10.3 Згладжувальні фільтри

Напруга на виході випрямлячів пульсуюча, а для нормальної роботи більшості споживачів, особливо ЕС, змінна складова напруги має бути у багато разів меншою ніж постійна складова. Інакше відбуваються недопустимі спотворення електричних інформаційних сигналів. Тому на виході випрямляча ставлять згладжувальні фільтри (ЗФ), які дозволяють зменшити коефіцієнт пульсації.

На виході ЗФ коефіцієнт пульсацій стає значно меншим, ніж на його вході. Для оцінки згладжувальної дії ЗФ використовують коефіцієнт згладжуваня K_ЗГЛ =K_П.ВХ /K_П.ВИХ, який показує, у скільки разів зменшується коефіцієнт пульсацій на виході ЗФ порівняно з коефіцієнтом пульсацій на його вході. Для характеристики ЗФ використовують ще два параметри: коефіцієнт фільтрації К_Ф=U_ЗМ.ВХ/U_ЗМ.ВИХ та коефіцієнт передачі постійної напруги G=U_{СЕР.ВИХ} / U_СЕР.ВХ. Останній характеризує ККД.

Згладжувальні фільтри повинні забезпечувати необхідний коефіцієнт згладжування, високий ККД ( G = 1) та задовольняти такі вимоги:

• невеликі габарити, вага і вартість;

• висока надійність;

• не вносити помітних спотворень;

• не обумовлювати різкі зміни струму і перенапругу при перехідних процесах.

Найширше застосування знаходять ЗФ, побудовані на реактивних компонентах L,C(пасивні фільтри) та активних компонентах (активні фільтри).

10.3.1 Пасивні фільтри

У таких ЗФ використовується властивість реактивних компонентів накопичувати електромагнітну енергію, за її надлишка та повертати накопичену енергію коли її не вистачає. Використовують індуктивні фільтри, ємнісні, індуктивно-ємнісні, багатоланкові (рис.10.5).

В індуктивних фільтрах дросельLвмикається послідовно з навантаженнямR_Н.Пульсуюча напруга на виході випрямляча складається з постійної і змінної складових. Фільтр повинен забезпечити передачу постійної складової (по можливості без втрат) та максимальне заглушення змінної складової. Активний опір дроселя для постійного струму можна вважати незначним, а тому середня складова напруги практично повністю передається в навантаження. Опір дроселя для змінного струму x_L=2 f_ПL, деf_П – частота пульсацій. Ефективне заглушення змінної складової відбувається за умови, коли цей опір значно перевищує опір навантаження (5…10 разів), а тому індуктивний фільтр доцільно використовувати за великих струмів навантаження (малих опорах R_Н). У цьому разі можна використати дросель з меншою індуктивністю (вагою, габаритами). Згладжувальна дія інідуктивності базується на її здатності накопичувати енергію підчас надходження імпульсів струму та віддавати енергію в навантаження підчас їх відсутності.

Рис.10.6.Випрямляч з ємнісним фільтром

В ємнісних фільтрах для заглушення змінної складової конденсатор С вмикається паралельно з навантаженням. За умови х_С=1/2πf_ПС<<R_Н, змінна складова замикається через малий опір конденсатора та не виділяється на навантажені, Для вибору конденсатора практично достатнім є його опір на частоті пульсацій в 5…10 разів меншим R_Н. Ємнісний фільтр найчастіше використовують при малих струмах у навантажені. У цьому разі необхідна менша ємність конденсатора, менші габарити, вага. Згладжувальна дія ємності, як і індуктивності, базується на накопичені енергії підчас дії імпульсів випрямляча та віддачі енергії в навантаження за їх відсутності.

Р озглянемо процеси пригнічення пульсацій та виділення постійної складової струму в однопівперіодному випрямлячі з резистивно-ємнісним навантаженням (з ємнісним фільтром, рис.10.6). Вмикання конденсатора істотно змінює процес формування вихідного сигналу, описаний в розділі 3.6.1.

При вмиканні,протягом деякого часу позитивного півперіоду вхідного сигналу (рис.10.7,а), коли на діод подається пряма напруга, через нього проходить струм, який заряджає конденсатор до напруги, наближеної до U_m (рис.10.7,в). Тепер стан діода визначається вхідною напругою u(t), яка поступово зменшується, та напругою на конденсаторі U_C=U_m, яка залишається майже незмінною. Як тількивхідна напруга стане менше напруги на конденсаторі діод зміщується в зворотному напрямі, струм через діод не проходить, конденсатор розряджається через опір навантаження R_н і створює на ньому напругу, яка поступово зменшується (рис.10.6,б). У кожний наступний позитивний півперіод, коли напруга живлення ( на вторинній обмотці трансформатора) за абсолютною величиною перевищує напругу на ємності ( |u| > u_c = u_н ) діод відкривається, конденсатор підзаряджається i його напруга знову підвищується до рівняU_m.

. Конденсатор заряджається через порівняно малий oпip діода, а розряджається через oпip навантаження. Унаслідок цього напруга на конденсаторі та навантаженні пульсує незначно. Kpiм того, конденсатор різко підвищує постійну складову випрямленої напругиU_CЕР, яка за досить великої ємності наближається до U_m.

Отже, в однофазному однотактному випрямлячі конденсатор підвищує випрямлену напругу приблизно в три рази. Такі випрямлячі використовують для живлення малопотужних електричних та радіоелектронних кіл.Максимальна зворотна напруга на діоді установлюється в негативний півперіод, коли u(t) = U_m. Напруга конденсатора також майже дорівнює U_m, тоді найбільша зворотна напруга на діоді досягає значення 2U_m. Для побудови випрямлячів за такими схемами необхідно використовувати діоди, максимально допустима зворотна напруга яких вдвічі перевищує амплітуду сигналу на вторинній обмотці трансформатора.

При використані описаного ЗФ з двопівперіодним або мостовим випрямлячами за однакових сталих часу пульсації зменшуються в два рази за рахунок збільшення їх частоти, а середня складова дещо зростає. Максимальна зворотна амплітуда діода не перевищує U_m.