Схемы_выпрямителей_напряжения_и_сглаживающие_фильтры

Схемы_выпрямителей_напряжения_и_сглаживающие_фильтры

Сглаживающие фильтры выпрямителей блоков питания.

Ёмкостные, индуктивно-ёмкостные, активные сглаживающие фильтры.
Схемы, свойства, онлайн калькулятор.

Потолковали мы основательно на предыдущей странице про разные виды диодных выпрямителей, перебросились парой фраз на тему простейших ёмкостных фильтров, а вопрос достижения параметра коэффициента пульсаций Кп в пределах 10 -5 . 10 -4 так и повис в воздухе — уж очень немалым получается номинал ёмкости сглаживающего конденсатора.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения Кп является важнейшим параметром выпрямителя. Его численное значение равно отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей.
Напомню выдержку из печатного издания, приведённую на предыдущей странице:

«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током вполне определённой "чистоты":
10 -3 . 10 -2 (0,1-1%) — малогабаритные транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,
10 -4 . 10 -3 (0,01-0,1%) — усилители радио и промежуточной частоты,
10 -5 . 10 -4 (0,001-0,01%) — предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей.»

Помимо этого в характеристиках выпрямителей может использоваться и понятие коэффициента фильтрации (коэффициента сглаживания).
Коэффициент фильтрации, он же коэффициент сглаживания — величина, численно равная отношению коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра Кс = Кп-вхп-вых .
Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

В слаботочных цепях вопрос снижения пульсаций решается легко и кардинально — применением интегральных стабилизаторов. Параметр подавления пульсаций (Ripple Rejection) у подобных массовых ИМС составляет не менее 50дБ (в 360раз по напряжению), что при высокой "чистоте" выходного напряжения позволяет уменьшить ёмкости электролитов в 5-10 раз.

Если же у разработчика нет возможности (либо желания) включать в состав устройства стабилизаторы напряжения, то реальным подспорьем окажутся индуктивно-ёмкостные или активные сглаживающие фильтры.

Начнём с фильтров, выполненных из индуктивных элементов – дросселей и из ёмкостных элементов – конденсаторов.

Рис.1

На Рис.1а приведена схема простейшего ёмкостного сглаживающего фильтра. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку.

Для того чтобы не ограничиваться 50-ти герцовыми блоками питания, но и иметь возможность расчёта фильтров импульсных ИБП, приведу универсальные формулы, учитывающие частоту входного сигнала F :
С1 = Iн/(3,14×Uн×F×Кп) для однополупериодных выпрямителей и
С1 = Iн/(6,28×Uн×F×Кп) — для двухполупериодных.
Кп — это коэффициент пульсаций, равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей, а
F — частота переменного напряжения на входе диодного выпрямителя.

Переходим к индуктивно-ёмкостным LC фильтрам.
ВНИМАНИЕ.
Потребность в такого рода цепях возникает исключительно в случаях необходимости получить низкий уровень пульсаций в достаточно мощных сетевых блоках питания, либо в высокочастотных импульсных ИБП. Связано это с тем, что для эффективной работы LC-фильтра, индуктивное сопротивление катушки XL на частоте подавления стремятся сделать значительно больше Rн. А это, в свою очередь, приводит к тому, что в условиях низких частот и малых токов (высоких Rн) индуктивность дросселя получается необоснованно высокой.

Г-образный индуктивно-ёмкостной LC фильтр 2-го порядка (Рис.1б) обладает значительно лучшими фильтрующими свойствами по сравнению с обычным ёмкостным.
Произведение LC (Гн*мкФ) зависит от необходимого коэффициента сглаживания фильтра и определяется по приближенной формуле:
L1(Гн)×С1(МкФ) = 25000/(F 2 (Гц)×Кп) для однополупериодных выпрямителей и
L1×С1 = 12500/(F 2 ×Кп) — для двухполупериодных, где
С1(МкФ)/L1(мГн) = 1000/Rн 2 (Ом) .

Схема П-образного LC-фильтра приведена на Рис.1в. Сглаживающее действие П-образного LC-фильтра можно упрощённо представить как совместное действие двух фильтров, описанных выше, а коэффициент сглаживания — как произведение коэффициентов сглаживания звеньев: ёмкостного и Г-образного индуктивно-ёмкостного.
Наилучшими фильтрующими свойствами обладают LC-фильтры Чебышева. Напишем формулу, исходя из рекомендаций, изложенных на странице ссылка на страницу:
С1 = С2 ; С1(МкФ)/L1(мГн) = 1176/Rн 2 (Ом) .

Уменьшить напряжение пульсаций на выходе однозвенного П-образного LC-фильтра можно, включив параллельно дросселю L1 неполярный конденсатор С3 (Рис.1г), который вместе с индуктивностью катушки образует режекторный фильтр. Если ёмкость конденсатора С3 выбрать такой, чтобы резонансная частота контура L1-С3 равнялась частоте пульсаций (F при однополупериодном выпрямлении или 2F при двухполупериодном), то большая часть напряжения пульсаций задержится этим контуром и лишь незначительная перейдёт в нагрузку.
Итак: С3 = 1/(39,44×L1×F 2 ) для однополупериодных выпрямителей и
С3 = 1/(9,86×L1×F 2 ) — для двухполупериодных.
Все остальные номиналы элементов — такие же, как в предыдущей схеме.

Давайте сдобрим пройденный материал онлайн таблицей.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ СЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА БЛОКА ПИТАНИЯ.

Выбор схемы фильтра &nbsp Тип выпрямителя &nbsp Частота напряжения с обмотки трансформатора (Гц) Выходное постоянное напряжение Uн (В) Максимальный ток нагрузки Iн (А) Пульсации выходного напряжения (%) Минимальное сопротивление нагрузки Rн (Ом) Ёмкость конденсатора С1 (МкФ) Индуктивность дросселя L1 (мГн) Ёмкость конденсатора С3 (МкФ)

Транзисторные фильтры по сравнению с ёмкостными сглаживающими фильтрами имеют меньшие габариты, массу и более высокий коэффициент сглаживания пульсаций. Они позволяют уменьшить в десяток раз (при том же уровне пульсаций) номинал сглаживающего конденсатора, либо уменьшить в аналогичное количество раз амплитуду пульсаций при неизменном значении ёмкости.

Рис.2

На Рис.2а представлена схема наиболее распространённого транзисторного фильтра.

Напряжение с высокой амплитудой пульсаций, поступающее на коллектор транзистора, по сути, является напряжением питания эмиттерного повторителя, образованного Т1.
В это же самое время цепь базы питается через резисторы смещения и интегрирующую цепь R1C1, которая сглаживает пульсации напряжения на базе. Чем больше постоянная времени T=R1C1, тем меньше пульсации напряжения на базе, а так как устройство представляет собой эмиттерный повторитель, то на выходе фильтра пульсации будут столь же малыми, как и на базе.
Для того, чтобы снизить зависимость напряжения на выходе фильтра от уровня передаваемой мощности, ток через делитель R1R2 выбирают в 5…10 раз большим, чем ток, ответвляющийся в базу при минимальном сопротивлении нагрузки.
При расчёте номиналов элементов делителя, следует исходить из напряжения на базе транзистора:
Uб = Uвх — Uвх пульсаций — (2,5. 3В) .
В этом случае будет обеспечена работа регулирующего транзистора в активном режиме, а падение напряжения на нём составит величину:
Uкэ = Uвх пульсаций + (3,1. 3,6В) .
Коэффициент полезного действия транзисторного фильтра будет тем больше, чем меньше падание постоянного напряжения на силовом транзисторе. Из формулы видно, что для обеспечения высокого КПД активного сглаживающего фильтра, на вход устройства следует подавать уже отфильтрованное до определённого уровня напряжение.
На практике это делается включением на вход простейшего ёмкостного фильтра (Рис.1а), уровень пульсаций которого можно посчитать на приведённом выше калькуляторе.

Читайте также:  Панно_из_можжевельника_своими_руками

Эффективность активных сглаживающих фильтров напрямую зависит от величины коэффициента усиления транзистора. Чем выше h21 полупроводника, тем больших величин можно выбрать номиналы резисторов R1, R2 — тем лучшими фильтрующими свойствами будет обладать схема. Поэтому в данной ситуации не стоит даже рассматривать транзисторы с h21<50. Но при этом и составные транзисторы, обладающие высоким усилением — также не являются оптимальным выбором в силу повышенных падений напряжений на p-n переходах, значительно снижающих КПД транзисторных устройств.

Для дальнейшего улучшения фильтрующих свойств сглаживающего фильтра можно применить двухзвенный RC-фильтр в цепи базы транзистора (Рис.2б).
Здесь сумма значений сопротивления резисторов R1 и R2 равна сопротивлению резистора R1 в предыдущем устройстве, а сопротивление резистора R3 равно сопротивлению резистора R2 в фильтре (Рис.2а).

Ещё эффективней будет работать транзисторный фильтр, у которого в цепь базы транзистора вместо R2 (Рис.1а), либо R3 (Рис.1б) включить стабилитрон с напряжением пробоя, равным значению, рассчитанному для резистивного делителя.

Сглаживающие фильтры

Наличие переменной (пульсирующей) составляющей в кривой выпрям­ленного напряжения всегда нежелательно. Для уменьшения коэффициента пульсаций применяют сглаживающие фильтры (далее фильтры), которые включают между выпрямителем и активной нагрузкой. В зависимости от на­значения электронной схемы коэффициент пульсаций напряжения пита­ния не может превышать определенных величин. В частности, для усили­тельных каскадов он должен быть не более 10 −4 . 10 −5 , а для автогенера­торов —. 10 −5 . 10 −6 и ниже.

В основу сглаживающих фильтров заложены реактивные элементы — кон­денсаторы и дроссели, представляющие соответственно малое и большое со­противления для переменного тока, и наоборот, большое и малое сопротив­ления для постоянного тока. При этом конденсаторы включаются в ис­точниках питания параллельно нагрузке Rн (как в AM-детекторе), а дроссели — последовательно с ней. Очень часто в источниках питания применяют четыре основных вида сглаживающих фильтров (рис. 9.4): емкостной, индуктивный, Г-образный и П-образный LC-фильтры.

Эффективность действия сглаживающего фильтра оценивают коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициентов пульсаций на его вхо­де и выходе:

(9.10)

Чем больше коэффициент сглаживания, тем выше качество выпрямлен­ного напряжения (меньше пульсаций) и тем эффективнее работает фильтр.

Рис. 9.4. Сглаживающие фильтры: а — емкостной; б — индуктивный;

Емкостной фильтр. Положим, что на выходе однофазного выпрямителя с нулевым выводом включен емкостной фильтр С (рис. 9.5, а). Включение конденсатора на выходе выпрямителя существенно изменяет режим работы последнего по сравнению с работой на активную нагрузку. Емкость конден­сатора, накапливая энергию в моменты протекания токов и затем; отдавая ее в нагрузку, когда диод закрыт, сглаживает пульсации, повышая среднее значение выпрямленного напряжения. Диоды в схеме пропускают токи под воздействием положительных полуволн напряжений еа и eb. Однако их от­крытое состояние определяется интервалами, на которых указанные напря­жения превышают напряжение uC = uн на конденсаторе С (и на нагрузке Rн), являющееся для диодов запирающим (рис. 9.5, б — г).

Пусть на интервале 0. v1 фазное напряжение еa и напряжение на конден­саторе uн положительны, причем uн > еа (рис. 9.5, б). На этом интервале диод VD2 закрыт, так как к нему приложено обратное напряжение . Ди­одVD1 также закрыт, поскольку положительное напряжение на его катоде uн превышает напряжение на аноде еа. Питание нагрузки Rн в данном случае осуществляется от конденсатора С, разряжающегося на нее с постоянной времени τн = RнC. В момент времени, когда v = v1, напряжение на конденса­торе uн и напряжение еа сравниваются, и диод VD1 открывается, подключая конденсатор и нагрузку к напряжению вторичной полуобмотки. Через этот диод начинает протекать импульс тока i1 (рис. 9.5, в), который заряжает кон­денсатор С (отметим, что малая часть тока протекает и по цепи нагрузки Rн).

Рис. 9.5. Однофазный выпрямитель с нулевым выводом и емкостным

фильтром: а — схема; б — г — временные диаграммы

При фазовом угле v = v2 напряжение еа становится меньше напряжения на конденсаторе ин, диод VD1 закрывается. На интервале v2. v3 оба диода закрыты и конденсатор С разряжается на нагрузку Rн. В момент времени, когда фазовый угол v = v3, напряжение еb сравнивается с напряжением uн (см. рис. 9.5, б), и ди­од VD2 открывается. Через нагрузку Rи в течение интервала v3. v4 (см. рис. 9.5, в) протекает импульс тока i2, который также заряжает конденсатор С. Далее элек­трические процессы в выпрямительной схеме периодически повторяются, при этом кривая напряжения на нагрузке становится более сглаженной.

Поскольку обратное напряжение на закрытом диоде (например VD1) определя­ется суммой напряжений еb и uн, введение конденсатора приводит к расширению интервала действия обратного напряжения на диоде от v2 до v5. Однако амплитуда обратного напряжения не превышает величины (см. рис. 9.5, г).

При заданном значении коэффициента пульсаций на активной нагрузке вы­прямителя емкость конденсатора приближенно определяют по формуле:

В случае использования на выходе выпрямителя емкостного фильтра необ­ходимо учитывать влияние величины сопротивления нагрузки на коэффициент пульсаций. Поскольку коэффициент пульсаций уменьшается с увеличением со­противления нагрузки, то емкостной фильтр целесообразно применять в ма­ломощных выпрямителях (выпрямителях с высокоомной нагрузкой).

Индуктивный фильтр. В схемах выпрямителей индуктивный фильтр — дроссель L (это катушка индуктивности с сердечником) — включают после­довательно с нагрузочным резистором Rн (рис. 9.6, а). Как и в схеме с ак­тивной нагрузкой, диоды VDI и VD2 проводят ток попеременно на интерва­лах, когда положительны соответствующие им напряжения еа и еb (рис. 9.6, б). Существенное отличие — ток нагрузки. Так, например, в момент v = π ток нагрузки iн = i1 не спадает до нуля, а за счет энергии, запасенной в индук­тивности дросселя L, плавно переходит от диода VD1 к диоду VD2. В конце следующего полупериода, когда напряжение еa опять положительно, ток iн = i2 снова плавно переходит от диода VD2 к диоду VD1.

Читайте также:  Трофи_tl30_электрическая_схема

Так как ток в цепи с индуктивностью отстает по фазе от напряжения, максимальная амплитуда пульсирующего тока iн несколько сдвинута по фа­зе относительно максимальной амплитуды выпрямленного напряжения uLн (рис. 9.6, б и в). Отметим при этом, что ток iн и напряжение на нагрузке uн совпадают по форме.

Рис. 9.6. Однофазный выпрямитель с нулевым выводом и индуктивным

фильтром: а — схема; б, в — временные диаграммы

Если коэффициент пульсаций на активной нагрузке Rн выпрямителя задан, то индуктивность дросселя можно приближенно определить по формуле:

(9.12)

Поскольку коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения понижа­ется с уменьшением сопротивления нагрузки Rн, то индуктивные фильтры применяют в мощных выпрямителях, работающих на низкоомную нагрузку.

Специальные схемы однофазных выпрямителей. Мостовой выпрямитель с двумя симметричными (разнополярными) напряжениями (рис. 9.7, а) широко применяют в современных радиотехнических устройствах, в частности, для питания схем на ОУ. Данный выпрямитель можно рассматривать как устрой­ство, содержащее две параллельно соединенные схемы с нулевым выводом. Одна выпрямительная схема состоит из полной вторичной обмотки транс­форматора T и пары диодов VD1, VD2; другая — из той же обмотки и диодов VD3, VD4. Равные по величине, разнополярные выпрямленные напряжения uн1 и uн2 на выходах схем вместе составляют суммарное постоянное напряже­ние такого выпрямителя uн = uн1 + uн2.

Рис. 9.7. Специальные схемы однофазных выпрямителей: а — с двумя

симметричными напряжениями; б — с удвоением напряжения

Для повышения качества выпрямленного напряжения к каждому из выхо­дов схем устройства подключаются, как правило, емкостные фильтры.

Однофазный выпрямитель с умножением напряжения (схема Латура) — специфическая разновидность схем выпрямления с емкостным фильтром, ра­ботающих исключительно на высокоомную нагрузку. Подобные выпрямители позволяют получать на нагрузке суммарные напряжения нескольких простей­ших выпрямителей. В частности, схема выпрямителя с удвоением напряжения (рис. 9.7, б) представляет собой два однополупериодных выпрямителя, в кото­рых конденсаторы в определенные моменты одновременно разряжаются на общую нагрузку. В один из полупериодов напряжения сети u1, когда оно имеет полярность, обозначенную на рис. 9.7, б без скобок, ток протекает через от­крытый диод VD1, и конденсатор С1 заряжается до амплитудного значения Um1. В следующий полупериод, когда напряжение u1 имеет полярность, показанную на рис. 9.7, б в скобках, открывается диод VD2. Конденсатор C2 при этом заря­жается суммой двух напряжений — напряжением Um1, до которого заряжен конденсатор C1, и положительной полуволной сетевого напряжения u1. Следо­вательно, постоянное напряжение на активной нагрузке Rн будет равно удво­енному значению амплитуды напряжения сети Um1.

Схемы выпрямителей с умножением напряжения позволяют получить на их выходе амплитуды напряжений до нескольких десятков киловольт. Такие устрой­ства применяют, например, для питания кинескопов телевизионных приемни­ков, подавая на вход специального выпрямителя импульсы генератора строчной развертки.

Схемы выпрямителей напряжения и сглаживающие фильтры

В маломощных источниках питания (до нескольких сотен ватт) обычно используют однофазные выпрямители. Схемы однофазных выпрямителей бывают однополупериодные, двухполупериодные и мостовые.

К основным параметрам выпрямителей относятся:

— среднее значение выходного напряжения

, (4.1)

где Т – период напряжения на выходе выпрямителя;

— среднее значение выходного тока

; (4.2)

— коэффициент пульсаций выходного напряжения

, (4.3)

где Um – амплитуда основной (первой) гармоники напряжения на выходе выпрямителя.

В зависимости от типа выпрямителя, частота первой гармоники либо равна, либо в два раза больше частоты напряжения на входе выпрямителя.

Рассмотрим особенности построения и основные характеристики различных типов выпрямителей.

Однополупериодный выпрямитель является простейшим и имеет схему, изображенную на рисунке 4.3. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение одного полупериода сетевого напряжения и, соответственно, напряжение на нагрузке также существует только в течение одного полупериода (рисунок 4.4).


Рисунок 4.3 – Однополупериодный выпрямитель


Рисунок 4.4 – Форма напряжений на входе и выходе выпрямителя

Получим выражения для определения основных параметров однополупериодного выпрямителя. Напряжение на нагрузке Uн содержит ряд гармонических составляющих. Разложив напряжение Uн в ряд Фурье, получим

. (4.4)

Из выражения (4.4) видно, что постоянная составляющая (среднее значение) напряжения на нагрузке равна , а амплитуда первой гармоники – . С учетом (4.3) коэффициент пульсаций однополупериодного выпрямителя составляет

. (4.5)

При выборе диода для схемы выпрямителя учитывают такие его параметры, как максимально допустимый прямой ток и максимально допустимое обратное напряжение. В однополупериодном выпрямителе максимальное напряжение на закрытом диоде составляет U2m, то есть равно амплитудному значению напряжения на обмотке трансформатора, а максимальный прямой ток через диод равен

, (4.6)

где Icp – средний ток в нагрузке.

Однополупериодные выпрямители находят применение только в тех случаях, когда их нагрузкой являются цепи малой мощности. Основными недостатками таких выпрямителей являются высокий уровень пульсаций на выходе и подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, поскольку постоянная составляющая тока во вторичной обмотке трансформатора течет только в одном направлении.

Двухполупериодный выпрямитель может быть построен на основе параллельного соединения двух однополупериодных (рисунок 4.5). Такой выпрямитель может использоваться только с трансформатором, имеющим вывод от середины вторичной обмотки (или имеющим две одинаковых вторичных обмотки, включенных последовательно). Точки возле изображений обмоток трансформатора указывают на начала обмоток.


Рисунок 4.5 – Двухполупериодный выпрямитель


Диоды в двухполупериодном выпрямителе проводят ток поочередно, каждый в течение одного полупериода. Во втором полупериоде (когда к диоду приложено обратносмещающее напряжение) диод закрыт. В то же время в нагрузке ток течет в каждом полупериоде, причем в одном направлении. Временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу выпрямителя, показаны на рисунке 4.6.

Читайте также:  Кубанская_хата_своими_руками_поделка

Рисунок 4.6 – Временные диаграммы токов и напряжений

Напряжение на нагрузке можно представить в виде . Его разложение в ряд Фурье имеет вид

. (4.7)

Найдем основные параметры двухполупериодного выпрямителя:

— постоянная составляющая напряжения на нагрузке равна

, (4.8)

где U2т – амплитуда напряжения каждой половины вторичной обмотки;

— амплитуда первой гармоники выходного напряжения составляет . С учетом этого коэффициент пульсаций равен

; (4.9)

— максимальное напряжение на закрытом диоде равно

; (4.10)

— максимальный прямой ток через диод равен

. (4.11)

Двухполупериодный выпрямитель характеризуется довольно высокими технико-экономическими показателями. В частности, среднее напряжение на нагрузке в два раза больше, а коэффициент пульсаций почти в два с половиной раза меньше, чем в однополупериодном выпрямителе. В двухполупериодном выпрямителе магнитные потоки в сердечнике трансформатора, обусловленные постоянными составляющими тока вторичных обмоток, направлены встречно и взаимно компенсируются. Поэтому в такой схеме отсутствует подмагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей, что позволяет использовать трансформатор относительно меньших размеров.

Однако перечисленные достоинства двухполупериодного выпрямителя, собранного по схеме, приведенной на рисунке 4.5, достигнуты за счет увеличения в два раза числа витков во вторичной обмотке (что экономически не выгодно). Кроме этого в схеме должны быть использованы диоды с допустимым обратным напряжением в два раза большим, чем у диодов для схемы однополупериодного выпрямителя при том же уровне напряжения на вторичной обмотке.

В настоящее время наибольшее распространение получила схема двухполупериодного мостового выпрямителя (рисунок 4.7). Диоды в такой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара – это диоды VD1 и VD3, а вторая – VD2 и VD4. В течение положительного полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора (на выводе, обозначенном буквой А – «+», а на выводе, обозначенном буквой В – «–») диоды VD1 и VD3 открыты, а диоды VD2 и VD4 закрыты.

Ток течет через нагрузку в направлении, показанном на рисунке 4.7 стрелкой. В течение отрицательного полупериода открыты диоды VD2 и VD4, а диоды VD1 и VD3 закрыты. Но ток через нагрузку течет в том же направлении. Поэтому в мостовом выпрямителе, как и в рассмотренном ранее двухполупериодном выпрямителе, входное синусоидальное напряжение преобразуется в пульсирующее однополярное (рисунок 4.6).

Все основные показатели двухполупериодного мостового выпрямителя (Uср, Iср, Kп) такие же, как и рассмотренного ранее двухполупериодного выпрямителя. Однако при этом число витков во вторичной обмотке трансформатора и напряжение на закрытых диодах Uд обр макс в два раза меньше.


Рисунок 4.7 – Мостовая схема выпрямителя

Сравнивая параметры двухполупериодных схем выпрямителей, можно сделать вывод, что мостовая схема имеет ряд преимуществ перед схемой со средней точкой:

а) вдвое меньшее требуемое напряжение на вторичной обмотке трансформатора для получения заданного выпрямленного напряжения;

б) вдвое меньшее напряжение на закрытом диоде;

в) меньшие габариты и вес.

К недостаткам мостовой схемы можно отнести большее в два раза число используемых диодов.

Для питания постоянным напряжением большинства устройств электроники коэффициент пульсаций не должен превышать 0,1. Ни одна из рассмотренных схем выпрямителей не обеспечивает такого коэффициента пульсаций. Поэтому для уменьшения пульсаций используют сглаживающий фильтр, который включают между выпрямителем и нагрузкой. Назначение сглаживающего фильтра – выделить из выпрямленного напряжения постоянную составляющую и подавить высшие гармоники.

Следовательно, сглаживающий фильтр является фильтром нижних частот. На рисунке 4.8 показан спектр напряжения на выходе выпрямителя и АЧХ сглаживающего фильтра (зависимость модуля комплексного коэффициента передачи напряжения Kф от частоты). Как видно из рисунка, чем уже полоса пропускания фильтра (меньше частота среза АЧХ фильтра), тем лучше он подавляет высшие гармоники и, следовательно, уровень пульсаций будет меньше.

Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания. Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации:

, (4.12)

где Uпвх, Uпвых – амплитуды пульсаций на входе и на выходе фильтра.

В используемых на практике схемах фильтров коэффициент пульсаций напряжения на выходе может составлять 0,001 . 0,00003 (Kсгл » 700 . 22000).

Рисунок 4.8 – Спектр сигнала на выходе выпрямителя и АЧХ сглаживающего фильтра


Простейшим фильтром является емкостный фильтр (-фильтр). Рассмотрим его работу на примере однополупериодного выпрямителя (рисунок 4.9). Емкостной фильтр подключают параллельно нагрузке.

Рисунок 4.9 – Выпрямитель с -фильтром

Временные диаграммы напряжений на нагрузке при отсутствии и наличии фильтра показаны на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10 – Напряжение на нагрузке выпрямителя при наличии и отсутствии сглаживающего фильтра

На отрезке времени t1, t2 (t3, t4) диод открыт и конденсатор С заряжается от источника входного напряжения. Постоянная времени цепи заряда конденсатора tзар = rд прС. На отрезке t2t3 диод закрыт, источник входного напряжения отключен от конденсатора и нагрузки. Конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки Rн, при этом постоянная времени цепи разряда конденсатора равна tразр = RнС. Если выполняется условие

, (4.13)

а это возможно, если Rн >> rд пр, то в промежутках между пульсациями напряжения на выходе выпрямителя конденсатор будет разряжаться незначительно и амплитуда пульсаций Uп также будет иметь небольшие значения.

Если выполняется условие:

, (4.14)

где w1 – частота основной (первой) гармоники, то переменная составляющая выпрямленного тока шунтируется конденсатором С, а постоянная составляющая без потерь проходит в нагрузку.

При выполнении условия (4.14) коэффициент сглаживания можно найти из выражения

. (4.15)

Из (4.15) можно получить формулу, позволяющую найти емкость фильтра, необходимую для обеспечения заданного коэффициента сглаживания

. (4.16)

Емкостный сглаживающий фильтр обычно применяют при больших сопротивлениях нагрузки.

При больших токах в нагрузке (малом сопротивлении нагрузки) целесообразно применять Г-образный LC-фильтр (рисунок 4.11).

Рисунок 4.11 – Г-образный LC-фильтр

Коэффициент сглаживания такого фильтра определяется из выражения

, (4.17)

откуда требуемые значения параметров элементов фильтра для обеспечения заданного коэффициента сглаживания могут быть найдены из равенства

. (4.18)

Ссылка на основную публикацию
Схема_трубки_для_прозвонки_кабеля
Схема трубки для прозвонки кабеля Это приспособление трудно назвать прибором или даже инструментом. Тем не менее, телефонисты с его помощью...
Схема_подключения_двигателя_через_пускатель_с_кнопкой
Схема Подключения Пускателя Тоже ничего сложного. Второй тип применяется более широко, поскольку большинство устройств функционирует ограниченный период, пребывая основное время...
Схема_подсоединения_магнитолы_пионер
Инструкция по подключению магнитолы Пионер Ездить на авто без магнитолы стало не современным и не комфортным для автолюбителей. В наши...
Схема_электроподжига_газовых_плит
Устройство автоматического электроподжига газовых плит История газовых плит берет свое начало в далеком 1825 году. Тогда работник газовой фабрики Джеймс...
Adblock detector