Šum a zvlnenie na výstupe napájacieho zdroja a prevencia voči ich vzniku
Meranie šumu a zvlnenia na výstupe napájacieho zdroja je dôležité pri návrhu a hodnotení výkonových zdrojov pre rôzne aplikácie, ako sú napríklad zosilňovače, napájacie zdroje, komunikačné zariadenia a ďalšie. V tomto článku sa budeme zaoberať týmito javmi a technikami, ktoré sa používajú na ich elimináciu.
Šum a zvlnenie sú dva rôzne javy, ktoré môžu ovplyvniť kvalitu výstupu napájacieho zdroja. Šum sa definuje ako nežiaduci signál na výstupe, ktorý má náhodnú amplitúdu a frekvenciu a môže byť spôsobený rôznymi faktormi, ako sú teplotné výkyvy, elektromagnetické rušenie a fluktuácie prúdu. Zvlnenie, na druhej strane, je periodická zmena amplitúdy alebo napätia na výstupe napájacieho zdroja a môže byť spôsobené zmenami prúdu v obvode alebo nedostatočným dimenzovaním kondenzátorov v napájacom obvode.
V napájacích zdrojoch je šum zvyčajne náhodný a rozložený na všetkých frekvenciách, zatiaľ čo zvlnenie je periodické.. Zdroj : NI
Napájacie zdroje jednosmerného napätia zvyčajne používajú buď lineárnu, alebo spínanú reguláciu na premenu striedavého napätia s frekvenciou 50/60 Hz na jednosmerné napätie. Napájacie zdroje s lineárnou reguláciou používajú na premenu sieťového napätia na stabilný jednosmerný výstup transformátor AC-DC. Preto má výstupné napätie lineárne regulovaného napájacieho zdroja okrem akéhokoľvek ďalšieho prítomného šumu spravidla aj nízkofrekvenčné zvlnenie 50/60 Hz. Lineárne regulované napájacie zdroje majú zvyčajne nízke zvlnenie a šum, ale majú aj nízku účinnosť, veľké rozmery, značnú hmotnosť a produkujú viac tepla. Na druhej strane spínané napájacie zdroje menia prúd 50/60 Hz na oveľa vyššiu frekvenciu, čo má za následok okrem nízkofrekvenčného zvlnenia 50/60 Hz aj určité periodické vysokofrekvenčné zvlnenie. Spínané napájacie zdroje sú zvyčajne kompaktnejšie, produkujú menej tepla a sú účinnejšie, ale sú veľmi náchylné na vysokofrekvenčný šum. Na obrázku vyššie je znázornené vysokofrekvenčné zvlnenie a náhodný šum.
Prítomnosť šumu a zvlnenia na výstupe napájacieho zdroja môže mať niekoľko nepriaznivých vplyvov:
- Zhoršená kvalita signálu - Šum a zvlnenie môžu zhoršiť kvalitu signálu v elektronických obvodoch a spôsobiť chyby v spracovaní týchto signálov.
- Prekrytie signálových dráh (angl. signal crosstalk) - môže vzniknúť pri nedostatočnom oddelení alebo nevhodnom návrhu smerovania vodičov a môže viesť k interferencii medzi rôznymi signálovými drahmi a skresleniu signálu, čo môže mať za následok zhoršenie výkonu alebo poruchy obvodu.
- Zhoršená regulácia napätia - Prítomnosť šumu a zvlnenia môže tiež zhoršiť reguláciu napätia napájacieho zdroja, čo môže viesť k nestabilnému výstupnému napätiu a nespôsobilosti dodávať dostatočné množstvo prúdu.
- Zhoršenie spoľahlivosti obvodu - Šum a zvlnenie môžu tiež spôsobiť poškodenie komponentov v obvode a tým znížiť jeho spoľahlivosť a životnosť.
Všetky tieto faktory môžu viesť k výrazne zhoršenej výkonnosti a kvalite elektronických obvodov, a preto je dôležité minimalizovať množstvo šumu a zvlnenia na výstupe napájacieho zdroja.
Jednou z najčastejších techník na elimináciu šumu a zvlnenia na výstupe napájacieho zdroja je použitie filtra. Filtrovanie sa dosahuje pomocou pasívnych alebo aktívnych filtrov. Pasívny filter využíva kombináciu induktora a kondenzátora na odstránenie nežiaduceho signálu z výstupu. Aktívne filtre používajú operačné zosilňovače na zosilnenie a spracovanie signálu. Jednou z najbežnejších pasívnych techník je použitie RC filtra, ktorý odstraňuje vysokofrekvenčné zložky z výstupného signálu. Tento filtračný obvod je tvorený rezistorom a kondenzátorom a jeho výstupná charakteristika je definovaná ako funkcia časovej konštanty RC.
Základný koncept pasívneho RC filtra
Pri návrhu filtra sa musí brať do úvahy viacero faktorov, ako je frekvenčná odozva, zosilnenie, impedenčné prispôsobenie a spotreba energie. Jedným z najjednoduchších filtrov je RC filter, ktorý využíva kombináciu rezistora a kondenzátora. Jednou z kľúčových vlastností filtračných obvodov je ich prechodová frekvencia, ktorá definuje frekvenčné pásmo, kde sa začína obmedzovať amplitúda signálu. Pre RC filtre môže byť prechodová frekvencia vypočítaná pomocou vzorca:
f = 1 / (2πRC)
kde f je prechodová frekvencia v Hz, R je hodnota rezistora v ohmoch a C je hodnota kondenzátora v faradoch.
Ďalšou technikou je použitie aktívneho filtra. Tento typ filtračného obvodu používa operačné zosilňovače na zvýšenie zosilnenia signálu a následné odstránenie nežiadúcich frekvenčných zložiek. Existuje aj viac pokročilých techník, ako napríklad digitálne filtre. Tieto filtre používajú digitálne signálové procesory na spracovanie vstupného signálu a následné odstránenie nežiadúcich frekvenčných zložiek. Táto technológia sa v súčasnosti používa v mnohých aplikáciách, ako napríklad v zvukových systémoch alebo v prístrojoch na meranie a testovanie.
Pre aktívne filtre môže byť prechodová frekvencia vypočítaná pomocou rovnice:
f = 1 / (2πRC √(1 + (R2 / R1)²))
kde f je prechodová frekvencia v Hz, R1 a R2 sú hodnoty rezistorov v ohmoch a C je hodnota kondenzátora v faradoch.
Okrem filtrovania sa používa aj lineárna regulácia napätia, ktorá eliminuje zvlnenie na výstupe napájacieho zdroja. Lineárna regulácia napätia sa dosahuje pomocou regulátorov napätia, ktoré dokážu udržiavať konštantné napätie na výstupe napájacieho zdroja. Regulátor napätia môže byť typu LDO (Low Drop-Out) alebo regulátor s prepäťovou ochranou. Pri návrhu regulátora napätia sa musí brať do úvahy hodnota vstupného a výstupného napätia, maximálny prúd, spotreba energie a stabilita. Regulátor napätia môže byť použitý ako samostatná jednotka alebo ako súčasť filtra na elimináciu zvlnenia.
Ďalšou technikou je galvanické oddelenie zdroja napájania od ostatných častí obvodu. Tým sa minimalizuje šírenie šumu a zvlnenia medzi jednotlivými časťami obvodu a zlepšuje sa stabilita a spoľahlivosť systému.
Ďalšou technikou používanou na elimináciu šumu a zvlnenia je použitie nízkofrekvenčného riadenia. Táto technika využíva spätnú väzbu a radič pre udržanie konštantného napätia na výstupe napájacieho zdroja. Vďaka tomu sa dokáže eliminovať vplyv šumu a zvlnenia vysokých frekvencií, ktoré môžu narúšať funkčnosť rôznych elektronických zariadení. Tento spôsob riadenia sa často používa v oblasti elektrotechniky, ako aj v rôznych priemyselných aplikáciách, kde je kritické udržiavať stabilné a spoľahlivé napätie.
Nízkofrekvenčné riadenie sa zvyčajne vykonáva pomocou nízkofrekvenčného oscilátora, ktorý generuje signál s frekvenciou v rozmedzí niekoľkých desiatok až niekoľkých stoviek Hz. Tento signál je potom spracovaný riadiacim obvodom, ktorý porovnáva výstupné napätie s požadovanou hodnotou a v prípade odchýlky upravuje výkon napájacieho zdroja. Okrem nízkofrekvenčného riadenia sa používajú aj iné techniky na elimináciu šumu a zvlnenia, napríklad použitie filtračných obvodov alebo galvanické oddelenie. Každá z týchto techník má svoje výhody a nevýhody a vyberá sa na základe konkrétnej aplikácie a požiadaviek na výkon a spoľahlivosť.
Celkovo je dôležité, aby bola eliminácia šumu a zvlnenia pri návrhu elektronických zariadení bratá vážne a aby bola použitá najvhodnejšia technika pre konkrétnu aplikáciu. Výber vhodnej techniky môže pomôcť zabezpečiť spoľahlivý a efektívny výkon elektronického zariadenia.
Simulátor šumu a zvlnenia na DC napätí
Tento simulátor slúži ako interaktívna pomôcka pomocou ktorej si môžete jednoducho nasimulovať úroveň šumu a zvlnenia vo výstupnom napätí zdroja....
Zhrnutie
Eliminácia šumu a zvlnenia je kritická pri návrhu elektronických obvodov. Nízkofrekvenčné riadenie, filtračné obvody a galvanické oddelenie sú len niektoré z techník, ktoré sa používajú na elimináciu šumu a zvlnenia. Je dôležité zvážiť konkrétne požiadavky aplikácie a vybrať najvhodnejšiu techniku.
Zdroje:
- "3 Ways to Reduce Power-Supply Noise" electronicdesign.com
Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 300.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.
Kontaktujte nás!
