И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах

Типы фильтров, используемых на выходе выпрямителей, представлены на рис. 6.5–6.10. Они отличаются не только электрической схемой, но и эффективностью фильтрации и влиянием на работу выпрямителя. Используемые на выходе выпрямителей фильтры обычно подразделяют на две группы: с емкостным и индуктивным входами.

Рис. 6.5. Простейшие типы фильтров с емкостным ( а) и индуктивным ( б) входами

Рис. 6.6. Однополупериодный выпрямитель с простым фильтром, имеющим емкостный вход ( а), и форма напряжения на выходе ( б):

1— заряд емкости С; 2— разряд; 3— выходное напряжение на конденсаторе; 4— постоянное напряжение на выходе

Рис. 6.7. Выпрямитель с простым фильтром и индуктивным входом ( а) и форма напряжения на выходе ( б):

1 — форма выходного напряжения; 2— постоянная составляющая выходного напряжения

Рис. 6.8. LC-фильтр с индуктивным ( а) и емкостным ( б) входами

Рис. 6.9. П-образный фильтр

Рас. 6.10. Примеры многозвенных фильтров

Фильтром с емкостным входом называется фильтр, на входе которого параллельно схеме выпрямителя включен конденсатор (см. рис. 6.5, а ). Существуют несколько вариантов такого фильтра. Рассмотрим сначала простейший фильтр (см. рис. 6.6, а ).

Конденсатор фильтра, включенный параллельно как с выпрямителем, так и с нагрузкой, заряжается в то время, когда диод проводит ток. Вторичная обмотка трансформатора, диод и конденсатор образуют цепь зарядки. Постоянная времени зарядки мала, поскольку как сопротивление обмотки, так и сопротивление диода в открытом состоянии малы. Благодаря этому конденсатор очень быстро заряжается до пикового значения напряжения, попадающего на фильтр. Если мгновенное значение напряжения начинает убывать, то конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки. Постоянная времени разряда, зависящая при заданной емкости конденсатора в основном от сопротивления нагрузки, относительно велика, поэтому разряд происходит медленно. Напряжение на конденсаторе имеет небольшие изменения, а его среднее значение велико. Это означает, что конденсатор фильтра уменьшает пульсации (сглаживает выходное колебание) и одновременно увеличивает постоянную составляющую по сравнению с постоянной составляющей колебания в отсутствие этого конденсатора. При очень большой постоянной времени разряда, которую получают при большом сопротивлении нагрузки, постоянная составляющая близка к максимальному значению напряжения.

Так же велико влияние фильтрующего конденсатора на обратное напряжение, действующее на выпрямительном диоде во время запирания. В схеме без конденсатора обратное напряжение, например для однополупериодного выпрямителя, равно максимальному входному напряжению. В схеме с фильтром с емкостным входом напряжение на конденсаторе приближенно равно максимальному значению и направлено таким образом, что катод диода смещен положительно. В то же самое время на аноде диода действует отрицательное напряжение, также равное максимальному входному напряжению. Поэтому в схеме с рассматриваемым фильтрующим конденсатором на диоде действует результирующее напряжение, равное двойному максимальному выпрямляемому напряжению. Следует также обратить внимание на тот факт, что во время заряда фильтрующего конденсатора (например, во время включения выпрямителя в сеть) импульс зарядного тока очень велик и будет тем большим, чем больше емкость. Зарядный ток должен обеспечиваться диодом, приспособленным для работы при больших импульсах тока.

Для защиты диода от перегрузки излишне большим током часто последовательно с диодом (особенно в случае полупроводникового диода) включают ограничивающий ток резистор с сопротивлением примерно 100 Ом.

Фильтром с индуктивным входом называется фильтр, на входе которого последовательно с нагрузкой включен дроссель (см. рис. 6.5, б ). Рассмотрим фильтр в простейшей схеме, представленной на рис. 6.7. Индуктивность накапливает энергию в виде магнитного поля в периоды, когда ток в цепи нарастает, и отдает энергию в цепь, когда ток исчезает. Таким образом, индуктивность противодействует резким изменениям тока в цепи. Благодаря действию индуктивности фильтра постоянная составляющая выпрямленного колебания увеличивается, а пульсации уменьшаются. Эффективность фильтра тем больше, чем больше индуктивность. Однако увеличение индуктивности приводит к значительному увеличению габаритных размеров дросселя.

В большинстве применений простые фильтры нижних частот с емкостным или индуктивным входом (см. рис. 6.5) не могут обеспечить достаточно низких пульсаций, поскольку это потребовало бы использования слишком больших конденсаторов (что создает трудности с подбором диодов, выдерживающих большие импульсы зарядного тока) либо больших и дорогостоящих дросселей. При большом значении тока, отбираемого от выпрямителя, применяют схемы фильтров нижних частот типа LC, такие как показано на рис. 6.8.

Объединение действия дросселя и конденсатора в LC-фильтре увеличивает ослабление пульсаций по сравнению с пульсацией в простом фильтре типа Lили С. LC-фильтр может иметь две конфигурации: с емкостным или индуктивным входом. LC-фильтр с емкостным входом дает большую постоянную составляющую напряжения из-за зарядки конденсатора до максимального напряжения, однако требует большого тока от выпрямительного элемента при зарядке конденсатора.

Часто применяют составной фильтр с емкостным входом — П-образный фильтр (см. рис. 6.9). В этой схеме емкость конденсатора C 1определяет в основном постоянную составляющую напряжения, в то время как Lи С 2образуют фильтр нижних частот, влияющий прежде всего на уменьшение коэффициента пульсаций.