Устройства подавления пульсаций, также известные как пожиратели пульсаций, гираторы или электронные фильтры, полезны, когда напряжение источника питания должно быть чистым, но абсолютное значение напряжения не имеет значения. Типичными областями применения таких схем являются усилители мощности класса A. По сравнению с линейным стабилизатором они тратят меньше энергии, поскольку адаптируются к входному напряжению.
Однако некоторые потери неизбежны: они должны снизить ожидаемое пиковое напряжение пульсаций, и, кроме того, этим схемам самим нужен некоторый запас по напряжению. Из этих требований легко набираются несколько вольт, что приводит к соответствующей потере энергии.
Теоретически чисто пассивный фильтр мог бы работать лучше, но даже при больших размерах дросселя всегда будут джоулевые потери. Кроме того, такой фильтр был бы дорогим и обеспечивал далеко не идеальное подавление пульсаций.
В изложенной здесь идее сочетаются оба метода, а также добавлены некоторые собственные хитрости, позволяющие достичь почти идеальных характеристик гибридного фильтра.
Схема основана на трансформаторе Т1, вторичная обмотка которого включена последовательно с фильтруемым источником питания. В результате напряжение вторичной обмотки вычитается из входного напряжения, и, если оно в точности равно напряжению пульсаций, происходит полная компенсация, что дает на выходе чистое постоянное напряжение.
Первичная обмотка трансформатора подключена к усилителю ошибки, вырабатывающему соответствующее напряжение. В принципе, возможны две стратегии: без обратной связи и с обратной связью. И то, и другое можно заставить работать, но у каждого метода есть свои особенности: схема без обратной связи производит выборку входных пульсаций, точно масштабирует их и отправляет на трансформатор. Эффективность подавления зависит от точности пассивных компонентов.
Схема с обратной связью производит выборку выходного сигнала и регулирует напряжение ошибки, чтобы устранить любые пульсации. Этот метод в меньшей степени зависит от точности номиналов, но, как и в любой системе автоматического регулирования, точность процесса зависит от усиления контура, что, в свою очередь, может вызвать проблемы с устойчивостью. На Рисунке 1 представлен вариант схемы с обратной связью.
 |
|
| Рисунок 1. | Подавитель пульсаций. |
Одним из возражений против использования трансформатора является большой постоянный ток, протекающий через его вторичную обмотку. Обычные трансформаторы с сердечниками без зазоров не выдерживают большого постоянного тока без насыщения, а трансформаторы с зазорами намного крупнее. Здесь проблема решена элегантным образом: трансформатор работает в компенсированном режиме; первичная обмотка получает точно такие же ампер-витки постоянного тока, что и вторичная. Для этого усилитель ошибки работает в классе А, а его ток смещения зависит от выходного тока. Ток воспринимается резистором R5, а Q1-Q3 отражают масштабированный ток через резисторы R2 и R3. Это гарантирует, что суммарный поток через трансформатор T1 всегда равен нулю.
Транзистор Q2 – это усилитель ошибки. Напряжение ошибки подается на его эмиттер через конденсатор C4.
К проблемам устойчивости в такой схеме нельзя относиться легкомысленно: сочетая большой коэффициент усиления с множеством реактивных компонентов, схема имеет много возможностей превратиться в генератор, работающий на различных частотах. Коррекция частотной характеристики на низких частотах обеспечивается элементами R9, R11, C5 и C2. C1 отвечает за высокие частоты. На практике было установлено, что схема оставалась устойчивой и без него, но я рекомендую оставить этот конденсатор.
Менее очевидные проблемы с устойчивостью также могут возникать, когда входное питание недостаточно «жесткое». Это может произойти при легких нагрузках, когда внутреннее сопротивление становится выше. Когда схема пытается компенсировать падение входного напряжения, усилитель на мгновение увеличивает потребление тока, и если это приводит к дальнейшему падению входного напряжения, возникает положительная обратная связь, сопровождающаяся потерей устойчивости и плаваньем напряжения. Это явление сродни нулю в правой полуплоскости, и его практически невозможно компенсировать обычными методами, не ухудшая при этом характеристик схемы.
 |
|
| Рисунок 2. | В некоторых случаях может потребоваться дополнительный фильтр. |
В умеренных случаях может быть достаточно простого фильтра, включенного последовательно с первичной обмоткой (Рисунок 2а). В сложных случаях требуется активная схема (Рисунок 2б). Эта схема работает, дублируя ток, потребляемый усилителем ошибки: резисторы R2, R5, R6 и R7 включены мостом, и, поскольку сопротивление R2 составляет примерно половину сопротивления R7, транзисторы Q1 и Q2 пытаются сделать ток, идущий через R2, вдвое бóльшим, чем через R7. Но конденсатор C2 задерживает этот процесс, благодаря чему кратковременно входной ток остается неизменным, устраняя, таким образом, ноль в правой полуплоскости. Обратите внимание, что в большинстве случаев эта схема не потребуется.
Примечания по реализации
Максимальная способность подавления пульсаций определяется коэффициентом трансформации T1:
Это, в свою очередь, определяет отношение R2||R3 к R5.
Индуктивность намагничивания трансформатора должна быть достаточно большой, чтобы позволить усилителю работать на полной мощности. Это требует, чтобы
Целесообразно предусмотреть некоторый запас по этим параметрам, в частности, по индуктивности намагничивания Lm, которая должна быть не менее чем вдвое больше минимальной.
Характеристики
На Рисунке 3 показаны частотные зависимости подавления и выходного сопротивления. Подавление пульсаций в нужном диапазоне частот превышает 40 дБ, а максимум на частоте 100 Гц превышает 46 дБ. Выходное сопротивление также впечатляет: усиление усилителя способствует не только подавлению пульсаций, но и активно снижает выходное сопротивление.
 |
|
| Рисунок 3. | Выходное сопротивление и подавление пульсаций. |
Единственные потери обусловлены резистором R5 и сопротивлением вторичной обмотки трансформатора. Они могут быть не нулевыми, но они настолько малы, что почти в 50% случаев схема имеет отрицательное падение напряжения!
Для достижения этих замечательных характеристик требуется только трансформатор среднего размера. Возьмем неблагоприятный пример: источник питания 50 В/5 А с пульсациями до 10%. Произведение напряжения вторичной обмотки на площадь сечения сердечника должно быть достаточно большим, чтобы трансформатор мог выдерживать пульсации около 2 В с.к.з. При токе 5 А из этого следует, что мощность трансформатора должна составлять 10 ВА. Но поскольку частота пульсаций вдвое выше частоты сети, это означает, что для рассматриваемого источника питания мощностью 250 Вт, даже с такими сильными пульсациями, фактически достаточно 5 ВА.
