Способ гальванической развязки

[RV4LX]

Короче транс, транс и только транс,

Хорошо.что осознал.Велосипед уже давно изобретен.Остальное - для рефератов
в ВУЗе.

[Олег Ховайко]

Работать будет, но будет сильно греться, ибо КПД этой штуки будет не более чем 50%. Обьясню почему.

Пусть замкнули 1-ю пару ключей, зарядили C1 до входного напряжения, и разомкнули. После операции --

заряд будет: q = C1*U1,
а запасённая энерния E1 = C1*U1*U1/2.

Теперь замкнули 2-ю пару ключей, подключив второй конденсатор паралельно первому. Как видно из схемы, C2 = C1, то есть ёмкость системы соединённых конденсаторов удвоилась.

Исходя из закона сохранения заряда, посчитаем напряжение U2: U2 = q/(C1+C2) = q/(2*C1) = U1*C1/(2*C1) = U1/2

Итак, напряжение стало вдвое меньше.

Теперь посчитаем энергию, запасённую в новой системе конденсаторов после завершения переходеых процессов:

E2 = 2*C1*U2*U2/2 = 2*C1*(U1/2)*(U1/2)/2 = C1*U1*U1/4

Сравнив Е2 с Е1, можно заметить, что E2 вдвое меньше.
Итак, энергии в системе из двух конденсаторов стало вдвое меньше - половина пошла на переходные процессы, конкретно -- на разогрев проводов и 2-й пары ключей.

Это будет происходить при каждом такте, то есть интегральные потери будут 50% в самом лучшем случае, а на практике - будут ещё выше.

Чтобы избежать таких потерь и поднять КПД, нужно последовательно с C1 включать индуктивность, и коммутировать ключи при переходе тока через ноль, возникающего в силу резонансного процесса.
Тогда предлагаемый блок питания превращается в резонанасный БП. Но это будет уже совсем другая история.

[KulibinV]

Работать будет, но будет сильно греться, ибо КПД этой штуки будет не более чем 50%. Обьясню почему.

Пусть замкнули 1-ю пару ключей, зарядили C1 до входного напряжения, и разомкнули. После операции --

заряд будет: q = C1*U1,
а запасённая энерния E1 = C1*U1*U1/2.

Теперь замкнули 2-ю пару ключей, подключив второй конденсатор паралельно первому. Как видно из схемы, C2 = C1, то есть ёмкость системы соединённых конденсаторов удвоилась.

Исходя из закона сохранения заряда, посчитаем напряжение U2: U2 = q/(C1+C2) = q/(2*C1) = U1*C1/(2*C1) = U1/2

Итак, напряжение стало вдвое меньше.

Теперь посчитаем энергию, запасённую в новой системе конденсаторов после завершения переходеых процессов:

E2 = 2*C1*U2*U2/2 = 2*C1*(U1/2)*(U1/2)/2 = C1*U1*U1/4

Сравнив Е2 с Е1, можно заметить, что E2 вдвое меньше.
Итак, энергии в системе из двух конденсаторов стало вдвое меньше - половина пошла на переходные процессы, конкретно -- на разогрев проводов и 2-й пары ключей.

Это будет происходить при каждом такте, то есть интегральные потери будут 50% в самом лучшем случае, а на практике - будут ещё выше.

Чтобы избежать таких потерь и поднять КПД, нужно последовательно с C1 включать индуктивность, и коммутировать ключи при переходе тока через ноль, возникающего в силу резонансного процесса.
Тогда предлагаемый блок питания превращается в резонанасный БП. Но это будет уже совсем другая история.

Олег , Вы допустили ошибки в расчетах .
Типовые для выпускника средней школы ,
но которых любят их ловить экзаменаторы ВУЗов .
Вы спутали энергию заряда с энергией поля .
КПД не падает вдвое , а остается близким к единице
(если забыть про паразитное сопротивление конденсатора ).

Кстати , на этом принципе (летающего конденсатора)
работают преобразователи , на которых в маломощных схемах
делают питание оперов .

[Олег Ховайко]

> Олег , Вы допустили ошибки в расчетах .

Как интересно!
Пожалуйста, приведите правильный расчёт, и укажите корректные численые значения,
полученые вследствие правильного расчёта.

А иначе - Вы просто голословно спорите с учебником физики
(школьным или ВУЗовским - не суть важно).


> Вы спутали энергию заряда с энергией поля .

Мда... Не знал про такое - энергию заряда и энергию поля.
Мне до этого казалось, что заряд - это количество электричества, и измеряется в Кулонах.
А энергия - она измеряется в Джоулях, и вообще-то является одним из инвариантов, возникающим вследствие однородности потока времени (см теорему Нетёр).
Ну а поле - оно измеряется в вольтах на метр...

Я знаю, что энергия заряженого конденсатора сосредоточена в эл. поле,
пронизывающем диэлектрик. И в расчётах говорил именно об энергии
заряженого конденсатора или системы конденсаторов.
А тут - куча новых открытий! Энергия заряда... Энергия поля...
Приведите что ли формулу для энергии заряда или поля -- то есть
как Кулоны или там В/м превратить в Джоули без привлечения
дополнительных сущностей.

Я с удовольствием восполню пробелы в образовании.

[KulibinV]

Как интересно!
Пожалуйста, приведите правильный расчёт, и укажите корректные численые значения,
полученые вследствие правильного расчёта.

Добавлено через 40 секунд

Теперь посчитаем энергию, запасённую в новой системе конденсаторов после завершения переходеых процессов:

E2 = 2*C1*U2*U2/2 = 2*C1*(U1/2)*(U1/2)/2 = C1*U1*U1/4

Сравнив Е2 с Е1, можно заметить, что E2 вдвое меньше.
Итак, энергии в системе из двух конденсаторов стало вдвое меньше - половина пошла на переходные процессы, конкретно -- на разогрев проводов и 2-й пары ключей.

Аксиомой является то , что энергия не изменилась .
Утверждение о том , что "- половина пошла на переходные процессы, конкретно -- на разогрев проводов и 2-й пары ключей. " ошибочно .
В конце концов энергию потерь можно оценить .А при идеальных проводах и ключах потери равны
0 .
Выводы сейчас не помню , но однозначно знаю , что это стандартная подстава
для абитуриентов , которых хотят завалить . Её в своё время мне отдельно разбирали .

[Олег Ховайко]

> Аксиомой является то , что энергия не изменилась .

Да ну?

А если рассмотреть предельный случай (бесконечная ёмкость C2) --
короткое замыкание заряженого конденсатора?
Энергия тоже сохраняется, так?
Но вот только вся переходит в тепло, и излучение. А электрической, в форме эл.
заряда - остаётся ноль.

> Утверждение о том , что "- половина пошла на переходные процессы,
> конкретно -- на разогрев проводов и 2-й пары ключей. " ошибочно .

Доказательства, пожалуйста. Точное указание, где ошибка.
Покамест я вижу голословную "аксиому", для которой
показано опровержение на предельном случае.

> В конце концов энергию потерь можно оценить .

Так оцените!

> А при идеальных проводах и ключах потери равны 0 .

Неа! Если R->0, то I->oo
То есть - если сопротивление проводов равно нулю, и индуктивностей нет,
то переходные токи становятся бесконечно большими, и
выделяемая пиковая мощность - бесконечно большой.
P = U*U/R (деление на ноль). Если же учитывать, что дело
происходит за бесконечно малый интервал времени
(t=R*C), то полная энергия: E = P*t;
то есть имеет место неопределённость типа 0/0.

> Выводы сейчас не помню , но однозначно знаю ,
> что это стандартная подстава
> для абитуриентов , которых хотят завалить .
> Её в своё время мне отдельно разбирали .

Возможно, это и используется в качестве "подставы", но конкретно Вы сейчас
на неё и попали.
Закон сохранения заряда не тождественен закону сохранения энергии.
Вы же приравняли заряд к энергии. Типа если заряд сохраняется, то очевидно,
что энергия должна тоже сохраняться. Вот это-то и неправда...

Приведу аналогию из механики:
Заменим ёмкость на массу, заряд на импульс, напряжение - на скорость.

Формулы останутся всё теми же: E=m*v*v/2 (кин. энерния), p = m*v (импульс).
Задача такая - есть покоящйся пластилиновый шар масой m, на него налетает
другой такой же шар массой m со скоростью v.
Шары слипаются, и куча-мала движется вместе со скоростю v/2
(закон сохранения импульса). Импульс сохранился. А вот кинетическая
энергия слепленой пары - упала вдвое (посчитайте, если не верите).
Другая половина кинетической энергии первого шара ушла на нагрев
при слипании и тд. Фокус тут в том, что соударение неупругое.

Точно так же и конденсаторы -- при паралельном подключении
другого они после завершения переходного процесса "склеиваются" в
общую систему.

[KulibinV]

Неа! Если R->0, то I->oo
То есть - если сопротивление проводов равно нулю, и индуктивностей нет,
то переходные токи становятся бесконечно большими, и
выделяемая пиковая мощность - бесконечно большой.
P = U*U/R (деление на ноль). Если же учитывать, что дело
происходит за бесконечно малый интервал времени
(t=R*C), то полная энергия: E = P*t;
то есть имеет место неопределённость типа 0/0.

Наверное мне придется с Вами согласиться .
Впрочем в реальных схемах с летающим конденсатором
таких диких потерь нет , скорее всего из за наличия
паразитной индуктивности конденсатора (ESL) /

[Олег Ховайко]

> Наверное мне придется с Вами согласиться .

Спасибо, что Вы не упорствовали понапрасну, и
дискуссия получилась плодотворной.
Кстати, когда я выводил уравнения, меня терзала мысль, что
где-то я нечто подобное в детстве уже видел.
Начал в книгах своего детства искать -- и нашёл!
Замечательная книга В.Н. Ланге, "Физические парадоксв и софизмы"
(изд. Просвещение, 1967).
Там задача 83 как раз про это, и в решении (стр 133) так и написано:
"Замечательно здесь только то, что при C1=C2 потери энергии, независимо от сопротивления проводников, составляют при перезарядке всегда 50%".

> Впрочем в реальных схемах с летающим конденсатором
> таких диких потерь нет ,

Да там и мощности мизерные, на такие потери можно пойти ради
упрощения схемы.

> скорее всего из за наличия
> паразитной индуктивности конденсатора (ESL)

Наверное, да. Да ещё и индуктивность проводов и тп.
Кстати, тот же Ланге пишет, что если C2 >> C1, то потери на такт
естественно меньше. С другой стороны, при таком решении также
уменьшается мощность, передаваемая за 1 такт, то есть надо
поднимать частоту коммутации. И вообще, неправильная идея
коммутировать впрямую емкостную нагрузку без ограничителей
-- импульсные переходные токи очень уж большие.
Самый правильный вариант - это именно индуктивность, причём
не особо большая, лишь бы постоянная времени t=L*C была много
больше времени открывания ключа. Тогда ключ открывается
при практически нулевом токе, и потери резко уменьшаются.
Лучше всего поставить индуктивность последовательно с C1,
тогда она будет работать дважды - и на заряд, и на разряд.
Тогда получится оригинальный резонансный БП, в котором ключи коммутируются при
токах, близких к нулю. Что я и высказал в первом письме.

Кстати, от себя скажу, что проблема источника питания, гальванически развязаного с сетью, выглядит с моей точки зрения несколько преувеличеной. Разверну свою точку зрения.

Зачем мы стремимся развязать БП с сетью? Очевидно, в первую очередь -
из соображений безопасности. Пример: если фаза пробьёт на корпус, и кто-то
дотронется, он получит удар током. Если же источник развязан с сетью - ничего не будет.
Хотя, пробой на корпус - уже неисправность, и по хорошему устройство надо ремонтировать. Развязка с сетью - это такая вот попытка замаскировать неисправность.
Не умаляя значения гальванической развязки (действительно, это эффективная мера),
тем не менее, хочу предложить на рассмотрение альтернативную технологию, решающую
задачу безопасности несколько иным способом.
Если в устройстве, гальванически связаном с сетью, утечек на землю нет (через тело человека, или корпус в луже), то токи в обоих проводах питания (фаза-ноль) в точности
равны по модулю и противоположны по знаку. Если же утечка есть, то токи будут отличаться, ибо через фазовый провод будет "питаться" и внешняя нагрузка тоже.
Эту разность детектировать очень легко -- нужно просто использовать
дифференциальный трансформатор, то есть намотать первичную обмотку обычным
сетевым сдвоеным проводом, через который питается нагрузка.
Думаю, 10-20 витков хватит. При нагрузке токи обоих проводов создадут встречные
магнитные поля, которые взаимно вычтутся, и в магнитопроводе магнитного потока не
будет. Если здесь имеется и вторичная обмотка, в ней ничего наведено не будет.
В случае же появления разбаланса, вызваного утечкой - появится поле, и во вторичной обмотке будет наведён ток. Его можно как-то усилить, и передать на схему аварийного
отключения. Простейший и глупейший вариант -- открыть тиристор, шунтируюший нагрузку, и тем инициировать срабатывание защиты, но зато предохраняющий оператора от поражения током.

Я понимаю, что это предложение из "другой оперы" - было про развязку,
а я высказал - про защиту без развязки. Но в оправдание скажу, что обе схемы решают одну и ту же задачу, только разными путями. Да и жаль стало идею выбрасывать -
она у меня появилась при взгляде на обсуждаемую здесь схему, делать я её в ближайшее
время не буду, и наверняка забуду. А так - может быть, людям пригодится.
Хотя, конечно, не удивлюсь, если эта идея уже известна и где-то уже используется...

[KulibinV]

Эту разность детектировать очень легко -- нужно просто использовать
дифференциальный трансформатор, то есть намотать первичную обмотку обычным
сетевым сдвоеным проводом, через который питается нагрузка.
Думаю, 10-20 витков хватит. При нагрузке токи обоих проводов создадут встречные
магнитные поля, которые вза

Назвается УЗО (устройство защитного отключения ), продается на строительном
рынке и стоит недорого . Впрочем , с разницей токов меньше порога неотпускания надо поискать .

По СНИПу , новые здания без них проектировать нельзя .