1.5. Сглаживающие фильтры

Напряжение на выходе вентильного блока любого выпрямителя всегда является пульсирующим и содер­жит кроме постоянной еще и переменные составляющие. Питание от выпрямителей многих электронных приборов (например, радиоприемников, магнитофонов с микрофо­нами, измерительных усилителей и т. д.) возможно лишь постоянным током с коэффициентом пульсаций около 0,002 – 0,02. Пульсирующее напряжение производит вредные эффекты, нарушающие нормальную работу устройств.

Сглаживающие фильтры предназначаются для подав­ления пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, при котором происходит нормальная работа потребите­ля. Фильтры включаются между блоком вентилей и нагрузкой. Сглаживающие фильтры подразделяются на пассивные и активные (электронные). Пассивные фильт­ры применяются наиболее часто. Они состоят из звень­ев, образованных последовательно-параллельным соеди­нением индуктивных катушек L, конденсаторов С и ре­зисторов R. Электронные фильтры содержат, кроме то­го, усилительные элементы – транзисторы.

Эффективность сглаживания пульсаций оценивается коэффициентом сглаживания, который представляет собой отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе:

s = q_ВХ/q_ВЫХ.

В зависимости от числа элементов и схемы их соеди­нения различают простые и сложные пассивные сглажи­вающие фильтры. Схемы первых не содержат в своем составе колебательных контуров, а схемы сложных фильтров – содержат. Из простых фильтров наиболь­шее распространение получили однозвенные Г- и П-образные фильтры; реже применяются многозвенные. Схемы некоторых простых фильтров приведены на рис.1.10.

Рис.1.10. Варианты сглаживающих фильтров: а – емкостный, б – индуктивный; в – Г-образный; г – П-образный

Емкостный фильтр (рис.1.10, а) состоит из конденса­тора, подключаемого параллельно нагрузке; применяет­ся в маломощных цепях. Процесс сглаживания пульса­ций емкостным фильтром показан на рис.1.11. Положи­тельные полуволны напряжения, выпрямленного одно­фазным однополупериодным выпрямителем, разделены паузами. Конденсатор запасает энергию в те промежут­ки времени, когда открывается вентиль и нарастает на­пряжение; увеличение напряжения u_С (заряд) происходит по экспоненциальному закону (линия u₃). Когда же положительная полуволна напряжения спадает, конден­сатор разряжается, т. е. возвращает накопленную энер­гию в цепь с нагрузкой R_Н. Коэффициент пульсации при этом зависит от сопротивления нагрузки: линия u_Р1 со­ответствует малой (R_Н → ∞), u_Р2 – номинальной, u_Р3 – большой нагрузкам (R_Н → 0). Емкостное сопротивление уменьшается с ростом частоты, поэтому переменная составляющая пульсирующего тока замы­кается через конденсатор, а постоянная составляющая поступает на нагрузку. Для лучшего сглаживания пуль­саций емкостное сопротивление должно быть значитель­но меньше активного сопротивления нагрузки x_С = 1/ωС = 0,1R_Н. Из этой формулы можно определить ем­кость фильтрующего конденсатора С.

Рис.1.11. Сглаживание пульса­ций конденсатором

Недостатками емкостного фильтра считают малую его эффективность при больших токах нагрузки, увели­чение обратного напряжения на вентилях и др.

Индуктивный фильтр представляет собой дроссель низкой частоты L, включенный между вентильным бло­ком выпрямителя и нагрузкой (см. рис.1.10, б). Дроссель обладает большим индуктивным сопротивлением x_L= ωL, и процесс сглаживания пульсаций заключается в том, что на дросселе падает большая часть переменной составляющей выпрямленного напряжения, а постоянная составляющая проходит почти беспрепятственно. Чтобы получить малый коэффициент пульсаций на выходе фильтра, индуктивное сопротивление дросселя должно быть значительно больше сопротивления нагрузки, т.е. x_L = ω_1ГL >> R_Н. Индуктивность дросселя L можно опре­делить по упрощенной формуле L = s R_Н /ω_1Г, где s – за­данный коэффициент сглаживания, R_Н – сопротивление нагрузки, которое должно быть значительно больше ак­тивного сопротивления дросселя R_ДР, и ω_1Г = 2πf_1Г – частота первой (основной) гармоники пульсаций. Ин­дуктивный фильтр часто применяется в выпрямителях средней и большой мощности (от нескольких киловатт и более). В маломощных выпрямителях фильтры с дрос­селями применяют редко из-за значительных габаритов и массы. Другим недостатком такого фильтра считается резкое повышение ЭДС самоиндукции при обрыве цепи нагрузки или прерывистом токе нагрузки.

Г-образный сглаживающий фильтр (см. рис.1.10, в) со­четает в себе свойства индуктивного и емкостного филь­тров. Дроссель, включенный последовательно с нагруз­кой, и конденсатор, шунтирующий нагрузку, называют однозвенным Г-образным фильтром; его можно рассмат­ривать как делитель напряжения с частотно-зависимым коэффициентом передачи. Г-образный фильтр обеспечи­вает эффективное сглаживание пульсаций, если индук­тивное сопротивление для первичной гармоники выпрям­ленного напряжения в 5–10 раз больше, а емкостное во столько же раз меньше, чем сопротивление нагрузки ωL >> R_Н >> 1/ωC.

Общий коэффициент сглаживания равен произведе­нию коэффициентов сглаживания L- и С-элементов:

s = s_Ls_C = (ω_L / R_Н)ωC R_Н = ω²LC.

Если известны емкость конденсатора, коэффициент сглаживания пульсаций и частота первой гармоники, то можно определить индуктивность L = s/(2πf_1Г)²C. Г-образные LC-фильтры используют в выпрямителях средней и большой мощности. В маломощных выпрямителях в целях уменьшения массы и габаритов фильтра вместо дросселя часто устанавливают резистор.

П-образный фильтр применяют в случаях, когда ко­эффициент сглаживания однозвенного фильтра оказыва­ется недостаточным. Схема П-образного фильтра (рис.1.10,г) начинается с конденсатора C₁, за которым следу­ет Г-образный LC-фильтр.

Коэффициент сглаживания П-образного фильтра равен произве­дению коэффициентов емкостного и Г-образного фильтров:

s = s_Cs_Г.

Подсчитано, что для выпрямителей с коэффициентом сглаживания s<25 допустимо применять однозвенный Г-образный фильтр, при s = 25…350 целесообразно применять двухзвенный, при s > 350 наиболее выгодным является трехзвенный фильтр.