4 Проектирование выпрямителей

4.1 Выходной фильтр

Выходной фильтр преобразует выпрямленные прямоугольные колебания переменного тока в выходной постоянный ток. Прямоходовые преобразователи имеют двухполюсный LC-фильтр, который производит постоянный ток величины, равной половине высоты прямоугольной волны выпрямленного тока. В повышающих преобразователях используется однополюсный, емкостный входной фильтр, производящий постоянное напряжение, равное максимальному напряжению выпрямленной волны. Оба преобразователя являются фильтрами с реактивным сопротивлением и характеризуются очень малыми потерями.

Первым в прямоходовом преобразователе проектируется дроссель выходного фильтра (L_o). Ключевым проектным фактором является конструкция индуктора для работы в режиме непрерывного тока. Типичная величина максимального тока через индуктор составляет 150% от номинального выходного тока. Типичный ток долины (минимума) составляет около 50% от номинального выходного тока.

Важным моментом с точки зрения функционирования системы является перекрестная стабилизация выходов. Перекрестная стабилизация – это коррекция выходных напряжений, когда изменяется нагрузка на одном или более выходах. Проявлением плохой перекрестной стабилизации является случай, когда считывающий выход нагружен, а на несчитывающих выходах существенно повышается напряжение. Для улучшения перекрестной стабилизации в прямоходовых преобразователях можно использовать методику сдвоенных дросселей выходного фильтра со взаимной магнитной связью. В соответствии с этой методикой два индуктора выходного фильтра под напряжениями комплементарных выходов (плюс-минус 5 В и т. п.) размещаются на одном и том же сердечнике, что значительно улучшает перекрестную стабилизацию этих двух выходов и существенно снижает пульсацию выходного напряжения .

Расчет для конденсатора выходного фильтра (С_о) производится одинаково, как для прямоходового, так и для повышающего выходных каскадов. Эту емкость просто определить на основании того, какой требуется размах напряжения пульсаций на выходе. Напряжение пульсаций на выходе – это небольшое переменное напряжение с прямоугольной формой волны поверх выходного постоянного напряжения. Для прямоходовых преобразователей можно ожидать типичный размах напряжения пульсации на выходе 30 мВ. На выходах повышающего преобразователя это значение обычно составляет 150 мВ. Если некоторому выходу соответствуют схемы, чувствительные к пульсациям, то проектировщик должен рассмотреть вопрос о размещении после конденсатора выходного фильтра дополнительного каскада фильтра постоянного тока. Для расчета конденсатора выходного фильтра используется формула:

, (4.1.1)

где I_out(max) – номинальный выходной ток для данного выхода, A;

∂_min – наименьший оценочный рабочий цикл при высоковольтной входной линии и малой нагрузке (хорошая оценка – 0,3);

V_{ripple(pk-pk)} – желаемая величина размаха напряжения пульсации на выходе, В.

Правильный выбор конденсатора чрезвычайно важен – особенно для обратноходовых преобразователей. Это связано с тем, что такие преобразователи не имеют индуктивного сопротивления между собой и выпрямителем. Это позволяет втекать в конденсатор и вытекать из него токам очень высоких мгновенных величин. Такой переменный ток большой силы протекает через эквивалентное последовательное сопротивление ESR (equivalent series resistance) и эквивалентную последовательную индуктивность ESL (equivalent series inductance) конденсатора. Сопротивление ESR приводит к нагреванию конденсатора, укорачивая срок его службы и добавляя дополнительные пульсации напряжения к теоретической величине, используемой в формуле (4.1.1). Индуктивность ESL добавляет резкие ступенчатые функции и всплески к теоретической форме волны напряжения пульсации. Танталовые конденсаторы лучше оксидно-электролитических алюминиевых, поскольку имеют лучшие характеристики ESR и ESL. В повышающих преобразователях размах переменных токов пульсации, втекающих в конденсатор фильтра, описывается приближенной формулой (4.1.2). Преобразование этой величины в значение RMS, которое дают производители конденсаторов, может представлять собой трудную математическую задачу, поэтому в качестве приблизительного значения RMS используйте примерно 33% от величины размаха пульсаций.

, (4.1.2)

где I_out(av) – среднее значение выходного тока, А.

Производители конденсаторов только начали специфицировать использование их конденсаторов в высокочастотных импульсных источниках питания, поэтому при выборе конденсаторов для этой цели следует быть внимательными. Значение ESR должно быть специфицировано по частоте, превышающей 1 кГц.

Для правильного проектирования емкости для выходного каскада следует разместить достаточное количество конденсаторов параллельно, так, чтобы каждый конденсатор работал на 70..80% своего максимального номинального тока пульсации. Суммарная величина емкости конденсаторов должна равняться окончательному подсчитанному значению C_total, но емкость каждого конденсатора должна составлять, где n – количество параллельно включенных конденсаторов.

В конце концов, разработчик должен испытать окончательный проект, проверив его на предмет пульсаций выходного напряжения и повышения температуры каждого конденсатора.

Параллельно с конденсаторами большей емкости можно также включить высокочастотный конденсатор. Это связано с тем, что оксидно-электролитические алюминиевые и танталовые конденсаторы не могут поглощать составляющие тока очень высокой частоты. Для этой цели хорошо подходит керамический конденсатор емкостью 0,01..0,1 мкФ.