Сглаживающие фильтры

Для питания электронной аппаратуры допускается пульсация напряжения, не превышающая долей процента, однако на выходе выпрямителей пульсации значительно больше. Для их уменьшения применяют сглаживающие фильтры, которые должны максимально уменьшить (подавить) переменные составляющие и с возможно меньшими потерями пропустить постоянную составляющую выпрямленного напряжения.

Простейшим фильтром служит конденсатор С₀, включённый на выходе выпрямителя параллельно нагрузке R_Н, как показано на рисунке 6А, который запасает энергию, заряжаясь во время возрастания напряжения выпрямителя, и отдаёт её, разряжаясь на сопротивление нагрузки, когда оно снижается. На рисунке 6Б показана форма напряжения U_C на конденсаторе C₀ (а значит, и на параллельно включённой нагрузке R_Н) при двухполупериодном выпрямителе.

Рисунок 6

Для более эффективного снижения пульсаций применяют П-образный LC-фильтр, показанный на рисунке 7. П-образный фильтр состоит из двух конденсаторов С₀ , С_ф и катушки индуктивности L_ф , называемой дросселем.

Рисунок 7.

Индуктивное сопротивление дросселя L_ф :

,

где ω – круговая частота переменной составляющей выпрямленного напряжения.

Индуктивное сопротивление дросселя L_ф должно быть значительно больше R_H для того, чтобы переменные составляющие выпрямленного напряжения с частотами пульсаций от основной ω и выше, «задерживались» фильтром в виде падения напряжения на X_L , не достигая нагрузки.

Емкостное сопротивление конденсаторов X_C = 1/ (ω С_Ф) должно быть значительно меньше, чем R_H , для того, чтобы переменные составляющие выпрямленного тока замыкались через Х_С , минуя R_H. При этом постоянная составляющая тока, для которой X_L = 0, Х_С = ∞, не создает падения напряжения на L_ф и не замыкается через С_Ф , целиком поступая в нагрузку.

Недостатком LC-фильтра является громоздкость и трудность изготовления индуктивности в микроэлектронном исполнении.

Основным параметром любого сглаживающего фильтра является коэффициент пульсаций, который показывает во сколько раз пульсации до фильтра больше чем после фильтра.

Линейные стабилизаторы напряжения

Стабилизатором напряжения называется устройство, автоматически поддерживающее напряжение на нагрузке при изменении в определенных пределах таких дестабилизирующих факторов, как напряжение первичного источника, сопротивление нагрузки, температура окружающей среды.

Существует два вида стабилизаторов – параметрические и компенсационные.

Параметрический стабилизатор использует элементы, в которых напряжение остается неизменным при изменении протекающего через них тока. Такими элементами являются стабилитроны, в которых при изменении тока в очень широких пределах падение напряжения изменяется на доли процента. Параметрические стабилизаторы применяются, как правило, в качестве источников опорного (эталонного) напряжения. Схема параметрического стабилизатора напряжения представлена на рисунке 8.

Рисунок 8.

Принцип работы компенсационного стабилизатора основан на сравнении фактического напряжения на нагрузке с эталонным и увеличении или уменьшении в зависимости от этого отклонения выходного напряжения. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа представлена на рисунке 9А, а принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа представлена на рисунке 9Б.

Эталонное напряжение формируется источником опорного напряжения (ИОН). В сравнивающем элементе (СЭ) происходит сравнение напряжения на нагрузке с эталонным и выработка управляющего сигнала рассогласования. Этот сигнал усиливается усилителем (У) и подается на регулирующий элемент (РЭ), который обеспечивает такое изменение выходного напряжения, которое приводит к приближению фактического напряжения на нагрузке к эталонному значению.

Рисунок 9

В простейшем компенсационном стабилизаторе (Рисунок 9Б) опорным напряжением является напряжение U_CT стабилитрона VD, а сравнивающим элементом, усилителем и одновременно регулирующим элементом – транзистор VT.

Поскольку нагрузка транзистора VT в цепи эмиттера, то это схема с общим коллектором и выходное напряжение определяется по формуле:

Режим работы транзистора выбирают таким образом, чтобы исходная рабочая точка располагалась на середине линейного участка его входной характеристики. Напряжение U_ЭБ при этом для кремниевого транзистора составит ≈ 0,7 В.

Предположим, что по каким-либо причинам напряжение на нагрузке U_ВЫХ уменьшилось. Это приведет к увеличению падения напряжения

U_ЭБ = U_СТ - U_ВЫХ , что, в свою очередь, увеличит степень открытия транзистора. В результате падение напряжения на транзисторе U_КЭ уменьшится, а, значит, увеличится напряжение на нагрузке U_ВЫХ = U_ВХ – U_КЭ , и в итоге напряжение на нагрузке восстановится. Аналогичное восстановление выходного напряжения произойдет и при его увеличении. Только в этом случае произойдет уменьшение степени открытия транзистора и соответствующее увеличение падающего на нем напряжения U_КЭ .

Транзистор включен по схеме с общим коллектором и его выходным напряжение является U_СТ . Так как I_Б << I_H , схема позволяет отдавать в нагрузку значительную мощность. Коэффициент стабилизации такой схемы составляет К_СТ = 150…300. В рассмотренной схеме сигнал рассогласования формируется на самом регулирующем транзисторе. Более высокую степень стабилизации обеспечивают схемы, в которых на базу регулирующего транзистора поступает предварительно усиленный сигнал рассогласования. В рассмотренных стабилизаторах напряжения регулирующий транзистор всегда открыт, а само регулирование осуществляется путем изменения степени его открытия, т.е. линейно. Поэтому такие стабилизаторы называются линейными.

Более современными являются стабилизаторы напряжения, выполненные в виде интегральных микросхем. Именно такой стабилизатор напряжения используется в учебном стенде и представлен на рисунке 10.

Рисунок 10

Основными параметрами, характеризующими стабилизатор напряжения, являются:

1. Коэффициент стабилизации К_СТ, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора:

,

где U_ВХ и U_ВЫХ – номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора, ΔU_ВХ и ΔU_ВЫХ – изменение напряжений на входе и выходе стабилизатора.

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

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

, при U_ВХ = const.

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