Принцип работы сглаживающего фильтра

Мостовой однофазный двухполупериодный выпрямитель. Схема, принцип работы.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки трансформатора. Схема, принцип работы.

Выпрямители, их основные параметры. Однофазные однополупериодные выпрямители. Схема, принцип работы.

Выпрямительное устройство предназначено для преобразования переменного тока в постоянный и состоит из трех узлов: трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра. В случае необходимости в выпрямитель добавляется стабилизатор напряжения.
Режим работы выпрямителя в основном определяется типом фильтра, включенного на его выходе. В маломощных выпрямителях, которые питаются от однофазной сети переменного тока, применяются емкостные фильтры, Г- образные LC, RC и П-образные CLC и CRC фильтры.
Емкостный фильтр характерен для выпрямителей, рассчитанных на малые токи нагрузки, и, в общем случае, представляет собой обычный конденсатор, подключенный параллельно нагрузки для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Реакция нагрузки на выпрямитель зависит от емкости конденсатора, сопротивление которого для переменной составляющей на много меньше сопротивления нагрузки.
Если же фильтр выпрямителя начинается с дросселя, обладающего большой индуктивностью, то нагрузка выпрямителя — индуктивная.
Выпрямитель характеризуется: выходными параметрами, режимом работы диодов и параметрами трансформатора.
Выходные параметры выпрямителя:

номинальное среднее выпрямленное напряжение U0;
номинальный средний выпрямленный ток I0;
коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения Kп01;
частота пульсаций выпрямленного напряжения Fп;
внутреннее сопротивление выпрямителя R0;

Выпрямители по однополупериодной схеме применяются в основном с емкостным фильтром и обычно рассчитаны на выпрямленные токи до десятков миллиампер.
К достоинствам такого выпрямителя относится: простота и возможность работать без наличия трансформатора. К недостаткам: низкая частота пульсаций, высокое обратное напряжение на вентиле, плохое использование трансформатора (если он есть), подмагничивание сердечника постоянным током.

Однополупериодная схема — в которой ток проходит через вентиль только в течение одного полупериода переменного напряжения источника

Трансформатор играет двойную роль: он служит для подачи на вход выпрямителя ЭДС , соответствующей заданной величине выпрямленного напряжения и ообеспечивает гальваническую развязку цепи нагрузки и питающей сети. Параметры, относящиеся к цепи постоянного тока, то есть к выходной цепи выпрямителя, принято обозначать с индексом (от английского слова direct – прямой): – сопротивление нагрузки; – мгновенное значение выпрямленного напряжения; – мгновенное значение выпрямленного тока.

Двухполупериодный с выводом от средней точки (рис 2.) в основном работает с емкостным, Г- и П- образным RC и LC фильтрами. Достоинства такого выпрямителя — повышенная частота пульсаций, малое число вентилей, возможность использовать общего радиатора для диодов без изоляции. К недостаткам данной схемы можно отнести: большая габаритная мощность трансформатора по сравнению с мостовой схемой и по схеме удвоения напряжения, повышенное обратное напряжение на диодах.

Схема обеспечивает прохождение тока через нагрузку в течение обоих полупериодов. Во время положительного полупериода работает первая половина вторичной обмотки ( IIа ). Ток идёт от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод V1, нагрузку Rн и на среднюю точку вторичной обмотки. В это время к аноду диода V2 приложен минус, а к катоду – плюс, и диод закрыт. Во время отрицательного полупериода картина меняется: будет открыт диод V2, а диод V1 – закрыт ( для этого случая знаки указаны в скобках). В этот полупериод ток протекает за счёт напряжения на обмотке IIб.

Однофазный выпрямитель по мостовой схеме (рис.3) является наилучшим вариантом по техническим и экономическим показателям. Мостовая схема так же является двухполупериодной. Форма напряжения на нагрузке оказывается такой же, как и на схеме со средней точкой. Рабочее напряжение конденсатора так же равняется амплитуде переменного напряжения на вторичной обмотке. Мостовая схема содержит четыре диода. В течение одной половины периода ток проходит от верхнего по схеме вывода вторичной обмотки через диод VD1, нагрузку, диод VD2 и к нижнему выводу обмотки. В течение следующей полуволны ток проходит от нижнего по схеме вывода вторичной обмотки, через VD3, нагрузку, VD4 и к верхнему выводу обмотки. Таким образом, В течении обоих полупериодов диодами выпрямляется одно и тоже напряжение вторичной обмотки, и составляющая пульсации с частотой 50 Гц отсутствует. Так как ток нагрузки проходит через диоды поочередно, то ток каждого диода будет равен половине тока нагрузки.
Увеличение числа диодов в мостовой схеме окупается вдвое меньшим числом витков вторичной обмотки, уменьшением пульсаций, относительно небольшим обратным напряжением, хорошим использованием трансформатора, возможностью работать от сети переменного тока без трансформатора. К недостаткам такой схемы можно отнести повышенное падение напряжения на диодном комплекте.( падение напряжения на кремневом диоде может достигать порядка 1В. А на двух последовательных — соответственно 2В как в мостовой схеме. Таким образом, если выпрямитель рассчитан на низкое напряжение, соизмеримое с падением напряжения на диодах, нужно будет увеличивать напряжение вторичной обмотки трансформатора), невозможность установки, используемых диодов на одном радиаторе без изолирующих прокладок.

Сглаживающий фильтр – это электротехническое устройство, предназначенное для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения.
Фильтр включается между выпрямляющими элементами и нагрузкой.
Основная характеристика сглаживающего фильтра – коэффициент сглаживания пульсаций (q). Это отношение коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на выходе фильтра :

Пассивные фильтры– состоят из различного количества R, L, C – элементов. Они бывают простые и сложные. В сложных кроме R, L, C – элементов дополнительно содержатся колебательные контуры.
Активные фильтры – кроме R, L, C – элементов дополнительно содержат лампы и транзисторы.
В медицинской аппаратуре применяются простые, пассивные «Г» и «П» – образные фильтры.

Емкостной фильтр.

Емкостной фильтр представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке.
При отсутствии емкости С через нагрузку R проходит пульсирующий. При наличии емкости С в положительные полупериоды часть тока идет через нагрузку, а часть тока на зарядку конденсатора, который заряжается и накапливает энергию.
В отрицательные полупериоды конденсатор отдаёт накопленную энергию в нагрузку. Ток через нагрузку становиться непрерывным. Пульсация напряжения и тока понижается.

Условие эффективной работы емкостного фильтра:
Х_с >R (Х_L = Lω )

Дата добавления: 2015-05-06 ; Просмотров: 8279 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Мостовой однофазный двухполупериодный выпрямитель. Схема, принцип работы.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки трансформатора. Схема, принцип работы.

Выпрямители, их основные параметры. Однофазные однополупериодные выпрямители. Схема, принцип работы.

номинальное среднее выпрямленное напряжение U0;
номинальный средний выпрямленный ток I0;
коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения Kп01;
частота пульсаций выпрямленного напряжения Fп;
внутреннее сопротивление выпрямителя R0;

Пассивные фильтры– состоят из различного количества R, L, C – элементов. Они бывают простые и сложные. В сложных кроме R, L, C – элементов дополнительно содержатся колебательные контуры.
Активные фильтры – кроме R, L, C – элементов дополнительно содержат лампы и транзисторы.
В медицинской аппаратуре применяются простые, пассивные «Г» и «П» – образные фильтры.

Емкостной фильтр.

Условие эффективной работы емкостного фильтра:
Х_с >R (Х_L = Lω )

Дата добавления: 2015-05-06 ; Просмотров: 8280 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

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.

Содержание

Как работает С-фильтр?
Роль индуктивности в сглаживании
Разница в применении диодного моста и диода
Влияние малой нагрузки на эффективность сглаживания
Расчет конденсаторного фильтра

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 R_н, 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:

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.

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 R_н=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 -4 Ф.

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