.

[ramon13]

Поскольку из профи про быструю зарядку и шунтирование резистора транзистором никто не написал, мне пришлось изобретать велосипед в Микрокапе. Заряжает на RC на 100% ровно -)). Конечно, тут возможно множество вариантов подключений стабилизирующих элементов, как и множество ошибок -)

[Impulsite]

ramon13, спасибо за интересное сообщение. Теперь будет интересно получить практический результат, с конкретными номиналами деталей, скажем, для вспышки в 200-400 Дж.

[ramon13]

Это схема Осипоффа зарядки ИФК-120 за 0.5 сек

[Impulsite]

Эта схема не то, что Вы рисовали выше. В этой схеме транзистор стоит последовательно с резистором, а у Вас - параллельно.

Эта схема является прерывателем заряда вспышки на время, пока происходит разряд конденсаторов на лампу. Её, пожалуй, надо вот сюда: viewtopic.php?f=26&t=101 и автор, если не ошибаюсь, Waldemar Szymanski. Очень похоже на его стиль рисования схем.

[ramon13]

Параллельный транзистор взялся из книги Маршака "Импульсные источники света" 1978 г. стр. 352. Компилированная цитата:
"Обеспечивающее неизменный зарядный ток переменное сопротивление, которое меняется от Rмакс до нуля, может состоять из резистора Rмакс, параллельно которому в качестве балласта подсоединен транзистор"

Вот я и попытался построить теоретическую схему такого включения. Для практики очевидно следует строить источник стабилизированного тока не с положительной обратной связью, а с отрицательной обратной связью. Простейший вариант видимо такой:

[MaxZX2]

У меня вот проблема конденсатор на 300 В 800 мкФ, набирает напряжение( при включении вспышки) до 40 В :sad: , что это может быть?
И сильно греется задающий скорость зарядки резистор 2 Вт на 1,2кОм.....как правильно еще посчитать мощность резистора если я его поменяю 270 Ом или ниже.....за ранние спасибо

[Impulsite]

От длительного хранения свойства диэлектрика конденсатора ухудшились и он сейчас пропускает относительно большой ток. Иногда помогает "тренировка конденсатора".
Подключите вспышку к источнику переменного напряжения 20-30 Вольт и продержите так, под напряжением, несколько дней. Есть вероятность, что электролит конденсатора восстановится.
Можно еще тренировать, формовать залежавшиеся конденсаторы кратковременными подключениями напряжения: включили на 3-5 секунд, сделали паузу на 1-2 часа. И так многократно до восстановления ёмкости конденсатора и уменьшения тока утечки до нормы - для К50-17 не более 1-3 мА.

Мощность, рассеиваемая на резисторе, вычисляется по формуле Джоуля-Ленца:
P=I²R=I*I*R (Ватт), - где I- среднее значение тока, протекающего по резистору (Ампер), R - величина сопротивления (Ом).

[MaxZX2]

Мощность, рассеиваемая на резисторе, вычисляется по формуле Джоуля-Ленца:
P=I²R=I*I*R (Ватт), - где I- среднее значение тока, протекающего по резистору (Ампер), R - величина сопротивления (Ом).

Спасибо!!! Но эту формулу я знаю, я просто не могу понять как практически посчитать.
К примеру:
напряжение сети 220В, но после диода выходит 110В
резистор 270 ом
вычисляем ток I=110/270=0,41А (или если взять при 220В,I=220/270=0,82А)
Р=0,41²*270= 45 Вт, но я чувствую что что то не учел здесь, подскажите что именно .

Подключите вспышку к источнику переменного напряжения 20-30 Вольт и проэкспонируйте так несколько дней

Спасибо попробую!

[Impulsite]

В формулу величина резистора входит без степеней, поэтому, во сколько раз уменьшили резистор, во столько раз должна увеличиться мощность резистора.

[MaxZX2]

Извините за опять глупый вопрос, а как же они изначально приняли при 1.2ком до 2 Вт резистор, я просто по теории тяжело понимаю мне расчетом лучше понимается...
и какой идет ток потребления при заряде конденсатора?

[Impulsite]

напряжение сети 220В, но после диода выходит 110В

Так не считают. А если резистор поставить ДО диода, то на нём будет 220 В?

В схеме вашей вспышки резистор, диод и конденсатор образуют последовательную цепочку, подключенную к переменному напряжению 220 В. Следовательно, во время заряда вспышки будет протекать пульсирующий ток, одинаковый для всех элементов последовательной цепи. Величина тока определяется суммарным сопротивлением цепи и разницей между амплитудным напряжением сети и действующим значением напряжения на конденсаторе. Чем больше конденсатор заряжается, тем меньше эта разница и тем меньше зарядный ток. Для расчета мощности резистора приходится считать средний ток за то время, пока конденсатор набирает энергию.
Также, зная время заряда, ёмкость и напряжение конденсатора, можно получить величину среднего тока из формулы переноса заряда

q=I*t=CU (Кл, кулон), - где, q - заряд (кулоны), I - ток (амперы), t - время (секунды), С - ёмкость конденсатора (фарады), U - напряжение конденсатора (вольты).

I=CU/t

На выбор рассеиваемой мощности резистора, кроме непосредственно протекающего тока, влияет также температура среды, наличие вентиляции, характер нагрузки - постоянная, цикличная и т.д..

как же они изначально приняли при 1.2ком до 2 Вт резистор, я просто по теории тяжело понимаю мне расчетом лучше

Приняли, исходя из расчета, что резистор находится в глухом корпусе с компактной упаковкой и делается 1 вспышка раз в 10-15 секунд и не чаще. Проверили свое предположение опытом и увеличили мощность резистора с учетом условий эксплуатации. Вот и вы, уменьшив сопротивление в 4 раза, должны будете использовать резистор номинальной мощностью в 4-5 раз большей. Для увеличения рассеивающей поверхности, можно вместо одного мощного резистора взять несколько меньших, соединив их последовательно.

Уменьшение величины резистора будет означать, что Вы станете делать вспышки с интервалами меньшими, чем 10-15 секунд, а значит, увеличится количество тепла внутри корпуса Фотона вплоть до расплавления пластмассовых деталей.

[MaxZX2]

Также, зная время заряда, ёмкость и напряжение конденсатора, можно получить величину среднего тока из формулы переноса заряда

q=I*t=CU (Кл, кулон), - где, q - заряд (кулоны), I - ток (амперы), t - время (секунды), С - ёмкость конденсатора (фарады), U - напряжение конденсатора (вольты).

I=CU/t

Правильно ли я посчитал?!
Напряжение 220В
Ёмкость 800мкФ
Резистор 1200 Ом

Время зарядки конденсатора до 99% = 5 * 1200 Ом * 0,0008 Ф =4,8с
Средний ток конденсатора при таком времени =(220В * 0,0008 Ф)/4,8 с = 0,037А
Мощность резистора = 0,037 А * 0,037 А * 1200 Ом = 1,6 Вт

А при резисторе 270 Ом , Р = 7,2 Вт

[Impulsite]

В вашей схеме конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения сети, т.е. 220*scrt(2)= 311В.

[MaxZX2]

мплитудного значения напряжения сети, т.е. 220*scrt(2)= 311В.

А если тогда такое напряжение то мощность резистора 3,21 Вт...не меньше...что теперь не так?

[Impulsite]

Так ведь вспышка не работает в постоянном режиме, потребляя каждые 4,8 секунды 36 Дж электрической энергии. Вспышки происходят периодически, время между импульсами намного больше, чем 5 секунд. В инструкции к этой вспышке об этом не сказано, но обычно оговаривается интервал не менее 10-15 секунд, т.е. резистор и лампа успевают за это время остывать. Это как раз иллюстрация к непостоянному режиму нагрузки резистора и импульсной лампы. Если Вы будете длительное время поджигать вспышку каждые 5-8 секунд, то очень скоро температура резистора поднимется выше допустимых 90-100 градусов Цельсия.

[ramon13]

Что-то я заметил что всякая мелочь пузатая типа 0.1 мкФ не хочет до амплитудного значения заряжаться, там вольт 200 плюс минус получается.

[SerpSB]

Наверно, прибор, которым ты измеряешь напряжение на конденсаторе, имеет входное сопротивление около 1 МОм...