9.6 Сглаживающие фильтры

Рассмотренные схемы выпрямления переменного тока позволяют получать выпрямленное, но пульсирующее напряжение. Для питания электронных приборов пульсирующее напряжение не пригодно: оно создает фон переменного тока, вызывает искажение сигналов и приводит к неустойчивой работе приборов.

Для устранения пульсаций (сглаживания) применяют сглаживающие фильтры, состоящие из емкости и индуктивности (LC-тип) или сопротивлений и емкостей (RC-тип), которые могут быть однозвенными или двухзвенными. Возможно также применение комбинированных двухзвенных фильтров (одно звено LC-тип, другое – RC-тип). Находят применение полупроводниковые и электронные сглаживающие фильтры. Сущность работы сглаживающего фильтра состоит в разделении пульсирующего тока i(t) на постоянную I_о и переменную i составляющие (рисунок 9.11). Постоянная составляющая направляется в нагрузку, а нежелательная переменная замыкается через конденсатор, минуя нагрузку.

Рисунок 9.11 – Схема сглаживающего фильтра

Физическая сущность работы в фильтре конденсатора и дросселя состоит в том, что конденсатор и дроссель накапливают энергию, когда ток в цепи нагрузки превышает среднее значение, и отдают ее, когда ток стремиться уменьшиться ниже среднего значения, что и приводит к сглаживанию пульсаций выпрямленного напряжения. Например, рассмотрим емкостный фильтр, в котором на выходе двухполупериодного выпрямителя параллельно нагрузке R включен конденсатор C (рисунок 9.12).

Рисунок 9.12 – Схема двухполупериодного выпрямителя с емкостным фильтром (а) и форма напряжения (б) на нагрузке

При возрастании выпрямленного напряжения в момент времени t₁ (при открытом диоде VD1) конденсатор зарядится (рисунок 9.13, а), а при убывании выпрямленного напряжения в момент времени t₂ полярность напряжения на диоде изменится на противоположную и диод закроется, отключив вторичную обмотку трансформатора от нагрузки. Ток через диод будет иметь форму короткого импульса.

Когда входной сигнал начинает падать в отрицательном направлении, конденсатор разряжается через нагрузку. Скорость разряда конденсатора зависит от постоянной времени τ=RC, которая больше периода переменного тока, следовательно, период заканчивается раньше, чем конденсатор может разрядиться. Поэтому после первой четверти периода ток через нагрузку поддерживается разряжающимся конденсатором. Как только конденсатор начинает разряжаться, напряжение на нем уменьшается. Однако, до того как конденсатор полностью разрядится, начнется следующий период синусоиды. На аноде диода опять появится положительный потенциал, что позволит ему проводить ток. Конденсатор разрядится снова, и цикл повторится. В результате пульсации напряжения сгладятся, и выходное напряжение повысится.

Необходимо отметить, что фильтрующий конденсатор создает дополнительную нагрузку на диоды, используемые в выпрямителе. Конденсатор заряжается до максимального значения напряжения вторичной обмотки и удерживает это значение в течение всего цикла входного напряжения. Когда диод становится смещенным в обратном напряжении, он запирается и максимальное отрицательное напряжение попадает на анод диода. Фильтрующий конденсатор удерживает максимальное положительное напряжение на катоде диода, которое называется импульсным обратным напряжением диода. В идеальном случае диод должен работать при 80% номинального значения обратного напряжения, чтобы выдержать изменения входного напряжения, что относится к одно – и двухполупериодному выпрямителям.

Приложенное к диодам в мостовом выпрямителе напряжение не превышает максимального значения напряжения вторичной обмотки, т. к. в каждом полупериоде работают по два последовательно включенных диода. Возможность использования диодов с низкими значениями импульсного обратного напряжения является преимуществом мостового выпрямителя.

Распространенными сглаживающими фильтрами в выпрямителях электронных приборов являются П-образные LC-фильтры (рисунок 9.13 а), которые применяются при повышенных нагрузках, при небольших токах нагрузки хорошо работает Г-образный фильтр (рисунок 9.13, б), а при малых токах нагрузки в качестве сглаживающего фильтра достаточно включить конденсатор – Г-образный RC-фильтр (рисунок 9.13, в). В наиболее ответственных случаях сглаживающий фильтр делают многозвенным, состоящим из нескольких П-образных или Г-образных LC и RC- фильтров (рисунок 9.13, г), а также фильтры на транзисторах и операционных усилителях.

Рисунок 9.13 – Схемы сглаживающих фильтров

Основным параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания, который определяется как

,

(9.9)

где – коэффициент пульсаций на входе фильтра;

–коэффициент пульсаций на выходе фильтра (на нагрузке), который определяется типом схемы выпрямления.

Для исключения резонансных явлений коэффициент сглаживания для однозвенного фильтра необходимо выбирать g>3.