Фильтры-сглаживатели

Самым простым фильтром-сглаживателем в энергообеспечении является конден­сатор, соединенный последовательно с выпрямителем. Он называется сглаживаю­щим конденсатором. Однако для сохранения энергии в течение всего периода включения выпрямителя он не подходит. Рассмотрим работу схемы полуволново­го выпрямителя со сглаживающим конденсатором (рис. 13.20). Диаграммы входно­го напряжения, напряжения на сглаживающем конденсаторе и напряжения на на­грузке изображены на рис. 13.21.

Первоначально (t₀) напряжение на конденсаторе равно нулю. В течение пер­вой половины положительного полупериода (t₁)конденсатор заряжается до мак­симального значения напряжения К. Входное напряжение, пройдя свой пик, ста­новится меньше напряжения на конденсаторе, диод при этом запирается, а ток продолжает течь, так как происходит разрядка конденсатора через сопротивление нагрузки. Скорость разрядки определяется постоянной времени (см. уравнение (2.69)):

Если нагрузка резистивная, ток разрядки определяется по закону Ома. Разряд конденсатора происходит до момента времениt₂,при котором диод снова открыва­ется (следующая положительная полуволна входного напряжения). Ток снова заря­жает конденсатор до момента времениt₃. После этого снова происходит разряд конденсатора — цикл повторяется.

Следует заметить, что напряжение на нагрузке равно нулю только до момента первоначального включения. При этом начальный ток, ток запуска, может быть очень большим (рис. 13.21). Поэтому на практике используются устройства, огра­ничивающие ток запуска.

Напряжение на нагрузке при использовании сглаживающего конденсатора из­меняется во времени — наблюдаются пульсации напряжения. Пульсации будут рав­ны нулю, если R_l= ∞, но это практически невозможно.

Чтобы точно рассчитать величину пульсаций, необходимо определить время междуt_lиt₂.Для этого нужно решить уравнения синусоиды заряда и экспоненты разряда конденсатора.

Для однополупериодного выпрямителя:

Для двухполупериодного выпрямителя время разряда уменьшается вдвое, а ча­стота увеличивается вдвое. Тогда:

Строго говоря, пульсации уменьшаются с уменьшением времени разряда. Для этого увеличивают частоту входного напряжения — до нескольких десятков кило­герц. При этом уменьшаются размеры сглаживающего конденсатора.

Допустим, пульсации очень малы. Тогда напряжение на нагрузке равно макси­мальному значению входного напряжения и уравнение (13.34) будет иметь вид:

Уравнение (13.35) показывает, что пульсации увеличиваются с увеличением тока на нагрузке.

rms величина переменной составляющей пульсаций определяется как:

Некоторые источники питания используют не сглаживающие конденсаторы, а комплексные пассивные LC-фильтры (см. гл. 10.5).