高压电阻在电容器充放电路中的应用

作者:广东米特电子 阅读:50

   一、电容器的定义

电容器,通常简称其容纳电荷的本领为电容,用字母C表示。定义1:电容器,顾名思义,是'装电的容器',是一种容纳电荷的器件。电容器是电子设备中大量使用的电子元件之一,广泛应用于电路中的隔直通交,耦合,旁路,滤波,调谐回路, 能量转换,控制等方面。定义2:电容器,任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体(包括导线)间都构成一个电容器。

二、充电过程:使电容器带电的过程叫做充电过程

放电过程:使充电后的电容器失去电荷的过程叫做放电过程

三、电容器的单位及换算

标准单位为F(法拉),常用单位为mF/µF/nF/pF

1F=1000mF  1mF=1000µF  1µF=1000nF  1nF=1000pF

四、电容器的串并联

   电容串联,总电容量减小,计算公式为1/C=1/C1+1/C2+1/C3......

   电容并联,总电容量增大,计算公式为C=C1+C2+C3........

五、RC充放电回路

RC回路对电容器的充放电起缓冲作用

image.png 

如图1是一个电容器充放电电路假设电容器两端的初始电压为零,开关K与1端接通的瞬间,电源通过电阻R对电容器充电,此时电容器的充电电流为更大E/R,若持续以这个电流充电,则Vc的上升曲线是一条线性的直线,如图1(b)中的虚线所示。在整个充电过程中充电电流为Ic=(E-Vc)/R,故随着Vc的上升,充电电流强度Ic逐渐减小,则Vc上升的幅度也逐渐变小,直到上升至电源电压E,同时充电电流为0.这样使实际的Vc上升曲线如图1(b)所示。Vc是按照指数规律上升的,它随时间t变化的表达式Vc=E(1-e-(t/R*C)) 。

RC为时间常数。t充放电时间。

从公式可看出串联电阻越大,充电电流越小,则充电时间越长;电容量C越大,所需要的电荷就越多(即储能越多),充电时间也就越长。

当电容充满电后,Vc=E。此时开关K与2端接通,则电容器通过R放电,放电电流为Id=Vc/R,Vc逐渐降低。在接通2端的瞬间,放电电流为更大E/R,但随着Vc的降低,放电电流也逐渐降低,直至Vc为0V,放电电流也为0.放电曲线如图c所示。Vc也是按指数规律下降的,它随时间t变化的表达式为:

Vc=E*e-(t/R*C)

六、高压电阻在电容器充放电电路中的应用案例

1.电容器单次放电

客户使用条件:电容器放电电路中电容器两端电压在0.5s时间内由500v降低到60v,电容值为2mF

a.首先根据时间常数计算公式T=RC=0.5s,得出R=0.5s/C=0.5s/2mF=250欧

b.然后计算放电能量,放电能量计算公式为E=0.5U*U*C。根据客户条件500v降到60v,得出U=500-60=440V.可计算出E=0.5*440*440*2*10-3=193.6J,也就是说该电阻器需要能在0.5s时间内承受193.6J的能量。也就是说我们需要给客户推荐在0.5s时间内能承受193.6J能量且阻值为250欧的电阻器。

C.比对电阻器的抗脉冲曲线。

image.png 

如图是250w电阻的抗脉冲能量曲线图,从图中找到0.5s对应的能量值大约为600J,由于电阻器的脉冲耐受能力与电阻膜层表面积成正比,即193.6/S1=600/S2,S2大约为380mm2,则S1=122.6mm2,也就是说找出膜层面积为122.6mm2的电阻即可满足该条件,前提是散热条件一致。我们高压电阻对应的型号是RI80-2.5W,尺寸为20*8,由于RI80散热条件比250w的差很多,所以我们应该取面积更大的电阻,建议选择尺寸为32*8的电阻,如果再保险一点,可以选择尺寸为39*8的电阻。

2.连续充放电,即连续脉冲

      连续脉冲要求平均功率≤电阻器的额定功率,平均功率=单次脉冲能量*频率;其中单次脉冲时间一般比较短,脉冲电压比较高,脉冲周期大于脉宽。

案例:客户使用条件为要求R=10K,频率f=100HZ,平均功率=3w,脉冲电压为20kv,要求电阻器尺寸长度≤20mm

a、首先,根据E单次*f=p,得出E=3/100=0.03J

b、根据公式E=0.5U*U*C,得出他们的总电容C=0.03/(0.5*20000*20000)=1.5*10-10F

c、根据RC=T计算出T=1.5*10-10*10000=1.5*10-6s

d、也就是说客户选定我们的电阻是尺寸为20*8的电阻,阻值为10K,每只电阻要求在1.5*10-6s内能承受0.03J的能量,那么根据曲线图推算

image.png 

从图中可以看出1.5*10-6s对应的能量值为0.08J左右,100w的面积大约为100mm2,而我们的高压电阻20*8的膜层面积为280,满足客户的使用。再看脉冲电压这块,我们的高压电阻极限电压规定为4800v,而脉冲电压为20kv,大约是极限电压的4.2倍,脉冲时间又特备端,所以该款电阻可以满足客户的使用,就是功率有点超出电阻器的额定功率,长期使用电阻表面温度会增高到200度。高温下材料的绝缘性会下降。

 


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