Сглаживающие фильтры

Рассмотренные схемы выпрямления переменного тока позволяют получать выпрямленное, но пульсирующее напряжение. Для питания электронных приборов пульсирующее напряжение непригодно:

- оно создает фон переменного тока, вызывает искажения сигналов и приводит к неустойчивой работе приборов. Для устранения пульсаций (сглаживания) применяют сглаживающие фильтры.

Сглаживающий фильтр состоит из реактивных элементов: конденсаторов и катушек индуктивности (дросселей). Сущность работы сглаживающего фильтра состоит в разделении пульсирующего тока i (t) на постоянную и переменную составляющие (рис. 11.5). Постоянная составляющая направляется в нагрузку, а нежелательная переменная замыкается через конденсатор, минуя нагрузку.

Конденсатор (обычно большой ёмкости), подключенный параллельно нагрузке, заряжается при нарастании импульсов выпрямленного напряжения и разряжается при их убывании, сглаживая тем самым пульсации. Дроссель, наоборот, при нарастании импульсов спрямленного тока в результате действия ЭДС самоиндукции задерживает рост тока, а при убывании импульсов задерживает его убывание, сглаживая пульсации тока в цепи нагрузки.

С другой стороны, конденсатор и дроссель можно рассматривать как некие резервуары энергии. Они запасают её, когда ток в цепи нагрузки превышает среднее значение, и отдают, когда ток стремится уменьшиться ниже среднего значения. Это и приводит к сглаживанию пульсаций.

Рассмотрим несколько подробнее ёмкостной фильтр, в котором на выходе двухполупериодного выпрямителя параллельно нагрузке R включен конденсатор С (рис. 11.6).

При возрастании выпрямленного напряжения (при открытом диоде VD1 конденсатор зарядится (рис. 11.7, а), а при убывании выпрямленного напряжения полярность напряжения на диоде изменится на противоположную и диод закроется, отключив вторичную обмотку трансформатора от нагрузки. Ток через диод будет иметь форму короткого импульса (рис. 11.7, б). Когда входной сигнал начинает падать в отрицательном поправлении, конденсатор разряжается через нагрузку.

Скорость разряда конденсатора зависит от постоянной времени RС, а, следовательно, от сопротивления нагрузки. Постоянная времени разряда велика по сравнению с периодом переменного тока. Следовательно, период заканчивается раньше, чем конденсатор может разрядиться. Поэтому после первой четверти периода ток через нагрузку поддерживается разряжающимся конденсатором. Как только конденсатор начинает разряжаться, напря­жение на нем уменьшается. Однако до того, как конденсатор полностью разрядится, начнется следующий период синусоиды. На аноде диода опять появится положительный потенциал, что позволит ему проводить ток. Конденсатор зарядится снова, и цикл повторится. В результате пульсации напряжения сгладятся и выходное напряжение фактически повысится.

Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше постоянная времени НС. Это приводит к более медленному разряду конденсатора, что повышает выходное напряжение. Наличие конденсатора позволяет диоду в цепи проводить ток в течение короткого периода времени. Когда диод не проводит, конденсатор обеспечивает погрузку током. Если нагрузка потребляет большой ток, то должен использоваться конденсатор большой ёмкости.

Целью фильтрующего конденсатора является сглаживание пульсаций постоянного напряжения выпрямителя. Качество работы фильтра определяется величиной пульсаций, остающихся в постоянном напряжении. Величину пульсаций уменьшают используя конденсатор большей ёмкости или увеличивая сопротивление нагрузки. Обычно сопротивление нагрузки определяется при расчете цепи. Следовательно, ёмкость фильтрующего конденсатора определяется допустимой величиной пульсаций.

Необходимо отметить, что фильтрующий конденсатор создает дополнительную нагрузку на диоды, используемые в выпрямителе. Конденсатор заряжается до максимального значения напряжения вторичной обмотки и удерживает это значение в течение всего цикла входного напряжения. Когда диод становится смещенным в обратном напряжении, он запирается и максимальное отрицательное напряжение попадает на анод диода. Фильтрующий конденсатор удерживает максимальное положительное напряжение на катоде диода. Следовательно, разность потенциалов на диоде в два раза превышает максимальное значение напряжения вторичной обмотки. Для выпрямителя должен быть выбран диод, выдер­живающий такое напряжение.

Максимальное напряжение, которое может выдержать диод, будучи смещенным в обратном направлении, называется импульсным обратным напряжением диода. Импульсное обратное напряжение диода, выбранного для выпрямителя, должно быть выше, чем удвоенное максимальное напряжение вторичной обмотки. В идеале диод должен работать при 80% номинального значения обратного напряжения для того, чтобы выдержать изменения входного напряжения. Это касается как однопол у пери одного, так и двухполупериодного выпрямителя. Но это не так для мостового выпрямителя. К диодам в мостовом выпрямителе никогда не прикладывается напряжение, большее, чем максимальное значение напряжения вторичной обмотки, поскольку в каждом полупериоде работают по два последовательно включенных диода.

Возможность использования диодов с более низкими значениями импульсного обратного напряжения является еще одним преимуществом мостового выпрямителя. Следует отметить, что пиковое значение тока, протекающего через диод, может во много раз превышать ток нагрузки, что опасно для целостности диода. В реальной цепи ток через диод возрастает не мгновенно и передний фронт импульса тока также закруглен. Наиболее распространенными сглаживающими фильтрами в выпрямителях электронных приборов являются П -образные LС -фильтры (рис. 11.8, а). В них постоянная составляющая выпрямленного тока, свободно проходящая через дроссель Др, попадает затем в нагрузку и замыкается через трансформатор. Переменные составляющие, замыкаясь через большие емкости С₁ и С₂, в нагрузку не проходят.

При небольших токах нагрузки успешно работает Г-образный фильтр (рис. 11.8, б), а при малых токах нагрузки и качество сглаживающего фильтра достаточно включить конденсатор (рис. 11.8. в), что и делается в переносных радиоприемниках и магнитолах. Во многих случаях дроссель заменяют резистором, что несколько снижает качество фильтрации, но зато значительно удешевляет фильтр (рис. 11.8, г, д). В наиболее ответственных случаях сглаживающий фильтр делают многозвенным состоящим из нескольких П-образных или Г-образных LC или RС фильтров (рис. 11.8, е).

Контрольные вопросы

1. Почему непригодно пульсирующее напряжение?

2. Сущность работы сглаживающего фильтра.

3. Принцип работы двухполупериодного выпрямителя, когда параллельно нагрузке включен конденсатор.

4. Дайте определение импульсного обратного напряжения диода.

Тема 12. Усилители