Сглаживающие фильтры

Наличие переменной (пульсирующей) составляющей в кривой выпрям­ленного напряжения всегда нежелательно. Для уменьшения коэффициента пульсаций применяют сглаживающие фильтры (далее фильтры), которые включают между выпрямителем и активной нагрузкой. В зависимости от на­значения электронной схемы коэффициент пульсаций напряжения пита­ния не может превышать определенных величин. В частности, для усили­тельных каскадов он должен быть не более 10⁻⁴...10⁻⁵, а для автогенера­торов —. 10⁻⁵...10⁻⁶ и ниже.

В основу сглаживающих фильтров заложены реактивные элементы — кон­денсаторы и дроссели, представляющие соответственно малое и большое со­противления для переменного тока, и наоборот, большое и малое сопротив­ления для постоянного тока. При этом конденсаторы включаются в ис­точниках питания параллельно нагрузке R_н (как в AM-детекторе), а дроссели — последовательно с ней. Очень часто в источниках питания применяют четыре основных вида сглаживающих фильтров (рис. 9.4): емкостной, индуктивный, Г-образный и П-образный LC-фильтры.

Эффективность действия сглаживающего фильтра оценивают коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициентов пульсаций на его вхо­де и выходе:

(9.10)

Чем больше коэффициент сглаживания, тем выше качество выпрямлен­ного напряжения (меньше пульсаций) и тем эффективнее работает фильтр.

Рис. 9.4. Сглаживающие фильтры: а — емкостной; б — индуктивный;

в — Г-образный LC-фильтр; г — П-образный LC-фильтр

Емкостной фильтр. Положим, что на выходе однофазного выпрямителя с нулевым выводом включен емкостной фильтр С (рис. 9.5, а). Включение конденсатора на выходе выпрямителя существенно изменяет режим работы последнего по сравнению с работой на активную нагрузку. Емкость конден­сатора, накапливая энергию в моменты протекания токов и затем; отдавая ее в нагрузку, когда диод закрыт, сглаживает пульсации, повышая среднее значение выпрямленного напряжения. Диоды в схеме пропускают токи под воздействием положительных полуволн напряжений е_а и e_b. Однако их от­крытое состояние определяется интервалами, на которых указанные напря­жения превышают напряжение u_C = u_н на конденсаторе С (и на нагрузке R_н), являющееся для диодов запирающим (рис. 9.5, б — г).

Пусть на интервале 0...v₁ фазное напряжение е_a и напряжение на конден­саторе u_н положительны, причем u_н > е_а (рис. 9.5, б). На этом интервале диод VD2 закрыт, так как к нему приложено обратное напряжение . Ди­одVD1 также закрыт, поскольку положительное напряжение на его катоде u_н превышает напряжение на аноде е_а. Питание нагрузки R_н в данном случае осуществляется от конденсатора С, разряжающегося на нее с постоянной времени τ_н = R_нC. В момент времени, когда v = v₁, напряжение на конденса­торе u_н и напряжение е_а сравниваются, и диод VD1 открывается, подключая конденсатор и нагрузку к напряжению вторичной полуобмотки. Через этот диод начинает протекать импульс тока i₁ (рис. 9.5, в), который заряжает кон­денсатор С (отметим, что малая часть тока протекает и по цепи нагрузки R_н).

Рис. 9.5. Однофазный выпрямитель с нулевым выводом и емкостным

фильтром: а — схема; б - г — временные диаграммы

При фазовом угле v = v₂ напряжение е_а становится меньше напряжения на конденсаторе и_н, диод VD1 закрывается. На интервале v₂...v₃ оба диода закрыты и конденсатор С разряжается на нагрузку R_н. В момент времени, когда фазовый угол v = v₃, напряжение е_b сравнивается с напряжением u_н (см. рис. 9.5, б), и ди­од VD2 открывается. Через нагрузку R_и в течение интервала v₃...v₄ (см. рис. 9.5, в) протекает импульс тока i₂, который также заряжает конденсатор С. Далее элек­трические процессы в выпрямительной схеме периодически повторяются, при этом кривая напряжения на нагрузке становится более сглаженной.

Поскольку обратное напряжение на закрытом диоде (например VD1) определя­ется суммой напряжений е_b и u_н, введение конденсатора приводит к расширению интервала действия обратного напряжения на диоде от v₂ до v₅. Однако амплитуда обратного напряжения не превышает величины (см. рис. 9.5, г).

При заданном значении коэффициента пульсаций на активной нагрузке вы­прямителя емкость конденсатора приближенно определяют по формуле:

В случае использования на выходе выпрямителя емкостного фильтра необ­ходимо учитывать влияние величины сопротивления нагрузки на коэффициент пульсаций. Поскольку коэффициент пульсаций уменьшается с увеличением со­противления нагрузки, то емкостной фильтр целесообразно применять в ма­ломощных выпрямителях (выпрямителях с высокоомной нагрузкой).

Индуктивный фильтр. В схемах выпрямителей индуктивный фильтр — дроссель L (это катушка индуктивности с сердечником) — включают после­довательно с нагрузочным резистором R_н (рис. 9.6, а). Как и в схеме с ак­тивной нагрузкой, диоды VDI и VD2 проводят ток попеременно на интерва­лах, когда положительны соответствующие им напряжения е_а и е_b (рис. 9.6, б). Существенное отличие — ток нагрузки. Так, например, в момент v = π ток нагрузки i_н = i₁ не спадает до нуля, а за счет энергии, запасенной в индук­тивности дросселя L, плавно переходит от диода VD1 к диоду VD2. В конце следующего полупериода, когда напряжение е_a опять положительно, ток i_н = i₂ снова плавно переходит от диода VD2 к диоду VD1.

Так как ток в цепи с индуктивностью отстает по фазе от напряжения, максимальная амплитуда пульсирующего тока i_н несколько сдвинута по фа­зе относительно максимальной амплитуды выпрямленного напряжения u_Lн (рис. 9.6, б и в). Отметим при этом, что ток i_н и напряжение на нагрузке u_н совпадают по форме.

Рис. 9.6. Однофазный выпрямитель с нулевым выводом и индуктивным

фильтром: а — схема; б, в — временные диаграммы

Если коэффициент пульсаций на активной нагрузке R_н выпрямителя задан, то индуктивность дросселя можно приближенно определить по формуле:

(9.12)

Поскольку коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения понижа­ется с уменьшением сопротивления нагрузки R_н, то индуктивные фильтры применяют в мощных выпрямителях, работающих на низкоомную нагрузку.

Специальные схемы однофазных выпрямителей. Мостовой выпрямитель с двумя симметричными (разнополярными) напряжениями (рис. 9.7, а) широко применяют в современных радиотехнических устройствах, в частности, для питания схем на ОУ. Данный выпрямитель можно рассматривать как устрой­ство, содержащее две параллельно соединенные схемы с нулевым выводом. Одна выпрямительная схема состоит из полной вторичной обмотки транс­форматора T и пары диодов VD1, VD2; другая — из той же обмотки и диодов VD3, VD4. Равные по величине, разнополярные выпрямленные напряжения u_н1 и u_н2 на выходах схем вместе составляют суммарное постоянное напряже­ние такого выпрямителя u_н = u_н1 + u_н2.

Рис. 9.7. Специальные схемы однофазных выпрямителей: а — с двумя

симметричными напряжениями; б — с удвоением напряжения

Для повышения качества выпрямленного напряжения к каждому из выхо­дов схем устройства подключаются, как правило, емкостные фильтры.

Однофазный выпрямитель с умножением напряжения (схема Латура) — специфическая разновидность схем выпрямления с емкостным фильтром, ра­ботающих исключительно на высокоомную нагрузку. Подобные выпрямители позволяют получать на нагрузке суммарные напряжения нескольких простей­ших выпрямителей. В частности, схема выпрямителя с удвоением напряжения (рис. 9.7, б) представляет собой два однополупериодных выпрямителя, в кото­рых конденсаторы в определенные моменты одновременно разряжаются на общую нагрузку. В один из полупериодов напряжения сети u₁, когда оно имеет полярность, обозначенную на рис. 9.7, б без скобок, ток протекает через от­крытый диод VD1, и конденсатор С₁ заряжается до амплитудного значения U_m1. В следующий полупериод, когда напряжение u₁ имеет полярность, показанную на рис. 9.7, б в скобках, открывается диод VD2. Конденсатор C₂ при этом заря­жается суммой двух напряжений — напряжением U_m1, до которого заряжен конденсатор C₁, и положительной полуволной сетевого напряжения u₁. Следо­вательно, постоянное напряжение на активной нагрузке R_н будет равно удво­енному значению амплитуды напряжения сети U_m1.

Схемы выпрямителей с умножением напряжения позволяют получить на их выходе амплитуды напряжений до нескольких десятков киловольт. Такие устрой­ства применяют, например, для питания кинескопов телевизионных приемни­ков, подавая на вход специального выпрямителя импульсы генератора строчной развертки.