Особенности сглаживающих фильтров, их схемы и пример расчета

Для чего нужны сглаживающие фильтры?

Способ получения постоянного тока из переменного синусоидального  (идеализированный вид) при использовании одно или двух полупериодного выпрямителя имеет ряд недостатков, о которых мы и поговорим далее.

Главным недостатком такого выпрямителя является пульсирующее напряжение. Избавление от пульсаций напряжения, их сглаживание – необходимое условие для корректной работы многих электрических приборов, особенно это касается радиоаппаратуры, где такой вид напряжения вносит хорошо заметные помехи. Так называемые, сглаживающие фильтры применяют для устранения пульсаций выходного тока и напряжения.


Емкостной Индуктивный Г-образный П-образный

 

Так же используют различные комбинации выше перечисленных фильтров для достижения необходимого качества напряжения.  

Как работает С-фильтр?

Принцип работы сглаживающих фильтров основывается на свойствах конденсатора и катушки индуктивности. Они выполняют роль резервуара энергии. Как известно, напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно, а на индуктивности ток не может мгновенно возрасти или исчезнуть. Эти свойства и положены в основу работы сглаживающих фильтров, рассмотрим это на примерах.


Схема С-фильтра (емкостной)

На рисунке выше, к первичной обмотке трансформатора подводиться переменное напряжение U, ко вторичной обмотке подсоединена нагрузка Rн, через которую должен протекать постоянный (выпрямленный) ток. Роль выпрямителя в представленной схеме играет диод, как работает полупроводниковый диод, Вы можете прочесть здесь. Конденсатор С – фильтрующий элемент.


Вид выходных тока и напряжения на С-фильтре

Действия диода во вторичной цепи трансформатора описывает серая, пульсирующая кривая. Если быть точным, диод обрезал отрицательную часть переменного напряжения, он пропускает только положительную волну, а при приложении отрицательного напряжения – запирается. Конденсатор С, как уже говорилось раннее – резервуар энергии. Когда диод открыт и ток протекает через нагрузку, то конденсатор (подсоединен параллельно) заряжается до величины напряжения в цепи. А когда диод закрыт (отрицательная волна синусоиды), благодаря наличию емкости, уровень напряжения не может резко снизиться. Конденсатор постепенно разряжается через нагрузку, таким образом, сглаживая огромные скачки уровня напряжения. Разряжается он до следующей положительной волны, а точнее, когда напряжение на катоде диода превысит напряжение на конденсаторе. И он вновь начнет заряжаться. Такая цикличность действий будет происходить постоянно. Красный цвет линии изображает работу такой смоделированной системы.

Если в качестве выпрямителя применять диодный мост, то выходные ток и напряжения приобретут следующий вид:

Благодаря тому, что диодный мост работает и при положительном, и при отрицательном напряжении - пульсность увеличилась в два раза.

Обратите внимание на вид тока (синий), из-за наличия конденсатора ток имеет резкий скачок, что в свою очередь не есть хорошо для любого электроприбора. На помощь в сложившейся ситуации приходит катушка индуктивности. 

Роль индуктивности в сглаживании

 

Схема Г-образного фильтра (L+C)

От ранее описанной схемы L-фильтр отличается лишь тем, что вместо конденсатора, последовательно с нагрузкой подсоединена катушка индуктивности. На индуктивности ток не может измениться моментально. По этому, при положительной части полуволны (нарастание) ток с небольшой задержкой увеличивает свое значение, а когда происходит спадание – катушка наоборот не дает значению тока резко упасть, создается некоторое запаздывание. Результат действия катушки L можете наблюдать на представленном ниже изображении. Благодаря катушке, изменение значения тока происходит более плавно. Первую волну можете не принимать во внимание, при пуске происходят различные переходные процессы, которые и вызывают подобные вещи.

 

Разница в применении диодного моста и диода

1. Диодный мост работает постоянно (при положительной и отрицательной волне), что увеличивает пульсность выходного напряжения. Соответственно, для получения одного и того же значения напряжения, конденсатор в мостовой схеме нужен меньшей емкости, так как может себе «позволить» разряжаться быстрее.

2. При применении одного диода, имеет место момент времени, когда диод заперт и напряжение между его катодом и анодом равно двухкратному напряжению цепи (на катоде положительное значение благодаря конденсатору, а на аноде отрицательная полуволна, достигшая пика). По этому при выборе диода для выпрямителя, необходимо учесть, что его импульсное обратное напряжение должно превышать 2 значения рабочего напряжения. При работе диодного моста такого нюанса нет, так как диоды в этой схеме работают попарно при + и – волне.

3. Не нужно забывать про свойства полупроводниковых диодов. Ведь при прохождении p-n перехода существует падение напряжения, которое обязательно необходимо учитывать при подборе сглаживающего фильтра. Здесь выигрывает простой диод над диодным мостом. Потому что у него напряжение снижается лишь на одном элементе, а в мостовой схеме, ток в один момент времени протекает по двум полупроводникам. Этот эффект нагляден на рисунках ниже:


 

Влияние малой нагрузки на эффективность сглаживания

Активное сопротивление катушки индуктивности находится по формуле:

Для конденсатора:

 

Эффективность индуктивного и емкостного фильтров повышается при соблюдении  следующих условий:


 

Исходя из этого, при очень малой нагрузке (сопротивления потребителя) невозможно будет использовать конденсаторный сглаживающий фильтр. Чем меньше нагрузка, тем большая емкость конденсатора требуется. При уменьшении сопротивления нагрузки, фильтр стает менее эффективным (недостаточный конденсатор для этого потребителя).

Вид выпрямленного напряжения при малой нагрузке (рисунок ниже):

    - выпрямление диодом;
    - мостовая схема.


Результат недостаточного сопротивления нагрузки в диодном мосте  

Расчет конденсаторного фильтра

Пример. Допустим, у нас есть источник переменного напряжения U=12 B (действующее значение), в то время как его амплитуда будет равна 17 В. Подробнее о значениях переменного напряжения и их зависимостях читайте по ссылке. Сопротивление нагрузки Rн=300Ом. Выпрямление будем производить одним диодом, а С-фильтр - сглаживающий элемент цепи.

Первым делом, необходимо учесть падение напряжения на диоде, в модели выбран диод, у которого этот параметр равен 0,8 В (для мостовой схемы падение будет равно 0,8 В+0,8 В=1,6 В).

Выходное напряжение будет иметь амплитуду:


 

Таким образом, 16,2В – максимально возможное напряжение на выходе выпрямителя при бесконечной емкости, но в жизни значение будет, естественно, меньшим.

Емкость фильтра находим из условия:

Откуда следует, что

 

Для хорошей работы фильтра выбираем емкость конденсатора не менее чем в 10 раз больше расчетного значения. Для примера я выбрал 5,3*10-4Ф.

Рассчитанная ёмкость при заданных входных параметрах даст следующий результат на выходе:

Комментарии  

 
# Станислав 20.10.2013 09:16
Спасибо за доходчивую полезную информацию!
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Андрей 18.03.2014 12:27
Автору 5+
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Антон 15.05.2014 20:06
Благодарю за помощь! Графики просто спасли положение
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Женя 28.06.2014 05:13
+++++ от студента :)
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Игорь 07.10.2015 10:12
Всё очень здорово. +
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Илья 07.10.2015 18:47
Всё просто суперпонятно
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Данила 09.12.2015 22:50
Все по полочкам. Спасибо.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Виктор 20.02.2016 22:58
Инфа то что надо, спасибо!
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Антон 21.02.2016 10:13
А что поменяется в расчете, если выпрямляется трехфазное напряжение через полумостовую схему?
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Вячеслав 14.03.2016 14:57
частота будет не 100 Гц, а 300 Гц.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Вячеслав 14.03.2016 14:50
Я бы добавил, что при расчете емкости для диодного моста частоту принять нужно 100 Гц.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Янис 22.03.2016 10:27
Очень хорошая статя,
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Алексей 20.06.2016 23:41
Большое спасибо за информацию! Добра автору)
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Сергей 14.07.2016 05:42
Все красиво, но почему "Исходя из этого, при очень малой нагрузке (сопротивления потребителя) невозможно будет использовать конденсаторный сглаживающий фильтр. Чем меньше нагрузка, тем большая емкость конденсатора требуется."? Выходит, что чем больше нагрузка, тем меньше требуется конденсатор фильтра? Что-то не так!
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Сергей 14.07.2016 05:55
Понял! Автор не совсем понятно выразился. "Малая нагрузка" и "малое сопротивление нагрузки" - противоположные по смыслу выражения. Малая нагрузка - это малый ток, малое сопротивление нагрузки - большой ток.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Алекандр 21.10.2016 16:34
Спасибо! Восстановил в памяти картину!!!
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 

Добавить комментарий

Общайтесь культурно

Ваше имя:

Рейтинг@Mail.ru

Яндекс.Метрика