Схеми згладжування конденсатора та розрахунки

Резервуарні конденсатори використовуються для згладжування вихідної випрямленої форми сигналу в джерелі живлення - важливо правильно вибрати конденсатор з правильним значенням і струмом пульсацій.

У джерелі живлення, будь то лінійне джерело живлення або джерело живлення в режимі перемикання з використанням джерела змінного струму та діодних випрямлячів, вихідний випрямлений вихід зазвичай згладжується за допомогою резервуарного конденсатора перед тим, як застосовувати його до будь-яких регуляторів або інших подібних електронних схем.

Алюмінієві електролітичні конденсатори ідеально підходять для роботи як згладжувальні конденсатори, оскільки багато електроліти здатні забезпечити досить високу ємність і витримати рівень пульсаційного струму, необхідний для згладжування форми сигналу.

По суті, згладжувальний контур заповнює основні провали у вихідній випрямленій формі сигналу, щоб лінійний регулятор або схема живлення в режимі перемикання могли працювати належним чином. Вони змінюють форму хвилі з такої, яка змінюється від нуля до пікової напруги протягом циклу форми сигналу, що надходить, і змінюють її на таку, де змін набагато менше. По суті вони згладжують форму хвилі, і це породжує назву.

Оскільки згладжувальні конденсатори використовуються як у лінійних регульованих джерелах живлення, так і в джерелах живлення в режимі перемикання, вони становлять важливу частину багатьох з цих електронних схем.

Повнохвильовий випрямляч із згладжувальним конденсатором

Основи згладжування конденсатора

Згладжування конденсатора застосовується для більшості типів джерел живлення, будь то лінійне регульоване джерело живлення, джерело живлення в режимі перемикання або навіть просто згладжена та нерегульована форма живлення.

Типовий електролітичний конденсатор, що використовується для згладжування

Неопрацьований постійний струм, який подається діодним випрямлячем самостійно, складався б із серії напівсинусоїдних хвиль із напругою, що коливається від нуля до √2 рази середньоквадратичної напруги (ігноруючи будь-який діод та інші втрати).

Форма сигналу такого характеру не буде корисною для живлення ланцюгів, оскільки будь-які аналогові схеми матимуть величезний рівень пульсацій, накладених на вихід, і будь-які цифрові схеми не будуть функціонувати, оскільки живлення відключатиметься кожні півцикла.

Згладжування конденсатора дозволяє правильно працювати наступним етапам лінійного регульованого живлення або блоку живлення в режимі перемикання.

Для згладжування виходу випрямляча використовується резервуарний конденсатор - розміщений поперек виходу випрямляча і паралельно навантаженню.

Згладжування працює, оскільки конденсатор заряджається, коли напруга на випрямлячі піднімається вище напруги конденсатора, а потім, коли напруга випрямляча падає, конденсатор забезпечує необхідний струм від накопиченого заряду.

Таким чином, конденсатор може забезпечувати заряд, коли його немає з випрямляча, і відповідно напруга змінюється значно менше, ніж якби конденсатор не був присутній.

Згладжування конденсатора не забезпечить загальної стабільності напруги, напруга завжди буде змінюватися. Насправді, чим вище значення конденсатора, тим більше згладжування, а також чим менше струму набирається, тим краще згладжування.

Згладжуюча дія пластового конденсатора

Слід пам'ятати, що єдиний шлях розряду конденсатора, крім внутрішнього витоку, - це навантаження до випрямляча/згладжувальної системи. Діоди запобігають зворотному потоку через трансформатор тощо.

Ще один момент, який слід пам’ятати, полягає в тому, що згладжування конденсатора не дає жодної форми регулювання, і напруга буде змінюватися залежно від навантаження та будь-яких змін на вході.

Регулювання напруги може забезпечуватися лінійним регулятором або блоком живлення в режимі перемикання.

Згладжувальне значення конденсатора

Вибір значення конденсатора повинен відповідати ряду вимог. У першому випадку значення потрібно вибирати таким чином, щоб його постійна часу була набагато довшою за інтервал часу між послідовними піками випрямленої форми хвилі:

Де:
Rload = загальний опір навантаження для подачі
C = значення конденсатора у Фараді
f = частота пульсацій - це буде вдвічі більше частоти лінії, ніж використовується повний хвильовий випрямляч.

Згладжування напруги пульсацій конденсатора

Оскільки на виході випрямляча за допомогою згладжувальної схеми конденсатора завжди буде деяка пульсація, необхідно мати можливість оцінити приблизне значення. Надмірне вказівка конденсатора додасть додаткових витрат, розміру та ваги - недостатнє вказівка призведе до поганої роботи.

Пік-пік пульсації для виходу згладжувального конденсатора на джерелі живлення (повна хвиля)

На діаграмі вище показано пульсації повноволнового випрямляча з згладжуванням конденсатора. Якби використовувався напівхвильовий випрямляч, то половини піків не було б, а пульсація становила б приблизно вдвічі більше напруги.

У випадках, коли пульсація мала в порівнянні з напругою живлення - що майже завжди буває - можна розрахувати пульсації, знаючи умови ланцюга:

Повнохвильовий випрямляч

Напівхвильовий випрямляч

Ці рівняння забезпечують більш ніж достатню точність. Хоча розряд конденсатора для суто резистивного навантаження є експоненціальним, неточність, введена лінійним наближенням, дуже мала для низьких значень пульсацій.

Варто також пам'ятати, що вхід в регулятор напруги не є суто резистивним навантаженням, а постійним струмовим навантаженням. Нарешті, допуски електролітичних конденсаторів, що використовуються для згладжувальних схем випрямляча, великі - в кращому випадку ± 20%, і це замаскує будь-які неточності, внесені припущеннями у рівняння.

Пульсаційний струм

Дві основні характеристики конденсатора - це його ємність і робоча напруга. Однак для застосувань, де можуть протікати великі рівні струму, як у випадку згладжувального конденсатора випрямляча, важливий третій параметр - його максимальний струм пульсацій.

Пульсаційний струм не просто дорівнює струму живлення. Є два сценарії:

Струм розряду конденсатора:

Піковий струм, що подається конденсатором у фазі розряду Зарядний струм конденсатора: На циклі заряду згладжувального конденсатора конденсатор повинен замінити весь втрачений заряд, але досягти цього він може лише тоді, коли напруга на випрямлячі перевищує напругу згладжуючого конденсатора. Це відбувається лише протягом короткого періоду циклу. Отже, струм у цей період набагато вищий. Чим більше конденсатор, тим краще він зменшує пульсації і коротший період заряду.

Коротший час зарядки призводить до дуже великих пікових рівнів струму, оскільки згладжуючий конденсатор повинен за дуже короткий час поглинути достатній заряд для періоду розряду.

Період, протягом якого конденсатор блоку живлення заряджається

Мережі згладжування пі-секцій

У деяких додатках лінійний регулятор напруги не застосовується, може знадобитися вдосконалена форма плавності. Це можна забезпечити, використовуючи два конденсатори та послідовний індуктор або резистор.

Згладжений підхід до джерела живлення застосовується в деяких системах високої напруги та в інших спеціалізованих областях, але він не настільки поширений, як джерела лінійного регулювання та джерела живлення в режимі перемикання, які забезпечують набагато краще регулювання та згладжування.

Цей підхід можна побачити також у багатьох старовинних бездротових комплектах, де використання лінійного регульованого джерела живлення було неможливим.

Згладжувальний фільтр із секцією Pi

Існує два варіанти системи згладжування з π-секцією. Маючи два конденсатори між лінією і землею, послідовним елементом був або індуктор, або резистор. Індуктор коштував набагато дорожче і давав кращі характеристики, але резистор був набагато дешевшим варіантом, хоча він розсіював більше потужності.

Згладжувальні конденсатори є важливими елементами як лінійних джерел живлення, так і блоків живлення в режимі перемикання, і як такі вони широко використовуються.

При виборі резервуарного конденсатора для згладжування додатків у джерелі живлення не тільки значення в ємності є важливим для отримання необхідного зниження напруги пульсацій, але також дуже важливо переконатися, що номінальний струм пульсації конденсатора не перевищується. Якщо буде витрачено занадто багато струму, конденсатор нагріється і тривалість його життя зменшиться, або в крайньому випадку він може вийти з ладу, іноді катастрофічно.