Сглаживающие фильтры питания

      Сглаживающие фильтры питания предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Принцип работы простой – во время действия полуволны напряжения происходит заряд реактивных элементов (конденсатора, дросселя) от источника – диодного выпрямителя, и их разряд на нагрузку во время отсутствия, либо малого по амплитуде напряжения.

Основные схемы сглаживающих фильтров питания

1. Ёмкость	2. Г-образный	3. Т-образный	4. П-образный

      Простейшим методом сглаживания пульсаций является применение фильтра в виде конденсатора достаточно большой ёмкости, шунтирующего нагрузку (сопротивление нагрузки). Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие:

1 / (ωС) << Rн

      Во время действия синусоидального сигнала, когда напряжение на диоде выпрямителя прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к максимальному. Когда напряжение на выходе диодного выпрямителя оказывается меньше напряжения заряда конденсатора, конденсатор разряжается через нагрузку R_н и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается по мере разряда конденсатора через нагрузку. В каждый следующий полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает. 

Чем больше емкость С и сопротивление нагрузки R_н, тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе среднее значение выходного напряжения U_ср к максимальному значению синусоиды U_max. Если нагрузку вообще отключить, то в режиме холостого хода на конденсаторе получится постоянное напряжение равное U_max, без всяких пульсаций.        Работа простейшего сглаживающего фильтра на конденсаторе в цепи однополупериодного выпрямителя поясняется рисунком и эпюрами:

Рис.6.11

      Красным цветом показано напряжение на выходе выпрямителя без сглаживающего конденсатора, а синим – при его наличии.        Если пульсации должны быть малыми, или сопротивление нагрузки R_н мало, то необходима чрезмерно большая емкость конденсатора, т.е. сглаживание пульсаций одним конденсатором практически осуществить нельзя. Приходится использовать более сложный сглаживающий фильтр.        Работа сглаживающего Г-образного фильтра на конденсаторе и дросселе в цепи двухполупериодного мостового выпрямителя поясняется рисунком и эпюрами:

Рис. 6.12.

Как и в примере с однополупериодным выпрямителем, красным цветом показано напряжение на выходе выпрямителя без сглаживающих элементов (конденсатора и дросселя), а синим – при их наличии. 

Логично следует, что чем больше ёмкости и индуктивности фильтров, и чем больше в нём реактивных элементов (сложнее фильтр), тем меньше коэффициент пульсаций такого выпрямителя.

В качестве сглаживающих конденсаторов используются электролитические конденсаторы. Чем больше ёмкость, тем лучше. Кроме того, для надёжности, конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение в полтора-два раза превышающее выходное напряжение диодного моста.

Порядок расчета выпрямителя напряжения

Точный аналитический расчет выпрямителей представляет определенные трудности, в связи с тем, что полупроводниковые приборы, применяемые в качестве преобразователей переменного напряжения в постоянное напряжение, являются нелинейными элементами. Расчет таких электрических цепей проводится по приближенным формулам с использованием графических зависимостей.

В табл. 6.3. приведены формулы для расчета схем выпрямителей, приведенных на рис. 6.5 – 6.10. Для определения параметров элементов выпрямителя необходимо нахождение коэффициентов B, D, F и H. Чтобы приступить к нахождению данных коэффициентов, необходимо рассчитать следующие базовые величины:

1. Внутреннее сопротивление вентиля

,

где U_пр – прямое падение напряжения на вентиле (0,4 – 0,5 В для германиевых диодов и 1,0 – 1,1 В для кремниевых диодов), k_В – коэффициент, учитывающий динамические свойства характеристики диода (2,0 – 2,2 для германиевых диодов и 2,2 – 2,4 для кремниевых диодов), I_ОВ – среднее значение тока вентиля выбирается по таблице 6 для соответствующей схемы выпрямления.

Таблица6.3.

.2. Активное сопротивление обмоток трансформатора

где k_r – коэффициент, зависящий от схемы выпрямления, определяется по таблице 7; B – магнитная индукция в сердечнике, Т. Величину магнитной индукции В для трансформаторов мощностью до 1000 Вт можно предварительно принимать равной 1,2 – 1,6 Т для сети с частотой тока 50 Гц и 1,0 – 1,3 Т для сети с частотой тока 400 Гц; f – частота переменного тока питающей сети; s – число стержней сердечника трансформатора (s = 1 для броневой, s = 2 для стержневой и s = 3 для трехфазной конфигурации магнитопровода).

Таблица 6.4.

Схема выпрямления	kr
Однофазная однополупериодная	2,3
Однофазная двухполупериодная, с выводом средней точки	4,7
Однофазная мостовая	3,5
Удвоения	0,9
Трехфазная однополупериодная, с выводом нулевой точки	6,9
Трехфазная двухполупериодная мостовая (схема Ларионова)	4,5

3. Активное сопротивление фазы выпрямителя

.

4. Основной расчетный коэффициент А

где p – число импульсов пульсаций в цепи выпрямленного тока за период переменного напряжения. Для схемы на рис.6.5 p = 1; на рис. 6.6, 6.7, 6.8 p = 2; на рис. 6.9 p = 3; на рис.6.10 p = 6.

5. Проводят определения вспомогательных коэффициентов B, D, F и H по графикам, приведенным на рис. 6.11, 6.12, 6.13.

6. С помощью коэффициентов B, D, F и H по формулам таблицы 6 проводят расчет параметров выпрямителя.

7. По значениям U_ОБР и I_В с помощью справочных данных для диодов, приведенных в табл. 6.5, выбираем тип выпрямительных диодов. Выбранные из справочной таблицы данные диодов должны несколько превосходить расчетные значения, создавая, тем самым, запасной ресурс мощности выпрямителя.

Таблица 6.5.

Тип диода	Электрические параметры при tОКР = + 20 ± 50 С
	Наибольшая амплитуда обратного напряжения, В	Наибольший выпрямленный ток (среднее значение), А	Обратный ток при наибольшем обратном напряжении, мА	Падение напряжения в прямом направлении при наибольшем токе, В
Германиевые диоды
Д7А	50	0,3	0,3	0,5
Д7Б	100	0,3	0,3	0,5
Д7В	150	0,3	0,3	0,5
Д7Г	200	0,3	0,3	0,5
Д7Д	300	0,3	0,3	0,5
Д7Е	350	0,3	0,3	0,5
Д7Ж	400	0,3	0,3	0,5
Д302	200	1	1	0,25
Д303	150	3	1	0,3
Д304	100	5	3	0,3
Д305	50	10	3	0,35
Кремниевые диоды
Д217	800	0,1	0,05	0,7
Д218	1000	0,1	0,05	0,7
МД226	400	0,3	0,03	1,0
МД226А	300	0,3	0,03	1,0
Д229А	200	0,4	0,05	1,0
Д229Б	400	0,4	0,05	1,0
Д230А	200	0,3	0,05	1,0
Д230Б	400	0,3	0,05	1,0
Д231А,	300	10	3	1,0
Д231Б,	300	5	3	1,5
Д237А	200	0,3	0,05	1,0
Д237Б	400	0,3	0,05	1,0
Д237В	600	0,1	0,05	1,0
Д232А,	400	10	3	1,0
Д232Б,	400	5	3	1,0
Д233,	500	10	3	1,5
Д233Б,	500	5	3	1,0
Д234Б,	600	5	3	1,5
Д242,	100	5	3	1,5
Д242А,	100	10	3	1,0
Д242Б,	100	2	3	1,0
Д243,	200	5	3	1,0
Д243А,	200	10	3	1,0
Д243Б,	200	2	3	1,0
Д244,	50	5	3	1,0
Д244А,	50	10	3	1,0
Д244Б,	50	2	3	1,0
2Д201А,	100	5	3	1,0
2Д201Б,	100	10	3	1,0
2Д201В,	200	5	3	1,0
2Д201Г,	200	10	3	1,0
Д1004	2000	0,1	0,1	4,0
Д1005А	4000	0,5	0,1	4,0
Д1005Б	4000	0,1	0,1	6,0
Д1006	6000	0,1	0,1	6,0
Д1007	8000	0,075	0,1	6,0
Д1008	10000	0,05	0,1	6,0
Д1009	2000	0,1	0,1	7,0
Д1009А	1000·2	0,1·2	0,1	3,5
Д1010	2000	0,3	0,1	11,0

8. Определив по графику на рис. 6.13 значение коэффициента H и задаваясь коэффициентом пульсаций K_п% на выходе выпрямителя по таблице 5, определяют емкость конденсатора, необходимую для получения заданного коэффициента пульсаций по формуле из таблицы 6

откуда имеем

9. По справочнику необходимо выбрать тип конденсатора, его номинальную емкость и номинальное напряжение. Номинальное напряжение конденсатора должно не менее чем на 20% превосходить значение напряжения на нагрузке.