6.4. Работа выпрямителя с индуктивным фильтром

Простейшими фильтрами низких частот, которые нашли применение в выпрямительной технике, являются индуктивный и емкостной. Первый из них представляет собой дроссель, включаемый последовательно с нагрузкой, как показано на рис. 6.7 для выпрямителя с нулевым отводом. Сглаживающее действие такого фильтра на выпрямленное напряжение может быть объяснено следующим образом.

Рисунок 6.7. Схема однофазного выпрямителя с индуктивным фильтром

Как отмечалось выше, напряжение на выходе выпрямителя u_d, и которое действует на входе фильтра, можно представить как сумму постоянной и гармонических составляющих. При предположении отсутствия активных потерь в индуктивном фильтре постоянная составляющая напряжения на его выходе будет такой же, как и на входе. Следовательно, величина постоянного напряжения в нагрузке в этом случае может быть определена по соотношению (6.2), а величины постоянных составляющих токов, протекающих через нагрузку и каждый диод выпрямителя – соотношениями (6.3) и (6.5) соответственно.

Для переменных составляющих индуктивный фильтр представляет собой сопротивление с величиной ωL_Ф. Падение напряжения гармонических составляющих в нем пропорционально индуктивности. Поэтому амплитуда этих составляющих на выходе фильтра меньше, чем на входе, следствием чего является уменьшение пульсации суммарного напряжения в нагрузке. Очевидно, чем больше величина индуктивности фильтра, тем меньше пульсации напряжения на его выходе. В идеальном фильтре (с L_Ф → ∞) пульсации напряжения устраняются полностью. В этом случае через нагрузку протекает постоянный ток I_d, определяемый соотношением (6.3), а импульсы тока диодов становятся прямоугольными с амплитудой, равной I_d.

6.5. Работа выпрямителя с емкостным фильтром

Емкостной фильтр представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке. Условия, создающиеся в выпрямителе с нулевым отводом и мостовом выпрямителе при их работе с таким фильтром во многом аналогичны. Поэтому особенности работы выпрямителя с емкостным фильтром рассматриваются на примере схемы с нулевым отводом, приведенной на рис. 6.8.

Рисунок 6.8. Схема однофазного выпрямителя с емкостным фильтром

Сглаживающее действие емкостного фильтра на выпрямленное напряжение определяется процессами заряда и разряда конденсатора , которые иллюстрирует рис. 6.9. На этом же рисунке пунктиром показаны временные зависимости напряжения на выходе выпрямителя при его работе на активную нагрузку. Оно же приложено к анодам соответствующих диодов. При наличии емкостного фильтра катоды диодов находятся под напряжением на конденсаторе. Последнее обстоятельство изменяет значения фаз, при которых диоды переходят из одного состояния в другое.

Рисунок 6.9. Временные диаграммы напряжения,

иллюстрирующие принцип действия емкостного фильтра

При открытии одного из диодов, например Д₁, происходит заряд конденсатора. Вследствие малой величины сопротивления открытого диода, а также достаточно большого сопротивления нагрузки можно считать, что изменение напряжения на конденсаторе при его заряде практически будет повторять напряжение, подаваемого на анод открытого диода, то есть совпадать с пунктирной кривой на рис. 6.9. В этом случае при значении фазы, несколько превышающей величину, при которой достигается максимум напряжения на аноде диода Д₁, напряжения на его аноде и катоде выравниваются, т.к. вследствие инерционности разряда конденсатора напряжение на катоде диода будет уменьшаться медленнее, чем на аноде.При фазе большей, чем оба диода будут закрыты: Д₁ – поскольку напряжение на его аноде меньше напряжения на катоде, а Д₂ - отрицательным напряжением на его аноде. В данных условиях происходит разряд конденсатора через сопротивление нагрузки с соответствующим уменьшением на нем напряжения. Разряд будет продолжаться до момента времени, когда после смены полярности подводимого напряжения, напряжение на конденсаторе станет равным положительному напряжению на аноде диода Д ₂. При напряжение на аноде этого диода будет больше напряжения на катоде, он переходит в открытое состояние, и через него конденсаторбудет вновь заряжаться. Заряд конденсатора и увеличение на нем напряжения заканчивается при фазе, при которой, как и при фазепроизойдет выравнивание напряжений на аноде и катоде,диода Д ₂.

Поскольку нагрузка R_H и конденсатор фильтра С_Ф включены параллельно, мгновенное значение нагрузки совпадает с соответствующим напряжением на конденсаторе. В связи с этим временная зависимость напряжения на конденсаторе, представленная на рис. 6.9 сплошной кривой, обозначена как . Как видно, происходит сглаживание выпрямленного напряжения в нагрузке по сравнению с тем, которое было в отсутствие фильтра.

Рисунок 6.10. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу

однофазного двухполупериодного выпрямителя

с емкостным фильтром

На рис. 6.10 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу выпрямителя с емкостным фильтром. Рис. 6.10,а показывает напряжение на входе трансформатора, на рис. 6.10,б – напряжениев нагрузке. В дополнение к построениям на рис. 6.9, на рис. 6.9,б проведена горизонтальная прямая, определяющая величину среднего выпрямленного напряжения(его постоянную составляющую). На рис. 6.9,в представлены временная зависимость тока в нагрузке, которая определяется законом Ома при известной зависимости, а также прямая, характеризующая величину среднего тока нагрузки.

С емкостным фильтром диоды выпрямителя находятся в открытом состоянии не в течение полупериода питающего напряжения, как в случае его отсутствия, а в течение меньшего времени. Это время соответствует, в частности, интервалу фаз для диода Д ₁ и - для диода Д ₂ . Через открытые диоды протекает ток заряда конденсатора , который имеет вид коротких импульсов, что отражено на рис. 6.10,г, д.

Одновременное пребывание обоих диодов в закрытом состоянии при использовании емкостного фильтра обуславливает увеличение интервала фаз, в котором диоды должны выдерживать обратное напряжение (см. рис. 6.10,е). Максимальное значение этого напряжения остается таким же, как и при отсутствии фильтра. Для диодов в составе схемы с нулевым отводом остается справедливым соотношение (6.6), а для диодов мостовой схемы – соотношение (6.9).

Представляется необходимым проанализировать изменение условий работы выпрямителей при изменении емкости конденсатора фильтра и сопротивления нагрузки, поскольку от значения этих параметров зависит величина постоянной переходного процесса, определяющего сглаживающие свойства емкостного фильтра.

При увеличении значений ивремя переходного процесса разряда конденсатора через сопротивление нагрузки увеличивается. В результате увеличивается мгновенное значение напряжения, подводимое к анодам диодов, при котором происходит их открытие, то есть минимальное значение напряжения нагрузки, при практически неизменном максимальном его значении. Следовательно, качество фильтрации повышается с увеличением емкости конденсатора и сопротивления нагрузки. Одновременно это приводит к увеличению среднего напряжения нагрузки. Кроме того, при увеличении значения постоянной переходного процессапроисходит увеличение интервала фаз, в котором оба диода одновременно закрыты (см. рис. 6.9) и уменьшается время пребывания диодов в открытом состоянии.

При бесконечно большом значении постоянной переходного процесса , напряжение нагрузки становится неизменной величиной во времени и практически равной амплитуде напряжения, подводимого к анодам диодов,U₂. При этом в течение всего времени диоды будут находиться в закрытом состоянии, а ток в цепи выпрямителя не протекает.

С уменьшением длительности импульса тока, протекающего через диоды при емкостном фильтре, а так же с зависимостью этой длительности от емкости конденсатора фильтра и сопротивления нагрузки связано увеличение амплитудного значения токов диодов (при условии, что ). Как правило, амплитудные значения тока диодов в 3-8 раз превышают среднее значение тока нагрузки. Последнее является одним из факторов, ограничивающих применение емкостных фильтров по величинам выпрямленного тока и мощности.