Как сделать пульсирующее напряжение

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 04.10.2024

Электрический ток — это Самый простой способ его получения — энергия природных сил.

В данном примере от энергии ветра. Природный феномен дующего с различной силой ветра люди научились использовать давно. Укрощает ветер простой ветряк, оборудованный приводом и соединённый с генератором. Генератор и вырабатывает электрическую энергию.

Излишки тока при постоянном использовании ветряка можно накапливать в аккумуляторных батареях. Выработанный постоянный экологически чистый ток в быту и производстве не применяется.

Полученный и преобразованный в переменный ток, он идет для бытового использования. Накопленные излишки электричества хранятся в аккумуляторных батареях. При отсутствии ветра запасы электричества, хранящиеся в аккумуляторах, преобразуются и поступают на нужды человека.

Последствия от поражения током

Небрежность в обращении с электроприборами может, мягко говоря, негативно сказаться на здоровье человека. Поэтому не стоит экспериментировать с электричеством, если на то нет специальных навыков.

Действие тока на человека зависит от нескольких факторов:

сопротивления тела самого потерпевшего;
напряжения, под которое попал человек.
от силы тока на момент контакта человека с электричеством.

С учетом всего перечисленного можно сказать, что действие переменного тока намного опаснее, чем постоянного. Имеются данные экспериментов, подтверждающие факт, что для получения равного результата при поражении сила постоянного тока должна быть в четыре — пять раз выше, чем переменного.

Сама природа переменного тока отрицательно сказывается на работе сердца. При поражении током происходит непроизвольное сокращение сердечных желудочков. Это может привести к его остановке. Особенно опасно соприкосновение с оголенными жилами людям, имеющим сердечный стимулятор.

У постоянного тока частота отсутствует. Но высокие напряжение и сила тока могут привести также к летальному исходу. Выйти из под контакта с постоянным электрическим током проще, чем из-под контакта с переменным.

Этот небольшой обзор природы электрического тока, его преобразования должен быть полезен людям, далеким от электричества. Минимальные познания в области происхождения и работы электроэнергии помогут понять суть работы обычных бытовых приборов, которые так необходимы для комфортной и спокойной жизни.

Давайте для начала уточним, что мы подразумеваем под “постоянным напряжением”. Как гласит нам Википедия, постоянное напряжение (он же и постоянный ток) – это такой ток, параметры,свойства и направление которого не изменяются со временем. Постоянный ток течет только в одном направлении и для него частота равна нулю.

Осциллограмму постоянного тока мы с вами рассматривали в статье Осциллограф. Основы эксплуатации :

Как вы помните, по горизонтали на графике у нас время

(ось Х), а по вертикали напряжение (ось Y).

Для того, чтобы преобразовать переменное однофазное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение меньшего (можно и большего) значения, мы используем простой однофазный трансформатор . А для того, чтобы преобразовать в постоянное пульсирующее напряжение

, мы с вами после трансформатора подключали Диодный мост . На выходе получали постоянное пульсирующее напряжение. Но с таким напряжением, как говорится, погоду не сделаешь.

Но как же нам из пульсирующего постоянного напряжения

получить самое что ни на есть настоящее постоянное напряжение?

Для этого нам нужен всего один радиокомпонент: конденсатор.

А вот так он должен подключаться к диодному мосту:

В этой схеме используется важное свойство конденсатора: заряжаться и разряжаться. Конденсатор с маленькой емкостью быстро заряжается и быстро разряжается. Поэтому, для того, чтобы получить почти прямую линию на осциллограмме, мы должны вставить конденсатор приличной емкости.

Зависимость пульсаций от емкости конденсатора

Давайте же рассмотрим на практике, зачем нам надо ставить конденсатор большой емкости. На фото ниже у нас три конденсатора различной емкости:

Рассмотрим первый. Замеряем его номинал с помощью нашего LC – метр . Его емкость 25,5 наноФарад или 0,025микроФарад.

Цепляем его к диодному мосту по схеме выше

И цепляемся осциллографом:

Как вы видите, пульсации все равно остались.

Ну что же, возьмем конденсатор емкостью побольше.

Получаем 0,226 микрофарад.

Цепляем к диодному мосту также, как и первый конденсатор снимаем показания с него.

А вот собственно и осциллограмма

Не… почти, но все равно не то. Пульсации все равно видны.

Берем наш третий конденсатор. Его емкость 330 микрофарад. У меня даже LC-метр не сможет ее замерить, так как у меня предел на нем 200 микрофарад.

Цепляем его к диодному мосту снимаем с него осциллограмму.

А вот собственно и она

Ну вот. Совсем ведь другое дело!

Итак, сделаем небольшие выводы:

– чем больше емкость конденсатора на выходе схемы, тем лучше. Но не стоит злоупотреблять емкостью! Так как в этом случае наш прибор будет очень габаритный, потому что конденсаторы больших емкостей как правило очень большие. Да и начальный ток заряда будет огромным, что может привести к перегрузке питающей цепи.

– чем низкоомнее будет нагрузка на выходе такого блока питания, тем больше будет проявляться амплитуда пульсаций. С этим борются с помощью , а также используют интегральные стабилизаторы напряжения , которые выдают чистейшее постоянное напряжение.

Видео

Как преобразовать из постоянного в переменный ток?

Инве́ртор — устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением величины напряжения. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде, или дискретного сигнала.

Какое явление используется в работе генератора переменного тока?

Диодный мост

Интересный материал для ознакомления: что нужно знать об устройстве силового трансформатора.

Например. Вышел из строя один из диодов моста, если будет стоять сборка, то ее смело выкидываем, а если мост будет собран из четырех диодов прямо на плате — меняем неисправный диод и все готово. На принципиальных схемах диодный мост обозначают включением четырех диодов в мостовую схему, как показано в левой части нижнего рисунка: здесь, диоды являются как бы плечами выпрямительного моста. Такое графическое обозначение моста можно встретить еще в старых журналах по радиотехнике. Однако, на сегодняшний день, в основном, диодный мост обозначают в виде ромба, внутри которого расположен значок диода, указывающий только на полярность выходного напряжения. Теперь рассмотрим работу диодного моста на примере низковольтного выпрямителя. В таком выпрямителе, с использованием четырех диодов, во время каждой полуволны работают поочередно два диода противоположных плеч моста, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов.

Диодный мост.

Что такое электрический ток и напряжение

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц (носителей электрического заряда). Носителями электрического тока являются электроны (в металлах и газах), катионы и анионы (в электролитах), дырки при электронно-дырочной проводимости. Данное явление проявляется созданием магнитного поля, изменением химического состава или нагреванием проводников. Основными характеристиками тока являются:

сила тока, определяемая по закону Ома и измеряемая в Амперах (А), в формулах обозначается буквой I;
мощность, согласно закону Джоуля-Ленца, измеряемая в ваттах (Вт), обозначается буквой P;
частота, измеряемая в герцах (Гц).

Электрический ток, как носитель энергии используют для получения механической энергии с помощью электродвигателей, для получения тепловой энергии в отопительных приборах, электросварке и нагревателях, возбуждения электромагнитных волн различной частоты, создания магнитного поля в электромагнитах и для получения световой энергии в осветительных приборах и различного рода лампах.

Напряжение – это работа, совершаемая электрическим полем для перемещения заряда в 1 кулон (Кл) из одной точки проводника в другую. Исходя из данного определения, все-таки сложно осознать, что же такое напряжение.

Чтобы заряженные частицы перемещались от одного полюса к другому, необходимо создать между этими полюсами разность потенциалов (именно она и именуется напряжением). Единицей измерения напряжения является вольт (В).

Для окончательного понимания определения электрического тока и напряжения, можно привести интересную аналогию: представьте, что электрический заряд — это вода, тогда давление воды в столбе – это и есть напряжение, а скорость потока воды в трубе – это сила электрического тока. Чем выше напряжение, тем больше сила электрического тока.

Что такое переменный ток

Если менять полярность потенциалов, то направление протекания электрического тока меняется. Именно такой ток и называется переменным. Количество изменений направления за определенный промежуток времени называется частотой и измеряется, как уже было сказано выше, в герцах (Гц). Например, в стандартной электрической сети в нашей стране частота равна 50 Гц, то есть направление движения тока за секунду меняется 50 раз.

Что такое постоянный ток

Когда упорядоченное движение заряженных частиц имеет всегда только одно направление, то такой ток именуется постоянным. Постоянный ток возникает в сети постоянного напряжения, когда полярность зарядов с одной и другой стороны постоянна во времени. Его очень часто используют в различных электронных устройствах и технике, когда не требуется передача энергии на большое расстояние.

Зависимость пульсаций напряжения от емкости конденсатора

Рассмотрим первый. Замеряем его номинал с помощью нашего LC — метр. Его емкость 25,5 наноФарад или 0,025микроФарад.

Цепляем его к диодному мосту по схеме выше

И цепляемся осциллографом:

Как вы видите, пульсации все равно остались.

Ну что же, возьмем конденсатор емкостью побольше.

Получаем 0,226 микрофарад.

Цепляем к диодному мосту также, как и первый конденсатор снимаем показания с него.

А вот собственно и осциллограмма

Не… почти, но все равно не то. Пульсации все равно видны.

Цепляем его к диодному мосту снимаем с него осциллограмму.

А вот собственно и она

Ну вот. Совсем ведь другое дело!

Итак, сделаем небольшие выводы:

— чем больше емкость конденсатора на выходе схемы, тем лучше. Но не стоит злоупотреблять емкостью! Так как в этом случае наш прибор будет очень габаритный, потому что конденсаторы больших емкостей как правило очень большие. Да и начальный ток заряда будет огромным, что может привести к перегрузке питающей цепи.

— чем низкоомнее будет нагрузка на выходе такого блока питания, тем больше будет проявляться амплитуда пульсаций. С этим борются с помощью пассивных фильтров, а также используют интегральные стабилизаторы напряжения, которые выдают чистейшее постоянное напряжение.

Переменный ток и его свойства

Переменный ток циклически меняет направление и силу, характеризуется следующими параметрами:

частота. Число циклов (периодов) в секунду. Например, частота тока в сети составляет 50 Гц;
амплитуда. Максимальное отклонение напряжения и силы тока от нуля. Так, сетевое напряжение 50 раз в секунду меняет значение от -311 В до 311 В;

действующее значение

Переменный ток уступает постоянному в следующем:

он менее качественный. Так, сварной шов получается более прочным и надежным, если сварка осуществлялась постоянным током. Качественнее работает и электроника;
при частоте в 50 Гц — более опасен. Нарушения в организме вызывает уже при силе в 50 мА, тогда как постоянный — при силе в 300 мА. Однако, с повышением частоты переменный ток становится уже не таким опасным. Так, выдающийся изобретатель Никола Тесла на публичных опытах пропускал через себя переменный ток большого напряжения (светилась зажатая в руке лампа), предварительно подняв его частоту до нескольких мегагерц;
сопротивление проводников переменному току выше, чем постоянному. Разъяснение этому будет дано ниже.

Но есть у переменного тока и полезная особенность: создаваемое им магнитное поле также является переменным, а значит, оно способно наводить в проводниках ЭДС (закон электромагнитной индукции).

Переменный ток делает возможным работу таких устройств:

трансформаторы. За счет повышения напряжения значительно сокращаются потери в линиях электропередач;
индукционные нагреватели;
дроссельные фильтры. Дроссель — катушка. Создаваемое ею переменное магнитное поле противодействует переменному току, то есть дроссель выступает в качестве сопротивления. От индуктивности катушки зависит частота тока, которому она сильнее всего противодействует. Эта особенность позволяет глушить дросселем высокочастотные помехи в сети.

Наличием переменного магнитного поля объясняется и упомянутое выше увеличение сопротивления проводника. В нем полем также наводится ЭДС, противодействующая данному переменному току. Эта ЭДС выше в центре проводника, где сконцентрированы силовые линии поля, соответственно, носители заряда вытесняются наружу (поверхностный или скин-эффект).

В итоге вместо всего сечения проводника ток пропускает только некоторая его часть, отчего и возрастает сопротивление. Еще отличие переменного тока от постоянного — способность протекать по цепи с последовательно включенным конденсатором. Для постоянного тока разрыв между обкладками непреодолим, тогда как переменный протекает почти свободно, заряжая обкладки то с одним, то с другим знаком.

Конденсатор, как и катушка, каждый раз накапливает энергию и затем возвращает ее в цепь, так что он тоже оказывает переменному току сопротивление, которое зависит от емкости конденсатора.

Обвал цен 3060 Ti после разговоров о запрете крипты

Сглаживающие фильтры питания.
Сглаживающие фильтры питания предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Принцип работы простой – во время действия полуволны напряжения происходит заряд реактивных элементов (конденсатора, дросселя) от источника – диодного выпрямителя, и их разряд на нагрузку во время отсутствия, либо малого по амплитуде напряжения.
Основные схемы сглаживающих фильтров питания.

Простейшим методом сглаживания пульсаций является применение фильтра в виде конденсатора достаточно большой ёмкости, шунтирующего нагрузку (сопротивление нагрузки). Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие:
1 / (ωС) Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен или telegram-канал @overclockers_news - это удобные способы следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.

Пульсация (в частности, пульсация напряжения ) в электронике - это остаточное периодическое изменение напряжения постоянного тока в источнике питания, полученное от источника переменного тока (AC). Эта пульсация возникает из-за неполного подавления переменного сигнала после исправления. Пульсации напряжения возникают на выходе выпрямителя или при генерации и коммутации постоянного тока.

Пульсация (в частности, пульсирующий ток или импульсный ток ) также может относиться к импульсному потреблению тока нелинейными устройствами, такими как выпрямители с конденсаторным входом.

Помимо этих изменяющихся во времени явлений, существует пульсация в частотной области, которая возникает в некоторых классах фильтров и других сетях обработки сигналов . В этом случае периодическое изменение - это изменение вносимых потерь в сети при увеличении частоты . Вариация не может быть строго линейно-периодической. В этом же смысле пульсацию обычно следует рассматривать как случайный эффект, поскольку ее существование является компромиссом между величиной пульсации и другими проектными параметрами.

Пульсация - это бесполезная трата энергии и имеет много нежелательных эффектов в цепи постоянного тока: она нагревает компоненты, вызывает шум и искажения и может привести к неправильной работе цифровых схем. Пульсации можно уменьшить с помощью электронного фильтра и устранить с помощью регулятора напряжения .

СОДЕРЖАНИЕ

Пульсации напряжения

Неидеальную форму волны постоянного напряжения можно рассматривать как составную часть постоянной составляющей постоянного тока (смещения) с наложенным переменным (AC) напряжением - пульсирующим напряжением. Составляющая пульсаций часто мала по величине по сравнению с составляющей постоянного тока, но в абсолютном выражении пульсации (как в случае систем передачи HVDC ) могут составлять тысячи вольт. Сама пульсация представляет собой составную (несинусоидальную) форму волны, состоящую из гармоник некоторой основной частоты, которая обычно является исходной частотой сети переменного тока, но в случае импульсных источников питания основная частота может составлять от десятков килогерц до мегагерц. Характеристики и составляющие пульсаций зависят от их источника: бывает однофазное полу- и двухполупериодное выпрямление, а также трехфазное полу- и двухполупериодное выпрямление. Выпрямление может быть управляемым (используются кремниевые управляемые выпрямители (SCR)) или неконтролируемым (используются диоды). Кроме того, имеется активное выпрямление, использующее транзисторы.

Электронный фильтр с высоким импедансом на частоте пульсаций может использоваться для уменьшения напряжения пульсаций и увеличения или уменьшения выхода постоянного тока; такой фильтр часто называют сглаживающим фильтром .

Первым шагом в преобразовании переменного тока в постоянный является пропускание переменного тока через выпрямитель . В этой ситуации выходное пульсирующее напряжение очень велико; размах пульсаций напряжения равен пиковому напряжению переменного тока за вычетом прямого напряжения диодов выпрямителя. В случае кремниевого диода SS прямое напряжение составляет 0,7 В; для ламповых выпрямителей прямое напряжение обычно находится в диапазоне от 25 до 67 В (5R4). Выходное напряжение представляет собой синусоидальную волну с инвертированными отрицательными полупериодами. Уравнение:

Разложение функции Фурье:

При рассмотрении ряда Фурье становятся очевидными несколько важных свойств:

постоянный (самый большой) член должен быть постоянным напряжением. 2 V А C п π >>>>>
основная (частота линии) отсутствует
расширение состоит только из четных гармоник основной
амплитуда гармоник пропорциональна где - порядок гармоники 1 п 2 >>> п
термин для гармоники второго порядка часто используется для представления всего напряжения пульсаций, чтобы упростить вычисления. 4 V А C п 3 π потому что ⁡ ( 2 ω т ) >>>> \ cos (2 \ omega t)>

Коэффициент использования трансформатора составляет:

Фильтрация

Уменьшение пульсаций - лишь одно из нескольких основных соображений при проектировании фильтров источника питания. Фильтрация пульсаций напряжения аналогична фильтрации других видов сигналов. Однако при преобразовании мощности переменного тока в постоянный, а также при выработке энергии постоянного тока высокие напряжения и токи или и то, и другое могут выводиться как пульсации. Следовательно, большие дискретные компоненты, такие как электролитические конденсаторы с высоким номинальным током пульсаций, большие дроссели с железным сердечником и силовые резисторы с проволочной обмоткой, лучше всего подходят для уменьшения пульсаций до управляемых размеров перед передачей тока на компонент ИС, такой как регулятор напряжения, или на Загрузка. Тип необходимой фильтрации зависит от амплитуды различных гармоник пульсации и требований нагрузки. Так , например, с подвижной катушкой (МС) входная цепь из фоно предусилителя может потребовать, чтобы пульсации не быть уменьшена до не более чем нескольких сот нановольт (10 -9 V). Напротив, зарядное устройство для батареи , являющееся полностью резистивной схемой, не требует какой-либо фильтрации пульсаций. Поскольку желаемый выход - постоянный ток (по существу, 0 Гц), фильтры пульсаций обычно конфигурируются как фильтры нижних частот с шунтирующими конденсаторами и последовательными дросселями. Последовательные резисторы могут заменять дроссели для уменьшения выходного постоянного напряжения, а шунтирующие резисторы могут использоваться для регулирования напряжения.

Фильтрация в источниках питания

Большинство источников питания теперь имеют переключаемый режим. Требования к фильтрации для таких источников питания намного проще удовлетворить из-за высокой частоты пульсаций формы волны. Частота пульсаций в импульсных источниках питания не связана с частотой сети, а скорее кратна частоте цепи прерывателя , которая обычно находится в диапазоне от 50 кГц до 1 МГц.

Конденсаторные и дроссельные входные фильтры

Количество реактивных компонентов в фильтре называется его порядком . Каждый реактивный компонент снижает мощность сигнала на 6 дБ / октаву выше (или ниже для фильтра верхних частот) угловой частоты фильтра, так что, например, фильтр нижних частот 2-го порядка снижает мощность сигнала на 12 дБ / октаву. выше угловой частоты. Резистивные компоненты (включая резисторы и паразитные элементы, такие как DCR дросселей и ESR конденсаторов) также уменьшают мощность сигнала, но их влияние линейно и не зависит от частоты.

Обычное устройство позволяет выпрямителю работать в большом сглаживающем конденсаторе, который действует как резервуар. После пика выходного напряжения конденсатор подает ток на нагрузку и продолжает делать это до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не упадет до значения, которое теперь возрастает в следующем полупериоде выпрямленного напряжения. В этот момент выпрямитель снова проводит ток и подает ток в резервуар, пока снова не будет достигнуто пиковое напряжение.

В зависимости от сопротивления нагрузки

Если постоянная времени RC велика по сравнению с периодом формы сигнала переменного тока, то можно сделать достаточно точное приближение, предположив, что напряжение на конденсаторе падает линейно. Еще одно полезное предположение можно сделать, если пульсации мала по сравнению с напряжением постоянного тока. В этом случае фазовый угол, через который проходит выпрямитель, будет небольшим, и можно предположить, что конденсатор полностью разряжается от одного пика к другому с небольшой потерей точности.

Пульсации напряжения от двухполупериодного выпрямителя до и после применения сглаживающего конденсатора

С учетом приведенных выше предположений напряжение пульсаций от пика до пика можно рассчитать как:

где сумма заряда. Ток и время измеряются от начала разряда конденсатора до минимального напряжения двухполупериодного выпрямленного сигнала, как показано на рисунке справа. Тогда время будет равно половине периода полной волны на входе. Q т т авеню >>

Комбинируя три приведенных выше уравнения для определения, получаем: V pp >>

Таким образом, для двухполупериодного выпрямителя:

Для среднеквадратичного значения пульсационного напряжения расчет более сложен, поскольку форма пульсирующего сигнала влияет на результат. Предположение о пилообразной форме волны аналогично предположениям, приведенным выше. Среднеквадратичное значение пилообразной волны , где находится пик напряжения. При дальнейшем приближении является , это дает результат: V п 3 >> >>> V п >> V п >> V п п 2 >> >>

В зависимости от последовательного дросселя

Другой подход к уменьшению пульсации - использование последовательного дросселя . Дроссель обладает фильтрующим действием и, следовательно, обеспечивает более плавную форму волны с меньшим количеством гармоник высокого порядка . Напротив, выход постоянного тока близок к среднему входному напряжению, в отличие от напряжения на накопительном конденсаторе, которое близко к пиковому входному напряжению. Начиная с члена Фурье для второй гармоники и игнорируя гармоники более высокого порядка,

коэффициент пульсации определяется по формуле:

Это немного меньше 0,483, поскольку гармоники высших порядков не учитывались. (См. Индуктивность .)

Для того, чтобы последовательный дроссель мог непрерывно проводить ток, требуется минимальная индуктивность (которая зависит от сопротивления нагрузки). Если индуктивность упадет ниже этого значения, ток будет прерывистым, а выходное постоянное напряжение повысится от среднего входного напряжения до пикового входного напряжения; в действительности катушка индуктивности будет вести себя как конденсатор. Эта минимальная индуктивность, называемая критической индуктивностью, равна где R - сопротивление нагрузки, а f - частота сети. Это дает значения L = R / 1131 (часто обозначаемые как R / 1130) для выпрямления сети 60 Гц и L = R / 942 для выпрямления сети 50 Гц. Кроме того, прерывание тока в катушке индуктивности вызовет экспоненциальный коллапс ее магнитного потока; при падении тока возникает скачок напряжения, состоящий из очень высоких гармоник, которые могут повредить другие компоненты источника питания или цепи. Это явление называется обратным напряжением . L знак равно р 2 π ( 3 ж ) >>

Комплексный импеданс последовательного дросселя фактически является частью импеданса нагрузки, так что слабо нагруженные цепи имеют повышенную пульсацию (прямо противоположную входному фильтру конденсатора). По этой причине входной фильтр дросселя почти всегда является частью секции LC-фильтра, уменьшение пульсаций которого не зависит от тока нагрузки. Фактор пульсации:

В цепях высокого напряжения / низкого тока резистор может заменить последовательный дроссель в секции LC-фильтра (создавая секцию RC-фильтра). Это имеет эффект уменьшения выходного постоянного тока, а также пульсации. Коэффициент пульсации равен

Точно так же, из-за независимости секций LC-фильтра от нагрузки, за емкостным конденсатором обычно следует конденсатор, в результате чего получается -фильтр нижних частот . -Фильтр дает гораздо более низкий коэффициент пульсаций, чем только конденсаторный или дроссельный входной фильтр. За ним могут следовать дополнительные секции LC- или RC-фильтра для дальнейшего снижения пульсации до уровня, допустимого для нагрузки. Однако использование дросселей в современных конструкциях не рекомендуется по экономическим причинам.

Регулировка напряжения

Более распространенным решением, когда требуется хорошее подавление пульсаций, является использование накопительного конденсатора для уменьшения пульсаций до чего-то управляемого, а затем пропускание тока через схему регулятора напряжения. Схема регулятора не только обеспечивает стабильное выходное напряжение, но и отфильтровывает почти всю пульсацию до тех пор, пока минимальный уровень пульсации не опускается ниже регулируемого напряжения. Импульсные источники питания обычно включают в себя регулятор напряжения как часть схемы.

Регулирование напряжения основано на другом принципе, чем фильтрация: оно основывается на пиковом обратном напряжении диода или серии диодов для установки максимального выходного напряжения; он также может использовать одно или несколько устройств усиления напряжения, таких как транзисторы, для повышения напряжения во время провалов. Из-за нелинейных характеристик этих устройств на выходе регулятора отсутствуют пульсации. Простой регулятор напряжения может быть выполнен с последовательным резистором для падения напряжения, за которым следует шунтирующий стабилитрон, пиковое обратное напряжение которого (PIV) устанавливает максимальное выходное напряжение; при повышении напряжения диод отводит ток для поддержания стабилизации.

Эффекты ряби

Пульсация нежелательна во многих электронных приложениях по ряду причин:

пульсация представляет собой потерянную мощность, которая не может быть использована схемой, требующей постоянного тока
пульсация вызовет нагрев компонентов цепи постоянного тока из-за прохождения тока через паразитные элементы, такие как ESR конденсаторов.
в источниках питания пульсации напряжения требуют, чтобы пиковое напряжение компонентов было выше; пульсации тока требуют, чтобы паразитные элементы компонентов были ниже, а рассеиваемая способность - выше (компоненты будут больше, а качество должно быть выше)
трансформаторы, которые подают пульсирующий ток в емкостные входные цепи, должны иметь номинальные значения ВА, превышающие их номинальную нагрузку (ватт).
Частота пульсаций и ее гармоники находятся в пределах звукового диапазона и, следовательно, будут слышны на таком оборудовании, как радиоприемники, оборудование для воспроизведения записей и профессиональное студийное оборудование.
Частота пульсаций находится в пределах полосы пропускания телевизионного видео. Приемники аналогового телевидения будут отображать узор из движущихся волнистых линий, если присутствует слишком большая рябь.
Наличие пульсации может снизить разрешающую способность электронных контрольно-измерительных приборов. На осциллографе это проявляется в виде видимого рисунка на экране.
В цифровых схемах он снижает порог, как и любая форма шума шины питания, при котором логические схемы выдают неправильные выходные данные и данные искажаются.

Пульсация тока

Пульсации тока - это периодическая несинусоидальная форма волны, полученная от источника переменного тока, характеризующаяся импульсами с узкой полосой пропускания высокой амплитуды. Импульсы совпадают с пиковой или близкой к пиковой амплитудой сопутствующего синусоидального сигнала напряжения.

Пульсации тока приводят к увеличению рассеяния в паразитных резистивных частях цепей, таких как ESR конденсаторов, DCR трансформаторов и катушек индуктивности, внутреннее сопротивление аккумуляторных батарей. Рассеивание пропорционально квадрату тока, умноженного на сопротивление (I 2 R). Среднеквадратичное значение пульсирующего тока может во много раз превышать действующее значение тока нагрузки.

Пульсация в частотной области

Пульсация в контексте частотной области относится к периодическому изменению вносимых потерь в зависимости от частоты фильтра или какой-либо другой двухпортовой сети . Не все фильтры демонстрируют пульсации, некоторые имеют монотонно увеличивающиеся вносимые потери с частотой, такие как фильтр Баттерворта . Обычными классами фильтров, которые демонстрируют пульсации, являются фильтр Чебышева , обратный фильтр Чебышева и эллиптический фильтр . Пульсация обычно не является строго линейно-периодической, как видно из примера графика. Другими примерами сетей, демонстрирующих пульсации, являются схемы согласования импеданса , которые были спроектированы с использованием полиномов Чебышева . Пульсация этих сетей, в отличие от обычных фильтров, никогда не достигнет 0 дБ при минимальных потерях, если они предназначены для оптимальной передачи по всей полосе пропускания в целом.

Величина пульсации может быть изменена на другие параметры в конструкции фильтра. Например, скорость спада от полосы пропускания к полосе задерживания может быть увеличена за счет увеличения пульсации без увеличения порядка фильтра (то есть количество компонентов осталось прежним). С другой стороны, пульсацию можно уменьшить, увеличив порядок фильтра, в то же время поддерживая ту же скорость спада.

Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя). Трансформатор(если он есть) в большинстве также имеет особенности в соединении его обмоток. Пульсирующий ток , как правило не является постоянным по величине в каждое мгновение времени, и когда необходимо иметь более сглаженное его значение, чем полученный после выпрямляющего устройства, применяют фильтры Ф. В случае необходимости выпрямитель дополняют стабилизатором напряжения или тока Ст, который поддерживает их на постоянном уровне, если параметры силовой сети изменяется по разным причинам. Структурную схему завершает нагрузка Н, которая значительно влияет на работу всего устройства и поэтому считается составляющей частью всего преобразователя.

Собственно выпрямителем является та его часть, которая обведена на рисунке выше пунктиром и состоит из трансформатора и выпрямительного устройства.

В этом подразделе рассматриваются выпрямители малой мощности, которые необходимы для обеспечения постоянным напряжением всяких устройств в областях управления, регулирования, усилителях тока, генераторах малой мощности и так далее. Как правило, они питаются от однофазного переменного напряжения 220 или 380 В частотою 50 Гц.

Фильтрация напряжения двухполупериодного выпрямителя

Выходной сигнал, который мы получаем от двухполупериодного выпрямителя, представляет собой пульсирующее постоянное напряжение, которое увеличивается до максимума, а затем уменьшается до нуля.

Чтобы получить напряжение без пульсаций, нам необходимо отфильтровать выходной сигнал. Один из способов сделать это — подключить конденсатор, известный как сглаживающий конденсатор, через нагрузочный резистор, как показано ниже:

Изначально конденсатор не заряжен. В течение первой четверти цикла диод D1 смещен в прямом направлении, поэтому конденсатор начинает заряжаться. Зарядка продолжается до тех пор, пока напряжение не достигнет своего пикового значения. В этот момент напряжение на конденсаторе будет равно Vp.

После того, как входное напряжение достигает своего пика, оно начинает уменьшаться. Как только входное напряжение станет меньше Vp, напряжение на конденсаторе будет выше входного напряжения, которое закроет диод.

Когда диод не проводит, конденсатор разряжается через нагрузку, пока не будет достигнут следующий пик. Когда наступает следующий пик, диод D2 кратковременно открывается и заряжает конденсатор до пикового значения.

Нулевая схема выпрямления

Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на так называемой нулевой схеме. Хотя она сейчас встречается относительно редко (о чем речь пойдет далее), знание физических процессов, которые происходят в этой схеме, очень важны для понимания дальнейшего материала.

Нулевая схема выглядит так:

Трансформатор Тр имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а напряжения на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.

Рассмотрим, как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке. Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Zн=Rн. Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток. Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке Rн. Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.

Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.

Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:

И выпрямленное напряжение Ud будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m-2). Если нагрузка активное сопротивление Rн, то и ток в нем id , будет повторять кривую напряжения.

Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны. Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.

Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:

Выпрямительный мост или схема Гретца

В этом случае первые полупериоды будут работать, например, диоды D2 и D4, а вторые полупериода — D1 и D3. На нагрузке каждый раз будет полная полуволна вторичного напряжения:

Мостовая схема кроме того имеет менее сложный, более легкий и дешевый трансформатор. Как мы увидим далее, у нее есть еще несколько преимуществ.

Интересно, что эта схема появилась исторически раньше нулевой однако распространения не получила, потому что имела во-первых четыре диода вместо двух. Однако главным было не их количество, а то что при работе каждые полупериода ток проходит через два последовательно соединенных диода, на которые падает двойное напряжение. На то время полупроводниковых диодов еще не было, а вакуумные или ртутные имели значительное падение напряжения при прохождении прямого тока, что существенно понижало коэффициент полезного действия. Оказалось, что более сложный трансформатор нулевой схемы, но с одним диодом в кругу выпрямления тока экономично выгоднее, чем мостовая схема с удвоенным числом диодов и двойным расходом энергии на них. И только появление относительно дешевых полупроводниковых диодов с очень маленьким падением прямого напряжения позволило повернуться к мостовым схемам, которая сейчас практически вытеснила нулевую ( в этом при желании можно усмотреть проявление одного из диалектических законов – развитие по спирали).

Основные соотношения для выпрямителя

Выведем некоторые важные формулы, которые описывают процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что заданными величинами являются средние значения напряжения на нагрузку Ud и среднее значение тока в нем Id.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и . Поскольку Ud считаем заданным, то

Амплитудное значение вторичного напряжения

Из предыдущего выражения имеем:

Коэффициент трансформации трансформатора

Этот коэффициент определяет отношения питающей сети к напряжению на обмотке вторичной стороны:

Действующее значение тока вторичной обмотки

Ток вторичной обмотки в то же время есть током в нагрузке. Поскольку нагрузка чисто активная и ток в ней повторяет по форме пульсирующее напряжение, то между его средним значением и его действующим значением существует такая же зависимость, что и для напряжений, то есть

Действующее значение тока первичной обмотки

Ток в первичной обмотке повторяет с учетом n ток вторичной обмотки :

Мощность трансформатора

Мощности первичной и вторичной сторон трансформатора в этой схеме одинаковые, поэтому:

Пульсация выпрямленного напряжения

Пульсирующее напряжение состоит из среднего значения Ud и бесконечного количества гармоничных составляющих, амплитуды которых можно определить по формулам Фурье. Если начало координат выбрать так как на рисунке, то в гармоничном составе будут присутствовать только косинусные гармоники (т.к. кривая симметрична относительна оси координат). Амплитуда k-ой гармоники определяется по формуле:

Где: l – полупериод π/m;

Наибольшую амплитуду будет иметь первая гармоника U(1)m, поэтому определим только ее, предположив, что k=1:

Отношение первой гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций:

Запомним эту формулу на будущее, а сейчас отметим, что в нашем случае при m – 2, q – 2/3. Это большие пульсации – амплитуда первой гармоники составляет 67% от среднего значения выпрямленного напряжения.

Средний ток диодов

Как мы уже видели диоды работают по очереди – каждый из них проводит в среднем половину общего тока , который есть в нагрузке. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ток Iв = Id/2

Сглаживающие фильтры выпрямителей блоков питания.

Ёмкостные, индуктивно-ёмкостные, активные сглаживающие фильтры. Схемы, свойства, онлайн калькулятор.

Потолковали мы основательно на предыдущей странице про разные виды диодных выпрямителей, перебросились парой фраз на тему простейших ёмкостных фильтров, а вопрос достижения параметра коэффициента пульсаций
Кп в пределах 10-5… 10-4 так и повис в воздухе — уж очень немалым получается номинал ёмкости сглаживающего конденсатора.
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения Кп является важнейшим параметром выпрямителя. Его численное значение равно отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей. Напомню выдержку из печатного издания, приведённую на предыдущей странице:

Помимо этого в характеристиках выпрямителей может использоваться и понятие коэффициента фильтрации (коэффициента сглаживания). Коэффициент фильтрации, он же коэффициент сглаживания — величина, численно равная отношению коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра Кс = Кп-вх/Кп-вых . Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

Если же у разработчика нет возможности (либо желания) включать в состав устройства стабилизаторы напряжения, то реальным подспорьем окажутся индуктивно-ёмкостные или активные сглаживающие фильтры.

Начнём с фильтров, выполненных из индуктивных элементов – дросселей и из ёмкостных элементов – конденсаторов. Рис.1

На Рис.1а приведена схема простейшего ёмкостного сглаживающего фильтра. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку.

Для того чтобы не ограничиваться 50-ти герцовыми блоками питания, но и иметь возможность расчёта фильтров импульсных ИБП, приведу универсальные формулы, учитывающие частоту входного сигнала F: С1 = Iн/(3,14×Uн×F×Кп) для однополупериодных выпрямителей и С1 = Iн/(6,28×Uн×F×Кп) — для двухполупериодных. Кп — это коэффициент пульсаций, равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей, а F — частота переменного напряжения на входе диодного выпрямителя.

Переходим к индуктивно-ёмкостным LC фильтрам. ВНИМАНИЕ. Потребность в такого рода цепях возникает исключительно в случаях необходимости получить низкий уровень пульсаций в достаточно мощных сетевых блоках питания, либо в высокочастотных импульсных ИБП. Связано это с тем, что для эффективной работы LC-фильтра, индуктивное сопротивление катушки XL на частоте подавления стремятся сделать значительно больше Rн. А это, в свою очередь, приводит к тому, что в условиях низких частот и малых токов (высоких Rн) индуктивность дросселя получается необоснованно высокой.

Г-образный индуктивно-ёмкостной LC фильтр 2-го порядка (Рис.1б) обладает значительно лучшими фильтрующими свойствами по сравнению с обычным ёмкостным. Произведение LC (Гн*мкФ) зависит от необходимого коэффициента сглаживания фильтра и определяется по приближенной формуле: L1(Гн)×С1(МкФ) = 25000/(F2(Гц)×Кп) для однополупериодных выпрямителей и L1×С1 = 12500/(F2×Кп) — для двухполупериодных, где С1(МкФ)/L1(мГн) = 1000/Rн2(Ом).

Схема П-образного LC-фильтра приведена на Рис.1в. Сглаживающее действие П-образного LC-фильтра можно упрощённо представить как совместное действие двух фильтров, описанных выше, а коэффициент сглаживания — как произведение коэффициентов сглаживания звеньев: ёмкостного и Г-образного индуктивно-ёмкостного. Наилучшими фильтрующими свойствами обладают LC-фильтры Чебышева. Напишем формулу, исходя из рекомендаций, изложенных на странице ссылка на страницу: С1 = С2 ; С1(МкФ)/L1(мГн) = 1176/Rн2(Ом).

Уменьшить напряжение пульсаций на выходе однозвенного П-образного LC-фильтра можно, включив параллельно дросселю L1 неполярный конденсатор С3 (Рис.1г), который вместе с индуктивностью катушки образует режекторный фильтр. Если ёмкость конденсатора С3 выбрать такой, чтобы резонансная частота контура L1-С3 равнялась частоте пульсаций (F при однополупериодном выпрямлении или 2F при двухполупериодном), то большая часть напряжения пульсаций задержится этим контуром и лишь незначительная перейдёт в нагрузку. Итак: С3 = 1/(39,44×L1×F2) для однополупериодных выпрямителей и С3 = 1/(9,86×L1×F2) — для двухполупериодных. Все остальные номиналы элементов — такие же, как в предыдущей схеме.

Давайте сдобрим пройденный материал онлайн таблицей.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ СЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА БЛОКА ПИТАНИЯ.

Транзисторные фильтры по сравнению с ёмкостными сглаживающими фильтрами имеют меньшие габариты, массу и более высокий коэффициент сглаживания пульсаций. Они позволяют уменьшить в десяток раз (при том же уровне пульсаций) номинал сглаживающего конденсатора, либо уменьшить в аналогичное количество раз амплитуду пульсаций при неизменном значении ёмкости.

На Рис.2а представлена схема наиболее распространённого транзисторного фильтра.

Напряжение с высокой амплитудой пульсаций, поступающее на коллектор транзистора, по сути, является напряжением питания эмиттерного повторителя, образованного Т1. В это же самое время цепь базы питается через резисторы смещения и интегрирующую цепь R1C1, которая сглаживает пульсации напряжения на базе. Чем больше постоянная времени T=R1C1, тем меньше пульсации напряжения на базе, а так как устройство представляет собой эмиттерный повторитель, то на выходе фильтра пульсации будут столь же малыми, как и на базе. Для того, чтобы снизить зависимость напряжения на выходе фильтра от уровня передаваемой мощности, ток через делитель R1R2 выбирают в 5…10 раз большим, чем ток, ответвляющийся в базу при минимальном сопротивлении нагрузки. При расчёте номиналов элементов делителя, следует исходить из напряжения на базе транзистора: Uб = Uвх — Uвх пульсаций — (2,5…3В) . В этом случае будет обеспечена работа регулирующего транзистора в активном режиме, а падение напряжения на нём составит величину: Uкэ = Uвх пульсаций + (3,1…3,6В) . Коэффициент полезного действия транзисторного фильтра будет тем больше, чем меньше падание постоянного напряжения на силовом транзисторе. Из формулы видно, что для обеспечения высокого КПД активного сглаживающего фильтра, на вход устройства следует подавать уже отфильтрованное до определённого уровня напряжение. На практике это делается включением на вход простейшего ёмкостного фильтра (Рис.1а), уровень пульсаций которого можно посчитать на приведённом выше калькуляторе.

Эффективность активных сглаживающих фильтров напрямую зависит от величины коэффициента усиления транзистора. Чем выше h21 полупроводника, тем больших величин можно выбрать номиналы резисторов R1, R2 — тем лучшими фильтрующими свойствами будет обладать схема. Поэтому в данной ситуации не стоит даже рассматривать транзисторы с h21

Для дальнейшего улучшения фильтрующих свойств сглаживающего фильтра можно применить двухзвенный RC-фильтр в цепи базы транзистора (Рис.2б). Здесь сумма значений сопротивления резисторов R1 и R2 равна сопротивлению резистора R1 в предыдущем устройстве, а сопротивление резистора R3 равно сопротивлению резистора R2 в фильтре (Рис.2а).

Ещё эффективней будет работать транзисторный фильтр, у которого в цепь базы транзистора вместо R2 (Рис.1а), либо R3 (Рис.1б) включить стабилитрон с напряжением пробоя, равным значению, рассчитанному для резистивного делителя.

Читайте также: