Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения

Качество работы радиотехнических устройств во многом определяется уровнем пульсаций тока источника питания. Для уменьшения пульсаций используются элементы, способные накапливать электромагнитную энергию, поступающую от выпрямителя в те отрезки времени, когда она нарастает, и отдавать ее, когда происходит ее уменьшение.

Рис. 6. Емкостная цепь

К простейшим сглаживающим устройствам относятся:

- емкостная цепь, когда конденсатор емкостью С включен параллельно нагрузке (рис. 6);

Рис. 7. Индуктивная цепь

- индуктивная цепь, когда катушка индуктивности с большим значением индуктивности L(дроссель) включена последовательно с сопротивлением нагрузки (рис. 7);

- комбинированные цепи, когда используются и конденсаторы, и дроссели.

RC-цепь (сглаживающий RC-филыпр). Рассмотрим работу емкостной цепи, которая включена в схему однополупериодного выпрямителя (рис. 8). На рис. 9 представлены временные диаграммы, поясняющие работу устройства. Пусть к моменту времени t₁, конденсатор оказался заряженным до напряжения U₁. В течение интервала времени t₂-t₁, напряжение вторичной обмотки трансформатора u₂(t) больше, чем напряжение на конденсаторе U_C, и анод вентиля положителен относительно катода. Вентиль пропускает ток i, часть которого i_н ответвляется в нагрузку R_н, а часть представляет собой зарядный ток i₃ конденсатора. Время заряда определяется величиной емкости конденсатора и сопротивлением открытого диода r_д и примерно равно постоянной времени зарядной цепи:

t₂ - t₁ ≈ τ₃ = Cr_д.

Рис. 8. Емкостная цепь в схеме однополупериодного выпрямителя

Рис. 9. Временные диаграммы, поясняющие работу сглажива­ющей цепи: 1- положительный полупериод u2(t), 2 - uд, 3 - uн

Напряжение на заряжающемся конденсаторе U_C и равное ему напряжение на нагрузке повышается вплоть до момента времени t₂. При t > t₂ напряжение u₂(t) становится меньше, чем напряжение на конденсаторе U_C, то есть потенциал анода вентиля оказывается более низким, чем потенциал катода. Вентиль прекращает проводить ток раньше, чем заканчивается положительный полупериод напряжения. Начиная с момента t₂, в течение интервала t₃ – t₂ происходит разряд конденсатора через сопротивление нагрузки. На рис. 9 изображены напряжения на вторичной обмотке трансформатора u₂(t), на вентиле u_д и на нагрузке u_н. Зарядный ток конденсатора имеет примерно такую же форму, что и ток вентиля, а разрядный - изменяется по экспоненте. Среднее за период значение тока через конденсатор в установившемся режиме равно нулю.

Если емкость конденсатора настолько велика, что постоянная времени разряда оказывается значительно больше периода изменения выпрямленного напряжения τ₃=CR_н>>Т, то конденсатор незначительно разряжается к моменту времени t₃, начиная с которого процедура сглаживания повторяется. Это приводит к увеличению среднего значения (постоянной составляющей) и уменьшению пульсаций (переменной составляющей) напряжения на нагрузке.

Таким образом, сглаживающее действие RC-цепи заключается в том, что конденсатор, накопив энергию в электрическом поле за время заряда, разряжаясь, поддерживает ток через нагрузку и, следовательно, напряжение на ней в течение того промежутка времени, когда вентиль заперт.

В двухполупериодной схеме выпрямителя один цикл заряда и разряда конденсатора происходит не за период, а за каждую половину периода. Поэтому величина пульсаций напряжения будет меньше, чем в схеме однополупериодного выпрямителя.

Рис. 10. Индуктивная цепь в схеме однополупериодного выпрямителя

RL-цепь (сглаживающий RL-фильтр). При работе выпрямителя на индуктивную нагрузку (рис. 10) необкодимо учесть, что возникающая ЭДС самоиндукции всегда препятствует изменению тока, протекающего в цепи.

Рис. 11. Однополупериодное выпрямление. 1 - положительные полупериоды входного напряжения; 2 - напряжение на нагрузке

Поэтому в момент открывания вентиля ток нарастает медленно из-за процесса накопления энергии в магнитном поле катушки индуктивности. При снижении напряжения на диоде ток некоторое время (промежуток t₂ – t₁ на рис. 11) продолжает расти за счет запасенной энергии.

Более того, ток через вентиль будет протекать в течение некоторой части отрицательного полупериода входного напряжения (промежуток t₃ – t₂). Это видно и из соотношения, определяющего напряжение на вентиле

u_д = u₂ – u_L - u_н

С увеличением индуктивности продолжительность прохождения тока через вентиль растет. Обычно для увеличения индуктивности в LR- фильтрах выпрямителей используют дроссели на магнитных сердечниках. Однако пульсации тока в однополупериодном выпрямителе остаются даже при очень больших значениях L, поэтому в таких выпрямителях чисто индуктивные фильтры не применяются.

Рис. 12. Двухполупериодное выпрямление. 1, 1' - положительные полупериоды входного напряжения на первой (VD1, VD3) и на второй (VD2, VD4) парах вентилей; 2 - напряжение на нагрузке

При двухполупериодном выпрямлении ток в нагрузке будет сглаживаться значительно сильнее. Ток в цепи к концу периода не спадёт до нуля, как это имеет место в схеме однополупериодного выпрямителя. Так как в момент смены знака входного напряжения открывается другая пара вентилей, то в катушке индуктивности возобновится процесс накопления энергии. В итоге - среднее значение тока через нагрузку увеличится, а пульсации уменьшатся. На рис. 12 проводится сравнение форм напряжения выпрямителя, работающего на активную нагрузку (1 и 1’) и на индуктивную (2).

Если сглаживание выпрямленного напряжения с применением RC- и RL-цепей недостаточно, то применяют более сложные цепи из комбинаций нескольких элементов L и С.

Эффективность работы сглаживающих устройств определяется по коэффициенту пульсаций (4) и коэффициенту сглаживания S (5), который находится из отношения коэффициента пульсаций без фильтра Р к коэффициенту пульсаций Р_cr при наличии сглаживающего фильтра:

S = Р/ Р_cr . (5)