X9.6 Трансформатор + выпрямитель + конденсатор = огромные выбросы



==X_410

Многие разработчики не осознают, что простой линейный нерегулируемый источник питания может создавать ( и часто делает это ) огромные микросекундные импульсы с частотой силовой сети. Такие пики могут вызывать слышимое жужжание в чувствительной звуковой аппаратуре и мешать её работе. Появление таких выбросов легко предотвратить, если знать об их происхождении.

X9.6.1 Происхождение и проявление

Этот крайне скупо освещаемый эффект можно понять, взглянув на схему блока питания с однополупериодным выпрямителем ( рис. X9.23 ). Источником проблем служит комбинация из индуктивности рассеяния трансформатора ( см. §1.5.2 , §9.5.2 и табл. X9.1 ) и времени обратного восстановления выпрямителя ( ##Linear AN ) ( ##§X1.7.2 ). Сначала включённая последовательно с диодом индуктивность рассеяния вызывает появление задержки тока через выпрямитель относительно напряжения на индуктивности. В результате, когда ток через диод упадёт до нуля, на катушке уже будет заметное обратное напряжение, т.е. скорость спада тока существенно возрастёт в соответствии с уравнением \( V=L( dI/dt )\) . Теперь, если диод не имеет накопленного заряда ( имеет нулевое время обратного восстановления [* читай, идеальный] ), проблем не будет: диод перейдёт в непроводящее состояние в момент прекращения тока через него. Но диод с накопленным зарядом будет продолжать проводить, даже когда ток через него начнёт течь в обратном направлении до полного рассасывания накопленного заряда [* носителей заряда ] , после чего резко обрубит ток.

[* Ситуация с проводящим каналом диода напоминает проводящий канал ионизированного воздуха, возникающий при грозе перед разрядом молнии, который сохраняется какое-то время после пробоя. Рассасывание ионов газа сопровождается химическими реакциями и в частности появлением молекул озона \( O_3\) , который «пахнет грозой»].

Получили классическую ситуацию: резкое прекращение тока через диод и обратный ток, текущий через катушку. Индуктивность не согласна резко прекращать ток ( \( V=L( dI/dt )\) ) и реагирует повышением напряжения на своих концах. В этот момент на вторичной обмотке трансформатора возникает отрицательный выброс. [* Он благополучно уходит в силовую сеть через первичную обмотку] .

Эффект может быть весьма значительным. На рис. X9.24 показаны результаты наблюдения однополупериодного выпрямителя на 10 V . Использовался трансформатор фирмы Signal Transformer Co. с разделёнными обмотками. Такая конструкция повышает электрическую изоляцию ( низкая межобмоточная ёмкость, высокое напряжение пробоя ), но снижение электрической связи обмоток увеличивает индуктивность рассеяния. В качестве выпрямителя взят обычный 1N4001 на 1A . Электролитический конденсатор фильтра имеет ёмкость 3300 μF , а нагрузкой служит 20-омный резистор. Видно, как уплощается вершина синусоиды напряжения с трансформатора за счёт сопротивления его обмотки и последовательной индуктивности рассеяния, через которые течёт зарядный ток конденсатора. Неприятный выброс возникает в момент прекращения тока. Если растянуть картинку ( рис. X9.24B ), то становится видно, что обратный ток через диод течёт примерно 8 μs до полного закрытия диода ( ну, или пытается течь ), и именно в этот момент и появляется выброс.

X9.6.2 Расчёты и методы борьбы

В низковольтных нерегулируемых источниках для предотвращения эффекта можно использовать диоды Шоттки. Более радикальным средством будет помехоподавляющий конденсатор ( или RC пара ) поперёк вторичной обмотки. Такая цепь обеспечит путь для неожиданно «осиротевшего» тока индуктивности рассеяния ( рис. X9.24C ) ²⁴ .

Чтобы выбрать номиналы для демпфирующей RC цепочки, нужно использовать измеренную величину индуктивности рассеяния \(L_L\) , позволяющую оценить скорость нарастания, величину выброса и добротность образующегося контура. Проиллюстрируем процесс на использовавшемся ранее трансформаторе ( Signal 2414-10, 10 Vrms , 0.5 A ), для которого измеренное значение индуктивности рассеяния составляет \(L_L\) =2mH . Энергия, накапливающаяся в ней в момент выключения диода равна (1/2)\(L_LI_{snap}^2\) и переходит в энергию конденсатора (1/2)\(CV_{pk}^2\) . Отсюда пиковое напряжение равно \[ V_{pk} = I\sqrt{L/C}. \]

По результатам измерения ( рис. X9.24B ) \(I_{snap}\) =13 mA , а демпфирующий конденсатор 1 μF снизит выброс до \( V_{pk}\) =0.6 V . Сравните с 35 V без подавления, которые определяются действующей шунтирующей ёмкостью вторичной обмотки ( здесь около 300 pF ). С конденсатором 1 μF скорость нарастания вычисляется по формуле \( SR=I_{snap}\space/C_{total}\space\) и для данной схемы равна 13 V/ms , что является совершенно незначительной величиной ²⁵ . Эта цифра всего в 4 раза выше, чем нормальная скорость нарастания переменного напряжения во вторичной обмотке \( SR=2πfA\) =3.8 V/ms . Наконец, выбирается последовательный резистор \(R\) , снижающий добротность получающейся RLC цепи. Q =\(ω L/R\) . Для 10 Ω получим Q ≈ 3 , что даже с учётом сопротивления вторичной обмотки ( 1.3 Ω ) недостаточно. Критическое демпфирование обеспечит резистор 39 Ω . С ним дополнительный импеданс цепи почти удваивает выброс, добавляя 0.4 V за счёт падения \(I_{snap} × R\) , переводя этот вопрос на первый план и отодвигая проблемы со скоростью нарастания.

[* На что влияет добротность?
Её действие проявляется в чИстоте ( ну, или отсутствии таковой ) синусоиды вторичной обмотки. На рис. X9.24A можно видеть волны на склонах синусоиды - следствие колебательного процесса в контуре. Ниже добротность - меньше волн. См. рис. 1.107 ].



==X_411

Табл. X9.1 содержит паразитные параметры ( сопротивление обмоток, индуктивность рассеяния ) для серии небольших трансформаторов с постепенно увеличивающимися сердечниками ( и мощностью ). Индуктивность рассеяния снималась измерителем импеданса при закороченных прочих обмотках. Для оценки резистивных потерь удобно рассчитать «действующее сопротивление обмоток», приведённое ко вторичной цепи. \(R_{eff}(sec)=R(sec)+R(pri)\)/N² , где коэффициент трансформации N = Npri/Nsec . Этот приём позволяет учитывать только одно сопротивление. В таблице напряжение вторичной обмотки на холостом ходу снижается с 30 Vrms у младшей модели до 28 Vrms у старшей, а коэффициент трансформации меняется соответственно от 4.0 до 4.3 . В правильно рассчитанном трансформаторе диаметры проводов подобраны так, чтобы распределить потери по обмоткам пропорционально. В таком случае \(R_{eff}(pri)\)/N² очень близко к \(R( sec )\) , что можно наблюдать и в табличных данных ( табл. X9.1 ).

Notes: (a) All are Signal Transformer 241-series ''split bobbin’’ power transformers, 120 Vac primary, 24 V secondary. Table 9x.1: Small Transformer Parasiticsa Vsec Isec ( Vrms ) ( Arms ) Rpri ( O ) Rsec ( O ) Rsec f|_(pri) L|_(sec) ( O ) (mH ) (mH ) Part # 24 0.1 372 23.8 47.8 377 25.1 241-3-24 24 0.2 138 8.33 17.0 178 11.3 241-4-24 24 1.25 21.5 1.31 2.59 59 3.42 241-6-24 24 2.4 9.6 0.55 1.09 40 2.18 241-7-24 24 4.0 4.2 0.24 0.46 25 1.34 241-8-24



==X_411