Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники вторичного электропитания. Линейные источники вторичного электропитания. Учебное пособие
.pdf
Емкостный фильтр
I
Конденсатор С, включенный параллельно нагрузке (рис. 5.1, а),
представляет собой простейший емкостный фильтр [10, 11]. При повышении напряжения источника питания конденсатор периодически заряжается и разряжается на нагрузку, когда питающее напряжение становится меньше напряжения на его зажимах. При этом во время разряда
конденсатор отдает нагрузке заранее запасенную энергию и напряжение
на нагрузке
изменяется в относительно меньших пределах, чем при отсутствии конденсатора, в чем и заключается сглаживающее действие
емкостного фильтра.
Конденсатор представляет собой емкостное сопротивление для переменного тока, а в нашем случае – для переменной составляющей выпрямленного тока, т. е.
С
1
,
mC
c
где
mf f
Х
m
– коэффициент, зависящий от схемы выпрямления, равный
;
– циклическая частота.
01 с
c
Шунтирующее действие конденсатора, включенного параллельно
нагрузке, обеспечивает сглаживание пульсаций при выполнении условия
Х R
.
нС
При соблюдении этого условия большая часть переменной составляющей выпрямленного тока, минуя нагрузку, условно замкнется через
конденсатор.
В общем случае можно считать, что конденсатор фильтра заряжается импульсами тока длительностью, меньшей чем
, где Т – пе-
Т m
риод изменения напряжения сети. Для упрощения расчета фильтра
можно предположить, что ток разряда конденсатора неизменен и равен
нагрузке
саторе
среднему значению тока нагрузки. Изменение напряжения на
н
можно вычислить как изменение напряжения на конден-
U
н
при его разряде:
U
С
Т m
11
UidtII
С C
С mC m f C
0
T
нн
c
.
81
Изменение напряжения на конденсаторе
f
представляет собой
U
С
удвоенную амплитуду переменной составляющей выпрямленного
напряжения.
Тогда для коэффициента пульсации
, можно записать:
UU
m С
2
kUU
kU U
п 1dm d
С d
.
0,5
п
, учитывая, что
Окончательно выражение коэффициента пульсации принимает вид
1
п
2kmf R С
.
c н
Величину емкости конденсатора емкостного фильтра в процентах
определяют из соотношения
6
10
Rk
2Сm
c нп%
.
Относительно небольшое значение коэффициента пульсации на
нагрузке при ограниченной емкости конденсатора С может быть лишь
при большом сопротивлении
нагрузки, т. е. при небольших выпрям-
R
н
ленных токах, вследствие чего емкостный фильтр применяют преимущественно в маломощных выпрямителях.
К достоинствам емкостного фильтра можно отнести простоту его
выполнения.
Основной недостаток емкостного фильтра – необходимость применения полупроводниковых диодов, рассчитанных на большую ампли-
туду прямого тока
I
пр имп
.
Индуктивный фильтр
Индуктивный фильтр представляет собой катушку с ферромагнитным сердечником (дроссель), включаемую последовательно с нагрузкой
(рис. 5.1, б) [10, 11]. Переменная составляющая выпрямленного тока
создает в магнитопроводе дросселя магнитный поток, индуцирующий в его обмотке противоЭДС, которая препятствует изменениям
тока в цепи.
Уменьшение амплитуды переменной составляющей выпрямленного
тока вызывает уменьшение пульсаций напряжения на нагрузке.
82
В этом
и состоит сглаживающее действие дросселя, включенного последовательно с нагрузкой.
С ростом угла отсечки, обусловленного наличием индуктивности
в цепи
mLR
c нL
, увеличивается интервал включенного состояния
вентилей и уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения.
Индуктивное сопротивление дросселя определяется соотношением
Х mL
.
cL
Таким образом, для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения необходимо, чтобы индуктивное
было значительно больше сопротивления нагрузки
Х R
или
нL
mL R
сопротивление дросселя
Х
L
:R
н
c н
.
При выполнении этого условия значительная часть переменной составляющей выпрямленного напряжения ничтожна мала, так как
обычно активное сопротивление дросселя
мало и активным паде-
r
L
нием напряжения на дросселе можно пренебречь; практически вся постоянная составляющая выпрямленного напряжения выделяется на сопротивлении нагрузки
Расчетная формула коэффициента сглаживания
фильтра представляет собой отношение коэффициента пульсации
на входе фильтра к коэффициенту пульсации на выходе фильтра
.
R
н
сг п.вх п.вых
индуктивного
k
сг
k
п.вх
k
п.вых
.kk k
Коэффициент пульсации на входе фильтра
kUU
п.вх 1dm d
,
коэффициент пульсации на выходе фильтра
kUU
п.вых 1dm d
здесь и в последующих выражениях
U
d
,
и
– средние значения вы-
U
d
прямленного напряжения на входе и выходе фильтра соответственно;
83
L
R
L
R
L
R
L
R
L
R
R
и
U
1dm
– амплитудные значения напряжения первой гармоники,
U
1dm
содержащейся в выпрямленном напряжении, на входе и выходе фильтра
соответственно, определяемые соотношениями
UIR
11нdm dm
,
UIR
dd
.
н
Амплитудное значение тока основной гармоники, содержащейся
в выпрямленном токе, на выходе фильтра (в нагрузке)
U
1
I
dm
1
dm
()
22
rX
н
.
L
Среднее значение выпрямленного тока
U
I
d
d
.
r
н
Коэффициенты пульсации на выходе и входе индуктивного фильтра
окончательно принимают вид:
k
п.вых
URr
URr X
dLL
k
пвх
()
()
1 н
dm L
()
()
Rr
н
22
н
н
L
22
rX
L
,
.
С учетом сказанного расчетная формула для коэффициента сглаживания индуктивного фильтра принимает вид
22
rX
н
()
k
сг
L
L
2
нс
R
.
mL
н
2
.
Поскольку
k
сг
Rr
н L
k
k
сг
kRr
п.вых н
()
п.вх
, коэффициент сглаживания индуктивного фильтра
22
X
н
R
или
,
н
84
Тогда индуктивность дросселя можно определить как
R
22
L
нсг
m
1Rk
.
с
В таком случае эффективное сглаживание пульсаций определяется
условием
, и для этого случая индуктивность дросселя
1k
сг
mL
k
сг
с
.
н
Таким образом, для получения приемлемого коэффициента сглаживания
необходимо увеличивать индуктивность дросселя и число m
k
сг
фаз. Поэтому индуктивные фильтры целесообразно применять в многофазных выпрямительных устройствах большой мощности для случая,
когда имеются большие токи нагрузки при относительно небольшом
значении сопротивления
нагрузки.
R
н
Достоинства индуктивного фильтра: простота схемы, небольшие
потери мощности, незначительная зависимость выходного напряжения
от изменения сопротивления нагрузки.
Недостатки индуктивного фильтра:
1) перенапряжения, возникающие при отключении нагрузки или
внезапном изменении ее величины, связанные с появлением ЭДС самоиндукции дросселя при резком изменении тока нагрузки. С целью
устранения этого недостатка в мощных выпрямителях параллельно
дросселям включаются разрядники, замыкающие обмотку дросселя, когда напряжение на дросселе превышает допустимый уровень;
2) зависимость коэффициента
сглаживания от изменений сопротивления нагрузки, так как при этом меняется индуктивность дросселя, обусловленная возрастанием постоянного подмагничивающего поля дросселя, которое изменяется в соответствии с изменением сопротивления.
Индуктивно-емкостные фильтры
Когда расчетные значения индуктивности и емкости значительные или
однозвенные фильтры не могут обеспечить получения больших коэффициентов сглаживания, на практике в качестве сглаживающих фильтров
85
используются многозвенные сглаживающие фильтры (рис. 5.2), кото-
L
L
рые при сочетании индуктивности и емкости позволяют получить более
высокие коэффициенты сглаживания [10, 11].
ф
ф
R
ф
С
R
ф
н
С
ф
1
С
R
ф
н
2
С
R
ф
н
а б в
Рис. 5.2. Пассивные сглаживающие фильтры:
а – схема индуктивно-емкостного фильтра: LC-фильтра;
б – CLC-фильтра; в – схема резистивно-емкостного фильтра
Схема индуктивно-емкостного Г-образного LС-фильтра показана
на рис. 5.2,
сель, и при соблюдении условия
а [10, 11]. Входным элементом этого фильтра является дрос-
XRX
нLC
дроссель и конденса-
тор в совместном включении более эффективны, чем каждый из них
в отдельности. При этом общее сопротивление цепи для переменной
составляющей выпрямленного напряжения значительно уменьшается
и поэтому увеличивается переменная составляющая выпрямленного
тока, протекающего через дроссель, а значит, возрастает и падение
напряжения на нем. Это приводит к уменьшению переменной
составляющей напряжения на нагрузке при сравнении ее значения при раздельном включении конденсатора и дросселя.
Коэффициент сглаживания
LC-фильтра
22
сг с
1kmLС
.
Как правило, при расчете индуктивно-емкостного фильтра задан ко-
эффициент
сглаживания, и для расчета параметров L и C целесооб-
k
сг
разно применять формулу
(1)k
LС
сг
m
22
с
.
86
Далее, задаваясь, например, емкостью фильтра, можно определить
L
значение индуктивности.
Следует заметить, что в фильтре, состоящем из дросселя и конденсатора, возможны резонансные явления, и для их исключения необходимо, чтобы собственная частота фильтра была ниже частоты пульсаций, т. е. должно быть выполнено условие
собственная частота фильтра
1
0
LС
0,5m
0c
, условия резонанса можно
. Учитывая, что
представить в виде
LСm
Учитывая
LC, получаем
сг
в индуктивно-емкостном фильтре являются такие значения
4
.
22
с
. Таким образом, условием резонанса
3k
L и С, кото-
рые обеспечивают коэффициент сглаживания не менее трех.
Минимальное значение индуктивности дросселя можно определить
по формуле
2
R
L
мин
(1)
которая основана на условии индуктивной реакции фильтра
и
условия
1mL mС
сс
В Г
-образном фильтре значение емкости конденсатора выбирают из
1 m С R
.
сн
.
н
2
mmf
,
с
mLR
сн
Схема индуктивно-емкостного П-образного фильтра позволяет по-
лучать более высокий коэффициент сглаживания, равный произведению коэффициентов сглаживания двух его звеньев, представленных емкостью
и Г-образной цепочкой
С
1
В выпрямителях большой мощности применение П
нерационально, так как в этом случае выпрямитель работает на ем-
тра
(рис. 5.2, б).
C
2
-образного филь-
кость, что ухудшает условия работы диодов и трансформатора.
Для получения высокого коэффициента сглаживания в мощных выпрямителях целесообразно применять каскадное включение
Г-образных
фильтров. Результирующий коэффициент сглаживания при этом равен
произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев.
87
Резистивно-емкостные фильтры
R
Резистивно-емкостные фильтры рекомендуется применять в вы-
прямительных устройствах небольшой мощности (до 10 Вт) при сопротивлениях нагрузки, измеряемых десятками килоом. Схематично резистивно-емкостные фильтры представляют собой Г-
, в которых вместо индуктивности L включается активное сопро-
тры
R
тивление
(рис. 5.2, в) [10, 11].
ф
образные RC-филь-
Для получения достаточно большого коэффициента сглаживания
должны выполняться следующие условия:
R Х
н С
и
ф С
.
R Х
Коэффициент сглаживания резистивно-емкостного фильтра
RR R R
kRRmС
сг ф н с
Х RR
При расчете
сглаживания
RС-фильтра задаются требуемым коэффициентом
, а также одним из параметров: либо сопротивлением
k
сг
резистора фильтра из условия, что
емкости ,
ветственно емкости
С далее определяют значение неизвестного параметра (соот-
С или активного сопротивления фильтра
Существенным недостатком
фф н ф
нн
С
фн
RС-фuльтров является уменьшение
()
(0,2...1, 0)RR
, либо значением
.
).
ф
КПД вследствие потерь напряжения на резисторе фильтра, что допустимо только для маломощных выпрямителей.
Достоинства: резистивно-емкостные фильтры имеют малые габаритные размеры и низкую стоимость.
5.2. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Напряжение источников входной электроэнергии переменного
тока, от которых получают питание линейные источники вторичного
электропитания, на практике в силу многообразных причин имеют пределы изменения в
( 20...30) %
относительно номинального. Причиной
88
нестабильности питающего напряжения являются в основном колебания напряжения питающей сети и изменение нагрузки на выходе выпрямительного устройства. К дестабилизирующим факторам относят температуру окружающей среды, частоту напряжения сети и др. В связи с этим
большинство линейных источников вторичного электропитания содержит в своем составе стабилизаторы напряжения постоянного тока – пара
метрические или компенсационные [1–3, 8, 12].
Основные параметры стабилизаторов
напряжения
Основными требованиями, определяющими выбор схемы стабилизатора, являются требования к выходным электрическим параметрам
линейного источника вторичного электропитания.
К основным параметрам стабилизаторов напряжения, как правило,
относят: номинальное выходное напряжение
нения входного напряжения
действия стабилизатора
;
k
коэффициент сглаживания (подавления) пульсаций напряжения
ст
U
;
k
коэффициент нестабильности по напряжению
сг
U
U
; коэффициент стабилизации напряжения
η
ст
альное выходное сопротивление
вх.мин
и
вх.макс
температурный коэффициент
;r
ст
вых.ном
коэффициент полезного
;U
диапазон изме-
;U
;Uk
дифференци-
н
напряжения (ТКН) [1–3, 8, 12].
k
Коэффициент
стабилизации напряжения – отношение относи-
ст
U
тельного изменения входного напряжения к относительному изменению выходного напряжения [1–3, 8, 12]:
-
UU
k
ст
U
вх вых.ном
UU
вх.ном вых
.
Различают: интегральный и дифференциальный коэффициенты стабилизации. Интегральный коэффициент определяет стабилизацию в заданном диапазоне изменения дестабилизирующего фактора (входного
напряжения), дифференциальный − в бесконечно малом диапазоне изменения этой величины.
89
Коэффициент сглаживания пульсаций напряжения
k
– отноше-
сг
U
ние амплитудного значения пульсаций входного напряжения к амплитудному значению пульсаций выходного напряжения:
U
k
сг
U
вх
.
U
вых
Коэффициент нестабильности по напряжению – отношение относительного изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного напряжения:
U
k
н
U
UU
вых вх
вых
1
.
Дифференциальное выходное сопротивление стабилизатора –
отношение приращения выходного напряжения к приращению тока
нагрузки:
U
r
ст
вых
.
I
н
Температурный коэффициент напряжения – отношение относительного изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению
температуры окружающей среды:
UТU
ТКН
вх
.
вых
В линейных источниках вторичного электропитания используют параметрические и компенсационные стабилизаторы.
Параметрические (непрерывные) стабилизаторы
При небольших значениях тока нагрузки (единицы миллиампер) и
невысоких требованиях к КПД может быть применен параметрический
стабилизатор напряжения, который содержит минимальное число элементов [1–3, 8, 12].
Принцип действия параметрического (непрерывного) стабилизатора
основан на использовании элементов с нелинейной вольт-амперной
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]