Електричні фільтри

Фільтри випрямлячів призначені для згладжування пульсацій випрямленої напруги до величини, прийнятної за умовами експлуатації даного пристрою (навантаження). Важливим показником фільтра є коефіцієнт згладжування:

де Кn(1)вх, Кn(1)вих – коефіцієнти пульсацій вхідної й вихідної напруг (по першій гармоніці);

Uвх, Uвих – постійні складові вхідних і вихідних напруг;

Um(1)вх, Um(1)вих – амплітуди першої гармоніки вхідної й вихідної напруг;

λ=Uвих/Uвх – коефіцієнт передачі постійної складової напруги фільтра;

Кф= Um(1)вх/ Um(1)вих – коефіцієнт фільтрації.

Якщо зневажити втратами у фільтрі та вважати, що середнє значення випрямленої напруги до і після фільтра рівні (Uвх = Uвих), коефіцієнт згладжування буде дорівнює коефіцієнту фільтрації.

Діапазон необхідних коефіцієнтів пульсацій вихідної напруги Кnвих (умовимося пропускати надалі індекс (1) маючи на увазі основну гармоніку) для різного роду пристроїв коливається від 0,001 до 0,2-0,5.

Всі фільтри діляться на дві групи: фільтри з пасивними RLC-елементами та фільтри з активними елементами.

RLC-фільтри прості та надійні в експлуатації, однак їхня вага і габарити при живленні радіоапаратури можуть істотно позначатися на загальній вазі і габаритах випрямляча, а також апаратури, яка живиться. Це пояснюється тим, що габарити реактивних елементів конденсаторів і дроселів різко зростають. При цьому в результаті насичення осердя дроселя постійною складовою випрямленого струму індуктивність його зменшується і фільтруючі властивості фільтра погіршуються.

Фільтри з активними елементами (транзисторами) не містять дроселів і тому не мають перерахованих недоліків. Крім цього в транзисторних фільтрах застосовуються конденсатори значно меншої ємності, ніж ємності конденсаторів в аналогічні по параметрах фільтрах з пасивними елементами.

У наш час фільтри з активними елементами як самостійні функціональні вузли зустрічаються рідко. Це обумовлено тим, що завдання згладжування пульсацій успішно вирішують стабілізатори напруги, виконані на активних елементах. Розглянемо основні типи пасивних фільтрів (рис. 3.8.).

Рисунок 3.8. – Основні типи пасивних згладжуючих фільтрів:

а – ємнісний; б – індуктивний; в – Г-подібний ; г – П-подібний; д – фільтр-пробка; е – режекторний.

Роботу ємнісного фільтра у вигляді конденсатора, що шунтує опір навантаження Rн, ілюструє рис. 3.9.

Рисунок 3.9. – Ємнісний фільтр із активним навантаженням:

а – схема випрямляча; б – часова діаграма роботи.

Випрямлена напруга вторинної обмотки являє собою послідовність імпульсів (півхвиль) позитивної полярності (крива 1 рис. 3.9.). Дія конденсатора С полягає в тому що він у позитивні півперіоди напруги вторинної обмотки запасає енергію і віддає її в навантаження в проміжках між імпульсами (крива 2, рис. 3.9.). У результаті пульсації напруги на навантаженні значно зменшуються (зміна напруги навантаження Uн відбувається в межах від Uн.мін до Uн.макс замість від 0 до Um при відсутності конденсатора).

Ємнісний фільтр найбільш ефективний при малих робочих напругах і значних струмах навантаження. Індуктивний фільтр, ефективний у високовольтних джерелах живлення (при великих робочих напругах та низьких струмах навантаження). На відміну від ємнісного, в індуктивному фільтрі випрямлений струм протікає не імпульсами, а безупинно, що полегшує режим роботу діодів і трансформатора.