3.2 Расчёт сглаживающего «rc» фильтра

Расчёт сглаживающей ёмкости:

С = 1мкФ;

P₀ – Необходимая мощность;

f₀ – Фильтруемая частота;

∆U – Диапазон пульсаций 0.1 – 0.3В.

Фильтры используются для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Простейшим фильтром является конденсатор большой емкости, подключаемый к выходу выпрямителя. Обычно в качестве такового используют оксидные (электролитические) конденсаторы емкостью от нескольких десятков" до нескольких тысяч микрофарад.

Однако степень сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения емкостным фильтром при больших токах нагрузки оказывается недостаточной.

Для повышения уровня сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходу выпрямителя подключают более сложные фильтры, в состав которых помимо конденсаторов входят резисторы, дроссели, электронные лампы или транзисторы. Чтобы определить, какой фильтр лучше, вводят специальный параметр – коэффициент сглаживания:

Элементы фильтра:

R1 = 4.7кОм;

С1 = 100 мКф х 50В;

С2 = 100 мКф х 50В.

4 Стабилизатор напряжения

Стабилизаторы – это устройства для автоматического поддержания постоянства значения электрического напряжения на входах приёмников электрической энергии (стабилизатор напряжения) или силы тока в их цепях (стабилизатор тока) независимо от колебаний напряжения в питающей сети и величины нагрузки. Стабилизатор обеспечивает нагрузку стабилизированным напряжением только в том случае, если сетевое напряжения находится в определённых пределах. Если сетевое напряжение выйдет за эти пределы (значительные превышения напряжения, равно как его кратковременные глубокие провалы или полное отсутствие), стабилизатор отключит питаемые электроприборы и они обесточатся.

Стабилизаторы бывают одно– и трёхфазные с мощностями от 100 ВА до 250 кВА и выше. Так же классифицируются на стабилизаторы постоянного и переменного тока:

– Линейный стабилизатор

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности Pрасс = (Uin – Uout) * It рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, т. е. должен быть установлен на радиатор нужной площади. Преимущество линейного стабилизатора – простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.

В зависимости от расположения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы делятся на два типа:

– Последовательный (регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой).

– Параллельный(регулирующий элемент включен параллельно нагрузке).

В зависимости от способа стабилизации:

– Параметрический (в таком стабилизаторе используется участок ВАХ прибора, имеющий большую крутизну).

– Компенсационный (имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента).

– Импульсный стабилизатор.

В импульсном стабилизаторе ток от нестабилизированного внешнего источника подаётся на накопитель (обычно дроссель) короткими импульсами, при этом запасается энергия, которая затем высвобождается в нагрузку в виде электрической энергии, но уже с другим напряжением. Стабилизация осуществляется за счёт управления длительностью импульсов и пауз между ними – широтно–импульсной модуляции. Импульсный стабилизатор, по сравнению с линейным, обладает значительно более высоким КПД. Недостатком импульсного стабилизатора является наличие импульсных помех в выходном напряжении.

В отличие от линейного стабилизатора, импульсный стабилизатор может преобразовывать входное напряжение произвольным образом (зависит от схемы стабилизатора):

– Понижающий стабилизатор (выходное стабилизированное напряжение всегда ниже входного и имеет ту же полярность).

– Повышающий стабилизатор (выходное стабилизированное напряжение всегда выше входного и имеет ту же полярность).

– Повышающе–понижающий стабилизатор (выходное напряжение стабилизировано, может быть как выше, так и ниже входного и имеет ту же полярность. Такой стабилизатор применяется в случаях, когда входное напряжение незначительно отличается от требуемого и может изменяться, принимая значение как выше, так и ниже необходимого).

– Инвертирующий стабилизатор (выходное стабилизированное напряжение имеет обратную полярность относительно входного, абсолютное значение выходного напряжения может быть любым).

– Феррорезонансные стабилизаторы

Во времена СССР получили широкое распространение бытовые феррорезонансные стабилизаторы напряжения. Обычно через них подключали телевизоры. В телевизорах первых поколений применялись сетевые блоки питания с линейными стабилизаторами напряжения (а в некоторые цепи и вовсе питались нестабилизированным напряжением), которые не всегда справлялись с колебаниями напряжения сети, особенно в сельской местности, что требовало предварительной стабилизации напряжения. С появлением телевизоров 4УПИЦТ и УСЦТ, имевших импульсные блоки питания, необходимость в дополнительной стабилизации напряжения сети отпала.

Феррорезонансный стабилизатор состоит из двух дросселей: с ненасыщаемым сердечником (имеющим магнитный зазор) и насыщенным, а также конденсатора. Особенность ВАХ насыщенного дросселя в том, что напряжение на нём мало изменяется при изменении тока через него. Подбором параметров дросселей и конденсаторов можно обеспечить стабилизацию напряжения при изменении входного напряжения в достаточно широких пределах, но незначительное отклонение частоты питающей сети очень сильно влияло на характеристики стабилизатора.

– Современные стабилизаторы

В настоящее время основными типами стабилизаторов являются:

– электродинамические сервоприводные (механические);

– статические (электронные переключаемые);

– компенсационные (электронные плавные).

Модели производятся как в однофазном (220/230 В), так и трёхфазном (380/400 В) исполнении, мощность их от нескольких сотен ватт до нескольких мегаватт. Трёхфазные модели выпускаются двух модификаций: с независимой регулировкой по каждой фазе или с регулировкой по среднефазному напряжению на входе стабилизатора.

Выпускаемые модели также различаются по допустимому диапазону изменения входного напряжения, который может быть, например, таким: ±15%, ±20%, ±25%, ±30%, –25%/+15%, –35%/+15% или –45%/+15%. Чем шире диапазон (особенно в отрицательную сторону), тем больше габариты стабилизатора и выше его стоимость при той же выходной мощности.

Важной характеристикой стабилизатора напряжения является его быстродействие, то есть чем выше быстродействие, тем быстрее стабилизатор отреагирует на изменения входного напряжения. Быстродействие это промежуток времени (миллисекунды) за которое стабилизатор способен изменить напряжение на один вольт. У разного типа стабилизаторов разная скорость быстродействия, например у электродинамических быстродействие 12...18 мс/В, статические стабилизаторы обеспечат 2 мс/В, а вот у электронных, компенсационного типа этот параметр 0,75 мс/В.

Ещё одним важным параметром является точность стабилизации выходного напряжения. Согласно ГОСТ 13109–97 предельно допустимое отклонение напряжения питания ±10% от номинального. Точность современных стабилизаторов напряжения колеблется в диапазоне от 2% до 8%. Точности в 8% вполне хватает для обеспечения исправной работы абсолютного большинства бытовой и промышленной электротехники. Более жесткие требования (2–3%) обычно предъявляются для питания сложного оборудования (медицинское, высокотехнологичное и подобное). Важным потребительским параметром является способность сохранения заявленных параметров при перегрузках по мощности.

Конструктивно микросхемы 142ЕН5А–142ЕН5Г, 142ЕН8А–142ЕН8В, 142EН9А–142EН9В. К142ЕН8А–К142ЕН8Е, К142ЕН9А–К142ЕН9Е оформлены в прямоугольном металлокерамическом корпусе 4116.4–2 с четырьмя пластинчатыми выводами. Для отвода тепла и крепления микросхемы предусмотрен фланец с двумя крепежными отверстиями. Микросхемы КР142ЕН5А–КР142ЕН5Г, КР142ЕН8А–КР142ЕН8Е выпускают в прямоугольном полимерном корпусе.

Рисунок 2 – микросхема КР(К)142ЕН8Б

Характеристика микросхемы КР(К)142ЕН8Б:

– (В) – 14,5–35 В;

– (В) – 11,64–12,36 В;

– (А) – 1,5 А;

– (В) – 2,5 В – Минимальное падение напряжения на стабилизаторе;

– (Вт) – 9 Вт – Рассеиваемая мощность при от –60 до +80 ;

– (%/В) – 0,05%/В – Коэффициент нестабильности по напряжению;

– (%/А) – 1%/А – Коэффициент нестабильности по току;

– (дБ) – 30дБ – Коэффициент сглаживания пульсаций на частоте 1кГц.