Сглаживающие фильтры

Напряжение на выходе выпрямителя при любой схеме выпрямления является пульсирующим. Допустимый коэффициент пульсаций определяется назначением выпрямителя, т. е характером нагрузки, подключаемой к нему.

Для электронных и электротехнических устройств предъявляются достаточно жесткие требования по допустимому коэффициенту пульсаций питающего напряжения.

Для уменьшения пульсаций применяют сглаживающие фильтры. Основным элементом сглаживающих фильтров являются конденсаторы, катушки индуктивности или транзисторы, т. е элементы, которые обладают различным сопротивлением постоянному и переменному току.

Сглаживающие фильтры делятся на емкостные, индуктивные и электронные. Применяются и комбинированные фильтры.

Фильтр характеризуется коэффициентом сглаживания пульсаций:

, (2.8)

где q_вх, q_вых – коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра.

2.5.1. Емкостные фильтры (рис. 2.6)

В емкостном фильтре конденсатор включается параллельно нагрузке.

В интервале времени (t₁ – t₂), т.е когда выпрямленное напряжение больше напряжения на конденсаторе (U_в > U_с), происходит заряд конденсатора. При этом конденсатор заряжается до амплитудного значения пульсирующего напряжения.

а - схема емкостного фильтра с однофазным мостовым выпрямителем; б - временные диаграммы напряжений

Рисунок 2.6 - Емкостной фильтр с однофазным мостовым выпрямителем

В интервале времени (t₂ – t₃), то есть когда выпрямленное напряжение меньше напряжения на конденсаторе, конденсатор разряжается на нагрузку, отдавая накопленную энергию и обеспечивая этим сглаживание пульсаций.

В момент t₃ - напряжение на конденсаторе будет тем выше, чем больше энергия, накопленная в конденсаторе, т.е чем больше его емкость Е = сU²/2 (рис. 2.7), а также чем меньше ток, потребляемый нагрузкой, т.е чем больше сопротивление нагрузки (т.к при этом медленнее разряжается конденсатор).

а) б) в)

а – емкость конденсатора С₁; б – емкость конденсатора С₂; в – емкость конденсатора С₃.

Рисунок 2.7 - Диаграммы напряжений после емкостного фильтра при С₃ >С₂>С₁

Применение емкостного фильтра целесообразно при больших сопротивлениях нагрузки, т.е когда X_c<<R_н.

(2.9)

При выполнении (2.9) коэффициент сглаживания пульсаций S можно рассчитать по формуле:

S = m w C_ф R_н (2.10)

где w - частота питающего напряжения сети;

m – число пульсаций напряжения за период.

При использовании емкостного фильтра среднее значение напряжения на нагрузке U_н повышается. При идеальном сглаживании напряжение на выходе сглаживающего фильтра стремится к амплитудному значению пульсирующего выпрямленного напряжения U_в.

q®0 следовательно U_ф®Ö2 U₂.

2.5.2 Индуктивные фильтры (рис. 2.8).

В индуктивных фильтрах катушка индуктивности (дроссель) включается последовательно в цепь нагрузки.

В течении первой половины полупериода пульсирующего напряжения (U_н увеличивается, I_н увеличивается) происходит накопление энергии в дросселе. В течении второй части первого полупериода и в начале следующего полупериода энергия дросселя отдается в нагрузку, за счет чего и обеспечивается сглаживание пульсаций.

а)

б) в) г)

а - схема индуктивного фильтра с однофазным мостовым выпрямителем; б - диаграммы напряжений до индуктивного фильтра; в - диаграммы напряжений после индуктивного фильтра при L₁; г - диаграммы напряжений после индуктивного фильтра при L₂ (L₂>L₁)

Рисунок 2.8 - Индуктивный фильтр с однофазным мостовым выпрямителем

Энергия, накапливаемая в индуктивности пропорциональна протекающему по ней току: Е = LI²/2. Поэтому индуктивный фильтр эффективен при больших значениях тока I_н, то есть при малых значениях R_н, следовательно условие эффективности индуктивного фильтра:

Х_L = mwL >> R_н

mwL > 10R_н (2.11)

При выполнении (2.11) коэффициент сглаживания пульсаций S можно рассчитать по формуле:

S = m w L / R_н

Дата добавления: 2014-01-13