Кіріспе

Электроникадағы кернеудің қалдық мерзімді өзгеруі (нақтырақ айтқанда, толқын кернеуі) – ауыспалы ток (AC) көзінен алынған қуат көзіндегі тұрақты ток кернеуінің қалдық мерзімдік өзгеруі. Бұл толқын түзетуден кейін ауыспалы толқынды толыққанды жоймаудан туындайды. Толқын кернеуі түзеткіштің шығысы ретінде немесе тұрақты ток қуатын жасау және коммутациялау процесінен пайда болады. Риппель (нақтырақ айтқанда, толқын ток немесе жоғары ток) конденсаторлық кіріс түзеткіштері сияқты сызықты емес құрылғылардың импульстік ток тұтынуын да білдіруі мүмкін. Осы уақыт бойынша өзгеретін құбылыстармен қатар, кейбір сүзгілер мен басқа сигналды өңдеу желілерінде жиілік доменіндегі толқын да пайда болады. Бұл жағдайда мерзімдік өзгеру – желінің кіріс жоғалтуының жиілік артуымен бірге өзгеруі. Бұл өзгеру қатаң түрде сызықтық мерзімділік болмауы мүмкін. Осы мағынада да толқын көбінесе қосымша әсер ретінде қарастырылады, оның болуы толқын мөлшері мен басқа жобалау параметрлері арасындағы шартты келісім болып табылады. Риппель – энергияның ысыраптығы және тұрақты ток тізбегінде көптеген жағымсыз әсерлерге әкеледі: компоненттерді қыздыру, шу мен бұрмалау тудыру, сондай-ақ цифрлық тізбектердің қате жұмыс істеуіне себеп болуы мүмкін. Риппельді электронды сүзгі арқылы азайтуға және кернеу реттегіші арқылы жоюға болады.

Сүзгілеу

Қалқымалы әсерді азайту – қуат көзі сүзгісін жобалаудағы бірнеше маңызды факторлардың бірі ғана. Қалқымалы кернеуді сүзгілеу, басқа сигналдарды сүзгілеуге ұқсас. Дегенмен, AC/DC қуат түрлендіруде де, DC қуат өндірісінде де жоғары кернеулер, токтар немесе екеуі де қалқымалы түрде шығуы мүмкін. Сондықтан, жоғары қалқымалы токқа төтеп бере алатын электролиттік конденсаторлар, үлкен темір өзектегі тұншығулар және сыммен оралған қуат резисторлары сияқты ірі дискретті компоненттер, токты кернеуді реттегіш сияқты интегралды схемаға (IC) немесе жүктемеге жібермес бұрын қалқымалы әсерді басқарылатын деңгейге дейін азайтуға ең қолайлы. Қажетті сүзгілеу түрі, қалқымалы әсердің әртүрлі гармоникаларының амплитудасына және жүктеменің талаптарына байланысты. Мысалы, фоноалдын ала күшейткіштің жылжымалы катушкалық (MC) кіріс тізбегінде қалқымалы әсер бірнеше жүз нановольттан (10−9 В) аспауы керек. Ал аккумулятор зарядтағыш, толығымен кедергілік тізбек болғандықтан, қалқымалы әсерді сүзгілеудің қажеті жоқ. Көзге көрінетін шығыс – тұрақты ток (негізінен 0 Гц) болғандықтан, қалқымалы әсер сүзгілері әдетте төмен өткізгіш сүзгілер ретінде жасалады, олар параллель конденсаторлармен және тізбекті тұншығулармен сипатталады. Тізбекті резисторлар шығыс кернеуін төмендету үшін тұншығуларды алмастыруы мүмкін, ал параллель резисторлар кернеуді реттеу үшін қолданылуы мүмкін.

Электр қоректендірудегі сүзгілеу

Қазіргі кезде көптеген қуат көздері коммутациялық режимде жасалады. Мұндай қуат көздері үшін сүзгілеу талаптарын орындау өте оңай, себебі толқынның жиілігі жоғары. Коммутациялық режимдегі қуат көздеріндегі толқын жиілігі желілік жиілікке байланысты емес, оның орнына, әдетте 50 кГц-тан 1 МГц-қа дейінгі диапазонда болатын, импульстік схеманың жиілігінің есесі болып табылады.

Конденсатор мен тұншықтыратын кіретін сүзгілер

Конденсаторлық кіріс сүзгісі (бірінші компоненті – шунтты конденсатор) және дроссельді кіріс сүзгісі (бірінші компоненті – тізбектелген дроссель) екеуі де толқындарды азайта алады, бірақ кернеу мен токқа қарама-қарсы әсер етеді, ал таңдау жүктеменің ерекшеліктеріне байланысты. Конденсаторлық кіріс сүзгілерінің кернеуді реттеу қабілеті нашар, сондықтан тұрақты жүктемелер мен төмен токтар бар тізбектерде қолдану ұсынылады (өйткені төмен токтар осында толқындарды азайтады). Дроссельді кіріс сүзгілері өзгермелі жүктемелер мен жоғары токтар бар тізбектер үшін артықшылықты, себебі дроссель тұрақты кернеу шығарады және жоғары ток осы жағдайда толқындарды азайтады. Сүзгідегі реактивті компоненттердің саны оның реті деп аталады. Әрбір реактивті компонент сигналдың күшін сүзгінің бұрыштық жиілігінен жоғары (немесе жоғары өткізгіш сүзгі үшін төмен) 6 дБ/октава төмендетеді, сондықтан, мысалы, 2-ретті төмен өткізгіш сүзгі сигналдың күшін бұрыштық жиіліктен 12 дБ/октава төмендетеді. Кедергі компоненттері (резисторлар және паразиттік элементтер, мысалы, дроссельдің DCR және конденсатордың ESR) де сигналдың күшін азайтады, бірақ олардың әсері сызықты және жиілікке байланысты өзгермейді. Көп қолданылатын схема – түзетушіге үлкен тегістеу конденсаторы арқылы жұмыс істеуге мүмкіндік беру, ол резервуар ретінде қызмет етеді. Шығыс кернеуінің ең жоғары нүктесінен кейін конденсатор жүктемеге ток береді және конденсатор кернеуі түзетілген кернеудің келесі жарты циклының өсуімен бірге төмендейді. Осы кезде түзетуші қайтадан тоқ өткізеді және кернеу ең жоғары деңгейге жеткенше резервуарға ток береді.

Кернеуді реттеу

Жақсы толқынды басу қажет болғанда, көбінесе резервуарлық конденсаторды қолданып толқынды басқарылатын деңгейге дейін азайту және содан кейін токты кернеуді реттегіш тізбегі арқылы өткізу шешімі қолданылады. Реттегіш тізбегі тұрақты шығыс кернеуін қамтамасыз етумен қатар, толқынның ең төменгі деңгейі реттелетін кернеуден төмен түспесе, толқынның көбісін сүзіп тастайды. Импульстік қуат көздері әдетте тізбектің құрамына кернеуді реттегішті қосады. Кернеуді реттеу сүзілгеннен өзгеше принципке негізделген: ол диодтың немесе диодтар тізбегінің кері максималды кернеуін пайдаланып максималды шығыс кернеуін орнатады; сондай-ақ, кернеудің төмендеуі кезінде кернеуді арттыру үшін транзисторлар сияқты кернеу күшейткіш құрылғыларды қолдануы мүмкін. Бұл құрылғылардың сызықтық емес қасиеттеріне байланысты, реттегіштің шығысы толқындардан бос болады. Жақсырақ кернеуді реттегішті жасау үшін тізбекті резисторды қолданып кернеуді төмендетуге болады, содан кейін максималды кернеуді анықтайтын шунтты зенер диоды орнатылады; кернеу көтерілсе, диод токтан ағызып реттеуді сақтайды.

Қалқымалы ток

Риппел тогы – жоғары амплитудалы, тар жолақты импульстармен сипатталатын, айнымалы ток көзінен туындайтын, синусоидты емес, периодтық толқын формасы. Импульстар, бірге жүретін синусоидты кернеу толқынының ең жоғары немесе ең жоғарыға жақын амплитудасымен сәйкес келеді. Риппел тогы, конденсаторлардың ESR, трансформаторлар мен индукторлардың DCR, аккумуляторлардың ішкі кедергісі сияқты тізбектердің паразиттік кедергілік бөліктеріндеғы шығынды (диссипацияны) арттырады. Шығын тоқтың квадратына көбейтілген кедергіге (I2R) пропорционал. Риппел тогының тиімді (RMS) мәні, жүктеме тогының тиімді (RMS) мәнінен бірнеше есе артық болуы мүмкін.

Жиілік доменінің толқыны

Жиілік доменінде толқын деп сүзгінің немесе басқа екіпорттық желінің жиілігіне байланысты кірістіру шығынының периодтық өзгеруін айтады. Барлық сүзгілерде толқын байқалмайды, мысалы, Бюттерворт сүзгісінде кірістіру шығыны жиілікпен монотонды түрде өседі. Толқынды көрсететін сүзгілердің кең таралған түрлері – Чебышев сүзгісі, кері Чебышев сүзгісі және эллиптикалық сүзгі. Толқын әдетте қатаң сызықтық периодтық емес, бұл мысал-графиктен көрінеді. Чебышев полиномдарын қолдана отырып жасалған кедергілерді сәйкестендіру желілері де толқынды көрсетеді. Мұндай желілердің толқыны, әдеттегі сүзгілерден өзгеше, өткізу жолағы бойынша оңтайлы берілуді қамтамасыз ету үшін жасалған жағдайда, ең аз шығын кезінде 0 дБ-қа жете алмайды. Толқын мөлшерін сүзгіні жобалаудың басқа параметрлерімен алмастыруға болады. Мысалы, сүзгінің ретін арттырмай, толқынды ұлғайту арқасында өткізу жолағынан тоқтату жолағына өту жылдамдығын арттыруға болады (компоненттер саны өзгермейді). Керісінше, сүзгінің ретін арттыру арқылы, өту жылдамдығын сақтай отырып, толқынды азайтуға болады.