Сглаживающий фильтр

Выпрямитель

Выпрямление переменного напряжения осуществляется выпрямительным диодом VD1 или четырьмя выпрямительными диодами VD2 – VD5. На выходе выпрямителя получаем пульсирующее напряжение одного знака, которое изменяется от нуля до максимума. Один диод VD1 пропускает через себя только один полупериод синусоиды, поэтому называется однополупериодным выпрямителем. Его недостаток в том, что вторая половина периода ”исчезает”.

Вентильная группа из четырех полупроводниковых диодов VD2 – VD5, соединенных в кольцо, как показано на схеме, называется выпрямительным мостом. Такой выпрямитель называется двухполупериодным, так как пропускает через себя два полупериода синусоиды.

Выпрямительные диоды пропускают через себя электрический ток только, когда p - n переход смещается в прямом направлении, т.е. когда к ”p“ области подключен плюс, а к “n” области – минус. Согласно вольт-амперной характеристике диода на прямой ветви происходит незначительное падение напряжения, которое для кремниевых диодов может доходить до 1 вольта (0,6 вольта точка перегиба прямой ветви ВАХ).

В однополупериодном выпрямителе ток проходит через один диод, поэтому пиковое значение выпрямленного напряжения уменьшается на 0,6 – 1 вольта. В двухполупериодном выпрямителе ток проходит попеременно через два диода, поэтому в этом случае пиковое значение выпрямленного напряжения уменьшается на 1,2 – 2 вольта.

Величину пульсаций на выходе выпрямителя оценивают коэффициентом пульсаций – К_п, который определяется отношением амплитуды первой гармоники к средней величине выпрямленного напряжения. Для однополупериодного выпрямителя К_п=1,57; для двухполупериодного выпрямителя К_п=0,67, поэтому двухполупериодный выпрямитель предпочтительнее.

Сглаживающий фильтр

Для сглаживания пульсаций выходного напряжения применяются фильтры. В качестве простейшего фильтра можно использовать конденсатор C1 большой емкости, включенный параллельно выпрямителю. Простейший фильтр применяется, если сила тока небольшая - доли ампера. Для больших токов применяют фильтры, состоящие из катушек индуктивности L, включенных последовательно, и конденсаторов C1, C2, включенных параллельно. Фильтр с одной катушкой индуктивности L, включенной последовательно, и двумя конденсаторами C1, C2, включенными параллельно, называется П-образным.

Как уже отмечалось, для нормальной работы электронного устройства напряжения питания должно быть постоянным, поэтому пульсации напряжения являются очень вредным явлением и с ними надо бороться. Качество фильтра определяется коэффициентом сглаживания пульсаций К_сгп.

К_сгп= К_пвх/К_пвых, где К_пвх коэффициент пульсаций до фильтра, а К_пвых - коэффициент пульсаций после фильтра. Чем больше коэффициент сглаживания пульсаций фильтра, тем меньше величина пульсаций после фильтра и тем лучше спроектирован фильтр.

Далее рассмотрим более подробно временные диаграммы напряжений в однополупериодном выпрямителе, после которого установлен конденсатор в качестве простейшего фильтра. Диаграммы приведены на рис 2. В интервале времени t₂ – t₁ диод открыт и через него протекают токи нагрузки и заряда конденсатора С. Постоянная времени заряда t_зар = С (R_{н ½½} R_пот), где сопротивление потерь R_пот=R_пр.ср + R_тр (R_тр – активное сопротивление потерь трансформатора). Практически всегда R_пот<R_н и t_зар» С R_пот. В остальную часть периода t₃ – t₂ диод закрыт. В течение этого времени конденсатор разряжается t_разр» С (R_н (R_{обр ½½} R_пот)

Рис. 2 Сигнал после однополупериодного выпрямителя (тонкая линия) и после простейшего фильтра – конденсатора (толстая линия).

Поскольку у правильно выбранных диодов их обратное сопротивление R_обр >>R_тр + R_н, постоянная времени разряда t_разр» С R_н и t_зар<< t_разр т.е., процессы заряда и разряда конденсатора С идут с разной скоростью. Следовательно, появляется постоянная составляющая напряжения на диоде U_с = Umax - DU, обратное напряжение может достигать величины U_обр = 2U_max. Поэтому диод выбирают с U_{обр.макс} > 2U_max.

Особенности двухполупериодного мостового выпрямителя заключаются в том,что за период через диоды VD2 - VD5 протекают два импульса тока. В одном полупериоде ток течет через диоды VD2 и VD5, в другом – через диоды VD3 и VD4. Частота пульсаций выше в два раза, а величина их меньше. Обратное напряжение на диодах ниже в два раза по сравнению с однополупериодной схемой U_{обр.макс} > U_mах. Еще одной особенностью этой схемы является отсутствие в трансформаторе постоянного подмагничивания, так как ток вторичной обмотки в двух полупериодах протекает в противоположных направлениях.