Как работает фильтр питания?

[Sled]

Нашел нужный форум и нужный раздел Я так понимаю, здесь можно задавать всякие "чайниковские" вопросы. Радиоэлектроникой начал заниматься недавно. Вопросов море. Начнем с самого начала. Вот первый из них.
Объясните мне, как работает фильтр питания, где конденсатор подключается параллельно нагрузке? Если можно - на пальцах. Изрисовал кучу бумаги схемами, прочитал 3 учебника, но так и не понял, как это работает. Описывается, что кондесатор поддерживает напряжение, когда оно падает на источнике. Но напряжение одновременно падает и на самом конденсаторе, т.к. между ними нет сопротивления. Следовательно напряжение на источнике и конденсаторе всегда равно. И самое главное, как подбирать емкость кондера? (на одной схеме стоит 100uF на 9в и 47uF на 4.5В, т.е. емкость выбирается исходя из напряжения? а по какой формуле)
Буду премного благодарен за ответы.
п.с. С высшей математикой не знаком ни в каком виде
Немного помню школьную алгебру.

[ДАНДАН]

вот (смотри вложение)

[ДАНДАН]

и этот "неровный ток" потом стабилизируется стабилитроном(напряжение) или дросселем(ток)

[ДАНДАН]

ну как ,понял?

[ДАНДАН]

я понял по таким графикам

[rustot]

во-первых провода обладают сопротивлением и индуктивностью (и емкостью, но это в данном случае не важно). во-вторых источник питания так же обладает выходным сопротивлением. в третьих источник питания может генерировать переменные составляющие. в четвертых провода могут ловить электромагнитные наводки. в пятых сопротивление полезной нагрузки может резко меняться.

поэтому считайте что у вас цепи не идеальный_источник_напряжения->конденсатор_на_землю->нагрузка (в этом случае конденсатор никак не влияет на схему), а идеальный_источник_напряжения+переменные_помехи->резистор->индуктивность->конденсатор_на_землю->переменная_нагрузка. вот если вы рассмотрите эту вторую схему, то увидите как влияет емкость на форму сигнала. L-R-[C и Rнагрузки впаралель на землю] делитель, вся переменка осядет на L-R, а постоянка на C||Rнагрузки.

чем больше емкость тем лучше. конкретное значение исходя из величины помех, сопротивления/индуктивности проводников, размаха изменения нагрузки. но чем больше емкость тем больше ее паразитное последовательное сопротивление (esr), поэтому параллельно с большой электролитической емкости ставят еще маленькую керамическую.

кондесатор поддерживает напряжение, когда оно падает на источнике

если имеется в виду конденсатор, который в самом источнике питания, то это не совсем фильтр, маленько другое. он включается после диода, поэтому он от источника заряжается, а разрядиться на источник (когда там падает напряжение) ему мешает диод, поэтому разряжается только на нагрузку

[Sled]

я понял по таким графикам

понимаю, что получается на выходе, но не понимаю, как это получается

во-первых провода обладают сопротивлением и индуктивностью

Вот у меня на столе плата. Кондер воткнут сразу на входе. Через 5 мм дорожки. В этом случае нельзя ли сопротивлением и индуктивностью пренебречь? Мне не верится, что при таких малых значениях они будут влиять на результат.

сопротивление полезной нагрузки может резко меняться

Давайте попроще. Я с постоянной нагрузкой не могу разобраться. Пусть она будет пока постоянной.

L-R-[C и Rнагрузки впаралель на землю] делитель, вся переменка осядет на L-R, а постоянка на C||Rнагрузки.

Согласен, все постоянное напряжение осядет на нагрузке. Конденсатор - это же разрыв цепи. Но мне кажется, и переменка осядет на R нагрузки, т.к. она больше чем R проводов. А сопротивление L очень мало.

чем больше емкость тем лучше. конкретное значение исходя из величины помех, сопротивления/индуктивности проводников

сложновато пока. Пойду почитаю букварь

он включается после диода, поэтому он от источника заряжается, а разрядиться на источник (когда там падает напряжение) ему мешает диод, поэтому разряжается только на нагрузку

вот эту часть теперь понял. Пока ток есть он заряжается, когда ток пропадает, он обратным током разряжается через нагрузку. А в какой момент начинается разряд? Сразу после пика напряжения или когда напряжение исчезает совсем?

[ploop]

Поэтому его накачивают-накачивают положительным зарядов, пока он не лопнет, как сейчас моя голова

Кто его накачивает? Как только напряжение источника превысит напряжение на конденсаторе - диод откроется, конденсатор будет заряжаться от источника, их напряжения будут равны. Как только у источника напряжение пойдёт вниз, диод закроется, а на конденсаторе напряжение останется прежним.
Получится на конденсаторе всегда будет максимальное напряжения, которое когда-либо проскакивало с источника.

[Джин.]

Давайте попроще. Я с постоянной нагрузкой не могу разобраться. Пусть она будет пока постоянной.

Да тов. rustot у нас в своем репертуаре. Вместо того, что бы проще объяснить как просит автор, он начинает показывать какой он умный и любуется собой.

Если на пальцах как Вы просите, то все просто. Думаю знаете, что конденсатор можно зарядить и напряжение на нем будет оставаться до тех пор, пока его не замкнуть каким либо сопротивлением. Время его разряда зависит от его емкости и главное от величины сопротивления которым разряжаем.
Время заряда тоже зависит от сопротивления, через который его заряжают.
В выпрямителе конденсатор заряжается по простому через диоды. Сопротивление диодов маленькое и он быстро заряжается пока на них подается напряжение.



Когда начинается провал напряжения и диоды закроются, то конденсатор начинает разряжаться через сопротивление нагрузки, но разряжается он через нагрузку медленнее, чем заряжался через диод. Это выбирается параметрами конденсатора. Чем мощнее нагрузка, тем больше емкость берут.



В итоге окончательная картинка. На ней видно как конденсатор быстро заряжается через диоды выпрямителя и при провалах напряжения медленно разряжается через нагрузку.



Все, что я написал очень примитивно и просто объясняет принцип.
Как просил автор на "пальцах"
Оппонентов прошу не беспокоиться и объяснять многие упущения. Я их и без вас знаю . Просто не стал загромождать и путать тов. «Начинающего»

[Sled]

Спасибо, товарищ Вася Наконец дошло. Пилка такая получается. Диод ведь закрывается сразу после пика, т.к. на нем напряжение уже меньше чем на конденсаторе. И заряд-разряд происходит через разные нагрузки. Получается, чем больше емкость, тем ровнее пилка. Поэтому в блоках питания такие большие емкости (сотни uF)

По теме: Объясните, пожалуйста, еще назначение конденсатора в фильтре питания (где уже подается выпрямленное напряжение, без диода)? И расчет емкости?

[rustot]

L-R-[C и Rнагрузки впаралель на землю] делитель, вся переменка осядет на L-R, а постоянка на C||Rнагрузки.

Согласен, все постоянное напряжение осядет на нагрузке. Конденсатор - это же разрыв цепи. Но мне кажется, и переменка осядет на R нагрузки, т.к. она больше чем R проводов. А сопротивление L очень мало.

сопротивление нагрузки R гораздо больше R проводов, да. но вот сопротивление конденсатора _переменной_ составляющей гораздо меньше чем R нагрузки.

допустим R проводов 10мОм, R нагрузки 100Ом, конденсатор 100мКф. тогда по постоянке получается делитель 0.01/100, который ослабит постоянку на 0.01%. практически незаметно.

а вот для широкополосной импульсной помехи совсем другая история. для ее мегагерцовой составляющей конденсатор представляет собой сопротивление 1.6мОм, соответственно вся она пойдет через него, а не через параллельную 100 омну нагрузку. для килогерцовой 1.6 Ом, тоже неплохо. низкочастотные помехи он уже не задавит. но низочастотные давятся активными схемами, обычной стабилизацией

то же самое когда скачет нагрузка. допустим у вас лампочка в цепи включилась и вместо 100 ом стало 10. без конденсатора напряжение резко просядет (из за сопротивления проводов) на 0.1%, для питания такое падение не фатально, но вот такой бросок по питанию всеми цепями воспримется как опять широкополосная помеха. конденсатор же у этого броска уберет высокочастотные составляющие и вместо ступеньки высотой 0.1% получится плавный спад на те же 0.1%

[Pablo]

Мне очень хочется внести разлад в стройные ряды объяснений. Обычный электролитический конденсатор, пусть даже танаталовый не работает на высоких частотах (мегагерц как в примере). Он там представляет собой индуктивность. Да это правда. Поэтому на электрических схемах источников питани мы обычно видим не только электролиты, но и обычные конденсаторы малой емкости. Именно их емкость играет рольна высоких частотах. В целом, объяснение работы фильтра как делителя напряжений - правильное. Т.е. для переменной составляющей конденсатор фильтра представляет собой маленькое сопротивление которое шунтирует нагрузку.

[Xerion]

Спасибо, товарищ Вася Наконец дошло. Пилка такая получается. Диод ведь закрывается сразу после пика, т.к. на нем напряжение уже меньше чем на конденсаторе. И заряд-разряд происходит через разные нагрузки. Получается, чем больше емкость, тем ровнее пилка. Поэтому в блоках питания такие большие емкости (сотни uF)

По теме: Объясните, пожалуйста, еще назначение конденсатора в фильтре питания (где уже подается выпрямленное напряжение, без диода)? И расчет емкости?

Эмммм, диод закрывается не сразу после пика, а при переходе через ноль сигнала, но т.к. напряжение на нем становиться ниже чем на конденсаторе (в момент времени tпик.-tзакрытие) то конденсатор разряжается через нагрузку и происходит "выравнивание" сигнала.
У Рюмика такие цифры встречал- "На каждый ампер нагрузки ставим конденсатор емкостью 1000 мкФ", автор ссылается на то, что расчет конденсаторов в фильтрах сложное дело. Еще был вопрос в первом посте как выбирать конденсаторы по напряжению, тут все просто- Uконд.>Uсети (можно брать и равное, но все же лучше с небольшим запасом, к тому же на электролиты цена и размеры не сильно отличаются скажем на 9 и 20 В)

Вобще все схемы, приведенные выше ни что иное как фильтр низких частот или интегрирующая RC-цепь, просто что б проще было в книжках искать.

[Xerion]

Мне всегда был интересен другой вопрос- почему электролиты (то бишь полярные конденсаторы) плохо справляются с высокочастотной составляющей, в отличии от керамики. Кто может на физическом уровне объяснить- буду благодарен!

[rustot]

Мне всегда был интересен другой вопрос- почему электролиты (то бишь полярные конденсаторы) плохо справляются с высокочастотной составляющей, в отличии от керамики. Кто может на физическом уровне объяснить- буду благодарен!

я же выше писал. у них заметное омическое сопротивление, esr - эквивалентное последовательное сопротивление. еще индуктивность приличная из за конструктивных особенностей - длинная лента фольги скрученная в катушку, да и электролит с проводимостью все-таки похуже чем в металлах. потому вы по сути включаете в схему не конденсатор 100мкф, а конденсатор 100мкф последовательно с сопротивлением допустим 1 ом и индуктивность 1мкГн. потому он во первых все частоты плоховато шунтирует из за сопротивления, а высокие еще хуже за счет индуктивности. керамический же это просто два маленьких куска чистого металла, обладает ничтожным сопротивлением и индуктивностью, но зато малой емкостью, поэтому он шунтирует замечательно, но только верхние частоты. потому вдвоем с электролитом им лучше.

керамика кстати тоже керамике рознь, те что побольше емкостью имеют диэлектрик с большим тангенсом угла потерь, а это опять выходит типа сопротивления. так что тут тоже надо выбирать. может быть лучше поставить 1n с диэлектриком npo чем 5n с каким нибудь y5

[Sled]

для ее мегагерцовой составляющей конденсатор представляет собой сопротивление 1.6мОм, соответственно вся она пойдет через него, а не через параллельную 100 омну нагрузку

конденсатор фильтра представляет собой маленькое сопротивление которое шунтирует нагрузку.

Ага, получается - просто переменка коротится на землю. И опять запутался, что же можно шунтировать электролитом, если на высоких частотах он - индуктивность вообще, на низких - у него большое сопротивление. Какие уж тут широкополосные помехи...

Эмммм, диод закрывается не сразу после пика, а при переходе через ноль сигнала, но т.к. напряжение на нем становиться ниже чем на конденсаторе (в момент времени tпик.-tзакрытие) то конденсатор разряжается через нагрузку и происходит "выравнивание" сигнала.

Возьмем конкретный пример: на Тпик. напряжение источника +10В. Конденсатор заряжается без сопротивления. Следовательно на нем тоже +10В. Напряжение на источнике падает, на нем уже +9В, на конденсаторе все еще +10В. Следовательно напряжение диода по отношению к конденсатору -1В. Как бы должен возникнуть обратный ток. Но диод закрывается. Не так?

ни что иное как фильтр низких частот или интегрирующая RC-цепь

Это мой следующий вопрос, как разберусь с этим

На каждый ампер нагрузки ставим конденсатор емкостью 1000 мкФ

Получается C пропорционально I. В посте выше

Чем мощнее нагрузка, тем больше емкость берут.

как бы следовало, что С пропорционально R, следовательно обратно пропорционально I. Нет?
А, разобрался. С пропорционально P. А P=I^2*R.

Uконд.>Uсети

Это понимаю, но какое отношение емкости конденсатора к напряжению сети?

[Xerion]

Возьмем конкретный пример: на Тпик. напряжение источника +10В. Конденсатор заряжается без сопротивления. Следовательно на нем тоже +10В. Напряжение на источнике падает, на нем уже +9В, на конденсаторе все еще +10В. Следовательно напряжение диода по отношению к конденсатору -1В. Как бы должен возникнуть обратный ток. Но диод закрывается. Не так?

А, все, понял о чем Вы. Когда напр. "идет вниз" (tпик-tзакрытие) конденсатор отдает запасенную энергию в виде тока (другими словами происходит разрядка конденсатора), который не может пройти через диод (т.к. диод пропускает ток ток в одном направлении), но ток может пройти через нагрузку, это и обеспечивает сглаживание пульсаций. Но если смотреть "со стороны" пит. сети, то диод закроется только при переходе через ноль синусоиды.

[fedyaok]

Емкость не пропорционально ни чему из того , что Вы упоминали.
Ёмкость зависит от его физических размеров и от химических свойств диэлектрика, разделяющих его пластины

[rustot]

Возьмем конкретный пример: на Тпик. напряжение источника +10В. Конденсатор заряжается без сопротивления. Следовательно на нем тоже +10В. Напряжение на источнике падает, на нем уже +9В, на конденсаторе все еще +10В. Следовательно напряжение диода по отношению к конденсатору -1В. Как бы должен возникнуть обратный ток. Но диод закрывается. Не так?

так. ну с поправкой что синусоида сначала от пика убывает очень медленно, медленнее чем нагрузка пытается разрядить конденсатор, поэтому в первоначальный момент уменьшения напряжения нагрузка по прежнему питается в том числе и от источника и диод открыт. только когда синусоида начинает уменьшаться слишком быстро, переключается полностью на конденсатор и диод закрывается

конденсатор 10000мкФ и ток нагрузки 1А, расстояние между пиками выпрямленной синусоиды 10мс - напряжение на конденсаторе уменьшается (пытается уменьшиться) со скоростью I/C = 1в за 10 мс. если бы конденсатор подпитывался через диод импульсами, а не синусоидой, то получилась бы такая чистая пила на выходе от 10 до 9 вольт. с синусоидой же получается что диод заперт не весь период, запирается чуть позже пика и отпирается пораньше следующего пика и поэтому размах уже не от 10 до 9, а от 10 до 9.2 к примеру

в любом случае конденсатором одним вы не обойдетесь на низких частотах и заметном токе, его нужно какой-то запредельной емкости ставить чтобы уменьшить пульсации до милливольт. поэтому обходятся уменьшением пульсаций до каких то разумных величин, а дальше уже ставят активный стабилизатор, который просто отрезает (переводит в тепло) все что выше какого то напряжения, включая пульсации

[Sled]

Емкость не пропорционально ни чему из того , что Вы упоминали.
Ёмкость зависит от его физических размеров и от химических свойств диэлектрика, разделяющих его пластины

Здесь я имел в виду "Емкость конденсатора подбирается пропорционально..."

синусоида сначала от пика убывает очень медленно, медленнее чем нагрузка пытается разрядить конденсатор, поэтому в первоначальный момент уменьшения напряжения нагрузка по прежнему питается в том числе и от источника и диод открыт. только когда синусоида начинает уменьшаться слишком быстро, переключается полностью на конденсатор и диод закрывается

вот так?

1.jpg

(7.93 КБ) 441 скачивание