2.2. Работа опв на ёмкостный фильтр

Выпрямленный сигнал схемой ОПВ с активной нагрузкой можно считать постоянным только в том отношении, что он не меняет полярности на выходе. Этот сигнал не может быть использован как сигнал постоянного тока: в выходном сигнале большое количество пульсаций, которые необходимо сглаживать, чтобы получить постоянное напряжение.

Для этого схемы выпрямительных устройств дополняют фильтрами низких частот.

Простейшие фильтры нижних частот ─ это конденсаторы и индуктивности. Или, в случае применения сложных фильтров, их комбинации. Но, даже в случае применения сложного фильтра, характер нагрузки выпрямителя будет определять первый элемент в его схеме.

Рассмотрим работу ОПВ с ёмкостным фильтром (рис.13.6.а)

Назначение конденсатора в схеме выпрямителя ─ сглаживание пульсаций в выпрямленном напряжении.

Выбор конденсатора в схему выпрямителя ─ сопротивление конденсатора (Х_с) по переменной составляющей тока должно быть в 5…10 раз меньше сопротивления нагрузки: в этом случае большая часть переменной составляющей замкнётся по цепи «трансфоматор─диод─ конденсатор─ трансформатор».

а) б)

Рис.13.6.а ─ схема электрическая принципиальная ОПВ; б ─ диаграммы напряжений в узловых точках схемы ОПВ

Для постоянной составляющей тока (I₀) сопротивление конденсатора равно бесконечности, поэтому она замкнётся через нагрузку.

Анализ работы выпрямителя начнём с момента времени t₀ (рис.13.6.б)

В течение времени с t₀ по t₁ диод открыт, и конденсатор заряжается. Заряд происходит быстро (τ_з ≈ 0, так как сопротивление зарядной цепи примерно равно 0) В момент времени t₁, когда потенциал анода диода станет равным потенциалу катода, диод закрывается, заряд конденсатора прекращается, но ток через нагрузку продолжает течь, так как конденсатор с момента t₁ разряжается через неё. Обратите внимание на следующий факт ─ полярность напряжения на нагрузке при разряде конденсатора сохранилась, то есть схема не потеряла выпрямительных свойств после запирания диода. Чем больше сопротивление нагрузки (R_н3), тем медленнее разряжается конденсатор (τ_р = R_нС), и тем более постоянным будет напряжение на нагрузке (пунктиром на рис.13.6б показан разряд конденсатора фильтра при разных значениях сопротивления нагрузки ─ R_н1; R_н2; R_н3 (R_н3 > R_н2 > R_н1).

Разряд конденсатора прекращается в момент времени t₂: положительный потенциал на катоде диода стал меньше потенциала анода. Диод отпирается, происходит подзарядка конденсатора до момента времени t_3, после чего весь процесс повторяется.

Из диаграммы (рис.13.6.б) видно, что уровень пульсаций в выпрямленном напряжении равен ΔС при нагрузке R_н3 (R_н3 > R_н1 > R_н2) Следовательно, уровень постоянной составляющей в выпрямленном напряжении из диаграммы определится следующим выражением

(13.5)

Из этого выражения следует, что чем меньше пульсация , тем выше уровень постоянной составляющей на нагрузке и тем ближе его значение к U_2макс.

Анализ режима диода в схеме выпрямителя при ёмкостной нагрузке

Оцениваем режим диода в схеме выпрямителя по прямому максимальному току и по обратному напряжению. Так как сопротивление конденсатора гораздо меньше сопротивления нагрузки, то считаем, что вся переменная составляющая тока замкнулась через конденсатор фильтра. И поэтому

При подключении С-фильтра сопротивление цепи по переменной составляющей уменьшилось в 5…10 раз, следовательно, ток через диод возрос в 5…10 раз.

При анализе обратного напряжения, приложенного к диоду в промежутке времени с t₁ по t₂, воспользуемся схемой замещения (рис.13.7), заменив напряжение конденсатора источником постоянного напряжения U_С ≈ U_2макс.

Как видно из схемы замещения, к закрытому диоду прикладывается напряжение двух источников, включенных последовательно и согласно ─ напряжение вторичной обмотки трансформатора и напряжение конденсатора фильтра, заряженного почти до U_2мак.

Рис.13.7. Схема замещения для анализа состояния закрытого диода

Следовательно, при подключении в схему С-фильтра к закрытому диоду прикладывается в два раза большее напряжение, чем при активной нагрузке.

Теоретическое обобщение по теме.

1. При подключении С-фильтра качество выпрямления заметно улучшилось.

2. Уровень постоянной составляющей на нагрузке возрос.

3. Диод перешёл в режим прерывистого тока, время его работы сократилось, но режим стал более напряжённым, чем при активной нагрузке: амплитудное значение тока увеличилось в 5 …10 раз, обратное напряжение возросло в два раза.