§ 4.6. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

Рассмотренные выше схемы выпрямления позволяют получить выпрямленное, но пульсирующее напряжение. Для питания электронных приборов пульсирующее напряжение непригодно: оно создает фон переменного тока на выходе, вызывает искажения сигналов, приводит к неустойчивой работе прибора. Для устранения пульсаций (сглаживания) применяют так называемые сглаживающие фильтры.

Сглаживающий фильтр состоит из реактивных элементов: конденсаторов и катушек индуктивности (дросселей). Сущность работы сглаживающего фильтра — разделение выпрямленного пульсирующего тока на постоянную и переменную составляющие (рис. 4-22).

Постоянная составляющая (полезная) направляется в нагрузку,

Рис. 4-21

Рис. 4-22

Рис. 4-23

Рис. 4-24

а переменная (точнее, переменные составляющие), являясь нежелательной, замыкается через конденсатор, минуя нагрузку. Физическая же сущность работы в фильтре конденсатора и дросселя состоит в том, что конденсатор (обычно большой емкости), подключенный параллельно нагрузке, заряжается при нарастании импульсов выпрямленного напряжения и разряжается при их убывании, сглаживая тем самым колебания этого напряжения. Дроссель, наоборот, при нарастании 4 импульсов выпрямленного тока в результате действия ЭДС самоиндукции задерживает рост тока, а при убывании — задерживает их убывания, сглаживая пульсации тока в цепи нагрузки.

Конденсатор и дроссель, кроме того, можно рассматривать как некие резервуары энергии. Они запасают ее, 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 действие конденсатора и дросселя в сглаживающем фильтре.

Емкостный фильтр. Пусть параллельно нагрузке RH на выходе двухполупериодного выпрямителя включен конденсатор С (рис. 4-23). При нарастании выпрямленного напряжения (например, при открытом вентиле ) конденсатор зарядится (рис. 4-24, а), а как только выпрямленное напряжение станет убывать, полярность напряжения на вентиле изменится на противоположную (потенциал катода оказывается выше потенциала анода). Вентиль закрывается, отключив от нагрузки вторичную обмотку трансформатора. Ток через вентиль (рис. 4-24, б) имеет форму короткого импульса , при этом Так как вентиль

открыт, то напряжение на конденсаторе С (напряжение на верхней (по схеме) половине вторичной обмотки трансформатора) равно

а ток, проходящий через вентиль в течение времени заряда конденсатора, равен

или

Полученное уравнение для импульса тока при открытом вентиле можно представить в виде

где

В момент конденсатор начинает разряжаться через нагрузку, напряжение на нем спадает медленнее, чем напряжение источника, вентиль закрывается и ток прекращается Тогда по соотношению (4.28) имеем:

откуда

Таким образом, с увеличением постоянной времени RHC (точнее, ) импульсы тока через вентиль укорачиваются. При больших значениях амплитуда этих импульсов может достигать опасных для целостности вентиля значений. В реальной цепи ток растет не мгновенно, поэтому передний фронт импульса тока также закруглен.

В промежуток времени, когда вентиль закрыт, источником тока для нагрузки становится конденсатор:

тогда

Решение уравнения (4.30) имеет вид

а так как при

Рис. 4-25

Уравнение (4.32) определяет напряжение на конденсаторе и на нагрузке, пока вентиль закрыт.

При отключенной нагрузке экспоненциальный множитель в уравнении (4.32) обращается в единицу и напряжение на конденсаторе оказывается постоянным и равным амплитуде переменного напряжения при малых конденсатор будет успевать заметно разряжаться, что приведет к значительным пульсациям напряжения на выходе выпрямителя.

Индуктивный фильтр представляет собой низкочастотный дроссель Др (катушка индуктивности со стальным замкнутым сердечником), включенный последовательно с нагрузкой выпрямителя (рис. 4-25).

Для промежутка времени, в течение которого вентиль открыт, напряжение половины вторичной обмотки и действует на последовательно соединенные дроссель Др и нагрузку . Тогда

или

Поделив уравнение (4.34) на L, получим

Решение этого уравнения для переходного процесса имеет вид

и для установившегося режима

где

Для реальных импульсов тока можно составить следующее уравнение:

Найдем постоянную А. В закрытом вентиле ток равен нулю вплоть до появления на нем положительного (открывающего) напряжения, поэтому в момент открывания ток через вентиль равен нулю.

Тогда с учетом этого, по уравнению (4.38), получим:

Полученный результат можно подставить в уравнение (4.38):

откуда видно, что с увеличением — уменьшение экспоненциального члена замедляется, поэтому ток i в нагрузке будет продолжаться и некоторое время после момента при отсутствии напряжения питания (рис. 4-26, а). Положительный же потенциал анода сохранится в интервале от до за счет ЭДС самоиндукции, возникающей в обмотке дросселя при уменьшении тока и способствующей поддержанию последнего. При диод будет закрываться в момент от начала периода. Иначе говоря, увеличение индуктивности или уменьшение сопротивления нагрузки увеличивают длительность импульсов, протекающих через нагрузку. При двухполупериодном выпрямлении (рис. 4-26, б) наличие дросселя приводит к тому, что ток одного вентиля во времени перекрывает ток другого и при достаточном значении ток не падает до нуля. Кроме того, с увеличением тока нагрузки уменьшаются пульсации

Рис. 4-26

выпрямленного тока, так как энергия, запасаемая в дросселе, увеличивается по мере роста среднего значения тока Сравнивая с конденсатором, видно, что изменение тока нагрузки вызывает противоположные изменения пульсаций: при наличии конденсатора увеличение тока нагрузки вызывает увеличение пульсаций, а при наличии дросселя, наоборот, — ослабление пульсаций. Это используется в практических схемах сглаживающих фильтров.

Практические схемы сглаживающих фильтров. Фильтры, состоящие из индуктивности L и емкости С, получили название -фильтров. Наиболее распространенным сглаживающим фильтром в выпрямителях электронных приборов является П-образный LC-фильтр (рис. 4-27, а). Здесь постоянная составляющая выпрямленного тока, свободно проходящая через дроссель Др, попадает затем в нагрузку и замыкается через трансформатор. Переменные же составляющие, замыкаясь через конденсаторы большой емкости не попадают в нагрузку

При небольших токах нагрузки успешно работает Г-образный фильтр (рис. 4-27, б), а при очень малых токах нагрузки (например, ток главного анода электроннолучевой трубки) в качестве сглаживающего фильтра достаточно включить конденсатор (рис. 4-27, в). Во многих случаях целесообразно дроссель заменить резистором (рис. 4-27, г, д), так как это удешевляет фильтр.

В наиболее ответственных случаях сглаживающий фильтр составляют из нескольких ячеек П- или Г-образных LC- и -фильтров. На рисунке 4-27, е приведена схема двухзвенного фильтра: первое звено и второе В качестве конденсаторов фильтра используют обычно электролитические конденсаторы емкостью 10-80 мкФ на напряжения 450— 600 В, а при более высоких напряжениях — специальные высоковольтные

Рис. 4-27

Рис. 4-28

бумажные конденсаторы (индуктивность дросселей обычно 4-20 Гн).

При значительных токах нагрузки (зарядка аккумуляторов, работа двигателей постоянного тока), а также во всех силовых установках сглаживающие фильтры не применяют, так как требуемые огромные значения емкостей конденсаторов и индуктивностей дросселей привели бы к недопустимо громоздким фильтрам и их дороговизне при малой эффективности.