3. Сглаживающие фильтры
Как видно из анализа работы схем выпрямления, получение постоянного напряжения осложнено наличием в нем пульсаций. Если потребитель постоянного напряжения предъявляет требование ограничения пульсаций, то для их уменьшения применяются фильтры, простейшими из которых являются емкостной и индуктивный.
Емкостной сглаживающий фильтр образуется конденсатором, подключенным к выходным клеммам схемы выпрямления, т.е. параллельно нагрузке (рис. 9). Напряжение на нагрузке в этом случае равно напряжению на конденсаторе и определяется процессами заряда и разряда конденсатора, поэтому носит сглаженный плавный характер.
Временные диаграммы изменения напряжений и токов для этой схемы приведены на рис. 9. Рассмотрим установившиеся процессы периодических изменений напряжения на конденсаторе.
При повышении напряжения U2T(t) наступит момент времени t1, когда оно станет равным напряжению на конденсаторе UС(t). Дальнейшее повышение напряжения определит процесс заряда конденсатора, т.е. повышения напряжения на нем.
Рис. 9
Для конденсатора с емкостью С этот процесс характеризуется постоянной времени TП = CR, где R – сопротивление цепи заряда. В данном случае оно мало и при анализе может быть принято равным нулю, т.e. TП = 0. Поэтому с момента t1 напряжение UС(t) будет равно изменяющемуся напряжению U2T(t). На интервале времени от t1 до t2 конденсатор заряжается и ток протекает через диоды V1 и V4.
Снижение напряжения на конденсаторе, разряжающемся через резистор RH, описывается уравнением
где TП – постоянная времени процесса разряда. В начале процесса снижения напряжения U2T(t) скорость его уменьшения будет мала и напряжение UС(t) по-прежнему будет равно U2T(t). С момента времени t2 напряжение U2T(t) станет убывать быстрее, чем UС(t).
Конденсатор разряжается через сопротивление RН до момента t1 следующего периода изменения напряжения U2T(t). Далее процесс заряда конденсатора аналогичен, но ток заряда протекает через диоды V3 и V2. Периодическое повторение процессов заряда и разряда конденсатора определяет характер изменения напряжения на нагрузке RН.
Выбор диодов для схемы выпрямителя по номинальному току и обратному напряжению часто требует введения поправочных коэффициентов в соответствующие формулы. Ток через диоды при наличии емкостного фильтра протекает короткими импульсами. При выборе диодов только по постоянной составляющей тока увеличивается вероятность возникновения в р-n-переходе опасных локальных перегревов во время импульса тока. В ряде схем выпрямления применение емкостного фильтра приводит к увеличению обратного напряжения на диодах. В справочной литературе приводятся значения необходимых поправочных коэффициентов. Емкостной фильтр широко используется в источниках питания электронных устройств.
Индуктивным фильтром является катушка с ферромагнитным сердечником, называемая дросселем. Дроссель включается последовательно в цепь тока нагрузки (рис. 10). Индуктивность дросселя уменьшает пульсации за счет действия ЭДС самоиндукции.
Рассмотрение процессов в цепи нагрузки выпрямителя с индуктивным фильтром удобно проводить с применением метода анализа по отдельным гармоническим составляющим токов и напряжений.
Рис. 10
Напряжение на входе схемы несинусоидальное. Разложение этой функции в ряд Фурье в общем виде:
Постоянная составляющая этого напряжения
обусловливает соответствующую
составляющую тока нагрузки:
Амплитуда каждой из гармонических составляющих тока нагрузки
где n = 2,4,6... – номер гармонической составляющей.
Суммируя все составляющие, можно получить аналитическое выражение для UН(t). Принципиально ток нагрузки имеет одинаковый с напряжением U2(t) гармонический состав. Но возрастание индуктивного сопротивления дросcеля с увеличением номера гармоники приведет к значительному снижению амплитуд высших гармоник. Практически при некотором значении тока IНСР ими можно пренебречь.
Сглаживающее действие фильтра зависит от величины индуктивности. В режиме холостого хода ток в цепи дросселя не протекает, фильтр не действует. Подключение нагрузки RН и уменьшение ее сопротивления приводит к относительному возрастанию доли индуктивного сопротивления в полном сопротивлении цепи нагрузки, что обеспечивает повышение эффективности работы фильтра.
За основу расчета индуктивности дросселя часто принимается несоизмеримость сопротивлений для первой гармонической составляющей в режиме номинального тока нагрузки. Отдельно дроссель как фильтр применяется редко. В условиях питания постоянным током различных устройств электрооборудования индуктивным фильтром является индуктивность нагрузки. Например, индуктивность обмотки возбуждения электродвигателя, обмотки тягового электромагнита.
Схема измерительной установки
Т1 – входной трансформатор, на первичную обмотку которого подаётся переменное напряжение 54 В с частотой 200 Гц, разъем ~ предназначен для наблюдения напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Ключ S1 включает схему удвоения напряжения, состоящую из диодов VD1 и VD3, емкостных фильтров С2, С4 и нагрузочных резисторов R1, R2.
Ключ S2 включает в однополупериодную схему выпрямления, состоящую из диода VD1, емкостей С1, С2, С3 и нагрузочного резистора R1, диод VD2, преобразуя её в двухполупериодную.
Переключатель S3 имеет 3 положения: 0 – отключает все схемы от средней точки трансформатора, I – задействует три указанные выше схемы выпрямления, II – подключает среднюю точку в мостовую схему выпрямления.
Сдвоенный переключатель S4 предназначен для переключения между следующими схемами: мостовой без средней точки (положение I), состоящей из диодного моста VD4, фильтра С5 и нагрузочного резистора R4, и мостовой со средней точкой (положение II), состоящей из диодного моста VD4, фильтров С5 и С6 и нагрузочных резисторов R4 и R5.
Ключ S9 включает емкостной фильтр в мостовую схему (емкости С5, С6).
Ключами S5, S6, S7 включаются соответственно емкостные фильтры С1, С2, С3 для одно- и двухполупериодной схем. Ключ S10 шунтирует индуктивный фильтр L1.
Сдвоенный переключатель S8 включает амперметр в цепь нагрузки К разъемам +, и – подключается осциллограф для наблюдения формы выпрямленного напряжения на нагрузке и определения его параметров.