Surse de alimentare

  • ACASĂ
  • CIRCUITE ȘI REZISTENȚE
  • TEORIA AC
  • SEMICONDUCTORI
  • AMPLIFICATOARE
  • OSCILATORI
  • SURSE DE ALIMENTARE
  • ELECTRONICA DIGITALĂ

filtrare

  • După ce ați studiat această secțiune, ar trebui să puteți:
  • Descrieți principiile unui condensator de rezervor în sursele de alimentare de bază.
  • • Acțiunea condensatorului rezervorului.
  • • Efectul unui condensator de rezervor asupra componentei de curent continuu.
  • • Efectul unui condensator de rezervor asupra diodei curente.
  • Descrieți principiile unui filtru trece jos utilizat în sursele de alimentare de bază.
  • • Filtre LC.
  • • Filtre RC.

Componente de filtrare

Un circuit tipic de filtrare a sursei de alimentare poate fi cel mai bine înțeles prin împărțirea circuitului în două părți, condensatorul rezervorului și filtrul trece jos. Fiecare dintre aceste părți contribuie la eliminarea impulsurilor de curent alternativ rămase, dar în moduri diferite.

Condensatorul rezervorului

FIG. 1.2.1 Condensatorul rezervorului

FIG. 1.2.1 prezintă un condensator electrolitic utilizat ca condensator de rezervor, așa-numitul deoarece acționează ca un depozit temporar pentru curentul de ieșire a sursei de alimentare. Dioda redresor furnizează curent pentru a încărca un condensator de rezervor pe fiecare ciclu al undei de intrare. Condensatorul rezervorului este un electrolitic mare, de obicei de câteva sute sau chiar o mie sau mai multe microfarade, în special în alimentatoarele cu frecvență de rețea. Această valoare foarte mare a capacității este necesară deoarece condensatorul rezervorului, atunci când este încărcat, trebuie să furnizeze suficient curent continuu pentru a menține o ieșire PSU constantă în absența unui curent de intrare; adică în timpul decalajelor dintre semiciclurile pozitive când redresorul nu conduce.

Acțiunea condensatorului rezervorului pe o undă sinusoidală rectificată pe jumătate de undă este prezentată în Fig. 1.2.2. În timpul fiecărui ciclu, tensiunea alternativă a anodului redresor crește spre Vpk. La un moment dat aproape de Vpk, tensiunea anodică depășește tensiunea catodului, redresorul conduce și un impuls de curent, încărcând condensatorul rezervorului la valoarea Vpk.

FIG. 1.2.2 Acțiunea condensatorului rezervorului

Odată ce unda de intrare trece de Vpk, anodul redresor cade sub tensiunea condensatorului, redresorul devine polarizat invers și conducerea se oprește. Circuitul de sarcină este acum alimentat doar de condensatorul rezervorului (de unde este nevoie de un condensator mare).

Desigur, chiar dacă condensatorul rezervorului are o valoare mare, acesta se descarcă pe măsură ce alimentează sarcina și tensiunea sa scade, dar nu cu mult. La un moment dat în următorul ciclu de intrare de rețea, tensiunea de intrare a redresorului crește peste tensiunea condensatorului parțial descărcat și rezervorul este reîncărcat la valoarea de vârf Vpk.

AC Ripple

Cantitatea cu care se descarcă condensatorul rezervorului la fiecare jumătate de ciclu este determinată de curentul tras de sarcină. Cu cât curentul de încărcare este mai mare, cu atât este mai mare descărcarea, dar cu condiția ca curentul extras să nu fie excesiv, cantitatea de curent alternativ prezentă în ieșire este mult redusă. În mod tipic, amplitudinea vârf-la-vârf a restului de curent alternativ (numită ondulare, deoarece undele de curent alternativ sunt acum mult reduse) nu ar depăși 10% din tensiunea de ieșire continuă.

Ieșirea continuă a redresorului, fără condensatorul rezervorului, este fie de 0,637 Vpk pentru redresoarele cu undă completă, fie de 0,317 Vpk pentru jumătatea de undă. Adăugarea condensatorului crește nivelul de curent continuu al undei de ieșire la aproape valoarea maximă a undei de intrare, așa cum se poate vedea din Fig. 1.1.9.

Pentru a obține cea mai mică ondulare de curent alternativ și cel mai înalt nivel de curent continuu, ar părea rezonabil să folosiți cel mai mare condensator de rezervor posibil. Cu toate acestea, există un obstacol. Condensatorul furnizează curentul de sarcină pentru cea mai mare parte a timpului (când dioda nu conduce). Acest curent descarcă parțial condensatorul, deci toată energia utilizată de sarcină în cea mai mare parte a ciclului trebuie să fie alcătuită în timpul foarte scurt rămas în care dioda conduce în fiecare ciclu.

Formula referitoare la taxă, timp și curent afirmă că:

Încărcarea (Q) pe un condensator depinde de cantitatea de curent (I) care curge pentru un timp (t).

Prin urmare, cu cât timpul de încărcare este mai scurt, cu atât dioda trebuie să furnizeze curent mai mare pentru a o încărca. Dacă condensatorul este foarte mare, tensiunea acestuia va cădea cu greu între impulsurile de încărcare; aceasta va produce o cantitate foarte mică de ondulare, dar necesită impulsuri foarte scurte de curent mult mai mare pentru a încărca condensatorul rezervorului. Atât transformatorul de intrare, cât și diodele redresoare trebuie să fie capabile să furnizeze acest curent. Aceasta înseamnă utilizarea unui curent nominal mai mare pentru diode și transformator decât ar fi necesar cu un condensator de rezervor mai mic.

Prin urmare, există un avantaj în reducerea valorii condensatorului rezervorului, permițând astfel o creștere a ondulației prezente, dar acest lucru poate fi eliminat în mod eficient folosind un filtru trece jos și trepte de regulator între condensatorul rezervorului și sarcină.

Acest efect al creșterii dimensiunii rezervorului asupra diodei și a curentului transformatorului trebuie luat în considerare în timpul oricăror operațiuni de întreținere; înlocuirea condensatorului rezervorului cu o valoare mai mare decât în ​​proiectul original „pentru a reduce zumzetul rețelei” poate părea o idee bună, dar poate risca să deterioreze dioda redresoare și/sau transformatorul.

Cu rectificarea completă a undelor, performanța condensatorului rezervorului în îndepărtarea ondulării de curent alternativ este semnificativ mai bună decât cu jumătate de undă, pentru aceeași dimensiune a condensatorului rezervor, ondularea este de aproximativ jumătate din amplitudinea celei din alimentările cu jumătate de undă, deoarece în circuitele cu undă completă, perioadele de descărcare sunt mai scurte, condensatorul rezervorului reîncărcându-se la frecvența de două ori mai mare decât cea a semicondului.

Filtre low pass

Deși o sursă de alimentare utilizabilă poate fi realizată folosind doar un condensator de rezervor pentru a elimina ondularea de curent alternativ, este de obicei necesar să includeți și un filtru de trecere joasă și/sau o etapă de reglare după condensatorul de rezervor pentru a elimina orice ondulație de CA rămasă și pentru a îmbunătăți stabilizarea tensiunea de ieșire DC în condiții de sarcină variabilă.

FIG. 1.2.3 Filtru LC

FIG. 1.2.4 Filtru RC

Fie filtre de trecere joasă LC sau RC pot fi folosite pentru a elimina ondulația rămasă după condensatorul rezervorului. Filtrul LC prezentat în Fig. 1.2.3 este mai eficient și oferă rezultate mai bune decât filtrul RC prezentat în Fig. 1.2.4, dar pentru sursele de alimentare de bază, modelele LC sunt mai puțin populare decât RC, deoarece inductoarele necesare pentru ca filtrul să funcționeze eficient la 50 până la 120Hz trebuie să fie tipuri mari și costisitoare de miez laminat sau toroidal. Cu toate acestea, proiectele moderne care utilizează consumabile în modul comutator, în cazul în care orice ondulație de curent alternativ are frecvențe mult mai mari, pot fi utilizate inductoare cu miez de ferită mult mai mici.

Filtrul trece jos trece frecvența joasă, în acest caz DC (0Hz) și blochează frecvențe mai mari, indiferent dacă sunt 50Hz sau 120Hz în circuitele de bază sau zeci de kHz în modurile de comutare.

Reactanța (XC) a condensatorului în oricare dintre filtre este foarte scăzută în comparație cu rezistența rezistorului R sau reactanța șocului XL la frecvența de ondulare. În proiectările RC rezistența lui R trebuie să fie o valoare destul de scăzută, deoarece întregul curent de sarcină, poate mai mulți amperi, trebuie să treacă prin el, generând o cantitate considerabilă de căldură. Prin urmare, o valoare tipică ar fi de 50 ohmi sau mai mică și chiar la această valoare, în mod normal, ar trebui să fie utilizat un rezistor mare înfășurat cu fir. Acest lucru limitează eficiența filtrului, deoarece raportul dintre rezistența lui R și reactanța condensatorului nu va fi mai mare de aproximativ 25: 1. Acesta ar fi atunci raportul de reducere tipic al amplitudinii ondulării. Prin includerea filtrului de trecere joasă, se pierde o anumită tensiune pe rezistor, dar acest dezavantaj este compensat de performanța mai bună a ondulării decât prin utilizarea condensatorului rezervor singur.

Filtrul LC funcționează mult mai bine decât filtrul RC, deoarece este posibil ca raportul dintre XC și XL să fie mult mai mare decât raportul dintre XC și R. De obicei, raportul într-un filtru LC ar putea fi de 1: 4000, dând o respingere a ondulației mult mai bună decât filtrul RC. De asemenea, deoarece rezistența continuă a inductorului din filtrul LC este mult mai mică decât rezistența lui R în filtrul RC, problema căldurii generate de curentul mare DC este foarte redusă în filtrele LC.

Cu un condensator de rezervor combinat și un filtru trece-jos este posibil să eliminați 95% sau mai mult din ondulația de curent alternativ și să obțineți o tensiune de ieșire de aproximativ tensiunea de vârf a undei de intrare. O sursă de alimentare simplă constând doar din transformator, redresor, rezervor și filtru trece jos are totuși unele dezavantaje.

FIG. 1.2.5 Adaptor DC

Tensiunea de ieșire a alimentatorului tinde să scadă pe măsură ce se extrage mai mult curent din ieșire. Acest lucru se datorează:

A. Condensatorul rezervorului este descărcat mai mult pe fiecare ciclu.

b. O cădere mai mare de tensiune pe rezistor sau un sufocator în filtrul trece jos pe măsură ce curentul crește.

Aceste probleme pot fi depășite în mare măsură prin includerea unei etape de reglare la ieșirea sursei de alimentare, așa cum este descris în modulul 2 al surselor de alimentare.

Cu toate acestea, circuitele de alimentare de bază descrise aici în modulul 1 sunt utilizate în mod obișnuit în adaptoarele de curent continuu de tip „verucă de perete” furnizate cu multe produse electronice. Cele mai comune versiuni cuprind un transformator, redresor de punte și, uneori, un condensator de rezervor. Filtrarea suplimentară și reglarea/stabilizarea se efectuează de obicei în circuitul furnizat de adaptor.

Modul de ieșire a unei surse de alimentare de bază poate fi îmbunătățit prin circuite de reglare este explicat în modulul 2 al alimentării cu energie