Сглаживающие фильтры

Рассмотренные схемы выпрямления переменно­го тока позволяют получать выпрямленное, но пуль­сирующее напряжение. Для питания электронных приборов пульсирующее напряжение непригодно: оно создает фон переменного тока, вызывает иска­жения сигналов и приводит к неустойчивой работе приборов. Для устранения пульсаций (сглаживания) применяют сглаживающие фильтры.

Сглаживающий фильтр состоит из реактивных элементов: конденсаторов и катушек индуктивнос­ти (дросселей). Сущность работы сглаживающего фильтра состоит в разделении пульсирующего тока i(t) на постоянную I₀ и переменную i₌ составляю­щие (рис. 12.9). Постоянная составляющая направ­ляется в нагрузку, а нежелательная переменная за­мыкается через конденсатор, минуя нагрузку.

Рис. 12.9

Физическая сущность работы в фильтре конден­сатора и дросселя состоит в том, что конденсатор (обычно большой емкости), подключенный парал­лельно нагрузке, заряжается при нарастании импуль­сов выпрямленного напряжения и разряжается при их убывании, сглаживая тем самым его пульсации. Дроссель, наоборот, при нарастании импульсов выпрямленного тока в результате действия ЭДС само­индукции задерживает рост тока, а при убывании импульсов задерживает его убывание, сглаживая пульсации тока в цепи нагрузки. С другой стороны, конденсатор и дроссель можно рассматривать как не­кие резервуары энергии. Они запасают ее, когда ток в цепи нагрузки превышает среднее значение, и отда­ют, когда ток стремится уменьшиться ниже среднего значения. Это и приводит к сглаживанию пульсаций. Рассмотрим несколько подробнее емкостной фильтр, в котором на выходе двухполупериодного выпрямителя параллельно нагрузке R включен кон­денсатор С (рис. 12.10).

Рис. 12.10

При возрастании выпрямленного напряжения (при открытом диоде VD₁) конденсатор зарядится (рис. 12.11, а), а при убывании выпрямленного на­пряжения полярность напряжения на диоде изме­нится на противоположную, и диод закроется, отклю­чив вторичную обмотку трансформатора от нагруз­ки. Ток через диод будет иметь форму короткого импульса (рис. 12.11, б).

Когда входной сигнал начинает падать в отрица­тельном направлении, конденсатор разряжается че­рез нагрузку. Скорость разряда конденсатора зави­сит от постоянной времени RC, а, следовательно, от сопротивления нагрузки. Постоянная времени раз­ряда велика по сравнению с периодом переменного тока. Следовательно, период заканчивается раньше, чем конденсатор может разрядиться. Поэтому пос­ле первой четверти периода ток через нагрузку под­держивается разряжающимся конденсатором. Как только конденсатор начинает разряжаться, напря­жение на нем уменьшается. Однако до того как кон­денсатор полностью разрядится, начнется следую­щий период синусоиды. На аноде диода опять по­явится положительный потенциал, что позволит ему проводить ток. Конденсатор зарядится снова, и цикл повторится. В результате пульсации напряжения сгладятся, и выходное напряжение фактически по­высится.

Рис. 12.11

Чем больше емкость конденсатора, тем больше постоянная времени RC. Это приводит к более мед­ленному разряду конденсатора, что повышает выход­ное напряжение. Наличие конденсатора позволяет диоду в цепи проводить ток в течение короткого периода времени. Когда диод не проводит, конденса­тор обеспечивает нагрузку током. Если нагрузка

потребляет большой ток, то должен использоваться конденсатор большой емкости.

Целью фильтрующего конденсатора является сглаживание пульсаций постоянного напряжения выпрямителя. Качество работы фильтра определя­ется величиной пульсаций, остающихся в постоян­ном напряжении. Величину пульсаций можно уменьшить путем использования конденсатора боль­шей емкости или путем увеличения сопротивления нагрузки. Обычно сопротивление нагрузки опреде­ляется при расчете цепи. Следовательно, емкость фильтрующего конденсатора определяется допусти­мой величиной пульсаций.

Необходимо отметить, что фильтрующий конден­сатор создает дополнительную нагрузку на диоды, используемые в выпрямителе. Конденсатор заряжа­ется до максимального значения напряжения вто­ричной обмотки и удерживает это значение в тече­ние всего цикла входного напряжения. Когда диод становится смещенным в обратном напряжении, он запирается и максимальное отрицательное напря­жение попадает на анод диода. Фильтрующий кон­денсатор удерживает максимальное положительное напряжение на катоде диода. Следовательно, разность потенциалов на диоде в два раза превышает макси­мальное значение напряжения вторичной обмотки. Для выпрямителя должен быть выбран диод, выдер­живающий такое напряжение.

Максимальное напряжение, которое может выдер­жать диод, будучи смещенным, в обратном направ­лении, называется импульсным обратным напря­жением диода. Импульсное обратное напряжение ди­ода, выбранного для выпрямителя, должно быть выше, чем удвоенное максимальное напряжение вто­ричной обмотки. В идеале диод должен работать при 80% номинального значения обратного напряжения для того, чтобы выдержать изменения входного на­пряжения. Это касается как однополупериодного, так и двухполупериодного выпрямителя. Но это не так для мостового выпрямителя.

К диодам в мостовом выпрямителе никогда не прикладывается напряжение, большее, чем макси­мальное значение напряжения вторичной обмотки, поскольку в каждом полупериоде работают по два последовательно включенных диода. Возможность использования диодов с более низкими значениями импульсного обратного напряжения является еще одним преимуществом мостового выпрямителя.

Следует отметить, что пиковое значение тока, про­текающего через диод, может во много раз превы­шать ток нагрузки, что опасно для целостности дио­да. Б реальной цепи ток через диод возрастает не мгновенно и передний фронт импульса тока также закруглен.

Наиболее распространенными сглаживающими фильтрами в выпрямителях электронных приборов являются П-образные LC-фильтры (рис. 12.12, а). В них постоянная составляющая выпрямленного тока, свободно проходящая через дроссель Др. , попадает затем в нагрузку и замыкается через трансформа­тор. Переменные составляющие, замыкаясь через большие емкости С₁ и С₂ , в нагрузку не проходят.

При небольших, токах нагрузки успешно работа­ет Г-образный фильтр (рис. 12.12, б), а при малых токах нагрузки в качестве сглаживающего фильтра достаточно включить конденсатор (рис. 12.12, в), что и делается в переносных радиоприемниках и маг­нитолах. Во многих случаях дроссель заменяют ре­зистором, что несколько снижает качество фильтра­ции, но зато значительно удешевляет фильтр (рис. 12.12, г, д). В наиболее ответственных случаях сгла­живающий фильтр делают многозвенным, состоящим из нескольких П-образных или Г-образных LC или RC фильтров (рис. 12.12, е).

А Б

В Г

Д Е

Рис. 12.12