Сглаживающие фильтры. Кривая выпрямленного напряжения, образованная из положительных участков синусоид, содержит постоянную и переменную составляющие

Кривая выпрямленного напряжения, образованная из положительных участков синусоид, содержит постоянную и переменную составляющие.

Полезный эффект у большинства потребителей постоянного тока создают только постоянные составляющие напряжения и тока. Переменные же составляющие, образующие пульсации, приводят обычно к бесполезной затрате мощности, а иногда и к помехам. Поэтому стремятся по возможности ограничить пульсации в кривой напряжения на зажимах нагрузочной цепи. Это достигается включением между выпрямителем и нагрузкой дополнительного звена, выполняющего функцию сглаживающего фильтра.

Сглаживающее действие фильтра обычно оценивают по величине коэффициента сглаживания, который, как правило, определяется для первой гармоники выпрямленного напряжения. Коэффициентом сглаживания принято считать отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра К_п1 к коэффициенту пульсаций на его выходе К_п2 для первой гармоники:

К_сг = К_п1/К_п2.

Здесь коэффициент пульсаций есть отношение амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей.

Емкостный фильтр, содержащий емкость, включенную параллельно к сопротивлению нагрузки, является одним из простейших. Его схема и диаграмма работы изображены на рис.3.19, а и рис.3.19, б.

Включение конденсатора существенно изменяет условие работы диода. Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие

ωС >> 1/R_н.

Во время некоторой части положительного полупериода, когда напряжение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к максимальному. В то время, когда ток через диод не проходит, конденсатор разряжается через нагрузку R_н и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается. В каждый следующий положительный полупериод конденсатор подзаряжается, и его напряжение снова возрастает.

Заряд конденсатора через сравнительно малое сопротивление диода происходит быстро. Разряд на большое сопротивление нагрузки совершается значительно медленнее. Вследствие этого напряжение на конденсаторе и включенной параллельно ему нагрузке пульсирует незначительно. Кроме

того, конденсатор резко повышает постоянную составляющую выпрямленного напряжения. Например, в однофазном однополупериодном выпрямителе емкостный фильтр может повысить среднее выпрямленное напряжение примерно в три раза. При использовании емкостных фильтров следует иметь в виду, что импульсы тока при открытом вентиле определяются сопротивлениями вентиля и вторичной обмотки трансформатора и могут достигать значительной величины. Это может вывести вентиль из строя. Для ограничения величины тока через вентиль последовательно с ним может быть включено добавочное сопротивление.

Выпрямители с емкостным фильтром позволяют реализовать схемы с умножением напряжения, в результате чего можно получить удвоенное, утроенное и т.д. напряжение по сравнению с напряжением однополупериодного выпрямителя. Такие выпрямители применяются для питания маломощных высоковольтных устройств, потребляющих незначительный ток: рентгеновские трубки, аноды высоковольтных электронно-лучевых трубок и др.

Индуктивный фильтр состоит из катушки индуктивности, которую включают последовательно с нагрузочным сопротивлением. Его схема и диаграмма работы представлены на рис.3.19, в и рис.3.19, г. При достаточной величине индуктивности на индуктивном сопротивлении X_l теряется большая часть переменной составляющей выпрямленного напряжения. На нагрузочном резисторе возникает непрерывный ток, коэффициент пульсаций при этом значительно уменьшается. Эффективность фильтра обеспечивается, если выполняется условие

ωL >> R_н.

В выпрямителях с индуктивным фильтром нет таких скачков тока через вентиль, как при использовании емкостного фильтра, однако

появляется опасность выхода вентиля из строя за счет высокого обратного напряжения при малых токах нагрузки.

Следует отметить, что индуктивный фильтр более эффективно работает в двухполупериодных схемах выпрямления, а в однополупериодных выпрямителях практически не применяется.

Г-образный фильтр бывает двух типов: LC-фильтр и RC-фильтр. Схема фильтра приведена на рис.3.19, д. Емкость С включается параллельно с нагрузкой, а индуктивность L или резистор R – последовательно.

Эти фильтры являются более сложными, обладают положительными качествами как емкостных, так и индуктивных фильтров и обеспечивают большее сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения по сравнению с ними.

Г-образный фильтр действует достаточно эффективно в цепях как с большими, так и с малыми токами нагрузки, поскольку через индуктивность L проходит и емкостная составляющая тока, повышающая падение напряжения на индуктивном сопротивлении.

Резистор ставится вместо индуктивности обычно в маломощных выпрямителях. В таком фильтре при Xс << R на резисторе R создается значительно большее падение напряжения от переменной составляющей выпрямленного тока, чем от постоянной. Обычно для RC-фильтра выполняется соотношение

R_н/(R_н + R) = 0,5 ÷ 0,9.

В тех случаях, когда Г-образный фильтр не обеспечивает требующейся степени сглаживания пульсаций, фильтр дополняется еще одной емкостью (рис.3.19, е). Такая схема называется П-образным фильтром. Это простейший многозвенный фильтр, состоящий из емкостного фильтра и Г-образного фильтра. В общем случае коэффициент сглаживания многозвенного фильтра определяется как произведение коэффициентов сглаживания его звеньев.

Дата добавления: 2015-05-06