Тема 3. Згладжувальні фільтри

Випрямлена напруга випрямляча з активним навантаженням є пульсуючою і описується рядом Фур’є

,

де – постійна складова, – змінні складові випря-мленої напруги, з яких найбільшу амплітуду має змінна самої низь-кої частоти, тобто частота пульсації , де – кількість фаз випрямляння, – частота мережі. Найбільший коефіцієнт пу-льсації буде на частоті першої гармоніки.

або . /3.1/

Для нормальної роботи електронних пристроїв і інших спожива-чів енергії постійного струму допустимі коефіцієнти пульсації від 0,1% до 0,001%. Досягнути таких коефіцієнтів пульсації можливо за допомогою згладжувальних фільтрів. Здатність згладжувального фі-льтра зменшувати характеризується коефіцієнтом згладжування :

, /3.2/

де і – коефіцієнти пульсації до і після згладжувального фі-льтра.

Від згладжувальних фільтрів вимагається:

• мінімальні втрати потужності і напруги;

• не вносити завади в роботу електронних пристроїв;

Сучасні згладжувальні фільтри поділяють на прості (L,C), склад-ні (RC,LC) і транзисторні.

3.1. Принципи роботи згладжувальних c і l фільтрів

Принципи роботи ємнісного згладжувального фільтра (рис.6) на-ступний.

б

а

Рис.6. Схема випрямляння з активно-ємнісним навантаженням (а) і часові діагра-ми заряду і розряду конденсатора (б)

Приєднання конденсатора фільтра зменшує амплітуду пуль-сації, отже зменшує , тим більше, що одночасно збіль-шується середнє значення випрямленої напруги за рахунок енергії розряду конденсатора (площа ), тому , де і – середні значення випрямленої напруги з і без.

На проміжку часу конденсатор заряджається струмом до напруги і накопичує енергію, на проміжку він розряджається на опір навантаження (струм ). Оскільки кіль-кість накопиченої енергії конденсатором при заряджанні рівна вит-раченій енергії при розряджанні, то подвійна амплітуда першої гар-моніки , звідки

, /3.3/

де – кількість фаз випрямляння; – частота струму мережі живлення; – ємність конденсатора фільтра; – опір наванта-ження; – амплітуди коливання напруги на ; – середнє значення напруги при наявності конденсатора.

З (3.3) виходить, що доцільність ємнісного фільтра має місце при малих струмах навантаження або при великих ємностях . Ось чому в якості використовують електролітичні конденсатори.

Перевагою ємнісних фільтрів є їх простота. До недоліків слід від-нести імпульсне перевантаження випрямних діодів струмом заряду і збільшення зворотної напруги до амплітудного значення .

Принципи дії індуктивного згладжувального фільтра (рис. 7), ґрунтується на здатності індуктивності при протіканні через неї струму накопичувати електромагнітну енергію .

а) б)

Рис.7. Схема вмикання (а) і хвильові діаграми (б) індуктивного згладжувального фільтра

За I законом комутації струм через індуктивність відстає від при-кладної напруги на деякий кут (для реальної індуктивності), отже індуктивна складова струму розряду буде затримувати зменшення струму через навантаження, тобто зменшувати пульсацію вихідної напруги, оскільки . Коефіцієнт пульсації після буде .

Знехтувавши отримаємо

, /3.4/

де – коефіцієнт пульсації схеми випрямляння.

З виразу (3.4) видно, що для зменшення коефіцієнта пульсації при використанні індуктивного фільтра бажано його використову-вати для багатофазних схем випрямляння , при малих опорах навантаження ( ) і великих значеннях індуктивності фільтра ( ).

Основним недоліком індуктивних фільтрів є виникнення великої ЕРС самоіндукції при вимиканні навантаження, що вимагає додат-кових заходів для захисту від перенапруг.

Кращі згладжувальні властивості мають складні Г–подібні і П–подібні –фільтри, рис.8.

а) б)

Рис.8. Схеми вмикання складних –фільтрів: а – Г-подібний; б – П–подібний

Для Г–подібного -фільтра коефіцієнт згладжування , для П–подібних –фільтрів .

Основними вимогами при виборі - і –фільтри є відсут-ність резонансних явищ і впливу перехідних процесів на роботу ви-прямляча.

Основними недоліками наявних згладжувальних фільтрів є знач-ні габарити, залежність коефіцієнта згладжування від струму наван-таження, виникнення перехідних процесів і ін.

Вказані недоліки майже відсутні в активних згладжувальних фі-льтрах, до яких відносяться транзисторні згладжувальні фільтри. Принцип роботи транзисторного фільтра, рис.9, наступний.

Струм колектора (точка А на рис.9, б) майже не залежить від на-пруги на колекторі і при зміні напруги колектора точка А теж буде переміщуватись, але по ледь похилій лінії, тобто зміна напруги не викликає суттєвої зміни струму, ось чому напруга на на-вантаженні майже не буде змінюватись.

а

б

Рис.9. Схема транзисторного згладжувального фільтра (а) і вихідні

характеристики (б)

Оскільки характеристика не зовсім паралельна осі , то знач-но зменшені пульсації додатково будуть згладжені конденсатором . Для підтримання сталим струму емітера використовується ланка з великою сталою часу в зв’язку з чим напруга на кон-денсаторі за період пульсації не встигає суттєво змінитися і від-повідно змінитися струму емітера і, як наслідок, струму колектора.

Транзисторні згладжувальні фільтри ефективні при значних стру-мах навантаження і малих напругах живлення. Основним недоліком таких фільтрів є їх залежність режиму роботи від температури і необхідність захисту від перевантажень (резистор ).