Филтри против подглаждане и стабилизатори на напрежението

Изглаждащи филтри са предназначени да намалят пулсациите на коригираното напрежение. Изглаждането на пулсациите се оценява чрез коефициента на изглаждане q.

Основните елементи на изглаждащите филтри са кондензатори, индуктори и транзистори, чието съпротивление е различно за постоянни и променливи токове.

В зависимост от вида на филтърния елемент се прави разлика между капацитивни, индуктивни и електронни филтри. По броя на филтриращите връзки филтрите се разделят на едновръзки и многовръзки.

Капацитивен филтър е кондензатор с голям капацитет, който е свързан паралелно с натоварващия резистор Rн. Кондензаторът има високо DC съпротивление и ниско AC съпротивление. Нека разгледаме работата на филтъра на примера на полувълнова токоизправителна верига (фиг. 1, а).

Фигура 1-Еднофазен полувълнов токоизправител с капацитивен филтър: а) верига б) времеви диаграми на работа

Когато в интервала от време t0 — t1 (фиг. 2.63, b) тече положителна полувълна, токът на натоварване (ток на диода) и токът на заряда на кондензатора протичат. Кондензаторът се зарежда и в момент t1 напрежението в кондензатора надвишава падащото напрежение на вторичната намотка — диодът се затваря и във времевия интервал t1 — t2 токът в товара се осигурява от разреждането на кондензатора. Че. токът в товара тече постоянно, което значително намалява пулсациите на коригираното напрежение.

Колкото по -голям е капацитетът на кондензатора Cf, толкова по -малко е вълнението. Това се определя от времето на разреждане на кондензатора — времевата константа на разреждане τ = СfRн. При τ> 10 коефициентът на изглаждане се определя по формулата q = 2π fc m Cf Rn, където fc е честотата на мрежата, m е броят на полупериодите на коригираното напрежение.

Препоръчително е да се използва капацитивен филтър с резистор за натоварване с високо съпротивление RH при ниски мощности на натоварване.

Индуктивен филтър (дросел) се включва последователно с Rn (фиг. 3, а). Индуктивността има ниско DC съпротивление и високо AC съпротивление. Изглаждането на пулсациите се основава на явлението самоиндукция, което първоначално предотвратява увеличаването на тока, а след това го поддържа с намаляването му (фиг. 2, б).

Фигура 2-Еднофазен полувълнов токоизправител с индуктивен филтър: а) верига, б) времеви диаграми на работа

Индуктивните филтри се използват в токоизправители със средна и висока мощност, тоест в токоизправители, работещи с големи токове на натоварване.

Коефициентът на изглаждане се определя по формулата: q = 2π fs m Lf / Rn

Работата на капацитивния и индуктивен филтър се основава на факта, че по време на потока на тока, изразходван от мрежата, кондензаторът и индукторът съхраняват енергия и когато няма ток от мрежата, или той намалява, елементите дават изключване на натрупаната енергия, поддържайки тока (напрежението) в товара.

Филтри с много връзки използвайте изглаждащите свойства както на кондензатори, така и на индуктори. При токоизправители с ниска мощност, при които съпротивлението на товарния резистор е няколко kOhm, вместо дросела Lf е включен резисторът Rf, което значително намалява масата и размерите на филтъра.

Фигура 3 показва видовете филтри за LC и RC стълба.

Фигура 3-Филтри с много връзки: а) L-образна LC, б) U-образна LC, в) RC-филтър

Стабилизатори са проектирани да стабилизират постоянно напрежение (ток) на товара по време на колебания в мрежовото напрежение и промени в тока, консумиран от товара.

Стабилизаторите са разделени на стабилизатори на напрежение и ток, както и параметрични и компенсационни. Стабилността на изходното напрежение се оценява чрез коефициента на стабилизиране Kst.

Параметричен стабилизатор въз основа на използването на елемент с нелинейна характеристика — полупроводников ценеров диод.Напрежението на ценеровия диод е почти постоянно със значителна промяна в обратния ток през устройството.

Параметричната стабилизаторна верига е показана на фигура 4. Входното напрежение UBX се разпределя между ограничаващия резистор Rlim и паралелно свързания ценеров диод VD и натоварващия резистор Rn.

Фигура 4 — Параметричен стабилизатор

С увеличаване на входното напрежение токът през ценеровия диод ще се увеличи, което означава, че токът през ограничаващия резистор ще се увеличи и върху него ще настъпи по -голям спад на напрежението и напрежението на товара ще остане непроменено.

Параметричният стабилизатор има Kst от порядъка на 20-50. Недостатъците на този тип стабилизатори са ниските стабилизационни токове и ниската ефективност.

Параметричните стабилизатори се използват като спомагателни източници на напрежение, както и когато токът на натоварване е малък — не повече от стотици милиампери.

Компенсиращ стабилизатор използва променливото съпротивление на транзистора като ограничаващ резистор. С увеличаване на входното напрежение съпротивлението на транзистора също се увеличава, съответно с намаляване на напрежението съпротивлението намалява. В този случай напрежението в товара остава непроменено.

Стабилизаторната верига на транзисторите е показана на фигура 5. Принципът на регулиране на изходното напрежение URn се основава на промяна на проводимостта на регулиращия транзистор VT1.

Фигура 5 — Схема на регулатор на компенсационно напрежение

На транзистора VT2 са сглобени схема за сравнение на напрежение и DC усилвател. Измервателната верига R3, R4, R5 е включена в основната си верига, а източникът на референтно напрежение R1VD е включен в емитерната верига.

Например, с увеличаване на входното напрежение, изходът също ще се увеличи, което ще доведе до увеличаване на напрежението в основата на транзистора VT2, като в същото време потенциалът на излъчвателя VT2 ще остане същият. Това ще доведе до увеличаване на базовия ток, а оттам и колекторния ток на транзистора VT2 — базовият потенциал на транзистора VT1 ще намалее, транзисторът ще се затвори и върху него ще настъпи по -голям спад на напрежението, а изходното напрежение ще остават непроменени.

Днес стабилизаторите се произвеждат под формата на интегрални схеми. Типична схема за включване на интегриран стабилизатор е показана на фигура 6.

Фигура 6 — Типична схема за включване на вграден стабилизатор на напрежение

Обозначение на изходите на микросхемата на стабилизатора: «IN» — вход, «OUT» — изход, «GND» — общ (случай). Ако стабилизаторът е регулируем, тогава има изход «ADJ» — настройка.

Изборът на стабилизатор се основава на стойността на изходното напрежение, максималния ток на натоварване и обхвата на изменение на входното напрежение.