Сглаживающие фильтры

Выпрямленное напряжение имеет существенные пуль­сации, поэтому широко используют сглаживающие филь­тры — устройства, уменьшающие эти пульсации. Важней­шим параметром сглаживающего фильтра является

коэффициент сглаживания S. По определению

причем e₁ и e₂ определяют как коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра соответственно.

Для емкостного фильтра, у которого вход и выход фак­тически совпадают, под e₁ понимают коэффициент пуль­саций до подключения фильтра, а под e₂ — коэффици­ент пульсаций после его подключения. Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьша­ет пульсации. На выходе фильтра напряжение оказывает­ся хорошо сглаженным, а коэффициент пульсаций может иметь значения в диапазоне 0,001 .... 0,00003.

Простейшим фильтром является емкостной фильтр (С-фильтр). Рассмотрим его работу на примере однофаз­ного однополупериодного выпрямителя (рис. 2.78). Емко­стной фильтр подключают параллельно нагрузке (рис. 2.78, а).

На отрезке времени t₁ … t₂ диод открыт и конденсатор заряжается (рис. 2.78, б). На отрезке t₂ ... t₃ диод закрыт, источник входного напряжения отключен от конденсатора и нагрузки. Разряд конденсатора характеризуется экспо-нентой с постоянной времени t = R_H С. Ток через диод протекает только часть полупериода (отрезок t₁ … t₂). Чем короче отрезок t₁ … t₂, тем больше амплитуда тока диода при заданном среднем токе нагрузки. Если емкость С очень велика, то отрезок t₁ … t₂ оказывается очень малым, а амплитуда тока диода очень большой, и диод может вый­ти из строя. Такой фильтр широко используется в мало­мощных выпрямителях; в мощных выпрямителях он ис­пользуется редко, так как режим работы диода и соответствующих электрических цепей (к примеру, обмо­ток трансформатора) достаточно тяжел.

В качестве фильтра можно использовать и индуктив­ность. Легко доказать, что индуктивный фильтр (L-фильтр) практически не дает полезного эффекта в однофазном однополупериодном выпрямителе. Рассмотрим работу индуктивного фильтра на примере однофазного мостово­го выпрямителя. Индуктивный фильтр включают после­довательно с нагрузкой (рис. 2.79, а). Часто используют

 

катушку индуктивности (реактор) на магнитном сердеч­нике с зазором.

Предположим, что постоянная времени t, определя­емая выражением, достаточно велика (как это

обычно бывает на практике). Тогда ток нагрузки оказыва­ется практически постоянным (рис. 2.79, б). Такой фильтр широко используется в выпрямителях, особенно мощных. Режим работы диодов (и соответствующих электрических цепей) не является тяжелым.

На практике используют также следующие типы филь­тров (рис. 2.80); индуктивно-емкостной или Г-образный LС-фильтр (а), Г-образный RС-фильтр (б), П-образный LС-фильтр (в), П-образный RС-фильтр (г).

Рассмотрим типичные внешние характеристики (рис. 2.81), которые получают, изменяя сопротивление нагруз­ки, подключенное к выходу фильтра. Наклон внешней характеристики при том или ином токе I_ср характеризуют

выходным сопротивлением R_вых, которое определяется выражением

 

Обычно Г- и П-образные RC-фильтры применяются только в маломощных схемах, так как они потребляют значительную долю энергии. На практике применяют и другие, более сложные фильтры.

Рассмотрим внешние характеристики выпрямителей с фильтрами. Внешняя характеристику — это зависимость среднего значения выходного напряжения (напряжения на нагрузке) от среднего значения выходного тока (тока нагрузки). При увеличении выходного тока выходное на­пряжение уменьшается из-за увеличения падения напря­жения на обмотках трансформатора, диодах, подводящих проводах, элементах фильтра.

Чем меньше величина R_вых, тем меньше выходное на­пряжение зависит от выходного тока, что обычно и тре­буется.

Как следует из рис. 2.81, выпрямитель с RС-фильтром характеризуется повышенным выходным сопротивлением. Здесь отрицательную роль играет резистор фильтра.

2.10.3. Стабилизаторы напряжения

Важнейшими параметрами стабилизатора напряжения являются коэффициент стабилизации К_СТ, выходное со­противление R_вых и коэффициент полезного действия h_СТ

Коэффициент стабилизации определяют из выражения

где и_вых, и_вх — постоянные напряжения соответственно на входа и выходе стабилизатора;

Dи_вх — изменение напряжения и_вх;

Dи_вых — изменение напряжения и_вых, соответствующее

изменению напряжения Dи_вх.

Таким образом, коэффициент стабилизации — это от­ношение относительного изменений напряжения на вхо­де к соответствующему относительному изменению на­пряжения на выходе стабилизатора. Чем больше коэффициент стабилизации, тем меньше изменяется вы­ходное напряжение при изменении входного. У простей-ших стабилизаторов величина К_ст составляет единицы, а у более сложных — сотни и тысячи.

Выходное сопротивление стабилизатора определяется выражением

где Dи_вых — изменение постоянного напряжения на выхо­де стабилизатора;

Di_вых - изменение постоянного выходного тока стаби­лизатора, которое вызвало изменение выходного на­пряжения.

Выходное сопротивление стабилизатора является вели­чиной, аналогичной выходному сопротивлению выпрями­теля с фильтром. Чем меньше выходное сопротивление, тем меньше изменяется выходное напряжение при изме­нении тока нагрузки. У простейших стабилизаторов вели­чина R_вых составляет единицы Ом, а у более совершен­ных — сотые и тысячные доли Ома. Необходимо отметить, что стабилизатор напряжения обычно резко уменьшает пульсации напряжения.

Коэффициент полезного действия стабилизатора h_CT — это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку Р_н, к мощности, потребляемой от входного источника напряже­ния P_вых

Традиционно стабилизаторы разделяют на параметри­ческие и компенсационные.

Параметрические стабилизаторы являются простейши­миустройствами, в которых малые изменения выходного напряжения достигаются за счет изменения электронных приборов с двумя выводами, характеризующихся ярко выраженной нелинейностью вольтамперной характери­стики. Рассмотрим схему параметрического стабилизато­ра на основе стабилитрона (рис. 2.82). Проанализируем данную схему (рис. 2.82, а), для чего вначале ее преобра­зуем, используя теорему об эквивалентном генераторе (рис. 2.82, б). Проанализируем графически работу схемы, построив на вольтамперной характеристике стабилитро­на линии нагрузки для различных значений эквивалент-

 

ного напряжения, соответствующих различным значени­ям входного напряжения (рис. 2.82, в). Из графических построений очевидно, что при значительном изменении эквивалентного напряжения и_э (на Dи_э), а значит, и вход­ного напряжения и_вх, выходное напряжение изменяется на незначительную величину Dи_вых. Причем, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона (т. е. чем более горизонтально идет характеристика стабилитрона), тем меньше Dи_вых Определим основные параметры такого стабилизатора, для чего в исходной схеме стабилитрон за­меним его эквивалентной схемой и введем во входную цепь (рис. 2.82, г) источник напряжения, соответствующий из­менению входного напряжения Dи_вх (на схеме пунктир):

Обычно параметрические стабилизаторы используют для нагрузок от нескольких единиц до десятков миллиам­пер. Наиболее часто они используются как источники опорного напряжения в компенсационных стабилизаторах напряжения.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Ха­рактерными элементами компенсационного стабилизато­ра являются источник опорного (эталонного) напряжения (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ).

Напряжение на выходе стабилизатора или некоторая
часть этого напряжения постоянно сравнивается с эталон-
ным напряжением. В зависимости от их соотношении
сравнивающим и усиливающим элементом вырабатывает-
ся управляющий сигнал для регулирующего элемента
изменяющий его режим работы таким образом, чтобы
напряжение на выходе стабилизатора оставалось практи-
чески постоянным.

В качестве ИОН обычно используют ту или иную элек-
тронную цепь на основе стабилитрона, в качестве СУЭ
часто используют операционный усилитель, а в качестве
РЭ — биполярный или полевой транзистор. Чаще всего
регулирующий элемент включают последовательно с на
грузкой. В этом случае стабилизатор называют последова-
тельным (рис. 2.83, а). Иногда регулирующий элемент
включают параллельно нагрузке, и тогда стабилизатор на-
зывают параллельным (рис. 2,83, б, здесь СУЭ и ИОН с
целью упрощения не показаны). В параллельном стабили-
заторе используется балластное сопротивление R_б, вклю-
чаемое последовательно с нагрузкой.

В зависимости от режима работы регулирующего эле­мента стабилизаторы разделяют на непрерывные и им­пульсные (ключевые, релейные). В непрерывных стабили­заторах регулирующий элемент (транзистор) работает в активном режиме, а в импульсных — в импульсном.

Рассмотрим типичную принципиальную схему непре­рывного стабилизатора (рис. 2.84, а). Эта схема соответ­ствует приведенной выше структурной схеме последова­тельного стабилизатора. Для того, чтобы выполнить наиболее просто анализ этой схемы на основе тех допу-

щений, которые были рассмотрены при изучении опера- ционного усилителя, изобразим эту схему по-другому. При этом цепи питания операционного усилителя для упроще­ния рисунка изображать не будем. Из схемы (рис. 2.84, б) очевидно, что на элементах R₂, R₃, DA и VT построен не-инвертирующий усилитель на основе ОУ с выходным кас­кадом в виде эмиттерного повторителя на транзисторе VT, а входным напряжением для него является выходное на­пряжение параметрического стабилизатора напряжения на элементах R₁ и VD. В соответствии с указанными выше допущениями получаем:

Подставляя выражение для i_R2 в предыдущее уравнение, получим

следовательно,

Последнее выражение в точности повторяет соответ­ствующие выражения для неинвертирующего усилителя (входным напряжением является напряжение и_CT).

Полезно отметить, что ООС охватывает два каскада — на операционном усилителе и на транзисторе. Рассматри­ваемая схема является убедительным примером, демонст­рирующим преимущество общей отрицательной обратной связи по сравнению с местной.

Основным недостатком стабилизаторов с непрерывным регулированием является невысокий КПД, поскольку зна-

чительный расход мощности имеет место в регулирующем элементе, так как через него проходит весь ток нагрузки, а падение напряжения на нем равно разности между вход­ным и выходным напряжениями стабилизатора.

В конце 60-х годов стали выпускать интегральные мик­росхемы компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием (серия К142ЕН). В эту се­рию входят стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением, с регулируемым выходным напряжением и двухполярным и входным и выходным напряжениями. В тех случаях, когда через нагрузку необходимо пропускать ток, превышающий предельно допустимые значения ин­тегральных стабилизаторов, микросхему дополняют вне­шними регулирующими транзисторами.

Некоторые параметры интегральных стабилизаторов приведены в табл. 2.1, а вариант подключения к стабили-

Таблица 2.1

 

Тип	Uвх, В	Uвых, В	IН, A	Рмакс, Вт
К142ЕН1Б		3+12	0,15	0,8
К142ЕН2Б		12 + 30	0,15	0,8
К142УНЗ; 4		15 + 30
К142ЕН5А
К142ЕН6	±30	±15	0,2

затору К142ЕН1 внешних элементов — на рис. 2.85. Ре­зистор R предназначен для срабатывания защиты по току,

a R₁ — для регулирования выходного напряжения. Мик­росхемы К142УН5, ЕН6, ЕН8 являются функционально законченными стабилизаторами с фиксированным выход­ным напряжением, но не требуют подключения внешних элементов.

Импульсные стабилизаторы напряжения в настоящее время получили распространение не меньшее, чем непре­рывные стабилизаторы. Благодаря применению ключево­го режима работы Шиловых элементов таких стабилизато­ров, даже при значительной разнице в уровнях входных и выходных напряжений можно получить КПД, равный 70 - 80 %, в то время как у непрерывных стабилизаторов он составляет 30 - 50%. В силовом элементе, работающем в ключевом режиме, средняя за период коммутации мощ­ность, рассеиваемая в нем, значительно меньше, чем в непрерывном стабилизаторе, так как хотя в замкнутом со­стоянии ток, протекающий через силовой элемент, мак­симален, однако падание напряжения на нем близко к нулю, а в разомкнутом состоянии ток, протекающий че­рез него, равен нулю, хотя напряжение максимально. Та­ким образом, в обоих случаях рассеиваемая мощность не­значительна и близка к нулю.

Малые потери в силовых элементах приводят к умень­шению или даже исключению охлаждающих радиаторов, что значительно уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того, использование импульсного стабилизатора позволяет в ряде случаев исключить из схемы силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, что также улучшает показатели стабилизаторов.

К недостаткам импульсных источников питания отно­сят наличие пульсаций выходного напряжения.

Рассмотрим импульсный последовательный стабилиза­тор напряжения (рис. 2.86). Ключ Апериодически вклю­чается и выключается схемой управления (СУ) в зависи­мости от значения напряжения на нагрузке. Напряжение на выходе регулируют, изменяя отношение t_вкл / t_выкл , где t_{вкл ,}

t_выкл — длительности отрезков времени, на которых ключ находится соответственно во включенном и выключенном состояниях. Чем больше это отношение, тем больше на­пряжение на выходе. В качестве ключа S часто использу­ют биполярный или полевой транзистор. Диод обеспечи­вает протекание тока катушки индуктивности тогда, когда ключ выключен и, следовательно, исключает появление опасных выбросов напряжения на ключе в момент ком­мутации. JLC-фильтр снижает пульсации напряжения на выходе.