Фільтри, що згладжують: схеми, діаграми, принцип роботи

Випрямлена напруга має суттєві пульсації, тому широко використовують фільтри, що згладжують − пристрої, що зменшують ці пульсації. Найважливішим параметром фільтра, що згладжує, є коефіцієнт згладжування S. За визначенням S = ε₁ /ε₂, причому ε₁ та ε₂ визначають як коефіцієнти пульсацій на вході та виході фільтра відповідно.

Для ємнісного фільтра, у якого вхід та вихід фактично збігаються, під ε₁ розуміють коефіцієнт пульсацій до підключення фільтра, а під ε₂ - Коефіцієнт пульсацій після його підключення. Коефіцієнт згладжування показує, скільки разів фільтр зменшує пульсації. На виході фільтра напруга виявляється добре згладженою, а коефіцієнт пульсацій може мати значення в діапазоні 0,001. 0,00003.

Найпростішим фільтром є ємнісний фільтр (С-фільтр). Розглянемо його роботу з прикладу однофазного однополуперіодного випрямляча (рис. 2.78). Ємнісний фільтр підключають паралельно до навантаження (рис. 2.78, а).

На відрізку часу t₁ … t₂ діод відкритий та конденсатор заряджається (рис. 2.78, б).
На відрізку t₂ … t₃ діод закритий, джерело вхідної напруги відключено від конденсатора та навантаження. Розряд конденсатора характеризується експонентою постійного часу t = R_hC. Струм через діод протікає тільки частина напівперіоду (відрізок t₁ … t₂). Чим коротше відрізок t₁ … t₂тим більше амплітуда струму діода при заданому середньому струмі навантаження.

Якщо ємність дуже велика, то відрізок t1 . t2 виявляється дуже малим, а амплітуда струму діода дуже великий, і діод може вийти з ладу.Такий фільтр широко використовується у малопотужних випрямлячах; у сильних випрямлячах він використовується рідко, оскільки режим роботи діода і відповідних електричних ланцюгів (наприклад, обмоток трансформатора) досить важкий.

Як фільтр можна використовувати і індуктивність. Легко довести, що індуктивний фільтр (L-фільтр) практично не дає корисного ефекту в однофазному однопівперіодному випрямлячі. Розглянемо роботу індуктивного фільтра з прикладу однофазного мостового випрямляча. Індуктивний фільтр включають послідовно з навантаженням (рис. 279 а). Часто використовують котушку індуктивності (реактор) на магнітному осерді із зазором.
Припустимо, що постійна часу T, що визначається виразом T = L/R_h, Досить велика (як це зазвичай буває на практиці). Тоді струм навантаження виявляється практично незмінним (рис. 2.79, б).

Такий фільтр широко використовується у випрямлячах, особливо потужних. Режим роботи діодів (і відповідних електричних кіл) не є важким.

На практиці використовують також такі типи фільтрів (рис. 2.80): індуктивно-ємнісний або Г-подібний LC-фільтр (а), Г-подібний R-фільтр (б), П-подібний L-фільтр (в), П- подібний RС-фільтр (г).
Зазвичай Г- та П-подібні RC-фільтри застосовуються тільки в малопотужних схемах, оскільки вони споживають значну частку енергії. Насправді застосовують та інші, складніші фільтри.

Зовнішні характеристики випрямлячів із фільтрами.

Зовнішня характеристика- Це залежність середнього значення вихідної напруги (напруги на навантаженні) від середнього значення вихідного струму (струму навантаження). При збільшенні вихідного струму вихідна напруга зменшується через збільшення падіння напруги на обмотках трансформатора, діодах, проводах, що підводять, елементах фільтра.

Розглянемо типові зовнішні характеристики (рис. 2.81), які одержують, змінюючи опір навантаження, підключений до виходу фільтра.
Нахил зовнішньої характеристики при тому чи іншому струмі 1СР характеризують вихідним опором R_виx, Яке визначається виразом R_виx = | dU_ср/dI_ср|_{Iср - заданий}

Чим менша величина R_виxтим менше вихідна напруга залежить від вихідного струму, що зазвичай і потрібно.

Як випливає з рис. 2.81 випрямляч з RC-фільтром характеризується підвищеним вихідним опором. Тут негативну роль грає резистор фільтра.

Фільтри, що згладжують

Вихідна напруга будь-якого випрямляча має пульсуючу форму. При цьому частота та амплітуда пульсацій залежать від схеми та визначаються величиною, яка називається пул'сност'ю схеми та визначається як gm₂, де g - число, що приймає значення, що дорівнює 1, для нульових схем випрямлення, і 2 - для бруківки, а т₂ — кількість вторинних обмоток трансформатора. Мал. 3.1. До визначення пульсності схеми

Як видно із рис. 3.1 число пульсацій на виході випрямляча за період і є пульсність схеми gm₂. Очевидно, що зі зростанням пульсності gm₂ амплітуда пульсацій зменшується, частота пульсацій збільшується, тобто якість вихідної напруги випрямляча П_вих покращується. У загальному випадку крива вихідної напруги випрямляча (У_БИХ не синусоїдальна, тому якість П_вих оцінюється коефіцієнтом пульсацій - ставленням амплітуди 1-ї гармоніки U_ml вихідної напруги випрямляча до середнього значення вихідної напруги U_d: Щоб визначити напругу з амплітудою 1-ї гармоніки U_ml, миттєве значення U_d необхідно розкласти в ряд Фур'є де А_до і У_до визначаються за формулами і к - номер гармоніки.Перейдемо до нашої функції U_d = = 42Е₂cost>, тоді Тоді амплітуда k-ї гармоніки Якщо визначаємо по першій гармоніці, то k = 1 і Тоді коефіцієнт пульсацій по напрузі к^ визначається як Таким чином, для будь-якої схеми випрямлення, крім одно-напівперіодної, знаючи її пульсність, можна визначити коефіцієнт пульсацій по напрузі. Для однонапівперіодної схеми це не застосовується, оскільки gm₂ не повинен дорівнювати 1. Аналогічно можна для будь-якої схеми випрямлення визначити коефіцієнт пульсацій по струму - відношення амплітуди струму першої гармоніки до середнього значення випрямленої напруги: