Как да получите постоянно напрежение от подложка.

Всеки начинаещ електронен инженер знае как да получи постоянно напрежение от подложка. Това е просто, трябва да прекарате ШИМ през нискочестотен филтър (в най-простия случай RC верига) и на изхода на филтъра получаваме постоянно напрежение, нали?

Всъщност ми се струва, че всичко е много по-интересно, когато се опитвате да получите постоянно напрежение от шайбата, възникват следните въпроси:

Как да изберете рейтингите на филтриращите елементи?

Независимо дали подложката е напълно изгладена или остават пулсации?

И как работи по принцип, тъй като кондензаторът се зарежда и разрежда през един и същ резистор и на теория, ако коефициентът на запълване е по-малък от половината, напрежението в кондензатора обикновено ще бъде нула. Например, имаме коефициент на запълване 30%, след това 30% от периода, в който кондензаторът ще бъде зареден, и 70% ще се разредят през същия резистор и в резултат нищо няма да остане върху него, поне може да мислите така.

Нека проверим това на практика, за това ще съберем схемата, показана по-долу, и ще свържем сондите на осцилоскопа към точки 1 и 2, трябва да се отбележи, че периодът на подложка е с порядък по-голям от времевата константа на тази верига.

Осцилограмата показва, че това се случва наистина, колко бързо кондензаторът се зарежда толкова бързо и разрежда. Как се получава постоянно напрежение от подложка?

Единствената идея, която се предлага, е да се променят стойностите на RC филтъра, нека да увеличим стойността на резистора с порядък, като по този начин увеличаваме константата на RC веригата (сега тя ще бъде равна на PWM периода) или намаляване на граничната честота на филтъра.

Леле, нещо започва да се изяснява, имаме постоянен компонент. Тоест, в нашите разсъждения се прокрадна грешка и тя се крие във факта, че кондензаторът се зарежда от 0 до 63% за време, равно на R * C (т) и се разрежда от 63% до 5% за време, по-дълго от 2T, по-долу са графики, обясняващи това.

Графиките показват, че скоростта на зареждане и разреждане на кондензатора не е постоянна и зависи от заряда на кондензатора, това свойство позволява получаване на постоянно напрежение от ШИМ.

Сега, когато открихме грешка в нашето мислене, нека анализираме какво се е случило в първия експеримент. Известно е, че пълното зареждане или разреждане на кондензатор се случва за време, равно на 5T, и зареждане до 95% и разреждане до 5% за около 3T. Тъй като константата на времето на RC веригата (която използвахме като нискочестотен филтър) беше малка, за един период на подложка кондензаторът имаше време да бъде почти напълно зареден и разреден.

След като увеличихме времевата константа на веригата, скоростта на нейното зареждане и разреждане стана различна. Например, кондензаторът успя да разреди до 63% за времето х, за да се освободи напълно, той се нуждае от превишаване на времето 2x. За да разберете това, можете да разгледате графиките по-горе.

И така, заключението е, че времевата константа на RC веригата трябва да бъде равна или по-голяма от периода на ШИМ, тогава пълно зареждане на кондензатора няма да се случи за един период. Ако времевата константа на RC веригата се увеличи с порядък, тогава преходното време ще се увеличи и пулсацията ще намалее. Временното време е периодът от време, през който напрежението в кондензатора ще се промени от 0 до някаква постоянна стойност. Това заключение е за общо разбиране.

Сега, приблизително, разбирайки как обикновено се получава постоянно напрежение от shima, нека преминем към реалната задача.
Необходимо е да се формира еталонно напрежение на един от входовете на операционния усилвател с помощта на ШИМ и нискочестотен филтър, логическата единица на ШИМ е 3 волта, ШИМ честотата е 10KHz, допустимото ниво на пулсации е 30 миливолта. Ние вярваме, че входовете на операционния усилвател не консумират ток; като нискочестотен филтър вземаме филтър от първи ред, реализиран на RC верига.

Най-лесният начин е да вземете RC верига, в която Т е с два порядъка по-голяма от стойността на ШИМ и да видите какви ще са вълните и след това да изберете стойностите на филтъра, но това не е нищо повече от научен метод на мушкане, но бих искал обичам да изчислявам всичко честно.

Известно е, че наклонът на преобръщане на филтъра от първи ред е 20 dB/десетилетие и затихването на сигнала с 40 dB съответства на увеличаване на честотата с две десетилетия. (20db/десетилетие - намаляване на амплитудата 10 пъти (20db), с увеличаване на честотата 10 пъти (десетилетие).

Знаейки, че граничната честота на филтъра трябва да бъде с две десетилетия (100 пъти) по-малка от ШИМ честотата, можете да я изчислите 10KHz/100 = 100Hz.

Оценките на филтъра могат да бъдат избрани с помощта на добре познатата формула.

Този генератор има система за превключващо захранване, което е много шумно, това може да се види във втория канал, но ако се вгледате внимателно, можете да видите, че амплитудата на пулсацията на осцилограмата е около 40 миливолта, тоест тя се различава малко от изчисленото, но това е нормално, тъй като ШИМ съдържа по-високи хармоници, които допринасят и разпадането не е навсякъде равно на 20 db/десетилетие, това може да се види на LFC. Въпреки
някои предположения, това изчисление ми се стори много просто и ясно, защото с помощта на просто логическо мислене и училищни формули решихме толкова интересен проблем. При решаването на този проблем е важно да разберем физическия смисъл, че ние, всъщност, на честотната характеристика на абстрактния филтър намираме точка, която съответства на желаното потискане на сигнала, втората координата на точката е честотата, тя трябва да бъде равна на честотата на ШИМ. По този начин намираме една от точките на честотната характеристика на филтъра, като използваме тази точка, намираме граничната честота и знаейки я, намираме стойностите на филтъра, това е всичко.