3 Сглаживающие фильтры

При рассмотрении схем выпрямителей было установлено, что выпрямленное напряжение всегда является пульсирующим и содержит кроме постоянной и переменные составляющие. Допустимые значения коэффициента пульсаций зависят от назначения и режима работы устройства. Поскольку в любой схеме выпрямителя коэффициент пульсаций выходного напряжения во много раз превышает пределы допустимых значений, на выходе выпрямителей включают сглаживающие фильтры. Основными требованиями, предъявляемыми к сглаживающему фильтру, являются уменьшение переменной составляющей и минимальное уменьшение постоянной составляющей выпрямленного напряжения. Последнее связано с тем, что фильтр включают между выпрямителем и нагрузкой и через него проходит весь ток нагрузки. При этом одновременно с уменьшением переменной составляющей за счет потерь в фильтре уменьшается и постоянная составляющая выпрямленного напряжения.

Одним из основных параметров фильтра является коэффициент сглаживания.

Коэффициентом сглаживания называют отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра:

. (45)

Роль простейших сглаживающих фильтров могут играть индуктивные катушки (дроссели), включенные последовательно с нагрузкой, и конденсаторы, включенные параллельно нагрузке.

Рис.7. Простейшие L -, C - фильтры

Для обеспечения хорошего сглаживания необходимо, чтобы индуктивное сопротивление фильтра (рис. 7), включенного последовательно с нагрузкой, было значительно больше сопротивления нагрузки на частоте пульсаций , т. е. >> . Так как активное сопротивление дросселя обычно невелико, то постоянная составляющая выпрямленного тока не создаст потерь постоянного напряжения, и постоянные напряжения на входе фильтра и на нагрузке можно считать практически равными .

Применение индуктивного фильтра выгодно при малых сопротивлениях нагрузки (в выпрямителях малой мощности), так как в этом случае требуется небольшая индуктивность для получения необходимого коэффициента сглаживания.

При включении конденсатора параллельно нагрузке (рис. 7) для лучшего сглаживания пульсаций его емкостное сопротивление должно быть значительно меньше сопротивления нагрузки, т. е. << . Конденсатор заряжается через вентиль в те моменты времени, когда напряжение на входе фильтра превышает напряжение на конденсаторе. В остальное время конденсатор разряжается на нагрузку.

В качестве конденсаторов фильтра обычно используют электролитические конденсаторы, обладающие большой емкостью.

Ш ирокое применение на практике находят Г - образные индуктивно-емкостные фильтры (рис. 8).

При выполнении условия << << такие фильтры позволяют получать значительно более высокий коэффициент сглаживания пульсаций, чем простейшие индуктивные и емкостные фильтры. Рис. 8

По заданному коэффициенту сглаживания пульсаций можно найти значение произведения по следующей формуле:

, (46)

где т - число фаз выпрямления (для однополупериодной схемы т = 1, для двухполупериодных схем m = 2, для трехфазной m = 3); - угловая частота сети.

LC – фильтр будет хорошо работать при >> , и ток через дроссель и нагрузку должен быть непрерывным. Для обеспечения этого необходимо иметь дроссель с минимальной индуктивностью

. (47)

Определив из (47) и подставив ее в (46), можно определить С_ф.

Более эффективным является П - образный фильтр. На рис. 9а показана схема такого фильтра, представляющего собой сочетание простейшего емкостного и Г - образного фильтров.

Для получения более высокого коэффициента сглаживания пульсаций необходимо увеличивать и , что приводит к увеличению габаритных размеров и масс дросселей и конденсаторов. В этом случае лучшие результаты получаются с помощью сложных многозвенных фильтров, состоящих из нескольких последовательно соединенных Г - образных звеньев фильтра (рис. 9б).

Рис. 9. П – образные фильтры

Коэффициент сглаживания многозвенного фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания фильтров:

. (48)

Обычно коэффициенты сглаживания отдельных звеньев принимают равными друг другу.

При небольших значениях выпрямленного тока (порядка 10 - 15 мА) и небольших значениях коэффициента сглаживания в целях удешевления и упрощения фильтра дроссель можно заменить активным сопротивлением. Тогда получится RC - фильтр (рис. 9в), для которого  :

. (49)

Сопротивление обычно принимают равным (0,2 - 0,3) , а конденсатор С_ф выбирают на напряжение, равное напряжению на нагрузке при холостом ходе выпрямителя.

В и -фильтрах объем и масса дросселя становятся соизмеримыми с объемом и массой трансформатора. В фильтрах, использующих вместо дросселя транзистор масса и габариты значительно ниже и выходное сопротивление фильтра мало. Принцип действия таких фильтров основан на использовании особенностей выходной характеристики транзисторов. При выборе рабочей точки транзистора после перегиба выходной характеристики Сопротивление между коллектором и эмиттером постоянному току будет меньше, чем сопротивление переменному току, поэтому транзистор можно использовать вместо дросселя в схеме фильтра. Напряжение на выходе транзисторного фильтра всегда меньше входного, КПД транзисторных фильтров низок. При расчете выпрямителя надо учитывать характер сопротивления нагрузки, от которого во многом. Зависят расчетные соотношения. В реальных схемах выпрямителей сопротивление нагрузки редко бывает активным. Это связано с тем, что сглаживающий фильтр, включенный между выпрямителем и нагрузкой, представляет собой реактивное сопротивление.