Тема: Сглаживающие фильтры

Качество выпрямителя принято оценивать коэффициентом пульсаций, представляющим собой отношение амплитуды первой (основной) гармоники выпрямленного напряжения к постоянной составляющей :

Рассмотренные выше выпрямители имеют =0.67. Между тем, для питания электронной аппаратуры требуется выпрямленное напряжение с более низким коэффициентом пульсации .

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения применяются сглаживающие электрические фильтры. Простейший фильтр состоит из конденсатора, включенного параллельно нагрузке (рис. 12 а), или дросселя, включенного последовательно с нагрузкой (рис. 5 б).

а)		б)
Рис.12

При параллельном подключении к нагрузке фильтрующего конденсатора напряжение последнего становится выходным напряжением всего выпрямителя.

Рис. 13

Из приведенного выше анализа работы выпрямителей видно, что они вырабатывают для выходной цепи - пульсирующее положительное напряжение , приведенное на рис. 13 штриховой линией. При включении выпрямителя в момент под действием возрастающего входного напряжения конденсатор начинает заряжаться и его напряжение (показано на рис. 13 сплошной линией) соответственно возрастает, но с определенной инерцией, обусловленной постоянной времени цепи заряда . Здесь - емкость фильтра, а R внутреннее сопротивление выпрямителя, равное сумме сопротивлений всех участков по его цепи постоянного тока: активного сопротивления задействованной выходной обмотки трансформатора – Т 1, сопротивления открытого диода или диодов (для мостовой схемы) и сопротивления соединительных проводов. По отдельности и вместе это относительно малые сопротивления в доли или единицы Ом. В результате постоянная времени заряда конденсатора представляет собой относительно малую величину и его напряжение с малой задержкой «следует» за напряжением выпрямителя . конденсатор , дальше разряжается через нагрузку . В обычных выпрямителях сопротивление нагрузки на один - два порядка превышает их внутреннее сопротивление , а значит, также будут соотноситься и постоянные времени заряда и разряда и наклоны этих участков диаграммы напряжения конденсатора - и -

В целом «пилообразная» диаграмма напряжения конденсатора имеет заметно меньший уровень пульсаций по сравнению с исходной диаграммой выходного напряжения выпрямителя без фильтра . В этом и проявляется сглаживающее действие С - фильтра .

Эффективность работы конденсаторного фильтра оценивают коэффициентом сглаживания

,

где и - коэффициенты пульсаций выпрямителя без и с С – фильтром, w - частота пульсаций выходного напряжения выпрямителя.

Дроссельный фильтр на рис. 12 б представляет собой катушку индуктивности со стальным сердечником. Под действием пульсирующего напряжения выпрямителя (штриховая линия на рис. 13) в дросселе возникает такой же по характеру пульсирующий ток , который создаст в стальном сердечнике аналогичный по характеру пульсирующий магнитный поток . Последний, в свою очередь, наводит в обмотке дросселя противо - ЭДС , представленную на рис. 13 штрих - пунктирной линией. Как видно она изменяется во времени противофазно входному напряжению и не имеет постоянной составляющей..

Рис. 14

Дроссель значительно (на величину своей противо – ЭДС) ослабляет или фильтрует переменную составляющую входного сигнала и практически без ослабления передает на выход его постоянную составляющую .

При изменении нагрузки, например ее понижении до режима холостого хода - , соответственно ток нагрузки и дросселя падает до нуля, не создается магнитный поток и наводимая им противо – ЭДС. Пульсирующее входное напряжение дросселя без ослабления проходит в нагрузку, т.е. полностью исчезает сглаживающее действие L – фильтра.

С уменьшением сопротивления нагрузки пропорционально увеличиваются: ток , создаваемый им в сердечнике дросселя магнитный поток, наводимая им в обмотке противо – ЭДС, а значит и сглаживающее действие L – фильтра. В соответствии с этим коэффициент сглаживания дроссельного фильтра равен

,

где w - частота пульсаций напряжения на входе дросселя .

а)	б)
Рис. 15

Для повышения коэффициента сглаживания часто используются многозвенные фильтры (рис. 15). Тогда их общий коэффициент сглаживания при n последовательно соединенных звеньях равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев .

Существенным достоинством обладают фильтры, содержащие разнохарактерные звенья, например Г – образный LC – фильтр, показанный на рис. 8 а. Его коэффициент сглаживания с учетом вышеизложенного будет равен

,

т.е. в отличие от коэффициентов сглаживания отдельных звеньев (L и C фильтров) коэффициент сглаживания Г – образного LC – фильтра не зависит от изменения нагрузки . Это и является основным достоинством комбинированных LC – фильтров.

Показателем качества работы любого выпрямителя является его выходная или нагрузочная характеристика , показывающая, как сильно изменяется (уменьшается) его выходное напряжение с ростом нагрузки

В выпрямителях без фильтров это влияние осуществляется через увеличение падения напряжения на внутреннем сопротивлении по уравнению Кирхгоффа для цепи постоянного тока выпрямителя: ,

где - выходное напряжение выпрямителя в режиме холостого хода (, ).

Использование любых , , фильтрующих звеньев по отдельности или в любом сочетании на выходе выпрямителя всегда только ухудшает его внешнюю характеристику.

.

Выводы: любой выпрямитель без фильтра имеет наилучшую внешнюю характеристику , но наихудшую форму (с максимальным уровнем пульсаций) выходного напряжения. Использование в выпрямителях любых сглаживающих фильтров улучшает форму выходного напряжения (уменьшает коэффициент его пульсаций), но ухудшает его внешнюю характеристику.

Дата добавления: 2015-05-06