3. Устройства стабилизации мгновенных значений напряжения

Преобразованное по уровню и частоте напряжение в большинстве случаев не может сразу быть использовано для питания электронных устройств, т. к. оно не обладает стабильностью как мгновенных, так и средних значений. Поэтому возникает необходимость в использовании специальных устройств, решающих задачу обеспечения стабильности.

В общем случае под стабилизацией мгновенных значений напряжения понимают устранение из его спектра составляющих с частотами, отличными от нулевой. С этой целью в цепь передачи напряжения включают звено — фильтр, коэффициент передачи которого для переменной составляющей существенно меньше, чем для постоянной. В результате постоянная составляющая напряжения проходит в нагрузку практически без изменений, а переменная составляющая ослабляется. Проиллюстрируем сказанное на примере простого фильтра, образованного RC-цепочкой (рис. 124).

Рис. 124

Коэффициент передачи данной схемы для постоянной составляющей равен

,

для составляющей с частотой —

,

где — постоянная времени схемы.

Из выражения для можно видеть, что с ростом частоты сигнала коэффициент передачи схемы уменьшается, т. е. схема сильнее ослабляет сигналы с большими частотами; постоянная составляющая при практически не ослабляется.

Звено, коэффициент передачи которого для переменной составляющей электрического сигнала существенно меньше, чем для постоянной составляющей, называется сглаживающим фильтром. Эффективность такого фильтра оценивается коэффициентом сглаживания (0). Определим его для рассматриваемой схемы:

где — амплитуда гармоники с частотой во входном напряжении. Тогда

.

Зная коэффициент пульсаций входного напряжения и коэффициент сглаживания, можно определить переменную составляющую выходного напряжения фильтра:

.

Полученное выражение позволяет решить и обратную задачу, т. е. по заданному коэффициенту пульсаций выходного напряжения определить требуемые параметры сглаживающего фильтра.

На практике широко используется емкостный сглаживающий фильтр, являющийся наиболее простым из рассматриваемых устройств. Он состоит из конденсатора, подключаемого параллельно нагрузке. На рис. 125,а показан вариант использования такого фильтра совместно с мостовым выпрямителем.

а)	б)
Рис. 125		л22р7

Предположим, что диоды, используемые в мостовом выпрямителе — идеальные, а источник входного напряжения имеет нулевое внутреннее сопротивление. Пусть в момент времени (рис. 125,б) напряжение на конденсаторе равно мгновенному значению входного напряжения, т. е. . Дальнейшее увеличение входного напряжения приведет к смещению в прямом направлении соответствующей пары диодов выпрямителя. Ток, текущий через эти диоды, будет равен сумме тока нагрузки и зарядного тока конденсатора.

В силу идеальности компонентов до момента времени мгновенные значения входного напряжения и напряжения на конденсаторе будут равны. После этого момента времени входное напряжение становится меньше , что вызовет запирание ранее открытых диодов и отключение нагрузки от источника входного напряжения. Далее до момента времени напряжение на нагрузке будет поддерживаться исключительно за счет заряда, запасенного в конденсаторе за интервал времени .

Подключение на выход выпрямителя емкостного фильтра существенно изменяет режим его работы. Энергия от входного источника забирается только на интервале времени , в течении которого . Чем больше емкость конденсатора, тем уже интервал , однако . Следовательно, с увеличением емкости конденсатора пульсации напряжения на выходе будут уменьшатся и напряжение на нагрузке будет стремиться к амплитудному значению входного напряжения.

В инженерной практике расчет емкости конденсатора фильтра, работающего на активную нагрузку сопротивлением , строится, исходя из заданных величин пульсаций с частотой на нагрузке: .