Filtry wygładzające tętnienie

R.T.
Radioamator i Krótkofalowiec, Rok 26, Maj 1975r., Nr 5

   Teoretycznie można zastosować w prostowniku kondensator o taj dużej pojemności, że uzyska się dowolnie małe tętnienie wyprostowanego prądu. Wobec taniości kondensatorów elektrolitycznych takie rozwiązania niekiedy stosuje się w praktyce. Przeważnie jednak zachodzi konieczność zastosowania filtru wygładzającego tętnienie. Stosowanie kondensatorów o bardzo dużej pojemności może powodować przeciążenie prądowe diody prostowniczej i jest kosztowne; poza tym kondensatory zajmują sporo miejsca.

   Działanie filtru postaramy się wyjaśnić w oparciu o rys. 1a. Na kondensatorze prostownika (C0) występuje składowa stała napięcia U0 oraz jego składowa zmienna, którą nazywamy tętnieniem. Dla tej składowej zmiennej opornik RF1 i kondensator CF1 można rozpatrywać jako swego rodzaju dzielnik napięcia. Jeżeli opór kondensatora dla składowej zmiennej jest wielokrotnie mniejszy od oporu opornika RF1, to jest jasne, że na wyjściu prostownika (do którego kondensator CF1 jest przyłączony równolegle) wystąpi mniejsze tętnienie.

   Jeżeli na wejściu filtru mamy tętnienie T0, a na wyjściu filtru pożądane jest tętnienie mniejsze T1, to wartości elementów filtru można ustalić z następującej zależności:

   (1)

   Wzór dotyczy tętnienia o częstotliwości 100Hz występującego w prostownikach dwupołówkowych. W przypadku prostowników jednopołówkowych licznik prawej strony równania mnożymy przez 2.

   Prąd wyprostowany wydzielać może w oporniku RF1 znaczną moc, co jest niepożądane. Aby temu zaradzić, stosowane są dwa rozwiązania. Jedno z nich przedstawiono na rys. 1b. Polega ono na zastosowaniu filtru dwuogniwowego, z którego pobiera się dwa napięcia zasilające: jedno zaraz za opornikiem RF1 do stopni większej mocy, nie wymagających tak starannego filtrowania, drugie za opornikiem RF2 - do stopni sterujących, radioodbiorczych i innych wymagających idealnego wygładzenia tętnienia.


Rys. 1

   Innym rozwiązaniem jest zastosowanie filtru z dławikiem (rys. 2). Jak wiadomo, dławik ma stosunkowo mały opór dla prądu stałego, natomiast duży opór dla prądu zmiennego. Dzięki temu można zbudować filtr o wysokiej jakości, nie powodując dużych strat mocy, co jest połączone ze znacznym spadkiem napięcia wyprostowanego. Wadą dławików jest ich znaczny ciężar, trudność zaprojektowania i wykonania. Z tego względu stosuje się je obecnie dość rzadko.

 
Rys. 2

   Wartości elementów filtru z dławikiem można obliczyć z analogicznej zależności:

   (2)

W obu zależnościach:

CF1 - pojemność kondensatora filtru (jednego ogniwa) [μF],

RF1 - opór opornika filtru (jednego ogniwa) [Ω],

LF - indukcyjność dławika filtru [H].

   Warto nadmienić, że indukcyjność dławika zależy od wartości przepływającego prądu. Nie jest więc wartością jednoznaczną. Szczególnie w przypadku zasilania urządzeń o zmieniającym się poborze prądu (np. wzmacniacze m.cz. klasy AB i B) zaprojektowanie dławika jest trudne.

   Filtr dwuogniwowy oblicza się etapami. Początkowo jedno (pierwsze) ogniwo, a następnie drugie, pamiętając o tym, że ogniwo drugie ma osłabić tętnienie T1 do mniejszej wartości T2.

   Filtr dwuogniwowy może mieć pewną odmianę, bardzo przydatną w przypadku zasilania nowoczesnych tranzystorowych wzmacniaczy m.cz. Przypuśćmy, że kondensator C0 w prostowniku ma największą dopuszczalną pojemność ze względu na diody prostownicze. Występujące na kondensatorze C0 tętnienie jest jednak zbyt duże. Należy więc zastosować filtr, który będzie miał dostateczne własności filtrujące, lecz bardzo mały opór dla prądu stałego. Należy więc zastosować dużą pojemność CF1, a małą wartość oporu RF1. Drugie ogniwo, przez które zasilane są stopnie wstępne wzmacniacza, może mieć znacznie większy opór dla prądu stałego wobec mniejszej wartości natężenia prądu, stałej jego wartości i możności dopuszczenia nawet dość znacznego spadku napięcia.

   Moc wydzielaną w oporniku RF1 (RF2) oblicza się wg zależności wynikających z prawa Ohma:

   (3)

przy czym:

Pr - moc wydzielana w oporniku w postaci ciepła [W],

I0 - wartość prądu przepływającego prądu stałego [A].

   Składowa zmienna prądu wyprostowanego wydziela w tym oporniku również pewną moc. Jest ona jednak przeważnie znacznie mniejsza, mieści się więc w rezerwie dopuszczalnej mocy opornika.

Przykład. Dwupołówkowy prostownik ma następujące dane: U0=30V, I0-1A (wartość dopuszczalna), T0=5%. Prostownik ten ma zasilać poprzez filtr wygładzający wzmacniacz m.cz. Dla stopnia końcowego wzmacniacza T1=0.5%, dla stopni wstępnych i sterujących: Uz2=18V, Iz2-20mA, T2=0.01%.

   W pierwszym ogniwie filtru zastosujemy dużą pojemność i mały opór. Zakładamy zastosowanie kondensatora CF1 o pojemności 3000μF. Z zależności (1) obliczamy, że opornik RF1 powinien mieć 5Ω. Z zależności (3) wynika, że wydzielana w nim moc będzie wynosiła do 5W (przy maksymalnym obciążeniu). W przypadku wzmacniaczy klasy AB i B przyjęty wskaźnik tętnienia równy 0.5% odpowiada wzmacniaczom o bardzo wysokiej jakości, ponieważ przy przeciętnej głośności pobór prądu przez wzmacniacz będzie mniejszy i wobec tego tętnienie na kondensatorze C0 nie będzie równe 5%, a na przykład 2÷3%. Odpowiednio mniejsze będzie i tętnienie T1.

   Drugie ogniwo projektujemy wychodząc z dopuszczalnego spadku napięcia na RF2. Spadek ten może wynieść 12V, a wobec tego opornik RF2 powinien mieć wartość 600Ω (wstępne stopnie wzmacniacza pobierają prąd UZ2=20mA). Wobec tego korzystając z zależności (1) obliczamy wartość pojemności CF2=125μF. Stosujemy więc kondensator 150μF lub 200μF.

   Tranzystory otworzyły nowe możliwości w budowie filtrów - filtry aktywne. Na rys. 3a przedstawiono układ prostego filtru z tranzystorem. Działa on następująco: przez kondensator C2 i opornik R2 płynie prąd zmienny wywołany tętnieniem. Dodatnie jego półokresy zmniejszają ujemny potencjał bazy względem emitera tranzystora T, co jak wiadomo powoduje zwiększenie jego oporu w obwodzie emiter-kolektor. Przeciwnie - ujemne półokresy zmniejszają opór tranzystora w obwodzie emiter-kolektor. Wobec tego spadek napięcia na tranzystorze będzie zmienny i to w taki sposób, że będzie działał wygładzająco na napięcie i prąd za tranzystorem. Znaczny spadek napięcia wynoszący 5÷20V czyni tego rodzaju filtry przydatnymi do zastosowania w zasilaczach wzmacniaczy wstępnych lub wzmacniaczy m.cz. klasy A o niewielkiej mocy (do 8W). Opornik R1 ma wartość 5÷100Ω. Kondensator C2 - 1000÷50μF. Opornik R2 powinien być tak dobrany, aby tranzystor T pracował w zakresie prostoliniowym swej charakterystyki. Zależnie od typu tranzystora wartość tego oporu może wynosić od 500Ω do 100kΩ. Dopuszczalne napięcie kolektor-emiter zastosowanego tranzystora powinno mieć wartość większą od wartości U0 napięcia wyprostowanego, gdyż po włączeniu prostownika kondensator CF1 jest nie naładowany i całe napięcie U0 wystąpi pomiędzy emiterem i kolektorem tranzystora.


Rys. 3

   Na rys. 3b przedstawiono układ filtru z tranzystorem, który powoduje mniejszą stratę mocy (mniejszy również spadek napięcia) prostownika przy mniej skutecznym filtrowaniu. W tym filtrze wartość opornika R2 dobiera się doświadczalnie zaczynając od wartości mniejszej i stopniowo ją zwiększając (w czasie próby można zastosować potencjometr, który zastępuje się następnie odpowiednim opornikiem stałym). Jeżeli zamiast kondensatora C2 zastosować diodę Zenera D, to powstanie układ przedstawiony na rys. 3c. Ma on własności filtru i jednocześnie w pewnym zakresie stabilizuje napięcie wyjściowe Uz. Napięcie zasilacza Uz jest w przybliżeniu równe napięciu znamionowemu diody Zenera. Opornik R3 powinien mieć taką wartość, aby dioda nie była przeciążona prądowo w najmniej korzystnych dla niej warunkach (np. po odłączeniu obciążenia od zasilacza).

   We wszystkich przypadkach należy dokładnie sprawdzić, czy tranzystor nie zostanie przegrzany. Przy większych mocach należy zastosować radiatory. Dopuszczalne wartości tętnienia napięć zasilających podano w tablicy.

Tablica : Dopuszczalne wartości tętnienia napięć zasilających

Przeznaczenie napięcia zasilającego Współczynnik tętnienia|(wartości największe) [%]
Stopień wejściowy wzmacniacza o dużej czułości 0.001÷0.002
Stopień wzmacniacza wstępnego 0.01÷0.05
Końcowy stopień mocy 0.1÷0.5
Końcowy stopień mocy, transformatorowy przeciwsobny 0,2÷1.0

Udostępnił ku radości "lampomaniaków" i nie tylko Grzegorz 'gsmok' Makarewicz