Емкостной фильтр и особенности работы выпрямителя

на активно-емкостную нагрузку

Для повышения качества напряжения на выходе выпрямителя ус­танавливаются сглаживающие фильтры, которые должны, с одной сто­роны, пропускать без ослабления постоянную составляющую выпрям­ленного напряжения в нагрузку, а с другой стороны, ослаблять гармонические составляющие. Очевидно, что фильтры могут выпол­няться на реактивных элементах (индуктивностях и конденсаторах), сопротивления которых являются функциями частоты.

В емкостном фильтре конденсатор включается параллельно соп­ротивлению нагрузки, как показано на рис.3. Если обеспечивается условие где- частота гармоники выпрямленного напряжения, то переменная составляющая шунтируется емкостью и не попадает в нагрузку. Для постоянной составляющей сопротивление конденсатора бесконечно.

Рис. 3

Сглаживающее действие емкостного фильтра определяется про­цессами заряда и разряда конденсатора С_ф, которые иллюстрирует рис.4.

Рис. 4

На этом рисунке пунктиром показана временная зависимость напряжения на выходе выпрямителя без фильтра. Данное напряжение подается на аноды диодов (номер соответствующего диода указан на рис.3). Катоды диодов находятся под напряжением конденсатора. Последнее обстоятельство изменяет значения фаз , при которых диод переходит из одного состояния в другое, поскольку диод бу­дет открытым, когда напряжение на его аноде превышает напряжение на катоде.

При открытии одного из диодов происходит заряд конденсато­ра. Вследствие малых величин сопротивлений обмоток трансформато­ра и открытого диода, а также достаточно большой величины сопро­тивления нагрузки R_H можно считать, что изменение напряжения на конденсаторе при его заряде практически будет повторять измене­ние напряжения, подаваемого на анод открытого диода, то есть практически будет совпадать с пунктирной кривой на рис. 4. При значении фазы , превышающей величину, при которой достигается максимум напряжения на аноде диода, наступает момент выравнива­ния напряжений на аноде и катоде диода, поскольку вследствие инерционности напряжение на конденсаторе С_ф будет уменьшаться медленнее, чем на аноде диода. Пусть фаза ₂ соответствует это­му моменту. При >₂ диоды Д₁ и Д₂ закрыты и происходит разряд конденсатора С_ф через сопротивление нагрузки R_H с соответствую­щим уменьшением на нем напряжения. Разряд будет продолжаться до момента времени t₃, когда напряжение на конденсаторе станет рав­ным напряжению на аноде диода Д₂. При >₃ напряжение на аноде этого диода будет превышать напряжение на катоде. Диод Д₂ откры­вается, а конденсатор С_ф вновь начинает заряжаться. Заряд кон­денсатора закончится в момент времени t₄, при котором, как и в момент времени t₂ , выравниваются напряжения на аноде и катоде диода Д₂. Как отмечалось выше, в интервале фаз ₃ ÷ ₄ измене­ние напряжения на конденсаторе будет лишь незначительно отли­чаться от изменения напряжения, представленного на рис.4 пункти­ром. Следует отметить, что при рассматриваемых условиях значения фаз ₂ и ₄, при которых диоды переходят в закрытое состояние, лишь незначительно превышают значения фаз, где напряжение u_d достигает максимума.

Поскольку сопротивление R_H включено параллельно с конденса­тором С_ф, мгновенное значение напряжения нагрузки u_н равно соответствующему напряжению на конденсаторе. На рис.4 временная за­висимость напряжения u_н при наличии емкостного фильтра отмечена сплошной кривой. Как видно, происходит сглаживание выпрямленного напряжения в нагрузке по сравнению с тем, которое было в отсутс­твие фильтра. Нетрудно сделать вывод, что качество фильтрации повышается с увеличением емкости конденсатора и сопротивления нагрузки. При бесконечно больших значениях С_ф и R_H напряжение на нагрузке имеет максимальное значение, равное амплитуде напряже­ния, подводимого к анодам диодов.

Фильтр для выпрямителя является составной частью нагрузки, которая в рассматриваемом случае становится активно-емкостной. Для такой нагрузки на рис. 5 приводятся временные диаграммы.

Рис.5,а показывает напряжение u₁ на входе трансформатора, которое не зависит от характера нагрузки, а рис.5,б - напряжение u_H в нагрузке. На рис.5,б в отличие от рис.4, проведена горизон­тальная прямая, определяющая величину среднего выпрямленного напряжения U_H (его постоянную составляющую). На рис.5,в предс­тавлено изменение тока в нагрузке i_н, которое определено следую­щим образом

. (10)

Величина среднего тока в нагрузке

. (11)

При активно-емкостной нагрузке выпрямителя диоды находятся в открытом состоянии не в течение полупериода входного напряже­ния, как было в случае чисто активной нагрузки, а в течение меньшего времени, соответствующему интервалу фаз ₁÷₂ для диода Д₁ и ₃÷₄ - для диода Д₂, что иллюстрируется графика­ми на рис.5, г, д. Через открытые диоды протекает ток заряда кон­денсатора С_ф. Длительность импульсов этого тока уменьшается с увеличением емкости конденсатора и сопротивления нагрузки.

Обыч­но амплитуда токов диодов в 3...8 раз превышает их средние значения.

Рис. 5

При использовании емкостного фильтра существует интервал фаз, где одновременно оба диода находятся в закрытом состоянии. Вследствие этого расширяется интервал фаз, в которые диод должен выдерживать обратное напряжение (см. рис.5,е). Максимальное зна­чение этого напряжения, как и при отсутствии емкостного фильтра, равно удвоенной величине амплитуды, напряжения, снимаемого с каж­дой из частей вторичной обмотки трансформатора.