Сглаживающий фильтр.
Полученное
с помощью выпрямителя однополярное
напряжение непригодно для дальнейшего
использования, поскольку его уровень
падает до нуля. При этом ни одна схема
стабилизатора не работоспособна. Для
уменьшения провалов напряжения используют
сглаживающие фильтры, призванные
уменьшить уровень пульсаций выходного
напряжения выпрямителя до уровня, при
котором стабилизатор работает устойчиво.
Существуют различные виды сглаживающих
фильтров, однако, наиболее широко
используется фильтр на основе конденсатора
значительной емкости. Работа такого
фильтра имеет свои особенности, отличающие
его от фильтров нижних частот. Если
фильтр нижних частот работает с источником
напряжения, имеющим постоянное выходное
напряжение, то сглаживающий фильтр
работает с выходным напряжением
выпрямителя, имеющим в течение периода
различные выходные сопротивления. В
сущности, поэтому он имеет отдельное
название – сглаживающий фильтр.
Рис.1.5.
Схема сглаживающего фильтра – а),
временные диаграммы, поясняющие его
работу – б), эквивалентные схемы фильтра
в различные интервалы времени – в), г)
Рассмотрим
работу фильтра в установившемся режиме
при неизменной нагрузке, то есть когда
картина изменения напряжения на нагрузке
повторяется от периода к периоду. При
подключении конденсатора
к выпрямителю характер его работы
изменяется таким образом, что интервал
времени, в течение которого диод VD
открыт, сокращается и становится меньше,
чем
.
Причем, чем больше конденсатор
,
тем меньше интервал времени открытия
диода VD
(
,
см. рис.1.5б). Это объясняется тем, что
положительное напряжение на конденсаторе
приложено к катоду диода VD
в отличие от выпрямителя без сглаживающего
фильтра (рис.1.2…1.4), а диод открывается
только тогда, когда напряжение на аноде
больше, чем на катоде. Таким образом, в
интервалы времени
,
(рис.1.5б) эквивалентная схема выпрямителя
со сглаживающим фильтром выглядит так,
как это показано на рис.1.5в. В эти интервалы
времени напряжение
прикладывается через открытый диод VD
к параллельно соединенным
и
.
После того, как напряжение
достигнет максимального значения и
начнет спадать, диод VD
запирается, поскольку
больше, чем
и конденсатор
и резистор
отключаются от трансформатора. Это
состояние продолжается до тех пор, пока
напряжение на
не станет меньше, чем
(момент времени
рис.1.5б). Данное состояние схемы
продолжается больше, чем
.
Этому состоянию соответствует
эквивалентная схема, представленная
на рис.1.5г. Ток в нагрузке протекает
только за счет разряда конденсатора
.
В результате выходное напряжение на
нагрузке имеет вид, представленный на
рис.1.5б. Откуда видно, что использование
сглаживающего фильтра
снижает пульсации выходного напряжения.
Без фильтра они были равны
,
а с фильтром –
.Для
расчета значения емкости
по заданной пульсации
и току нагрузки
примем следующие допущения. Положим,
что интервал времени открытия диода
много меньше, чем интервал времени, в
течение которого он закрыт. Положим
также, что емкость
разряжается током
.
Тогда справедливо следующее соотношение
,где
– пульсация напряжения на конденсаторе
(она же и на нагрузке);
– ток нагрузки, ток которым разряжается конденсатор ;
– интервал
времени, в течение которого происходит
разряд конденсатора
.
для однополупериодного выпрямителя равно Т – периоду питающего сетевого напряжения и – для двухполупериодного выпрямителя.
Например,
для
,
,
.
В результате получился конденсатор, емкость которого велика. Это, как правило, электролитический конденсатор, допуск на значение емкости которого находится на уровне десятков процентов. Данное обстоятельство лишний раз подчеркивает корректность сделанных допущений и применимость формулы для инженерных расчетов