Сглаживающие фильтры. Наличие переменной составляющей в выпрямленном напряжении всегда

Наличие переменной составляющей в выпрямленном напряжении всегда

нежелательно. Для ее уменьшения, то есть для сглаживания пульсаций вы-

прямленного напряжения, применяют специальные сглаживающие фильтры,

которые включают между выпрямителем и активной нагрузкой. В основу

сглаживающих фильтров заложены реактивные элементы – конденсаторы и

дроссели, представляющие соответственно малое и большое сопротивление

для переменного тока и, наоборот, большое и малое сопротивление для по-

стоянного тока. При этом конденсаторы включаются в источниках питания

параллельно нагрузке Rн^,а дроссели – последовательно с ней. В источниках

питания применяют четыре основных вида сглаживающих фильтров: емкост-

ной, индуктивный, Г-образный и П-образный, LC-фильтры.

Эффективность действия сглаживающего фильтра оценивают коэффициентом

сглаживания, равным отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе:

q = εвх^/εвых^.

(8)

Следовательно, чем больше коэффициент сглаживания, тем выше каче-

ство выпрямления напряжения (оно имеет меньше пульсаций) и тем эффек-

тивнее работает фильтр.

Простейшим фильтром является емкостной фильтр (C-фильтр). Он состоит

из конденсатора Cф^,включаемого параллельно сопротивлению нагрузки (рису-

нок 3). Работа фильтра основана на способности конденсатора быстро запасать

электрическую энергию, а затем относительно медленно отдавать ее в нагрузку.

Включение конденсатора существенно изменяет условия работы диода.

Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что вы-

полняется условие

1/(ωCф) << Rн^.

(9)

Значение емкости конденсатора Cф для сети с частотой 50 Гц находится

в диапазоне от 100 до 30000 мкФ и зависит от тока нагрузки и требуемой

степени сглаживания.

В течение некоторой части положительного полупериода, когда напря-

жение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор

до напряжения, близкого к U_m. В то время, когда ток через диод не прохо-

дит, конденсатор разряжается через нагрузку Rн и создает на ней напряже-

ние, которое постепенно снижается. В каждый следующий положительный

полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает.

Заряд конденсатора через сравнительно

uвх

VD1 iд

uд

C

ф

iвых

R

н_uвых

малое сопротивление диода происходит быст-

ро. Разряд на большое сопротивление нагруз-

ки совершается гораздо медленнее. Вследст-

вие этого напряжение на конденсаторе и

включенной параллельно ему нагрузке пуль-

сирует незначительно. Кроме того, конденса-

тор резко повышает постоянную составляю-

Рисунок 3 – Схема включения

емкостного сглаживающего фильтра

щую выпрямленного напряжения. При отсут-

ствии конденсатора Uср = 0,318 U_m, а при на-

личии конденсатора достаточно большой емкости Uср приближается к U_mи

может быть равным (0,80 – 0,95)U_mи даже выше. Таким образом, в однофазном

однополупериодном выпрямителе конденсатор повышает выпрямленное на-

пряжение примерно в 3 раза. Чем больше Сф и Rн^,тем медленнее разряжается

конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе Uср к U_m. Если нагрузку во-

обще отключить (режим холостого хода, то есть Rн ⁼∞), то на конденсаторе

получается постоянное напряжение без всяких пульсаций, равное U_m.

Работу выпрямителя со сглаживающим конденсатором иллюстрирует рису-

нок 4, где приведены графики входного и выходного напряжений (на нагрузке) и

тока через диод iд^.Напряжение на конденсаторе приложено плюсом к катоду,

минусом к аноду диода. Напряжение на диоде определяется разностью входного

напряжения и напряжения конденсатора, так как значение напряжения на кон-

денсаторе близко U_m, напряжение на диоде становится прямым в некоторой части

положительного полупериода (t₁ – t₂). На этом отрезке времени диод открыт и

конденсатор заряжается (U_c = U_m(1 – exp (–t / τзар)), где τзар ⁼RпрСф – постоянная

времени заряда, Rпр – сопротивление открытого диода). В течение остальной час-

ти положительного полупериода и во время отрицательного полупериода напря-

жение на диоде обратное (отрезок t₂ … t₃), диод закрыт, источник входного со-

противления отключен от конденсатора и нагрузки, и конденсатор разряжается

на нагрузку Rн. Разряд конденсатора характеризуется экспонентой с постоянной

времени τраз ⁼Rн^Cф^:U_c = U_m exp (–t / τраз^).Ток через диод протекает только часть

полупериода (t₁ … t₂). Чем короче отрезок t₁… t₂ , тем больше амплитуда тока

диода при заданном среднем токе нагрузки. Если емкость Cф достаточно велика,

то отрезок t₁ … t₂оказывается очень малым, амплитуда тока диода очень боль-

шой, и диод может выйти из строя, поэтому применение такой схемы возможно

только в маломощных выпрямителях.

Максимальное обратное напря-

жение на диоде получается при от-

рицательной амплитуде входного

напряжения, то есть при –U_m. Так

как напряжение конденсатора так-

же близко к Um, то наибольшее зна-

чение обратного напряжения на

диоде близко к значению 2U_m. При

холостом ходе максимальное об-

ратное напряжение точно равно

2U_m. Таким образом, наличие кон-

денсатора удваивает обратное на-

пряжение, поэтому диод подбира-

ется так, чтобы он выдерживал это

обратное напряжение.

Необходимо отметить, что является

опасным короткое замыкание нагрузки

(например, при пробое конденсатора

Рисунок 4 – Временные диаграммы работы

выпрямителя со сглаживающим фильтром

сглаживающего фильтра). Все входное напряжение будет приложено к диоду и ток

станет недопустимо большим. Произойдет тепловое разрушение диода.

Повышение температуры, несмотря на уменьшения сопротивления диода,

не сказывается на работе выпрямителя. Дело в том, что прямой ток определяет-

ся сопротивлением нагрузки (во много раз большим, чем сопротивление диода

при прямом включении). Сопротивление при обратном включении диода оста-

ется достаточно большим по сравнению с сопротивлением нагрузки, поэтому

обратный ток остается незначительным по сравнению с прямым.