Дізнайтеся про електроніку

Блоки живлення

  • ДОМА
  • СХЕМИ І РЕЗИСТОРИ
  • Теорія змінного струму
  • НАПІВПРОВІДНИКИ
  • Підсилювачі
  • ОСЦІЛЯТОРИ
  • ЕЛЕКТРОПИТАННЯ
  • ЦИФРОВА ЕЛЕКТРОНІКА

схеми

  • Вивчивши цей розділ, ви зможете:
  • Опишіть принципи роботи резервуарного конденсатора в основних джерелах живлення.
  • • Дія конденсатора пласта.
  • • Вплив пластового конденсатора на компонент постійного струму.
  • • Вплив резервуарного конденсатора на діодний струм.
  • Опишіть принципи роботи фільтра низьких частот, що використовується в основних джерелах живлення.
  • • LC-фільтри.
  • • RC-фільтри.

Компоненти фільтру

Типову схему фільтра живлення найкраще зрозуміти, розділивши схему на дві частини - конденсатор резервуара та фільтр низьких частот. Кожна з цих частин сприяє видаленню решти імпульсів змінного струму, але різними способами.

Конденсатор пласта

Рис. 1.2.1 Конденсатор пласта

1.2.1 показаний електролітичний конденсатор, який використовується як резервуарний конденсатор, так званий, оскільки він діє як тимчасовий накопичувач вихідного струму джерела живлення. Діод випрямляча подає струм для зарядки резервуарного конденсатора на кожному циклі вхідної хвилі. Резервуарний конденсатор є великим електролітом, зазвичай з декількох сотень, а то й тисячі і більше мікрофарадів, особливо в блоках живлення з частотою мережі. Це дуже велике значення ємності потрібно, оскільки резервуарний конденсатор, заряджений, повинен забезпечувати достатньо постійного струму, щоб підтримувати стабільний вихід блоку живлення за відсутності вхідного струму; тобто під час проміжків між позитивними півциклами, коли випрямляч не проводить.

Дія конденсатора пласта на напівхвильову випрямлену синусоїду показано на рис. 1.2.2. Під час кожного циклу напруга анодного випрямляча збільшується до Vpk. У якийсь момент, близький до Vpk, анодна напруга перевищує катодну напругу, випрямляч проводить і протікає імпульс струму, заряджаючи резервуарний конденсатор до значення Vpk.

Рис. 1.2.2 Дія конденсатора пласта

Як тільки вхідна хвиля проходить Vpk, анод випрямляча падає нижче напруги конденсатора, випрямляч стає зміщеним у зворотному напрямку і провідність припиняється. Зараз ланцюг навантаження подається тільки конденсатором резервуару (звідси необхідність у великому конденсаторі).

Звичайно, хоча конденсатор резервуару має велике значення, він розряджається в міру подачі навантаження, і його напруга падає, але не дуже. У якийсь момент протягом наступного циклу входу в мережу вхідна напруга випрямляча піднімається вище напруги на частково розрядженому конденсаторі, і резервуар знову заряджається до пікового значення Vpk.

Пульсація змінного струму

Величина, на яку розряджається конденсатор резервуара за кожний півперіод, визначається струмом, який тягне навантаження. Чим вище струм навантаження, тим більше розряд, але за умови, що сила струму не надмірна, кількість змінного струму, присутнього на виході, значно зменшується. Зазвичай амплітуда від піку до піку решти змінного струму (що називається пульсацією, оскільки хвилі змінного струму зараз значно зменшені) становила б не більше 10% вихідної напруги постійного струму.

Вихід постійного струму випрямляча без резервуарного конденсатора становить або 0,637 Впк для повновимірних випрямлячів, або 0,317 Впк для напівхвилі. Додавання конденсатора збільшує рівень постійного струму вихідної хвилі майже до пікового значення вхідної хвилі, як це видно з рис. 1.1.9.

Для отримання найменшої пульсації змінного струму та найвищого рівня постійного струму було б доцільним використовувати максимально можливий резервуарний конденсатор. Однак є загвоздка. Конденсатор подає струм навантаження протягом більшої частини часу (коли діод не проводить). Цей струм частково розряджає конденсатор, тому вся енергія, що використовується навантаженням протягом більшої частини циклу, повинна бути зароблена за дуже короткий час, що залишився, протягом якого діод проводить у кожному циклі.

Формула, що стосується заряду, часу та струму, говорить:

Заряд (Q) на конденсаторі залежить від величини струму (I), що протікає протягом часу (t).

Тому чим коротший час зарядки, тим більший струм повинен подавати діод, щоб його зарядити. Якщо конденсатор дуже великий, його напруга навряд чи взагалі впаде між зарядними імпульсами; це призведе до дуже невеликої кількості пульсацій, але для заряджання конденсатора пласта потрібні дуже короткі імпульси набагато більшого струму. Як вхідний трансформатор, так і випрямні діоди повинні мати здатність подавати цей струм. Це означає використання вищої номінальної сили струму для діодів і трансформатора, ніж це було б необхідно для меншого резервуарного конденсатора.

Отже, є перевага в зменшенні значення конденсатора пласта, тим самим дозволяючи збільшити пульсацію, але це можна ефективно усунути, використовуючи фільтр низьких частот і каскади регулятора між конденсатором пласта і навантаженням.

Цей ефект збільшення розміру резервуара на діод і струм трансформатора слід пам’ятати під час будь-яких операцій з обслуговування; заміна резервуарного конденсатора на величину, більшу, ніж у оригінальній конструкції, "для зменшення гулу в мережі" може здатися гарною ідеєю, але може ризикувати пошкодженням випрямного діода та/або трансформатора.

При повноволновому випрямленні продуктивність резервуарного конденсатора при видаленні пульсацій змінного струму значно краща, ніж при напівхвильовому, при однаковому розмірі резервуарного конденсатора пульсація становить приблизно половину амплітуди такої у напівхвильових джерелах, оскільки в повноволнових ланцюгах періоди розряду коротші, коли конденсатор резервуара заряджається з подвоєною частотою у напівхвильовій конструкції.

Фільтри низьких частот

Хоча корисне джерело живлення можна зробити, використовуючи лише резервуарний конденсатор для видалення пульсацій змінного струму, зазвичай необхідно також включити фільтр низьких частот та/або каскад регулятора після конденсатора резервуара, щоб видалити залишки пульсацій змінного струму та поліпшити стабілізацію вихідна напруга постійного струму в умовах змінного навантаження.

Рис. 1.2.3 LC-фільтр

Рис. 1.2.4 RC-фільтр

Для видалення пульсацій, що залишилися після конденсатора резервуара, можна використовувати LC або RC фільтри низьких частот. LC-фільтр, показаний на рис. 1.2.3, є більш ефективним і дає кращі результати, ніж RC-фільтр, показаний на рис. 1.2.4, але для основних джерел живлення конструкції LC менш популярні, ніж RC, оскільки індуктори, необхідні для для ефективної роботи на частотах від 50 до 120 Гц потрібно мати великі та дорогі ламіновані або тороїдальні типи сердечника. Однак сучасні конструкції, що використовують джерела комутаційного режиму, де будь-яка пульсація змінного струму знаходиться на набагато більш високих частотах, можуть бути використані набагато менші ферритові індуктори.

Фільтр низьких частот пропускає низьку частоту, в цьому випадку постійний струм (0 Гц), і блокує більш високі частоти, будь то 50 Гц або 120 Гц в основних схемах або десятки кГц у режимах перемикання.

Опір (XC) конденсатора в будь-якому з фільтрів дуже низький у порівнянні з опором резистора R або реактивним опором дроселя XL на частоті пульсацій. У конструкціях RC опір R повинен бути досить низьким значенням, оскільки через нього повинен проходити весь струм навантаження, може, кілька ампер, генеруючи значну кількість тепла. Отже, типовим значенням буде 50 Ом або менше, і навіть при цьому значенні зазвичай потрібно використовувати великий дротяний намотаний резистор. Це обмежує ефективність фільтра, оскільки співвідношення між опором R і реактивним опором конденсатора не буде більше приблизно 25: 1. Тоді це буде типовим коефіцієнтом зменшення амплітуди пульсацій. Включаючи фільтр низьких частот, деяка напруга втрачається на резисторі, але цей недолік компенсується кращими характеристиками пульсацій, ніж використанням лише резервуарного конденсатора.

LC-фільтр працює набагато краще, ніж RC-фільтр, оскільки можна зробити співвідношення між XC і XL набагато більшим, ніж співвідношення між XC і R. Зазвичай коефіцієнт у LC-фільтрі може становити 1: 4000, що дає набагато кращу відмову RC-фільтр. Крім того, оскільки опір постійного струму індуктора в LC-фільтрі набагато менший, ніж опір R у RC-фільтрі, проблема тепла, що генерується великим постійним струмом, дуже зменшується в LC-фільтрах.

За допомогою комбінованого резервуарного конденсатора та фільтра низьких частот можна видалити 95% або більше пульсацій змінного струму та отримати вихідну напругу приблизно пікової напруги вхідної хвилі. Просте джерело живлення, що складається лише з трансформатора, випрямляча, резервуара та фільтра низьких частот, однак має деякі недоліки.

Рис. 1.2.5 Адаптер постійного струму

Вихідна напруга блоку живлення має тенденцію падати, оскільки з виходу відводиться більше струму. Це пов’язано з:

a. Резервуарний конденсатор розряджається більше в кожному циклі.

b. Більше падіння напруги на резисторі або дроселі у фільтрі низьких частот із збільшенням струму.

Ці проблеми можна в основному подолати, включивши каскад регулятора на виході джерела живлення, як описано в Модулі 2 блоків живлення.

Основні схеми живлення, описані тут у Модулі 1, однак, зазвичай використовуються в звичайних адаптерах постійного струму типу "настінні бородавки", що постачаються з багатьма електронними виробами. Найбільш поширені варіанти включають трансформатор, мостовий випрямляч, а іноді і резервуарний конденсатор. Додаткова фільтрація та регулювання/стабілізація зазвичай виконуються в ланцюзі, що постачається адаптером.

Яким чином вихід основного джерела живлення може бути покращений за допомогою схем регулювання, пояснюється в модулі живлення 2