Сглаживающий фильтр своими руками
Обновлено: 05.07.2024
Усилитель мой от рождения уже обладал весьма почётным уровнем подавления пульсаций напряжения питания (PSRR - англ. - Power Supply Rejection Ratio). Блок питания я снабдил емкостями щедро, да ещё заряжаются они "мягко" (простенький трюк, но не о нём сейчас). В общем, по всем прикидкам усилитель должен был получиться абсолютно тихим. Т.е. уровень "гудежа" 100Гц по идее ниже всех слышимых пределов. И в недорогих тестовых наушниках, да днём - так и было. Но тут послушал я его глубокой ночью, да в любимых Sennheiser HD580. Гудит. Ненавязчиво, почти незаметно. Слышно, естественно, только без сигнала и на выкрученной на полную громкости. Если бы делал для себя - наверное, так бы и оставил.
Из идеологических соображений я ни в какую не хотел применять петлевые ООС в аналоговой части, даже в стабилизаторах питания. Немножко попахивает high-end'ным экстремизмом, ну да вот так мне тогда "упёрлось", а к своим прихотям надо относиться уважительно! 😉 Посему возможность применить интегральные стабилизаторы была отринута на корню. Решил добавить "виртуальную батарею", по слухам придуманную ещё в прошлом столетии инженерами фирмы Technics. А по сути же - простой истоковый (или эмиттерный) повторитель в питании, на вход которого подано отфильтрованное это же самое напряжение питания. Ещё это чудо электронной мысли иногда называют "Электронный Дроссель", "Усилитель или Умножитель Ёмкости", а так же "Устройство Защиты и Фильтрации", или "УЗФ", хотя защищать на практике надо его самого.
Кстати, в Сети гуляет немало вариантов, более (а чаще) менее грамотных. Для начала приведу базовую схему фильтра. Критиковать альтернативные варианты сейчас не буду. Если что вызвало удивление - пишите, пожалуйста, в комментариях. Может совместно создадим обучающую статью для только-только постигающих искусство схемотехники 😉
Конденсатор С2 должен быть с минимальными утечками. Ёмкость где-нибудь от 1мкФ до. сколько душа пожелает. Можно так же увеличить сопротивление резистора фильтра, мне 1МОм нравится из соображений уменьшения влияния всевозможных утечек. Стабилитрон, что защищает затвор транзистора от пробоя, должен быть на напряжение от 10 до 20 Вольт.
Для пробы впаял в одном, самом важном источнике. Использовал "логический" MOSFET (с низким пороговым напряжением Vgs), так что потеряли мы лишь пару вольт на таком стабилизаторе. Стало существенно тише. Одна беда - фильтрующий конденсатор заряжается до номинального напряжения очень медленно. Теперь вся схема "плывёт" по напряжениям несколько минут после включения. И тут пришло первое "озарение": пульсации питания, которым я "кормлю" повторитель этой самой виртуальной земли - в моем случае сотня милливольт. Два встречно включенных кремниевых диодика, шунтирующие резистор фильтра, никак не повлияют на работу фильтра в установившемся режиме, и в тоже время обеспечат на порядок более быстрый заряд и разряд конденсатора фильтра.
Если же в каком-либо конкретном применении пульсации питающего напряжения на входе фильтра (V+) превышают пару сотен милливольт - всегда можно включить несколько диодов последовательно, или даже стабилитрон.
Как нарисовал - сразу же понял, что дополнительный скромный диод решил мне ещё одну задачку: где взять полевики "L"-типа для более высоковольтных источников (терять четыре-пять вольт - типичный Vgs обычных MOSFET - даже там было жалко). Ведь теперь Vds на полевом транзисторе никогда не превысит его собственного Vgs при заданных токах нагрузки плюс падение на диоде. Значит можно использовать низковольтные полевики, которых у меня оказалось в достатке, и для высоковольтного питания.
Те же два диода (или стабилитрон) кардинально решают ещё более серьёзную проблему, особенно остро стоящую в по-настоящему высоковольтных источниках, где народ применяет эти самые "виртуальные батареи" безо всякой защиты. Там при неудачном стечении обстоятельств на повторителе может рассеиваться мгновенная мощность в сотни ватт. Любой, даже непомерно большой (для требуемых рабочих режимов) транзистор разлетается в пыль. Диоды исключают подобные ситуации, эффективно ограничивая падение напряжения на повторителе. Правда, теперь не получится использовать тот же фильтр ещё и для задержки подачи анодного напряжения - ну да это меня мало беспокоило. Во-первых аппарат был не ламповый. Во-вторых то, как народ это дело обычно использует - подачу-то анодного при включении прибора такой фильтр задерживал, а вот снятие высокого напряжения при отключении питания он ни разу не ускорял. Так что задачку о правильном соотношении во времени подачи и снятия накального и анодного напряжений мы сейчас рассматривать не будем.
На этом мысль останавливаться не пожелала. Мне-то была нужна ещё схема автоматики, которая будет эффективно защищать нагрузку (дорогие аудиофильские наушники) от всевозможных перепадов напряжения, которые неизбежны при включении и выключении аппарата. Если задержку при включении сделать может и ребёнок, то как определить момент выключения без пристального мониторинга "сырого", несглаженного огромными емкостями фильтров, напряжения питания? Да вот же он, отличный монитор! Причём реагировать будет не только на On/Off, но и на любые достаточно резкие броски питания. Вместо диодов включаем эмиттерные переходы транзисторов. Коллекторы соединяем вместе и заводим на схему автоматики, с условием, что она не заберёт большого тока.
Итого, простой фильтр пульсаций удалось усовершенствовать:
- Быстрый выход на рабочий режим (заряд и разряд фильтрующего конденсатора) при сохранении потенциально очень большой постоянной времени фильтра
- Возможность использовать низковольтные полевые транзисторы для фильтрации любого напряжения
- Полная защита полевого транзистора и от пробоя затвора, и от неожиданных перегрузок
- Практически бесплатные детекторы резких скачков напряжения питания (в обе стороны) - в каждом стабилизированном источнике
Кстати, датчик бросков и включения-выключения питания оказался чересчур чувствительный - отлавливал броски от включения утюга в соседней комнате. Пришлось добавить пару диодов и резистор. Вот теперь автоматика стала отрабатывать идеально, быстро и без ложных тревог.
Если Вам, дорогой читатель, данный фильтр нужен для высокого напряжения - необходимо лишь выбрать конденсаторы на соответствующее напряжение (с запасом!) В остальном фильтр без изменений будет отлично работать и в высоковольтной цепи. Если тема интересна - есть ещё куда совершенствоваться. Так что если будет интерес - будет ещё статья, уже с прицелом на ламповую технику, фильтр с дополнительной защитой; а так же обсудим эффективные приёмы по уменьшению эрозии катода.
Кстати, наверняка даже такой пустяк можно запатентовать. Если есть кто из моих читателей грамотный в патентном деле - научите? 😉 А лучше просто поделитесь статьёй с друзьями-электронщиками. Мне будет приятно, и им, надеюсь - полезно.
Автор программы — Москатов Евгений Анатольевич из города Таганрога Ростовской области.
Сглаживающий фильтр (смотрите рис. 1) включается между выпрямителем и нагрузкой для уменьшения переменной составляющей (пульсации) выпрямленного напряжения.
Реактивные фильтры представляют собой соединённые определённым образом дроссели и конденсаторы. На входе фильтра помимо постоянной составляющей присутствует ещё и переменная составляющая, называемая пульсацией напряжения. Эта пульсация велика относительно допустимой для питаемой нагрузки, и непосредственное питание нагрузки от источника питания бывает невозможно. При питании аппаратуры пульсация напряжения резко ухудшает, а чаще вообще нарушает работу устройств, внося искажения и помехи. Это относится к пульсации напряжения, вызванной работой системы зажигания в автомобилях; пульсации, вызванной работой источника питания компьютера и приводящей к помехам телевизорам, радиоприёмникам и прочим бытовым электроприборам. Для уменьшения пульсаций напряжения используют 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 S = ε1 / ε2, причем ε1 и ε2 определяют как коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра соответственно.
Для емкостного фильтра, у которого вход и выход фактически совпадают, под ε1 понимают коэффициент пульсаций до подключения фильтра, а под ε2 — 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 экспонентой с постоянной времени t = RhC. 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 T= L/Rh, 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.
Н а практике используют также следующие типы фильтров (рис. 2.80): индуктивно-емкостной или Г-образный LC-фильтр (а), Г-образный RС-фильтр (б), П-образный LС-фильтр (в), П-образный RС-фильтр (г).
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.
Внешние характеристики выпрямителей с фильтрами.
Внешняя характеристика— 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.
Рассмотрим типичные внешние характеристики (рис. 2.81), которые получают, изменяя сопротивление нагрузки, подключенное к выходу фильтра.
Наклон внешней характеристики при том или ином токе 1ср характеризуют выходным сопротивлением Rвыx, которое определяется выражением Rвыx = | dUср/dIср|Iср − заданный
Чем меньше величина Rвыx, тем меньше выходное напряжение зависит от выходного тока, что обычно и требуется.
Как следует из рис. 2.81, выпрямитель с RC-фильтром характеризуется повышенным выходным сопротивлением. Здесь отрицательную роль играет резистор фильтра.
Выпрямленный ток и напряжение на нагрузочном сопротивлении являются пульсирующими. Для сглаживания пульсаций параллельно нагрузочному сопротивлению можно включить конденсатор. Для более совершенного сглаживания пульсации вместо одного конденсатора между выпрямителем и нагрузочным сопротивлением R включают сглаживающий фильтр из элементов L и С. Схема такого сглаживающего фильтра и схема двухполупериодного выпрямителя с фильтром показаны на рисунке. Конденсаторы С1 и С2, включенные в параллельные ветви сглаживающего фильтра, имеют емкость, равную нескольким единицам или десяткам микрофарад. Дроссель со стальным сердечником, включенный в последовательную ветвь, имеет индуктивность порядка нескольких единиц или десятков генри.
Сопротивления этих элементов зависят от частоты: сопротивление дросселя незначительно для постоянной составляющей и большое для переменной составляющей тока. Конденсатор, наоборот, не пропускает постоянный ток и его сопротивление незначительно для переменной составляющей тока. Переменная составляющая тока проходит через конденсатор C1, сопротивление которого значительно меньше сопротивления дросселя L. Постоянная составляющая тока проходит через дроссель L и нагрузочное сопротивление R, на котором выделяется выпрямленное напряжение.
Сопротивление конденсатора С2 для переменной составляющей тока значительно меньше сопротивления R. Поэтому часть переменной составляющей тока, проходящая через дроссель L, ответвляется через конденсатор С2. Таким образом, переменная составляющая тока, которая является вредной, не допускается на нагрузочное сопротивление фильтром. Рассмотренный фильтр называется однозвенным. Применяют также сглаживающие фильтры, состоящие из нескольких звеньев. В сглаживающих фильтрах широко используют электролитические конденсаторы, рассчитанные на соответствующие напряжения. Дроссель фильтра имеет стальной сердечник с числом витков, равным нескольким тысячам. Широко применяется упрощенная схема фильтра, в которой вместо дросселя L включено сопротивление Rф, равное нескольким тысячам или десяткам тысяч ом. Такую схему применяют лишь при малых токах, так как на сопротивлении Rф происходит некоторая потеря постоянного напряжения.
Выпрямленное напряжение U2 зависит от величины тока нагрузки I. Эта зависимость U 2 =k(I) при неизменной напряжении питания называется нагрузочной или внешней характеристикой выпрямителя. Как видно из рисунка, при увеличении тока нагрузки выпрямленное напряжение уменьшается. Это обусловлено тем, что с увеличением тока увеличивается падение напряжения в обмотках силового трансформатора, кенотронах и на дросселе фильтра. Например, если потребляемый ток изменяется от I1 до I2, то выходное напряжение будет изменяться от U’2 доU''2. Наибольший допустимый ток в нагрузке определяется наибольшим допустимым выпрямленным током. Нижним пределом тока является работа выпрямителя вхолостую при отключенном сопротивлении нагрузки. Если нагрузка включена через фильтры типа LC, то выходное напряжение выпрямителя повышается и достигает амплитуды переменного напряжения на анодах кенотрона.
Если в сглаживающем фильтре выпрямителя применяют электролитические конденсаторы, то имеется опасность их пробоя при отключенной нагрузке, так как они имеют малый запас электрической прочности. Поэтому нужно следить за тем, чтобы напряжение на электролитических конденсаторах не оказалось больше допустимого.
Поделитесь полезными схемами
Принцип регулирования скорости вращения электроприводов постоянного тока основан на регулировании среднего значения напряжения, подводимого к двигателю. Импульсное регулирование позволяет создавать приводы с высокими энергетическими показателями.
Недавно у меня из строя вышел паяльник который был приобретен несколько дней назад. Китайские производители завоевали рынок своими не слишком качественными изделиями, уделяя особое внимание на внешний вид устройства, так что если решите себе новый паяльник купить, крайне не советую покупать тот, который на фотографиях, больше недели работать не будет - это десятый подобный паяльник который ломается!
Как самому сделать блок простейший питания, с изменяемым по желанию напряжением на выходе.
Несложный 100 ваттный ВЧ усилитель мощности радиопередатчика на транзисторе 2SC2782.
Многие даже не задумывались над тем, чем онлайн казино лучше реальных залов. Не нужно искать по всему городу зал и ехать туда, нет огромной очереди к автомату. Все, что нужно – это найти хорошее казино и наслаждаться игрой.
Читайте также: