Filtre de putere

Diverse dispozitive electronice necesită surse de tensiune pentru a alimenta dispozitivele DC. Tensiune de ieșire redresoare are un aspect pulsatoriu. În el puteți selecta componenta medie sau DC a tensiunii și componenta variabilă care se numește tensiune de ondulare sau ondulare a tensiunii de ieșire.

Astfel, ondulația determină abaterea valorii instantanee a tensiunii de ieșire de la medie și poate fi atât pozitivă, cât și negativă. Tensiunea este caracterizată de doi factori: frecvența și amplitudinea undelor. La redresoare, frecvența de ondulare este fie aceeași cu frecvența tensiunii de intrare (într-un redresor cu jumătate de undă), fie de două ori mai mare (într-un redresor cu undă completă).

Într-un redresor cu jumătate de undă, pentru a obține tensiunea de ieșire se folosește doar o jumătate de undă din tensiunea de intrare, iar tensiunea de ieșire este sub formă de semiunde unidirecționale, urmând frecvența tensiunii de intrare.

În redresoarele cu undă completă (atât punctul zero, cât și puntea), semiundele tensiunii de ieșire sunt formate din fiecare semiundă a tensiunii de intrare. Prin urmare, frecvența undelor aici este de două ori mai mare decât aceea frecvența rețelei… Dacă frecvența curentului în rețea este de 50 Hz, atunci frecvența undelor în redresorul cu jumătate de undă va fi aceeași, iar în redresorul cu undă completă este de 100 Hz.

Amplitudinea ondulației tensiunii de ieșire a redresorului trebuie cunoscută în ordine. pentru a determina randamentul filtrelor instalate la iesirea redresoarelor care emit componenta de medie tensiune. Această amplitudine este de obicei caracterizată de factorul de ondulație (Erms), care este definit ca raportul dintre valoarea efectivă a componentei variabile a tensiunii de ieșire și valoarea sa medie (Edc):

r = Erms /Edc

Cu cât factorul de ondulare este mai mic, cu atât eficiența filtrului este mai mare. Factorul ondulatoriu exprimat ca procent este adesea folosit în practică:

(Erms /Edc)x100%.

Filtrele trece-jos sunt utilizate în mod obișnuit în sursele de alimentare. Aceste filtre trec de la intrare la ieșire, aproape fără atenuare sau atenuare, semnale ale căror frecvențe sunt sub frecvența de tăiere a filtrului, iar toate frecvențele superioare practic nu sunt transmise la ieșirea filtrului.

Filtrele sunt executabile rezistențe, inductori și condensatoare… Utilizarea filtrelor în sursele de alimentare are ca scop netezirea ondulației tensiunii de ieșire a redresorului și izolarea componentei DC a tensiunii.

Filtrele utilizate în dispozitivele de alimentare sunt împărțite în două tipuri principale:

• filtre cu intrare capacitiva,

• filtre de intrare inductive.

Sunt utilizate diferite combinații de includere a elementelor de filtrare, care au denumiri diferite (filtru în formă de U, filtru în formă de L etc.). Tipul de filtru principal este determinat de elementul de filtru instalat direct la ieșirea redresorului.

În fig. 1a și 1b prezintă principalele tipuri de filtre. În primul dintre acestea, condensatorul de filtru este conectat la ieșirea redresorului și oprește sarcina. Prin condensatorul de filtru, partea principală a componentei AC a redresorului este închisă. În cel de-al doilea, o bobină de filtru este conectată la ieșirea redresorului, care formează un circuit în serie cu sarcina și previne orice modificare a curentului în acest circuit în serie.

Orez. 1

Un filtru de intrare capacitiv oferă un nivel de tensiune de ieșire mai mare decât un filtru de intrare inductiv, iar un filtru de intrare inductiv reduce mai bine ondulația de tensiune. Astfel, este recomandabil să utilizați un filtru de intrare capacitiv atunci când este necesară o tensiune de alimentare mai mare și un filtru de intrare inductiv atunci când este necesară o calitate mai bună a ieșirii DC.

Filtru de intrare capacitiv

Înainte de a lua în considerare funcționarea filtrelor complexe, este necesar să înțelegeți funcționarea celui mai simplu filtru capacitiv prezentat în Fig. 2a. Tensiunea de ieșire a redresorului fără filtru pe displayyo din fig. 2b, iar în prezența unui filtru - în fig. 2c. In lipsa unui condensator de filtru, tensiunea in Rl are caracter pulsatoriu. Valoarea medie a acestei tensiuni este tensiunea de ieșire a redresorului.

Orez. 2

În prezența unui condensator de filtru, partea principală a componentei curentului alternativ a curentului este închisă prin condensator, ocolind sarcina Rl... Odată cu apariția primei semi-unde a tensiunii de ieșire condensatorul filtrului va începe să se încarce pozitiv pentru caz, tensiunea de pe acesta se va modifica în funcție de tensiunea de ieșire a redresorului și la sfârșitul jumătate a semiciclului va atinge valoarea maximă.

În plus, tensiunea secundară a transformatorului scade și condensatorul începe să se descarce prin R1, menținând tensiunea și curentul pozitiv din sarcină la un nivel mai ridicat decât ar fi fără filtru.

Înainte ca condensatorul să se poată descărca complet, apare o a doua jumătate de undă de tensiune pozitivă, încărcând din nou condensatorul la valoarea sa maximă. De îndată ce tensiunea înfășurării secundare începe să scadă, condensatorul va începe din nou să se descarce la sarcină. În viitor, ciclurile de încărcare și descărcare ale condensatorului se alternează în fiecare jumătate de ciclu,

Curentul de încărcare al condensatorului trece prin înfășurarea secundară a transformatorului și perechea de diode redresoare corespunzătoare acestui semiciclu, iar curentul de descărcare al condensatorului este închis prin sarcina Rl... Reactanța condensatorului la frecvența rețelei este mică în comparație cu Rl. Prin urmare, componenta variabilă a curentului circulă în principal prin condensatorul de filtru și practic curge prin Rl DC..

Filtru de intrare inductiv

Luați în considerare un filtru de intrare inductiv sau un filtru LC în formă de L. Includerea sa în redresor și forma de undă a tensiunii de ieșire sunt prezentate în Figura 3.

Orez. 3

Conexiune serială sufocare filtrului (L) cu sarcină inhibă schimbările de curent în circuit. Tensiunea de ieșire aici este mai mică decât la un filtru de intrare capacitiv, deoarece șocul formează o conexiune în serie cu o impedanță formată prin conectarea în paralel a sarcinii și a condensatorului filtrului. O astfel de conexiune duce la o buna netezire a undei de tensiune care actioneaza la intrarea filtrului, imbunatatind calitatea tensiunii constante de iesire, desi ii reduce valoarea.

Componenta AC a tensiunii de ieșire a redresorului este aproape complet izolată de inductanța de bobine, iar componenta de mijloc este tensiunea de ieșire de alimentare. Prezența unui șoc duce la faptul că durata stării conducătoare a diodelor redresoare de aici, spre deosebire de redresorul cu filtru capacitiv, este egală cu jumătate din perioadă.

Reactanța de șoc (L) reduce valoarea tensiunii de ondulare deoarece împiedică creșterea curentului de șoc atunci când tensiunea de ieșire a redresorului este mai mare decât tensiunea de sarcină și, de asemenea, împiedică scăderea curentului dacă tensiunea de ieșire a redresorului este mai mică. decât valoarea medie.De aceea, curentul din sarcină în timpul perioadei de funcționare este practic constant, iar tensiunea undelor nu depinde de curentul de sarcină.

Filtru inductiv-capacitiv cu secțiuni multiple

Calitatea de filtrare a tensiunii de ieșire poate fi îmbunătățită prin conectarea mai multor filtre în serie. În fig. 4 prezintă un filtru LC în două etape și arată aproximativ formele de undă ale tensiunii în diferite puncte ale filtrului în raport cu un punct comun.

Orez. 4

Deși aici sunt afișate două filtre LC conectate în serie, numărul de conexiuni poate fi crescut. Creșterea numărului de conexiuni duce la o scădere a ondulației (și filtrele cu multe conexiuni sunt folosite tocmai atunci când este necesar să se obțină o ondulație minimă în tensiunea de ieșire), dar acest lucru reduce stabilitatea stabilizatorilor cu astfel de filtre. În plus, o creștere a numărului de conexiuni duce la o creștere a rezistenței conectate în serie cu sursa de alimentare, ceea ce duce la o creștere a modificărilor tensiunii de ieșire cu o modificare a curentului de sarcină.

Filtru în formă de U

În fig. 5 prezintă un filtru în formă de U, numit așa deoarece reprezentarea sa grafică seamănă cu litera P. Este o combinație de filtre LC capacitive și în formă de L.

Orez. 5

Un rezistor R, care este conectat la ieșirea filtrului, este aproape întotdeauna prezent în sursele de alimentare și este opțional rezistenta la sarcina… Scopul său este dublu.

În primul rând, oferă o cale de descărcare pentru condensatori atunci când tensiunea de la rețea este întreruptă și astfel previne posibilitatea de șoc electric personalului de service.

În al doilea rând, oferă o sarcină suplimentară pe sursa de alimentare chiar și atunci când sarcina externă este oprită și astfel stabilizează nivelul tensiunii de ieșire. Acest rezistor poate fi folosit și ca element divizor rezistiv de tensiune pentru ieșiri suplimentare.

Filtrul în formă de U este un filtru cu o intrare de condensator completată de o conexiune în formă de L.Acțiunea principală de filtrare este realizată de condensatorul C1, care este încărcat prin diodele conductoare și descărcat prin L și R... Ca și în cazul unui filtru convențional cu intrare capacitivă, timpul de încărcare al condensatorului este semnificativ mai scurt decât timpul de descărcare. .

Choke L netezește ondulațiile curentului care curge prin condensatorul C2, oferind o filtrare suplimentară. Tensiunea pe condensatorul C2 este tensiunea de ieșire. Deși valoarea sa este puțin mai mică decât atunci când este alimentată cu un filtru capacitiv convențional, ondulația tensiunii de ieșire este redusă semnificativ.

Chiar dacă presupunem că condensatorul C1 este încărcat prin diodele conductoare ale redresorului la valoarea amplitudinii tensiunii AC de intrare și apoi descărcat prin R, tensiunea condensatorului C2 va fi mai mică decât cea a lui C1, deoarece bobina L, care previne orice modificare a curentului de sarcină, stă în circuitul de descărcare al condensatorului C1 și formează, împreună cu C2 și R, un divizor de tensiune.

Curentul de încărcare al condensatorilor C1 și C2 trece prin înfășurarea secundară a transformatorului și prin diodele conductoare ale redresorului. De asemenea, atunci când C2 este încărcat, acest curent trece prin inductabilitatea L... Condensatorul C1 se descarcă prin L și R conectate în serie, iar C2 se descarcă numai prin rezistența R. Rata de descărcare a condensatorului de intrare C1 depinde de valoarea rezistenței. R.

Constanta de timp de descărcare a condensatoarelor este direct proporțională cu valoarea R... Dacă este mare, atunci condensatoarele se descarcă puțin și tensiunea de ieșire este mare.La valori mai mici ale lui R, rata de descărcare crește, iar tensiunea de ieșire va scădea, deoarece scăderea lui R înseamnă creșterea curentului de descărcare al condensatorului. Astfel, cu cât constanta de timp de descărcare a condensatorului este mai mică, cu atât valoarea medie a tensiunii de ieșire este mai mică.

Filtru C-RC în formă de U

Spre deosebire de filtrul discutat tocmai în filtrul C-RB C în formă de U, între cei doi condensatori este conectat un rezistor R în loc de un bobinet.1 așa cum se arată în Fig. 6.

Principalele diferențe și performanța filtrului sunt determinate de răspunsul diferit de șoc și rezistența AC. În cazul precedent, reactanțele inductorului L și condensatorului C2 sunt astfel încât divizorul de tensiune format de acestea asigură o netezire relativ mai bună a tensiunii de ieșire.

În fig. 6, atât componentele curentului DC, cât și AC ale curentului redresat prin R1. Datorită căderii de tensiune pe R1 de la componenta de curent continuu, tensiunea de ieșire scade și cu cât este mai mare curentul, cu atât este mai mare această cădere de tensiune. Prin urmare, filtrul C-RC poate fi utilizat numai cu curenți de sarcină mici. Ca și în cazul filtrelor inductiv-capacitive, este posibilă utilizarea unei conexiuni pe mai multe niveluri a circuitelor de filtrare.

Orez. 6

Alegerea filtrelor, în orice caz, nu este o problemă ușoară, dar, în orice caz, trebuie să înțelegeți scopul și principiile de funcționare ale acestora datorită faptului că ele determină în mare măsură funcționarea corectă a surselor de alimentare.