7.4.5 Параметры и характеристики сглаживающих фильтров

Основными параметрами фильтра являются: коэффициент сглаживания; величины входных и выходных напряжений и токов; а также величина потерь, определяющая коэффициент полезного действия фильтра. Из характеристик наиболее важные – это нагрузочная (рисунок 7.14в) и частотная (рисунок 7.14б) – представляющая зависимость коэффициента затухания или коэффициента сглаживания от частоты.

Контрольные вопросы к разделам 7.3, 7.4

1. Назначение сглаживающих фильтров.

2. Фильтры типа C, L, LC, RC, CLC, CRC - схемы, принцип работы.

3. Характеристики и параметры фильтров.

4. Вывод основных расчетных соотношений для различных типов фильтров.

5. Последовательное соединение фильтров.

6. Упрощенный расчет трансформатора.

7.5 Стабилизаторы

Стабилизатор – это устройство, предназначенное для поддержания на заданном уровне выходного напряжения при изменениях входного напряжения и тока нагрузки. Основным параметром стабилизатора является коэффициент стабилизации, определяемый выражением

К_cт = б_вх/б_н = (U_вх/U_вх)/(U_вых/U)_вых , (7.57)

где б_вх = U_вх/U_вх – нестабильность входного напряжения;

б_н = U_вых/U_вых – нестабильность выходного напряжения.

Величины допустимых нестабильностей для некоторых типов нагрузок приведены в таблице 7.1. Величина нестабильности питающего (сетевого) напряжения в реальных условиях достигает 20% и выше. По принципу действия стабилизаторы классифицируют на параметрические, компенсационные; непрерывного и импульсного регулирования; последовательного и параллельного типа, а также стабилизаторы напряжения и тока.

7.5.1 Параметрические стабилизаторы напряжения

Параметрические стабилизаторы реализуют на основе нелинейных элементов, у которых есть участок характеристики, где при изменении одного параметра другой останется постоянным. На рисунке 7.15а приведена схема стабилизатора на полупроводниковом стабилитроне.

а

б в

а – принципиальная схема; б – схема замещения для приращений; в – ВАХ

Рисунок 7.15 – Параметрический стабилизатор напряжения

Данный стабилизатор параллельного типа. Для ограничения тока через стабилитрон используется баластный резистор (R₀). Работает стабилизатор следующим образом. При увеличении (уменьшении) входного напряжения относительно номинального увеличивается (уменьшается) ток стабилитрона. Это вызывает увеличение (уменьшение) падения напряжения на R₀, при этом изменение напряжения на нагрузке равно U_н, (рисунок 7.15в сплошные линии). При изменении сопротивления нагрузки происходит перераспределение токов между стабилитроном и нагрузкой: уменьшение (увеличение) R_н вызывает увеличение (уменьшение) I_н и уменьшение (увеличение) I_ст, так что I₁ остается постоянным (рисунок 7.15в штриховые линии). При этом изменение выходного напряжения равно U_н и определяется наклоном ВАХ стабилитрона.

На основании закона Кирхгоффа для схемы (рисунок 7.15а) можно записать:

U_вх = (I_ст + I_н)R₀ + U_вых . (7.58)

С учетом того, что I_н = , (7.58) можно представить в следующем виде:

U_вх = I_ст ^. R₀ + U_вых . (7.59)

Для I_ст после преобразований получим соотношение

. (7.60)

Наибольший ток через стабилитрон протекает при условии:

U_вх = U_вх.max и R_н =  , т. е. холостой ход. (7.61)

При этом ток стабилитрона будет равен:

. (7.62)

Наименьший ток через стабилитрон будет при условии:

U_вх = U_вх.min , R_н = R_н.min . (7.63)

Минимальный ток стабилитрона определится соотношением

. (7.64)

Для определения коэффициента стабилизации рассмотрим схему замещения стабилизатора для приращений (рисунок 7.15б). Изменение тока I при изменении входного напряжения будет равно:

, (7.65)

где r_g – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

При этом изменение выходного напряжения определится соотношением

. .

С учетом того, что r_g < R_н, и r_g < R₀, можно записать:

U_вых/U_вх  r_g/R₀ . (7.66)

Подставив (7.66) в (7.57) , получим:

. (7.67)

Как следует из (7.67), К_ст возрастает с ростом R₀ и уменьшением r_g. Однако увеличение R₀ приводит к росту U_вх, а это вызывает уменьшение К_ст и КПД стабилизатора. Существует оптимальное значение R₀, при котором КПД максимален. КПД параметрических стабилизаторов низкий (не более 20  30%).

Существует несколько алгоритмов расчета стабилизаторов в зависимости от исходных данных: на оптимальный КПД, на заданный К_ст, на максимальный К_ст при заданных U_вх и U_вых. Более подробно с расчетом стабилизаторов можно ознакомиться в /25, 26/.