Напряжение, получаемое от выпрямителей, является не постоянным, а пульсирующим. Оно состоит из постоянной и переменной составляющих. Чем больше переменная составляющая по отношению к постоянной, тем больше пульсация и хуже качество выпрямленного напряжения.
Переменная составляющая формируется гармониками. Частоты гармоник определяются равенством
f(n) = kmf ,
где k – номер гармоники, k = 1, 2, 3, …, m – количество пульсов выпрямляемого напряжения, f – частота напряжения сети.
Качество выпрямленного напряжения оценивается коэффициентом пульсации p , который зависит от среднего значения выпрямленного напряжения и амплитуды основной гармоники в нагрузке.
Порядок гармонических составляющих n = km, содержащихся в кривой выпрямленного напряжения, зависит лишь от числа пульсов и не зависит от конкретной . Гармоники минимальных номеров имеют наибольшую амплитуду.
Действующее значение напряжения гармонической составляющей порядка n зависит от среднего значения выпрямленного напряжения Ud идеального нерегулируемого выпрямителя:
В реальных схемах переход тока с одного диода на другой происходит в течение некоторого конечного промежутка времени, измеряемого долями и называемого углом коммутации . Наличие углов коммутации существенно увеличивает амплитуду гармоник. В результате растут пульсации выпрямленного напряжения .
Переменная составляющая выпрямленного напряжения, состоящая из гармоник низкой и высокой частоты, создает в нагрузке переменный ток, который оказывает мешающее воздействие на другие электронные устройства.
Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения между выходными зажимами выпрямителя и нагрузкой включают сглаживающий фильтр , который значительно ослабляет пульсацию выпрямленного напряжения за счет подавления гармоник.
Основными элементами сглаживающих фильтров являются (дроссели) и , а при небольших мощностях и транзисторы.
Работа пассивных фильтров (без транзисторов и других усилителей) основана на зависимости от частоты величины сопротивления реактивных элементов (катушки индуктивности и конденсатора). Реактивные сопротивления катушки индуктивности Xl и конденсатора Xc : Xl = 2πfL, Xc = 1/2πfC,
где f – частота тока, протекающего через реактивный элемент, L – индуктивность дросселя, С – eмкость конденсатора.
Из формул для сопротивления реактивных элементов следует, что с увеличением частоты тока сопротивление катушки растёт, а конденсатора уменьшается. Для постоянного тока сопротивление конденсатора равно бесконечности, а катушки индуктивности – нулю.
Отмеченная особенность позволяет катушке индуктивности беспрепятственно пропускать постоянную составляющую выпрямленного тока и задерживать гармоники. Причём, чем больше номер гармоники (выше её частота), тем эффективней она задерживается. Конденсатор наоборот полностью задерживает постоянную составляющую тока и пропускает гармоники.
Основным параметром, характеризующим эффективность работы фильтра, является коэффициент сглаживания (фильтрации)
q = p1 / p2 ,
где p1 – коэффициент пульсации на выходе выпрямителя в схеме без фильтра, p2 – коэффициент пульсации на выходе фильтра.
На практике применяются пассивные Г-образные, П-образные и резонансные фильтры. Наиболее широко используются Г-образные и П-образные, схемы которых приведены на рисунке 1
Рисунок 1. Схемы пассивных сглаживающих Г-образного (a) и П-образного (б) фильтров для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения
Исходными данными для расчёта индуктивности дросселя фильтра L и ёмкости конденсатора фильтра C являются коэффициент пульсации выпрямителя, вариант схемного решения, а также требуемый коэффициент пульсации на выходе фильтра.
Расчёт параметров фильтра начинают с определения коэффициента сглаживания. Далее необходимо произвольно выбрать схему фильтра и емкость конденсатора в ней. Ёмкость конденсатора фильтра выбирают из ряда ёмкостей, приведённого ниже.
На практике используют конденсаторы следующих ёмкостей: 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 4000 мкФ. Меньшие значения ёмкостей из этого ряда целесообразно применять при больших рабочих напряжениях, а большие ёмкости – при невысоких напряжениях.
Индуктивность дросселя в Г-образной схеме фильтра можно определить из приближённого выражения
для П-образной схемы –
В формулы ёмкость подставляется в микрофарадах, а результат получается в генри.
Фильтрация пульсаций выпрямленного напряжения
Справочный материал по электронике
1. Элементная база современных электронных устройств
Электронный блок или электронное устройство содержит практически все основные элементы - резисторы, конденсаторы, а также полупроводниковые приборы: диоды, транзисторы, интегральные схемы (ИС) и микро-ЭВМ.
Диоды и транзисторы используются для выпрямления или усиления сигналов. Поэтому их принято называть активными элементами . В отличие от них резисторы и конденсаторы служат только для передачи сигналов. В этой связи их принято называть пассивными элементами.
Рис.1. Конденсатор постоянной ёмкости -1, переменный конденсатор -2, электролитический конденсатор - 3, постоянный резистор -4, переменный резистор -5, терморезистор – 6.
Ток заряда конденсатора,
постоянная времени заряда конденсатора через резистор,
Ток в цепи с резистором (закон Ома),
Сопротивление цепи.
Эквивалентная емкость параллельно соединенных конденсаторов:
При последовательном соединении: 
Рис.2. Трансформатор однофазный – 1, катушка индуктивности – 2, трёхфазный трансформатор звезда/звезда – 3 и звезда/треугольник -4, автотрансформатор -5.
Рис.3. Полевые (униполярные) транзисторы. С изолированным затвором – 2.
Рис.4. Биполярный транзистор (его выводы: Б - база, К – коллектор, Э – эмиттер) – 1, стабилитрон – 2, тиристор – 3, варикап – 4, выпрямительный диод – 5.
Рис.5. Стабилизатор напряжения на стабилитроне VD и его ВАХ.
Рис.6. ВАХ тиристора.
Рис.7. ВАХ выпрямительного диода.
Рис.8. Зависимость ёмкости от напряжения варикапа.
Рис. 9. Светодиод – 1, фотодиод – 2, фототранзистор – 3.
Рис.10. Полевой (униполярный) транзистор с изолированным затвором – 1, микросхема (МС) - логический элемент «ИЛИ» - 2, полевой (униполярный) транзистор – 3, микросхема (МС) - логический элемент «И» - 4, микросхема (МС) - инвертор -5.
Рис.11. Схемы включения транзисторов: 1 – с общей базой, 2 – с общим эмиттером, 3 – с общим коллектором (эмиттерный повторитель).
2. Источники вторичного электропитания
а. Однофазный однополупериодный выпрямитель
Рис.1. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя и диаграммы напряжений. Верхняя – на входе выпрямителя, средняя – на выходе, нижняя – выпрямленный ток.
Частота пульсаций равна частоте переменного тока.
б . Однофазный двухполупериодный выпрямитель
Рис.2 а - схема мостового выпрямителя, б -
Частота пульсаций равна удвоенной частоте переменного тока.
Рис.3 а - схема нулевого выпрямителя, б - диаграммы напряжений и токов: верхняя - входное напряжение, средняя – выходное напряжение, нижняя – выпрямленного тока.
Обратное напряжение в 2 раза больше , чем у мостового. Частота пульсаций равна удвоенной частоте переменного тока.
в. Трехфазный нулевой выпрямитель
Рис.4 а - схема трехфазного нулевого выпрямителя, б - диаграммы напряжений: верхняя - входное напряжение, нижняя – выходное напряжение.
Частота пульсаций равна утроенной частоте переменного тока.
в. Трехфазный мостовой выпрямитель
Рис.5.Схема трехфазного мостового выпрямителя.
Рис.6 Диаграммы напряжений трехфазного мостового выпрямителя.
Частота пульсаций равна ушестерённой частоте переменного тока.
СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры. Их устанавливают на выходе выпрямителя. Схемы наиболее распространенных типов сглаживающих фильтров приведены на рисунках 1 - 4.
Эффективность сглаживающего фильтра оценивают отношением коэффициентов пульсаций входного (до фильтра) и выходного (после фильтра) напряжений: , где - коэффициент сглаживания; - коэффициенты пульсаций выпрямленного напряжения до и после фильтра.
Рис. 5 Диаграмма напряжений: 1 – на входе сглаживающего фильтра, 2 – на его выходе.
3. Аналоговая электроника
Усилители на транзисторах
Рис.1 Схемы включения транзисторов: 1 – с общей базой, 2 – с общим эмиттером, 3 – с общим коллектором.
Рис.2 Типовая схема усилительного каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе.
Рис.3 Характеристики усилительного каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе: динамическая входная характеристика , повернутая на 90 0 ; переходная характеристика ; выходные характеристики .
Точки С и А находятся в зоне насыщения , точки D и В соответственно в зоне отсечки , а точка покоя Q в рабочей зоне.
Рис.4 Диаграмма входного и выходного напряжения усилительного каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе.
Инверсия фазы учитывается знаком минус в формулах выходного напряжения и коэффициента усиления.
Усилители характеризуются рабочим диапазоном частот , внутри которого коэффициент усиления можно считать постоянным и определяется с помощью амплитудно–частотной характеристики (АЧХ).
Обратная связь
Введение обратной связи позволяет создавать не только усилители с необхомимыми свойствами, но и новые классы электронных схем с различными функциональными характеристиками (генераторы, стабилизаторы и т.д.)
Для усилителя с отрицательной обратной связью по напряжению получим:
При , коэффициент усиления с обратной связью равен . (Пример: операционный усилитель ОУ)
Рис.3 Схема дифференциального усилительного каскада.
Усилители на ОУ – это усилитель на основе интегрального усилителя постоянного тока.
Рис.4 Условное обозначение ОУ.
Параметры ОУ без обратной связи характеризуются следующими величинами:
где и - входное и выходное сопротивления ОУ, - коэффициент усиления по напряжению ОУ, - входной ток ОУ
Рис.5 Инвертирующий усилитель – а., б.
Коэффициент усиления
Рис.6 Неинвертирующий усилитель – а., диаграмма входного и выходного напряжения –б.
Коэффициент усиления
по напряжению инвертирующего усилителя с обратной связью: 
Рис.7 Схема суммирующего усилителя ,
Рис.8 Схема интегрирующего усилителя
, 
И 
.
ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Избирательным называется усилитель, обладающий способностью выделять полезный сигнал, имеющий заданную частоту, из всего ряда сигналов, поступающих на вход усилителя. Такой усилитель в отличие от широкополосного усилителя имеет узкую полосу пропускания 
.
ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
Генератор представляет собой преобразователь энергии источника постоянного тока в энергию периодических электрических колебаний. Генератор строится на основе усилителя с положительной обратной связью.
Частота пульсаций напряжения на нагрузке соответствует двухпо-лупериодной схеме выпрямления.
Двухполупериодное умножение напряжения.| Схема однополупе-риодного умножения напряжения. Частота пульсаций напряжения на нагрузке соответствует двухполупериоднои схеме выпрямления.
ДЭЗ с изменяемой частотой пульсации напряжения могут работать при намного более низких скоростях газа-носителя, чем детекторы, работающие при постоянной частоте пульсации. ГЖХ-метод с ДЭЗ, описанный в работе , позволяет анализировать в клинической лаборатории до 40 образцов бензодиазепинов в день с получением в этот же день окончательных результатов.
Для этого собственная частота фильтра и частота пульсации напряжения должны резко отличаться друг от друга.
Так как (01п2шф, то возможность резонансных явлений на частотах пульсации напряжения исключается.
Настроечная карта телевизоров Знамя-58 и Знамя - 58М. а - расположение органов настройки контуров со стороны ламп. б - то же, со стороны монтажа. в - частотная характеристика УПЧ с сетки лампы Jl. a - то же, с сетки лампы Л. и - частотная характеристика канала изображения. е - то же, УПЧ.| Частотная характеристика видеоусилителя. Кривая / - характеристика второго каскада. кривая / / - суммарная характеристика двух каскадов. Пульсация напряжения на катоде лампы Л9 противоположна по фазе и равна по частоте пульсации напряжения на сетке лампы селектора. В результате сложения этих напряжений общий уровень фона в анодной цепи селектора кадровых синхроимпульсов уменьшается и устойчивость кадровой синхронизации повышается.
Дроссели сглаживающих фильтров можно также условно классифицировать по энергии, характеризующейся величиной / 20L №, на дроссели малой, средней и большой мощности; по частоте пульсации напряжения и тока: низкочастотные и повышенной частоты; по конструктивным особенностям магнитопровода и обмоток, а также по эксплуатационным свойствам.
Фотоэлектрические тахометрические преобразователи основаны на появлении пульсирующего электрического напряжения в цепи фотоэлемента в результате периодического прерывания вращающейся турбинкой луча света, падающего на фотоэлемент. Частота пульсации напряжения в цепи фотоэлемента пропорциональна вращению турбинки. Такие преобразователи не создают никакого тормозящего момента, но устройство их сложнее, чем индукционных или индуктивных. Обычно осветитель (электрическая лампочка) и фотоэлемент устанавливаются с разных сторон турбинки и отделяются от измеряемого вещества прочными стеклами. В теле турбинки делается одно или несколько отверстий, которые при вращении турбинки создают периодическое освещение фотоэлемента светом, падающим от осветителя. Для получения высокой частоты фототока служат разные средства. Так, в работе для этой цели применено зубчатое колесо, каждый зуб которого модулирует луч света, падающий на фотоэлемент. В другом расходомере применены три фотоэлектрических преобразователя, каждый из которых состоит из лампы, фотосопротивления и двух оптических призм, отделяющих фотосопротивления и лампы от жидкости.
Тахогенератор представляет собой генератор постоянного тока определенного конструктивного исполнения, у которого обеспечена строгая пропорциональность частоты вращения выходному напряжению, независимость от температуры, долговременная стабильность и небольшие пульсации выходного напряжения. Если частота пульсаций напряжения тахогенератора, определяемая числом пазов статора, окажется близкой к частоте пульсаций напряжения преобразователя, могут возникнуть биения, нарушающие работу системы регулирования. Для шестипульсного преобразователя, основная частота пульсаций которого равна 300 Гц, биения могут возникнуть, например, при 30 пазах и частоте вращения около 600 об / мин.
На основании (95) производят выбор L и С по рекомендациям формул (93) с учетом конструктивных соображений и избежания явления резонанса в элементах фильтра. В последнем случае требуется, чтобы собственная частота фильтра u0l / ] / Z C была меньше частоты пульсаций напряжений первой гармоники и не кратной ей.
Проведенный анализ показывает, что в двухполупериодной схеме трансформатор используется значительно лучше, чем в однополупериодной схеме, вследствие отсутствия вынужденного намагничивания сердечника постоянной составляющей тока вторичной обмотки. Среднее и максимальное значения тока вентиля уменьшаются в два раза при одном и том же токе нагрузки. Частота пульсаций напряжения на нагрузке увеличивается в два раза. Обратное напряжение на вентиле по-прежнему велико.
В результате можно сделать вывод о необходимости ориентироваться на величины накопительной емкости С - (Юн - 50) - 103 пф и напряжения на ней t / 10 кв, что является определенным затруднением на пути реализации такого генератора световых вспышек. Следует также обратить внимание на качество высоковольтных источников питания. Может иметь место поджиг строботрона с частотой пульсации напряжения на электродах, определяющейся частотой сети и многофазностью выпрямителя.
Схемы выпрямления с умножением напряжения могут быть трансформаторные и бестрансформаторные. В качестве примера на рис. 4.22 показаны схемы выпрямления с умножением в два, три и шесть раз. Действие этих схем общеизвестно и лишь аз порядке напоминания укажем, что кратность умножения напряжения является приблизительно целым числом, частота пульсации напряжения на нагрузке определяется частотой питающего напряжения (ynfc), число вентилей и конденсаторов равно кратности умножения напряжения. Применение таких схем оправдывает себя лишь при малых токах нагрузки, когда конденсаторы схемы работают в режиме частичного разряда.
Для уменьшения пульсации напряжения у потребителя на выходе выпрямителя устанавливается специальное устройство, называемое сглаживающим фильтром, основное назначение которого уменьшить переменную составляющую выпрямленного напряжения. Простейшим фильтром является конденсатор большой емкости, включаемый параллельно приемнику выпрямленного напряжения. При таком включении конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения u 2 в моменты времени, когда напряжение u 2 превышает напряжение на конденсаторе (интервал времени t 1 -t 2 на рис. 6.7). В течение интервала времени t 2 -t 3 , когда напряжение u c u 2 , вентиль закрыт, а конденсатор разряжается через нагрузочный резистор R н. С момента времени t 3 процесс повторяется. При включении емкостного фильтра напряжение u н не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения.
Большее уменьшение пульсации напряжения обеспечивают Г-образные фильтры, представляющие собой смешанные LC фильтры (рис. 6.8). Уменьшение пульсации LC фильтром объясняется шунтирующим действием конденсатора С ф для переменной составляющей выпрямленного напряжения и значительным падением этой составляющей напряжения на катушке L ф, которая называется дросселем. В результате доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении резко снижается. Наряду с ослаблением переменной составляющей выпрямленного напряжения LC фильтр незначительно уменьшает и постоянную составляющую. Это происходит за счет падения напряжения на активном сопротивлении катушки. Если один Г-образный фильтр не обеспечивает необходимого уменьшения пульсации, последовательно включают несколько фильтров, например, Г-образный и емкостной фильтры, в совокупности дающие так называемый П-образный фильтр. На рис. 6.8 второй конденсатор П-образного фильтра указан пунктиром.
В реальных выпрямителях с ростом тока нагрузки выходное напряжение выпрямителя U ср уменьшается вследствие падений напряжения в активном сопротивлении обмоток трансформатора I∙R тр и последовательных элементах сглаживающего фильтра I∙R ф, а также падения напряжения на вентилях U пр. =I∙R пр . Нагрузочный ток и напряжение нагрузки U н связаны между собой следующим выражением:
U н =U хх –I∙R тр. –I∙R ф –I∙R пр. , (6.16)
где U хх - напряжение холостого хода выпрямителя. Зависимость U н = f(I) называется внешней характеристикой выпрямителя и определяет границы изменений тока, при которых выпрямленное напряжение не уменьшается ниже допустимой величины.
Рабочее задание
1. Технические данные электроизмерительных приборов, используемых в работе, занесите в таблицу 1.1. Форма таблицы приведена на странице 3.
2. Используя один из четырех вентилей, имеющихся на панели блока вентилей, соберите цепь, изображенную на рис. 6.9 и предъявите цепь для проверки преподавателю.
Рис. 6.9. Однополупериодная схема выпрямления
3. Элементы фильтра выпрямителя отключите, для этого тумблеры Т 1 и Т 2 разомкните, а тумблер Т 3 - замкните.
4. Автоматическим выключателем АП включите блок питания; при этом должна загореться сигнальная лампа.
5. Подготовьте осциллограф к работе, для чего:
а) шнур питания соедините с разъемом ’’сеть’’, расположенным на задней стенке осциллографа;
б) шнур питания соедините с клеммами, отмеченными знаком ’’~220’’, расположенным на панели блока питания стенда;
в) тумблером ’’сеть’’ включите осциллограф, при этом на передней панели осциллографа должна загореться сигнальная лампа;
г) через 2-3 минуты отрегулируйте яркость и фокусировку линии развертки на экране осциллографа с помощью ручек «Яркость» и «Фокус».
6. Проведите калибровку коэффициента отклонения луча, для чего:
а) тумблер, отмеченный знаком « », « » поставьте в положение « »;
б) переключатель, отмеченный знаком «V/см», «mV/см» поставьте в положение «20 mV/см»;
в) тумблер, отмеченный знаком « », расположенный на правой стенке осциллографа, поставьте в положение « »;
г) подключите соединительный кабель к гнезду, отмеченному знаком «1мΩ50pF»;
д) подключите штекеры соединительного кабеля к гнездам калибровочного напряжения 1В, расположенным на правой стенке осциллографа и отмеченным знаком «1V» (к штекеру с коротким проводом) и знаком «^» (к штекеру с длинным проводом). При этом на экране появится изображение двух горизонтальных линий;
е) ручкой «Усиление» установите расстояние между линиями, равное 5 см;Внимание: ВО ИЗБЕЖАНИЕ ПОЛОМОК, БОЛЬШИХ УСИЛИЙ К РУЧКЕ «УСИЛЕНИЕ» НЕ ПРИЛАГАТЬ!
ж) отключите штекеры соединительного кабеля от гнезд калибровочного напряжения 1В;
з) тумблер, отмеченный знаком « » поставьте в положение «–»;
и) переключатель, отмеченный знаком «V/см», «mV/см» поставьте в положение «2 V/см»;
ВЕЛИЧИНА ИЗМЕРЯЕМОГО НАПРЯЖЕНИЯ РАВНА 20 N В.
N -АМПЛИТУДА ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ЭКРАНЕ В САНТИМЕТРАХ.
к) штекеры соединительного кабеля подключите к вентилю.
Таблица 6.1
Средние значения выпрямленного напряжения на нагрузочном резисторе и амплитудные значения обратного напряжения на вентилях при работе в однополупериодной и двухполупериодной мостовой схемах
| ТИП ВЫПРЯМИТЕЛЯ | U, B | U ср,В | U m. обр. , В (определятся по осциллографу) | U ср / U | U m.обр /U ср |
| Однополупериодный | |||||
| Однополупериодный с емкостным фильтром С 1 | |||||
| Однополупериодный с емкостным фильтром С 1 +С 2 | |||||
| Однополупериодный с Г-образным LC фильтром | |||||
| Однополупериодный с П-образным LC фильтром | |||||
| Двухполупериодный | |||||
| Двухполупериодный с емкостным фильтром С 1 | |||||
| Двухполупериодный с емкостным фильтром С 1 +С 2 | |||||
| Двухполупериодный с Г-образным LC фильтром | |||||
| Двухполупериодный с П-образным LC фильтром |
7.Замкните тумблер, отмеченный знаком «~ 24», расположенный на панели блока питания стенда; при этом на панели блока вентилей должна загореться сигнальная лампа.
8.Тумблеры Т 1 и Т 2 разомкните, а тумблер Т 3 замкните.
9. Вольтметром магнитоэлектрической системы измерьте значение выпрямленного напряжения на нагрузочном резисторе U ср, а осциллографом - амплитудное значение обратного напряжения U m.обр. на вентиле. Показания приборов занесите в первую строку таблицы 6.1.
10. Замкните тумблер Т 1 . Показания приборов занесите во вторую строку таблицы 6.1.
11. Замкните тумблер Т 2 . Показания приборов занесите в таблицу 6.1.
12. Разомкните тумблеры Т 1 и Т 3 . Показания приборов занесите в таблицу 6.1.
13. Тумблер Т 1 замкните. Показания приборов занесите в таблицу 6.1.
14. Штекеры соединительного кабеля переключите на нагрузочный резистор.
Для всех строк таблицы 6.1. зарисуйте или сфотографируйте осциллограммы выпрямленного напряжения.
15. Разомкните тумблер, отмеченный знаком «~ 24», расположенный на панели блока питания стенда, при этом на панели блока вентилей должна погаснуть сигнальная лампа.
Рис.6.10. Мостовая схема выпрямления
16. Соберите мостовую схему выпрямителя, изображенную на рис.6.10, и предъявите ее для проверки преподавателю.
17. Выполните пункты 6-14.
18. Выключите блок питания стенда.
Обработка результатов
1. Сравните значения U ср /U с теоретическими значениями для соответствующих схем выпрямления. Сделайте вывод о влиянии схемы выпрямления на величину выпрямленного напряжения.
2. Сделайте вывод о влиянии емкостного фильтра и величины емкости на величину выпрямленного напряжения.
3. Сделайте вывод о влиянии LC фильтров на величину выпрямленного напряжения.
4. Объясните влияние дросселя на величину выпрямленного напряжения при использовании LC фильтров.
5. На основании анализа осциллограмм сделайте вывод о влиянии схемы выпрямления на величину пульсации выпрямленного напряжения.
6. Сделайте вывод о влиянии емкостного фильтра и величины емкости на пульсацию выпрямленного напряжения.
7. Сделайте вывод о влиянии LC фильтров на пульсацию выпрямленного напряжения.
8. Сравните измеренные значения обратного напряжения на вентиле и сделайте вывод о влиянии схемы выпрямления и типа применяемого фильтра на величину обратного напряжения.
9. Сравните теоретические значения допустимого обратного напряжения, вычисленные по формулам (6.8), (6.14), при работе выпрямителей без фильтров со всеми экспериментальными значениями обратного напряжения и дайте рекомендации по выбору вентилей для работы выпрямителей с фильтрами.
10. Дайте мотивированное заключение о предпочтительности одной из исследованных схем выпрямления перед другими.
Контрольные вопросы
1. Что такое p-n переход?
2. При каком потенциале на p области p-n переход проводит ток?
3. Когда происходит пробой p-n перехода?
4. Почему p-n переход обладает односторонней проводимостью?
5. Зависит ли проводимость p-n перехода от величины приложенного напряжения?
6. Какое включение p-n перехода называется прямым?
7. Как меняется сопротивление запирающего слоя при увеличении обратного напряжения?
8. Как меняется сопротивление запирающего слоя при увеличении прямого напряжения?
При построении аудиосистемы я обратил внимание на интересный факт, мной и другими слушателями было замечено, что на качество звучания аппаратуры влияет время суток, а точнее поздно вечером и рано утром звучание заметно лучше чем днем. В чем причина?!
Думаю, что не секрет, что наша бытовая электрическая сеть (ЭС) оставляет желать лучшего. Так повелось, что главный параметр ЭС, который отслеживают работники электростанций и обслуживающего персонала, это ее частота колебаний 50Гц, а что касается чистоты питающего напряжения и стабильности напряжения в наших домах так тут дела никому нет. Хотя последнее утверждение немного спорное, так как есть ГОСТ 13109-97 и технический регламент на параметры электрической сети. Я на собственном опыте почувствовал отход от параметров установленных в ГОСТ по электропитанию, когда мой ЦАП отказывался стабильно работать и это понятно, так как напряжение в ЭС снижалось до 180В, это хорошо отслеживалось по снижению яркости свечения ламп накаливания в доме. Все дело в том, что я живу в частном доме и для меня не редкость, когда напряжение в сети падает до 20%. Еще один недостаток ЭС был в том, что частые сварочные и другие работы соседей тоже вносили свою лепту в "экологию" питания аппаратуры.
Частично решить эту проблему можно с помощью стабилизатора напряжения, но он не спасет от загрязненного питания, так как автотрансформатор в составе этих устройств не способен работать в качестве фильтра НЧ.
Мои поиски необходимых устройств не дали желаемого результата, так как тема посвященная чистоте ЭС освещается крайне редко и на форумах по радиоэлектронике тоже мало информации. В продаже есть регенераторы питания, но они либо сильно дороги или часто сделаны на основе ИБП. Достоинство данных изделий перекрывается их недостатком, а именно большим шумом импульсного преобразователя и сильный отход от формы синусоиды выходного сигнала.
После некоторых размышлений, я решил разработать собственный регенератор сетевого питания (РСП), удовлетворяющий моим требованиям, а именно:
Сразу поясню, что 100Гц частота была выбрана неслучайно. Определяющим фактором послужил оптимальный режим работы нагрузки РСП на этой частоте, а именно звуковоспроизводящая аппаратура или ЦАП как в моем варианте.
Дело в том, что при повышения частоты напряжения питания силовых трансформаторов подключаемых устройств к РСП происходит улучшение режима их работы, а именно:
Все это способствует к улучшению звуковых свойств питаемой аппаратуры, но об этом ниже.
Еще одно преимущество частоты питания 100Гц это улучшение работы выпрямителя питающего устройства, так как после диодного моста пульсирующие напряжения получается в 2 раза чаще чем при питании непосредственно от бытовой сети 220В 50Гц и оно равно 200Гц. А из теории известно, что при увеличении частоты пульсации напряжения емкость сглаживающего фильтра после него можно уменьшить так как конденсатору легче сгладить пульсации выпрямленного напряжения большей частоты. Кстати этим обусловлено меньшая емкость сглаживающего конденсатора в импульсных блоках питания.
Ниже приведена схема для измерения пульсаций рис. 1 и осциллограммы, которые показывают процесс работы диодного моста с отключенный конденсатором C1 с частотой питания 50Гц рис. 2а и с частотой питания 100Гц рис. 2б.
Рис. 1 Схема для измерения пульсаций
Рис. 2а Процесс работы диодного моста без сглаживающего конденсатора C1 c частотой питания 50Гц
Рис. 2б Процесс работы диодного моста без сглаживающего конденсатора C1 c частотой питания 100Гц
Ниже приведены осциллограммы работы схемы измерения пульсаций на нагрузке с конденсатором C1при напряжении питания с частотой 50Гц рис 3а, а также 100Гц рис. 3б.
Рис. 3а Напряжение пульсации на нагрузке при питании схемы напряжением с частотой 50Гц
Рис. 3б Напряжение пульсации на нагрузке при питании схемы напряжением с частотой 100Гц
Из рис. 3а и рис.3б, видно, что при питании фильтра с нагрузкой частотой в два раза выше, пульсации снижаются в 1,65раза
Пульсации при 100Гц получаются 3,34V/2,02V = 1,65 раза меньше чем при питании от ЭС 50Гц.
Вернемся непосредственно к схеме РСП, в качестве генератора синусоидального напряжения я использовал мост Вина, а в качестве УМ применил схема на полевых транзисторах с выходной мощностью порядка 100Вт этого вполне достаточно для моих нужд. В блоке питания РСП применен трансформатор 250Вт и диодный мост с блоком фильтра общей емкостью 39600мкф, что является более чем достаточно для данного решения. Схема блока питания представлена на рис.4
Рис. 4 Блок питания РСП
Принцип работы РСП следующий:
При включении питания РСП происходит заряд емкостей БП и становление рабочего режима генератора синусоидальных колебаний рис.6, в это время работает soft-start создавая задержку подачи входного сигнала с генератора на УМ с помощью контактов реле замыкающих цепь выхода генератора и входа УМ.
Время работы схемы soft-start рис. 5, задается с помощью цепи R2, С4 и рассчитывается по формуле r=R2(Mom)xC4(mkF)=t(секунд).
Рис. 5 Схема Soft-start
По истечении времени установленного в схеме soft-start 2секунды в моем варианте, выходные усиленные колебания в УМ с частотой 100Гц подаются на повышающий трансформатор Тр1.
Намоточные данные повышающего трансформатора Тр1 следующие:
Магнитопровод марки ОЛ55/100-40.
Габаритная мощность магнитопровода Pгаб. = 227Вт
Число витков в первичной обмотке w1=30витков, провод ПЭВ2 1,2мм
Число витков во вторичной обмотке w2=600витков, провод ПЭВ2 0,51мм
Рассмотрим работу генератора синусоидальных колебаний.
Схема генератора представлена на рис. 6. Данная схема представляет собой генератор синусоидального напряжения. Цепь R1, C1 и R2, C2 задает частоту колебаний, с указанными элементами на схеме эта частота равна 50Гц, для лучшей симметрии эти элементы должны быть достаточно точные, не хуже ±1%. Резистор R19 необходим для регулировки амплитуды выходного сигнала.
Рис. 6 Генератор синусоидальных колебаний
После генератора синуса следует УМ для РСП, его схема представлена на рис. 7
Рис.7 Усилитель мощности для РСП
Как видно из схемы, в состав УМ входит микросхема DA1, это ОУ от которого особенно зависит уровень искажений всего усилителя, по этой причине в данном схеме желательно ставить ОУ с низкими шумами, например NE5534 с уровнем шума 5nV√Hz. Транзисторы VT1 и VT2 необходимы для предварительной раскачки сигнала по току необходимого для выходных транзисторов VT3, VT4. Ток холостого хода задается подстроечным резистором R5, в моем варианте он равен 20mA.
Вообще в качестве УМ для этих целей идеально подходит УМ в классе "D". Его неоспоримые преимущества, а именно малое рассеивание энергии на тепло (высокий КПД) и как следствие меньшие масса и габариты делают его предпочтительнее в этой схеме. Но у таких схем есть недостатки, это дополнительная сложность намотки трансформаторов и настройки усилительного каскада. Поэтому мной было решено сделать УМ по классической схеме с минимальным током покоя для данной схемы, порядка 20мА.
Ниже приведена форма сетевого напряжения в ЭС рис.8а и после РСП рис.8б на активной нагрузке 40Вт, а также спектрограммы гармонических искажений непосредственно в ЭС рис. 9а и после РСП рис.9б.
Рис. 8а Форма напряжения в бытовой ЭС слева и его спектрограмма справа
Рис. 8б Форма сетевого напряжения на выходе трансформатора РСП слева и его спектрограмма справа
Из осциллограмм и спектрограмм видно, что РСП обладает заметно лучшим качеством синусоидального напряжения. Еще один плюс данного устройства как было описано выше, отсутствие подмагничивания на питающей стороне, так как согласующий трансформатор не способен пропустить постоянную составляющую.
Гальваническая развязка выходным трансформатором также улучшает ситуацию питания аппаратуры. Дело в том, что многие пренебрегают фазировкой питающих трансформаторов аудиоаппаратуры. По моему мнению, фазировать необходимо каждый силовой трансформатор, особенно в аппаратуре без заземления, так как при неправильной фазировке силовых трансформаторов, например УМ и источника звука (ЦАП, проигрыватель) происходит перетекание токов по оплетке межблочного кабеля с частотой 50Гц. Это легко проверить с помощью цифрового мультиметра хорошей чувствительности, для этого необходимо замерить переменное напряжение на корпусе включенного прибора относительно заземления на каждом аппарате отдельно, предварительно отключив от него все соединительные провода, кроме питающих.
При неправильной фазировке силовых трансформаторов, звучание аппаратуры ухудшается. Многие солидные производители аудиоаппаратуры в своих устройствах используют индикаторы правильного включения фазы.
Рис. 9 Фотографии РСП в сборе
Заключение
Регенераторы сетевого питания действительно улучшают звучание аудиосистемы, так как качественное питания источника звука (ЦАП, проигрывателя) очень сильно сказывается на его работу, ведь именно источник звука имеет наибольшее разрешение во всей системе, а этот параметр сложно реализуем с плохим питанием. Также я хотел отметить, что данное устройство можно использовать и для других целей, например как стабилизатор переменного напряжения. Один мой знакомый использовал схемотехнику РСП для питания двигателя переменного тока в проигрывателе виниловых пластинок, так как в его двигателе частота вращения ротора прямо зависела от частоты питающего напряжения и он подстраивал точные обороты двигателя с помощью перестройки частоты генератора синусоидального напряжения.
Смирнов Алексей Николаевич (), e-mail: [email protected]
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Рис. 1 Схема для измерения пульсаций | |||||||
| VD1 | Диодный мост | 1 | В блокнот | ||||
| С1 | 47 мкФ | 1 | В блокнот | ||||
| R1 | Резистор | 75 Ом | 1 | В блокнот | |||
| Генератор | 1 | В блокнот | |||||
| Осциллограф | 1 | В блокнот | |||||
| S1 | Выключатель | 1 | В блокнот | ||||
| Рис. 4 Блок питания РСП | |||||||
| VR1 | Линейный регулятор | LM7815 | 1 | В блокнот | |||
| VR2 | Линейный регулятор | LM7915 | 1 | В блокнот | |||
| VD1-VD4 | Диод | 20ETS08 | 4 | В блокнот | |||
| VD1-VD4 | Выпрямительный диод | DF08MA | 8 | В блокнот | |||
| С1-С4 | Электролитический конденсатор | 2200 мкФ | 4 | В блокнот | |||
| С5, С8 | Конденсатор | 100 нФ | 2 | В блокнот | |||
| С6, С7 | Электролитический конденсатор | 470 мкФ | 2 | В блокнот | |||
| С9-С16 | Электролитический конденсатор | 4700 мкФ | 8 | В блокнот | |||
| С17, С18 | Электролитический конденсатор | 1000 мкФ | 2 | В блокнот | |||
| С19, С20 | Конденсатор | 1 мкФ | 2 | В блокнот | |||
| R1, R2, R5, R6 | Резистор | 10 Ом | 4 | В блокнот | |||
| R3, R4, R7, R8 | Резистор | 100 Ом | 4 | В блокнот | |||
| R9-R12 | Резистор | 0.5 Ом | 4 | 5 Вт | В блокнот | ||
| T1 | Трансформатор | 250 Вт | 1 | В блокнот | |||
| T2 | Трансформатор | 20 Вт | 1 | В блокнот | |||
| S1 | Выключатель | 1 | В блокнот | ||||
| Вилка сетевая | 1 | В блокнот | |||||
| XT1, XT2 | Разъем | 2 | В блокнот | ||||
| Разъем | Gen Power | 1 | В блокнот | ||||
| Рис. 5 Схема Soft-start | |||||||
| D1 | Программируемый таймер и осциллятор | NE555 | 1 | В блокнот | |||
| D1 | Микросхема | MC14069U | 1 | В блокнот | |||
| VR1 | Линейный регулятор | LM7812 | 1 | В блокнот | |||
| VT1 | Биполярный транзистор | КТ972А | 1 | В блокнот | |||
| VD1-VD4 | Диодный мост | DF08S | 1 | В блокнот | |||
| VD5 | Выпрямительный диод | 1N4007 | 1 | В блокнот | |||
| С1 | Электролитический конденсатор | 2200 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С2 | Электролитический конденсатор | 470 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С3, С5, С6 | Конденсатор | 100 нФ | 3 | В блокнот | |||
| С4, С7 | Электролитический конденсатор | 47 мкФ | 2 | В блокнот | |||
| R1 | Резистор | 330 Ом | 1 | подбор | В блокнот | ||
| R2 | Переменный резистор | 200 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R3 | Резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R4, R5 | Резистор | 10 кОм | 2 | В блокнот | |||
| R6 | Резистор | 220 Ом | 1 | В блокнот | |||
| Rel1 | Реле | 1 | В блокнот | ||||
| Рис. 6 Генератор синусоидальных колебаний | |||||||
| D1 | Операционный усилитель | TL072 | 1 | В блокнот | |||
| VT1 | MOSFET-транзистор | BF245A | 1 | В блокнот | |||
| VD1, VD2 | Диод | 2 | В блокнот | ||||
| VD3 | Стабилитрон | 1N750 | 1 | В блокнот | |||
| С1-С3 | Конденсатор | 0.22 мкФ | 3 | В блокнот | |||
| С4 | Электролитический конденсатор | 2.2 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С5 | Конденсатор | 1 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С6, С7 | Электролитический конденсатор | 220 мкФ 16 В | 2 | В блокнот | |||
| С8, С9 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 2 | В блокнот | |||
| R1, R2, R7 | Резистор | 5.1 кОм | 3 | В блокнот | |||
| R3 | Резистор | 4.7 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R4, R11 | Резистор | 2 кОм | 2 | В блокнот | |||
| R5 | Резистор | 62 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R6 | Резистор | 8.2 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R8 | Резистор | 36 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R9 | Резистор | 1 МОм | 1 | В блокнот | |||
| R10 | Резистор | 68 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R12, R13 | Резистор | 100 Ом | 2 | В блокнот | |||
| R19 | Переменный резистор | 22 кОм | 1 | В блокнот | |||
| Разъем | Gen signal | 1 | В блокнот | ||||
| Разъем | Gen power | 1 | В блокнот | ||||
| Рис.7 Усилитель мощности для РСП | |||||||
| DA1 | Операционный усилитель | TL071 | 1 | В блокнот | |||
| VR1 | Линейный регулятор | LM7812 | 1 | В блокнот | |||
| VR2 | Линейный регулятор | LM7912 | 1 | В блокнот | |||
| VT1 | Биполярный транзистор | КТ815А | 1 | В блокнот | |||
| VT2 | Биполярный транзистор | ||||||
