10.5 Сглаживающие фильтры

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения (рис. 83) до необ­ходимого уровня.

С глаживание пульсаций оценивают коэффициентом сглажи­вания q, который показывает, во сколько раз коэффициент пульсаций К_п.вых на выходе фильтра меньше коэффициента пуль­саций К_п.вх на его входе, т. е. q = К_п.вх/ К_п.вых

Рисунок 83 - Пульсации выпрямлен­ного напряжения

Основными элементами сглаживающих фильтров являются конденсаторы, катушки индуктивности и транзисторы, сопротивление которых различно для постоянного и переменного токов.

Сглаживающие фильтры можно разделить на пассивные и ак­тивные (электронные). Пассивные фильтры выполня­ются на основе реактивных элементов - дросселей и конденсато­ров, которые оказывают соответственно большое и малое сопротивление переменному току и наоборот - постоянному. Активные (электронные) фильтры содержат электрон­ные элементы – транзисторы.

В зависимости от типа фильтрующего элемента различают ем­костные, индуктивные и электронные фильтры. По количеству фильтрующих звеньев фильтры делятся на однозвенные и много­звенные.

Емкостной фильтр

Э тот тип фильтров относится к однозвенным фильтрам. Емкостный фильтр включают параллельно нагрузочному резистору R_н (рис. 84, а). Работу емкостного фильтра удобно рас­сматривать с помощью временных диаграмм, изображенных на рис. 84, б. В интервал времени t₁ - t₂ конденсатор через открытый диод Д заряжается до амплитудного значения напряжения u₂, так как в этот период напряжение u₂ > u_с. В это время ток i_a = i_c + i_н. В интервал времени t₂ - t₃, когда напряжение u₂ становится меньше напряжения на конденсаторе u_с, конденсатор разряжается на нагрузочный резистор R_н, заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе i_н, которая имеется в однополупериодном вы­прямителе в отсутствие фильтра. В этот интервал времени напряжение на резисторе R_H снижается до некоторого значения, соответст­вующего времени t₃, при котором напряжение u₂ в положительный полупериод становится равным напряжению на конденсаторе u_с. После этого диод вновь открывается, конденсатор С_ф начинает за­ряжаться и процессы зарядки и разрядки конденсатора повто­ряются.

Рисунок 84 - Схема емкостного фильтра с однополупериодным выпрямителем (а),

временные диаграммы напряжений и токов (б)

Анализ временных диаграмм показывает, что с изменением емкости конденсатора С_ф или сопротивления нагрузоч­ного резистора R_н будет изменяться значение коэффициента пульса­ций выпрямленного напряжения. При этом, чем меньше разрядится конденсатор, тем меньше будут пульсации в выпрямленном токе i_н. Разряд конденсатора С_ф определяется постоянной времени разряд­ки τ_разр = С_фR_н. При τ > 10 коэффициент сглаживания определяется по формуле

q = 2π f_с m С_ф R_н

где f_с – частота сети, m – число полупериодов выпрямленного напряжения.

Емкостный фильтр целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором R_H при мощности Р_н не более нескольких десятков ватт.

Индуктивный фильтр

Индуктивность обладает малым сопротивлением постоянному току и большим переменному. Поэтому индуктивный фильтр (дроссель) включается последовательно с R_н (рис. 85, а). Сглаживание пульсаций основывается на явлении самоиндукции, которая изначально препятствует нарастанию тока, а затем поддерживает его при уменьшении (рис. 85, б).

Р исунок 85 - Схема индуктивного фильтра с однополупериодным выпрямителем (а); временные диаграммы напряжения и токов однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром (б)

Индуктивные фильтры обычно применяют в трехфазных выпрями­телях средней и большой мощностей, т. е. в выпрямителях, работающих на нагрузочные устройства с большими токами.

q = 2π f_с m L_ф /R_н

Многозвенные фильтры

Н аибольшей эффективностью обладают многозвенные фильтры (рис. 86).

Рисунок 86 – Схема Г- образного (а) и П – образного (б) сглаживающих фильтров

В маломощных выпря­мителях, у которых сопро­тивление нагрузочного резистора составляет не­сколько кОм, вместо дросселя L_ф включают резистор R_ф (рис. 87), что существенно уменьшает массу, габариты и стоимость фильтра.

Конденсатор имеет малое сопротивление переменному току и большое постоянному, поэтому переменная составляющая тока протекает через конденсатор C_ф и R_ф, на котором происходит её падение напряжения.

Рисунок 87 – Схема RC сглаживающих фильтров