• Изучив этот раздел, вы должны уметь:
• Опишите принципы работы накопительного конденсатора в базовых источниках питания.
• • Действие накопительного конденсатора.
• • Влияние накопительного конденсатора на постоянную составляющую.
• • Влияние накопительного конденсатора на ток диода.
• Опишите принципы работы фильтра нижних частот, используемого в базовых источниках питания.
• • LC-фильтры.
• • Радиоуправляемые фильтры.

Компоненты фильтра

Типовую схему фильтра источника питания можно лучше понять, разделив схему на две части: накопительный конденсатор и фильтр нижних частот. Каждая из этих частей способствует удалению оставшихся импульсов переменного тока, но по-разному.

Накопительный конденсатор

Рис. 1.2.1 Накопительный конденсатор

На рис. 1.2.1 показан электролитический конденсатор, используемый в качестве накопительного конденсатора, названного так потому, что он действует как временное хранилище выходного тока источника питания. Выпрямительный диод подает ток для зарядки накопительного конденсатора в каждом цикле входной волны. Накопительный конденсатор большой электролитический, обычно на несколько сотен, а то и на тысячу и более микрофарад, особенно в БП сетевой частоты. Это очень большое значение емкости требуется, потому что накопительный конденсатор при зарядке должен обеспечивать постоянный ток, достаточный для поддержания стабильного выхода блока питания при отсутствии входного тока; то есть в промежутках между положительными полупериодами, когда выпрямитель не проводит.

Действие накопительного конденсатора на полупериодную выпрямленную синусоиду показано на рис. 1.2.2. Во время каждого цикла напряжение переменного тока на аноде выпрямителя увеличивается до Vpk. В какой-то момент, близкий к Vpk, анодное напряжение превышает катодное, выпрямитель проводит ток и течет импульс тока, заряжая накопительный конденсатор до значения Vpk.

Рис. 1.2.2 Действие накопительного конденсатора

Как только входная волна проходит Vpk, напряжение на аноде выпрямителя падает ниже напряжения конденсатора, выпрямитель смещается в обратном направлении и проводимость прекращается. Цепь нагрузки теперь питается только от накопительного конденсатора (отсюда необходимость в большом конденсаторе).

Конечно, несмотря на то, что накопительный конденсатор имеет большую емкость, он разряжается, питая нагрузку, и его напряжение падает, но ненамного. В какой-то момент во время следующего цикла сетевого ввода входное напряжение выпрямителя становится выше напряжения на частично разряженном конденсаторе, и резервуар снова заряжается до пикового значения Vpk.

Пульсации переменного тока

Величина, на которую накопительный конденсатор разряжается в каждом полупериоде, определяется током, потребляемым нагрузкой. Чем выше ток нагрузки, тем больше разряд, но при условии, что потребляемый ток не является чрезмерным, количество переменного тока, присутствующего на выходе, значительно снижается. Обычно размах оставшегося переменного тока (называемого пульсацией, поскольку волны переменного тока теперь значительно уменьшены) будет составлять не более 10% выходного напряжения постоянного тока.

Выход постоянного тока выпрямителя без накопительного конденсатора составляет либо 0,637 Впик для двухполупериодного выпрямителя, либо 0,317 Впик для однополупериодного. Добавление конденсатора увеличивает уровень постоянного тока выходной волны почти до пикового значения входной волны, как видно из рис. 1.1.9.

Чтобы получить наименьшую пульсацию переменного тока и самый высокий уровень постоянного тока, представляется разумным использовать накопительный конденсатор максимально возможной емкости. Однако есть загвоздка. Конденсатор обеспечивает ток нагрузки большую часть времени (когда диод не проводит ток). Этот ток частично разряжает конденсатор, поэтому вся энергия, потребляемая нагрузкой в ​​течение большей части цикла, должна компенсироваться за очень короткое оставшееся время, в течение которого диод проводит ток в каждом цикле.

Формула, связывающая заряд, время и ток, гласит:

Q = It

Заряд (Q) конденсатора зависит от количества тока (I), протекающего за время (t).

Следовательно, чем короче время зарядки, тем больший ток должен обеспечить диод для его зарядки. Если конденсатор очень большой, его напряжение почти не будет падать между зарядными импульсами; это создаст очень небольшую пульсацию, но потребует очень коротких импульсов гораздо более высокого тока для зарядки накопительного конденсатора. И входной трансформатор, и выпрямительные диоды должны обеспечивать этот ток. Это означает использование более высокого номинального тока для диодов и трансформатора, чем это было бы необходимо при меньшем накопительном конденсаторе.

Следовательно, есть преимущество в уменьшении емкости накопительного конденсатора, что позволяет увеличить имеющиеся пульсации, но это можно эффективно устранить, используя фильтр нижних частот и ступени регулятора между накопительным конденсатором и нагрузкой.

Это влияние увеличения размера резервуара на ток диода и трансформатора следует учитывать при любых операциях по техническому обслуживанию; замена накопительного конденсатора на больший номинал, чем в оригинальной конструкции, «для уменьшения шума сети» может показаться хорошей идеей, но может привести к повреждению выпрямительного диода и/или трансформатора.

При двухполупериодном выпрямлении характеристики накопительного конденсатора по устранению пульсаций переменного тока значительно лучше, чем при однополупериодном, при том же размере накопительного конденсатора амплитуда пульсаций примерно вдвое меньше, чем при однополупериодных источниках питания, потому что при двухполупериодном цепей периоды разрядки короче, поскольку накопительный конденсатор перезаряжается с удвоенной частотой по сравнению с полуволновой конструкцией.

Фильтры нижних частот

Несмотря на то, что пригодный к использованию источник питания может быть изготовлен с использованием только накопительного конденсатора для устранения пульсаций переменного тока, обычно необходимо также включать фильтр нижних частот и/или ступень регулятора после накопительного конденсатора для устранения любых оставшихся Пульсации переменного тока и улучшение стабилизации выходного напряжения постоянного тока в условиях переменной нагрузки.

Рис. 1.2.3 LC-фильтр

Рис.

Для удаления пульсаций, остающихся после накопительного конденсатора, можно использовать LC- или RC-фильтры нижних частот. LC-фильтр, показанный на рис. 1.2.3, более эффективен и дает лучшие результаты, чем RC-фильтр, показанный на рис. для эффективной работы в диапазоне частот от 50 до 120 Гц должны быть большие и дорогие ламинированные или тороидальные сердечники. Однако в современных конструкциях, использующих импульсные источники питания, где любые пульсации переменного тока имеют гораздо более высокие частоты, можно использовать катушки индуктивности с ферритовым сердечником гораздо меньшего размера.

Фильтр нижних частот пропускает низкие частоты, в данном случае постоянный ток (0 Гц), и блокирует более высокие частоты, будь то 50 или 120 Гц в базовых схемах или десятки кГц в конструкциях с переключаемым режимом.

Реактивное сопротивление (X _C ) конденсатора в любом из фильтров очень мало по сравнению с сопротивлением резистора R или реактивным сопротивлением дросселя X _L на частоте пульсаций. В конструкциях RC сопротивление R должно быть довольно низким, поскольку через него должен проходить весь ток нагрузки, может быть несколько ампер, выделяя значительное количество тепла. Таким образом, типичное значение должно составлять 50 Ом или меньше, и даже при этом значении обычно необходимо использовать большой проволочный резистор. Это ограничивает эффективность фильтра, так как соотношение между сопротивлением R и реактивным сопротивлением конденсатора не превышает примерно 25:1. Тогда это будет типичным коэффициентом уменьшения амплитуды пульсаций. При включении фильтра нижних частот на резисторе теряется некоторое напряжение, но этот недостаток компенсируется лучшими характеристиками пульсаций, чем при использовании только накопительного конденсатора.

LC-фильтр работает намного лучше, чем RC-фильтр, потому что можно сделать соотношение между X _C и X _L намного больше, чем соотношение между X _C и R. Обычно соотношение в LC-фильтре может быть 1:4000, что дает гораздо лучшее подавление пульсаций, чем фильтр RC. Кроме того, поскольку сопротивление катушки индуктивности по постоянному току в LC-фильтре намного меньше, чем сопротивление R в RC-фильтре, проблема выделения тепла большим постоянным током в LC-фильтрах значительно снижается.

С помощью комбинированного накопительного конденсатора и фильтра нижних частот можно удалить 95% или более пульсаций переменного тока и получить выходное напряжение, близкое к пиковому напряжению входной волны. Однако простой блок питания, состоящий только из трансформатора, выпрямителя, резервуара и фильтра нижних частот, имеет некоторые недостатки.

Рис. 1.2.5 Адаптер постоянного тока

Выходное напряжение блока питания имеет тенденцию к падению по мере увеличения тока, потребляемого с выхода. Это связано с:

а. Накопительный конденсатор разряжается сильнее с каждым циклом.

б. Большее падение напряжения на резисторе или дросселе в фильтре нижних частот при увеличении тока.

Эти проблемы можно в значительной степени решить, включив каскад регулятора на выходе источника питания, как описано в Модуле 2 источников питания.