Емкостные фильтры

i₂

VD

Емкостной фильтр представляет собой конденсатор, который включают параллельно нагрузочному резистору R_н. Рассмотрим его работу с однополупериодным выпрямителем (рисунок 1.9).

Тр

С_ф

U_C

U_H

U₂

R_H

Рисунок 1.9 – Схема однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром

На временных диаграммах (рисунок 1.10) видно, что в интервале [t₁ – t₂], конденсатор через открытый диод заряжается до амплитудного значения U₂, так как в этот период U₂ > U_c, i_a = i_c + i_н. В [t₂ – t₃], когда U₂ < U_c, конденсатор разряжается на нагрузочный резистор R_н, заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе i_н, которая имеется в однополупериодном выпрямителе без фильтра. В этот интервал времени U_н на R_н снижается до некоторого значения, соответствующего t₃, при котором U₂ в положительный полупериод равен U_c.

После этого диод вновь открывается, СФ заряжается и процессы зарядки и разрядки СФ повторяются. Такие СФ применяются с высокоомным R_н.

Коэффициент пульсаций такой схемы определяется по формуле:

P = , τ_разр. = С_ф × R_н

U_c = U_н

U₂

i_a

t₃

t₂

t₁

t

Рисунок 1.10 – Временные диаграммы выпрямителя с емкостным фильтром

Индуктивные фильтры

Индуктивные фильтры состоят из дросселя L_ф, который включают последовательно с нагрузкой R_н (рисунок 1.11). Так как ток в цепи с дросселем во время переходного процесса при положительной полуволне U₂, зависит от постоянной времени τ = L_ф / R_н, то длительность импульса увеличивается с ростом τ, что видно на временных диаграммах (рисунок 1.12).

VD

Т_р

U_н

L_ф

R_н

U₂

Рисунок 1.11 – Схема включения индуктивного фильтра

Коэффициент пульсаций такой схемы р = 2πf_осн. × L_ф / R_н, т. е. фильтр будет работать тем эффективнее, чем больше L_ф или меньше R_н.

Обычно ωL_ф >> R_н. Индуктивные фильтры обычно применяют в 3-х фазных выпрямителях средней и большой мощности, т. е. с нагрузочными устройствами, имеющими большие токи. Емкостные и индуктивные фильтры относятся к однозвенным фильтрам.

i_н'' (при τ₂)

i_н' (при τ₂)

t

U₂

U₂, i_н

Рисунок 1.12 – Временные диаграммы выпрямителя с индуктивным фильтром

Рассмотрим теперь многозвенные фильтры. Это LC или RC – фильтры, которые обеспечивают еще большее уменьшение коэффициента пульсаций p и включены Г-образно или П-образно (рисунки 1.13, 1.14).

R_н

б

а

С_ф

L_ф

R_ф

С_ф

R_н

Рисунок 1.13 – Г-образные LC и RC-фильтры

Снижение пульсаций LC-фильтром объясняется совместными действиями индуктивной катушки и конденсатора, когда наблюдается максимальное снижение переменных составляющих выпрямленного тока.

Коэффициент сглаживания LC-фильтра: q = ω²_осн L_ф C_ф – 1

В маломощных усилителях, где R_н составляет единицы кОм, вместо катушки включают резистор R_ф, что уменьшает массу, габариты и стоимость фильтра, однако коэффициент сглаживания, определяемый как q = (0,5…0,9) ω_осн R_ф С_ф, будет меньше, чем у LC-фильтра.

П-образные LC-фильтры состоят из емкостного фильтра и Г-образного LC-фильтра, а RC-фильтры состоят из емкостного фильтра и Г-образного RC-фильтра (рисунок 1.14).

В П-образных фильтрах коэффициент сглаживания равен произведению коэффициентов составных звеньев: q_n = q_c q_г.

П-образные фильтры имеют больший q ≥ 100…1000, чем Г-образные, но и большие габариты.

Рисунок 1.14 – П-образные LC-фильтр и RC-фильтр

С_ф2

С_ф1

RC-фильтр

LC-фильтр

С_ф2

С_ф1

R_н

R_ф

L_ф