1.1.3 Сглаживающие фильтры

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения и тока и содержат реактивные элементы (L или С), способные накапливать энергию, а затем ее отдавать в нагрузку.

На рис.1.6 приведены простейшие сглаживающие фильтры, подключаемые между выпрямителем и нагрузкой.

а) б) в)

Рисунок 1.6 - Схемы сглаживающих фильтров

В индуктивном фильтре используется дроссель L_ф , который включается последовательно с нагрузкой R_н (рис.1.6,а). Сущность работы данного фильтра сводится к тому, что при увеличении напряжения вторичной обмотки трансформатора выпрямителя происходит накопление энергии в индуктивности L_ф , а при его уменьшении за счет возникшей э.д.с. самоиндукции ток в нагрузке будет мало меняться. Индуктивность L_ф выбирается из условия ₍₁₎L_ф  R_н, где ₍₁₎- угловая частота первой гармоники пульсации. При выполнении указанного условия практически вся переменная составляющая выпрямленного напряжения будет падать на дросселе, а постоянная составляющая полностью передаваться в нагрузку.

В емкостном фильтре (рис.1.6,б) необходимо выполнить условие 1/₍₁₎С_ф  R_н. В этом случае переменная составляющая напряжения будет замыкаться через конденсатор С_ф^, а постоянная составляющая поступает в нагрузку.

Из приведенных неравенств следует, что индуктивный фильтр более эффективен при больших токах нагрузки (малых R_н), а емкостной – при малых токах (больших R_н).

В RC-фильтре (рис.1.6,в) конденсатор С_ф шунтирует нагрузку по переменной составляющей напряжения, которая дополнительно ограничивается сопротивлением резистора R_ф. В результате доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении значительно уменьшается. Недостатком RC-фильтра является потеря мощности на резисторе R_ф, что снижает к.п.д. фильтра. Поэтому RC-фильтры целесообразно использовать в выпрямителях при малых токах нагрузки.

Основным параметром, характеризующим эффективность действия сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций g₁ и g₂ на входе и выходе фильтра

,

(1.1)

где U_d - напряжение на входе фильтра;

U_н - напряжение на нагрузке;

U_m1, U^/_m1 - амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения на входе и выходе фильтра.

1.1.4 Работа выпрямителя с емкостным фильтром

В маломощных выпрямителях часто используют простейший емкостной фильтр, который представляет собой конденсатор, подключаемый параллельно нагрузке. Такой фильтр для выпрямителя представляет емкостную нагрузку, которая заметно изменяет характер процессов в схеме. Рассмотрим работу однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки трансформатора при наличии емкостного фильтра. Схема данного выпрямителя и временные диаграммы приведены на рис.1.7.

а) б)

Рисунок 1.7 - Схема однофазного выпрямителя с выводом средней точки

трансформатора (а) и временные диаграммы напряжений и токов выпрямителя (б)

Работа выпрямителя удобно рассмотреть с помощью временных диаграмм, изображенных на рис.1.7,б. В интервале времени t₁-t₂ конденсатор C_ф через открытый диод VD1 заряжается, так как в это время . При этом ток диода VD1 равенi_a1 = i_c + i_н. Во время прохождения этого тока имеет место падение напряжения на диоде и активном сопротивлении обмоток трансформатора, т.е. .

С момента времени t₂ напряжение U₂ становится ниже напряжения на конденсаторе и U_c диод VD1 закрывается. В интервале t₂-t₃ конденсатор разряжается на резистор нагрузки с постоянной времени  = R_нС_ф, поддерживая тем самым ток нагрузки. В момент t₃ в следующем полупериоде создаются условия для включения диода VD2 (U₂  U_c) и конденсатор начинает заряжаться и т.д.

Напряжение на нагрузке определяется кривыми заряда и разряда конденсатора. Форма кривой тока нагрузки i_н аналогична кривой напряжения U_н. Форма кривой тока диодов отличается от формы кривой при работе на чисто активную нагрузку: время протекания тока уменьшается, а максимальное значение тока возрастает.