Сглаживающие фильтры

Для уменьшения пульсаций (сглаживания) выпрямленного напряжения используют специальные устройства – сглаживающие фильтры.

В схемах источников питания сглаживающие фильтры включают между диодной (тиристорной) группой и нагрузкой. Основными элементами сглажи­вающих фильтров являются катушки индуктивности, конденсаторы, транзи­сторы, сопротивления которых зависит от частоты и различны для постоянного и переменного токов. Так, для обеспечения фильтрации последовательно с при­емником включают элементы, имеющие большее сопротивление для перемен­ной составляющей выпрямленного тока и меньшее – для постоянной, а парал­лельно – наоборот. Элементом, включаемым параллельно нагрузке, может быть конденсатор большой емкости.

Простейшие фильтры состоят, как правило, из одного реактивного эле­мента – конденсатора или катушки. Сложные фильтры содержат несколько элементов (таблица 17.2). В зависимости от типа фильтрующего элемента фильтры разделяются на емкостные, индуктивные и электронные. По сложно­сти фильтры делятся на однозвенные и многозвенные.

Основными параметрами, характеризующими работу фильтра, являются:

1) коэффициент сглаживания – отношение коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра;

2) коэффициент фильтрации – отношение амплитуд основных гармо­ник напряжения на входе и выходе фильтра;

3) коэффициент передачи постоянной составляющей – отношение посто­янных составляющих на входе и выходе фильтра (таблица 17.2).

Таблица 17.1

Схема управляемого выпрямителя	Форма выходного напряжения
однофазная однополупериодная
однофазная мостовая
трехфазная с нейтральной точкой

Стабилизаторы

Электронные устройства предъявляют достаточно жесткие требования к качеству электроэнергии, потребляемой от источников питания. Колебания напряжения и частоты промышленной сети переменного тока, изменение на­грузки в широких пределах, влияние температуры окружающей среды и т.д. диктуют необходимость различных стабилизирующих устройств в схемах ис­точников питания.

Стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы напряжения и тока, па­раметрические и компенсационные, непрерывного и импульсного регулирова­ния.

Основной характеристикой работы любого стабилизатора является коэф­фициент стабилизации

по напряжению

, (17.1)

по току

, (17.2)

где , – приращения входного и выходного напряжения; – прира­щение тока нагрузки; , , – номинальные значения входного и выходного напряжения и тока нагрузки соответственно.

Наиболее простым стабилизатором постоянного напряжения является па­раметрический, основанный на подключении параллельно нагрузке полупро­водникового стабилитрона (рис. 17.7 а).

Кроме стабилитрона, в стабилизатор входит балластный резистор для создания требуемого режима работы. Принцип работы стабилизатора основан на нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитрона.

Таблица 17.2

Схема фильтра	Параметры
Емкостный фильтр
Индуктивный фильтр
LC-фильтр
Электронный фильтр	____	____	____

При увеличении напряжения, подаваемого на вход стабилизатора, рабо­чая точка характеристики (рис. 17.7 б) перемещается из точки 1 в точку 2. Ток стабилитрона при этом изменяется достаточно сильно. Но напряжение мало отличается от напряжения , т.е. практически не изменяется напря­жение нагрузки.

Рис. 17.7

Основным достоинством параметрического стабилизатора является на­дежность работы и простота схемы. Недостатки – низкий коэффициент полезного действия, а также некоторые колебания напряжения стабилизации при изменениях , обусловленные наличием большого динамического сопротивления стабилитрона. Кроме того, напряже­ние стабилизации существенно зависит от температуры окружающей среды, что особенно заметно у мощных стабилитронов.

Перечисленные недостатки обусловили создание так называемых ком­пенсационных стабилизаторов. Основу схем компенсационных стабилизаторов составляют транзисторы, работающие в режиме эмиттерного повторителя, или операционные усилители в интегральном исполнении.

а) б)

Рис. 17.8

пряжение на его базе задается параметрическим стабилизатором на стабили­троне VD и резисторе . Ток параметрического стабилизатора значительно меньше тока нагрузки. Следовательно, КПД компенсационного стабилизатора выше, чем параметрического, поскольку у первого основная часть входного тока попадает в нагрузку, тогда как у второго в большей степени ответвля­ется в стабилитрон. Транзистор VT1 в данной схеме работает не в ключевом, а в активном режиме. Усилитель постоянного тока выполнен на маломощном транзисторе VT2 и резисторе . С помощью резистора регули­руется напряжение .

При увеличении входного напряжения или уменьшении тока нагрузки увеличивается напряжение . Появляется сигнал обратной связи в виде части напряжения , снимаемого с делителя , , , который сравнивается с напряжением на стабилитроне. Напряжение на стабилитроне остается постоян­ным, поэтому напряжение транзистора VT2 уменьшается, значит, снима­ется ток коллектора транзистора VT2. Это приводит к уменьшению напряжения транзистора VT1, вследствие чего стабилизируется напряжение .

Для повышения эффекта стабилизации в последнее время вместо усили­теля на транзисторе (VT2) используют схемы с интегральными операционными усилителями (рис. 17.8 б). В таких стабилизаторах существенно увеличивается коэффициент усиления, что позволяет повысить коэффициент стабилизации и снизить пульсации выходного напряжения стабилизатора.

Инверторы

Некоторые электронные устройства, входящие в состав автоматических систем управления производственными процессами, требуют для своей работы энергию переменного тока определенной частоты. Такие системы устанавли­вают на различных мобильных агрегатах, источниками питания которых слу­жат устройства прямого преобразования энергии (топливные элементы, акку­муляторные батареи, термо- и фотоэлектрические преобразователи и др.).

В состав блока питания электронных устройств входят так называемые автономные инверторы, осуществляющие преобразование постоянного тока в переменный с неизменной или регулируемой частотой.

а) б)

Рис. 17.9

Основными элементами инвертора являются тиристоры и конденсатор. Конденсатор обязателен в схеме для обеспечения запирания тиристоров и фор­мирования выходного напряжения.

В автономном инверторе напряжения источник питания работает в ре­жиме источника ЭДС. Напряжение на нагрузке появляется при поочеред­ном включении тиристоров VS1, VS4 и VS2, VS3, управление кото­рыми осуществляется импульсами сигналов, поступающих от специальной схемы управления СУ.

Входной управляющий импульс от СУ открывает первую пару тиристо­ров VS1 и VS4 и закрывает ранее открытые VS2 и VS3. На сопротивле­нии нагрузки возникает напряжение положительной полярности, которое равно ЭДС Е источника питания (рис. 17.1 б). Второй управляющий импульс запирает тиристоры VS1 и VS4 и открывает пару VS1 и VS4. В этом случае напряжение , также равное ЭДС, имеет отрицательную полярность. Таким образом, напряжение на нагрузке переменное и имеет прямоуголь­ную форму.

При открытии и закрытии тиристоров ток нагрузки изменяется не скач­кообразно, а плавно (вследствие активно-индуктивного характера на­грузки). При уменьшении до нуля и изменении затем направления ток не может протекать через тиристоры, так как одна их пара закрыта, а для другой он имеет обратное направление. Для прохождения тока нагрузки в схему включены диоды VD1– VD4 в направлении, обратном тиристорам.

Чтобы получить напряжение на выходе инвертора, близкое к синусои­дальному, необходимо последовательно с нагрузкой включить фильтр, отсе­кающий высшие гармоники напряжения.

[1] электронно-оптические приборы будут рассматриваться в последующих главах

[2] в настоящей книге не рассматривается