Výkonové filtre

Rôzne elektronické zariadenia vyžadujú zdroje napätia na napájanie jednosmerných zariadení. Výstupné napätie usmerňovače má pulzujúci vzhľad. V ňom môžete zvoliť priemernú alebo jednosmernú zložku napätia a premennú zložku, ktorá sa nazýva zvlnenie napätia alebo zvlnenie výstupného napätia.

Zvlnenie teda určuje odchýlku okamžitej hodnoty výstupného napätia od priemeru a môže byť kladné aj záporné. Napätie je charakterizované dvoma faktormi: frekvenciou a amplitúdou vĺn. V usmerňovačoch je frekvencia zvlnenia buď rovnaká ako frekvencia vstupného napätia (v polvlnnom usmerňovači) alebo dvakrát vyššia (v plnovlnnom usmerňovači).

V polvlnnom usmerňovači sa na získanie výstupného napätia používa iba jedna polvlna vstupného napätia a výstupné napätie je vo forme jednosmerných polvĺn podľa frekvencie vstupného napätia.

V celovlnných usmerňovačoch (nulový bod aj mostík) sú polvlny výstupného napätia tvorené každou polvlnou vstupného napätia. Preto je tu frekvencia vĺn dvakrát vyššia frekvencia siete… Ak je frekvencia prúdu v sieti 50 Hz, potom bude frekvencia vĺn v polvlnnom usmerňovači rovnaká a v celovlnnom usmerňovači je 100 Hz.

V poriadku musí byť známa amplitúda zvlnenia výstupného napätia usmerňovača. na určenie účinnosti filtrov inštalovaných na výstupe z usmerňovačov vyžarujúcich zložku vysokého napätia. Táto amplitúda je zvyčajne charakterizovaná faktorom zvlnenia (Erms), ktorý je definovaný ako pomer efektívnej hodnoty premennej zložky výstupného napätia k jeho priemernej hodnote (Edc):

r = Erms/Edc

Čím nižší je faktor zvlnenia, tým vyššia je účinnosť filtra. V praxi sa často používa aj faktor zvlnenia vyjadrený v percentách:

(Erms/Edc)x100 %.

Nízkopriepustné filtre sa bežne používajú v napájacích zdrojoch. Tieto filtre prechádzajú zo vstupu na výstup, takmer bez útlmu alebo útlmu, signály, ktorých frekvencie sú pod medznou frekvenciou filtra a všetky vyššie frekvencie sa prakticky neprenášajú na výstup filtra.

Filtre sú spustiteľné odpory, induktory a kondenzátory… Použitie filtrov v napájacích zdrojoch má za cieľ vyhladiť zvlnenie výstupného napätia usmerňovača a izolovať jednosmernú zložku napätia.

Filtre používané v napájacích zariadeniach sú rozdelené do dvoch hlavných typov:

• filtre s kapacitným vstupom,

• indukčné vstupné filtre.

Používajú sa rôzne kombinácie zahrnutia filtračných prvkov, ktoré majú rôzne názvy (filter v tvare U, filter v tvare L atď.). Typ hlavného filtra je určený filtračnou vložkou inštalovanou priamo na výstupe usmerňovača.

Na obr. 1a a 1b sú znázornené hlavné typy filtrov. V prvom z nich je filtračný kondenzátor pripojený k výstupu usmerňovača a odpája záťaž. Cez filtračný kondenzátor je uzavretá hlavná časť striedavého komponentu usmerňovača. V druhom je na výstup usmerňovača pripojená filtračná tlmivka, ktorá tvorí sériový obvod so záťažou a zabraňuje akýmkoľvek zmenám prúdu v tomto sériovom obvode.

Ryža. 1

Kapacitný vstupný filter poskytuje vyššiu úroveň výstupného napätia ako indukčný vstupný filter a indukčný vstupný filter lepšie znižuje zvlnenie napätia. Preto je vhodné použiť kapacitný vstupný filter, keď je potrebné vyššie napájacie napätie, a indukčný vstupný filter, keď je požadovaná lepšia kvalita DC výstupu.

Kapacitný vstupný filter

Pred uvažovaním o prevádzke zložitých filtrov je potrebné pochopiť fungovanie najjednoduchšieho kapacitného filtra znázorneného na obr. 2a. Výstupné napätie usmerňovača bez filtra na displeji na obr. 2b a v prítomnosti filtra - na obr. 2c. Pri absencii filtračného kondenzátora má napätie v Rl pulzujúci charakter. Priemerná hodnota tohto napätia je výstupné napätie usmerňovača.

Ryža. 2

V prítomnosti filtračného kondenzátora je hlavná časť striedavej zložky prúdu uzavretá cez kondenzátor, čím sa obchádza záťaž Rl... S objavením sa prvej polvlny výstupného napätia filtračný kondenzátor sa začne nabíjať kladné na puzdro, napätie na ňom sa bude meniť v súlade s výstupným napätím usmerňovača a na konci polovice polcyklu dosiahne svoju maximálnu hodnotu.

Okrem toho sekundárne napätie transformátora klesne a kondenzátor sa začne vybíjať cez R1, čím sa udržiava kladné napätie a prúd v záťaži na vyššej úrovni, ako by to bolo bez filtra.

Predtým, ako sa kondenzátor môže úplne vybiť, nastane druhá polvlna kladného napätia, ktorá opäť nabije kondenzátor na jeho maximálnu hodnotu. Akonáhle sa napätie sekundárneho vinutia začne znižovať, kondenzátor sa opäť začne vybíjať do záťaže. V budúcnosti sa cykly nabíjania a vybíjania kondenzátora striedajú v každom polcykle,

Sekundárnym vinutím transformátora a dvojicou usmerňovacích diód zodpovedajúcich tejto polperióde preteká nabíjací prúd kondenzátora a cez záťaž Rl sa uzatvára vybíjací prúd kondenzátora... Reaktancia kondenzátora pri v. frekvencia siete je malá v porovnaní s Rl. Preto premenná zložka prúdu preteká hlavne cez filtračný kondenzátor a prakticky preteká cez Rl D.C..

Indukčný vstupný filter

Zvážte indukčný vstupný filter alebo LC filter v tvare L. Jeho zahrnutie do usmerňovača a priebeh výstupného napätia sú znázornené na obrázku 3.

Ryža. 3

Sériové pripojenie filtračná tlmivka (L) so záťažou inhibuje zmeny prúdu v obvode. Výstupné napätie je tu menšie ako pri kapacitnom vstupnom filtri, pretože tlmivka tvorí sériové zapojenie s impedanciou tvorenou paralelným zapojením záťaže a filtračného kondenzátora. Takéto zapojenie vedie k dobrému vyhladeniu napäťovej vlny pôsobiacej na vstupe filtra, zlepšuje kvalitu konštantného výstupného napätia, aj keď znižuje jeho hodnotu.

Striedavá zložka výstupného napätia usmerňovača je takmer úplne izolovaná od indukčnosti tlmivky a stredná zložka je napájacie výstupné napätie. Prítomnosť tlmivky vedie k tomu, že trvanie vodivého stavu diód usmerňovača sa tu na rozdiel od usmerňovača s kapacitným filtrom rovná polovici periódy.

Reaktancia tlmivky (L) znižuje hodnotu zvlneného napätia, pretože bráni zvýšeniu prúdu tlmivky, keď je výstupné napätie usmerňovača väčšie ako napätie záťaže, a tiež bráni poklesu prúdu, ak je výstupné napätie usmerňovača menšie. Preto je prúd v záťaži počas doby prevádzky prakticky konštantný a napätie vĺn nezávisí od záťažového prúdu.

Viacdielny indukčno-kapacitný filter

Kvalitu filtrovania výstupného napätia je možné zlepšiť zapojením niekoľkých filtrov do série. Na obr. 4 ukazuje dvojstupňový LC filter a zhruba ukazuje priebehy napätia v rôznych bodoch na filtri vzhľadom na spoločný bod.

Ryža. 4

Hoci sú tu zobrazené dva sériovo zapojené LC-filtre, počet pripojení je možné zvýšiť. Zvýšenie počtu pripojení vedie k zníženiu zvlnenia (a filtre s mnohými pripojeniami sa používajú práve vtedy, keď je potrebné dosiahnuť minimálne zvlnenie výstupného napätia), čo však znižuje stabilitu stabilizátorov s takýmito filtrami. Okrem toho zvýšenie počtu spojení vedie k zvýšeniu odporu zapojeného do série s napájaním, čo vedie k zvýšeniu zmien výstupného napätia so zmenou záťažového prúdu.

Filter v tvare U

Na obr. 5 je znázornený filter v tvare U, nazývaný tak, že jeho grafické znázornenie pripomína písmeno P. Ide o kombináciu kapacitných a LC-filtrov v tvare L.

Ryža. 5

Rezistor R, ktorý je pripojený k výstupu filtra, je takmer vždy prítomný v napájacích zdrojoch a je voliteľný odolnosť voči zaťaženiu... Jeho účel je dvojaký.

Po prvé, poskytuje vybíjaciu dráhu pre kondenzátory pri prerušení sieťového napätia a tým zabraňuje možnosti zásahu elektrickým prúdom pre obsluhu.

Po druhé, poskytuje dodatočné zaťaženie napájacieho zdroja, aj keď je externá záťaž vypnutá, a tým stabilizuje úroveň výstupného napätia. Tento odpor môže byť tiež použitý ako prvok odporový delič napätia pre dodatočné výstupy.

Filter v tvare U je filter s kondenzátorovým vstupom doplnený o pripojenie v tvare L.Hlavnú filtračnú činnosť vykonáva kondenzátor C1, ktorý sa nabíja cez vodivé diódy a vybíja cez L a R... Rovnako ako u bežného filtra s kapacitným vstupom je doba nabíjania kondenzátora výrazne kratšia ako doba vybíjania. .

Tlmivka L vyhladzuje vlnenie prúdu pretekajúceho cez kondenzátor C2 a poskytuje dodatočné filtrovanie. Napätie na kondenzátore C2 je výstupné napätie. Jeho hodnota je síce o niečo menšia ako pri napájaní klasickým kapacitným filtrom, no zvlnenie výstupného napätia je výrazne znížené.

Aj keď predpokladáme, že kondenzátor C1 sa nabije cez vodivé diódy usmerňovača na hodnotu amplitúdy vstupného striedavého napätia a potom sa vybije cez R, napätie kondenzátora C2 bude menšie ako napätie C1, pretože tlmivka L, ktorá bráni akýmkoľvek zmenám záťažového prúdu, stojí vo vybíjacom obvode kondenzátora C1 a tvorí spolu s C2 a R delič napätia.

Nabíjací prúd kondenzátorov C1 a C2 prechádza sekundárnym vinutím transformátora a vodivými diódami usmerňovača. Taktiež pri nabíjaní C2 tento prúd preteká cez tlmivku L... Kondenzátor C1 sa vybíja cez sériovo zapojené L a R a C2 sa vybíja len cez odpor R. Rýchlosť vybíjania vstupného kondenzátora C1 závisí od hodnoty odporu R.

Časová konštanta vybíjania kondenzátorov je priamo úmerná hodnote R... Ak je vysoká, potom sa kondenzátory vybíjajú málo a výstupné napätie je vysoké.Pri nižších hodnotách R sa rýchlosť vybíjania zvyšuje a výstupné napätie sa znižuje, pretože zníženie R znamená zvýšenie vybíjacieho prúdu kondenzátora. Čím nižšia je teda časová konštanta vybíjania kondenzátora, tým nižšia je priemerná hodnota výstupného napätia.

C-RC filter v tvare U

Na rozdiel od práve diskutovaného filtra pri C-RB C-filtri v tvare U je medzi dva kondenzátory namiesto tlmivky zapojený odpor R.1 ako je znázornené na obr. 6.

Hlavné rozdiely a výkon filtra sú určené rôznou odozvou tlmivky a AC odporom. V predchádzajúcom prípade sú reaktancie tlmivky L a kondenzátora C2 také, že nimi vytvorený delič napätia poskytuje relatívne lepšie vyhladenie výstupného napätia.

Na obr. 6, obidve zložky jednosmerného aj striedavého prúdu usmerneného prúdu cez R1. V dôsledku poklesu napätia na R1 z jednosmernej zložky sa výstupné napätie znižuje a čím väčší je prúd, tým väčší je tento pokles napätia. Preto je možné C-RC-filter použiť len pri nízkych zaťažovacích prúdoch. Rovnako ako v prípade indukčno-kapacitných filtrov je možné použiť viacúrovňové zapojenie filtračných obvodov.

Ryža. 6

Výber filtrov v žiadnom prípade nie je jednoduchý problém, ale v každom prípade musíte pochopiť ich účel a princípy fungovania, pretože do značnej miery určujú správnu činnosť napájacích zdrojov.