Введение в цифровую электронику Магнитные цепи Полупроводниковые приборы Передача дискретных сигналов Выражение мощности в комплексной форме Резонанс напряжений Преобразователи напряжения Сглаживающие фильтры

Расчетные задания курсовой по электронике и электротехнике

Сглаживающие фильтры

 Анализ работы рассмотренных схем выпрямителей показал, что напряжение на их выходе не постоянное, а пульсирующее. Применять такое напряжение непосредственно для питания электронных устройств нельзя. Существенно снизить уровень пульсаций позволяют сглаживающие фильтры. В основу их построения положено применение реактивных элементов - индуктивностей и емкостей.

 Пульсирующее напряжение на выходе выпрямителей всегда описывается периодической функцией. Разложение такой функции в ряд Фурье содержит постоянную составляющую (среднее значение выпрямленного напряжения) и совокупность гармоник. Идеальный сглаживающий фильтр должен беспепятственно пропускать в нагрузку постоянную составляющую и не пропускать гармоники пульсаций. Для решения этой задачи и используются свойства реактивных элементов.

Известно, что сопротивление индуктивности прямо пропорционально частоте. Это значит, что для постоянной составляющей сопротивление идеальной индуктивности равно нулю, а для гармоник оно тем больше, чем выше номер гармоники. Поэтому индуктивность полезно включать последовательно нагрузке (рис.,13.6а).

Сопротивление емкости  обратно пропорционально частоте. Для постоянной составляющей это сопротивление бесконечно велико, а для гармоник - мало, тем меньше чем выше номер гармоники. Поэтому емкость полезно включать параллельно нагрузке (рис.13.6б). Для повышения качества фильтрации применяются комбинированные LC фильтры, например как на рис.13.6в. Подготовка к контрольной по электротехнике Примеры решения задач контрольной, курсовой работы

 Рассмотрим принцип работы простейшего емкостного фильтра, сглаживающего пульсации однополупериодного выпрямителя (рис.13.7а).

 Собственно выпрямитель (диод Д и сопротивление RH) формирует пульсации напряжения с периодом Т и амплитудным значением Um (пунктир на рис.13.7б).

 Так как сопротивление емкости переменному току значительно меньше сопротивления нагрузки , то прямой ток диода на интервале пульсации протекает через конденсатор Сф, заряжая его до напряжения, близкого к Um. При уменьшении напряжения пульсации диод закрывается. Его сопротивление становится значительно больше RH. Поэтому емкость Сф начинает разряжаться через RH, а напряжение на ее обкладках уменьшается по экспоненциальному закону:

,

где  - постоянная фильтра. В конце периода пульсаций, когда t =T

.

 Очевидно, что чем больше tф, тем меньше напряжение UCф(Т) будет отличаться от амплитудного - Um. Реальные фильтры имеют . При этом уменьшение выходного напряжения 2DU за время одного периода равно разности:

.

При малом значении показателя экспоненты разность:

,

поэтому:

.

Теперь среднее значение выпрямленного напряжения определим как разность  т.е.:

 . (13.14)

 Таким образом, рис. 13.7б и полученные выражения показывают, что величина пульсаций выпрямленного напряжения уменьшилась до значения 2DU. Частота пульсаций осталась прежней . Поэтому огибающая выходного напряжения теперь совпадает максимумами с первой гармоникой пульсаций. Значит . Поэтому коэффициент пульсаций:

 . (13.15)

Легко видеть, что подбором Сф можно обеспечить требуемое значение коэффициента пульсаций, а значит и качество выпрямленного напряжения. В заключение отметим, что емкостной сглаживающий фильтр эффективен в сочетании с высокоомной нагрузкой RH. При низкоомной нагрузке необходимо применять комбинированные фильтры.

Стабилизаторы напряжения

 Сглаживающие фильтры позволяют существенно уменьшить уровень пульсаций, но не исключают их полностью. Исключить пульсации позволяют стабилизаторы напряжения. Различают параметрические и компенсационные стабилизаторы. В составе преобразователей малой мощности как правило применяются параметрические стабилизаторы.

 Полупроводниковый параметрический стабилизатор это диод, р-n переход которого, при определенных условиях, допускает электрический пробой. Такой диод называют стабилитроном. Пробоем р-n перехода называют явление резкого уменьшения дифференциального сопротивления перехода при достижении обратным напряжением заданного значения. Это значение называют напряжением стабилизации UC. Если протекающий через пробитый р-n переход ток ограничивать допустимым значением, то состояние пробоя в стабилитроне можно поддерживать и воспроизводить в течение десятков тысяч часов. Вольт амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 13.8а, а схемное обозначение - на рис. 13.8б.

Рассмотренные свойства и вольтамперная характеристика стабилитрона показывают, что при прямом включении он будет выполнять роль обычного диода. При обратном включении он также выполняет роль обычного диода, если . Только когда наступает пробой р-n перехода. Дифференциальное сопротивление р-n перехода, резко уменьшается, так что падение напряжения на нем лишь незначительно изменяется относительно UC. В силу этого нормальным включением стабилитрона является обратное. Рабочее напряжение не менее чем 1,5 раза должно превышать напряжение стабилизации UC. Рабочим участком вольт- амперной характеристики является участок пробоя р-n перехода.

Основными параметрами стабилитронов являются:

-напряжение стабилизации UC;

-минимально допустимый ток стабилизации IC мин.;

-максимально допустимый ток стабилизации IC макс.;

-дифференциальное сопротивление стабилитрона RC;

-максимально допустимая мощность рассеивания Рмакс.

Схема стабилизатора напряжения приведена на рис. 13.8в. В ее состав входят: источник питающего напряжения - Uвх (например, напряжение с выхода сглаживающего фильтра), ограничительный резистор Rогр, стабилитрон Д, сопротивление нагрузки RH. Под воздействием входного напряжения через резистор Rогр протекает ток стабилитрона IC и ток нагрузки IH. Поэтому:

  . (13.6)

Напряжение стабилизации UC приложено к узлам 1 - 1' схемы. Под этим напряжением находится и сопротивление нагрузки. Значит:

 .

Выражение (13.16) можно применять для расчета параметров схемы.

Рис. 9.5