Anti-Aliasing-Filter und Spannungsstabilisatoren

Glättungsfilter dienen zur Reduzierung der gleichgerichteten Spannungswelligkeit. Die Welligkeitsglättung wird durch den Glättungsfaktor q bewertet.

Die Hauptelemente von Glättungsfiltern sind Kondensatoren, Induktoren und Transistoren, deren Widerstand für Gleich- und Wechselstrom unterschiedlich ist.

Je nach Filterelementtyp unterscheidet man zwischen kapazitiven, induktiven und elektronischen Filtern. Entsprechend der Anzahl der Filterlinks werden Filter in Single-Link- und Multi-Link-Filter unterteilt.

Ein kapazitiver Filter ist ein Kondensator mit großer Kapazität, der parallel zum Lastwiderstand Rn geschaltet ist. Ein Kondensator hat einen hohen Gleichstromwiderstand und einen niedrigen Wechselstromwiderstand. Betrachten wir die Funktionsweise des Filters am Beispiel einer Einweggleichrichterschaltung (Abb. 1, a).

Abbildung 1: Einphasiger Einweggleichrichter mit kapazitivem Filter: a) Schaltung, b) Zeitdiagramme des Betriebs

Wenn im Zeitintervall t0 — t1 (Abb. 2.63, b) eine positive Halbwelle fließt, fließen der Laststrom (Diodenstrom) und der Kondensatorladestrom.Der Kondensator wird geladen und zum Zeitpunkt t1 übersteigt die Spannung im Kondensator den Spannungsabfall der Sekundärwicklung – die Diode schließt und im Zeitintervall t1 – t2 wird der Strom in der Last durch die Entladung des Kondensators bereitgestellt. Che. Der Strom in der Last fließt ständig, was die Welligkeit der gleichgerichteten Spannung deutlich reduziert.

Je größer die Kapazität des Kondensators Cf ist, desto geringer ist die Erregung. Dies wird durch die Entladezeit des Kondensators bestimmt – die Entladezeitkonstante τ = СfRн. Bei τ> 10 wird der Glättungskoeffizient durch die Formel q = 2π fc m Cf Rn bestimmt, wobei fc die Frequenz des Netzwerks und m die Anzahl der Halbperioden der gleichgerichteten Spannung ist.

Es wird empfohlen, bei niedrigen Lastleistungen einen kapazitiven Filter mit einem hochohmigen RH-Lastwiderstand zu verwenden.

Induktiver Filter (Drossel) ist in Reihe mit Rn geschaltet (Abb. 3, a). Die Induktivität hat einen niedrigen Gleichstromwiderstand und einen hohen Wechselstromwiderstand. Die Welligkeitsglättung basiert auf dem Phänomen der Selbstinduktion, die zunächst den Anstieg des Stroms verhindert und ihn dann durch seinen Abfall unterstützt (Abb. 2, b).

Abbildung 2: Einphasiger Einweggleichrichter mit induktivem Filter: a) Schaltung, b) Zeitdiagramme des Betriebs

Induktive Filter werden in Gleichrichtern mittlerer und hoher Leistung eingesetzt, also in Gleichrichtern, die mit großen Lastströmen arbeiten.

Der Glättungskoeffizient wird durch die Formel bestimmt: q = 2π fs m Lf / Rn

Die Funktionsweise des kapazitiven und induktiven Filters basiert auf der Tatsache, dass der Kondensator und die Induktivität Energie speichern, während der vom Netzwerk verbrauchte Strom fließt, und wenn kein Strom aus dem Netzwerk fließt oder dieser abnimmt, geben die Elemente nach eine Abschaltung der gespeicherten Energie, wobei der Strom (die Spannung) in der Last aufrechterhalten wird.

Mehrfachfilter nutzen die Glättungseigenschaften von Kondensatoren und Induktivitäten. Bei Gleichrichtern mit geringer Leistung, bei denen der Widerstandswert des Lastwiderstands mehrere kOhm beträgt, ist anstelle der Drossel Lf der Widerstand Rf enthalten, was die Masse und Abmessungen des Filters erheblich reduziert.

Abbildung 3 zeigt die Typen der LC- und RC-Leiterfilter.

Abbildung 3 – Mehrfachfilter: a) L-förmiger LC, b) U-förmiger LC, c) RC-Filter

Stabilisatoren sollen eine konstante Spannung (Strom) der Last bei Schwankungen der Netzspannung und Änderungen des von der Last verbrauchten Stroms stabilisieren.

Stabilisatoren werden in Spannungs- und Stromstabilisatoren sowie parametrische und Kompensationsstabilisatoren unterteilt. Die Stabilität der Ausgangsspannung wird durch den Stabilisierungsfaktor Kst bewertet.

Parametrischer Stabilisator basierend auf der Verwendung eines Elements mit nichtlinearer Charakteristik – einer Halbleiter-Zenerdiode. Die Spannung der Zenerdiode ist nahezu konstant mit einer erheblichen Änderung des Rückstroms durch das Gerät.

Die parametrische Stabilisatorschaltung ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Eingangsspannung UBX wird zwischen dem Begrenzungswiderstand Rlim und der parallel geschalteten Zenerdiode VD und dem Lastwiderstand Rn aufgeteilt.

Abbildung 4 – Parametrischer Stabilisator

Wenn die Eingangsspannung ansteigt, steigt der Strom durch die Zenerdiode, was bedeutet, dass der Strom durch den Begrenzungswiderstand zunimmt und an ihm ein größerer Spannungsabfall auftritt und die Lastspannung unverändert bleibt.

Der parametrische Stabilisator hat einen Kst in der Größenordnung von 20–50. Die Nachteile dieser Art von Stabilisatoren sind niedrige Stabilisierungsströme und ein geringer Wirkungsgrad.

Parametrische Stabilisatoren werden als Hilfsspannungsquellen verwendet, auch wenn der Laststrom klein ist – nicht mehr als Hunderte Milliampere.

Ein kompensierender Stabilisator nutzt den variablen Widerstand des Transistors als Begrenzungswiderstand. Mit steigender Eingangsspannung steigt auch der Widerstand des Transistors, entsprechend sinkt der Widerstand mit sinkender Spannung. In diesem Fall bleibt die Spannung in der Last unverändert.

Die Stabilisierungsschaltung der Transistoren ist in Abbildung 5 dargestellt. Das Prinzip der Regelung der Ausgangsspannung URn basiert auf einer Änderung der Leitfähigkeit des Regeltransistors VT1.

Abbildung 5 – Schema eines kompensierenden Spannungsreglers

Auf dem Transistor VT2 sind eine Spannungsvergleichsschaltung und ein Gleichstromverstärker montiert. Der Messkreis R3, R4, R5 ist in seinem Basiskreis enthalten, und die Referenzspannungsquelle R1VD ist in dem Emitterkreis enthalten.

Wenn beispielsweise die Eingangsspannung steigt, steigt auch die Ausgangsspannung, was zu einem Anstieg der Spannung an der Basis des Transistors VT2 führt, während gleichzeitig das Potential des Emitters VT2 gleich bleibt.Dies führt zu einem Anstieg des Basisstroms und damit des Kollektorstroms des Transistors VT2 – das Basispotential des Transistors VT1 sinkt, der Transistor schließt und es entsteht ein größerer Spannungsabfall an ihm und die Ausgangsspannung wird sinken bleiben unverändert.

Stabilisatoren werden heute in Form integrierter Schaltkreise hergestellt. Ein typisches Schema zum Einschalten eines integrierten Stabilisators ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6 – Typisches Schema zum Einschalten eines eingebauten Spannungsstabilisators

Bezeichnung der Ausgänge des Stabilisator-Mikroschaltkreises: „IN“ – Eingang, „OUT“ – Ausgang, „GND“ – gemeinsam (Gehäuse). Wenn der Stabilisator einstellbar ist, gibt es einen Ausgang „ADJ“ – Einstellung.

Die Auswahl des Stabilisators basiert auf dem Wert der Ausgangsspannung, dem maximalen Laststrom und dem Variationsbereich der Eingangsspannung.