Výkonové filtry

Různá elektronická zařízení vyžadují zdroje napětí pro napájení stejnosměrných zařízení. Výstupní napětí usměrňovače má pulsující vzhled. V něm lze zvolit průměrnou nebo stejnosměrnou složku napětí a proměnnou složku, která se nazývá zvlnění napětí nebo zvlnění výstupního napětí.

Zvlnění tedy určuje odchylku okamžité hodnoty výstupního napětí od průměru a může být kladné i záporné. Napětí je charakterizováno dvěma faktory: frekvencí a amplitudou vln. U usměrňovačů je frekvence zvlnění buď stejná jako frekvence vstupního napětí (u půlvlnného usměrňovače) nebo dvakrát vyšší (u celovlnného usměrňovače).

U půlvlnného usměrňovače se k získání výstupního napětí používá pouze jedna půlvlna vstupního napětí a výstupní napětí je ve formě jednosměrných půlvln, sledujících frekvenci vstupního napětí.

V celovlnných usměrňovačích (jak nulových, tak můstkových) jsou půlvlny výstupního napětí tvořeny každou půlvlnou vstupního napětí. Proto je zde frekvence vln dvakrát vyšší frekvence sítě… Je-li frekvence proudu v síti 50 Hz, pak frekvence vln v půlvlnném usměrňovači bude stejná a v celovlnném usměrňovači je to 100 Hz.

Amplituda zvlnění výstupního napětí usměrňovače musí být v pořádku známa. k určení účinnosti filtrů instalovaných na výstupu z usměrňovačů emitujících vysokonapěťovou složku. Tato amplituda je obvykle charakterizována faktorem zvlnění (Erms), který je definován jako poměr efektivní hodnoty proměnné složky výstupního napětí k jeho průměrné hodnotě (Edc):

r = Erms /Edc

Čím nižší je faktor zvlnění, tím vyšší je účinnost filtru. V praxi se také často používá faktor zvlnění vyjádřený v procentech:

(Erms /Edc)x100 %.

Nízkopropustné filtry se běžně používají v napájecích zdrojích. Tyto filtry procházejí ze vstupu na výstup, téměř bez útlumu nebo útlumu, signály, jejichž frekvence jsou pod mezní frekvencí filtru, a všechny vyšší frekvence se na výstup filtru prakticky nepřenášejí.

Filtry jsou spustitelné rezistory, induktory a kondenzátory… Použití filtrů v napájecích zdrojích má za cíl vyhladit zvlnění výstupního napětí usměrňovače a izolovat stejnosměrnou složku napětí.

Filtry používané v napájecích zařízeních jsou rozděleny do dvou hlavních typů:

• filtry s kapacitním vstupem,

• indukční vstupní filtry.

Používají se různé kombinace zahrnutí filtračních prvků, které mají různé názvy (filtr ve tvaru U, filtr ve tvaru L atd.). Typ hlavního filtru je určen filtrační vložkou instalovanou přímo na výstupu usměrňovače.

Na Obr. 1a a 1b znázorňují hlavní typy filtrů. V prvním z nich je filtrační kondenzátor připojen k výstupu usměrňovače a odvádí zátěž. Přes filtrační kondenzátor je uzavřena hlavní část střídavé složky usměrňovače. Ve druhém je na výstup usměrňovače připojena filtrační tlumivka, která tvoří se zátěží sériový obvod a zabraňuje jakýmkoli změnám proudu v tomto sériovém obvodu.

Rýže. 1

Kapacitní vstupní filtr poskytuje vyšší úroveň výstupního napětí než indukční vstupní filtr a indukční vstupní filtr lépe snižuje zvlnění napětí. Proto je vhodné použít kapacitní vstupní filtr, když je požadováno vyšší napájecí napětí, a indukční vstupní filtr, když je požadována lepší kvalita DC výstupu.

Kapacitní vstupní filtr

Před uvažováním o provozu složitých filtrů je nutné pochopit činnost nejjednoduššího kapacitního filtru znázorněného na Obr. 2a. Výstupní napětí usměrňovače bez filtru na displeji na obr. 2b, a za přítomnosti filtru - na obr. 2c. Při absenci filtračního kondenzátoru má napětí v Rl pulzující charakter. Průměrná hodnota tohoto napětí je výstupní napětí usměrňovače.

Rýže. 2

V přítomnosti filtračního kondenzátoru je hlavní část střídavé složky proudu uzavřena přes kondenzátor a obchází zátěž Rl... S výskytem první půlvlny výstupního napětí filtrační kondenzátor se začne nabíjet kladné k pouzdru, napětí na něm se bude měnit v souladu s výstupním napětím usměrňovače a na konci poloviny půlcyklu dosáhne své maximální hodnoty.

Navíc sekundární napětí transformátoru klesne a kondenzátor se začne vybíjet přes R1, což udržuje kladné napětí a proud v zátěži na vyšší úrovni, než by tomu bylo bez filtru.

Než se kondenzátor plně vybije, nastane druhá půlvlna kladného napětí, která opět nabije kondenzátor na jeho maximální hodnotu. Jakmile napětí sekundárního vinutí začne klesat, kondenzátor se opět začne vybíjet do zátěže. V budoucnu se cykly nabíjení a vybíjení kondenzátoru střídají v každém půlcyklu,

Sekundárním vinutím transformátoru a dvojicí usměrňovacích diod odpovídající této půlperiodě protéká nabíjecí proud kondenzátoru a vybíjecí proud kondenzátoru je uzavřen přes zátěž Rl... Reaktance kondenzátoru při vn. frekvence sítě je malá ve srovnání s Rl. Proto proměnná složka proudu protéká především filtračním kondenzátorem a prakticky protéká Rl DC..

Indukční vstupní filtr

Zvažte indukční vstupní filtr nebo LC filtr ve tvaru L. Jeho začlenění do usměrňovače a průběh výstupního napětí jsou znázorněny na obrázku 3.

Rýže. 3

Sériové připojení filtrační tlumivka (L) se zátěží brání změnám proudu v obvodu. Výstupní napětí je zde menší než u kapacitního vstupního filtru, protože tlumivka tvoří sériové zapojení s impedancí tvořenou paralelním zapojením zátěže a filtračního kondenzátoru. Takové zapojení vede k dobrému vyhlazení napěťové vlny působící na vstupu filtru, zlepšuje kvalitu konstantního výstupního napětí, i když snižuje jeho hodnotu.

Střídavá složka výstupního napětí usměrňovače je téměř zcela izolována od indukčnosti tlumivky a střední složka je napájecí výstupní napětí. Přítomnost tlumivky vede k tomu, že doba vodivosti usměrňovacích diod je zde na rozdíl od usměrňovače s kapacitním filtrem rovna polovině periody.

Reaktance tlumivky (L) snižuje hodnotu zvlněného napětí, protože zabraňuje zvýšení proudu tlumivky, když je výstupní napětí usměrňovače větší než napětí zátěže, a také zabraňuje poklesu proudu, pokud je výstupní napětí usměrňovače nižší. Proto je proud v zátěži během doby provozu prakticky konstantní a napětí vln nezávisí na proudu zátěže.

Vícedílný indukčně-kapacitní filtr

Kvalitu filtrace výstupního napětí lze zlepšit zapojením několika filtrů do série. Na Obr. 4 ukazuje dvoustupňový LC filtr a zhruba ukazuje průběhy napětí v různých bodech na filtru vzhledem ke společnému bodu.

Rýže. 4

Přestože jsou zde zobrazeny dva sériově zapojené LC-filtry, počet připojení lze zvýšit. Zvýšení počtu spojů vede ke snížení zvlnění (a filtry s mnoha připojeními se používají právě tehdy, když je potřeba dosáhnout minimálního zvlnění výstupního napětí), ale to snižuje stabilitu stabilizátorů u takových filtrů. Navíc zvýšení počtu spojení vede ke zvýšení odporu zapojeného v sérii s napájecím zdrojem, což vede ke zvýšení změn výstupního napětí se změnou zatěžovacího proudu.

Filtr ve tvaru U

Na Obr. 5 ukazuje filtr ve tvaru U, nazývaný tak, protože jeho grafické znázornění připomíná písmeno P. Jedná se o kombinaci kapacitních a LC-filtrů ve tvaru L.

Rýže. 5

Rezistor R, který je připojen k výstupu filtru, je v napájecích zdrojích téměř vždy a je volitelný odolnost proti zatížení… Jeho účel je dvojí.

Za prvé poskytuje vybíjecí cestu pro kondenzátory při přerušení síťového napětí a tím zabraňuje možnosti zásahu elektrickým proudem pro obsluhu.

Za druhé, poskytuje dodatečné zatížení napájecího zdroje, i když je externí zátěž vypnutá, a tak stabilizuje úroveň výstupního napětí. Tento odpor lze také použít jako prvek odporový dělič napětí pro další výstupy.

Filtr ve tvaru U je filtr s kondenzátorovým vstupem doplněným připojením ve tvaru L.Hlavní filtrační činnost provádí kondenzátor C1, který se nabíjí přes vodivé diody a vybíjí přes L a R... Stejně jako u klasického filtru s kapacitním vstupem je doba nabíjení kondenzátoru výrazně kratší než doba vybíjení. .

Tlumivka L vyhlazuje zvlnění proudu protékajícího kondenzátorem C2 a poskytuje dodatečné filtrování. Napětí na kondenzátoru C2 je výstupní napětí. Jeho hodnota je sice o něco menší než při napájení klasickým kapacitním filtrem, ale zvlnění výstupního napětí je výrazně sníženo.

I když předpokládáme, že kondenzátor C1 je nabit přes vodivé diody usměrňovače na hodnotu amplitudy vstupního střídavého napětí a poté vybit přes R, bude napětí kondenzátoru C2 menší než napětí C1, protože tlumivka L, která zabraňuje jakýmkoli změnám zatěžovacího proudu, stojí ve vybíjecím obvodu kondenzátoru C1 a tvoří spolu s C2 a R dělič napětí.

Nabíjecí proud kondenzátorů C1 a C2 prochází sekundárním vinutím transformátoru a vodivými diodami usměrňovače. Také při nabíjení C2 protéká tento proud přes tlumivku L... Kondenzátor C1 se vybíjí přes sériově zapojené L a R a C2 se vybíjí pouze přes odpor R. Rychlost vybíjení vstupního kondenzátoru C1 závisí na hodnotě odporu R.

Časová konstanta vybíjení kondenzátorů je přímo úměrná hodnotě R… Pokud je vysoká, pak se kondenzátory vybíjejí málo a výstupní napětí je vysoké.Při nižších hodnotách R se rychlost vybíjení zvyšuje a výstupní napětí se snižuje, protože snížení R znamená zvýšení vybíjecího proudu kondenzátoru. Čím nižší je tedy časová konstanta vybíjení kondenzátoru, tím nižší je průměrná hodnota výstupního napětí.

C-RC filtr ve tvaru U

Na rozdíl od právě probíraného filtru u C-RB C-filtru ve tvaru U je mezi dva kondenzátory místo tlumivky zapojen rezistor R.1, jak je znázorněno na Obr. 6.

Hlavní rozdíly a výkon filtru jsou určeny rozdílnou odezvou tlumivky a střídavým odporem. V předchozím případě jsou reaktance induktoru L a kondenzátoru C2 takové, že jimi tvořený dělič napětí poskytuje relativně lepší vyhlazení výstupního napětí.

Na Obr. 6, obě složky stejnosměrného i střídavého proudu usměrněného proudu přes R1. V důsledku poklesu napětí na R1 od stejnosměrné složky výstupní napětí klesá a čím větší je proud, tím větší je tento pokles napětí. Proto lze C-RC-filtr používat pouze s nízkými zatěžovacími proudy. Stejně jako v případě indukčně-kapacitních filtrů je možné použít víceúrovňové zapojení filtračních obvodů.

Rýže. 6

Výběr filtrů v žádném případě není snadný problém, ale v každém případě musíte pochopit jejich účel a principy fungování vzhledem k tomu, že do značné míry určují správné fungování napájecích zdrojů.