فرمول قدرت خازن: چگونه انرژی، ریپل و ESR طرح های واقعی را شکل می دهند

فرمول قدرت خازن: انرژی، ریپل و گرمایی که نمی توانید ببینید

انرژی ذخیره شده همان عدد آسان است. جریان ریپل از طریق ESR جریانی است که تعیین می کند خازن واقعاً چه مدت روی برد زنده بماند.

یک خازن 400 ولتی 470 میکروفن، 37.6 ژول را در شارژ کامل نگه می‌دارد. این انرژی را در 10 میلی ثانیه آزاد کنید و میانگین توان در طول پالس حدود 3.8 کیلو وات است. با این حال، همان بخش ممکن است تنها برای 3 A امواج RMS در 100 هرتز رتبه بندی شود، که در 0.3 Ω ESR تقریباً 2.7 W گرمای داخلی می شود. یک جزء، دو توان با سه مرتبه قدر از هم فاصله دارند.

پاسخ کوتاه: یک خازن انرژی را به صورت E = 0.5 × C × V2 ذخیره می کند، آن را با نرخی که با سرعتی که ولتاژ مجاز به افت می کند آزاد می کند، و هر زمان که جریان متناوب از مقاومت داخلی آن عبور کند، P = I² × ESR را از بین می برد. در مدارهای AC چهارمین رابطه ظاهر می شود، توان راکتیو Q = V² × 2πfC، که مصرف نمی شود اما همچنان جریان واقعی را از طریق فویل ها، زبانه ها و الکترولیت ها عبور می دهد.

این مقاله از طریق هر فرمول با اعداد به جای نمادها کار می کند، سپس نتایج را به انتخاب های بسته پیوند می دهد تا محاسبه در یک تصمیم جزئی به پایان برسد.

پنج رابطه پشت هر خازن سوال قدرت

جستجو برای یک فرمول قدرت خازن واحد معمولاً به این معنی است که یکی از پنج رابطه مورد نیاز است. آنها به سؤالات مختلفی پاسخ می دهند و اختلاط آنها یکی از دلایل رایج داغ شدن یا خرابی زود هنگام قطعات است.

نماها را تماشا کنید. ولتاژ مربع یعنی یک خازن 450 ولتی 81 برابر انرژی یک قسمت 50 ولتی از همان ظرفیت را ذخیره می کند. جریان مربع یعنی دوبرابر شدن جریان موج دار گرما را چهار برابر می کند. این دو شارح بیشتر آنچه را که روی نیمکت اندازه گیری می کنید توضیح می دهند.

انرژی ذخیره شده: چرا ولتاژ بر ظرفیت خازنی می زند؟

E = 0.5 × C × V² به ولتاژ بسیار سخاوتمندانه‌تر از ظرفیت خازن پاداش می‌دهد و اعداد به سرعت این نکته را نشان می‌دهند:

• 100 µF در 50 V ذخیره می کند 0.13 J
• 100 µF در 450 ولت ذخیره‌سازی 10.1 J
• 470 µF در 400 V ذخیره می کند 37.6 J

تطبیق یک قطعه 450 ولت، 100 µF با قطعات 50 ولت، حدود 81 قطعه از آنها را به صورت موازی، با مساحت تخته بیشتر، مسیرهای نشتی بیشتر، و اتصالات لحیم کاری بیشتری که بار یکسان را حمل می کنند، می گیرد.

انرژی قابل استفاده همیشه کمتر از انرژی ذخیره شده است. یک بانک 470 µF که از 400 ولت به 300 ولت تخلیه می‌شود، تنها 16.5 ژول، یعنی حدود 44 درصد از چیزی که در خود نگه می‌دارد، تخلیه می‌کند. هنگامی که یک الزام نگهدارنده در برابر حداقل ولتاژ باس نوشته می شود، به جای شارژ کامل تا صفر، بین دو حد را محاسبه کنید، در غیر این صورت طرح با یک حاشیه بزرگ بزرگ می شود.

قدرت تخلیه و هجوم: یک فرمول، دو جهت

P = E / t انرژی ذخیره شده را به یک عدد توان متوسط تبدیل می کند. یک بانک 37.6 J که بیش از 10 میلی ثانیه منتشر می شود، 3.8 کیلو وات را تحویل می دهد. همان بانکی که در مدت 5 ثانیه آزاد می شود، 7.5 وات را ارائه می دهد. هیچ کدام از این عددها چیز زیادی در مورد بقا نمی گوید، زیرا توان متوسط ​​روی یک پالس چیزی در مورد حداکثر جریان نمی گوید.

محدودیت واقعی I = C × dv/dt است. شارژ آن خازن 470 µF از 0 ولت تا 400 ولت در 1 میلی ثانیه، 188 آمپر از منبع نیاز دارد. همین افزایش را تا 100 میلی‌ثانیه بکشید و جریان به 1.9 آمپر کاهش می‌یابد، کاهشی صد برابری از رمپ کندتر.

افزایش ظرفیت، انرژی ذخیره شده را اضافه می کند، اما جریان هجومی را نیز به نسبت مستقیم افزایش می دهد. گاهی اوقات تغییر طراحی ارزان‌تر، مسیر شارژ نرم‌تر است، نه یک خازن بزرگتر.

به همین دلیل است که مقاومت‌های پیش‌شارژ، ترمیستورهای NTC و مراحل شروع نرم‌افزار وجود دارند و به همین دلیل است که رتبه‌بندی نوسانات به اندازه ظرفیت خازن در انتهای یکسوکننده‌ها اهمیت دارد. خانواده‌های مقاوم در برابر موج و مقاوم در برابر صاعقه، مانند نوع snap-in CD296، دقیقاً برای این رویدادهای کوتاه و متخاصم dv/dt مشخص شده‌اند.

جریان ریپل و ESR: فرمولی که خازن ها را پیر می کند

P = I² × ESR کم جذاب ترین رابطه و رابطه ای است که به طول عمر محصول پایان می دهد. جریان موجی ناشی از پالس‌های یکسوسازی، سوئیچینگ یا اینورتر از فویل و الکترولیت عبور می‌کند و گرمایی که تولید می‌کند تنها سطح قوطی را به عنوان یک راه فرار دارد.

ردیف با بالاترین جریان گرمای کمتری نسبت به ردیف آداپتور تولید می کند، زیرا ESR با یک مرتبه قدر کاهش یافته است. با گذشت زمان این رابطه برعکس می شود: ESR با مهاجرت و خشک شدن الکترولیت بالا می رود، که اتلاف را افزایش می دهد، که خشک شدن را تسریع می کند. این یادداشت در ESR و تاثیر آن بر رفتار خازن نحوه حرکت فرکانس، دما و سن این عدد را پوشش می دهد.

دما جایی است که گرمای موج دار تبدیل به یک رقم مادام العمر می شود. الکترولیت های آلومینیومی همه منظوره اغلب 2000 ساعت در دمای 105 درجه سانتیگراد رتبه بندی می شوند، در حالی که سری های با عمر طولانی 5000 تا 7000 ساعت کار می کنند. به عنوان یک قانون کار، هر 10 درجه سانتیگراد کاهش در دمای هسته تقریباً عمر مورد انتظار را دو برابر می کند. کاهش جریان موج دار به میزان 30 درصد اتلاف را به نصف کاهش می دهد و زمان نامتناسبی را خریداری می کند.

نمای AC: توان راکتیو بدون مصرف جریان دارد

Q = V² × 2πfC توان راکتیو را که خازن با منبع AC مبادله می کند، توصیف می کند. هیچ چیز از بین نمی رود، اما جریان واقعی است. در 400 ولت و 50 هرتز، یک خازن 470 µF حدود 6.8 Ω راکتانس را نشان می دهد و تقریباً 59 A rms را از طریق پایانه های خود می کشد.

این عدد منفرد توضیح می‌دهد که چرا خازن‌های الکترولیتی پلاریزه هرگز مستقیماً به خطوط اصلی متصل نمی‌شوند و چرا خازن‌های فیلم دارای رتبه AC برای این کار وجود دارند. در داخل یک پیوند DC، همین رابطه به نفع شما عمل می کند: در 100 کیلوهرتز، راکتانس یک قطعه 470 µF به حدود 0.0034 Ω فرو می ریزد، بنابراین مانند یک کوتاه برای تغییر ریپل عمل می کند.

برای جداسازی محلی، نسخه عملی در هر لبه نوشته شده است. یک خازن پلیمری 10 µF که یک ریل 1 ولتی را نگه می‌دارد در حالی که بار در 1 میکرو ثانیه است، باید یک گذرا 10 A را در آن لحظه تامین کند، مقداری که توسط ظرفیت خازنی و سرعت حرکت تعیین می‌شود تا بار متوسط.

از فرمول تا قسمت: تطبیق اعداد با خانواده ها

هنگامی که ارقام انرژی، هجوم و ریپل مشخص شد، انتخاب به یک تصمیم بسته بندی تبدیل می شود. کلاس ولتاژ و ESR میدان را به سرعت محدود می کند و آنچه باقی می ماند انتخاب ساختاری است که بتواند گرما را از سیم پیچ خارج کند. ما خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی را در قالب‌های شعاعی، SMD، پلیمری، گیره‌ای و ترمینال پیچی می‌سازیم، بنابراین یک شکل موجی محاسبه‌شده معمولاً روی ما نشان می‌دهد. خانواده خازن های تبدیل توان بدون مصالحه در نوع بسته.

ساخت و ساز Snap-in برای لینک های DC انبوه

خازن های snap-in با ولتاژ تقریباً 200 ولت و 100 µF، بیشتر فضای ذخیره سازی عمده را در مراحل PFC، اینورترها و منابع سوئیچینگ حمل می کنند. یک snap-in 450 V و 470 µF معمولاً چندین آمپر امواج 100 هرتزی را جذب می‌کند در حالی که ESR را در ده‌ها میلی‌اهم نگه می‌دارد. سری استاندارد CD293 با ریپل بالا برای این کار ساخته شده است و نسخه چهار پین CD292 ثبات را در جایی که لرزش وجود دارد اضافه می کند.

پایانه های پیچ برای ذخیره انرژی طولانی مدت

تجهیزات جوشکاری، سیستم‌های UPS، اینورترهای خورشیدی و بادی، و مدارهای راه‌اندازی موتور، رتبه‌بندی ریپل و انتظارات خدمات را در همان زمان بالاتر می‌برند. خازن های ترمینال پیچ قوطی های بزرگتر، حذف حرارت بهتر و قابلیت جریان بالاتر را ارائه می دهند. سری CD139 برای 7000 ساعت با قابلیت ریپل بالا رتبه بندی شده است، CD60 یک انتخاب استاندارد برای راه اندازی موتور است، و CD13L برای کار تهویه مطبوع تنظیم شده است.

ساخت پلیمر برای مسیرهای سریع و کم ESR

هنگامی که dv/dt شیب دار است و فرکانس سوئیچینگ بالا است، ESR و اندوکتانس معادل بر امپدانس غالب است. ساختار پلیمری جامد حالت شکست خشک شدن را حذف می کند و ESR را در سراسر دما پایین نگه می دارد. در محدوده پلیمری نوع سرب، سری HLL ریپلی بالا با ESR پایین را هدف قرار می‌دهد، در حالی که نسخه HLR برای طرح‌هایی که دسترسی به خدمات در آن‌ها مشکل است، عمر رتبه‌بندی شده را تا 5000 ساعت افزایش می‌دهد.

اصلاحاتی که مدارهای واقعی به فرمول اضافه می کنند

مقادیر دیتاشیت تحت شرایط تعریف شده اندازه گیری می شوند. چهار اصلاح یک محاسبه را صادقانه نگه می دارد:

• تحمل خازنی ± 20 درصد به این معنی است که انرژی ذخیره شده می تواند 20 درصد کمتر از مقدار پلاک نام فرود بیاید، بنابراین زمان نگهداری باید بر خلاف حداقل طراحی شود.
• ESR یک عدد حداکثر است که معمولاً در 100 کیلوهرتز و 20 درجه سانتیگراد ذکر می شود. در دمای -40 درجه سانتیگراد ممکن است چندین برابر بیشتر باشد که برای تجهیزات فضای باز مهم است.
• درجه بندی ریپل به فرکانس مرجع و حداکثر دمای دسته گره خورده است. هر دو برای نقطه عملیاتی واقعی نیاز به تنظیم دارند.
• ESR تقریباً تا پایان عمر دو برابر می شود، بنابراین اتلاف در ساعت صفر بدترین حالت نیست. کاهش تا حدود 80 درصد ولتاژ نامی باعث کاهش بیشتر تنش نشتی می شود.

نگه داشتن اعداد روی میز

فرمول قدرت خازن سه معادله با یک نام است. E = 0.5 × C × V² مقدار انرژی را که قطعه نگه می دارد، P = E / t و I = C × dv/dt تعیین می کند که با چه سرعتی می تواند حرکت کند، و P = I² × ESR تعیین می کند که این حرکت در گرما و عمر مفید چقدر هزینه دارد. توان راکتیو جریان AC را اضافه می کند که بدون مصرف جریان می یابد.

کار بر روی آنها به ترتیب - انرژی، نرخ، گرما - و انتخاب بسته به شرح زیر است: اتصال محکم برای پیوندهای DC انبوه، ترمینال پیچ برای ذخیره سازی طولانی مدت با انرژی بالا، پلیمر برای مسیرهای سریع ESR پایین، و شعاعی یا SMD برای هر چیز دیگری روی برد. فرمول هرگز با بسته تغییر نمی کند. فقط مسیر حرارتی انجام می دهد.