Сглаживающие фильтры

В большинстве случаев при питании электронной аппаратуры допускается весьма малая (порядка десятых, сотых и даже тысяч­ных долей процента) пульсация выпрямленного напряжения. Между тем на выходе основных выпрямительных схем пульсация во много раз превышает допустимую. Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения применяются сглаживающие фильтры.

Любой сглаживающий фильтр должен обеспечивать снижение пульсации выпрямленного напряжения до заданного уровня, т. е. должен обладать необходимым коэффициентам сглаживания q, величина которого определяется отношением

где - коэффициенты пульсации до и после фильтра.

Основным требованием, предъявляемым к сглаживающему фильтру, является максимально возможное уменьшение переменных составляющих выпрямленного тока, и напряжения в сопротив­лении нагрузки.

Вместе с тем при построении схем сглажи­вающих фильтров следует стре­миться к тому, чтобы постоянная составляющая выпрямленного тока полностью прошла через сопротивление нагрузки, а по­тери постоянной составляющей выпрямленного напряжения в элементах фильтра были минималь­ными.

Рис. 2.Схемы сглаживающих фильтров:

а — простейший емкостной фильтр; б и в- фильтры типа LC ; г и д -фильтры типа RC

Для того чтобы на выходе выпрямителя получить напряжение с меньшими пульсациями, достаточно параллельно сопротивлению нагрузки R„ включить конденсатор (рис. 2, а). В те промежут­ки времени, когда диод пропускает ток, конденсатор запасает элект­рическую энергию. Когда же к диоду приложено обратное напря­жение, конденсатор разряжается на сопротивление нагрузки. Та­ким образом, через нагрузочное сопротивление ток проходит не­прерывно, причем пульсации выпрямленного напряжения и тока Значительно уменьшаются. В связи с этим схемы выпрямителей, ис­пользуемые для питания сравнительно маломощной электронной аппа­ратуры, как правило, имеют на своем выходе конденсатор, который по существу является первым элементом сглаживающего фильтра.

Величину входной емкости сглаживающего фильтра, обеспечи­вающего пульсацию выпрямленного тока не более чем на 10 % при частоте сети /_с = 50 Гц, подсчитывают по формулам:

для однополупериодной схемы

С₀= (5.1)

для двухполупериодной схемы со средней точкой и мостовой схемы

С₀= (5.2)

где С₀—входная емкость фильтра, мкФ; I₀— выпрямленный ток, мА; U₀— выпрямленное напряжение, В.

Обычно в качестве конденсаторов фильтра используют электролитические конденсаторы, обладающие большой емкостью.

Наиболее распространенные схемы сглаживающих фильтров при­ведены на рис. 2. Выбор той или иной схемы определяется величиной выпрямленного тока, проходящего через фильтр, и до­пустимым значением коэффициента пульсации выпрямленного на­пряжения на выходе фильтра.

В качестве последовательных элементов фильтров чаще всего используют индуктивности (дроссели) (рис. 2,б) и активные сопротивления-резисторы (рис. 2г). Параллельными элементами фильтра обычно служат конденсаторы. Действие дросселя как элемента фильтра сводится к тому, что в нем теряется наибольшая доля переменной составляющей напря­жения, так как его сопротивление стремятся выбрать значительно больше нагрузочного сопротивления R„. Для постоян­ной составляющей выпрямленного тока индуктивное сопротивле­ние дросселя равно нулю. Следовательно, потери постоянной со­ставляющей напряжения на дросселе обусловлены лишь его незна­чительным омическим сопротивлением и в большинстве случаев ими можно пренебречь.

Существенным недостатком дроссельных фильтров является их большая масса, а так же образование магнитных полей.

Действие конденсатора как элемента фильтра сводится к тому, что, шунтируя сопротивление нагрузки, он пропускает через себя наибольшую долю переменной составляющей выпрямленного тока,

так как сопротивление X_сф = 1/wc_ф- стремятся выбрать значительно

меньше нагрузочного сопротивления R_a. Для постоянного тока со­противление Хс бесконечно велико, поэтому постоянная состав­ляющая выпрямленного тока проходит в основном через сопротив­ление нагрузки.

Обычно в качестве конденсаторов фильтра используются элект­ролитические конденсаторы, обладающие большой емкостью (по­рядка 10—40 мкФ). Рабочее напряжение конденсатора должно превышать выпрямленное напряжение приблизительно в 1,5 раза.

Для увеличения коэффициента сглаживания применяются несколько Г-образных фильтров, при этом суммарный коэффициент сглаживания равен

Особенностью фильтров типа LC является незначительное па­ление постоянной составляющей выпрямленного напряжения на дросселе, что дает возможность применять такие фильтры в устрой­ствах с относительно большим током нагрузки. Существенным недостатком их является большая масса дросселя, а также образова­ние вокруг дросселя магнитных полей, влияющих на работу раз­личных высокочувствительных узлов электронной аппаратуры.

Эти недостатки устраняются в фильтрах типа RC (рис. 19.9, г И д). Такие фильтры значительно дешевле фильтров типа LC, имеют малые размеры и массу. Однако их целесообразно применять при малых выпрямленных токах (порядка 10—15 мА) и не больших значениях коэффициента сглаживания. Это объясняется тем, что на активном сопротивлении R_ф происходят потери как переменной, так и постоянной составляющих выпрямленного напряжения, что при больших токах нагрузки может привести к резкому уменьше­нию напряжения на выходе фильтра.

Кроме фильтров типа LC и RC, широкое распространение получили транзисторные сглаживающие фильтры Они имеют малые габариты и массу, не создают нежелательных маг­нитных полей, возникающих вокруг дросселя LC-фильтров, имеют меньшие потери выпрямленного напряжения по сравнению с фильт­рами тина RC.

Стабилизаторы.

Источники питания обладают внутренним сопротивлением и при увеличение тока нагрузки происходит падение напряжения это видно по внешней характеристике

Внешняя характеристика выпрямителя – зависимость выходного напряжения выпрямителя Uвых от тока нагрузки Iн при неизменном напряжении на входе выпрямителя. Для улучшения нагрузочной характеристики, то есть поддержания выходного напряжения на постоянном уровне применяют стабилизаторы

Стабилизатором напряжения (тока) называется устройство, поддерживающее автоматически и с требуемой точностью напряже­ние (ток) на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах.

Несмотря на применение сглаживающих фильтров, напряжение на сопротивлении нагрузки выпрямителя может изменяться. Это объясняется тем, что при сглаживании пульсаций фильтром умень­шается только переменная составляющая выпрямленного напря­жения, а величина постоянной составляющей может изменяться и при колебаниях напряжения сети, и при изменении тока нагруз­ки. Для получения необходимой величины постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки применяются стабилизаторы напряжения. В зависимости от места их включения в схему различают стабилизаторы напряжения постоянного и переменного тока. В нервом случае стабилизатор включают между выпрямителем и нагрузочным сопротивлением, во втором случае — между источ­ником переменного тока и выпрямителем.

Существуют два принципиально различных метода стабилиза­ции напряжения: параметрический и компенсационный.

В параметрических стабилизаторах используются элементы с нелинейной зависимостью между током и напряжением (с нели­нейной вольтамперной характеристикой). Такими элементами мо­гут служить электронные лампы, транзисторы, ионные стабилитро­ны, дроссели и другие. Принцип действия параметрических ста­билизаторов основан на изменении сопротивления (или других параметров) нелинейных элементов, входящих в их схему, при изме­нении приложенного к ним напряжения или проходящего через них тока. В результате перераспределения токов и напряжений между отдельными элементами схемы достигается стабилизация выходного напряжения или тока.

В параметрических стабилизаторах могут использоваться также кремниевые стабилитроны, варисторы, терморезисторы и некоторые другие приборы, рассмотренные в предыдущих главах. Они применя­ются при малых выходных токах, изменяющихся в узких пределах. Вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рис.3а. Стаби­лизация напряжения осуществляется при работе стабилитрона на обратной ветви ВАХ, когда обратное напряжение определенного значения приводит к пробою р–n перехода. При изменении тока через стабилитрон в широком диапазоне от мини­мального значения I_{ст min} до максимального I_{ст max} изменение падения напряжения на нём оказывается небольшим (рис.3а), что и даёт возможность применять последний для стабилизации напряжения постоянного тока.

Для ограничения тока пробоя обычно последовательно стабилитрону вклю­чают дополнительный резистор R₀ (рис.3,б), формируя схему параметрического стабилизатора.

Рис.3. Вольтамперная характеристика стабилитрона (а) и схема

параметрического стабилизатора (б)

Сущность компенсационного метода стабилизации сводится к автоматическому регулированию выходного напряжения.

.

Рис 3. Структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа

В компенсационных стабилизаторах производится сравнение фак­тической величины выходного напряжения с его заданной величиной и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение, этого рассогласования.

Схемы компенсационных стабилизаторов постоянного напряже­нии бывают последовательного и параллельного типов (рис 3). основными элементами таких стабилизаторов являются:

источник опорного (.эталонного) напряжения (Э);

сравнивающий и усилительный элемент (СУ);

регулирующий элемент (Р).

В стабилизаторах последовательного типа (рис. 3, а) регу­лирующий элемент включен последовательно с источником вход­ного напряжения U_вхи нагрузкой R _н. Если по каким-либо причи­ним (например, из-за нестабильности U_вхили при изменении R_н) напряжение на выходе U_вых отклонилось от своего номинального значения, то разность эталонного и выходного напряжений изме­няется, усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При Этом сопротивление регулирующего элемента автоматически меняется и напряжение U_вхраспределяется между Р и R_н таким образом, чтобы компенсировать происшедшие изменения напряжения на нагрузке.

Основными параметрами, характеризующими стабилизатор, яв­ляются:

1. Коэффициент стабилизации, представляющий собой отноше­ние относительного изменения напряжения (тока) на входе к от­носительному изменению напряжения (тока) на выходе стабилиза­тора (при постоянном сопротивлении нагрузки).

Коэффициенты стабилизации по напряжению КстU и току КстI

Коэффициенты стабилизации служат основными критериями для выбора рациональной схемы стабилиза­тора и оценки ее параметров.

2. Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении,

Желательно, чтобы R_вых было небольшой величины. При этом уменьшается общее внутреннее сопротивление блока питания, что приводит к уменьшению падения напряжения на нем и способствует повышению устойчивости работы многокаскадных схем, питающихся от общего источника.

3. Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности,

4. Дрейф (допустимая нестабильность) выходного напряже­нии. Временной и температурный дрейф характеризуется величи­ной относительного или абсолютного изменения выходного напря­жения за определенный промежуток времени или в определенном интервале температур.

Контрольные вопросы

1. Что входит в состав ИВЭП?

2. Виды выпрямителей и их характеристики, классификация выпрямителей? Схемы одно-, двух-, трёхфазных выпрямителей – временные диаграммы, сравнительные характеристики, мостовые схемы?

3. Сглаживающие фильтры требования к фильтрам ,назначение , схемы включения, параметры?

4. Стабилизаторы напряжения и тока – основное назначение?

5. Параметрические стабилизаторы напряжения – схемное построение, принцип действия , назначение элементов?

6. Компенсационные стабилизаторы напряжения – структурные схемы, основные соотношения, преимущества, практическая реализация

7. Поясните смысл терминов «коэффициент стабилизации» параметрического стабилизатора?

8. Поясните смысл терминов «коэффициент пульсации» выпрямительной схемы??