Емкостной фильтр на выходе выпрямителя

Задачей фильтра, размещенного на выходе выпрямителя, является уменьшение пульсации в выпрямленном напряжении. Выходное напряжение выпрямителя представляет собой полусинусоиду, мгновенное значение которой изменяется от нуля до максимального значения. Такое напряжение имеет определенную постоянную составляющую, которая, однако, не подходит для питания транзисторов и ламп из-за наличия “нежелательной” переменной составляющей. Переменная составляющая в напряжении питания вызывает неустойчивость рабочей точки и проникает в полезный сигнал, проходящий через схемы, питаемые этим “нежелательным” колебанием. Из-за использования фильтра на выходе выпрямителя получают постоянное напряжение с относительно небольшой переменной составляющей, значение которой может быть настолько малым, что его можно использовать для питания транзисторов и ламп, т.е. в качестве напряжения питания. Переменная составляющая в питающем напряжении должна быть во много раз меньше полезного сигнала, проходящего через данную схему. Поэтому при питании выпрямленным напряжением схем, работающих при малых сигналах, необходимо применять фильтры с достаточной эффективностью фильтрации.

Типы фильтров используемые на выходе выпрямителей, это фильтры нижних частот, пропускающие с малым затуханием постоянную составляющую (с частотой, равной 0 Гц) и с большим затуханием переменную составляющую (в случае выпрямителей сетевого напряжения с частотой 50, 100 Гц и более), причем ослабление пульсаций тем больше, чем больше частота переменной составляющей. В однополупериодных сетевых выпрямителях частота основной составляющей пульсаций равна 50, в двухполупериодных – 100 Гц. Из этого следует, что эффективней подавляются пульсации, возникающие на выходе двухполупериодного выпрямителя. Помимо основной частоты в выпрямленном колебании имеется ряд гармонических частот.

Типы фильтров, используемых на выходе выпрямителей, представлены на рисунках 1.9 – 1.14. Они отличаются не только электрической схемой, но и эффективностью фильтрации и влиянием на работу выпрямителя. Используемые на выходе выпрямителей фильтры, обычно подразделяют на две группы: с емкостным и индуктивным входами.

Фильтром с емкостным входом называется фильтр, на входе которого параллельно схеме включен конденсатор (см. рис. 1.9, а) Существует несколько вариантов такого фильтра. Рассмотрим сначала простейший фильтр (см. рис. 1.10, а).

Конденсатор фильтра, включенный параллельно как с выпрямителем, так и с нагрузкой, заряжается в то время, когда диод проводит ток. Вторичная обмотка трансформатора, диод и конденсатор образуют цепь зарядки. Постоянная времени зарядки мала, поскольку как сопротивление обмотки, так и сопротивление диода в открытом состоянии малы. Благодаря этому конденсатор очень быстро заряжается до пикового значения напряжения, попадающего на фильтр. Если мгновенное значение напряжения начинает убывать, то конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки. Постоянная времени разряда, зависящая при заданной емкости конденсатора в основном от сопротивления, относительно велика, поэтому разряд происходит медленно. Напряжение на конденсаторе имеет небольшие изменения, а его среднее значение велико. Это означает, что конденсатор фильтра уменьшает пульсации (сглаживает выходное колебание) и одновременно увеличивает постоянную составляющую по сравнению с постоянной составляющей колебания в отсутствие этого конденсатора. При очень большой времени разряда, которую получают при большом сопротивлении нагрузки, постоянная составляющая близка к максимальному значению напряжения.

Так же велико влияние фильтрующего конденсатора на обратное напряжение, действующее на выпрямительном диоде во время запирания. В схеме без конденсатора обратное напряжение, например для однополупериодного выпрямителя, равно максимальному входному напряжению. В схеме с фильтром с емкостным входом напряжение на конденсаторе приближенно равно максимальному значению и направлено таким образом, что катод диода смещен положительно. В то же самое время на аноде диода действует отрицательное напряжение, также равное максимальному входному напряжению. Поэтому в схеме с рассматриваемым фильтрующим конденсатором на диоде действует результирующее напряжение, равное двойному максимальному выпрямляемому напряжению. Следует также обратить внимание на тот факт, что во время заряда фильтрующего конденсатора (например, во время включения выпрямителя сети) импульс зарядного тока очень велик и будет тем большим, чем больше емкость. Зарядный ток должен обеспечиваться диодом, приспособленным для работы при больших импульсах тока. Для защиты диода от перегрузки излишне большим током часто последовательно с диодом (особенно в случае полупроводникового диода) включают ограничивающий ток резистор с сопротивлением примерно 100 Ом.

Лабораторная работа №1 Исследование работы диода