Filtry zasilania

Różne urządzenia elektroniczne wymagają źródeł napięcia do zasilania urządzeń prądu stałego. Napięcie wyjściowe prostowniki ma pulsujący wygląd. Można w nim wybrać składową średnią lub stałą napięcia oraz składową zmienną zwaną napięciem tętnienia lub tętnieniem napięcia wyjściowego.

Zatem tętnienie określa odchylenie chwilowej wartości napięcia wyjściowego od średniej i może być zarówno dodatnie, jak i ujemne. Napięcie charakteryzuje się dwoma czynnikami: częstotliwością i amplitudą fal. W prostownikach częstotliwość tętnienia jest albo taka sama jak częstotliwość napięcia wejściowego (w prostowniku półfalowym) lub dwukrotnie wyższa (w prostowniku pełnookresowym).

W prostowniku półfalowym tylko jedna półfala napięcia wejściowego jest wykorzystywana do uzyskania napięcia wyjściowego, a napięcie wyjściowe ma postać jednokierunkowych półfal, zgodnych z częstotliwością napięcia wejściowego.

W prostownikach pełnookresowych (zarówno z punktem zerowym, jak i mostkiem) półfale napięcia wyjściowego są tworzone przez każdą półfalę napięcia wejściowego. Dlatego częstotliwość fal tutaj jest dwa razy większa częstotliwość sieci… Jeżeli częstotliwość prądu w sieci wynosi 50 Hz, to częstotliwość fal w prostowniku półfalowym będzie taka sama, aw prostowniku pełnookresowym będzie to 100 Hz.

Amplituda tętnienia napięcia wyjściowego prostownika musi być znana w kolejności. określenie skuteczności filtrów zainstalowanych na wyjściu prostowników emitujących składową średniego napięcia. Amplituda ta jest zwykle charakteryzowana przez współczynnik tętnienia (Erms), który definiuje się jako stosunek wartości skutecznej zmiennej składowej napięcia wyjściowego do jej wartości średniej (Edc):

r = Erms /Edc

Im niższy współczynnik tętnienia, tym wyższa wydajność filtra. W praktyce często stosuje się również współczynnik tętnienia wyrażony w procentach:

(Erms /Edc)x100%.

Filtry dolnoprzepustowe są powszechnie stosowane w zasilaczach. Filtry te przepuszczają z wejścia na wyjście, prawie bez tłumienia lub tłumienia, sygnały, których częstotliwości są poniżej częstotliwości odcięcia filtra, a wszystkie wyższe częstotliwości praktycznie nie są przesyłane na wyjście filtra.

Filtry są wykonywalne rezystory, cewki indukcyjne I kondensatory… Zastosowanie filtrów w zasilaczach ma na celu wygładzenie tętnienia napięcia wyjściowego prostownika oraz odizolowanie składowej stałej napięcia.

Filtry stosowane w urządzeniach zasilających dzielą się na dwa główne typy:

• filtry z wejściem pojemnościowym,

• indukcyjne filtry wejściowe.

Stosowane są różne kombinacje włączenia elementów filtrujących, które mają różne nazwy (filtr w kształcie litery U, filtr w kształcie litery L itp.). O typie filtra głównego decyduje element filtrujący montowany bezpośrednio na wyjściu prostownika.

na ryc. 1a i 1b przedstawiają główne typy filtrów. W pierwszym z nich kondensator filtrujący jest podłączony do wyjścia prostownika i bocznikuje obciążenie. Przez kondensator filtrujący główna część składowej prądu przemiennego prostownika jest zamknięta. W drugim do wyjścia prostownika podłączony jest dławik filtrujący, który tworzy obwód szeregowy z obciążeniem i zapobiega wszelkim zmianom prądu w tym obwodzie szeregowym.

Ryż. 1

Pojemnościowy filtr wejściowy zapewnia wyższy poziom napięcia wyjściowego niż indukcyjny filtr wejściowy, a indukcyjny filtr wejściowy lepiej redukuje tętnienia napięcia. Dlatego zaleca się stosowanie pojemnościowego filtra wejściowego, gdy wymagane jest wyższe napięcie zasilania, oraz indukcyjnego filtra wejściowego, gdy wymagana jest lepsza jakość wyjścia DC.

Pojemnościowy filtr wejściowy

Przed rozważeniem działania złożonych filtrów konieczne jest zrozumienie działania najprostszego filtra pojemnościowego pokazanego na ryc. 2a. Napięcie wyjściowe prostownika bez filtra na wyświetlaczu yo na rys. 2b, aw obecności filtra - na ryc. 2c. W przypadku braku kondensatora filtrującego napięcie w Rl ma charakter pulsujący. Średnia wartość tego napięcia jest napięciem wyjściowym prostownika.

Ryż. 2

W obecności kondensatora filtrującego główna część składowej prądu przemiennego prądu jest zamykana przez kondensator, omijając obciążenie Rl... Wraz z pojawieniem się pierwszej półfali napięcia wyjściowego kondensator filtra zacznie się ładować dodatni do obudowy, napięcie na nim będzie się zmieniać zgodnie z napięciem wyjściowym prostownika i pod koniec połowy półcyklu osiągnie wartość maksymalną.

Ponadto napięcie wtórne transformatora spada, a kondensator zaczyna się rozładowywać przez R1, utrzymując dodatnie napięcie i prąd w obciążeniu na wyższym poziomie niż bez filtra.

Zanim kondensator może się całkowicie rozładować, pojawia się druga półfala napięcia dodatniego, ponownie ładując kondensator do maksymalnej wartości. Gdy tylko napięcie uzwojenia wtórnego zacznie spadać, kondensator ponownie zacznie się rozładowywać do obciążenia. W przyszłości cykle ładowania i rozładowania kondensatora zmieniają się w każdym półcyklu,

Prąd ładowania kondensatora przepływa przez uzwojenie wtórne transformatora i odpowiadającą temu półokresowi parę diod prostowniczych, a prąd rozładowania kondensatora jest zamykany przez obciążenie Rl... Reaktancja kondensatora na częstotliwość sieci jest mała w porównaniu z Rl. Dlatego zmienna składowa prądu przepływa głównie przez kondensator filtrujący i praktycznie przepływa przez Rl DC.

Indukcyjny filtr wejściowy

Rozważ indukcyjny filtr wejściowy lub filtr LC w kształcie litery L. Jego włączenie do prostownika oraz przebieg napięcia wyjściowego pokazano na rysunku 3.

Ryż. 3

Połączenie szeregowe dławik filtra (L) z obciążeniem hamuje zmiany prądu w obwodzie. Napięcie wyjściowe jest tutaj mniejsze niż w przypadku pojemnościowego filtra wejściowego, ponieważ dławik tworzy połączenie szeregowe z impedancją utworzoną przez równoległe połączenie obciążenia i kondensatora filtra. Takie połączenie prowadzi do dobrego wygładzenia fali napięciowej działającej na wejściu filtru, poprawiając jakość stałego napięcia wyjściowego, choć zmniejsza jego wartość.

Składowa AC napięcia wyjściowego prostownika jest prawie całkowicie odizolowana od indukcyjności dławika, a składową środkową jest napięcie wyjściowe zasilania. Obecność dławika prowadzi do tego, że czas trwania stanu przewodzenia diod prostowniczych tutaj, w przeciwieństwie do prostownika z filtrem pojemnościowym, jest równy połowie okresu.

Reaktancja dławika (L) zmniejsza wartość napięcia tętnienia, ponieważ zapobiega wzrostowi prądu dławika, gdy napięcie wyjściowe prostownika jest większe niż napięcie obciążenia, a także zapobiega zmniejszaniu się prądu, gdy napięcie wyjściowe prostownika jest mniejsze niż wartość średnia.Dlatego prąd w obciążeniu w okresie pracy jest praktycznie stały, a napięcie fal nie zależy od prądu obciążenia.

Wielosekcyjny filtr indukcyjno-pojemnościowy

Jakość filtrowania napięcia wyjściowego można poprawić, łącząc szeregowo kilka filtrów. na ryc. 4 przedstawia dwustopniowy filtr LC i z grubsza przedstawia przebiegi napięcia w różnych punktach filtra względem wspólnego punktu.

Ryż. 4

Chociaż pokazano tutaj dwa połączone szeregowo filtry LC, liczbę połączeń można zwiększyć. Zwiększenie liczby połączeń prowadzi do zmniejszenia tętnienia (a filtry z wieloma połączeniami są używane właśnie wtedy, gdy konieczne jest uzyskanie minimalnego tętnienia napięcia wyjściowego), ale zmniejsza to stabilność stabilizatorów z takimi filtrami. Ponadto zwiększenie liczby połączeń prowadzi do wzrostu rezystancji połączonej szeregowo z zasilaczem, co prowadzi do wzrostu zmian napięcia wyjściowego wraz ze zmianą prądu obciążenia.

Filtr w kształcie litery U

na ryc. 5 przedstawia filtr w kształcie litery U, nazwany tak, ponieważ jego graficzna reprezentacja przypomina literę P. Jest to kombinacja pojemnościowych i L-kształtnych filtrów LC.

Ryż. 5

Rezystor R, który jest podłączony do wyjścia filtra, jest prawie zawsze obecny w zasilaczach i jest opcjonalny odporność na obciążenie… Jego cel jest dwojaki.

Po pierwsze, zapewnia ścieżkę rozładowania kondensatorów, gdy napięcie sieciowe zostanie przerwane, a tym samym zapobiega możliwości porażenia prądem elektrycznym personelu serwisowego.

Po drugie, zapewnia dodatkowe obciążenie zasilacza, nawet gdy zewnętrzne obciążenie jest wyłączone, a tym samym stabilizuje poziom napięcia wyjściowego. Ten rezystor może być również użyty jako element rezystancyjny dzielnik napięcia dla dodatkowych wyjść.

Filtr w kształcie litery U to filtr z wejściem kondensatora uzupełnionym złączem w kształcie litery L.Główne działanie filtrujące wykonuje kondensator C1, który jest ładowany przez diody przewodzące i rozładowywany przez L i R... Podobnie jak w przypadku konwencjonalnego filtra z wejściem pojemnościowym, czas ładowania kondensatora jest znacznie krótszy niż czas rozładowania .

Dławik L wygładza tętnienia prądu płynącego przez kondensator C2, zapewniając dodatkowe filtrowanie. Napięcie na kondensatorze C2 jest napięciem wyjściowym. Choć jego wartość jest nieco mniejsza niż przy zasilaniu konwencjonalnym filtrem pojemnościowym, to tętnienie napięcia wyjściowego jest znacznie zmniejszone.

Nawet jeśli przyjmiemy, że kondensator C1 jest ładowany przez diody przewodzące prostownika do wartości amplitudy wejściowego napięcia przemiennego, a następnie rozładowywany przez R, to napięcie kondensatora C2 będzie mniejsze niż kondensatora C1, ponieważ dławik L, który zapobiega jakimkolwiek zmianom prądu obciążenia, stoi w obwodzie rozładowania kondensatora C1 i tworzy wraz z C2 i R dzielnik napięcia.

Prąd ładowania kondensatorów C1 i C2 przepływa przez uzwojenie wtórne transformatora i diody przewodzące prostownika. Ponadto, gdy C2 jest naładowany, prąd ten płynie przez dławik L... Kondensator C1 rozładowuje się przez połączone szeregowo L i R, a C2 rozładowuje się tylko przez rezystancję R. Szybkość rozładowywania kondensatora wejściowego C1 zależy od wartości rezystancji R.

Stała czasowa rozładowania kondensatorów jest wprost proporcjonalna do wartości R… Jeśli jest wysoka, kondensatory nieco się rozładowują, a napięcie wyjściowe jest wysokie.Przy niższych wartościach R szybkość rozładowania wzrasta, a napięcie wyjściowe spada, ponieważ zmniejszenie R oznacza zwiększenie prądu rozładowania kondensatora. Zatem im mniejsza stała czasowa rozładowania kondensatora, tym niższa średnia wartość napięcia wyjściowego.

Filtr C-RC w kształcie litery U

W przeciwieństwie do omówionego właśnie filtra w filtrze C-RB C w kształcie litery U, rezystor R jest podłączony między dwoma kondensatorami zamiast dławika.1, jak pokazano na ryc. 6.

Główne różnice i wydajność filtra są określone przez różną reakcję dławika i rezystancję prądu przemiennego. W poprzednim przypadku reaktancje cewki indukcyjnej L i kondensatora C2 są takie, że utworzony przez nie dzielnik napięcia zapewnia stosunkowo lepsze wygładzenie napięcia wyjściowego.

na ryc. 6, zarówno składowe prądu stałego, jak i przemiennego prądu wyprostowanego przez R1. Ze względu na spadek napięcia na R1 ze składowej stałej, napięcie wyjściowe maleje, a im większy prąd, tym większy spadek napięcia. Dlatego filtr C-RC może być używany tylko przy niskich prądach obciążenia. Podobnie jak w przypadku filtrów indukcyjno-pojemnościowych możliwe jest zastosowanie wielopoziomowego łączenia obwodów filtrów.

Ryż. 6

Dobór filtrów w żadnym przypadku nie jest łatwym problemem, ale w każdym przypadku trzeba zrozumieć ich przeznaczenie i zasadę działania, ponieważ to one w dużej mierze decydują o prawidłowym działaniu zasilaczy.