Filtri za napajanje

Razni elektronički uređaji zahtijevaju izvore napona za napajanje istosmjernih uređaja. Izlazni napon ispravljači ima pulsirajući izgled. U njemu možete odabrati prosječnu ili istosmjernu komponentu napona i promjenjivu komponentu koja se naziva valovitost napona ili valovitost izlaznog napona.

Dakle, valovitost određuje odstupanje trenutne vrijednosti izlaznog napona od prosjeka i može biti pozitivna i negativna. Napon karakteriziraju dva faktora: frekvencija i amplituda valova. U ispravljačima je frekvencija valovitosti jednaka frekvenciji ulaznog napona (u poluvalnom ispravljaču) ili dvostruko veća (u punovalnom ispravljaču).

U poluvalnom ispravljaču za dobivanje izlaznog napona koristi se samo jedan poluval ulaznog napona, a izlazni napon je u obliku jednosmjernih poluvalova, prateći frekvenciju ulaznog napona.

Kod punovalnih ispravljača (i nultočke i mosnih) poluvalove izlaznog napona tvori svaki poluval ulaznog napona. Stoga je frekvencija vala ovdje dvostruko veća od te frekvencija mreže… Ako je frekvencija struje u mreži 50 Hz, tada će frekvencija valova u poluvalnom ispravljaču biti ista, au punovalnom 100 Hz.

Amplituda valovitosti izlaznog napona ispravljača mora biti poznata po redu. za određivanje učinkovitosti filtara ugrađenih na izlazu ispravljača koji emitiraju komponentu srednjeg napona. Ova amplituda se obično karakterizira faktorom valovitosti (Erms), koji se definira kao omjer efektivne vrijednosti varijabilne komponente izlaznog napona i njegove prosječne vrijednosti (Edc):

r = Erms /Edc

Što je manji faktor valovitosti, veća je učinkovitost filtra. Faktor valovitosti izražen kao postotak također se često koristi u praksi:

(Erms /Edc)x100%.

Niskopropusni filtri se obično koriste u izvorima napajanja. Ovi filtri propuštaju s ulaza na izlaz, gotovo bez prigušenja i prigušenja, signale čije su frekvencije ispod granične frekvencije filtra, a sve više frekvencije praktički se ne prenose na izlaz filtra.

Filtri su izvršni otpornici, induktori i kondenzatori… Upotreba filtara u izvorima napajanja ima za cilj ublažiti valovitost izlaznog napona ispravljača i izolirati istosmjernu komponentu napona.

Filtri koji se koriste u uređajima za napajanje podijeljeni su u dvije glavne vrste:

• filtri s kapacitivnim ulazom,

• induktivni ulazni filteri.

Koriste se različite kombinacije uključivanja filtarskih elemenata, koji imaju različite nazive (filtar u obliku slova U, filtar u obliku slova L, itd.). Tip glavnog filtra određen je filtarskim elementom instaliranim izravno na izlazu ispravljača.

Na sl. 1a i 1b prikazuju glavne vrste filtara. U prvom od njih, filterski kondenzator je spojen na izlaz ispravljača i usmjerava opterećenje. Preko filter kondenzatora, glavni dio AC komponente ispravljača je zatvoren. U drugom je na izlaz ispravljača spojena filtarska prigušnica koja s opterećenjem čini serijski krug i sprječava bilo kakve promjene struje u tom serijskom krugu.

Riža. 1

Kapacitivni ulazni filtar osigurava višu razinu izlaznog napona nego induktivni ulazni filtar, a induktivni ulazni filtar bolje smanjuje valovitost napona. Stoga je preporučljivo koristiti kapacitivni ulazni filtar kada je potreban viši napon napajanja, a induktivni ulazni filtar kada je potrebna bolja kvaliteta istosmjernog izlaza.

Kapacitivni ulazni filter

Prije razmatranja rada složenih filtara, potrebno je razumjeti rad najjednostavnijeg kapacitivnog filtra prikazanog na sl. 2a. Izlazni napon ispravljača bez filtra na displeju na sl. 2b, au prisutnosti filtra - na sl. 2c. U odsutnosti filtarskog kondenzatora, napon u Rl ima pulsirajući karakter. Prosječna vrijednost ovog napona je izlazni napon ispravljača.

Riža. 2

U prisutnosti filterskog kondenzatora, glavni dio izmjenične komponente struje zatvara se kroz kondenzator, zaobilazeći opterećenje Rl ... S pojavom prvog poluvala izlaznog napona kondenzator filtera će se početi puniti pozitivan na kućište, napon na njemu će se mijenjati u skladu s izlaznim naponom ispravljača i na kraju polovice poluciklusa postići će svoju maksimalnu vrijednost.

Osim toga, sekundarni napon transformatora pada i kondenzator se počinje prazniti kroz R1, održavajući pozitivni napon i struju u opterećenju na višoj razini nego što bi bili bez filtra.

Prije nego što se kondenzator može potpuno isprazniti, javlja se drugi poluval pozitivnog napona, ponovno puneći kondenzator do maksimalne vrijednosti. Čim se napon sekundarnog namota počne smanjivati, kondenzator će se ponovno početi prazniti na teret. U budućnosti se ciklusi punjenja i pražnjenja kondenzatora izmjenjuju u svakom poluciklusu,

Struja punjenja kondenzatora teče kroz sekundarni namot transformatora i par ispravljačkih dioda koji odgovara ovom poluperiodu, a struja pražnjenja kondenzatora je zatvorena kroz opterećenje Rl... Reaktancija kondenzatora na frekvencija mreže je mala u usporedbi s Rl. Stoga varijabilna komponenta struje teče uglavnom kroz filterski kondenzator i praktički teče kroz Rl D.C..

Induktivni ulazni filter

Razmotrite induktivni ulazni filtar ili LC filtar u obliku slova L. Njegovo uključivanje u ispravljač i valni oblik izlaznog napona prikazani su na slici 3.

Riža. 3

Serijska veza filter prigušnica (L) s opterećenjem inhibira promjene struje u krugu. Izlazni napon ovdje je manji nego kod kapacitivnog ulaznog filtra jer prigušnica tvori serijski spoj s impedancijom koju stvara paralelni spoj opterećenja i kondenzatora filtra. Takva veza dovodi do dobrog izglađivanja naponskog vala koji djeluje na ulazu filtra, poboljšavajući kvalitetu konstantnog izlaznog napona, iako smanjuje njegovu vrijednost.

AC komponenta izlaznog napona ispravljača je gotovo potpuno izolirana od induktiviteta prigušnice, a srednja komponenta je izlazni napon napajanja. Prisutnost prigušnice dovodi do činjenice da je trajanje vodljivog stanja dioda ispravljača ovdje, za razliku od ispravljača s kapacitivnim filtrom, jednako polovici razdoblja.

Reaktancija prigušnice (L) smanjuje vrijednost valovitog napona jer sprječava povećanje struje prigušnice kada je izlazni napon ispravljača veći od napona opterećenja, a također sprječava smanjenje struje ako je izlazni napon ispravljača manji od prosječne vrijednosti.Stoga je struja u trošilu tijekom razdoblja rada praktički konstantna, a napon valova ne ovisi o struji opterećenja.

Višesječni induktivno-kapacitivni filter

Kvaliteta filtriranja izlaznog napona može se poboljšati spajanjem nekoliko filtara u seriju. Na sl. Slika 4 prikazuje dvostupanjski LC filtar i grubo prikazuje valne oblike napona na različitim točkama na filtru u odnosu na zajedničku točku.

Riža. 4

Iako su ovdje prikazana dva serijski povezana LC-filtera, broj priključaka se može povećati. Povećanje broja priključaka dovodi do smanjenja valovitosti (a filteri s mnogo priključaka koriste se upravo kada je potrebno postići minimalnu valovitost izlaznog napona), ali to smanjuje stabilnost stabilizatora s takvim filtrima. Osim toga, povećanje broja priključaka dovodi do povećanja otpora spojenog u seriju s napajanjem, što dovodi do povećanja promjena izlaznog napona s promjenom struje opterećenja.

Filter u obliku slova U

Na sl. Slika 5 prikazuje filtar u obliku slova U, nazvan tako jer njegov grafički prikaz podsjeća na slovo P. To je kombinacija kapacitivnog i LC-filtera u obliku slova L.

Riža. 5

Otpornik R, koji je spojen na izlaz filtra, gotovo je uvijek prisutan u napajanjima i nije obavezan otpor opterećenja… Njegova je svrha dvostruka.

Prvo, osigurava put pražnjenja za kondenzatore kada je mrežni napon prekinut i na taj način sprječava mogućnost strujnog udara servisnog osoblja.

Drugo, osigurava dodatno opterećenje napajanja čak i kada je vanjsko opterećenje isključeno i tako stabilizira razinu izlaznog napona. Ovaj se otpornik također može koristiti kao element otpornički djelitelj napona za dodatne izlaze.

Filtar u obliku slova U je filtar s kondenzatorskim ulazom nadopunjen priključkom u obliku slova L.Glavno djelovanje filtriranja vrši kondenzator C1, koji se puni kroz vodljive diode, a prazni kroz L i R... Kao i kod konvencionalnog filtra s kapacitivnim ulazom, vrijeme punjenja kondenzatora znatno je kraće od vremena pražnjenja .

Prigušnica L izglađuje valove struje koja teče kroz kondenzator C2, pružajući dodatno filtriranje. Napon preko kondenzatora C2 je izlazni napon. Iako je njegova vrijednost nešto manja nego kod napajanja s konvencionalnim kapacitivnim filtrom, valovitost izlaznog napona je značajno smanjena.

Čak i ako pretpostavimo da se kondenzator C1 puni kroz vodljive diode ispravljača do vrijednosti amplitude ulaznog izmjeničnog napona i zatim isprazni kroz R, napon kondenzatora C2 bit će manji od napona C1, jer prigušnica L, koja sprječava bilo kakve promjene struje opterećenja, stoji u strujnom krugu pražnjenja kondenzatora C1 i zajedno s C2 i R čini djelitelj napona.

Struja punjenja kondenzatora C1 i C2 prolazi kroz sekundarni namot transformatora i vodljive diode ispravljača. Također, kada je C2 napunjen, ova struja teče kroz prigušnicu L... Kondenzator C1 se prazni kroz serijski spojene L i R, a C2 se prazni samo kroz otpor R. Brzina pražnjenja ulaznog kondenzatora C1 ovisi o vrijednosti otpora R.

Vremenska konstanta pražnjenja kondenzatora izravno je proporcionalna vrijednosti R... Ako je visoka, onda se kondenzatori malo prazne i izlazni napon je visok.Pri nižim vrijednostima R, brzina pražnjenja se povećava, a izlazni napon će se smanjiti, budući da smanjenje R znači povećanje struje pražnjenja kondenzatora. Dakle, što je niža vremenska konstanta pražnjenja kondenzatora, niža je prosječna vrijednost izlaznog napona.

C-RC filter u obliku slova U

Za razliku od filtra koji je upravo razmatran u C-RB C-filtru u obliku slova U, otpornik R spojen je između dva kondenzatora umjesto prigušnice.1 kao što je prikazano na sl. 6.

Glavne razlike i učinkovitost filtra određene su različitim odzivom prigušnice i AC otporom. U prethodnom slučaju, reaktancije induktora L i kondenzatora C2 su takve da djelitelj napona koji oni čine osigurava relativno bolje izravnavanje izlaznog napona.

Na sl. 6, komponente istosmjerne i izmjenične struje ispravljene struje kroz R1. Zbog pada napona na R1 iz istosmjerne komponente, izlazni napon se smanjuje i što je veća struja, veći je taj pad napona. Stoga se C-RC-filtar može koristiti samo s niskim strujama opterećenja. Kao iu slučaju induktivno-kapacitivnih filtara, moguće je koristiti višerazinsku vezu filtarskih krugova.

Riža. 6

Odabir filtara u svakom slučaju nije lak problem, ali u svakom slučaju potrebno je razumjeti njihovu svrhu i principe rada jer oni u velikoj mjeri određuju ispravan rad napajanja.