1.3. Сглаживающие фильтры

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения до необходимого уровня. Коэффициенты пульсаций для рассмотренных в предыдущем параграфе схем превышают единицу, а для напряжений, применяемых для питания радиоэлектронных схем, коэффициент пульсаций k_п должен составлять от 10^–2 до 10^–7. Таким образом, выпрямленное напряжение непосредственно использовано быть не может, сначала необходимо отфильтровать переменные составляющие так, чтобы их величина не превышала допустимую.

Рис. 9. Сглаживающие фильтры:

а – емкостной; б – RC-фильтр; в – индуктивный; г – индуктивно-емкостной

Основные схемы сглаживающих фильтров приведены на рисунке 9, причем входным напряжением для них является пульсирующее выходное напряжение u_в выпрямителя с внутренним сопротивлением r. Оценку эффективности применения того или иного фильтра производят обычно по коэффициенту сглаживания k_c, который определяет степень подавления первой гармоники пульсирующего напряжения (вклад высших гармоник в пульсации напряжения в данном случае пренебрежимо мал). Коэффициент сглаживания определяется как отношение амплитуды первой гармоники входного напряжения фильтра U_в1 к амплитуде первой гармоники выходного напряжения U₂₁:

k_c = U_в1/U₂₁.

Очевидно, коэффициент сглаживания обратно пропорционален значению АЧХ фильтра на частоте пульсаций  = 2/T, то есть

k_c = 1/|K(j)|.

Найдем значения коэффициента сглаживания каждого из приведенных на рисунке 9 фильтров. Частотная характеристика емкостного фильтра (рис. 9, а) определяется выражением

.

Таким образом, коэффициент сглаживания данного фильтра равен

и при фиксированных значениях r и R_н его можно повысить только за счет увеличения фильтрующей емкости C. Здесь, как и ранее,  – циклическая частота пульсаций.

Емкостные фильтры применяются в основном в источниках питания усилителей мощности и генераторов, не критичных к высоким уровням пульсаций питания. Достоинствами данного фильтра являются его простота и невысокая стоимость. Существенным недостатком емкостного фильтра является то, что в момент его включения (когда конденсатор не заряжен) ток заряда емкости C может быть настолько велик, что диоды выпрямителя могут выйти из строя.

Этого недостатка лишен RC-фильтр, схема которого приведена на рисунке 9, б. Расчет коэффициента сглаживания данного фильтра дает следующее выражение:

.

Недостатком RC-фильтров является значительное падение напряжения на сопротивлении R, что приводит к необходимости повышения входного напряжения и снижению КПД фильтра. В этом смысле предпочтительнее применять индуктивный фильтр (рис. 9, в). Коэффициент сглаживания индуктивного фильтра определяется формулой:

.

Для эффективного сглаживания индуктивность дросселя L выбирают из условия

,

что особенно выгодно при малых нагрузках.

Для индуктивно-емкостного фильтра (рис. 9, г), который сочетает в себе преимущества емкостного и индуктивного фильтров, коэффициент сглаживания определяется выражением

.

Для получения больших значений коэффициента сглаживания используют многозвенные фильтры, то есть каскадные соединения рассмотренных схем.