Фильтрация в источниках питания

Диодные СХЕМЫ

Диоды

Элементы, которые мы рассматривали до сих пор, относятся к линейным. Это зна­чит, что удвоение приложенного сигнала (скажем, напряжения) вызывает удвоение отклика (скажем, тока). Этим свойством обладают даже реактивные элементы, конденсаторы и индуктивности. Рассмот­ренные элементы являются также пассив-ными, т.е. они не имеют встроенного источника энергии. И, кроме того, все эти элементы имеют по два вывода.

Диод (рис. 1.1) представляет собой пассивный нелинейный элемент с двумя выводами. Вольт-амперная характерис­тика диода показана на рис. 1.2.

На условном обозначении направление стрелки диода (так обозначают анод эле­мента) совпадает с направлением тока. Например, если через диод в направлении от анода к катоду протекает ток величи­ной 10 мА, то анод на 0,5 В более поло­жителен, чем катод; эта разница напряже­ний называется «прямым напряжением диода». Обратный ток для диодов общего назначения измеряется в наноамперах (обратите внимание на разный масштаб измерений по оси абсцисс для прямого и обратного тока), и его, как правило, можно не принимать во внимание до тех пор, пока напряжение на диоде не достиг­нет значения напряжения пробоя (это напряжение называют также пиковым об­ратным напряжением). Для диодов обще­го назначения типа 1N914 напряжение пробоя составляет обычно 75 В. (Как пра­вило, на диод подают такое напряжение, которое не может вызвать пробой, исклю­чение составляет упомянутый ранее зе-неровский диод.) Чаще всего падение напряжения на диоде, обусловленное прямым током через него, составляет от 0,5 до 0,8 В. Таким падением напряжения можно пренебречь, и тогда диод можно рассматривать как проводник, пропуска­ющий ток только в одном направлении. К другим важнейшим характеристикам, отличающим существующие типы диодов друг от друга, относят: максимальный прямой ток, емкость, ток утечки и время восстановления обратного сопротивления (см. табл. 1.1, в которой приведены характеристики некоторых типов диодов). Прежде чем начинать рассматривать схемы, содержащие диоды, отметим два момента: 1) диод не обладает сопротив­лением в указанном выше смысле (не подчиняется закону Ома); 2) схему, со­держащую диоды, нельзя заменить экви­валентной.

Рис. 1.1.1 Диод.

Рис. 1.1.2 Вольт-амперная характеристика диода.

Выпрямление

Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный; выпрямительные схе­мы являются самыми простыми и наибо­лее полезными в практическом отноше­нии диодными схемами (иногда диоды даже называют выпрямителями). Прос­тейшая выпрямительная схема показана на рис. 1.2.1. Символ «Перем.» использу­ется для обозначения источника перемен­ного напряжения; в электронных схемах он обычно используется с трансформато­ром, питающимся от силовой линии пере­менного тока. Для синусоидального входного напряжения, значительно пре вышающего прямое напряжение диода (обычно в выпрямителях используют кремниевые диоды, для которых прямое напряжение составляет 0,6 В), выходное напряжение будет иметь вид, показанный на рис. 1.2.2.

Рис. 1.2.1 Однополупериодный выпрямитель.

Рис. 1.2.2 эпюры напряжения

Если вы вспомните, что диод-это проводник, пропускающий ток только в одном направлении, то нетрудно понять, как работает схема выпрямителя. Представленная схема называется одно-полупериодным выпрямителем, так как она использует только половину входного сигнала (половину периода).

На рис. 1.2.3 представлена схема двух-полупериодного выпрямителя, а на рис. 1.2.4 показан ее выходной сигнал. Из графика видно, что входной сигнал ис­пользуется при выпрямлении полностью. На графике выходного напряжения наблюдаются интервалы с нулевым зна­чением напряжения, они обусловлены прямым напряжением диодов.

рис. 1.2.3 схема двух-полупериодного выпрямителя

В рассмат­риваемой схеме два диода всегда подклю­чены последовательно к входу; об этом следует помнить при разработке низко­вольтных источников питания.

рис. 1.2.4 выходной сигнал

Фильтрация в источниках питания

Выпрямленные сигналы, полученные в предыдущем разделе, еще не могут быть использованы как сигналы постоянного тока. Дело в том, что их можно считать сигналами постоянного тока только в том отношении, что они не изменяют свою полярность. На самом деле в них при­сутствует большое количество «пульса­ций» (периодических колебаний напряже­ния относительно постоянного значения), которые необходимо сгладить для того, чтобы получить настоящее напряжение постоянного тока. Для этого схему выпрямителя нужно дополнить фильтром низких частот (рис. 1.3.1). Вообще говоря, последовательный резистор здесь не ну­жен, и его, как правило, не включают в схему (если же резистор присутствует, то он имеет очень маленькое сопротивле­ние и служит для ограничения пикового тока выпрямителя). Дело в том, что диоды предотвращают протекание тока разряда конденсаторов, и последние слу­жат скорее как накопители энергии, а не как элементы классического фильтра низ­ких частот. Энергия, накопленная конден­сатором, определяется выражением W= 1/2CU². Если емкость С измеряется в фарадах, а напряжение U в вольтах, то энергия W будет измеряться в джоулях (в ваттах в 1 с). Конденсатор подбирают так, чтобы выполнялось условие RC » 1/f (где f-частота пульсаций, в нашем случае 120 Гц). При этом происходит ослабление пульсаций за счет того, что постоянная времени для разрядки конденсатора су­щественно превышает время между пере­загрузками. В следующем разделе мы поясним это утверждение.

рис. 1.3.1 фильтр низких частот

Определение напряжения пульсаций. Приблизительно определить напряжение пульсаций нетрудно, особенно если оно йевелико по сравнению с напряжением Постоянного тока (рис. 1.3.2). Нагрузка вызывает разряд конденсатора, который происходит в промежутке между циклами (или половинами циклов для двухполупериодного выпрямления) выходного сигнала. Если предположить, что ток через нагрузку остается постоянным (это справедливо для небольших пульсаций), то ΔU = (I/C)Δt (напомним, что I = C(dU/dt). Подставим значение l/f (или 1/2f для двухполупериодного выпрямле­ния) вместо Δt (такая замена допустима, так как конденсатор начинает снова заря­жаться меньше, чем через половину цикла). Получим

ΔU = I/fC

(однополупериодное выпрямление),

ΔU = I/2f С (двухполупериодное выпрямление).

Если воспользоваться экспоненциаль­ной функцией, определяющей- изменение напряжения на конденсаторе при его разряде, то результат получим неправиль­ным по следующим причинам: Разряд конденсатора описывается экс­поненциальной зависимостью только в том случае, если нагрузка резистивна; в большинстве случаев это не так. Часто на выходе выпрямителя устанавливают ста­билизатор напряжения, который обеспе­чивает постоянство выпрямленного напряжения - он выступает в роли нагруз­ки, через которую протекает постоянный ток.

Для источников питания используют, как правило, конденсаторы с точностью 20% и более. При разработке схем сле­дует учитывать разброс параметров ком­понентов и для страховки производить расчет для наиболее неблагоприятного сочетания их значений.

Рис. 1.3.2 Определение напряжения пульсаций источ­ника.

Упражнение 1.3.1. Разработайте схему двухполу­периодного выпрямителя, обеспечивающего на выхо­де напряжение постоянного тока с амплитудой 10 В. Напряжение пульсаций не должно превышать 0,1 В (двойной амплитуды). Ток в нагрузке составляет 10 мА. Выберите соответствующее входное напряже­ние переменного тока, учитывая, что падение напря­жения на диоде составляет 0,6 В. При расчете пра­вильно задайте частоту пульсаций.