Фильтрация выпрямленного напряжения

Напряжение на нагрузке является пульсирующим. Его мгновенное значение u_н изменяется в течение полупериода от максимального значения до нуля. Напряжение u_н помимо постоянной составляющей U_н содержит переменную составляющую, представляющую собой сумму гармоник. Разложение в ряд Фурье кривой u_н позволяет определить амплитуды этих гармоник.

Так для однополупериодной схемы выпрямления (рис.39) постоянная составляющая:

(20)

Гармонические составляющие имеют разную амплитуду, но наибольшую амплитуду имеет первая гармоника:

(21)

Сглаживающие фильтры применяют для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, который требуется по условиям эксплуатации в устройствах, питаемых данным выпрямителем. Для оценки качества выпрямленного напряжения используют следующие величины:

· коэффициент пульсации (22)

· коэффициент сглаживания (23)

где – коэффициент фильтрации.

– потери напряжения на R_d устройства сглаживающего пульсации.

Тогда коэффициент сглаживания: (24)

Если потери отсутствуют (λ = 1) то: S = К_Ф (25)

Типы фильтров

Для сглаживания пульсаций применяют:

· Пассивные фильтры(R, L, C).

· Активные фильтры (включают в себя кроме пассивных элементов еще и активные – транзисторы).

1. Пассивные фильтры 1.1. «С» фильтр

Устройство схемы.

Недостаток: применяется только для маломощных потребителей, при R_н ® ¥.

1.2. «L» фильтр

Устройство схемы.

Индуктивный фильтр (рис.41) включается последовательно с нагрузкой и представляет собой большое сопротивление для переменной составляющей тока (напряжения). Вследствие включения индуктивного фильтра переменная составляющая тока выпрямителя в нагрузке значительно уменьшается и падение напряжения от этой составляющей на сопротивлении нагрузки Rн становится незначительным. Так как реактивное сопротивление фильтра

Z_ф= W×L_ф (27)

то фильтр лучше служит для сглаживания тока в нагрузке при больших K_п.

Недостаток: индуктивный фильтр применяется только при высокой частоте пульсации и малом сопротивлении нагрузки.

1.3. «Г» – образные фильтры 1.3.1. «L – C» фильтр

Устройство схемы.

Г–образный LC–фильтр (рис.42) состоит из индуктивности, включенной последовательно с сопротивлением нагрузки, и емкости, шунтирующей нагрузку. Назначение элементов L и С фильтра LC аналогично изложенному ранее. Коэффициент сглаживания для фильтра равен:

S_Г = S_Lф×S_Cф. (28)

Потери напряжения на фильтре, сглаживающем напряжение: l @ 1.

Достоинство: большой коэффициент сглаживания S_Г.

Недостаток: при малых частотах выпрямляемого напряжения габариты фильтра значительно возрастают.

1.3.2. «R–C» фильтр

Устройство схемы.

Г–образный RC–фильтр (рис.43) состоит из активного сопротивления R, включенного последовательно с нагрузкой R_н и емкости С, включенной параллельно нагрузке. Сопротивление R ограничивает переменную составляющую выпрямленного тока. Емкость С шунтирует сопротивление нагрузки для переменной составляющей тока. Хорошее сглаживание получается при условии:

R_H>> (29)

т.е. в маломощных условиях (R_H à ∞).

Достоинства: небольшие размеры, вес и стоимость, а также простота исполнения в связи с отсутствием сглаживающего дросселя.

Недостаток: потери мощности на сопротивлении R, вследствие чего RC–фильтр целесообразно применять только в выпрямителях на малые токи. Кроме того RC–фильтр имеет характеристики хуже, чем у «L–C» фильтра, так как l > 1, а значит коэффициент сглаживания S данной схемы меньше чем у «L–C» фильтра.

1.4. «П» образный фильтр

Устройство схемы.

П–образный фильтр (рис.44) представляет собой последовательное включение емкостного C и Г–образного LC - фильтров.

Достоинство: у П–образного фильтра коэффициент сглаживания больше, чем у «L–C» фильтра:

S_П = S_Г×S_Cф (30)