Принципы радиоизмерений Исследование стабилизированного выпрямителя Исследование усилительных каскадов Расчет трехфазной цепи Исследование нелинейных цепей постоянного тока Исследование электрических фильтров

Лабораторные работы по электронике и электротехнике

Сглаживающие фильтры

Наличие переменной (пульсирующей) составляющей в кривой выпрямленного напряжения всегда нежелательно для нормальной работы электронных устройств. Для уменьшения коэффициента пульсаций применяют сглаживающие фильтры, которые включаются между выпрямителем и активной нагрузкой. В основу сглаживающих фильтров заложены реактивные элементы – конденсаторы и дроссели (индуктивные катушки), представляющие соответственно малое и большое сопротивления для переменного, и наоборот, большое и малое сопротивления для постоянного тока. При этом конденсаторы включаются параллельно нагрузке Rн, а дроссели последовательно с ней. Эффективность действия сглаживающего фильтра оценивают коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициентов пульсаций на его входе и выходе:

,

а также падением постоянного напряжения на фильтре. Это важно из-за того, что через фильтр проходит весь ток нагрузки и чем меньше падение напряжения на нем, тем меньшая мощность бесполезно теряется в фильтре. Чем больше коэффициент сглаживания, тем выше качество ВИП.


На практике применяют четыре основных вида сглаживающих фильтров: емкостной, индуктивный, Г- образный и П-образный LC –фильтры. В простейшем случае напряжение сглаживается с помощью емкости, подключенной параллельно нагрузке (рис.4.6)

Рис. 4.6. Выпрямитель с емкостным фильтром.

В этой схеме включением r учитывается сопротивление вторичной обмотки трансформатора, потери на рассеивание и сопротивление диода в открытом состоянии. Фильтрующие свойства конденсатора основываются на его способности накапливать электрическую энергию на тех отрезках времени, когда диоды выпрямителя открыты, и возвращать энергию в нагрузку, когда диоды закрыты. Если Xc<<Rн, то уже за первые несколько периодов конденсатор зарядится до амплитудного значения входного напряжения и в схеме установится стационарное состояние, при котором конденсатор будет периодически «подзаряжаться» через диоды, а затем разряжаться через нагрузку (рис.4.7).


Рис. 4.7. Временные диаграммы с емкостным фильтром.

Введение простейшего емкостного фильтра приводит к тому, что в выпрямителе начинают действовать как бы два источника энергии. В те моменты времени, когда диоды открыты, источником энергии является сеть, в остальное время – конденсатор. Это приводит к резкому возрастанию постоянного напряжения на нагрузке и одновременно к уменьшению пульсаций. Выходное напряжение и коэффициент пульсации связаны с постоянной времени разряда конденсатора.

 Рассмотрим работу выпрямителя с простым емкостным фильтром на примере однополупериодной схемы. В полупериод, когда анод диода окажется более положительным, чем катод, через диод пройдет ток (интервалы времени t0 - t1, t2 - t3 и т.д. на рис.4.7). конденсатор начнет заряжаться с постоянной времени t3 = rс в полярности, показанной на рис.4.6. В тот момент, когда мгновенное напряжение на вторичной обмотке U2 станет равно напряжению на конденсаторе (выходному напряжению), прямой ток через диод прекратится и конденсатор начнет разряжаться через сопротивление Rн с постоянной времени tp = Rнс (интервалы времени t1 - t2, t3 - t4 и т.д. на рис.4.7). Поскольку p >> 3 (из-за RH >> r), то на начальном этапе заряд электронов, поступающий в конденсатор за время зарядки, больше заряда, теряемого во время разряда, и выходное напряжение растет от периода к периоду. Рост выходного напряжения прекратиться, когда заряд, приобретаемый конденсатором, будет равен заряду, теряемому им в течение одного периода, то есть:Qзар=Qразр. Рассмотрим этот установившийся режим и для упрощения анализа заменим реальную форму напряжения пилообразной (рис. 4.8).


 Рис. 4.8. Временные диаграммы с углом отсечки.

Тогда постоянная составляющая выходного напряжения (Uт/p=0.318Uт) определяется из рисунка очевидным выражением U0=Umс-∆Uс/2 , ∆Uс=2(Umс-U0) в котором величину ∆Uс можно определить из соображений стационарности процесса заряда и разряда конденсатора. Заряд, который получает конденсатор за время t2-t1 равен Qзар=C∆Uс . Заряд, который теряет конденсатор за время t3-t2 равен Qразр=I0(t3-t2)/ Интервал времени t3-t2 из рисунка можно выразить через угловые единицы:

t3-t2= π +( π – θ)= 2p - q,

тогда Qразр= I0(t3-t2)=U0/RH(2 π-θ).Условие стационарности (Qзар=Qразр) дает уравнение C∆Uс= U0/RH(2 π-θ), из которого находим

∆Uс= U0/RH(2 π-θ)=U0(2 π/τ-θ/τ)= U0(T/τ-θ/τ),

а относительная величина пульсации ∆Uс/ U0=1/τ(Т-θ) тем меньше, чем больше постоянная времени τ= RHС. Так как сопротивление нагрузки обычно бывает задано, то для увеличения τ можно увеличивать емкость С. Однако чрезмерное увеличение емкости сопровождается ростом тока заряда, что опасно для диода. Действительно, если θ представляет собой выраженный в угловых единицах отрезок времени , в течение которого протекает ток через диод, то из рисунка видно, что время разряда при большой емкости несколько больше половины периода, а значит θ составляет малую долю периода. И оно тем меньше, чем больше время разряда. Это означает, что чем меньше θ, тем больше амплитудный ток заряда и круче кривая заряда. Учитывая, что Imθ = I0 π имеем Im/I0= π/θ т.е. чем меньше θ (больше емкость), тем больше Im (при постоянной I0).При заданной же емкости в работе можно снять зависимость θ от тока нагрузки, то есть меняя RH меняем ток нагрузки и постоянную разряда τ (а значит и θ). Угол θ носит название угла отсечки: ∆Uс= Umс- Umcosθ, отсюда cosθ = (Umс- ∆Uс) / Um=Umс/Um- ∆Uс /Um≈1- ∆Uс /Um . При установившемся режиме U0 очень близок к амплитудному значению U0= Um . Тогда можно принять cos θ=1- ∆Uс /U0 .

Таким образом, включение конденсатора параллельно нагрузке увеличивает выпрямленное напряжение (в пределе до Um ) и уменьшает коэффициент пульсации (в пределе до нуля). В схемах выпрямителей, в которых используются оба полупериода напряжения, эффект от включения конденсатора параллельно нагрузке увеличивается. Кроме того, дальнейшее сглаживание производится путем включения дополнительных фильтрующих звеньев, чаще всего П-образного LС-фильтра, применяемого в данной работе (рис. 4.9).


Рис. 4.9. Выпрямитель с П- образным LC-фильтром.

Ранее отмечалось, что через фильтр проходит ток нагрузки и поэтому падение постоянного напряжения на нем должно быть минимальным. Элемент фильтра, через который проходит ток нагрузки, должен обладать в идеале бесконечно большим сопротивлением для переменного тока и нулевым сопротивлением для постоянного тока. В определенной мере таким требованиям удовлетворяет катушка индуктивности (дроссель). Дроссель ДР, имеет значительную индуктивность L и представляя большое сопротивление для переменной составляющей тока, уменьшает пульсации тока в нагрузке. Пульсации не проходя через индуктивность замыкаются на землю через конденсатор С1, имеющий малое сопротивление для переменных составляющих тока. Для постоянной же составляющей тока сопротивление дросселя незначительно. Емкость С2 как и С1 выбирается такой, чтобы С2RH >> T, где Т период основной (самой низкой) гармоники пульсирующего тока. Сглаживающее действие С2 аналогично С1. 


Исследование выпрямителя однофазного и трехфазного токов