3.2.2. Сглаживающий фильтр

Сглаживающим фильтром называют устройство снижающие пульсации выпрямленного напряжения.

Для снижения пульсаций требуются энергоемкие элементы, те, которые могут накапливать и отдавать энергию. Сюда относятся индуктивность и емкость.

Рассмотри действие емкости. Во то время когда открыт вентиль «В» конденсатор заряжается. Если на конденсаторе накоплен заряд, то в следующий момент при выключении вентиля конденсатор будет медленно разряжаться на нагрузку. На эпюре показано изменение напряжения на емкости. Время разрядки определяется постоянной времени τ = RC. Обычно время разрядки (4-5)τ.

u

В

С R

а б t

Рис. 19

Таким образом, в однополупериодной схеме установка фильтра снизит пульсации напряжения на нагрузке. Применяется сравнительно на небольших мощностях.

Рассмотрим действие индуктивности. Как видно в положительную полуволну, когда ток проходит через вентиль, индуктивность накапливает энергию в виде магнитного поля. В отрицательную полуволну входного напряжения, когда вентиль в закрыт, индуктивность отдает запасенную энергию на нагрузку через вентиль «В1». Эпюра тока через нагрузку аналогична предыдущему случаю. Как и в прошлом случае, время отдачи энергии определяется постоянной времени

τ = L/R.

Схемы с использованием индуктивность могут применяться на всех мощностях.

B L

i

B1 R

а б t

Рис. 20

Часто используется совокупность этих элементов, образуя Г и Т-образные фильтры. Все они называются пассивными.

Однако на небольшие мощности возможно применить активный фильтр на транзисторе. При этом используется стабильность выходных характеристик. Если рабочую точку вывести на стабильную часть характеристики и удерживать ее там с помощью конденсатора, включенного в цепь базы, то стабильность, значительным образом снижается коэффициент пульсации.

3.2.3. Стабилизация постоянного тока.

Стабилизатором напряжения (тока) наз. устройство, автоматически обеспечивающее поддержание напряжения (тока) нагрузочного устройств с заданной степенью точности при изменении нагрузки.

О стабильности выходного напряжения с изменением нагрузки вывод можно сделать используя внешние характеристики: зависимость выходного напряжения от тока нагрузки (рис. 21). Внешняя характеристика трансформатора – падающая –1, вентильная группа незначительно умягчает характеристику 2. Значительным образом умягчает фильтр с конденсатором –3, еще более – с катушкой индуктивности – 4. То есть, наличие фильтров значительно снижает жесткость характеристики , возможно, требует установки стабилизаторов.

U

1

2

3

4

Рис. 21

Основным параметром, характеризующим степень стабилизации являются:

1. коэффициент стабилизации по напряжению

2. коэффициент стабилизации по току

Применение стабилизаторов диктуется еще тем, что современная электронная аппаратура требует стабильность питающего напряжения на уровне 0,5-3%, а измерительная аппаратура требует стабильность на уровне 10^-5%

По способу стабилизации различают параметрические и компенсационные.

Параметрические стабилизаторы напряжения используют стабилитрон, а тока – транзисторы.

U_вых∆U_вых I

R_б U_вх ∆U_вх I_н R I_c

+ u +

Т U_вх/r

U_вх DC R_н R_н ∆I_н

U_вх u_си

– – U_вх ∆U_вх

А б

А б I=U_вх/R_б

Рис. 22 Рис. 23

На рис. 22, а изображен параметрический стабилизатор напряжения, собранный на стабилитроне (диод, использующий обратную ветьв). Принцип действия поясняется на рис. 22, б. Строится линия нагрузки через точки U_вх и I= U_вх/R_б. Эта линия нагрузки, пересекая ВАХ диода, образует рабочую точку «к». Это и будет напряжение на нагрузке. Если теперь входное напряжение упадет (∆U_вх), то выходное напряжение изменится незначительно (∆U_вых).

На схеме рис. 23,а приведен параметрический стабилизатор тока на полевом транзисторе. Рис 23,б поясняет его работу. На выходную характеристику полевого транзистора наносим линию нагрузки через точки U_вх и U_вх/(R+R_н). Пересечение этой линии и ВАХ транзистора определит рабочую точку (показана кружком). Повышение входного напряжения (∆U_вх ) приведет к незначительному увеличению тока стока (∆I_н)

Компенсационные стабилизаторы по существу являются системам автоматического регулирования. На рис. 24 РЭ – регулирующий элемент, БС – блок рассогласования, У – усилитель. На рис. 25 схемная реализация

РТ

U_вх РЭ U_вых R_б R_к

ТУ R_н

У БС Д

Рис.24 Рис. 25

Схема автоматического регулирования работает следующим образом. Напряжения на входе и выходе связаны

U_вх = U_рэ + U_вых

Таким образом, всякое изменение напряжения на входе вызовет изменение на регулирующем элементе такое, при котором выходное напряжение сохранится.

На рис. 25 регулирующий элемент – транзистор РТ. Схема задачи опорного напряжения собрана на сопротивлении R_б и стабилитроне. Заданное напряжение и напряжение с выхода сравниваются на транзисторе, и полученный сигнал рассогласования усиливается транзистором ТУ. Сигнал с него попадает в базовую цепь регулирующего элемента и вызывает его приоткрывание или призакрывание, в зависимости от сигнала рассогласования, что приведет к постоянству напряжения на нагрузке.

В схеме рис. 25 на регулирующем транзисторе может рассеиваться до половины свей мощности устройства. Для повышения КПД используют импульсные стабилизаторы. Структурная схема и эпюра напряжения приведены. Импульсный режим хорош тем, что устройство работает или в режиме ток эмиттера равен нулю или напряжение эмиттер-коллектор равно нулю (близко) и, в этих случаях, мощность, рассеваемая транзистором, равна нулю, поэтому и повышается общий КПД.

На рис. 24 а представлена блок схема импульсного стабилизатора, отличительные элементы – это Ф – фильтр, который необходим, так как выходное напряжение имеет рваный характер. ИГ – импульсный генератор, выдает импульсы рис. 24,б. В зависимости от схемы управления регулируется ширина импульсов ИМЛИ сдвух сторон или с одной стороны.

L

U _вх РЭ Ф U_вых –

u_иг РТ R_н

Д C

ИГ БС t ИГ

а б +

Рис.24 Рис. 25

На рис. 25 показаны отдельные части схемы. Регулирующим элементом является транзистор РТ. Для сглаживания пульсаций в схеме ставят мощный сглаживающий фильтр LC. Для устойчивой работы индуктивности ставят диод Д, по которому замыкается разрядный ток катушки индуктивности.