Filtry antyaliasingowe i stabilizatory napięcia

Filtry wygładzające mają na celu redukcję tętnień napięcia wyprostowanego. Wygładzanie tętnienia jest oceniane przez współczynnik wygładzania q.

Głównymi elementami filtrów wygładzających są kondensatory, cewki indukcyjne oraz tranzystory, których rezystancja jest różna dla prądu stałego i przemiennego.

W zależności od typu elementu filtrującego rozróżnia się filtry pojemnościowe, indukcyjne i elektroniczne. W zależności od liczby linków filtrujących filtry dzielą się na single-link i multi-link.

Filtr pojemnościowy to kondensator o dużej pojemności, który jest połączony równolegle z rezystorem obciążenia Rn. Kondensator ma wysoką rezystancję prądu stałego i niską rezystancję prądu przemiennego. Rozważmy działanie filtra na przykładzie obwodu prostownika półfalowego (ryc. 1, a).

Rysunek 1 - Jednofazowy prostownik półfalowy z filtrem pojemnościowym: a) obwód b) schematy czasowe działania

Gdy dodatnia półfala płynie w przedziale czasu t0 — t1 (ryc. 2.63, b), płynie prąd obciążenia (prąd diody) i prąd ładowania kondensatora.Kondensator jest naładowany iw chwili t1 napięcie na kondensatorze przekracza spadek napięcia uzwojenia wtórnego — dioda zamyka się, aw przedziale czasu t1 — t2 prąd w obciążeniu jest dostarczany przez rozładowanie kondensatora. Che. prąd w obciążeniu płynie w sposób ciągły, co znacznie zmniejsza tętnienia wyprostowanego napięcia.

Im większa pojemność kondensatora Cf, tym mniejsze wzbudzenie. Jest to określone przez czas rozładowania kondensatora — stałą czasową rozładowania τ = СfRn. Przy τ> 10 współczynnik wygładzania wyznacza wzór q = 2π fc m Cf Rn, gdzie fc to częstotliwość sieci, m to liczba półokresów napięcia wyprostowanego.

Przy małych mocach obciążenia zaleca się stosowanie filtra pojemnościowego z rezystorem obciążenia RH o wysokiej rezystancji.

Filtr indukcyjny (dławik) jest połączony szeregowo z Rn (ryc. 3, a). Indukcyjność ma niską rezystancję DC i wysoką rezystancję AC. Wygładzanie tętnień opiera się na zjawisku samoindukcji, które początkowo zapobiega wzrostowi prądu, a następnie wspomaga go jego spadkiem (ryc. 2, b).

Rysunek 2 - Jednofazowy prostownik półfalowy z filtrem indukcyjnym: a) obwód, b) schematy czasowe działania

Filtry indukcyjne stosowane są w prostownikach średniej i dużej mocy, czyli w prostownikach pracujących z dużymi prądami obciążenia.

Współczynnik wygładzania określa wzór: q = 2π fs m Lf / Rn

Działanie filtra pojemnościowo-indukcyjnego polega na tym, że podczas przepływu prądu pobieranego przez sieć kondensator i cewka indukcyjna magazynują energię, a gdy nie ma prądu z sieci lub maleje, elementy oddają wyłączenie zmagazynowanej energii, utrzymanie prądu (napięcia) w obciążeniu.

Filtry wielozłączowe wykorzystują właściwości wygładzające zarówno kondensatorów, jak i cewek indukcyjnych. W prostownikach małej mocy, gdzie rezystancja rezystora obciążającego wynosi kilka kiloomów, zamiast dławika Lf zastosowano rezystor Rf, co znacznie zmniejsza masę i wymiary filtra.

Rysunek 3 przedstawia typy filtrów drabinkowych LC i RC.

Rysunek 3 - Filtry wielozłączowe: a) LC w kształcie litery L, b) LC w kształcie litery U, c) filtr RC

Stabilizatory przeznaczone są do stabilizacji stałego napięcia (prądu) obciążenia podczas wahań napięcia sieciowego oraz zmian prądu pobieranego przez obciążenie.

Stabilizatory dzielą się na stabilizatory napięciowe i prądowe oraz parametryczne i kompensacyjne. Stabilność napięcia wyjściowego jest oceniana przez współczynnik stabilizacji Kst.

Stabilizator parametryczny oparty na zastosowaniu elementu o charakterystyce nieliniowej - półprzewodnikowej diody Zenera.Napięcie diody Zenera jest prawie stałe przy znacznej zmianie prądu wstecznego przepływającego przez urządzenie.

Obwód stabilizatora parametrycznego pokazano na rysunku 4. Napięcie wejściowe UBX jest rozdzielane między rezystor ograniczający Rlim i połączoną równolegle diodę Zenera VD oraz rezystor obciążenia Rn.

Rysunek 4 — Stabilizator parametryczny

Wraz ze wzrostem napięcia wejściowego wzrośnie prąd płynący przez diodę Zenera, co oznacza, że ​​\u200b\u200bprąd płynący przez rezystor ograniczający wzrośnie i nastąpi na nim większy spadek napięcia, a napięcie obciążenia pozostanie niezmienione.

Stabilizator parametryczny ma Kst rzędu 20-50. Wadami tego typu stabilizatorów są niskie prądy stabilizacji i niska wydajność.

Stabilizatory parametryczne są używane jako pomocnicze źródła napięcia, a także wtedy, gdy prąd obciążenia jest mały — nie więcej niż setki miliamperów.

Stabilizator kompensacyjny wykorzystuje zmienną rezystancję tranzystora jako rezystor ograniczający. Wraz ze wzrostem napięcia wejściowego rośnie również rezystancja tranzystora, odpowiednio, gdy napięcie maleje, rezystancja maleje. W takim przypadku napięcie w obciążeniu pozostaje niezmienione.

Obwód stabilizatora tranzystorów pokazano na ryc. 5. Zasada regulacji napięcia wyjściowego URn opiera się na zmianie przewodności tranzystora regulacyjnego VT1.

Rysunek 5 — Schemat kompensacyjnego regulatora napięcia

Obwód porównania napięcia i wzmacniacz prądu stałego są montowane na tranzystorze VT2. Obwód pomiarowy R3, R4, R5 jest zawarty w jego obwodzie bazowym, a źródło napięcia odniesienia R1VD jest zawarte w obwodzie emitera.

Na przykład wraz ze wzrostem napięcia wejściowego wzrośnie również moc wyjściowa, co doprowadzi do wzrostu napięcia na bazie tranzystora VT2, podczas gdy jednocześnie potencjał emitera VT2 pozostanie taki sam.Doprowadzi to do wzrostu prądu podstawowego, a tym samym prądu kolektora tranzystora VT2 - potencjał bazy tranzystora VT1 zmniejszy się, tranzystor zamknie się i nastąpi na nim większy spadek napięcia, a napięcie wyjściowe wzrośnie pozostają bez zmian.

Obecnie stabilizatory są produkowane w postaci układów scalonych. Typowy schemat włączania zintegrowanego stabilizatora pokazano na rysunku 6.

Rysunek 6 — Typowy schemat włączania wbudowanego stabilizatora napięcia

Oznaczenie wyjść mikroukładu stabilizatora: „IN” — wejście, „OUT” — wyjście, „GND” — wspólne (obudowa). Jeśli stabilizator jest regulowany, istnieje wyjście «ADJ» — regulacja.

Dobór stabilizatora opiera się na wartości napięcia wyjściowego, maksymalnym prądzie obciążenia oraz zakresie zmienności napięcia wejściowego.