Введение
Остаточная периодическая пульсация напряжения в электронике – это остаточная периодическая изменчивость напряжения постоянного тока в источнике питания, полученном из источника переменного тока (AC). Эта пульсация обусловлена неполным подавлением переменной формы сигнала после выпрямления. Пульсация напряжения возникает на выходе выпрямителя или в процессе генерации и коммутации постоянного тока. Пульсация (в частности, пульсация тока или импульсный ток) также может относиться к импульсному потреблению тока нелинейными устройствами, такими как выпрямители с конденсаторным входным фильтром. Помимо этих временных явлений, существует частотная пульсация, возникающая в некоторых классах фильтров и других сетях обработки сигналов. В этом случае периодическая изменчивость представляет собой изменение вносимых потерь сети с увеличением частоты. Изменение может быть не строго линейно периодическим. В этом значении пульсация обычно рассматривается как нежелательный эффект, её наличие является компромиссом между величиной пульсации и другими конструктивными параметрами. Пульсация – это потеря мощности и имеет множество нежелательных последствий в цепи постоянного тока: она нагревает компоненты, вызывает шум и искажения, а также может привести к неправильной работе цифровых схем. Пульсацию можно уменьшить с помощью электронного фильтра и устранить с помощью стабилизатора напряжения.
Ripple (specifically ripple voltage) in electronics is the residual periodic variation of the DC voltage within a power supply which has been derived from an alternating current (AC) source. This ripple is due to incomplete suppression of the alternating waveform after rectification. Ripple voltage originates as the output of a rectifier or from generation and commutation of DC power. Ripple (specifically ripple current or surge current) may also refer to the pulsed current consumption of non linear devices like capacitor input rectifiers. As well as these time varying phenomena, there is a frequency domain ripple that arises in some classes of filter and other signal processing networks. In this case the periodic variation is a variation in the insertion loss of the network against increasing frequency. The variation may not be strictly linearly periodic. In this meaning also, ripple is usually to be considered an incidental effect, its existence being a compromise between the amount of ripple and other design parameters. Ripple is wasted power, and has many undesirable effects in a DC circuit: it heats components, causes noise and distortion, and may cause digital circuits to operate improperly. Ripple may be reduced by an electronic filter, and eliminated by a voltage regulator.
Фильтрация
Снижение пульсаций – лишь один из нескольких ключевых факторов при проектировании фильтров блоков питания. Фильтрация пульсаций напряжения аналогична фильтрации других видов сигналов. Однако при преобразовании переменного тока в постоянный (AC/DC), а также при генерации постоянного тока (DC), пульсации могут проявляться в виде высоких напряжений, токов или и того, и другого. Поэтому для снижения пульсаций до приемлемого уровня перед подачей тока на интегральную схему, такую как стабилизатор напряжения, или на нагрузку, лучше всего использовать крупные дискретные компоненты, такие как электролитические конденсаторы с высоким номинальным пульсационным током, большие дроссели с сердечником из железа и мощные проволочные резисторы. Тип необходимой фильтрации зависит от амплитуды различных гармоник пульсаций и требований нагрузки. Например, входная цепь головки с подвитой катушкой (MC) в фонокорректоре может требовать снижения пульсаций до нескольких сотен нановольт (10⁻⁹ В). В отличие от этого, зарядное устройство для аккумуляторов, будучи чисто резистивной цепью, не требует фильтрации пульсаций. Поскольку желаемый выход – постоянный ток (фактически 0 Гц), фильтры пульсаций обычно конфигурируются как фильтры нижних частот, характеризующиеся шунтирующими конденсаторами и последовательными дросселями. Последовательные резисторы могут заменять дроссели для уменьшения выходного напряжения постоянного тока, а шунтирующие резисторы могут использоваться для регулирования напряжения.
Фильтрация в источниках питания
Большинство современных источников питания выполнены по схеме с импульсным регулированием. Требования к фильтрации для таких источников питания значительно проще выполнить благодаря высокой частоте пульсаций. Частота пульсаций в импульсных источниках питания не связана с частотой питающей сети, а является кратной частоте преобразователя, которая обычно находится в диапазоне от 50 кГц до 1 МГц.
Конденсатор и фильтры для подачи заглушителя
Фильтр с входным конденсатором (в котором первым компонентом является шунтирующий конденсатор) и фильтр с входным дросселем (который имеет последовательный дроссель в качестве первого компонента) могут уменьшить пульсации, но оказывают противоположное влияние на напряжение и ток, и выбор между ними зависит от характеристик нагрузки. Фильтры с входным конденсатором обладают плохой стабилизацией напряжения, поэтому их предпочтительнее использовать в схемах со стабильными нагрузками и небольшими токами (поскольку небольшие токи уменьшают пульсации в этом случае). Фильтры с дросселем предпочтительнее для цепей с переменной нагрузкой и большими токами (поскольку дроссель обеспечивает стабильное напряжение, а больший ток означает меньшие пульсации в этом случае). Количество реактивных компонентов в фильтре называется его порядком. Каждый реактивный компонент ослабляет сигнал на 6 дБ/октаву выше (или ниже для фильтра высоких частот) частоты среза фильтра, так что, например, фильтр нижних частот второго порядка ослабляет сигнал на 12 дБ/октаву выше частоты среза. Резистивные компоненты (включая резисторы и паразитные элементы, такие как сопротивление обмотки дросселей и эквивалентное последовательное сопротивление конденсаторов) также ослабляют сигнал, но их эффект линейный и не зависит от частоты. Распространенная схема – подключение выпрямителя к большому сглаживающему конденсатору, который действует как накопитель. После достижения пика выходного напряжения конденсатор обеспечивает ток для нагрузки и продолжает это делать, пока напряжение на конденсаторе не снизится до значения следующего полупериода выпрямленного напряжения, которое в данный момент растет. В этот момент выпрямитель снова начинает проводить ток и заряжает накопитель до достижения пикового напряжения.
Регулирование напряжения
Более распространенным решением, когда требуется хорошее подавление пульсаций, является использование сглаживающего конденсатора для уменьшения пульсаций до приемлемого уровня, а затем пропускание тока через схему стабилизатора напряжения. Схема стабилизатора, обеспечивая стабильное выходное напряжение, попутно отфильтровывает почти все пульсации, при условии, что минимальный уровень пульсирующего сигнала не опускается ниже регулируемого напряжения. Импульсные источники питания обычно включают стабилизатор напряжения как часть схемы. Стабилизация напряжения основана на ином принципе, чем фильтрация: она опирается на обратное напряжение диода или цепочки диодов для установки максимального выходного напряжения; также могут использоваться одно или несколько усиливающих элементов, таких как транзисторы, для повышения напряжения при провалах. Благодаря нелинейным характеристикам этих элементов, выход стабилизатора свободен от пульсаций. Простой стабилизатор напряжения может быть выполнен с использованием последовательного резистора для снижения напряжения, за которым следует шунтирующий стабилитрон, пиковое обратное напряжение (PIV) которого определяет максимальное выходное напряжение; при повышении напряжения диод отводит ток для поддержания стабилизации.
Потоки в волне
Пульсирующий ток — это периодическая несинусоидальная форма волны, происходящая от источника переменного тока и характеризующаяся узкими импульсами большой амплитуды. Эти импульсы совпадают с пиковой или близкой к пиковой амплитудой сопровождающей синусоидальной формы напряжения. Пульсирующий ток приводит к увеличению потерь мощности в паразитных резистивных элементах цепей, таких как ESR конденсаторов, DCR трансформаторов и индукторов, а также внутреннее сопротивление аккумуляторов. Потери мощности пропорциональны квадрату тока, умноженному на сопротивление (I²R). Действующее значение пульсирующего тока может во много раз превышать действующее значение тока нагрузки.
Волны частоты
Пульсация в контексте частотной области относится к периодическому изменению потерь вставки в зависимости от частоты фильтра или другой двухпортовой сети. Не все фильтры демонстрируют пульсацию; некоторые имеют монотонно возрастающие потери вставки с частотой, например, фильтр Баттерворта. Распространенными классами фильтров, проявляющими пульсацию, являются фильтр Чебышева, обратный фильтр Чебышева и эллиптический фильтр. Пульсация обычно не является строго линейно периодической, что можно увидеть на примере графика. Другими примерами сетей, демонстрирующих пульсацию, являются сети согласования импедансов, разработанные с использованием полиномов Чебышева. В отличие от обычных фильтров, пульсация этих сетей никогда не достигнет 0 дБ при минимальных потерях, если они спроектированы для обеспечения оптимальной передачи во всей полосе пропускания. Степень пульсации можно изменить, пожертвовав другими параметрами при проектировании фильтра. Например, крутизну спада от полосы пропускания к полосе задерживания можно увеличить за счет увеличения пульсации без увеличения порядка фильтра (то есть, количества компонентов остается прежним). С другой стороны, пульсацию можно уменьшить, увеличив порядок фильтра, сохраняя при этом ту же крутизну спада.