Процес перемикання являє собою дещо більше, ніж просте замикання і розмикання вимикача. До сих пір в цій главі розглядалися, головним чином, засоби захисту від шуму, а не причини, породжують його. Оскільки шум створюється в процесі перемикання, прийшов час вивчити, як він утворюється. Незважаючи на те, що строгий аналіз вимагає залучення математичних методів, наш розгляд буде використовувати їх в мінімальному ступені з тим, щоб отримати якісний результат, а не формальні математичні вирази.

Спочатку розглянемо схему, в якій постійна напруга до активної навантаженні можна підключити і відключити простим однополюсним вимикачем, як показано на рис. 9.6. Припустимо, що цей вимикач здатний працювати з будь-якою швидкістю, а ми можемо не відволікатися на такі вторинні ефекти як іскріння, брязкіт контактів або їх кінцеве опір. Іншими словами, перед нами «ідеальний» вимикач. У розімкнутому стані він надає нескінченне опір току; при замиканні, його опір дорівнює нулю. Для того щоб спростити ситуацію припустимо, що перехід з одного стану в інший відбувається дуже і дуже швидко в порівнянні з часом перебування у включеному і вимкненому положеннях навіть при високій частоті перемикань.

Якби Ви спостерігали форму напруги на резисторі, то побачили б хороше, чисто прямокутне коливання. Але наскільки «чиста» ця послідовність імпульсів? Кількість імпульсів в секунду точно відповідає числу замикань в секунду, виконуваних вимикачем. Якщо процес перемикання дуже жорстко контролюється, то можна формувати послідовність імпульсів однакової тривалості. Оскільки екран осцилографа показує частоту повторення і не показує жодних перехідних процесів або інших частот, чи може він продемонструвати щось крім «чистого» процесу перемикання?

Відповісти можна і так, і ні. Так, оскільки результат перемикання чистий в тій мірі, в якій весь процес позбавлений перехідних процесів, викидів, брязкоту контактів, іскріння, спотворення форми сигналу і т.д. А немає тому що не може бути чистого з точки зору математики або електроніки несинусоидального коливання; згідно основоположною теоремі Фур’є всі коливання, крім синусоїдального, містять гармоніки основної частоти. Всі ці гармоніки є чисто синусоїдальними коливаннями (або, що теж саме – косінусоідальное). Будь-яке періодичне коливання може бути представлено у вигляді суми синусоїдальних коливань, де кожна гармонійна складова має свою амплітуду та фазу. І навпаки, можна синтезувати періодичне коливання будь-якої форми, об’єднуючи відповідним чином синусоїдальні коливання, мають кратні частоти. Прямокутні сигнали в джерелах харчування містять багато гармонік; це твердження справедливо і для коливань, отриманих за допомогою тиристорів і сімісторов.

Рис. 9.6. Ідеальна форма напруги, формована вимикачем, фактично багата гармоніками. Тільки чисто синусоїдальна або косінусоідальное коливання можна вважати чистим з точки зору електроніки. Наявність багатьох шумів в електронних схемах часто є наслідком несинусоїдальності коливань.

Рис. 9.7 дозволяє глибше зрозуміти результат періодичного замикання і розмикання ланцюга. Цей малюнок показує наявність гармонійних складових, які є функцією частоти проходження імпульсів і їхньої тривалості. Видно, що відстань між гармоніками визначається частотою повторення імпульсів; фактично частоти гармонік обернено пропорційні періоду проходження імпульсу. Гармоніки в тих групах, де вони зображені негативними, просто зрушені по фазі на 180 ° по відношенню до гармоникам, що містяться в першій групі. Але всі вони мають позитивну енергію, яка може випромінюватися і впливати на чутливі системи.

Рис. 9.7. Частотний спектр простого коливання прямокутної форми. Це універсальна крива, якою можна скористатися при будь-якій частоті повторення імпульсів / і будь-якої тривалості прямокутного імпульсу D. Чим вже імпульси, тим більше число гармонік і тим ближче вони розташовані одна від одної. Негативні амплітуди відображають відповідну фазу гармонік, вони настільки ж «реальні» як і гармоніки з позитивними амплітудами.

Зауважимо, що амплітуди гармонік в наступних один за одним групах зменшуються у міру збільшення їх частоти, але вони ніколи не стають рівними нулю, крім періодично повторюваних точок проходження амплітуди через нуль, рівних 1 / Д 2 / Д 3 / D і т.д. Практично майже нульові амплітуди високочастотних гармонік можна отримати в результаті їх ослаблення фільтром нижніх частот, утвореного паразитної ємністю схеми і резистором. Проте, навіть такий простий перемикач може створити перешкоди на дуже високих частотах, особливо, коли він працює з високими рівнями енергії або напруги. Слід зазначити, що деякі ускладнення виникають у тих випадках, коли навантаження не є чисто омічний; дійсно, протівоедс, пов’язана з перериванням струму в індуктивності призводить до появи досить значного шуму.

У підсумку можна сказати, що перемикання або переривання струмів і напруг в ланцюзі завжди призводить до появи потенційних джерел шуму. Проте бажання мати нерассеівающій енергію джерело живлення стимулювало розробку численних і іноді дуже простих методів послаблення шуму. В результаті ПІП часто мають рівень шуму набагато нижче, ніж зіставні дисипативні (лінійні) джерела живлення. Цей результат, швидше за все, пов’язаний з тим, що розробники ІІП більше кваліфіковані як щодо причин виникнення, так і способів придушення електричних перешкод і, ймовірно, тому не потрапляють у пастки, які є бичем багатьох аналогових конструкцій.

Джерело: І.М.Готтліб Джерела живлення. Інвертори, конвертори, лінійні і імпульсні стабілізатори. Москва: Постмаркет, 2002. – 544 с.