Diferitele etape ale amplificatorului necesită tensiune diferită, absorb o cantitate diferită de curent și sunt mai mult sau mai puțin sensibile la zgomot (de exemplu, zumzet) produs de sursa de alimentare în sine. Unitatea de alimentare trebuie să ia în considerare aceste diferențe.

vidat

Unitatea de alimentare este compusă dintr-un transformator de putere, urmat de un redresor și o secvență de filtre de netezire dedicate diferitelor etape, așa cum este prezentat în Figura 34.

Figura 34: Componentele de bază ale unei unități de alimentare.
Unitatea de alimentare este formată dintr-un lanț de componente care conțin un transformator de alimentare, un redresor și o succesiune de filtre de netezire.

Transformatorul ia ca intrare, la înfășurarea sa primară, rețeaua de curent alternativ AC și returnează, de la înfășurarea sa secundară, tensiunea de curent alternativ Vs care trebuie dată redresorului. Redresorul convertește tensiunea alternativă recepționată într-o tensiune continuă Vdc plus o tensiune alternativă reziduală Vripple numită tensiune ondulară. Acest lucru se datorează faptului că nu există un redresor ideal și o tensiune reziduală de ondulare de curent alternativ rămâne întotdeauna deasupra tensiunii continue dorite. Succesiunea filtrelor de netezire, care urmează redresorului, au ca scop atât reducerea tensiunii DC, la valoarea necesară etapei corespunzătoare, cât și reducerea tensiunii de ondulare, la o valoare tolerată de etapa în sine.

În cele ce urmează, vom discuta mai întâi circuitele redresoarelor, apoi vom discuta despre filtrele de netezire.

5.1.1 Redresoare

Tensiunea rețelei trebuie adaptată la ceea ce au nevoie tuburile de vid. De exemplu, tensiunea de rețea în Europa este de 230V. Acest lucru nu este în general suficient pentru majoritatea tuburilor, care deseori au nevoie de mai multă tensiune. În plus, tensiunea de rețea este de curent alternativ, în timp ce tuburile de vid necesită curent continuu. Prin urmare, este necesar mai întâi un transformator de putere pentru a aduce tensiunea de rețea la tensiunea necesară. Apoi, redresorul convertește curentul alternativ produs de transformator într-un curent continuu.

Figura 35 prezintă schema a trei tipuri foarte comune de combinații de transformatoare și redresoare. În figură, RL reprezintă sarcina sursei de alimentare.

Toate tipurile de redresoare elimină tensiunea negativă provenită de la forma de undă VS. Cu toate acestea, tensiunea de ieșire are o formă de undă a impulsului cu o componentă de ondulare CA semnificativă. Tensiunea de ondulare CA are o frecvență egală cu frecvența rețelei, pentru redresorul cu jumătate de undă și de două ori frecvența rețelei pentru redresoarele cu undă completă. Tensiunea rectificată variază între zero și tensiunea de vârf. Tensiunea de vârf, atinsă de impulsuri, este egală cu vârful tensiunii de curent alternativ vs. Dacă Vs este dat ca tensiune RMS, atunci tensiunea peek este .

Tensiunea de ondulare AC introduce în semnalul de ieșire, produs de amplificator, un zgomot inacceptabil. Este necesară o tensiune continuă DC și poate fi obținută prin plasarea, după redresor, a unui condensator de rezervor și prin utilizarea unei secvențe de filtre de netezire, așa cum este discutat în secțiunile următoare.

5.1.2 Condensator rezervor

O componentă foarte importantă pentru a completa un redresor este condensatorul rezervorului CR conectat între pozitiv și masă, așa cum este descris în Figura 36. Reduce semnificativ tensiunea de ondulare și returnează o tensiune continuă DC.

Vă explicăm utilizarea condensatorului rezervor folosind un redresor cu undă completă. Cu toate acestea, această discuție poate fi generalizată și la alte tipuri de redresoare.

Figura 36: Condensatorul rezervorului.
Condensatorul rezervorului CR conectat între pozitiv și sol reduce semnificativ ondularea tensiunii rectificate.

Efectul condensatorului rezervorului este prezentat în Figura 37. Forma de undă albastră reprezintă tensiunea de ieșire a redresorului, atunci când nu se folosește condensator rezervor și nu este conectată nicio sarcină la sursa de alimentare. Forma de undă punctată roșie reprezintă tensiunea de impuls pozitivă a celor două jumătăți ale transformatorului secundar, cu condensatorul rezervorului și o sarcină. Condensatorul se încarcă inițial aproape până la tensiunea de vârf, așa cum este descris de forma de undă solidă roșie. Când tensiunea impulsului transformatorului secundar (forma de undă punctată roșie) scade sub tensiunea condensatorului, curentul nu mai traversează dioda. În acest moment, condensatorul alimentează sarcina și se descarcă încet. Când următoarea tensiune a impulsului este mai mare decât tensiunea condensatorului, un vârf intens de curent traversează dioda și condensatorul se încarcă din nou rapid. Tensiunea rezultată are o formă de undă dinte de ferăstrău. Merge rapid în timpul fazelor de încărcare. Acesta coboară încet în timpul fazelor de descărcare. Frecvența este aceeași cu frecvența impulsurilor care sosesc de la redresor.

Figura 37: Reducerea tensiunii de ondulare cu condensatorul rezervorului.
Condensatorul rezervorului este încărcat aproape până la tensiunea de vârf în fiecare jumătate de ciclu. Tensiunea sa este reprezentată de forma de undă roșie solidă. Tensiunea produsă de transformatorul secundar cu un condensator de rezervor este reprezentată de forma de undă punctată roșie. Când această tensiune este sub tensiunea condensatorului rezervorului, condensatorul alimentează sarcina și începe descărcarea. Când tensiunea rectificată este din nou suficient de mare, reîncarcă condensatorul rezervorului. Tensiunea condensatorului rezervor are o formă de undă ca un dinte de ferăstrău. Merge rapid în timpul fazelor de încărcare. Coboară încet în timpul fazelor de descărcare.

Figura arată că tensiunea de vârf atinsă de condensator, așa cum este descrisă de forma de undă solidă roșie, este mai mică decât tensiunea de vârf a redresorului fără condensator și sarcină rezervor. Acest lucru depinde de viteza la care se încarcă condensatorul, care, la rândul său, depinde

  • capacitatea rezervorului,
  • impedanța transformatorului,
  • și impedanța de încărcare.

Cu condensatorul rezervorului apare încă o tensiune de ondulare, chiar dacă este mult mai mică decât cea produsă doar de redresor. Tensiunea de ondulare se datorează fazelor de încărcare și descărcare a condensatorului rezervorului. Pe de o parte, încărcarea depinde de impedanța de ieșire a transformatorului și capacitatea rezervorului. Impedanța redusă a transformatorului și capacitatea redusă cresc creșterea tensiunii de vârf și reduc timpul de încărcare a condensatorului rezervorului. Pe de altă parte, descărcarea condensatorului rezervorului depinde de impedanța de încărcare, de frecvența de ondulare și din nou de capacitatea rezervorului. Impedanța mare de încărcare, frecvența ridicată de ondulare și capacitatea mare a rezervorului reduc căderea de tensiune de descărcare.

Tensiunea de ieșire este suma unei tensiuni DC plus o tensiune de ondulare AC (dinte de ferăstrău) Vdc + Vripple. Ambele pot fi estimate cu o precizie suficientă, utilizând rezultatele unui studiu realizat de Shade [5], discutat mai târziu.

Cu toate acestea, pentru a estima tensiunea de ieșire DC și tensiunea de undă, trebuie mai întâi să estimăm impedanța de ieșire a transformatorului și impedanța de încărcare, reprezentată de amplificatorul însuși.

5.1.3 Impedanță ieșire transformator

Impedanța de ieșire a transformatorului Rs poate fi făcută explicită folosind un circuit echivalent în care plasăm două rezistențe RS la cele două capete ale transformatorului, ca în Figura 38. Două componente contribuie la rezistența Rs. Primul, Rsec-wind, este rezistența secundară la înfășurare. Al doilea, Rprim-wind, este rezistența primară la înfășurare, reflectată spre secundar. Întrucât folosim un transformator cu filet central, în care contribuția la formarea tensiunii de ieșire este dată de o secțiune a transformatorului la un moment dat, trebuie să considerăm ca Rsec-wind doar rezistența dintre robinet și un capăt al transformatorului. Rezistența primară a înfășurării, reflectată la secundar, este egală cu rezistența primară a înfășurării de ori pătratul raportului dintre tensiunea de ieșire VS și tensiunea de intrare Vmains (a se vedea secțiunea 4.1.2 pentru discuții despre impedanța reflectată de transformatoare). RS se obține ca suma acestor două componente:

.

VS este tensiunea dintre robinetul central și un capăt al transformatorului.

Să presupunem, de exemplu, că rezistența la înfășurarea primară este de 4 ohmi, rezistența la înfășurarea secundară este de 20 ohmi, tensiunea de rețea este de 230V, iar tensiunea de ieșire a transformatorului secundar Vs este de 325V. Avem asta

.

5.1.4 Estimarea sarcinii

Sarcina RL este rezistența văzută de condensatorul rezervorului, care este impedanța oferită sursei de alimentare de toate etapele amplificatorului care lucrează în paralel. Impedanța în fiecare etapă este suma impedanței filtrului de netezire, a acelui stadiu, plus impedanța în sine a etapei. Cu condiția ca etapa de putere să fie prima etapă, sarcina RL poate fi aproximativ estimată, folosind legea Ohm, ca raport între tensiunea necesară etapei de putere și suma curentului absorbit de toate etapele. Această aproximare nu ia în considerare impedanța filtrului de netezire a stadiului de putere, care, așa cum sa discutat în secțiunea 5.1.8, poate fi calculată numai după ce cunoaștem tensiunea de ieșire continuă a redresorului. Cu toate acestea, dacă tensiunea de ieșire continuă produsă de redresor nu este semnificativ mai mare decât tensiunea necesară etapei de putere, impedanța corespunzătoare a filtrului de netezire este mică, iar sarcina văzută de rezervor nu diferă semnificativ de această estimare.

Să presupunem că etapa de putere necesită 400V și absoarbe 80 mA, separatorul de fază absoarbe 1 mA, etapa de intrare, de asemenea, 1 mA. Avem asta

.

5.1.5 Estimarea tensiunii de ieșire DC

Graficul din Figura 39, preluat de lucrarea lui Shade [6], pune în relații toate variabilele relevante și permite estimarea tensiunii continue Vdc pentru un redresor cu undă completă. Lucrările Shade raportează aceleași grafice și pentru celelalte tipuri de redresoare. Fiecare grafic roșu corespunde unui procent din impedanța transformatorului RS, în raport cu rezistența la sarcină RL. Cunoscând frecvența rețelei fM, capacitatea rezervorului CR și sarcina RL, fixăm 2πfMCRRL pe axa orizontală și apoi citim tensiunea continuă Vdc ca procent din tensiunea de vârf a transformatorului, pe graficul roșu corespunzător.

5.1.6 Estimarea tensiunii de ondulare

Graficul din Figura 40, preluat și de lucrările lui Shade, ne permite să estimăm tensiunea de ieșire Vripple. Ca și înainte, fiecare grafic corespunde unui raport procentual diferit între impedanța transformatorului RS și rezistența la sarcină RL. Folosind frecvența de rețea fM, capacitatea rezervorului CR și sarcina RL, folosind una dintre parcele, putem obține raportul dintre tensiunea de ondulare Vripple și tensiunea de ieșire DC Vdc

5.1.7 Estimarea curentului RMS secundar al transformatorului

Să analizăm din nou, pentru această discuție, un redresor cu undă completă. Fie IL curentul absorbit de sarcină. Curentul este alimentat, pe rând, de cele două secțiuni ale transformatorului secundar prin cele două diode. Curentul mediu Iavg care curge prin fiecare dintre cele două secțiuni secundare ale transformatorului și cele două diode este jumătate din curentul care traversează sarcina: Iavg = IL/2. Cu toate acestea, anterior am spus că transformatorul furnizează curent în vârfuri intense, în timpul fazelor de încărcare a condensatorului rezervorului. De fapt, atunci când tensiunea uneia dintre secțiunile secundare ale transformatorului este mai mare decât condensatorul rezervorului, condensatorul este rapid reîncărcat cu o explozie intensă de curent livrat de transformatorul secundar prin cele două diode, cu o frecvență de două ori mai mare decât frecvența rețelei. Când tensiunea secțiunii secundare a transformatorului scade sub tensiunea condensatorului rezervorului, dioda nu conduce și condensatorul se descarcă, până când tensiunea celeilalte secțiuni secundare a transformatorului este din nou mai mare decât cea a condensatorului rezervor și așa mai departe. Nu este ușor să ghiciți curentul RMS care traversează cele două secțiuni ale transformatorului secundar și cele două diode, având în vedere aceste explozii de curent.

Munca Shade raportează, de asemenea, câteva linii directoare pentru estimarea curentului RMS IS care traversează înfășurarea secundară a transformatorului de alimentare cu energie și a diodelor redresoare. Graficul din Figura 41, derivat printr-un grafic echivalent din lucrarea lui Shade, pune în relații toate variabilele la îndemână, deja utilizate anterior. Ca și înainte, fiecare grafic roșu corespunde raportului dintre impedanța transformatorului RS și rezistența la sarcină RL. Cunoscând frecvența rețelei fM, capacitatea rezervorului CR și sarcina RL, folosind una dintre graficele roșii, putem obține raportul dintre curentul RMS IS și curentul IL absorbit de sarcină.

Valoarea estimată pentru IS poate fi utilizată pentru determinarea valorii curente atât a transformatorului, cât și a diodelor. Transformatorul și diodele trebuie alese cu un curent nominal mai mare decât valoarea estimată, pentru a garanta funcționarea sigură și în condiții extreme. În general, transformatorul și dioda sunt alese ca de două ori valoarea obținută. De exemplu, conform valorii determinate în Exemplul 18 și Exemplul 20, putem alege un transformator cu filet central evaluat pentru 650 V (325 V fiecare secțiune) la 500 mA (sau pur și simplu 650V C.T. @ 500mA).

5.1.8 Filtre de netezire

Filtrele de netezire sunt utilizate pentru a reduce tensiunea continuă la cea necesară pentru fiecare etapă individuală și pentru a reduce în continuare tensiunea de ondulare la o valoare tolerată de fiecare etapă. Etapele inițiale tolerează mult mai puțină ondulare decât etapele finale. Valorile rezonabile sunt [7]:

  • Etapa de intrare: 0,001% -0,002%
  • Etapa separatorului de fază: 0,01% -0,05%
  • Etapa de putere Push-Pull: 0,5% -2%

Un filtru de netezire este în practică un filtru de trecere jos. Poate fi obținut utilizând o rețea inductor-condensator (filtru trece jos LC) sau o rețea rezistor-condensator (filtru trece jos RC). Aici vom discuta cum poate fi obținut un filtru de netezire folosind o rețea RC. Ceea ce discutăm aici poate fi ușor extins la cazul unui filtru de netezire LC.

O schemă simplă pentru un filtru de netezire RC este dată în Figura 42. Dacă acesta este primul filtru de netezire, tensiunea sa de intrare ajunge de la condensatorul rezervorului. În altă parte, intrarea sa provine din filtrul de netezire precedent. În ambele cazuri, tensiunea de intrare constă dintr-o tensiune continuă plus o tensiune alternativă de curent alternativ. Tensiunea continuă este afectată doar de rezistorul Rflt al filtrului. Acțiunea combinată a rezistorului Rflt și a condensatorului Cflt are un efect asupra tensiunii de ondulare AC.

Să presupunem că etapa amplificatorului alimentat de filtru (Etapa 2 din Figura 42) necesită o tensiune continuă V2 și absoarbe un curent I2. Să presupunem, de asemenea, că intrarea de tensiune continuă a filtrului sau, alternativ, tensiunea continuă necesară etapei anterioare a amplificatorului (etapa 1 din figura 42), este V1. Desigur, V1 trebuie să fie mai mare decât V2. În cele din urmă, să presupunem că etapele următoare, alimentate de sursa de alimentare, absorb un curent Inext.

Rezistorul Rflt trebuie să producă o cădere de tensiune continuă de V1 - V2. Curentul care traversează rezistența este curentul absorbit de etapa 2 plus cel absorbit de etapele următoare, care este I2 + Inext. Pentru a calcula rezistența Rflt putem folosi legea Ohm:

.

Să luăm acum în considerare tensiunea de ondulare. Rezistorul Rflt și condensatorul Cflt formează un divizor de tensiune pentru tensiunea de curent alternativ. Având în vedere că condensatorul este o componentă reactivă, avem impedanța sa

,

unde f este frecvența tensiunii de ondulare. Amintiți-vă că, pentru un redresor cu undă completă, frecvența de ondulare f este de două ori mai mare decât frecvența rețelei.

Folosind ecuația divizorului de tensiune reactivă, obținem

.

Să presupunem = 90μV, Rflt = 82K ohm și Cflt = 22μF. În Europa, frecvența rețelei este de 50 Hz, deci frecvența de undă a unui redresor cu undă completă este de 100Hz. Prin urmare, avem asta