Vybíječ kondenzátorů

Účelem bylo navrhnout jednoduché servisní zařízení sloužící k pozvolnému vybíjení kondenzátorů na bezpečnou úroveň napětí. K tomuto účelu se obvykle používají kabely k multimetru zakončené „vhodně“ vybraným rezistorem. Toto řešení vyniká jednoduchostí, avšak klíčový problém spočívá ve volbě vybíjecího rezistoru. Příliš nízký odpor znamená vysoké vybíjecí proudy při přiložení ke kondenzátoru nabitému na vysoká napětí, příliš vysoký odpor zase znamená přehnaně dlouhé vybíjení v případě vysokých kapacit a malých napětí. Řešením je vyrobit různé vybíječe pro různá napětí, což situaci zbytečně komplikuje. Ideální by bylo vybíjet kondenzátory konstantním proudem nezávislým na napětí. A přesně takto je řešen níže popsaný vybíječ.

Energii akumulovanou v kondenzátoru je tedy třeba vybíjet na nějakém aktivním prvku, který bude schopen měnit svůj odpor. Z praktických důvodů byl zvolen MOSFET. Lze je pořídit za příznivou cenu, jsou schopny pracovat do napětí 1kV a krátkodobě na nich lze pálit poměrně velké výkony. Volba se přirozeně odvíjí od parametrů vybíječe. Z praktických důvodů volím napěťový limit rovný špičce usměrněného síťového sdruženého napětí, čili 566V. Ze stejného místa se odvíjí i vybíjecí proud. Opět je třeba se vejít do nějakého rozumného špičkového výkonu, proto jsem zvolila proud 100mA, tehdy dosáhne špičkový výkon 57W. Rozhodla jsem se pro IRFBG20PbF, protože jeho maximální D-S napětí dosahuje 1kV, současně se špičkovou výkonovou ztrátou 54W. To je sice méně než požadovaných 57W, ale ze zkušenosti je mi jasné, že na kondenzátoru nebude plné špičkové napětí, navíc tranzistory typicky mají určitou rezervu za absolute maximum rating.

Samo zapojení je nejjednodušším zapojením current sink, které existuje. Tranzistor Q1 se začne otevírat při UGS 3V, my máme zdroj „konstantního“ napětí 6.4V, čili při proudu 100mA zbývá na kombinaci R3 a R4 napětí 2.4V, což při proudu 100mA znamená odpor 24Ω. Paralelní kombinace dvou 47Ω mi připadala jako nejlepší řešení, byť sama hodnota 24Ω je v jemnější řadě. V neposlední řadě tu hraje roli i výkonové zatížení rezistoru, kdy hodnota 0.24W je velice blízko limitu ¼W rezistoru.

Samostatný komentář si zaslouží použití dvou CR2032 primárních článků coby zdroj referenčního napětí. Dlouze jsem přemýšlela nad návrhem odpovídajícího zdroje, avšak nenabízelo se žádné jednoduché řešení. Použití zenerovy diody je naprosto nevhodné, protože se opět musí z něčeho napájet, no a to by pochopitelně komplikovalo používání. Pokud bych se rozhodla pro napájení použít energii vybíjeného kondenzátoru, byla bych opět postavena před problém napěťového rozsahu řekněme od 10V do 566V, což je řešitelné jen obtížně. Články CR2032 jsou snadno dostupné, vyznačují se vysokou životností v případě, že z nich není odebírán velký proud, jejich cena je nízká a případný pokles napětí o 20%, což je hodnota, které dosáhnou těsně před smrtí, pouze o 20% sníží vybíjecí proud, což na funkci přístroje nemá zásadní vliv. Pokud přístroj není používán, je proud odebíraný z baterie velice nízký, na bastltisku se mi podařilo dostat pod hranici 100pA, čili nějaké vypínání referenčního zdroje postrádá smysl. Kombinace R1 s D1 slouží pro indikaci vybíjecího proudu. Na místě D1 lze použít jakoukoliv běžnou 20mA LED, pouze je třeba se vyhnout bílým a modrým, na kterých je velký napěťový úbytek. Diody D2..D5 slouží k automatické volbě vstupní polarity. Otočení polarity by znamenalo velkou nehodu, navíc vybíječe s rezistorem nemají definovanou polaritu, no a zadáním bylo vyrobit něco lepšího. Použití je identické s použitím rezistorového vybíječe, tedy přiložíme přívody na terminály kondenzátoru a chvíli počkáme. Zde je navíc ještě vybíjecí proud indikován pomocí LED, čili přirozeně vyčkáme minimálně pokud zcela nezhasne LED. V tento moment je na kondenzátoru napětí nižší jak 6V, což již nepředstavuje žádnou hrozbu při dalším servisu.

Vybíječ byl vzhledem k jednoduchosti postaven na univerzálním plošném spoji. Většinu zapojení překrývá chladič, přičemž je třeba si uvědomit, že tranzistor není od chladiče izolován, též pouzdra baterií jsou vodivě spojena s vybíjeným kondenzátorem, tudíž je nezbytné zařízení zabudovat do vhodné krabičky aby se zamezilo nechtěnému (a nebezpečnému) doteku. Při vybíjení velkých kondenzátorů musí tranzistor pojmout a vyzářit energii kondenzátoru, proto byl zvolen poměrně masivní chladič.