Сглаживающие фильтры

Назначение любого сглаживающего фильтра - уменьшение величины переменной составляющей пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя, т.е. снижение коэффициента пульсаций до требуемых пределов. А каковы эти «требуемые пределы»? В разных ситуациях они могут существенно различаться. Иногда допустимой может оказаться пульсация в 1...2 %, а в некоторых случаях допустимый порог может измеряться сотыми долями процента. Поэтому для достижения того или иного порога используют разные фильтры. Схемы некоторых из них приведены на рис. 2.2.

Рис. 2.2 Фильтры выпрямителей:

а - простейший Г-образный RС-фильтр;

б - П-образный RС-фильтр;

в - П-образный LC-фильтр;

г - комбинированный двухзвенный М-образный RLС-фильтр;

д - П-образный LC - фильтр с резонансным контуром

Следует сразу заметить, что, несмотря на различие между этими схемами, принцип работы всех фильтров одинаков и основан на том, что любой конденсатор не пропускает постоянный ток, тогда как для переменного тока представляет собой некоторое конечное сопротивление, величина которого обратно пропорциональна частоте приложенного к конденсатору переменного напряжения.

Рассмотрим простейший однозвенный Г-образный RС-фильтр (рис. 2.2, а). Резистор R_ф включен последовательно в цепь прохождения пульсирующего тока от выхода выпрямителя ко входу схемы-потребителя, а конденсатор фильтра С_ф - параллельно входу потребителя и одновременно - последовательно с резистором фильтра.

Поскольку идеальный конденсатор постоянный ток не пропускает, его сопротивление постоянному току можно считать бесконечным, а потому на величину постоянной составляющей конденсатор никакого влияния не оказывает.

Совершенно иной оказывается картина для переменной составляющей (для напряжения пульсации). Для переменного тока конденсатор представляет вполне определенное реактивное сопротивление Z_c, величина которого в единицах сопротивлений определяется по формуле:

Z_c=1/2πfC,

где С - емкость конденсатора, f - частота переменного напряжения. Гц; Z_c - сопротивление конденсатора, Ом.

Допустим, что емкость конденсатора С_ф составляет 2 мкФ. или иначе 2·10^-6 Ф. а частота пульсаций равна частоте питающей сети -50 Гц. Величину 2π (6,28) округлим для удобства вычислений до 10, поскольку в данном случае абсолютные цифры для нас не имеют решающего значения. Тогда сопротивление конденсатора переменному току составит:

Z_c = 1/(10 · 50 ·2 ·10^-8) = 10³ Ом = 1 кОм,

Возьмем сопротивление резистора R_ф точно такой же величины - 1 кОм, Тогда окажется, что для переменной составляющей пульсаций резистор R_ф и конденсатор С_ф образуют равноплечий делитель напряже­ния, на каждом из плеч которого «упадет» ровно половина переменного напряжения. Но поскольку полезное напряжение к схеме потребителя «снимается» именно с конден­сатора, то и переменная составляющая на выходе фильтра оказывается вдвое меньше, чем на входе фильтра. В то же время, как мы установили, величина постоянной составля­ющей на выходе фильтра осталась такой же, что и на его входе, а это значит, что наш про­стейший фильтр вдвое уменьшил пульсацию на выходе выпрямителя.

А если теперь вместо конденсатора емкостью 2 мкФ взять конденсатор емкостью 20 мкФ, то его сопротивление на той же частоте уменьшится в 10 раз и станет равным 100 Ом, а это будет означать, что притом же сопротивлении резистора R_ф коэффициент пульсации уменьшился не в 2. а в 20 раз.

Любопытно отметить, что аналогичного эффекта можно добиться, увеличивая не емкость конденсатора, а величину сопротивления резистора. Однако это имело бы смысл только в том случае, если бы к выходу фильтра не был подключен, и через резистор не протекала постоянная составляющая, создающая на нем падение постоянного напряжения. А поскольку потребитель бывает подключен к выходу фильтра ее всех случаях, то на практике увеличение сопротивления резистора приводило бы к бесполезной потере части выпрямленного напряжения. Вот если бы постоянная составляющая, протекая по резистору, не создавала на нем падения постоянного напряжения…

Оказывается, что это вовсе не фантастика, если вместо активного резистора включить дроссель L_ф с большой индуктивностью (рис.2.2, в).

Известно, что катушка индуктивности ведет себя в некотором смысле как антипод конденсатора. То есть для постоянного тока индуктивность не оказывает вообще никакого сопротивления (если не считать омического сопротивления провода, которым катушка намотана и величина которого может на превышать единиц или десятков ом), Тогда как для переменного тока сопротивление катушки индуктивности является вполне реальным; при этом его величина, в отличие от конденсатора, увеличивается с увеличением частоты переменного напряжения и может быть определена по формуле:

Z_L=2πfL,

где L – индуктивность, Гн; f - частота переменного напряжения, Гц; Z_L - сопротивление катушки индуктивности, Ом.

Заменим наш резистор R_ф дросселем с индуктивностью 20 Гн и с активным сопротивлением 100 Ом. Его реактивное сопротивление на частоте 50 Гц составит (с учетом нашего округления величины 2π):

Z_L = 10 · 50 ·2 = 10000 Ом = 10 кОм.

Это означает, что даже при емкости конденсатора фильтра в 2 мкФ соотношение реактивных составляющих сопротивления дросселя и конденсатора увеличилось в 10 раз, а значит во столько же раз увеличилось «сглаживающее» действие фильтра и уменьшилась переменная составляющая пульсации на выходе фильтра.

Таковы смысл и физика работы сглаживающих фильтров, подключаемых между выходом выпрямителя и входом потребителя. Понятно также, что степень фильтрации «остатков» синусоиды тем выше, чем больше величина емкости конденсатора и индуктивности дросселя фильтра.

Фильтры, изображенные на рис. 2.2, различаются между собой сложностью схем и количеством входящих в схему элементов, причем количество входящих элементов во всех без исключения случаях напрямую связано со степенью фильтрации. Чем сложнее фильтр, тем выше фильтрация.

Особый интерес представляет схема фильтра на рис. 2.2, д. Она отличается от схемы рис, 2.2, в наличием дополнительного конденсатора С_рез, подключенного параллельно дросселю фильтра. Такое включение превращает обычный дроссель в резонансный контур, включенный последовательно в цепь прохождения тока потребителя.

Общеизвестно, что такой контур при настройке в резонанс существенно (в Q раз) увеличивает сопротивление переменному току, а это как раз то, что нам надо для увеличения степени фильтрации. На практике подбирают конденсатор такой емкости, чтобы дроссель оказался настроен на частоту 50 Гц при использовании однополупериодной схемы выпрямителя, или на частоту 100 Гц при двухполупериодном выпрямителе.