Меню

Как определяют коэффициенты сглаживания выпрямленного напряжения

Выпрямители: Основные виды сглаживающих фильтров и особенности их применения в выпрямителях

Режим работы выпрямителя в значительной степени определяется типом фильтра, включенного на его выходе. В маломощных выпрямителях, питающихся от однофазной сети переменного тока, применяются простейшие емкостные фильтры, в выпрямителях средней и большой мощности — Г-образные \(LC\), \(RC\) и П-образные \(CLC\) и \(CRC\) фильтры.

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания \((q)\), который определяется как отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на его выходе (на нагрузке).

Емкостный фильтр является наиболее простым из всех видов сглаживающих фильтров. Он состоит из конденсатора, включаемого параллельно нагрузке. Анализ работы данного фильтра проведен при описании однофазного однополупериодного выпрямителя. Коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя с емкостным фильтром может быть найден по формуле:

где \(m\) зависит от схемы выпрямителя:

\(m = 1\) для однофазного однополупериодного выпрямителя,

\(m = 2\) для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей),

\(f\) — частота входного переменного напряжения.

Из приведенной формулы видно, что коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя с емкостным фильтром обратно пропорционален емкости применяемого конденсатора и величине сопротивления нагрузки. Поэтому применение такого фильтра рационально только при достаточно больших значениях этих величин. По мере совершенствования технологии изготовления конденсаторов большой емкости рассматриваемый тип фильтра вследствие своей простоты и эффективности находит все большее применение.

Индуктивно-емкостные фильтры (Г-образные \(LC\) и П-образные \(CLC\)) широко применяются при повышенных токах нагрузки, поскольку падение напряжения на них можно сделать сравнительно небольшим. Коэффициент полезного действия у таких фильтров достаточно высокий. К недостаткам индуктивно-емкостных фильтров относятся: большие габаритные размеры и масса, повышенный уровень электромагнитного излучения от элементов фильтра, сравнительно высокая стоимость и трудоемкость изготовления.

Наиболее широко используется Г-образный индуктивно-емкостный фильтр (рис. 3.4‑13).

Схема индуктивно-емкостного сглаживающего фильтра

Рис. 3.4-13. Схема индуктивно-емкостного сглаживающего фильтра

Для эффективного сглаживания пульсаций таким фильтром необходимо выполнение следующих условий: \(X_C = \cfrac<1> <\omega C>\ll R_н\), \(X_L = \omega L \gg X_C\). При их выполнении, пренебрегая потерями в дросселе, для коэффициента сглаживания можно записать:

где \(m\) зависит от схемы выпрямителя:

\(m = 1\) для однофазного однополупериодного выпрямителя,

\(m = 2\) для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей).

Во избежание резонансных явлений в фильтре необходимо выбирать \(q > 3\). Кроме этого, одним из основных условий является обеспечение явно выраженной индуктивной реакции фильтра на выпрямитель, необходимой для большей стабильности внешней характеристики выпрямителя. При индуктивной реакции фильтра меньше действующие значения токов в вентилях и обмотках трансформатора (а следовательно, меньше и требуемая габаритная мощность трансформатора). Для обеспечения индуктивной реакции необходимо, чтобы:

П-образный \(CLC\) фильтр отличается от описанного Г-образного \(LC\) фильтра наличием еще одной емкости, включаемой на входе фильтра (на рис. 3.4-13 конденсатор \(C_0\), показан пунктиром). Расчет таких фильтров производят в два этапа, сначала рассчитывают емкость конденсатора \(C_0\), исходя из допустимой величины пульсации напряжения на нем, затем по приведенным выше формулам рассчитывают Г-образное звено. Наибольший коэффициент сглаживания в П-образном фильтре достигается при \(C_0 = C_1\).

При выборе конденсаторов фильтра необходимо следить за тем, чтобы они были рассчитаны на напряжение на 15. 20% превышающее напряжение холостого хода выпрямителя при максимальном напряжении сети (чтобы учесть перенапряжения, возникающие при включении выпрямителя). Необходимо также, чтобы амплитуда переменной составляющей напряжения на них не превышала предельно допустимого значения.

Резистивно-емкостные фильтры целесообразно применять при малых токах нагрузки (менее 10. 15 мА) и небольших требуемых коэффициентах сглаживания. Достоинства этих фильтров — малые габариты и масса, низкая стоимость. Недостаток — сравнительно большое падение напряжения на фильтре (что снижает КПД устройства выпрямления в целом).

Простейший Г-образный \(RC\) фильтр (рис. 3.4-14) состоит из балластного резистора (\(R_ф\)) и конденсатора (C_1). Коэффициент сглаживания такого фильтра вычисляется по формуле:

где m зависит от схемы выпрямителя:

(\(m = 1\) для однофазного однополупериодного выпрямителя,

\(m = 2\) для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей).

Схема резистивно-емкостного сглаживающего фильтра

Рис. 3.4-14. Схема резистивно-емкостного сглаживающего фильтра

Сопротивление фильтра (\(R_ф\)) выбирают из условия допустимого падения напряжения на фильтре или исходя из заданного КПД (\(h\)) по формуле \(R_ф = R_н (1 – h)/h \). Оптимальным считается КПД порядка 0,6. 0,8.

Расчет П-образного резистивно-емкостного фильтра (его схема включает дополнительный конденсатор \(C_0\), показанный на рис. 3.4-14 пунктиром) производится, как и в случае П-образного \(CLC\) фильтра, в два этапа после разделения этого фильтра на емкостный (\(C_0\)) и Г-образный \(LC_1\) фильтр.

Читайте также:  Метод предварительного напряжения бетона

Комбинированные фильтры применяются при необходимости получения больших коэффициентов сглаживания на выходе выпрямителя. Они представляют собой последовательное включение нескольких фильтров. При этом могут использоваться как однотипные, так и разнотипные звенья. При каскадном включении \(LC\) фильтров можно считать, что суммарный коэффициент сглаживания (\(q_\Sigma\)) равен произведению коэффициентов сглаживания составляющих фильтр звеньев: \(q_\Sigma = q_1 \cdot q_2 \cdot q_3 . \) . Для нахождения оптимального числа звеньев (\(n_<опт>\)) такого фильтра при заданном \(q_\Sigma\) можно воспользоваться формулой:

Высокий коэффициент сглаживания и хороший КПД могут также обеспечить разнообразные фильтры на транзисторах.

Источник



Сглаживающие фильтры

Сглаживающим фильтром называют устройство, предназначенное для умень­шения пульсаций выпрямленного напряжения.

Как отмечалось, выпрямленное напряжение является пульси­рующим, в котором согласно формулам (9.4), (9.9), (9.11) и (9.15) можно выделить постоянные и переменные составляющие. Коэф­фициенты пульсаций выпрямленных напряжений, вычисленные -по этим формулам, имеют следующие значения:

Для однополупериодного однофазного выпрямителя . 1,57

» двухполупериодного однофазного выпрямителя. 0,67

» трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом . . .0,25

» трехфазного мостового выпрямителя. 0,057

С такими коэффициентами пульсаций выпрямленное напряжение в подавляющем большинстве случаев использовать нельзя, так как при этом работа электронных блоков и устройств резко ухуд­шается или вообще недопустима. В зависимости от назначения того или иного электронного блока (усилителя, генератора и т. д.), его места в электронном устройстве или системе (на входе, выходе и т. д.) коэффициент пульсаций напряжения питания не должен превышать определенных значений. Так, для основных каскадов ав­томатических систем он не должен превышать 10 -2 —10 -3 , для вы­ходных усилительных каскадов — 10 -4 —10 -5 , для автогенерато­ров— 10 -5 -10 -6 , а для входных каскадов электронных измери­тельных устройств — 10 -6 —10 -7 . Сглаживающие фильтры, как указывалось в § 9.3, включают между вентильной группой ВГ и ста­билизатором постоянного напряжения с нагрузочным устройством Rн (см. рис. 9.1).

Основными элементами сглаживающих фильтров являются кон­денсаторы, индуктивные катушки и транзисторы, сопротивления ко­торых различны для постоянного и переменного токов. Для постоян­ного тока сопротивление конденсатора равно бесконечности, а со-

противление, индуктивной катушки очень мало. Сопротивление тран­зистора ‘Постоянному току (статическое сопротивление) на два-три—порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление). Основным параметром, характеризующим эффек­тивность действия сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

Кроме выполнения требования к коэффициенту сглаживания фильтры должны иметь минимальное падение постоянного напря­жения на элементах, минимальные габариты, массу и стоимость.

Рис. 9.8. Схемы емкостных фильтров с однополупериодным (а) и мостовым (б) выпрямителями, временные диаграммы напряжений и

токов однополупериодного (б) и мостового (г) выпрямителей с ем­костным фильтром

В зависимости от типа фильтрующего элемента различают ем­костные, индуктивные и электронные фильтры. По количеству фильтрующих звеньев фильтры делятся на однозвенные и много­звенные.

Емкостные фильтры. Этот тип фильтров относится к однозвенным фильтрам. Емкостный фильтр включают параллельно нагрузочному резистору Rн (рис. 9.8, а). Работу емкостного фильтра удобно рас­сматривать с помощью временных диаграмм, изображенных на рис. 9.8, б. В интервал времени t1t2 конденсатор через открытый диод Д заряжается до амплитудного значения напряжения u2, так как в этот период напряжение u2>uс. В это время ток ia = ic=iн. В интервал времени t2-t3, когда напряжение и2 становится меньше напряжения на конденсаторе ис, конденсатор разряжается на нагрузочный резистор Rн, заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе iн, которая имеется в однополупериодном вы­прямителе в отсутствие фильтра. В этот интервал времени напря­жение на резисторе Rн снижается до некоторого значения, соответст­вующего времени t3, при котором напряжение u2 в положительный

полупериод становится равным напряжению на конденсаторе uс. После этого диод вновь открывается, конденсатор Сф Начинает за­ряжаться и процессы зарядки и разрядки конденсатора повто­ряются.

Временные диаграммы тока и напряжений двухполупериодного мостового выпрямителя с емкостным фильтром (рис. 9.8, в) приве­дены на рис. 9.8, г. Анализ временных диаграмм показывает, что с изменением емкости конденсатора Сф или сопротивления нагрузоч­ного резистора Rн будет изменяться значение коэффициента пульса­ций выпрямленного напряжения. При этом чем меньше разрядится конденсатор, тем меньше будут пульсации в выпрямленном токе 1н. Разряд конденсатора Сф определяется постоянной времени разрядки = СфRн При постоянной времени tразр³10 Ткоэффициент пульсаций, определяемый по формуле

где fосн — частота основной гармоники, не превышает 10 -2 .

Работа выпрямителя с емкостным фильтром существенно зависит от измене­ния нагрузочного тока. Действительно, при увеличении тока tн, что происходит при уменьшении сопротивления Rн, постоянная времени тразр уменьшается. Уменьшается и среднее значение выпрямленного напряжения Uн.cp, а пульса­ции возрастают.

При использовании емкостного фильтра следует учитывать, что максималь­ное значение тока диода ia определяется лишь сопротивлениями диода Rпр и вторичиой обмотки трансформа юра, поэтому оно может достигать значений, больших Iпр.mах. Такой большой ток может вывести из строя диод. Для предотвращения этого последовательно с диодом необходимо включать добавочный резистор. Кроме того, следует учитывать, что напряжение Uобрmax, прикладываемое к диоду, в два раза превышает U2m, 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 Rн при мощности Рн не более нескольких десятков ватт.

(9.20)

Индуктивные фильтры. Индуктивный фильтр, состоящий из дросселя Lф, включают последовательно с нагрузочным резистором Rн (рис. 9.9, а). Он, так же как емкостный фильтр, относится к типу однозвенных фильтров. Работу индуктивного фильтра удобно рас­смотреть с помощью временных диаграмм, изображенных на рис. 9.9, б. Анализ временных диаграмм показывает, что ток iн нагрузоч­ного резистора Rн получается сглаженным. Действительно, вследст­вие того что ток в цепи с дросселем во время переходного процесса, обусловленного положительной полуволной выпрямляемого напря­жения u2, зависит от постоянной времени t:=Lф/Rн, длительность импульса тока увеличивается с ростом t. Коэффициент пульсаций определяется простым соотношением

Анализ выражения (9.20) позволяет сделать вывод, что фильтр будет работать тем эффективнее, чем больше или меньше Rн.

Индуктивные фильтры обычно применяют в трехфазных выпрямителях средней и большой мощностей, т. е. в выпрямителях, рабо-

Рис. 9.9. Схема индуктивного фильтра с однополупериодным выпрямителем (а), временные диаграммы напряжения и токов однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром (б)

тающих на нагрузочные устройства с большими токами. В выпрями­телях малой мощности использование индуктивного фильтра Lф нецелесообразно, поскольку они работают на высокоомные нагру­зочные, устройства. При этом выполнение условия wоснLф>>Rн

Рис. 9.10. Схемы Г-образных LC-фильтра (а) и RC-фильтра (б)

приводит к необходимости включения дросселя с большими массой и габаритами, что является существенным недостатком индуктивного фильтра по сравнению с емкостным.

Г-образные фильтры. Г-образные фильтры являются простей­шими многозвенными фильтрами. Этот фильтр может быть LC-типа (рис, 9.10, а) и RC-типа (9.10, 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 индуктивной катушки и конденсатора. Снижение пере­менных составляющих выпрямленного напряжения обусловлено как сглаживающим действием конденсатора Сф, так и значительным па­дением переменных составляющих напряжения на дросселе Lф. 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 Сф и Lф, изложенных ранее, выражение для коэффициента сглаживания LC-фильтра можно записать, в виде

Оно позволяет рассчитать параметры этого фильтра по заданному

значению коэффициента сглаживания:

В расчетах по формулам (9.21) одним из параметров (индуктив­ностью или емкостью) элементов фильтра задаются исходя из

габаритов, массы и стои­мости элементов.

Рис. 9.11. Схемы П-образных LC-фильтра (а) и RС-фильтра (б)

В маломощных выпря­мителях, у которых сопро­тивление нагрузочного резистора составляет не­сколько килоом, вместо дросселя Lф включают резистор Rф (рис. 9.10, б), что существенно уменьшает

массу, габариты и стоимость фильтра. При выборе XCф

где: qc,qг— коэффициенты сглаживания С-фильтра и Г-образного
фильтра/

При сопротивлениях нагрузочного устройства несколько килоом применяют П-образные СRС-фильтры, а при малых сопротивлениях (несколько ом) — CLC-фильтры. Наибольший коэффициент сглаживания П-образного фильтра достигается при условии Сф1ф2. П-образные фильтры целесообразно применять, если коэффи­циент сглаживания должен быть равен 100—1000 и более. Большой

Читайте также:  Ток от напряжения при прямом токе

Рис. 9.12 К пояснению cо­противления транзистора для постоянной и переменной со­ставляющих выпрямленного тока

Рис. 9.13. Схема последо-вательного электронного фильтра с включением нагрузочного резистора Rн в коллекторную цепь транзистора

коэффициент сглаживания П-образного фильтра по сравнению с
Г-образным достигается за счет ухудшения таких параметров выпря­мителя, как габариты, масса и стоимость.

Электронные фильтры. В последнее время все чаще начали при­менять электронные фильтры, в которых вместо индуктивных кату­шек включают транзисторы. Такая замена позволяет избавиться от переходных процессов, отрицательно влияющих на работу нагру­зочного устройства и самого выпрямителя, при этом снижаются габариты, масса и стоимость выпрямителей.

Применение транзисторов в фильтрах основано на различии сопротивлений для постоянной и переменной составляющих коллек­торного тока. При выборе рабочей точки на пологом участке выход­ной характеристики (рис. 9.12) сопротивление промежутка коллек­тор — эмиттер постоянному току (статическое сопротивление) Rст= Uк0/Iк0 на два-три порядка меньше сопротивления этого промежут­ка переменному току DU1;/DIк (динамическому сопротивлению), определяемого величиной 1/h22— Электронные фильтры снижают пульсации примерно в 3—5 раз.

Различают два способа включения транзисторов в электронные фильтры: последовательно и параллельно нагрузочным устройст­вам. Последовательное включение транзисторов характерно для выпрямителей, имеющих высокое выходное напряжение (300- 400 В). Параллельное включение осуществляется при низких вы­ходных напряжениях, не превышающих нескольких десятков вольт.

На.рис. 9.13 изображена схема простейшего: электронного фильтра, в котором транзистор включен последовательно с нагрузочным, резистором Rн. В этом фильтре для обеспечения фиксированного по-

ложения рабочей точки на пологом (рабочем) участке выходной характе­ристики в базовую цепь включается RС-цепь, постоянная времени которой t6=R6Сб должна ,быть много больше периода пульсации основной гармо­ники выпрямленного напряжения: RбСб>>ТП. Резистор Rэ обеспечивает термостабилизацию режима работы транзистора. Если в данном фильтре нагрузочный резистор включен

в коллекторную цепь транзистора, то в транзисторном фильтре, схема которого изображена на рис. 9.14, резистор Rн включён в эмиттерную цепь, что позволяет получить низкое выходное сопротивление выпрямителя с фильтром; следовательно, такой фильтр мало чувст­вителен к изменениям тока Iн. По этой причине электронный, фильтр рис. 9.14, представляющий собой эмиттерный повторитель, получил наиболее Широкое распространение. В нем рабочую точку транзис­тора определяет RбCб-цепь, которая обеспечивает ее устойчивое положение при изменениях температуры и коэффициента усиления транзистора h21.

На рис. 9.15, а изображена схема электронного фильтра, в котором транзис­тор включен параллельно нагрузке Rн. Этот фильтр применяют при низких значе­ниях выпрямленных напряжении. С помощью делителя R61R62 устанавливается рабочая точка на характеристике транзистора. RэСэ-цепь выполняет функции термостабилизирующего звена. Резистор Rф играет ту же роль, что и резистор Rф в Г-образном RС-фильтре. Недостатком этого фильтра является сильная зависи­мость выпрямленного тока через транзистор при изменении выпрямленного на­пряжения на входе фильтра. Это приводит к увеличению падения напряжения на транзисторе и, следовательно, к снижению к.п.д. выпрямителя.

Лучшие характеристики имеют электронные фильтры, выполненные на. со­ставном транзисторе (рис. 9.15, б). Коэффициент сглаживания таких фильтров достигает сотни. При подобном включении транзисторов эквивалентный силовой транзистор имеет, как известно, значительно меньшую выходную проводимость, чем каждый транзистор в отдельности. Резистивный делитель R1R2R3обеспечи­вает положение рабочей точки составного транзистора, а резисторы R4 и R5 яв­ляются термостабилизирующим звеном. Конденсатор Сб3 не пропускает перемен­ную составляющую в цепь базы составного транзистора, и эквивалентный коллек­торный ток составного транзистора почти не изменяется во времени.

С появлением интегральных микросхем электронные фильтры стали более эффективными. На рис. 9.15, в изображена схема элек­тронного фильтра с применением микросхемы. Пульсации во вход­ном напряжении, усиленные операционным усилителем (ОУ) на интегральной микросхеме, еще более закрывают составной транзис­тор, т. е. еще больше уменьшают выходную проводимость. При этом увеличивается падение напряжения от переменной составляю­щей на составном транзисторе. Таким образом, снижаются пульсации в выходном напряжении фильтра. Коэффициент сглаживания фильтров с ОУ равен нескольким тысячам. Положительные свойства электронных фильтров отмечались ранее, а недостатком их является

Рис. 9.15. Схемапараллельного электронного фильтра на одном тран­зисторе (а), на составном транзисторе (б), на операционном усилите­ле (в)

то, что медленные изменения напряжения на входе приводят к про­порциональному изменению выходного напряжения.

Источник