Для работы различных электронных устройств необходимы источники напряжения, обеспечивающие питание устройств постоянным током. Выходное напряжение выпрямителей имеет пульсирующий вид. В нем можно выделить среднюю или постоянную, составляющую напряжения и переменную составляющую, которую называют напряжением пульсаций или пульсациями выходного напряжения.
Таким образом, пульсации определяют отклонения мгновенного значения выходного напряжения от среднего и могут быть как положительными, так и отрицательными. Пульсации напряжения характеризуются двумя факторами: частотой и амплитудой пульсаций. В выпрямителях частота пульсаций либо такая же, как и частота входного напряжения (в однополупериодном выпрямителе), либо вдвое выше (в двухполупериодных выпрямителях).
В однополупериодном выпрямителе для получения выходного напряжения используется только одна полуволна входного напряжения, и выходное напряжение имеет вид однонаправленных полуволн, следующих с частотой входного напряжения.
В двухполупериодных выпрямителях (и с выводом нулевой точки, и в мостовом) полуволны выходного напряжения образуются из каждой полуволны входного напряжения. Поэтому частота пульсаций здесь вдвое выше, чем частота сети. Если частота тока в сети 50 Гц, то такова же будет частота пульсаций в однополупериодном выпрямителе, а в двухполупериодных она составляет 100 Гц.
Амплитуду пульсаций выходного напряжения выпрямителя необходимо знать с тем. чтобы определить эффективность устанавливаемых на выходе выпрямителей фильтров, выделяющих среднюю составляющую напряжения. Эту амплитуду принято характеризовать коэффициентом пульсаций (Erms), который определяется как отношение действующего значении переменной составляющей выходного напряжения к его среднему значению (Еdc):
r = Erms/Еdc
Чем ниже коэффициент пульсаций, тем выше эффективность фильтра. Часто на практике используют также коэффициент пульсаций, выраженный в процентах:
(Erms/Еdc)х100%.
В источниках электропитания используются обычно фильтры нижних частот. Эти фильтры пропускают со входа на выход, почти не ослабляя или ослабляя незначительно, сигналы, частоты которых ниже граничной частоты фильтра, и все более высокие частоты практически не пропускаются на выход фильтра.
Фильтры могут быть выполнены на резисторах, катушках индуктивности и конденсаторах. Использование фильтров в источниках питания преследует цель сгладить пульсации выходного напряжения выпрямителей и выделить постоянную составляющую напряжения.
Фильтры, используемые в устройствах электропитания, подразделяются на два основных вида:
-
фильтры с емкостным входом,
-
фильтры с индуктивным входом.
Применяют различные комбинации включения элементов фильтра, имеющие различные названия (П-образный фильтр, Г-образный фильтр и т. п.). Основной вид фильтра определяется элементом фильтра, устанавливаемым непосредственно на выходе выпрямителя.
На рис. 1а и б показаны основные типы фильтров. В первом из них конденсатор фильтра включен на выходе выпрямителя и шунтирует нагрузку. Именно через конденсатор фильтра замыкается основная часть переменной составляющей тока выпрямителя. Во втором к выходу выпрямителя подключен дроссель фильтра, который образует с нагрузкой последовательную цепь и препятствует любым изменениям тока в этой последовательной цепи.
Рис. 1
Фильтр с емкостным входом обеспечивает более высокий уровень выходного напряжения, чем фильтр с индуктивным входом, а фильтр с индуктивным входом лучше сглаживает пульсации напряжения. Таким образом, фильтр с емкостным входом целесообразно использовать в тех случаях, когда требуется получить в источнике питания более высокое напряжение, а фильтр с индуктивный входом — тогда, когда требуется лучшее качество выходного постоянного напряжения.
Фильтр с емкостным входом
Прежде чем рассматривать работу сложных фильтров, необходимо уяснить работу простейшего емкостного фильтра, изображенного на рис 2а. Выходное напряжение выпрямителя без фильтра показаyо на рис. 2б, а при наличии фильтра — на рис. 2в. При отсутствии конденсатора фильтра напряжение на Rl имеет пульсирующий характер. Среднее значение этого напряжения является выходным напряжением выпрямителя.
Рис. 2
При наличии конденсатора фильтра основная часть переменной составляющей тока замыкается через конденсатор минуя нагрузку Rl. С появлением первой полуволны выходного напряжения конденсатор фильтра начнет заряжаться положительно относительно корпуса, напряжение на нем будет изменяться в соответствии с выходным напряжением выпрямителя и по окончании половины пелупериода достигнет максимального значения.
Далее напряжение на вторичной обмотке трансформатора уменьшается, а конденсатор начнет разряжаться через Rl, поддерживая положительное напряжение и ток в нагрузке на более высоком уровне, чем было бы при отсутствии фильтра.
Прежде чем конденсатор сможет полностью разрядиться, появляется вторая положительная полуволна напряжения, которая вновь осуществляет заряд конденсатора до максимального значения. Как только напряжение на вторичной обмотке начнет уменьшаться, конденсатор вновь начнет разряжаться на нагрузку. В дальнейшем циклы заряда и разряда конденсатора чередуются в каждом полупериоде,
Ток заряда конденсатора протекает по вторичной обмотке трансформатора и соответствующей данному полупериоду паре выпрямительных диодов, а ток разряда конденсатора замыкается через нагрузку Rl. Реактивное сопротивление конденсатора на частоте сети мало сравнительно с Rl. Поэтому переменная составляющая тока протекает преимущественно через конденсатор фильтра, а через Rl течет практически постоянный ток.
Фильтр с индуктивным входом
Рассмотрим фильтр с индуктивным входом, или Г-образный LC-фильтр. Включение его в выпрямителе и форма выходного напряжения изображены на рисунке 3.
Рис. 3
Последовательное соединение дросселя фильтра (L) с нагрузкой препятствует изменениям тока в цепи. Напряжение на выходе здесь меньше, чем в фильтре с емкостным входом, так как дроссель образует последовательное соединение с полным сопротивлением, образованным параллельным соединением нагрузки и конденсатора фильтра. Такое соединение приводит к хорошему сглаживанию пульсаций напряжения действующих на входе фильтра, улучшению качества постоянного выходного напряжения, хотя и уменьшает его значение.
На индуктивности дросселя почти полностью выделяется переменная составляющая выходного напряжения выпрямителя, а средняя составляющая является выходным напряжением источника питания. Наличие дросселя приводит к тому, что продолжительность проводящего состояния диодов выпрямителя здесь в отличие от выпрямителя с емкостным фильтром равна половине периода.
Реактивное сопротивление дросселя (L) уменьшает значение напряжения пульсации, поскольку препятствует возрастанию тока в дросселе, когда напряжение на выходе выпрямителя больше, чем напряжение на нагрузке, а также препятствует уменьшению тока, если напряжение на выходе выпрямителя меньше среднего значения, Благодаря этому ток в нагрузке за период работы практически постоянен, а напряжение пульсации не зависит от тока нагрузки.
Многозвенный индуктивно-емкостный фильтр
Качество фильтрации выходного напряжения может быть улучшено путем последовательного включения нескольких фильтров. На рис. 4 показан двухзвенный LC-фильтр и примерно изображены формы напряжений в различных точках фильтра относительно обшей точки.
Рис. 4
Хотя здесь изображены два последовательно соединенных LС-филътра, число звеньев может быть увеличено. Увеличение количества звеньев приводит к уменьшению пульсаций (а многозвенные фильтры применяют именно тогда, когда требуется получить минимальные пульсации в выходном напряжении), но при этом уменьшается устойчивость стабилизаторов с такими фильтрами. К тому же увеличение количества звеньев приводит к увеличению сопротивления, включенного последовательно с источником питания, что вызывает увеличение изменений выходного напряжения с изменением тока нагрузки.
П-образный фильтр
На рис. 5 показан П-образный фильтр, названный так потому, что графическое его изображение похоже на букву П. Он представляет собой сочетание емкостного и Г-образного LС-фильтров.
Рис. 5
Резистор R, включений на выходе фильтра, практически всегда присутствует в источниках питания и является дополнительным нагрузочным сопротивлением. Назначение его двояко.
Во-первых, он обеспечивает путь разряда конденсаторов при отключении напряжения сети и тем самым Предотвращает возможности получения электрических ударов обслуживающим персоналом.
Во-вторых, он обеспечивает дополнительную нагрузку источника питания даже тогда, когда внешняя нагрузка отключена, и тем самым стабилизирует уровень выходного напряжения. Этот резистор можно также использовать как элемент резистивного делителя напряжения для получения дополнительных выходов.
П-образный фильтр — это фильтр с конденсаторным входом, дополненный Г-образным звеном. Основное фильтрующее действие выполняет конденсатор С1, который заряжается через проводящие диоды, а разряжается через L и R. Как и в обычном фильтре с емкостным входом, время заряда конденсатора существенно меньше времени разряда.
Дроссель L сглаживает пульсации тока, протекающего через конденсатор С2, обеспечивая дополнительную фильтрацию. Напряжение на конденсаторе С2 является выходным напряжением. Хотя его значение немного меньше, чем в источнике питания с обычным емкостным фильтром, но пульсации выходного напряжения значительно уменьшены.
Если даже предположить, что конденсатор С1 через проводящие диоды выпрямителя заряжается до амплитудного значения входного переменного напряжения, а затем разряжается через R, напряжение на конденсаторе С2 будет меньше, чем на С1, так как дроссель L, препятствующий любым изменениям тока нагрузки, стоит в цепи разряда конденсатора С1 и образует совместно с С2 и R делитель напряжения.
Ток заряда конденсаторов С1 и С2 проходит через вторичную обмотку трансформатора и проводящие диоды выпрямителя. Кроме того, при заряде С2 этот ток протекает через дроссель L. Разряд конденсатора С1 происходит через последовательно соединенные L и R, а разряд С2 — только через сопротивление R. Скорость разряда входного конденсатора С1 зависит от значения сопротивления R.
Постоянная времени разряда конденсаторов прямо пропорциональна значению R. Если она велика, то конденсаторы разряжаются мало и выходное напряжение велико. При меньших значениях R скорость разряда увеличивается и выходное напряжение будет уменьшаться, так как уменьшение R означает увеличение тока разряда конденсатора. Таким образом, среднее значение выходного напряжения тем ниже, чем меньше постоянная времени разряда конденсаторов.
П-образный C-RC-фильтр
В отличие от только что рассмотренного фильтра в П-образном С-RC-фильтре между двумя конденсаторами вместо дросселя включен резистор R1 так, как это показано на рис. 6.
Основные отличия и работе фильтров определяются различной реакцией дросселя и сопротивления переменному току. В предыдущем случае реактивные сопротивления дросселя L и конденсатора С2 таковы, что делитель напряжения, образованный ими, обеспечивал относительно лучшее сглаживание выходного напряжения.
На рис. 6 как постоянная, так и переменная составляющие выпрямленного тока протекают через R1. Вследствие падения напряжения на R1 от постоянной составляющей выходное напряжение уменьшается, и чем выше ток, тем больше это падение напряжения. Поэтому С-RC-фильтр можно применять только при незначительных токах нагрузки. Как и в случае индуктивно-емкостных фильтров, здесь можно использовать многозвенное включение фильтрующих цепей.
Рис. 6
Выбор фильтров в каждом конкретном случае - это не простая проблема, но вы должны, во всяком случае, понимать их назначение и принципы работы вследствие того, что они во многом определяют правильность работы устройств электропитания.