Расчет конденсаторного фильтра мостового выпрямителя

---

©2004 Валентин Володин

Поддержать ₽

---

В сети можно найти различные методики расчета конденсаторного фильтра мостового выпрямителя, позволяющие приблизительно выбирать ёмкость конденсатора, если задана величина пульсации выходного напряжения. Также существуют вполне обоснованные рекомендации, позволяющие выбрать ёмкость конденсатора фильтра исходя из мощности нагрузки. Например, для обратноходовых преобразователей сетевых адаптеров рекомендуется выбирать конденсатор из соображения 1-3 мкФ на каждый ватт мощности. Однако делая такой выбор невозможно предсказать величину пульсации выходного напряжения. Кроме этого, подобные методики и рекомендации не позволяют определять очень важный параметр - действующее значение тока, протекающего через конденсатор. Этот параметр указывается производителем в справочной документации. В случае, если действующий ток будет превышать допустимое значение, конденсатор быстро перегреется и выйдет из строя.
Предлагаемый калькулятор позволяет рассчитать конденсатор для случая, когда выпрямитель работает на нагрузку, потребляющую постоянную мощность. Именно такой тип потребления характерен для различных импульсных источников питания. Калькулятор позволяет рассчитать ёмкость конденсатора, а также определить действующее значение тока, протекающего через него в оговоренных условиях. Кроме этого, калькулятор позволяет определить пиковый и средний ток, протекающий через диоды мостового выпрямителя. Это позволяет правильно выбрать диоды выпрямителя. В дополнение, калькулятор рассчитывает коэффициент мощности мостового выпрямителя с конденсаторным фильтром.
На рисунке ниже изображена схема мостового выпрямителя с конденсаторным фильтром, а также осциллограммы основных напряжений и токов. На осциллограммах указаны параметры, используемые при расчёте.


Перед началом расчета необходимо указать исходные данные, состоящие из 4-х параметров:

1. Vs - действующее (эффективное) значение переменного сетевого напряжения на входе мостового выпрямителя;
2. Fs - частота сетевого напряжения;
3. ΔVout - пульсация от пика до пика сглаженного напряжения на выходе фильтра. Можно указать абсолютное значение пульсации, либо значение в процентах относительно амплитудного значения выпрямленного напряжения ΔVout% = 100 * ΔVout / Vo.max;
4. P - мощность, потребляемая нагрузкой выпрямителя.

После завершения работы калькулятор выведет результаты расчета:

1. C - минимально необходимая ёмкость конденсатора;
2. Ic.rms* - действующее значение тока, протекающий через конденсатор;
3. Vo.max** - амплитудное значение выпрямленного напряжения;
4. Vo.min - минимальное значение сглаженного напряжения на выходе фильтра, с учетом пульсации;
5. Id.max - амплитудное значение тока, протекающего через диод выпрямителя;
6. Id.avg - среднее значение тока, протекающего через диод выпрямителя;
7. Irms - действующее значение входного тока выпрямителя;
8. Kp - коэффициент мощности выпрямителя.

* - Данное значение не учитывает дополнительную высокочастотную составляющую тока, вносимую импульсным преобразователем, подключенным к выпрямителю в качестве нагрузки.
** - При расчете не учитывается падение напряжения на диодах выпрямителя, а также эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) конденсатора фильтра.

Пример расчета
Рассчитаем конденсаторный фильтр выпрямителя, предназначенного для питания обратноходового преобразователя от бытовой сети переменного напряжения частотой 50 Гц и напряжением 85...270 В. Мощность потребляемая преобразователем, с учетом КПД, равна 30 Вт. Так как величина потребляемой мощности не зависит от напряжения, то наиболее тяжелым для выпрямителя и фильтра будет режим, когда напряжение сети минимальное. Поэтому используем для расчета следующие исходные данные:

• Vs = 85 В;
• Fs = 50 Гц;
• ΔVout = 30%;
• P = 30 Вт.

Вводим исходные данные в калькулятор, запускаем расчет и получаем следующие результаты:

• С = 59.35447 мкФ;
• Vo.max = 120.2082 В;
• Vo.min = 84.14571 В;
• Ic.rms = 0.5472034 A;
• Id.max = 1.957270 A;
• Id.avg = 0.1448188 A;
• Irms = 0.6199023 A;
• Kp = 0.5693496

Согласно расчета, на каждый ватт выходной мощности выпрямителя приходится примерно по 2 мкФ ёмкости конденсатора. Это вполне вписывается в оговоренный выше диапазон. Теперь выберем конкретный тип конденсатора, который можно использовать в данном случае. С учетом того, что электролитические конденсаторы имеют разброс ±20%, выбираем стандартное значение ёмкости 68 мкФ. Так как максимальное действующее значение сетевого напряжения достигает 270 В (амплитудное значение 380 В), выбираем максимальное рабочее напряжение конденсатора равным 400 В. Теперь введём параметры искомого конденсатора в поисковый запрос на любом сайте продавцов электронных комплектующих (например, на DigiKey) и получим список возможных вариантов. И что мы видим? Больше половины из предлагаемых конденсаторов не подходит по действующему току (Ripple Current @ Low Frequency). И если ориентироваться только на ёмкость, то с большой вероятностью можно выбрать неподходящий конденсатор.

Примечание: Различные вопросы, связанные с этим калькулятором, можно задавать на моем форуме.

Ввод исходных данных

Параметр			Описание
Имя	Величина	Ед. изм.
Vs		Вольт	Напряжение сети.
Fs		Гц	Частота сети.
ΔVout		% Вольт	Пульсация выходного напряжения.
P		Вт	Мощность нагрузки.