Filtr dolnoprzepustowy
advertisement
Zasilacze Układy zasilające Zasilacz – urządzenie, służące do dopasowania dostępnego napięcia do wymagań zasilanego urządzenia. Ze względu na sposób zmiany wielkości napięcia wyróżnić można: •zasilacze transformatorowe w których elementem dopasowującym jest transformator, •zasilacze beztransformatorowe dopasowujące napięcie przy użyciu różnego rodzaju elementów elektronicznych. Ze względu na jakość napięcia wyjściowego wyróżniamy: •zasilacze stabilizowane w których napięcie utrzymywane jest na stałym poziomie, niezależnie od fluktuacji prądu, •zasilacze niestabilizowane w których napięcie na wyjściu może ulegać zmianie, zależnie od fluktuacji prądu. Zasilacze budowane są jako uniwersalne lub specjalizowane do konkretnych zastosowań, np.: •zasilacz komputera. Zasilacz prądu stałego - transformatorowy, zbudowany jest z: transformatora zmieniającego napięcie zasilające (np. 230 V) na żądane napięcie (np. 24 V). Napięcie to jest prostowane poprzez diodę (prostownik półokresowy), lub mostek Graetza składający się z czterech diod (prostownik pełnookresowy). Wyprostowane napięcie może być wygładzone poprzez filtry składające się z cewki, opornika, dławika i kondensatorów elektrolitycznych i stabilizowane za pomacą układu z diodą Zenera lub scalonych układów stabilizujących. Popularne zasilacze transformatorowe występują najczęściej w obudowie zawierającej wtyk sieciowy i są wkładane bezpośrednio do gniazda sieciowego. Prostowniki Niesterowalne Sterowalne (zamiast diód tyrystory) Stabilizatory Stabilizator to układ elektroniczny, którego zadaniem jest utrzymywanie na wyjściu stałego napięcia (stabilizator napięcia) lub prądu (stabilizator prądu) niezależnie od obciążenia układu i wahań napięcia zasilającego. W praktyce stabilizatory prądu buduje się w oparciu o stabilizatory napięcia. Stabilizatory dzielą się na dwie główne grupy: •O działaniu ciągłym, tzn. starające się utrzymać cały czas napięcie wyjściowe na zadanym poziomie. Charakteryzujące się małą sprawnością energetyczną (ok. 30%). •O działaniu impulsowym, tzn. utrzymujące na wyjściu średnią wartość napięcia zasilającego na zadanym poziomie. Stabilizatory tego typu charakteryzują się dobrą sprawnością energetyczną (ponad 90%), ale ich konstrukcja jest skomplikowana i ponadto ze względu na sposób działania wprowadzają dodatkowe zakłócenia. Zasilacze ze stabilizatorami impulsowymi są powszechnie stosowane w domowych komputerach. Najprostszym stabilizatorem napięcia jest układ z wykorzystaniem diody zenera. Takie i podobne układy nazywane są również stabilizatorami parametrycznymi. widać że zmiany napięcia wejściowego DUwe pociągają za sobą zmiany prądu diody DID, to jednak nie pociąga za sobą dużych zmian napięcia wyjściowego DUwy i można przyjąć, że pozostaje ono stałe i równe napięciu zenera UZ. Lepszym rozwiazaniem układu jest jego modyfikacja Jest to układ wzbogacony o tranzystor T pracujący w jako wtórnik emiterowy. Na wyjściu tego układu pojawia się napięcie równe Uwy=UZ- UBE Korzyścią z zastosowania tranzystora jest to, że można zwiększyć rezystor R nie powodując zmniejszenia prądu wyjściowego, ponieważ nawet przy bardzo małym prądzie bazy IB, który jest dla diody D prądem obciążenia, prąd wyjściowy Iwy jest duży i można go przedstawić wzorem Iwy=IB· (b + 1) Układ ten jak widać jest trochę lepszym układem niż poprzedni, lecz jego zastosowanie ogranicza się również do prostych i nie wymagających układów. Sprzężenie zwrotne ujemne Sprzężenie zwrotne ujemne stanowi fundamentalny mechanizm samoregulacyjny. Z cybernetycznego punktu widzenia ma ono za zadanie utrzymanie wartości jakiegoś parametru na zadanym poziomie. Zachodzi ono wtedy, gdy jakiekolwiek zaburzenia powodujące odchylenie wartości parametru od zadanej wartości w którąkolwiek stronę indukują działania prowadzące do zmiany wartości parametru w stronę przeciwną (stąd nazwa "ujemne"), a więc do niwelacji (kompensacji) efektu tego odchylenia. Mówiąc obrazowo: wartość parametru sprzężonego ujemnie zachowuje się jak niewielka kulka na dnie półkulistego zagłębienia: każde wytrącenie jej z równowagi powoduje powtórne staczanie się w kierunku najniższego punktu, pośrodku zagłębienia. W przypadku sprzężenia zwrotnego ujemnego wartość parametru oscyluje więc wokół wartości zadanej. Sprzężenia zwrotne ujemne występują powszechnie w organizmach żywych i urządzeniach technicznych, jako mechanizmy samoregulacji. Sprzężenie zwrotne dodatnie Sprzężenie zwrotne dodatnie polega na tym, że w sytuacji zakłócenia jakiegoś parametru w układzie, układ ten dąży do zmiany wartości parametru w kierunku zgodnym (stąd - "dodatnie") z kierunkiem, w którym nastąpiło odchylenie od "zadanej" wartości. Sprzężenie zwrotne dodatnie powoduje zatem narastanie odchylenia. Mówiąc obrazowo: wartość parametru sprzężonego dodatnio zachowuje się jak niewielka kulka na szczycie półkulistego wzniesienia: każde wytącenie jej z równowagi powoduje coraz szybsze staczanie się w kierunku, w którym nastąpiło wytrącenie, aż do wypadnięcia kulki poza układ (o ile nie zadziała odrębny bodziec hamujący). W sprzężeniu zwrotnym dodatnim wartość parametru odchyla się więc od wartości "zadanej" tym szybciej, im dalej już się od niej znajduje. Sprzężenie zwrotne dodatnie stosuje się w: •generatorze drgań •detektorze reakcyjnym Układy ze sprzężeniem zwrotnym Tego typu stabilizatory są chyba najbardziej rozpowszechnionymi układami zasilającymi urządzenia małej i średniej mocy. Wszystkie stabilizatory liniowe ze sprzężeniem zwrotnym, zarówno w postaci scalonej jak i budowane z elementów dyskretnych muszą składać się z następujących bloków: •elementu regulacyjnego •wzmacniacza błędu •źródła napięcia odniesienia (lub inaczej źródła referencyjnego) •układu próbkującego Istotą działania stabilizatorów ze sprzężeniem zwrotnym jest to, że układ dzięki mechanizmowi sprzężenia zwrotnego śledzi zmiany napięcia wyjściowego i przeciwdziała im w taki sposób aby napięcie wyjściowe pozostało niezmienne. Jak to się dzieje? Napięcie wyjściowe jest podawane poprzez układ próbkujący na wejście wzmacniacza błędu. Ukłądem próbkującym jest układ dzielnika napięcia złożony z rezystorów R2 i R3. Napięcie na wejściu wzmacniacza błędu wynosi więc UR3=g · Uwy Na drugie wejście wzmacniacza błędu podawane jest napięcie wzorcowe Uref (lub jak kto woli referencyjne czy też odniesienia). Różnica napięć na wejściach wzmacniacza błędu nazywana jest sygnałem błędu. Sygnał błędu jest wzmacniany i podawany (w przeciwnej fazie do zachodzących zmian na wyjściu stabilizatora) na wejście elementu regulacyjnego, czyli na bazę tranzystora T. Jeżeli napięcie na wyjściu stabilizatora "chce" z jakichś powodów zwiększyć się, to sygnał błędu powoduje zmniejszenie wysterowania tranzystora T i co za tym idzie zmniejszenie napięcia wyjściowego (gdyż zwiększa się napięcie UCE tranzystora T), podobnie przy zmniejszaniu napięcia wyjściowego tranzystor T jest bardziej wysterowany i napięcie na wyjściu ulega zwiększeniu (napięcie UCE zmniejsza się). Tak właśnie działa ujemne napięciowe sprzężenie zwrotne zastosowane w układach stabilizatorów liniowych (ze sprzężeniem zwrotnym oczywiście). Filtry Filtr jest to fragment obwodu elektrycznego lub obwodu elektronicznego odpowiedzialny za przepuszczanie lub blokowanie sygnałów o określonym zakresie częstotliwości lub zawierającego określone harmoniczne. Ze względu na przeznaczenie filtry można podzielić na cztery podstawowe rodzaje •dolnoprzepustowe •gónoprzepustowe •środkowoprzepustowe •Środkowozaporowe Ze względu na konstrukcję i rodzaj działania filtry można podzielić na: •pasywne - nie zawierają elementów dostarczających energii do obwodu drgajacego, zawierają tylko elementów RLC •jednostopniowe •wielostopniowe •aktywne - zawierają zarówno elementy RLC, jak również i elementy dostarczające energię do filtrowanego układu np. wzmacniacze, układy nieliniowe. Filtry można również podzielić na typy obwodów w jakich są używane: •analogowe •cyfrowe Filtr dolnoprzepustowy to układ elektroniczny, optyczny, akustyczny lub inny element przetwarzający sygnał (np. odpowiedni algorytm) przepuszczający częstotliwości sygnału poniżej ustalonej częstotliwości granicznej, tłumi składowe widma leżące w górnej jego części. Układ elektroniczny zbudowany jest zazwyczaj z cewki lub opornika i kondensatora. Ma jedno pasmo przepustowe i jedno tłumiące. Filtr dolnoprzepustowy jest układem całkującym stratnym. Wielkością charakteryzującą taki układ jest transmitancja, określana jako stosunek napięcie wyjściowego do wejściowego. Często zapisuje się ją w postaci operatorowej. G(s)=K/(Ts+1), gdzie T - stała czasowa R*C, s - operator LAplace'a = j2*pi*f. Częstotliwość graniczna Przedstawiony powyżej filtr dolnoprzepustowy to najprostszy jego rodzaj. Istnieją znacznie bardziej złożone realizacje takiego układu, posiadające różne od niego charakterystyki (np. silniejsze tłumienie sygnału powyżej częstotliwości granicznej). Filtry dolnoprzepustowe są ważnym elementem technologii cyfrowej. Przed zamianą sygnału analogowego na sygnał cyfrowy konieczne użycie takiego filtra usuwającego z widma sygnału częstości przewyższające częstotliwość Nyquista. Filtr górnoprzepustowy (ang. high-pass filter) to układ elektroniczny, (bądź algorytm) przepuszczający częstotliwości sygnału powyżej ustalonej częstotliwości granicznej, a tłumi składowe widma leżące w dolnej jego części. W zależności od konstrukcji filtr taki zbudowany jest jako: 1.reaktancyjne L, C, zbudowane z cewek i kondensatorów 2.pojedyncza cewka bądź kondensator, 3.bezindukcyjne, pasywne R, C, 4.piezoceramiczne, 5.aktywne - zawierające wzmacniacze, 6.cyfrowe. Częstotliwość graniczna Filtr środkowoprzepustowy to układ elektroniczny, bądź algorytm przepuszczający częstotliwości sygnału w bliskim otoczeniu ustalonej częstotliwości. Filtr środkowozaporowy to układ elektroniczny, bądź algorytm nieprzepuszczający częstotliwości sygnału między dwoma ustalonymi wartościami granicznymi. Jest to odwrotność filtru środkowoprzepustowego. Może służyć między innymi do usuwania przydzwięku w sygnale elektrycznym pochodzącym od częstotliwości prądu elektrycznego w sieci energetycznej (w Polsce jest to 50 Hz). W takim przypadku ustawia się filtr środkowozaporowy o dolnej wartości granicznej 49 Hz i górnej 51 Hz. Filtry pasywne są wykonane tylko z pasywnych elementów RLC. Przy odpowiednim połączeniu elementów można uzyskać wszystkie typy filtrów Najprostszym rodzajem filtra pasywnego szeroko stosowanego w elektronice jest filtr dolnoprzepustowy w postaci kondensatora o dużej pojemności połączonego równolegle do filtrowanego napięcia (z ewentualnym szeregowym opornikiem). Urządzenia elektroniczne są często zasilane z sieci energetycznej za pomocą zasilaczy. Napięcie sieci (o skutecznej wartości 230 V) jest transformowane na niskie napięcie użyteczne (np. 12 V), które jest następnie prostowane za pomocą prostownika dwupołówkowego. Napięcie wyjściowe takiego prostownika ma przebieg tętniący (pokazany jako niebieski na Rys. 3). Dopiero równoległe dołączenie kondensatora o odpowiedniej pojemności powoduje znaczne zmniejszenie amplitudy tętnień (przebieg czerwony na rysunku), czyli właśnie proces filtrowania. Im większa jest pojemność użytego kondensatora tym bardziej napięcie wyjściowe ma przebieg zbliżony do przebiegu stałego. Filtry aktywne wykorzystują zazwyczaj również własności elementów RLC, ale przy wspomaganiu specjalnymi elementami sterującymi oraz dostarczającymi energię do filtrowanego układu. Przykład górnoprzepustowego aktywnego filtra. Jak widać filtr taki bazuje na wzmocnionych charakterystykach elementów RC. Elementem aktywnym jest tutaj wzmacniacz operacyjny, który posiada odrębne zasilanie (nie pokazane dla czytelności rysunku), i które powoduje częściowe dostarczanie energii do filtrowanego układu. Zasilacz impulsowy, zasilacz beztransformatorowy - składa się z przetwornicy częstotliwości zamieniającej napięcie wejściowe (np. 230V) na żądane napięcie wyjściowe (np. 12V). Napięcie to jest prostowane poprzez diodę (prostownik półokresowy), lub mostek Graetza składający się z czterech diod (prostownik pełnookresowy). Wyprostowane napięcie może być wygładzone poprzez specjalne filtry składające się z cewki, opornika, dławik i kondensatorów elektrolitycznych. Zazwyczaj zasilacze impulsowe posiadają również specjalne układy stabilizacyjne, zabezpieczenia przeciwzwarciowe i przeciwprzepięciowe. Generatory Wzmacniacze Wzmacniacz elektryczny (wzmacniacz) to układ elektroniczny, którego zadaniem jest wytworzenie na wyjściu sygnału o wartości większej, proporcjonalnej do sygnału wejściowego. Dzieje się to kosztem energii pobieranej z zewnętrznego źródła zasilania. Wzmacniacze są budowane przy użyciu elementów aktywnych (niegdyś lamp elektronowych, obecnie tranzystorów). Ze względu na parametr sygnału, który jest wzmacniany, wzmiacniacze dzielone są na: •wzmacniacze prądu (współczynnik wzmocnienia napięciowego równy jest 1) •wzmacniacze napięcia (współczynnik wzmocnienia prądowego równy jest 1) •wzmacniacze mocy (wzmacniane są równocześnie prąd i napięcie) – najczęściej stosowane we wzmacniaczach akustycznych Ze względu na rodzaj wzmacnianego sygnału elektrycznego stosuje się podział: •wzmacniacze stałoprądowe (lub wzmacniacze przezbiegów wolnozmiennych) •wzmacniacze pasmowe – wzmacniają sygnału z zadanego zakresu częstotliwości •wzmacniacze selektywne – zakres częstotliwości jest względnie wąski •wzmacniacze szerokopasowe Najważniejsze parametry elektryczne wzmacniaczy to: •współczynnik wzmocnienia prądowego •współczynnik wzmocnienia napięciowego •rezystancja (impedancja) wejściowa – określa jak bardzo wzmacniacz obciąża źródło sygnału (im większa, tym lepiej) •rezystancja (impedancja) wyjściowa – określa jak duża część wzmocnionego sygnału zostanie "stracona" w obwodach wzmacniacza (im mniejsza, tym lepiej) •pasmo przenoszonych częstotliwości •stosunek sygnał/szum Wzmocnienie prądowe – jeden z parametrów (oznaczany zazwyczaj Ki) charakteryzujących elektroniczne układy wzmacniające. Wzmocnienie prądowe jest to stosunek prądu wyjściowego do prądu wejściowego układu, wyrażony w amperach na amper [A/A]: Ki[A / A] = Iwy / Iwe lub częściej w decybelach [dB]: Ki[dB] = 20lgKi[A / A] Wzmocnienie napięciowe – jeden z parametrów (oznaczany zazwyczaj Ku) charakteryzujących elektroniczne układy wzmacniające. Wzmocnienie napięciowe jest to stosunek napięcia wyjściowego do napięcia wejściowego układu, wyrażony w woltach na wolt [V/V]: Ku[V / V] = Uwy / Uwe lub częściej w decybelach [dB]: Ku[dB] = 20lgKu[V / V] Wzmacniacze operacyjne
