В Бессонов - Радиоэлектроника для начинающих (и не только)

Временные диаграммы тока и напряжений двухполупериодного мостового выпрямителя с емкостным фильтром (рис. 5.5, в ) приведены на рис. 5.5, г .

Рис. 5.5. Схемы ёмкостных фильтров с однололупериодным ( а) и мостовым ( в) выпрямителями, временные диаграммы напряжений и токов однополупериодного ( б) и мостового ( г) выпрямителей с ёмкостным фильтром

Анализ временных диаграмм показывает, что с изменением емкости конденсатора С фили сопротивления нагрузочного резистора R Hбудет изменяться значение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения. При этом чем меньше разрядится конденсатор, тем меньше будут пульсации в выпрямленном токе i н. Разряд конденсатора С фопределяется постоянной времени разрядки τ разр= С ф R н. При постоянной времени τ разр>= 10 Ткоэффициент пульсаций определяется по формуле

где f oсн— частота основной гармоники, не превышает 10 2.

Работа выпрямителя с емкостным фильтром существенно зависит от изменения нагрузочного тока. Действительно, при увеличении тока i н, что происходит при уменьшении сопротивления R н, постоянная времени τ разруменьшается, уменьшается и среднее значение выпрямленного напряжения U н. сp, а пульсации возрастают.

При использовании емкостного фильтра следует учитывать, что максимальное значение тока диода i aопределяется лишь сопротивлениями диода R при вторичной обмотки трансформатора, поэтому оно может достигать значений, больших I пр. max. Такой большой ток может вывести из строя диод. Для предотвращения этого последовательно с диодом необходимо включать добавочный резистор. Кроме того, следует учитывать, что напряжение U обр. max, прикладываемое к диоду, в два раза превышает U 2m, так как в момент времени, когда диод заперт, напряжения на конденсаторе и на вторичной обмотке трансформатора складываются.

Емкостный фильтр целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором R нпри мощности Р нне более нескольких десятков ватт.

5.2.2. Г-образные фильтры

Г-образные фильтры являются простейшими многозвенными фильтрами. Этот фильтр может быть LC-типа (рис. 5.6, а ) или RC-типа (рис. 5.6, б ). Их применяют тогда, когда с помощью однозвенных фильтров не выполняется предъявляемое к ним требование с точки зрения получения необходимых коэффициентов сглаживания. Эти фильтры, являясь более сложными по сравнению с однозвенными, обеспечивают значительно большее уменьшение коэффициента пульсаций. Снижение пульсаций LC-фильтром объясняется совместными действиями катушки индуктивности и конденсатора. Снижение переменных составляющих выпрямленного напряжения обусловлено как сглаживающим действием конденсатора С ф, так и значительным падением переменных составляющих напряжения на дросселе L ф.

Рис. 5.6. Схема Г-образных LC-фильтра ( а) и RC-фильтра ( б)

В то же время постоянная составляющая напряжения на нагрузочном резисторе не уменьшается, так как отсутствует сколько-нибудь значительное падение напряжения этой составляющей на очень малом активном сопротивлении дросселя. С учетом рекомендаций по выбору значений С фи L ф, выражение для коэффициента сглаживания LC-фильтра можно записать в виде:

q= ω 2 осн∙ L ф∙ C ф— 1 (5.10)

Оно позволяет рассчитать параметры этого фильтра по заданному значению коэффициента сглаживания:

L ф∙ C ф = ( q+ 1)/ ω 2 осн (5.10, a )

В расчетах по формуле (5.10, а ) одним из параметров (индуктивностью или емкостью) элементов фильтра задаются исходя из габаритов, массы и стоимости элементов.

В маломощных выпрямителях, у которых сопротивление нагрузочного резистора составляет несколько килоом, вместо дросселя L фвключают резистор R ф(рис. 5.6, б), что существенно уменьшает массу, габариты и стоимость фильтра. При выборе Х Cф << R фна резисторе R фсоздается значительно большее падение напряжения от переменных составляющих выпрямленного тока, чем на резисторе R н. Если выбрать значение R физ соотношения R н/( R н+ R ф) = 0,5…0,9, то падение постоянной составляющей напряжения на резисторе R фбудет минимальным. В итоге доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении по отношению к постоянной составляющей на нагрузочном резисторе R нзначительно уменьшается. Коэффициент сглаживания для Г-образного RC-фильтра определяется из выражения:

q= (0,5…0,9)∙ ω осн R ф С ф.

Следует отметить, что коэффициент сглаживания RC-фильтра меньше, чем у LC-фильтра.

Внешней характеристикой выпрямителя называют зависимость напряжения на нагрузочном устройстве от тока в нем: U н= f ( I н).

Наличие такой зависимости обусловлено тем, что в реальном выпрямителе сопротивления диодов и обмоток трансформаторов не равны нулю, а имеют конечные значения. На этих сопротивлениях от выпрямленного тока I нсоздаётся падение напряжения, приводящее к уменьшению напряжения U н.

В выпрямителе без фильтра напряжение U ни нагрузочный ток связаны между собой соотношением:

U н= U н. х- ( R пр— R тр)/ I н

где U н. х — напряжение на нагрузочном устройстве при I н= 0.

На рис. 5.7 изображена зависимость U н= f ( I н) выпрямителя без фильтра ( кривая 1 ). Как видно, кривая 1 нелинейная, что объясняется нелинейным характером вольт-амперной характеристики диода, т. е. зависимостью R прот тока.

Кривая 2 на рис. 5.7 соответствует выпрямителю с емкостным фильтром. При I н= 0 кривая берет свое начало из точки на оси ординат, соответствующей напряжению U 2m= √(2 U 2), так как в отсутствие тока I нконденсатор С фзаряжается до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки u 2.

С ростом тока I нкривая 2 спадает быстрее, чем кривая 1, что объясняется не только увеличением падения напряжения на вторичной обмотке трансформатора и прямом сопротивлении диода, но и уменьшением постоянной времени разряда τ разр= R н С ф, обусловливающим дополнительное снижение среднего значения выпрямленного напряжения U н. Можно легко показать, что при дальнейшем уменьшении R нкривая 2 будет асимптотически стремиться к кривой 1 и при R н= 0 они придут волну точку на оси абсцисс.