Сглаживающие фильтры и оценка эффективности их работы.

Большинство потребителей постоянного тока критично к пульсации питающего напряжения. Хорошее качество выпрямленного напряжения может быть обеспечено максимальным снижением коэффициента пульсации. Для этой цели используют сглаживающие фильтры, простейшими вариантами которых являются емкостный, индуктивный и индуктивно-емкостный фильтры.

Эффективность сглаживающих фильтров оценивается по значению коэффициента сглаживания Sk [см. (12.2)]. Даже для фильтров простейших типов S_k=10...100 и более. При использовании сложных многозвеньевых емкостных фильтров значение S_k может достигать многих тысяч.

Емкостный сглаживающий фильтр представляет собой конденсатор С_ф, включаемый в схему выпрямителя параллельно нагрузке R_н (рис. 12.10, а). На рис. 12.10, б показаны графики изменения выпрямленного напряжения питания u(t) на выходе мостовой схемы выпрямления при отсутствии фильтра (пунктир) и напряжений на конденсаторе u_C(t) и нагрузке u_н(t). Так как конденсатор подключен параллельно нагрузке, то

Принцип работы емкостного фильтра состоит в следующем. В начальном интервале времени ∆t₁=t₂-t₁ (рис. 12.10, б) происходит зарядка конденсатора, так как с момента t₁ напряжение питания u(t₁) становится равным напряжению на конденсаторе u_C(t₁) и далее повышается по синусоидальному закону. При этом через соответствующие диоды выпрямителя (VD1, VD3 или VD2, VD4) протекает ток i_Д(t), обеспечивающий питание нагрузки R_н, и зарядку конденсатора С_ф.

Рис. 12.10. Схема двухполупериодного выпрямителя с емкостным сглаживающим фильтром (а) и временная диаграмма ее работы (б)

В следующем интервале времени ∆t₂=t₃-t₂ напряжение на конденсаторе u_C(t₂)>u(t₂), а потому наблюдается разрядка конденсатора С_ф на резистор R_н, что препятствует снижению напряжения на нагрузке до нулевого значения, как это имеет место при отсутствии фильтра С_ф. В рассматриваемом интервале ток через диоды выпрямляющей схемы не протекает и ток i_н нагрузки обеспечивается энергией, накопленной в конденсаторе С_ф за время t₁.

В последующие интервалы времени (∆t3=t₄-t₃, ∆t₄=t₅-t₄ и т. д.) наблюдаются соответственно процессы, аналогичные описанным.

Эффективная работа емкостного фильтра обеспечивается при выполнении условия

Тогда расчетная емкость фильтра

(12.12)

В маломощных цепях (R_н велико) условие (12.12) можно выполнить при относительно приемлемых значениях С_ф. Для мощных цепей (R_н мало) емкостные фильтры малоэффективны.

Индуктивный сглаживающий фильтр представляет собой индуктивную катушку (дроссель) L_ф, включаемую в схему выпрямителя последовательно с нагрузочным резистором R_н, (рис. 12.11, а). Временная диаграмма работы фильтра показана на рис. 12.11, б. В течение каждого полупериода Т/2 одновременно с повышением выпрямленного напряжения питания u(t) наблюдается соответствующий рост тока нагрузки i_н, связанный с накоплением энергии магнитного поля в дросселе L_ф. Расход указанной энергии при снижении напряжения u(t) и обеспечивает (как показано штриховкой) сглаживание пульсаций на нагрузке.

Рис. 12.11. Схема двухполупериодного выпрямителя с индуктивным сглаживающим фильтром (а) и временная диаграмма ее работы (б)

Эффективной работы индуктивного фильтра добиваются, выполняя условие

(12.13)

Нетрудно заметить, что реализация условия (12.13) для основной гармоники обеспечивает более полное выполнение этого условия для высших гармоник, имеющих большие угловые частоты

где k= 1, 2,... — номер гармоники. Таким образом, индуктивный фильтр L_ф, обладая для основной и высших гармоник существенно большим реактивным сопротивлением, чем R_н, подавляет указанные гармоники тока, и они не создают падения напряжения на нагрузочном резисторе R_н. В то же время для постоянной составляющей выпрямленного тока дроссель представляет ничтожно малое сопротивление, а потому на нагрузке получают постоянное напряжение без заметных его потерь.

Вновь обращаясь к выражению (12.13), получают формулу для расчета индуктивных фильтров:

(12.14)

Условие (12.14) свидетельствует об эффективности индуктивных фильтров в мощных цепях, т. е. при малых значениях R_н. На практике более эффективны комбинированные индуктивно-емкостные (Г-образные) фильтры.