11.2 Сглаживающие фильтры

Значительные пульсации выпрямленного напряжения не позволяют его использовать для непосредственного питания электронной аппаратуры. Для уменьшения коэффициента пульсации используют сглаживающие фильтры. В зависимости от элементов, которые входят в их состав, фильтры подразделяют на простые фильтры С, L, Г-образные RC, LC и комбинированные CRC, CLC. Наличие сглаживающего фильтра оказывает существенное влияние на работу выпрямителя, нагрузкой которого он является. Нагрузка может носить резистивно-емкостный или резистивно-индуктивный характер.

11.2.1 Емкостный фильтр

Для снижения пульсаций выпрямленного напряжения параллельно нагрузке подключают конденсатор. На рисунке 11.8 приведена схема однофазного выпрямителя со средней точкой, на рисунке 11.9 - соответствующие ей кривые токов и напряжений.

Рисунок 11.1 - Схема однофазного выпрямителя со средней точкой

и емкостным фильтром

Действие емкостного фильтра основано на том, что конденсатор в течение проводящего интервала запасает энергию, а затем отдает ее в нагрузку, поддерживая выходное напряжение на уровне, близким к постоянному.

В точке 1 (временной диаграммы) диод VD1 открывается, и конденсатор заряжается через малое сопротивление открытого диода практически по синусоиде. В точке 2 диод закрывается, т.к. напряжение на катоде его больше напряжения на аноде и анодный ток прекращается. На интервале (2-4) конденсатор разряжается через нагрузку по закону

, (11.20)

где .

Рисунок 11.9 - Временные диаграммы работы выпрямителя с емкостным фильтром

В точке 3 напряжение на аноде диода > , диод VD2 открывается и возникает ток , конденсатор вновь начинает заряжаться. Напряжение на нагрузке принимает пилообразную форму. Ток через диоды протекает в течение части положительного полупериода в интервале 2Ө , где Ө - угол отсечки. При увеличении постоянной времени фильтра разряд конденсатора будет проходить с меньшей скоростью, а напряжение будет приближаться к постоянному напряжению.

Для расчета емкости фильтра при заданном коэффициенте пульсации заменим истинную форму напряжения на пилообразную, как показано на рисунке 11.10.

Рисунок 11.10 - К определению коэффициента пульсации выпрямленного напряжения

После явных преобразований

, если , то ;

при , , ,

найдем коэффициент пульсации

, (11.21)

где - период и частота первой гармонической составляющей выпрямленного напряжения.

Расчет конденсатора из данной формулы дает завышенное значение примерно на 5%, это вполне допустимо, т.к. технологический разброс при изготовлении конденсаторов достигает 20%.

11.2.2 Индуктивный фильтр

Для уменьшения пульсаций тока и напряжения последовательно с нагрузкой подключают катушку индуктивности (дроссель). В этом случае нагрузка выпрямителя носит резистивно-индуктивный характер. Аналогичный характер нагрузки получим, используя выпрямитель для питания машины постоянного тока. Схема однофазного выпрямителя со средней точкой с резистивно-индуктивной нагрузкой и временная диаграмма его работы показаны на рисунках 11.11 и 11.12.

Рисунок 11.11 - Схема однофазного выпрямителя со средней точкой с резистивно-индуктивной нагрузкой

Рисунок 11.12 - Временная диаграмма работы выпрямителя

На интервалах времени (0-1) и (1-2) поочередно открываются соответствующие диоды VD1 и VD2. Напряжение формируется как сумма положительных полуволн напряжений и . Из-за влияния индуктивности дросселя ток в цепи получается сглаженным. Под действием индуктивности ток не спадает до нуля при нулевых значениях напряжения . Дроссель в момент нарастания тока запасает энергию, а за тем отдает ее в нагрузку, поддерживая ток на неизменном уровне. Если индуктивность настолько велика, что ток остается постоянным, а анодные токи , диодов имеют форму прямоугольных импульсов. Ток , потребляемый из сети, имеет форму разнополярных прямоугольных импульсов.

Напряжение на нагрузке повторяет форму тока, а среднее значение напряжения на нагрузке , т.к. постоянная составляющая напряжения практически без потерь передается через дроссель, который имеет малое активное сопротивление.

Среднее значение тока в нагрузке , а среднее значение тока через диод

Индуктивность как самостоятельный фильтр в источниках питания используется редко, чаще в составе сложных фильтров.