Тема: Згладжуючі фільтри. Ємнісний фільтр

Самостійна робота № 25

Згладжуючим фільтром називають пристрій, призначений для зменшення пульсацій випрямленої напруги.

Як наголошувалося, випрямлена напруга є пульсуючою можна виділити постійні і змінні складові. Коефіцієнти пульсацій випрямлених напруг, обчислені, мають наступні значення:

Для однонапівперіодного однофазного випрямляча..... 1,57

» двонапівперіодного однофазного випрямляча............... 0,67

» трифазного випрямляча з нейтральним висновком...0,25

» трифазного мостового випрямляча................................. 0,057

З такими коефіцієнтами пульсацій випрямлена напруга в переважній більшості випадків використовувати не можна, оскільки при цьому робота електронних блоків і пристроїв різко погіршується або взагалі недопустима. Залежно від призначення того або іншого електронного блоку (підсилювача, генератора і т. д.), його місця в електронному пристрої або системі (на вході, виході і т. д.) коефіцієнт пульсацій напруги живлення не повинен перевищувати певних значень. Так, для основних каскадів автоматичних систем він не повинен перевищувати 10^-2—10^-3, для вихідних посилювальних каскадів —

10^-4—10^-5, для автогенераторів— 10^-5-10^-6, а для вхідних каскадів електронних вимірювальних пристроїв — 10^-6—10^-7.

Основними елементами згладжуючих фільтрів є конденсатори, індуктивні котушки і транзистори, опори яких різні для постійного і змінного струмів. Для постійного струму опір конденсатора рівний нескінченності, а опір, індуктивної котушки дуже мало. Опір транзистора постійному струму (статичний опір) на два-три--порядку менше опору змінному струму (динамічний опір). Основним параметром, що характеризує ефективність дії згладжуючого фільтру, є коефіцієнт згладжування, рівний відношенню коефіцієнтів пульсацій на вході і виході фільтру:

q=p_вх/p_вых (1)

Окрім виконання вимоги до коефіцієнта згладжування фільтри повинні мати мінімальне падіння постійної напруги на елементах, мінімальні габарити, масу і вартість.

Залежно від типу фільтруючого елементу розрізняють, індуктивних і електронних фільтри, місткостей. По кількості фільтруючих ланок фільтри діляться на одноланкові і багатоланкові.

Фільтри, місткостей. Цей тип фільтрів відноситься до одноланковим фільтрів. Фільтр, місткості, включають паралельно резистору, навантаження R_н (рис. 1, а). Роботу фільтру, місткості, зручно розглядати за допомогою тимчасових діаграм, зображених на рис. 1, б. У інтервал часу t₁ — t₂ конденсатор через відкритий діод Д заряджається до амплітудного значення напруги u₂, так як у цей період напруга u₂>u_с. У цей час струм i_a = i_c=i_н. У інтервал часу t₂-t₃, коли напруга и₂ становиться менше напруги на конденсаторі и_с, конденсатор розряджається на навантажений резистор R_н, заповнюючи розрядним струмом паузу у навантаженому струмі i_н, яка має у однонапівперіодному випрямлячі у відсутності фільтра. У цей інтервал часу напруга на резисторі R_н знижується до деякого значення, відповідного часу t₃, при якому напруга u₂ у позитивний напівперіод стає рівним напрузі на конденсаторі u_с. Після цього діод знов відкривається, конденсатор С_ф Починає заряджати і процеси зарядки і розрядки конденсатора повторюються.

Рисунок 1 - Схеми ємнісних фільтрів з однонапівперіодним (а) і мостовим (б) випрямлячами, часові діаграми напруг та струмів однонапівперіодного (в) та мостового (г) випрямлячів з ємнісним фільтром

 

Часові діаграми струму і напруг двонапівперіодного мостового випрямляча з фільтром (рис. 1,в), місткості, приведені на рис. 1,г. Аналіз тимчасових діаграм показує, що із зміною місткості конденсатора С_ф або опори резистора, навантаження R_н змінюватиметься значення коефіцієнта пульсацій випрямленої напруги. При цьому чим менше розрядиться конденсатор, тим менше будуть пульсації у випрямленому струмі 1_н. Розряд конденсатора С_ф визначається постійної часу розрядки = С_фR_н при постійною часу t_разр³10 Ткоефіцієнт пульсацій, визначається по формулі

(2)

де f_осн — частота основної гармоніки, не перевищує 10^-2.

Робота випрямляча з фільтром, місткості, істотно залежить від зміни струму, навантаження. Дійсно, при збільшенні струму t_н, що відбувається при зменшенні опору R_н, постійна часу т_разр зменшується. Зменшується і середнє значення випрямленої напруги U_н.cp, а пульсації зростають.

При використанні фільтру, місткості, слід враховувати, що максимальне значення струму діода i_a визначається лише опорами діода R_пр і вторинної обмотки трансформатора, тому воно може досягати значень, великих I_пр.mах. Такий великий струм може вивести з ладу діод. Для запобігання цьому послідовно з діодом необхідно включати додатковий резистор. Крім того, слід враховувати, що напруга U_{обр max}, що прикладається до діода, в два рази перевищує U_2m, оскільки у момент часу, коли діод замкнутий, напруги на конденсаторі і на вторинній обмотці трансформатора складаються.

Фільтр, місткості, доцільно застосовувати з високоомним резистором навантаження R_н при потужності Р_н не більш кількох десятків Ватт.

(3)