Сглаживающие фильтры

На выходе выпрямителей, схемы которых приведены выше, напряжение всегда будет пульсирующим, что обычно нежелательно. Для уменьшения пульсаций применяют сглаживающие фильтры, включаемые между выпрямителем и нагрузкой, существенно уменьшающие коэффициент пульсаций выходного напряжения и доводящий его до величин порядка 10^-3…10^-6.

Основными элементами таких фильтров являются реактивные элементы – конденсаторы и дроссели. Конденсаторы включаются в источниках питания параллельно нагрузке R_н, а дроссели последовательно с ней. Основные виды сглаживающих фильтров (рис. 5): ёмкостной, индуктивный, Г – образные и П – образные LC – фильтры.

L

L

д)

a)

б)

с)

Рис. 5. Сглаживающие фильтры

а – ёмкостной; б – индуктивный; с – Г-образный LC -фильтр; д – П-образный LC -фильтр

К_сгл = К_{п вх} / К_{п вых}.

Пульсации на выходе фильтра тем меньше, чем больше коэффициент сглаживания.

Ёмкостной фильтр. Подобные сглаживающие фильтры получили наиболее широкое распространение ввиду того, что они просты в исполнении и обеспечивают достаточно высокий коэффициент сглаживания. Схема однофазного мостового выпрямителя с ёмкостным фильтром приведена на рис. 6.

Включение конденсатора фильтра С на выходе выпрямителя изменяет его режим работы по сравнению с работой на чисто активную нагрузку. Ёмкость конденсатора накапливает электрическую энергию в моменты протекания тока через диоды VD ₁, VD ₃ и VD ₂, VD ₄ под воздействием положительных полуволн напряжения u ₂ и u ₂¢, соответственно, и отдаёт её в нагрузку, когда диоды закрыты, сглаживая тем самым выпрямленное напряжение и повышает его среднее значение U _н. Таким образом, в интервалы времени, когда соответствующие пары диодов выпрямителя закрыты, питание нагрузки R_н осуществляется от конденсатора С, разряжающегося через неё с постоянной времени t = RC.

Рис. 6. Ёмкостной сглаживающий фильтр

а – электрическая схема; б – диаграммы напряжений и токов

Включение конденсатора фильтра С на выходе выпрямителя изменяет его режим работы по сравнению с работой на чисто активную нагрузку. Ёмкость конденсатора накапливает электрическую энергию в моменты протекания тока через диоды VD ₁, VD ₃ и VD ₂, VD ₄ под воздействием положительных полуволн напряжения u ₂ и u ₂¢, соответственно, и отдаёт её в нагрузку, когда диоды закрыты, сглаживая тем самым выпрямленное напряжение и повышает его среднее значение U _н. Таким образом, в интервалы времени, когда соответствующие пары диодов выпрямителя закрыты, питание нагрузки R_н осуществляется от конденсатора С, разряжающегося через неё с постоянной времени t = RC.

При заданном коэффициенте пульсаций на нагрузке ёмкость конденсатора фильтра С можно приближённо подсчитать по формуле

При использовании выпрямителя с ёмкостным фильтром на выходе необходимо учитывать то, что коэффициент пульсаций выходного напряжения увеличивается с уменьшением сопротивления нагрузки (т. е. при увеличении тока нагрузки), поэтому в этом случае необходимо соответственно увеличивать ёмкость конденсатора фильтра. Потому такие фильтры применяются чаще всего в выпрямителях средней и относительно малой мощности.

Индуктивные фильтры. В мощных выпрямителях применяют обычно сглаживающие фильтры с использованием индуктивности L (рис. 5 б,в,г). В таких фильтрах индуктивность L и ёмкость C являются делителем для переменной составляющей выпрямленного напряжения и чем больше величины индуктивности и ёмкости, тем больше коэффициент деления и тем меньше коэффициент пульсаций К_п напряжения на выходе сглаживающего фильтра. Для более эффективного сглаживания пульсаций необходимо, чтобы резонансная частота фильтра ( для схемы на рис. 5, б) была много меньше частоты первой гармоники пульсаций.