Захранващи филтри

Различните електронни устройства изискват източници на напрежение за захранване на устройствата с постоянен ток. Изходно напрежение токоизправители има пулсиращ вид. В него можете да изберете средния или постоянен компонент на напрежението и променливия компонент, който се нарича вълнообразно напрежение или пулсация на изходното напрежение.

По този начин пулсацията определя отклонението на моментната стойност на изходното напрежение от средното и може да бъде както положително, така и отрицателно. Напрежението се характеризира с два фактора: честота и амплитуда на вълните. При токоизправителите честотата на вълните е или същата като честотата на входното напрежение (в токоизправител с половин вълна), или два пъти по-висока (в токоизправител с пълна вълна).

В полувълнов токоизправител само една полувълна от входното напрежение се използва за получаване на изходното напрежение, а изходното напрежение е под формата на еднопосочни полувълни, следвайки честотата на входното напрежение.

При токоизправители с пълна вълна (както с нулева точка, така и в мост), полувълните на изходното напрежение се образуват от всяка полувълна на входното напрежение. Следователно честотата на вълните тук е два пъти по -висока от тази мрежова честота… Ако честотата на тока в мрежата е 50 Hz, тогава честотата на вълните в полувълновия токоизправител ще бъде същата, а в пълноволновия токоизправител е 100 Hz.

Амплитудата на пулсациите на изходното напрежение на токоизправителя трябва да бъде известна по ред. за определяне на ефективността на филтрите, монтирани на изхода на токоизправителите, излъчващи компонента на средното напрежение. Тази амплитуда обикновено се характеризира с коефициента на пулсации (Ермс), което се определя като съотношението на ефективната стойност на променливия компонент на изходното напрежение към неговата средна стойност (Edc):

r = Erms /Edc

Колкото по -нисък е коефициентът на пулсации, толкова по -висока е ефективността на филтъра. Често на практика се използва и коефициентът на пулсации, изразен като процент:

(Ермс /Edc)x100%.

Нискочестотните филтри обикновено се използват в захранванията. Тези филтри преминават от вход към изход, почти без затихване или отслабване, сигнали, чиито честоти са под граничната честота на филтъра, а всички по -високи честоти практически не се предават към изхода на филтъра.

Филтрите могат да се изпълняват резистори, индуктори и кондензатори… Използването на филтри в захранванията има за цел да изглади пулсациите на изходното напрежение на токоизправителите и да изолира DC компонента на напрежението.

Филтрите, използвани в устройствата за захранване, са разделени на два основни типа:

• филтри с капацитивен вход,

• филтри с индуктивен вход.

Използват се различни комбинации от включването на филтърни елементи, които имат различни наименования (U-образен филтър, L-образен филтър и др.). Основният тип филтър се определя от филтърния елемент, инсталиран директно на изхода на токоизправителя.

На фиг. 1а и 1б показват основните видове филтри. В първия от тях филтърният кондензатор е свързан към изхода на токоизправителя и маневрира товара. Чрез филтърния кондензатор основната част от променливотоковия компонент на токоизправителя се затваря. Във втория към изхода на токоизправителя е свързан филтърен дросел, който образува последователна верига с товара и предотвратява всякакви промени в тока в тази последователна верига.

Ориз. 1

Капацитивният входен филтър осигурява по -високо ниво на изходно напрежение от индуктивния входен филтър, а индуктивният входен филтър по -добре намалява напрежението на вълните. По този начин е препоръчително да се използва филтър с капацитивен вход, когато се изисква по -високо напрежение в захранването, и филтър с индуктивен вход, когато се изисква по -добро качество на изходното постоянно напрежение.

Филтър с капацитивен вход

Преди да се разгледа работата на сложни филтри, е необходимо да се разбере работата на най -простия капацитивен филтър, показан на фиг. 2а. Изходно напрежение на токоизправителя без филтър на дисплеяyo на фиг. 2б, а при наличие на филтър — на фиг. 2в. При липса на филтър кондензатор, напрежението в Rл има пулсиращ характер. Средната стойност на това напрежение е изходното напрежение на токоизправителя.

Ориз. 2

При наличие на филтър кондензатор основната част от променливотоковия компонент на тока се затваря през кондензатора, заобикаляйки товара Rл… С появата на първата полувълна на изходното напрежение филтърният кондензатор ще започне да се зарежда положително спрямо случая, напрежението върху него ще се промени в съответствие с изходното напрежение на токоизправителя и в края на половината от полупериода ще достигне максималната си стойност.

Освен това напрежението на вторичната намотка на трансформатора намалява и кондензаторът започва да се разрежда през Rл, поддържайки положителното напрежение и ток в товара на по -високо ниво, отколкото би било без филтъра.

Преди кондензаторът да може напълно да се разреди, се появява втора полувълна с положително напрежение, която отново зарежда кондензатора до максималната му стойност. Веднага след като напрежението на вторичната намотка започне да намалява, кондензаторът отново ще започне да се разрежда към товара. В бъдеще циклите на зареждане и разреждане на кондензатора се редуват във всеки полупериод,

Токът на зареждане на кондензатора протича през вторичната намотка на трансформатора и двойката изправителни диоди, съответстващи на този полупериод, а разрядният ток на кондензатора се затваря през товара Rл… Реактивното съпротивление на кондензатора при честотата на мрежата е малко в сравнение с Rl. Следователно променливият компонент на тока протича главно през филтърния кондензатор и през Rл тече практически D.C..

Индуктивен входен филтър

Помислете за филтър с индуктивен вход или L-образна форма LC филтър. Включването му в токоизправителя и формата на вълната на изходното напрежение са показани на фигура 3.

Ориз. 3

Серийна връзка филтърна дросела (L) с натоварване възпрепятства текущите промени във веригата. Изходното напрежение тук е по -малко, отколкото при филтър с капацитивен вход, тъй като дроселът образува последователна връзка с импеданс, образуван от паралелната връзка на товара и филтърния кондензатор. Такава връзка води до добро изглаждане на вълната на напрежението, действаща на входа на филтъра, подобрявайки качеството на постоянното изходно напрежение, въпреки че намалява неговата стойност.

Променливотоковият компонент на изходното напрежение на токоизправителя е почти напълно изолиран от индуктивността на дросела, а средният компонент е изходното напрежение на захранването. Наличието на дросел води до факта, че продължителността на проводимото състояние на токоизправителните диоди тук, за разлика от токоизправителя с капацитивен филтър, е равна на половината период.

Реактивността на дросела (L) намалява стойността на напрежението на вълните, тъй като предотвратява увеличаването на тока в дросела, когато напрежението на изхода на токоизправителя е по -голямо от напрежението върху товара, а също така предотвратява намаляване на тока, ако напрежението на изхода на токоизправителя е по -малко от средната стойност.Поради това токът в товара през периода на работа е практически постоянен, а напрежението на вълните не зависи от тока на натоварване.

Многосекционен индуктивно-капацитивен филтър

Качеството на филтриране на изходното напрежение може да бъде подобрено чрез свързване на няколко филтъра последователно. На фиг. 4 показва двустепенен LC филтър и грубо показва вълновите форми на напрежението в различни точки на филтъра спрямо обща точка.

Ориз. 4

Въпреки че тук са показани две последователно свързани LC-филтър, броят на връзките може да се увеличи. Увеличаването на броя на връзките води до намаляване на пулсациите (и филтрите с много връзки се използват точно когато е необходимо да се получи минимална пулсация на изходното напрежение), но това намалява стабилността на стабилизаторите с такива филтри. В допълнение, увеличаването на броя на връзките води до увеличаване на съпротивлението, свързано последователно с захранването, което води до увеличаване на промените в изходното напрежение с промяна в тока на натоварване.

U-образен филтър

На фиг. 5 показва U-образен филтър, наречен така, защото графичното му изображение прилича на буквата P. Това е комбинация от капацитивен и L-образен LC-филтри.

Ориз. 5

Резистор R, който се включва на изхода на филтъра, почти винаги присъства в захранванията и е по избор устойчивост на натоварване… Неговото предназначение е двойно.

Първо, той осигурява път на разреждане на кондензаторите, когато мрежовото напрежение е прекъснато и по този начин предотвратява възможността от токов удар на обслужващия персонал.

Второ, той осигурява допълнително натоварване на захранването дори когато външното натоварване е изключено и по този начин стабилизира нивото на изходното напрежение. Този резистор може да се използва и като елемент резистивен делител на напрежение за допълнителни изходи.

U-образният филтър е филтър с вход за кондензатор, допълнен от L-образна връзка. Основното филтриращо действие се извършва от кондензатора C1, който се зарежда през проводящите диоди и се разрежда през L и R… Както при конвенционален филтър с капацитивен вход, времето за зареждане на кондензатора е значително по -кратко от времето за разреждане.

Дроселът L изглажда пулсациите на тока, протичащ през кондензатора С2, осигурявайки допълнително филтриране. Напрежението на кондензатора C2 е изходното напрежение. Въпреки че стойността му е малко по -малка, отколкото при захранване с конвенционален капацитивен филтър, вълнението на изходното напрежение е значително намалено.

Дори да приемем, че кондензаторът C1 се зарежда през проводящите диоди на токоизправителя до стойността на амплитудата на входното променливо напрежение и след това се разрежда през R, напрежението на кондензатора C2 ще бъде по -малко от това на C1, тъй като дроселът L, който предотвратява всякакви промени в тока на натоварване, стои в разрядната верига на кондензатора C1 и образува заедно с C2 и R делител на напрежение.

Зареждащият ток на кондензатори С1 и С2 преминава през вторичната намотка на трансформатора и проводящите диоди на токоизправителя. Освен това, когато С2 се зарежда, този ток протича през дросела L… Разряд на кондензатор С1 възниква през последователно свързани L и R, а разрядът C2 — само чрез съпротивлението R. Скоростта на разреждане на входния кондензатор C1 зависи от стойността на съпротивлението R.

Константата на време на разреждане на кондензаторите е правопропорционална на стойността R… Ако е висока, тогава кондензаторите се разреждат малко и изходното напрежение е високо. При по -ниски стойности на R скоростта на разреждане се увеличава и изходното напрежение ще намалее, тъй като намаляването на R означава увеличаване на разрядния ток на кондензатора. По този начин, колкото по -ниска е времевата константа на разреждането на кондензатора, толкова по -ниска е средната стойност на изходното напрежение.

U-образен C-RC филтър

За разлика от филтъра, току-що разгледан в U-образната C-RВ С-филтъра резистор R е свързан между двата кондензатора вместо дросела.1 както е показано на фиг. 6.

Основните разлики и производителността на филтъра се определят от различната реакция на дросела и AC съпротивлението. В предишния случай реактивите на индуктора L и кондензатора С2 са такива, че разделителят на напрежението, образуван от тях, осигурява относително по -добро изглаждане на изходното напрежение.

На фиг. 6, както DC, така и AC компонентите на тока на коригирания ток през R1. Поради спада на напрежението през R1 от DC компонента, изходното напрежение намалява и колкото по -голям е токът, толкова по -голям е този спад на напрежението. Следователно, C-RC-филтърът може да се използва само с ниски токове на натоварване. Както в случая с индуктивно-капацитивни филтри, тук е възможно да се използва многостепенна връзка на филтриращи вериги.

Ориз. 6

Изборът на филтри във всеки случай не е лесен проблем, но във всеки случай трябва да разберете тяхната цел и принципи на работа поради факта, че те до голяма степен определят правилната работа на захранващите устройства.