Filtracja Tętnień a Częstotliwość w Zastosowaniach

Szczegóły: Opublikowano: 08. December 2025

Zasilacze impulsowe pracują na częstotliwościach, które przenikają do sygnału audio i powodują zniekształcenia, dodając specyficzny "sznyt" - nieprzyjemne "skrzeczenie/zcyfrzenie dźwięku" słyszalne w całym paśmie akustycznym. Zasilacze projektowane specjalnie do audio przetwarzają wyprostowane napięcie sieciowe na napięcie zasilania wzmacniacza, minimalizując zakłócenia, jednak są one trudno dostępne dla amatorów.

W porównaniu do transformatora sieciowego, zasilacz impulsowy ma kilka zalet: dużą sprawność, mały ciężar i mniejsze rozmiary. Z tych względów coraz częściej spotyka się takie zasilacze nawet w konstrukcjach amatorskich.

Zakłócenia w zasilaczach impulsowych powstają w związku z zasadą działania przetwornicy. Napięcie sieciowe jest wyprostowane, odfiltrowane z tętnień kondensatorem, a następnie podane na tranzystor pracujący na zasadzie "zamknięty/otwarty" z wysoką częstotliwością (często ponad 100 kHz). Im wyższa częstotliwość, tym mniejszy rdzeń transformatora może być użyty, jednak transformator musi mieć rdzeń przystosowany do pracy z dużo wyższą częstotliwością niż rdzeń transformatora sieciowego - najczęściej rdzeń z ferrytu.

Mniejsze straty to dodatkowy bonus zasilacza impulsowego - przeważnie kilkukrotnie mniejsze niż w zasilaczach transformatorowych.

Zasilacz impulsowy wymaga dopracowanych technik prowadzenia ścieżek i specjalnie dopasowanych elementów. Zakłócenia przedostają się poprzez przewody zasilania oraz fale elektromagnetyczne, które można wyeliminować np. przez zastosowanie ekranu.

Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej

Zasilacze impulsowe występują w wielu formach, od zasilaczy laboratoryjnych po wbudowane na PCB z użyciem specjalistycznych układów scalonych i elementów pasywnych. Celem projektowania tych systemów jest zapewnienie stabilnego dostarczania energii DC do reszty systemu przy minimalnym poziomie zakłóceń oraz tłumienie tętnień po prostowaniu lub usuwanie zakłóceń na wejściu.

Filtr wyjściowy zasilacza impulsowego może być użyty do tłumienia zakłóceń wyjściowych. Redukcja zakłóceń zależy od wartości komponentów w filtrze wyjściowym oraz cewki w obwodzie.

Filtr wyjściowy w przetwornicy DC/DC jest filtrem dolnoprzepustowym. Może to być kondensator szeregowy, ale typowo stosuje się filtr pi, aby odprowadzać szumy AC do ziemi. Funkcją przetwornicy impulsowej jest zamiana niskoczęstotliwościowych tętnień z przetwarzania mocy AC-DC na wyższoczęstotliwościowy szum przełączania z tranzystora przełączającego.

W układzie buck-boost kondensator wyjściowy jest częścią filtra wyjściowego zasilacza impulsowego. W typowym układzie, częstotliwość przełączania wynosi 100 kHz, czas narastania 10 ns, a współczynnik wypełnienia 30%.

Filtr dobrze radzi sobie z oczyszczaniem szumów przełączania z przetwornicy. Przekroczenie przejściowe zależy od czasu narastania sygnału PWM oraz od pasożytniczych elementów w MOSFET, jak również od biegunów obecnych w obwodzie filtru. W niektórych przypadkach, przekroczenie może osiągnąć wartość nawet 50% prądu obciążenia, gdy przetwornica przełącza się między dwoma stanami napięcia, tj. podczas przełączania między dwoma częstotliwościami PWM lub cyklami pracy.

Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów

Wartość składowej obciążenia również wpływa na tętnienia na wyjściu w tym obwodzie. Z tego powodu chcielibyśmy stłumić odpowiedź z obwodu przetwornika, lub przeprojektować sekcję filtrów, aby nie mieliśmy takiego problemu z przeregulowaniem na wyjściu.

Jednym ze sposobów rozwiązania problemu z niedotłumioną odpowiedzią przejściową jest dodanie pewnego tłumienia na kondensatorach C1 i C2, poprzez dodanie rezystorów 1 Ohm do kondensatorów C1 i C2, aby zapewnić pewne tłumienie, i sterowanie obciążeniem 10 Ohm. Spowoduje to, że odpowiedź przejściowa będzie bardzo bliska reżimowi krytycznie tłumionemu, dając płynne przejście między stanami OFF i ON, gdy rozpocznie się symulacja.

Jednym z niewielkich problemów jest to, że straciliśmy niewielką ilość mocy: prąd docierający do obciążenia jest mniejszy, a napięcie wyjściowe nieco niższe. Część mocy jest tracona na rezystorach w sekcji RC, co prowadzi do dodatkowych strat.

Można również usunąć rezystory i zmienić C1/C2 oraz L2. Problem ze zmianą C1 i C2 polega na tym, że końcowe napięcie tętnień po stronie wyjściowej będzie zależało od wartości tych kondensatorów, ponieważ zmieniasz warunki dla krytycznego tłumienia.

Dostosowanie L2 oraz kondensatorów wyjściowych to kolejny sposób, aby uzyskać niskie tętnienia na wyjściu. Najlepsza wartość indukcyjności dla L2 to około 150-200 uH. Istnieje wiele induktorów drutowych z ocenami prądu stałego przekraczającymi ~1.5 A.

Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru

Projektowanie filtra w dużym stopniu zależy od wartości kondensatorów wyjściowych przetwornicy. Umieszczenie filtracji na wejściu jest często bardziej skuteczne w redukcji całkowitego szumu. W odpowiedzi przejściowej od filtru PI może wystąpić przeregulowanie, które może być dość duże.

Ostatnią opcją, aby dalej poprawiać odpowiedź filtra po jego przeprojektowaniu, jest użycie układu RC snubber przed i po filtrze. W rzeczywistości użyty kondensator na wyjściu będzie miał pewną ESR, więc będzie działał jak mini obwód RC snubber. Bardziej powszechnym miejscem umieszczania snubbera jest przetwornica z elementami przełączającymi po stronie wysokiej i niskiej.

W SMPS potrzebne są inne ważne bloki obwodów, takie jak:

Generacja PWM: Aby ustawić napięcie wyjściowe na określony poziom dla danej częstotliwości PWM.
Pętla sterowania: Mierzy wyjście przetwornika, a wypełnienie lub częstotliwość PWM jest dostosowywana, aby utrzymać napięcie na pożądanym poziomie.
Interfejs użytkownika: System może potrzebować sposobu na przyjęcie danych wejściowych od użytkownika i zastosowanie wymaganego wypełnienia/w częstotliwości PWM, aby osiągnąć pożądane napięcie wyjściowe.

Po zakończeniu schematu SMPS i filtru wyjściowego zasilacza impulsowego możesz zastąpić wszelkie ogólne komponenty rzeczywistymi komponentami za pomocą Panelu Wyszukiwania Części Producenta w Altium Designer®.

Podstawowym zadaniem zasilaczy jest przekształcenie napięcia zasilającego (przemiennego) na stabilizowane napięcie zmienne lub stałe wymagane do zasilania odbiornika.

Zasilacze transformatorowe (liniowe)

Zasilacze transformatorowe są najstarszymi oraz najprostszymi urządzeniami zasilającymi. Ich głównym elementem jest transformator, który obniża napięcie do zadanej wartości.

Najczęściej liniowo regulowany zasilacz transformatorowy składa się z transformatora, prostownika, kondensatora (filtra tętnień), stopnia mocy, filtra wyjściowego i układu sterowania. Transformator służy do separacji galwanicznej obwodów oraz zmiany wartości napięcia wejściowego AC (napięcie sieciowe) na niższą wartość napięcia zmiennego. Napięcie z uzwojenia wtórnego transformatora podawane jest na układ prostowniczy - mostek Graetza.

Następnie, po jego zamianie na napięcie stałe - elementy reaktancyjne (kondensatory elektrolityczne) o dużej pojemności dokonują filtracji tętnień i buforowania napięcia. W pełni wygładzone i pozbawione tętnień napięcie trafia do tranzystorów mocy, w których obwodzie następuje regulacja wartości napięcia wyjściowego.

Układ sterowania (równoległy lub szeregowy) kontroluje różnicę między napięciem nieregulowanym DC a regulowanym napięciem wyjściowym DC oraz reguluje napięcie wyjściowe do stałej wartości. Filtr na wyjściu zasilacza redukuje szumy, tętnienia oraz obniża impedancję wyjściową. Praca tranzystora - różnica między napięciem na wejściu i wyjściu powoduje wydzielanie się ciepła, dlatego do chłodzenia tranzystorów wymagany jest montaż odpowiednich radiatorów.

Przy dużych mocach zasilaczy nie wystarcza już chłodzenie pasywne, dlatego konieczne jest zastosowanie wentylatora. Załączenie chłodzenia następuje automatycznie po przekroczeniu określonej temperatury na radiatorze, niestety praca wentylatora nie należy do cichych.

Zasilacze transformatorowe oferują zasilanie pozbawione szumów i tętnień, co sprawia, że są idealnymi rozwiązaniami do zasilania sprzętu medycznego, urządzeń audio, pomiarowych i laboratoryjnych. Dzięki swoim zaletom znalazły także zastosowanie w zasilaniu central alarmowych, są też powszechnie używane do zasilania różnego rodzaju urządzeń wymagających niskiego napięcia zasilającego, np. wzmacniaczy antenowych.

Zalety zasilaczy transformatorowych:

napięcie wyjściowe o niskim poziomie tętnienia i szumu,
szybka reakcja na regulację napięcia i prądu,
brak poboru mocy biernej na napięciu zasilającym,
niska awaryjność,
odporność na zwarcia.

Wady zasilaczy transformatorowych:

stosunkowo duży ciężar i rozmiar,
sprawność poniżej 60%,
pobieranie prądu na biegu jałowym,
wydzielanie ciepła podczas pracy,
głośna praca wentylatora chłodzącego,
większy prąd podczas uruchomienia,
mały wybór producentów.

Zasilacze impulsowe

Zasilacze impulsowe SMPS (Switched Mode Power Supplies) stanowią obecnie najpopularniejszą grupę zasilaczy. Ich działanie opiera się na przełączaniu tranzystora z dużą częstotliwością między stanami wysokiego i niskiego napięcia.

Na wejściu zasilacza znajduje się filtr wejściowy, którego zadaniem jest zabezpieczanie zasilacza i podłączonych urządzeń przed szkodliwymi zakłóceniami generowanymi przez sieć zasilającą. Następnie napięcie przemienne jest prostowane za pomocą mostka prostowniczego. Po jego wyprostowaniu ponownie zostaje filtrowane w celu obniżenia przepięć i eliminacji powstałych zakłóceń.

Stałe napięcie dociera do sekcji przełącznika (tranzystory MOSFET), który przekształca wygładzone napięcie stałe w przebieg prostokątny o wysokiej częstotliwości. Tranzystor przełączany jest między stanem nasycenia i zatkania w zakresie od 10 kHz do kilkuset kHz przez sygnał PWM (Pulse-Width Modulation - modulacja szerokości impulsu), podanym przez układu sterowania (sprzężenie zwrotne). Układ kontroluje stabilność napięcia wyjściowego i w razie potrzeby dokonuje zmian szerokości impulsu sterującego (wypełnienia) w celu uzyskania stałego poziomu napięcia na wyjściu zasilacza.

Sekcja przełącznika podaje pulsacyjne napięcie o wysokiej częstotliwości na uzwojenia pierwotne transformatora, który zmienia wartość napięcia zgodnie z przekładnią uzwojeń.

Następnie napięcie z wyjścia transformatora jest podawane na prostownik i prostowane w pulsacyjne napięcie prądu stałego. Filtr wyjściowy uśrednia wartość napięcia oscylacyjnego do stałego poziomu napięcia na wyjściu zasilacza. Podobnie jak w przypadku zasilacza liniowego układ sterowania zgodnie z ustawieniem porównuje poziom napięcia wyjściowego prądu stałego z wartością odniesienia w celu regulacji jego poziomu.

Zasilacze impulsowe stały się bardzo powszechne w użyciu i coraz częściej zastępują tradycyjne zasilacze transformatorowe. Dzięki wysokiej wydajności, mniejszemu wydzielaniu ciepła i małym gabarytom znajdują zastosowanie w wielu aplikacjach. Największym uznaniem cieszą się w automatyce przemysłowej - są niezastąpione podczas projektowania układów sterowania i nadzoru. Zasilacze SMPS wykorzystuje się także w urządzeniach medycznych, zasilaniu oświetlenia LED oraz jako zasilacze komputerów, monitorów, konsol do gier itp.

Zalety zasilaczy impulsowych:

wysoka sprawność na poziomie 70-95%,
niskie straty mocy,
szeroki zakres napięć wejściowych i wyjściowych,
stabilność napięcia wyjściowego,
odporność na zwarcia i przepięcia,
mniejsze wymiary i waga w porównaniu z transformatorami liniowymi.

Wady zasilaczy impulsowych:

tętnienia i zniekształcenia harmoniczne,
szumy wyjściowe o wysokiej częstotliwości,
niezbędne zastosowanie dość skomplikowanych filtrów na wejściu i wyjściu,
złożona konstrukcja.

Porównanie zasilaczy transformatorowych i impulsowych

Główną różnicą między zasilaczami transformatorowymi a impulsowymi jest ich sprawność. Zasilacze liniowe zazwyczaj wykorzystują transformatory do obniżenia napięcia wejściowego AC. Napięcie po wyprostowaniu i filtracji przez kondensatory charakteryzuje się bardzo niskimi tętnieniami, jednak zastosowanie na wejściu transformatora powoduje, że sprawność takiego układu jest na poziomie 30-60%. Ponadto transformatory charakteryzują się zwykle dużymi rozmiarami i stosowną wagą. Przekazanie energii odbywa się kosztem wydzielonego przez tranzystor ciepła, co sprawia, że wysokoprądowe regulatory liniowe wymagają dodatkowego zastosowania wentylatorów. Zasilacze liniowe są bardzo proste w budowie i działaniu oraz stosunkowo tanie.

Zasilacze SMPS wyróżniają się sprawnością na poziomie 80%, a jeszcze wyższą sprawność mogą osiągnąć przy minimalnych stratach mocy. Zasilacze te charakteryzują się również niewielkimi rozmiarami i bardzo szerokim zastosowaniem. Ich konstrukcja jest jednak znacznie bardziej złożona ze względu na użycie dużej liczby elementów. Dodatkowo wymagają zastosowania rozbudowanych filtrów, redukujących szumy o wysokiej częstotliwości. Jeśli sekcje filtracji nie zostaną odpowiednio zaprojektowane, mogą wystąpić problemy podczas zasilania wrażliwych urządzeń.

Zasilacze impulsowe są urządzeniami o bardzo wysokiej skuteczności podczas regulacji napięcia. Sprawdzają się w aplikacjach, które wymagają wysokiej sprawności, w wielu przypadkach są bardziej odpowiednie niż zasilacze liniowe.

Koraliki ferrytowe w filtracji zasilania

Oprócz standardowych metod filtracji, w systemach zasilania stosuje się również koraliki ferrytowe, które zapewniają dodatkową izolację i filtrowanie zasilania od szumów o wysokiej częstotliwości. Koralik ferrytowy modelowany jest jako obwód składający się z rezystorów, cewki indukcyjnej i kondensatora.

Charakterystyka koralika ferrytowego jest podzielona na trzy obszary odpowiedzi: indukcyjny, rezystancyjny i pojemnościowy. Aby zredukować szum wysokiej częstości, koralik musi znajdować się w obszarze rezystancyjnym. Wtedy element ten działa jak rezystor, który tłumi szumy o wysokiej częstotliwości i rozprasza je w postaci ciepła.

W przypadku zastosowania koralika ferrytowego wraz z kondensatorem filtrującym możliwe jest zaobserwowanie rezonansu w układzie LC. Ten często pomijany efekt może być szkodliwy, ponieważ może wzmacniać tętnienia i szumy w danym systemie, zamiast je tłumić.

Istnieją trzy metody tłumienia, które można zastosować w celu znacznego zmniejszenia poziomu wzmocnienia w zakresie rezonansu układu LC:

Dodanie rezystora szeregowo z kondensatorem filtrującym.
Dodanie równoległego rezystora o niewielkim oporze do koralika ferrytowego.
Dodanie dużego kondensatora z szeregowym rezystorem tłumiącym.

Ogólnie rzecz biorąc, metoda C (dodanie dużego kondensatora z szeregowym rezystorem tłumiącym) jest najbardziej efektywna i jest realizowana przez dodanie rezystora szeregowo z kondensatorem ceramicznym zamiast kupowania drogiego kondensatora tłumiącego.

Używając koralików ferrytowych na liniach zasilających, należy dobrać je do planowanego poboru prądu w układzie, aby prąd nie powodował nasycenia rdzenia i pracy w zakresie nieliniowym. Ponieważ koralik ferrytowy jest indukcyjny, nie należy go używać z kondensatorami filtrującymi o wysokim współczynniku dobroci bez starannej uwagi. Może to wyrządzić więcej szkody niż pożytku, powodując niepożądany rezonans w obwodzie.

Filtry antyaliasingowe

Aliasing kompresuje składowe sygnału o częstotliwości powyżej częstotliwości Nyquista (połowa częstotliwości próbkowania) z powrotem do widma pasma podstawowego, gdzie nie można ich oddzielić od pożądanych sygnałów, co prowadzi do błędów. Rozwiązaniem zapobiegającym aliasingowi jest ograniczenie pasma sygnałów wejściowych - ograniczenie wszystkich składowych sygnału wejściowego poniżej połowy częstotliwości próbkowania przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Ograniczenie pasma osiąga się za pomocą analogowych filtrów dolnoprzepustowych zwanych filtrami antyaliasingowymi.

Filtry te muszą ograniczać pasmo bez wprowadzania dodatkowych zniekształceń sygnału, szumu lub zmian amplitudy wraz z częstotliwością. W tym artykule omówiono kryteria projektowania antyaliasingowych filtrów dolnoprzepustowych oraz powody i sposób ich dokładnego dopasowania do specyfikacji przetworników analogowo-cyfrowych (ADC).

Aliasing występuje, gdy system pobiera dane z niewystarczającą częstotliwością próbkowania.

Podsumowanie

Filtracja tętnień i zakłóceń w zasilaczach, zwłaszcza impulsowych, jest kluczowa dla zapewnienia wysokiej jakości zasilania urządzeń elektronicznych. Wybór odpowiednich metod filtracji, w tym filtrów wyjściowych, koralików ferrytowych i układów tłumiących, zależy od specyfiki danego zastosowania i wymaga starannego doboru komponentów oraz uwzględnienia potencjalnych problemów, takich jak rezonans w układach LC.

Porównanie zasilaczy transformatorowych i impulsowych
Cecha	Zasilacz transformatorowy	Zasilacz impulsowy
Sprawność	Poniżej 60%	70-95%
Rozmiar i waga	Duże	Małe
Tętnienia i szumy	Niskie	Wysokie (wymagają filtracji)
Zastosowanie	Sprzęt audio, medyczny, pomiarowy	Automatyka przemysłowa, LED, komputery
Konstrukcja	Prosta	Złożona

tags: #filtracja #tętnień #a #częstotliwość #zastosowanie