Одиночний накопичувальний конденсатор у роліелемента, що згладжує
Одиночний накопичувальний конденсатор у ролі елемента, що згладжує
Незалежно від того, чи використовується мостова схема випрямлення або схема з відведенням від центральної точки у вторинній обмотці, форма напруги, яка надходитиме в наступні ланцюги схеми, буде однакова. Хоча напруга після випрямлення і має одну полярність, ця напруга не є постійним згладженим. Призначення елементів, що згладжують (одинокових, або ланцюгів фільтрації), що включаються на вихід випрямляча, полягає в тому, щоб знизити пульсації напруги до такого рівня, який є або прийнятним для живлення підсилювача, або таким, щоб залишок пульсацій міг придушити стабілізатор напруги.
Найпростіший спосіб згладити пульсації вихідної напруги, що надходить з виходу блоку випрямлення, це підключити накопичувальний конденсатор паралельно до виходу і живити навантаження від одного накопичувального конденсатора (рис. 6.6).
Мал. 6.6 Джерело живлення, в якому використовується накопичувальний конденсатор
За умови відсутності струму в навантаженні (при холостому ході) конденсатор зарядиться до напруги, що дорівнює повному амплітудному значенню змінної напруги, що є на вихідних клемах вторинної обмотки трансформатора, тобто значення (Vsec * √2)
Величина заряду на конденсаторі протягом кожного періоду зміни напруги буде пропорційна вихідному напрузі трансформатора, причому, в момент проходження напруги через максимальне значення заряд на конденсаторі досягає свого максимального значення. Напруга на виході трансформатора потім знижується досить швидко, а при досягненні нульового амплітудного значення випрямні діоди перестають проводити струм. Струм у навантаженні при цьому забезпечується за рахунокнакопиченого заряду в розряджається конденсаторі, при резистивному навантаженні напруга на ньому знижується за експоненційним законом до тих пір, поки напруга на виході трансформатора знову не зросте до значення, достатнього для заряду конденсатора. Після цього цикл заряду-розряду конденсатора повторюється (рис. 6.7).
Мал. 6.7 Напруга пульсацій, що виникає на накопичувальному конденсаторі протягом його циклу заряду-розряду
Хоча теоретично зниження напруги на конденсаторі під час розряду відбувається за експонентним законом, з достатньою для практичних цілей точністю можна апроксимувати експоненту, за якою відбувається зменшення напруги, прямою лінією. У разі, коли як навантаження використовується послідовно включений стабілізатор, крива зниження напруги насправді є прямою лінією. Використання такого спрощення дозволяє легко розрахувати величину напруги залишкових пульсацій.
Заряд, що накопичується на конденсаторі, визначається виразом:
Прирівнюючи праві частини рівнянь можна написати:
З цього виразу визначається величина напруги на конденсаторі:
Загальна величина заряду, виражена через величину струмуI, що протікає за часt,можна виразити таким чином:
Дане рівняння показує зміну напруги на конденсаторі, що викликається струмомI, що протікає через конденсатор протягом часуt.Якщо частота змінного струму в мережі живлення дорівнює 50 Гц, то час одного напівперіоду складе 0 01 с. Якщо прийняти ще одне припущення, що струм протікає по конденсатору протягом усього напівперіоду, то в наведеній формулі час t = 0,01 с. Після підстановкиtвийде дуже корисний вираз длявизначення величини подвійного амплітудного (тобто пік-пікового) значення напруги пульсацій:
На перший погляд може здатися, що цей вираз буде малозастосовним, тому що при його отриманні були використані два дуже суттєві наближення, однак, з урахуванням того, що як накопичувальні конденсатори випрямляча, як правило, використовуються електролітичні конденсатори, точність виготовлення яких становить + 20 %, то вимога високої точності при виведенні цього виразу (з урахуванням помилки, що вноситься розкидом параметрів конденсатора та інших елементів схеми), не є таким вже необхідним.
Використовуючи цей вираз, можна розрахувати напругу пульсацій на виході схеми, наведеної на рис. 6.6 як приклад, коли ємність конденсатора становить 68 пФ, а струм навантаження дорівнює 120 мА.
Отримане значення напруги пульсацій становить приблизно 5% від повного значення напруги живлення, що можна оцінювати як непоганий результат для обраної схеми.
Результати розрахунку за наведеною методикою можна вважати цілком розумними з практичної точки зору, за умови, що напруги залишкових пульсацій зазвичай укладається в межі від 5 до 20% від значення загальної напруги (на практиці, як правило, просто не допускаються напруги пульсацій, що перевищують зазначені значення ).
Змінна напруга пульсацій рівномірно коливається щодо лініїVDCі при позитивній напівхвилі досягає амплітудного значенняVpeak,отже,
Накопичувальний конденсатор заряджається до амплітудного значення вихідної напруги випрямляча, напруга пульсацій віднімається від нього і, таким чином, знижує вихідну напругу. Вихідну напругуVoutможна уявити хіба що складнимз двох складових: складової напруги постійного струму, представленої як би в ідеальному вигляді,VDC, і накладеної на нього змінної складової напруги залишкових пульсацій,υripple.Зручність такого підходу проявляється в тому, що Наступний фільтр відсікає змінну складову струму пульсацій, залишаючи лише суто постійну складову.
Якщо звернутися до раніше розглянутого прикладу, для якогоυripple =18 В, а амплітудне значення напругиVpeak= 325 В, то напруга постійного струму, яка буде отримана після ідеальної подальшої фільтрації змінної складової, складе:
На закінчення слід зазначити, що у всіх випадках величина постійної напруги завжди зменшуватиметься на половину значення напруги пульсацій.
Пульсуюча складова постійного струму та кут провідності
Після розгляду проблем із напругою залишкових пульсацій необхідно розглянути струм пульсуючої складової. Останній фактично становить струм, необхідний для відновлення заряду на конденсаторі під час кожного напівперіоду. Щоб визначити величину цього струму, необхідно знайти значення кута провідності, який становить час, протягом якого діоди залишаються у включеному стані і одночасно заряджається конденсатор (рис. 6.8).
Для визначення цієї величини треба розпочати відлік з часу, коли конденсатор повністю заряджений. Так як відомо значення напруги пульсацій, можна визначити абсолютне значення напруги на конденсаторі в той момент часу, коли діод проводить струм. Тоді напруга на виході випрямляча (якщо для простоти викладу знехтувати полярністю напруги) становить: