Krachtige filters

Verschillende elektronische apparaten hebben spanningsbronnen nodig om de DC-apparaten van stroom te voorzien. Uitgangsspanning gelijkrichters heeft een pulserende uitstraling. Hierin kunt u de gemiddelde of DC-component van de spanning selecteren en de variabele component die rimpelspanning of rimpelspanning van de uitgangsspanning wordt genoemd.

De rimpel bepaalt dus de afwijking van de momentane waarde van de uitgangsspanning van het gemiddelde en kan zowel positief als negatief zijn. Spanning wordt gekenmerkt door twee factoren: frequentie en amplitude van de golven. Bij gelijkrichters is de rimpelfrequentie gelijk aan de frequentie van de ingangsspanning (in een enkelzijdige gelijkrichter) of twee keer zo hoog (in een dubbelfasige gelijkrichter).

In een halfgolfgelijkrichter wordt slechts één halve golf van de ingangsspanning gebruikt om de uitgangsspanning te verkrijgen, en de uitgangsspanning heeft de vorm van unidirectionele halve golven, volgens de frequentie van de ingangsspanning.

In dubbelfasige gelijkrichters (zowel nulpunt als brug) worden de halve golven van de uitgangsspanning gevormd door elke halve golf van de ingangsspanning. Daarom is de golffrequentie hier twee keer zo hoog netwerk frequentie… Als de frequentie van de stroom in het netwerk 50 Hz is, dan is de frequentie van de golven in de enkelfasige gelijkrichter hetzelfde en in de dubbelfasige gelijkrichter 100 Hz.

De amplitude van de uitgangsspanningsrimpel van de gelijkrichter moet in volgorde bekend zijn. om het rendement te bepalen van de filters die zijn geïnstalleerd aan de uitgang van de gelijkrichters die de middenspanningscomponent uitzenden. Deze amplitude wordt meestal gekenmerkt door de rimpelfactor (Erms), die wordt gedefinieerd als de verhouding van de effectieve waarde van de variabele component van de uitgangsspanning tot de gemiddelde waarde (Edc):

r = Erms /Edc

Hoe lager de rimpelfactor, hoe hoger de efficiëntie van het filter. De rimpelfactor uitgedrukt in een percentage wordt in de praktijk ook vaak gebruikt:

(Erms /Edc)x100%.

Laagdoorlaatfilters worden vaak gebruikt in voedingen. Deze filters gaan van de ingang naar de uitgang, met bijna geen verzwakking of verzwakking, signalen waarvan de frequenties onder de afsnijfrequentie van het filter liggen, en alle hogere frequenties worden praktisch niet naar de uitgang van het filter verzonden.

Filters zijn uitvoerbaar weerstanden, inductoren En condensatoren… Het gebruik van filters in de voedingen is bedoeld om de rimpel van de uitgangsspanning van de gelijkrichter af te vlakken en de DC-component van de spanning te isoleren.

Filters die worden gebruikt in voedingsapparaten zijn onderverdeeld in twee hoofdtypen:

• filters met capacitieve ingang,

• inductieve ingangsfilters.

Er worden verschillende combinaties van het opnemen van filterelementen gebruikt, die verschillende namen hebben (U-vormig filter, L-vormig filter, enz.). Het type hoofdfilter wordt bepaald door het filterelement dat direct aan de uitgang van de gelijkrichter is geïnstalleerd.

In afb. 1a en 1b tonen de belangrijkste soorten filters. In de eerste hiervan is de filtercondensator verbonden met de uitgang van de gelijkrichter en shunt de belasting. Door de filtercondensator is het grootste deel van de AC-component van de gelijkrichter gesloten. In de tweede is een filtersmoorspoel aangesloten op de uitgang van de gelijkrichter, die een serieschakeling vormt met de belasting en eventuele veranderingen in de stroom in deze serieschakeling voorkomt.

Rijst. 1

Een capacitief ingangsfilter levert een hoger uitgangsspanningsniveau dan een inductief ingangsfilter, en een inductief ingangsfilter vermindert de spanningsrimpel beter. Het is dus raadzaam om een ​​capacitief ingangsfilter te gebruiken wanneer een hogere voedingsspanning vereist is, en een inductief ingangsfilter wanneer een betere DC-uitgangskwaliteit vereist is.

Capacitief ingangsfilter

Alvorens de werking van complexe filters te overwegen, is het noodzakelijk om de werking te begrijpen van het eenvoudigste capacitieve filter getoond in Fig. 2a. Uitgangsspanning van de gelijkrichter zonder filter op het displayyo in afb. 2b, en in aanwezigheid van een filter - in Fig. 2c. Bij afwezigheid van een filtercondensator heeft de spanning in Rl een pulserend karakter. De gemiddelde waarde van deze spanning is de uitgangsspanning van de gelijkrichter.

Rijst. 2

In aanwezigheid van een filtercondensator wordt het grootste deel van de wisselstroomcomponent van de stroom door de condensator gesloten, waarbij de belasting Rl wordt omzeild... Met het verschijnen van de eerste halve golf van de uitgangsspanning de filtercondensator begint op te laden positief voor het geval, zal de spanning erop veranderen in overeenstemming met de uitgangsspanning van de gelijkrichter en zal aan het einde van de helft van de halve cyclus zijn maximale waarde bereiken.

Bovendien daalt de secundaire spanning van de transformator en begint de condensator te ontladen via R1, waardoor de positieve spanning en stroom in de belasting op een hoger niveau blijven dan zonder het filter.

Voordat de condensator volledig kan worden ontladen, vindt er een tweede positieve spanningshalve golf plaats, waardoor de condensator opnieuw wordt opgeladen tot de maximale waarde. Zodra de spanning van de secundaire wikkeling begint af te nemen, zal de condensator weer beginnen te ontladen naar de belasting. In de toekomst wisselen de laad- en ontlaadcycli van de condensator elkaar af in elke halve cyclus,

De laadstroom van de condensator stroomt door de secundaire wikkeling van de transformator en het paar gelijkrichterdioden die overeenkomen met deze halve cyclus, en de ontlaadstroom van de condensator wordt gesloten door de belasting Rl... De reactantie van de condensator aan de netwerkfrequentie is klein in vergelijking met Rl. Daarom vloeit de variabele component van de stroom voornamelijk door de filtercondensator en stroomt praktisch door Rl gelijkstroom.

Inductief ingangsfilter

Denk aan een inductief ingangsfilter of een L-vormig LC-filter. De opname ervan in de gelijkrichter en de golfvorm van de uitgangsspanning worden getoond in figuur 3.

Rijst. 3

Seriële verbinding filter smoorspoel (L) met belasting verhindert stroomveranderingen in het circuit. De uitgangsspanning is hier lager dan bij een capacitief ingangsfilter omdat de smoorspoel een serieschakeling vormt met een impedantie die wordt gevormd door de parallelschakeling van de belasting en de filtercondensator. Een dergelijke verbinding leidt tot een goede afvlakking van de spanningsgolf die aan de ingang van het filter werkt, waardoor de kwaliteit van de constante uitgangsspanning wordt verbeterd, hoewel de waarde ervan wordt verminderd.

De AC-component van de uitgangsspanning van de gelijkrichter is bijna volledig geïsoleerd van de smoorspoelinductantie en de middelste component is de voedingsuitgangsspanning. De aanwezigheid van een smoorspoel leidt ertoe dat de duur van de geleidende toestand van de gelijkrichterdiodes hier, in tegenstelling tot de gelijkrichter met een capacitief filter, gelijk is aan de helft van de periode.

De smoorspoelreactantie (L) vermindert de waarde van de rimpelspanning omdat het voorkomt dat de smoorspoelstroom toeneemt wanneer de uitgangsspanning van de gelijkrichter groter is dan de belastingsspanning, en voorkomt ook dat de stroom afneemt als de uitgangsspanning van de gelijkrichter lager is dan de gemiddelde waarde.Daarom is de stroom in de belasting tijdens de werkingsperiode praktisch constant en is de spanning van de golven niet afhankelijk van de belastingsstroom.

Inductief-capacitief filter met meerdere secties

De filterkwaliteit van de uitgangsspanning kan worden verbeterd door meerdere filters in serie te schakelen. In afb. 4 toont een tweetraps LC-filter en toont grofweg de spanningsgolfvormen op verschillende punten op het filter ten opzichte van een gemeenschappelijk punt.

Rijst. 4

Hoewel hier twee in serie geschakelde LC-filters worden getoond, kan het aantal aansluitingen worden vergroot. Het verhogen van het aantal aansluitingen leidt tot een afname van de rimpel (en filters met veel aansluitingen worden juist gebruikt wanneer het nodig is om een ​​minimale rimpel in de uitgangsspanning te verkrijgen), maar dit vermindert de stabiliteit van stabilisatoren met dergelijke filters. Bovendien leidt een toename van het aantal verbindingen tot een toename van de weerstand die in serie is geschakeld met de voeding, wat leidt tot een toename van de veranderingen in de uitgangsspanning met een verandering in de belastingsstroom.

U-vormig filter

In afb. 5 toont een U-vormig filter, zo genoemd omdat de grafische weergave lijkt op de letter P. Het is een combinatie van capacitieve en L-vormige LC-filters.

Rijst. 5

Een weerstand R, die is aangesloten op de uitgang van het filter, is bijna altijd aanwezig in voedingen en is optioneel belasting weerstand… Het doel is tweeledig.

Ten eerste biedt het een ontlaadpad voor de condensatoren wanneer de netspanning wordt onderbroken en voorkomt zo de mogelijkheid van een elektrische schok voor onderhoudspersoneel.

Ten tweede zorgt het voor een extra belasting van de voeding, zelfs als de externe belasting is uitgeschakeld, en stabiliseert het zo het uitgangsspanningsniveau. Deze weerstand kan ook als element gebruikt worden resistieve spanningsdeler voor extra uitgangen.

Het U-vormige filter is een filter met een condensatoringang aangevuld met een L-vormige aansluiting.De belangrijkste filteractie wordt uitgevoerd door de condensator C1, die wordt opgeladen via de geleidende diodes en ontladen via L en R... Net als bij een conventioneel filter met een capacitieve ingang, is de oplaadtijd van de condensator aanzienlijk korter dan de ontlaadtijd .

Smoorspoel L verzacht de rimpelingen van de stroom die door de condensator C2 vloeit en zorgt voor extra filtering. De spanning over condensator C2 is de uitgangsspanning. Hoewel de waarde iets kleiner is dan bij voeding met een conventioneel capacitief filter, wordt de rimpel van de uitgangsspanning aanzienlijk verminderd.

Zelfs als we aannemen dat de condensator C1 wordt opgeladen via de geleidende diodes van de gelijkrichter tot de waarde van de amplitude van de ingangswisselspanning en vervolgens wordt ontladen via R, zal de spanning van de condensator C2 lager zijn dan die van C1, omdat de smoorspoel L, die veranderingen in de belastingsstroom verhindert, staat in het ontlaadcircuit van condensator C1 en vormt samen met C2 en R een spanningsdeler.

De laadstroom van condensatoren C1 en C2 gaat door de secundaire wikkeling van de transformator en de geleidende diodes van de gelijkrichter. Wanneer C2 wordt opgeladen, vloeit deze stroom ook door de smoorspoel L... Condensator C1 ontlaadt via in serie geschakelde L en R, en C2 ontlaadt alleen via weerstand R. De ontlaadsnelheid van ingangscondensator C1 hangt af van de waarde van de weerstand R.

De ontlaadtijdconstante van de condensatoren is recht evenredig met de R-waarde... Als deze hoog is, ontladen de condensatoren een beetje en is de uitgangsspanning hoog.Bij lagere waarden van R neemt de ontladingssnelheid toe en neemt de uitgangsspanning af, aangezien het verlagen van R betekent dat de ontlaadstroom van de condensator toeneemt. Dus hoe lager de ontlaadtijdconstante van de condensator, hoe lager de gemiddelde waarde van de uitgangsspanning.

U-vormig C-RC-filter

In tegenstelling tot het zojuist besproken filter in het U-vormige C-RB C-filter, is een weerstand R tussen de twee condensatoren aangesloten in plaats van een smoorspoel.1 zoals getoond in Fig. 6.

De belangrijkste verschillen en filterprestaties worden bepaald door de verschillende chokerespons en AC-weerstand. In het voorgaande geval zijn de reactanties van de inductor L en de condensator C2 zodanig dat de daardoor gevormde spanningsdeler zorgt voor een relatief betere afvlakking van de uitgangsspanning.

In afb. 6, zowel de gelijkstroom- als wisselstroomcomponenten van de gelijkgerichte stroom door R1. Door de spanningsval over R1 vanaf de DC-component neemt de uitgangsspanning af en hoe groter de stroom, hoe groter deze spanningsval. Daarom kan het C-RC-filter alleen worden gebruikt bij lage belastingsstromen. Net als in het geval van inductief-capacitieve filters, is het mogelijk om een ​​meertrapsschakeling van filtercircuits te gebruiken.

Rijst. 6

Het kiezen van filters is in ieder geval geen eenvoudig probleem, maar u moet in ieder geval hun doel en werkingsprincipes begrijpen, omdat ze grotendeels de juiste werking van voedingen bepalen.