Пульсирующий постоянный ток нельзя напрямую использовать в большинстве электронных схем. Требуется ток, более близкий к чистому постоянному току. Батареи вырабатывают чистый постоянный ток. Обычно их применение ограничено оборудованием с низким энергопотреблением и портативными устройствами. На рисунке 4-15(a) показана батарея, подключённая к нагрузочному резистору. Форма напряжения на нагрузочном резисторе представляет собой прямую линию. Пульсаций нет.
Пульсирующий постоянный ток не является чистым, так как содержит переменную составляющую. На рисунке 4-15(b) показано, как постоянная и переменная составляющие могут присутствовать на одной нагрузке.
Генератор переменного тока и бататея соединены последовательно. Форма напряжения на нагрузке включает как переменную, так и постоянную составляющие. Эта ситуация аналогична выходу выпрямителя: есть постоянная составляющая из-за выпрямления и переменная составляющая (пульсации).
Переменная составляющая в источнике питания постоянного тока называется пульсациями . Для большинства применений их необходимо удалить. Схема, предназначенная для подавления пульсаций, называется фильтром . Фильтры способны сформировать плавную форму волны, приближающуюся к той, которую создаёт батарея.
Наиболее распространённый метод фильтрации — подключение конденсатора параллельно выходу. На рисунке 4-16 показан простой ёмкостный фильтр , добавленный к схеме двухполупериодного выпрямителя.
Форма напряжения на нагрузочном резисторе показывает, что добавление конденсатора значительно снизило пульсации.
Конденсаторы — это устройства для накопления энергии. Они могут сохранять заряд и затем отдавать его в нагрузку. На рисунке 4-17(a) выпрямители генерируют максимальное выходное напряжение, через нагрузку течёт ток, а конденсатор заряжается.
Позже, когда выходное напряжение выпрямителя падает, конденсатор разряжается и обеспечивает ток нагрузки [рис. 4-17(b)]. Поскольку ток через нагрузку сохраняется, напряжение на ней также поддерживается. Именно поэтому форма выходного напряжения имеет меньше пульсаций.
Эффективность ёмкостного фильтра определяется тремя факторами:
- Ёмкостью конденсатора .
- Сопротивлением нагрузки .
- Временем между пульсациями .
Эти три фактора связаны формулой:
T = R × C ,
где
- T — время в секундах (с),
- R — сопротивление в омах (Ом),
- C — ёмкость в фарадах (Ф).
Произведение RC называется постоянной времени цепи. Заряженный конденсатор теряет 63,2% своего напряжения за время T секунд. Для полного разряда конденсатора требуется примерно 5 × T секунд.
Чтобы фильтрующий конденсатор был эффективным, он должен разряжаться лишь незначительно между пиками напряжения. Это обеспечивает малое изменение напряжения на нагрузке и, как следствие, минимальные пульсации. Постоянная времени T=R×C должна быть достаточно большой по сравнению с интервалом времени между пиками. Таким образом, интересно сравнить фильтрацию в однополупериодных и двухполупериодных схемах.
Время между пиками для двухполупериодных и однополупериодных выпрямителей показано на рисунке 4-18. Очевидно, что в однополупериодной схеме конденсатор имеет вдвое больше времени для разряда, поэтому пульсации будут более выраженными.
Двухполупериодные выпрямители предпочтительны в случаях, когда требуется устранить большую часть пульсаций. Это связано с тем, что проще фильтровать сигнал, пики которого расположены ближе друг к другу. Иначе говоря, если все остальные параметры одинаковы, для эффективной фильтрации однополупериодного выпрямителя потребуется конденсатор вдвое большей ёмкости .
На Рисунке 4-18 представлен сигнал на частоте электросети 60 Гц . Если использовать гораздо более высокую частоту, задача фильтрации может стать проще. Например, при частоте 1 килогерц (кГц) время между пиками на выходе двухполупериодного выпрямителя составит всего 0,0005 с . За такой короткий промежуток времени фильтрующий конденсатор разрядится лишь незначительно. Ещё один важный аспект высоких частот заключается в том, что трансформаторы можно сделать значительно меньше. Это связано с тем, что при повышении частоты уменьшается требуемая индуктивность обмоток, что позволяет снизить габариты и массу трансформатора.
Некоторые блоки питания преобразуют частоту электросети в гораздо более высокую, чтобы получить такие преимущества. Блоки питания этого типа называются импульсными источниками питания . Они рассматриваются в главе 15.
Один из способов обеспечить качественную фильтрацию — использовать большой фильтрующий конденсатор . Это означает, что конденсатор будет разряжаться дольше. Если сопротивление нагрузки низкое, для эффективной фильтрации потребуется очень большая ёмкость. Изучите формулу постоянной времени T=R×C: если R уменьшается, то C должно увеличиваться, чтобы T оставалась неизменной. Таким образом, при высоком токе нагрузки (низком R) требуется конденсатор очень большой ёмкости.
Электролитические конденсаторы (electrolytic capacitors) доступны с очень высокими значениями ёмкости. Однако чрезмерно большая ёмкость в фильтре с емкостным входом может вызвать проблемы. На рисунке 4-19 показаны формы сигналов, которые могут наблюдаться в источнике питания с ёмкостной фильтрацией. Нефильтрованная форма сигнала изображена на рисунке 4-19(a).
На рис. 4-19(b) конденсатор подаёт энергию между пиками напряжения. Обратите внимание, что выпрямители начинают проводить ток только тогда, когда их пиковое напряжение превышает напряжение на конденсаторе. Выпрямители отключаются, когда пиковое напряжение исчезает, и проводят ток лишь кратковременно. На рис. 4-19(d) показана форма тока через выпрямители. Заметно высокое соотношение пикового и среднего значений тока . Это вызывает искажения в сети переменного тока , которые будут рассмотрены позже в этом разделе.
В некоторых источниках питания соотношение пикового и среднего тока в выпрямителях может достигать 100:1 . Из-за этого действующее значение (RMS) тока через выпрямители превышает ток, подаваемый в нагрузку, более чем в 8 раз . Действующее значение определяет реальный нагрев выпрямителей. Поэтому диоды могут иметь номинал, например, 10 А, даже если источник питания рассчитан на выходной ток всего 2 А.
Выходное напряжение постоянного тока в источнике с фильтром выше, чем в источнике без фильтра. На рис. 4-20 показана схема мостового выпрямителя с переключаемым фильтрующим конденсатором.
До замыкания ключа измерительный прибор покажет среднее значение напряжения на нагрузке:
Vav=0.9×Vrms=0.9×10=9 В.
После того, как ключ замкнулся, конденсатор заряжается до пикового значения напряжения сигнала.
Vp =1.414 × Vrms = 1.414 × 10 = 14.14 В.
Это означает значительное изменение выходного напряжения. Однако при увеличении нагрузки конденсатор не сможет поддерживать пиковое напряжение, и выходное напряжение снизится. Чем больше ток нагрузки, тем ниже будет выходное напряжение. Поэтому можно считать, что выходное напряжение постоянного тока в источнике с ёмкостным фильтром равно пиковому значению переменного напряжения на входе, когда источник слабо нагружен или не нагружен вообще (как на рис. 4-20).
На рисунке 4-21 показана схема полуволнового выпрямителя с фильтром . Как определить напряжение на резисторе RL?
Важно: При использовании фильтров не применяйте коэффициенты преобразования 0,9 или 0,45 (которые используются для расчёта среднего значения напряжения в схемах без фильтра). Помните: конденсатор заряжается до пикового значения входного напряжения. На рисунке 4-21 на входе напряжение 120 В и оно понижается трансформатором в 10 раз:
120 В (rms) : 10 = 12 В (rms)
Пиковое (максимальное) значение находится следующим образом:
Vp = 1.414 Х 12 В = 16.97 В.
Учитывая малую нагрузку, напряжение на резисторе (на нагрузке) на рисунке 4-21 примерно равно 17 В. Если бы конденсатор в фильтре был неисправен (например, произошёл обрыв), выходное напряжение постоянного тока значительно снизилось бы. Его среднее значение составило бы:
Vav=0.45×12 В=5.4 В.
Таким образом, исправный конденсатор в схеме на рис. 4-21 обеспечивает выходное напряжение около 17 В , а при обрыве конденсатора напряжение падает до 5,4 В . Понимание этой разницы крайне важно при диагностике неисправностей в блоках питания.
На рисунке 4-22 показан тот же трансформатор и входной сигнал, но полуволновой выпрямитель заменён на мостовой выпрямитель . Поскольку схема снабжена фильтром, выходное напряжение постоянного тока снова будет равно пиковому значению входного сигнала, то есть 16,97 В . Если конденсатор в этой схеме выйдет из строя (произойдёт обрыв), выходное напряжение составит:
Vav=0.9×12 В=10.8 В.
Очевидно, что отказ конденсатора (обрыв) в двухполупериодных схемах оказывает менее катастрофическое влияние на выходное напряжение постоянного тока, чем в однополупериодных схемах. В данном случае напряжение падает до 10,8 В вместо 5,4 В , что делает неисправность менее заметной, но всё равно требует внимания при ремонте.
Важно помнить, что фильтрующий конденсатор заряжается до пикового значения переменного напряжения. Поэтому конденсаторы должны быть рассчитаны на это повышенное напряжение.
Ещё один ключевой момент — полярность конденсатора. Если проверить схемы на рисунках 4-21 и 4-22, можно заметить, что положительный вывод (+) конденсатора подключён к нижней точке цепи. Убедитесь в правильности подключения, проанализировав соединения выпрямительных диодов.
Большинство фильтрующих конденсаторов — электролитические . Они могут взорваться при обратном подключении полярности. Это касается и многих танталовых конденсаторов . Такие ситуации опасны и требуют строгого соблюдения полярности при монтаже.
Пример 4-8. Оцените (качественно) эффективность конденсаторов в 100 мкФ, и 1000 мкФ, когда они используются в качестве фильтров для однополупериодного выпрямителя переменного сигнала с частотой 60 Гц с нагрузкой 100 Ом. Итак, для начала вычислим постоянную времени для обоих конденсаторов:
T = R x C; T1 = 100 Ом х 100 мкФ = 0.01 с; T2 = 100 Ом х 1000 мкФ = 0.1 с.
Если посмотреть на рисунок 4-18, увидим, что время разрядки однополупериодной схемы выпрямителя сигнала частотой 60 Гц находится вблизи 0.01 с. Это означает, что маленький фильтр будет разряжаться в течение примерно 1 величины постоянной времени, теряя 60% (напряжения на выходе) и создавая ощутимую пульсацию. Более емкий конденсатор имеет постоянную времени 0.1 с, что намного больше в сравнении с временем разрядки. Конденсатор с емкостью 1000 мкФ будет гораздо более эффективным фильтром (давать на выходе меньше пульсаций).
Пример 4-9. Выберите емкость конденсатора для двухполупериодного выпрямителя напряжения питания частотой 60 Гц, при условии тока нагрузки 5 А и допустимого размаха пульсации 1 В. Источник питания работает на частоте 60 Гц, но как показано на рисунке 4-18, частота пульсаций в два раза больше, чем частота напряжения на входе (для двухполупериодных выпрямителей).
T = 1/f = 1/ 2x60 = 8.33 мс.
Это согласуется со схемой 4-18. Далее найдем величину емкости фильтра:
Пример 4-10. Выберите конденсаторы для фильтров двухполупериодного выпрямителя с входным напряжением частотой 100 кГц, с током нагрузки 5 А, и допустимым размахом пульсаций 1 В. Сравните с емкостью конденсатора из предыдущего примера:
Пример 4-11. На какое напряжение требуется конденсатор в фильтре из рисунка 4-22, если коэффициент трансформации трансформатора равен 1:1? Решение: напряжение на вторичной обмотке будет равно напряжению на первичной, и конденсатор будет заряжаться до пикового значения переменного напряжения: Vp = 1.414 x Vrms = 1.414 x 120 = 170 В. Конденсатор зарядится до 170 В. Требуется небольшой запас в целях безопасности, таким образом, конденсатор, рассчитанный на напряжение 250 В и более будет предпочтительным для использования в этой схеме.
Ёмкостные фильтры распространены и работают эффективно. Однако они вызывают гармонические искажения в сети переменного тока. В большинстве регионов Северной Америки частота сети — синусоидальная 60 Гц . Идеально синусоидальная волна содержит только одну частоту. На практике в сети присутствуют и другие частоты.
Гармонические искажения возникают, когда нагрузки (например, блоки питания с ёмкостными фильтрами) генерируют дополнительные частоты. Эти гармоники появляются на целочисленных кратных частотах. Для 60 Гц это 120 Гц, 180 Гц, 240 Гц, 300 Гц и так далее. На осциллографе искажения проявляются как «обрезка» пиков (показано красным на рис. 4-23). Ни в коем случае не подключайте осциллограф напрямую к сети переменного тока — это опасно (подробнее в разделе «Безопасные измерения» далее).
Искажения вызваны тем, что ток через конденсатор нагрузки сети максимален в моменты пиков напряжения (как показано на рис. 4-19(d)).
Международный стандарт для гармоник в сети (от 2-й до 40-й гармоники) — IEC 61000-3-2 (стандарт Международной электротехнической комиссии). В США действуют стандарты Energy Star , которые в большей степени регулируют энергоэффективность блоков питания. Коррекция коэффициента мощности (Power Factor Correction, PFC) и методы борьбы с гармоническими искажениями рассматриваются в главе 14 .