Сглаживающие фильтры. Выпрямленное напряжение всегда является пульсирующим и содержит кроме постоянной переменные составляющие

Выпрямленное напряжение всегда является пульсирующим и содержит кроме постоянной переменные составляющие. Питание схем промышленной электроники пульсирующим напряжением неприемлемо, поэтому на выходе выпрямителей включают сглаживающие фильтры.

Основной параметр сглаживающего фильтра это коэффициент сглаживания:

K_сг=K_п.вх/K_{п вых}

где K_п.вх и K_п._вых — коэффициенты пульсаций напряжения на входе и выходе фильтра.

Роль простейших сглаживающих фильтров могут играть индуктивные катушки, включенные последовательно с нагрузкой, и конденсаторы, включенные параллельно нагрузке.

При использовании индуктивных катушек высокий коэффициент сглаживания может быть достигнут при условии, что индуктивное сопротивление цепи значи­тельно превышает ее активное сопротивление:

X_L=1/(ωL)>>R_н

где ω — частота основной гармоники выпрямленного напряжения.

В этом случае основное падение напряжения переменных составляющих происходит не на сопротивлении нагрузки, а на индуктивности фильтра. Так как активное сопротивление индуктивности фильтра (дросселя) обычно невелико, напряжения постоянной составляющей выпрямленного тока на входе фильтра и на нагрузке практически равны.

Индуктивный фильтр имеет простую схему и обеспечивает малые потери мощности и малое изменение выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки. Однако при быстром уменьшении тока нагрузки на зажи­мах дросселя возникают кратковременные броски напряжения, которые могут достигать существенного значения.

Поскольку индуктивные фильтры обеспечивают лучшее сглаживание пульсации при малых сопротивлениях нагрузки, их применяют главным образом в мощных выпрямителях.

При включении конденсатора параллельно нагрузке для лучшего сглаживания пульсаций емкостное сопротивление должно быть значительно меньше активного сопротивления:

Х_C=1/(ωС)<<R_н

В этом случае конденсатор заряжается через диод выпрямителя до амплитудного значения напряжения входе фильтра в те моменты времени, когда напряжение на входе фильтра превышает напряжение на конденсаторе. В остальное время конденсатор разряжается на нагрузку.

Иногда применяют Г-образные индуктивно-емкостные фильтры. При выполнении условия Х_C<<R<<X_L такие фильтры обеспечивают значительно более высокий коэффициент сглаживания пульсаций, чем фильтры из одной индуктивности или емкости.

Рис. 9.1

Коэффициент сглаживания такого фильтра

Если X_L =ωL, a X_С = 1/(ωС), то К_сг = ω²LC — 1

Или LC = (K_cг+ 1)/ω²

Зная частоту основной гармоники выпрямленного напряжения, по заданному коэффициенту сглаживания можно найти значения L и С.

Более эффективными являются П-образные фильтры. На рис. 9.2 показана схема одного звена такого фильтра, представляющего собой сочетание простейшего емкостного фильтра и Г-образного звена.

Рис. 9.2 Рис. 9.3

Поскольку для каждого звена входное напряжение является выходным напряжением предыдущего звена, общий коэффициент сглаживания многозвенного фильтра равен произведению всех коэффициентов сглаживания отдельных звеньев:

К_сг= К_сг1 К_сг2 …К_сгn

В отдельных случаях применяют резистивно-емкостные фильтры, которые имеют меньшие габаритные размеры, массу и стоимость. В отличие от индуктивно-емкостных фильтров здесь происходит существенное уменьшение не только переменных, но и постоянной составляющей выпрямленного напряжения.

Рассмотрим основные соотношения для простейшего Г-образного резистивно-емкостного фильтра (рис. 9.3). Коэффициент сглаживания пульсаций

В связи с тем, что в таких фильтрах происходит умень­шение выпрямленного напряжения, их используют при питании нескольких потребителей с различными напряжениями от одного выпрямителя. При этом фильтр выполняет роль делителя напряжения. Из-за сравнительно больших потерь область применения резистивно-емкостных сглаживающих фильтров ограничивается маломощными выпрямителями.