Napajalni filtri

Različne elektronske naprave potrebujejo napetostne vire za napajanje naprav z enosmernim tokom. Izhodna napetost usmerniki ima utripajoč videz. V njem lahko izberete povprečno ali enosmerno komponento napetosti in spremenljivo komponento, ki ji pravimo valovanje napetosti ali valovanje izhodne napetosti.

Tako valovanje določa odstopanje trenutne vrednosti izhodne napetosti od povprečja in je lahko tako pozitivno kot negativno. Za napetost sta značilna dva dejavnika: frekvenca in amplituda valov. V usmernikih je frekvenca valovanja bodisi enaka frekvenci vhodne napetosti (v polvalovnem usmerniku) ​​ali dvakrat višja (v polvalovnem usmerniku).

V polvalovnem usmerniku se za pridobitev izhodne napetosti uporablja le en polval vhodne napetosti, izhodna napetost pa je v obliki enosmernih polvalov, ki sledijo frekvenci vhodne napetosti.

Pri polvalovnih usmernikih (tako ničelnih kot mostičnih) polvalove izhodne napetosti tvori vsak polval vhodne napetosti. Zato je valovna frekvenca tukaj dvakrat višja od te omrežno frekvenco… Če je frekvenca toka v omrežju 50 Hz, bo frekvenca valovanja v polvalovnem usmerniku enaka, v polvalovnem pa 100 Hz.

Amplitudo valovanja izhodne napetosti usmernika je treba poznati po vrstnem redu. za določitev učinkovitosti filtrov, nameščenih na izhodu usmernikov, ki oddajajo srednjo napetostno komponento. Ta amplituda je običajno označena s faktorjem valovanja (Erms), ki je definiran kot razmerje med efektivno vrednostjo spremenljive komponente izhodne napetosti in njeno povprečno vrednostjo (Edc):

r = Erms /Edc

Nižji ko je faktor valovanja, večja je učinkovitost filtra. V praksi se pogosto uporablja tudi faktor valovanja, izražen v odstotkih:

(Erms /Edc)x100%.

Nizkoprepustni filtri se običajno uporabljajo v napajalnikih. Ti filtri prehajajo od vhoda do izhoda, skoraj brez slabljenja ali dušenja, signale, katerih frekvence so pod mejno frekvenco filtra, vse višje frekvence pa se praktično ne prenašajo na izhod filtra.

Filtri so izvršljivi upori, induktorji in kondenzatorji… Namen uporabe filtrov v napajalnikih je izravnati valovitost izhodne napetosti usmernika in izolirati enosmerno komponento napetosti.

Filtri, ki se uporabljajo v napajalnih napravah, so razdeljeni na dve glavni vrsti:

• filtri s kapacitivnim vhodom,

• induktivni vhodni filtri.

Uporabljajo se različne kombinacije vključitve filtrskih elementov, ki imajo različna imena (filter v obliki črke U, filter v obliki črke L itd.). Tip glavnega filtra je določen s filtrirnim elementom, nameščenim neposredno na izhodu usmernika.

Na sl. 1a in 1b prikazujeta glavne vrste filtrov. V prvem od njih je filtrirni kondenzator priključen na izhod usmernika in preusmeri obremenitev. Skozi filtrirni kondenzator je glavni del AC komponente usmernika zaprt. Pri drugem je na izhod usmernika priključena filtrska dušilka, ki z bremenom tvori serijsko vezje in preprečuje morebitne spremembe toka v tem serijskem vezju.

riž. 1

Kapacitivni vhodni filter zagotavlja višjo raven izhodne napetosti kot induktivni vhodni filter, induktivni vhodni filter pa bolje zmanjša napetostno valovanje. Zato je priporočljivo uporabiti kapacitivni vhodni filter, ko je potrebna višja napajalna napetost, in induktivni vhodni filter, ko je potrebna boljša kakovost enosmernega izhoda.

Kapacitivni vhodni filter

Preden razmislimo o delovanju kompleksnih filtrov, je treba razumeti delovanje najpreprostejšega kapacitivnega filtra, prikazanega na sl. 2a. Izhodna napetost usmernika brez filtra na zaslonu na sl. 2b, in v prisotnosti filtra - na sl. 2c. V odsotnosti filtrskega kondenzatorja ima napetost v Rl pulzirajoč značaj. Povprečna vrednost te napetosti je izhodna napetost usmernika.

riž. 2

V prisotnosti filtrirnega kondenzatorja se glavni del komponente izmeničnega toka toka zapre skozi kondenzator, mimo obremenitve Rl ... S pojavom prvega polvala izhodne napetosti kondenzator filtra se bo začel polniti pozitivno na ohišje, se bo napetost na njem spreminjala v skladu z izhodno napetostjo usmernika in ob koncu polovice polcikla dosegla največjo vrednost.

Poleg tega sekundarna napetost transformatorja pade in kondenzator se začne prazniti skozi R1, pri čemer ohranja pozitivno napetost in tok v bremenu na višji ravni, kot bi bila brez filtra.

Preden se lahko kondenzator popolnoma izprazni, se pojavi drugi polval pozitivne napetosti, ki ponovno napolni kondenzator do njegove največje vrednosti. Takoj, ko se napetost sekundarnega navitja začne zmanjševati, se bo kondenzator ponovno začel prazniti v breme. V prihodnosti se cikli polnjenja in praznjenja kondenzatorja izmenjujejo v vsakem polciklu,

Polnilni tok kondenzatorja teče skozi sekundarno navitje transformatorja in par usmerniških diod, ki ustreza temu polciklu, praznjelni tok kondenzatorja pa je zaprt skozi obremenitev Rl ... Reaktanca kondenzatorja pri omrežna frekvenca je majhna v primerjavi z Rl. Zato spremenljiva komponenta toka teče predvsem skozi kondenzator filtra in praktično teče skozi Rl D.C..

Induktivni vhodni filter

Razmislite o induktivnem vhodnem filtru ali LC filtru v obliki črke L. Njegova vključitev v usmernik in valovna oblika izhodne napetosti sta prikazana na sliki 3.

riž. 3

Serijska povezava filtrska dušilka (L) z obremenitvijo zavira tokovne spremembe v vezju. Izhodna napetost je tukaj manjša kot pri kapacitivnem vhodnem filtru, ker dušilka tvori serijsko povezavo z impedanco, ki jo tvori vzporedna vezava bremena in filtrskega kondenzatorja. Takšna povezava vodi do dobrega glajenja napetostnega vala, ki deluje na vhodu filtra, izboljša kakovost konstantne izhodne napetosti, čeprav zmanjša njeno vrednost.

AC komponenta izhodne napetosti usmernika je skoraj popolnoma izolirana od induktivnosti dušilke, srednja komponenta pa je napajalna izhodna napetost. Prisotnost dušilke vodi do dejstva, da je trajanje prevodnega stanja usmerniških diod tukaj, za razliko od usmernika s kapacitivnim filtrom, enako polovici obdobja.

Reaktanca dušilke (L) zmanjša vrednost valovite napetosti, ker preprečuje, da bi se tok dušilke povečal, ko je izhodna napetost usmernika večja od napetosti obremenitve, in tudi preprečuje, da bi se tok zmanjšal, če je izhodna napetost usmernika manjša. kot povprečna vrednost.Zato je tok v obremenitvi v času delovanja praktično konstanten, napetost valov pa ni odvisna od toka obremenitve.

Večdelčni induktivno-kapacitivni filter

Kakovost filtriranja izhodne napetosti je mogoče izboljšati z zaporedno vezavo več filtrov. Na sl. Slika 4 prikazuje dvostopenjski LC filter in v grobem prikazuje napetostne valovne oblike na različnih točkah filtra glede na skupno točko.

riž. 4

Čeprav sta tukaj prikazana dva zaporedno povezana LC-filtra, se lahko število povezav poveča. Povečanje števila priključkov vodi do zmanjšanja valovitosti (in filtri z veliko povezavami se uporabljajo ravno takrat, ko je potrebno doseči minimalno valovanje izhodne napetosti), vendar to zmanjšuje stabilnost stabilizatorjev s takšnimi filtri. Poleg tega povečanje števila povezav vodi do povečanja upora, ki je zaporedno povezan z napajalnikom, kar vodi do povečanja sprememb izhodne napetosti s spremembo obremenitvenega toka.

Filter v obliki črke U

Na sl. 5 prikazuje filter v obliki črke U, imenovan tako, ker je njegova grafična predstavitev podobna črki P. Gre za kombinacijo kapacitivnega in LC-filtra v obliki črke L.

riž. 5

Upor R, ki je povezan z izhodom filtra, je skoraj vedno prisoten v napajalnikih in ni obvezen odpornost na obremenitev… Njegov namen je dvojen.

Prvič, zagotavlja pot praznjenja za kondenzatorje, ko je omrežna napetost prekinjena in tako preprečuje možnost električnega udara serviserja.

Drugič, zagotavlja dodatno obremenitev napajalnika tudi, ko je zunanja obremenitev izklopljena in tako stabilizira nivo izhodne napetosti. Ta upor se lahko uporablja tudi kot element uporovni napetostni delilnik za dodatne izhode.

Filter v obliki črke U je filter z vhodom kondenzatorja, dopolnjenim s povezavo v obliki črke L.Glavno filtrirno delovanje izvaja kondenzator C1, ki se polni preko prevodnih diod in prazni skozi L in R... Tako kot pri običajnem filtru s kapacitivnim vhodom je čas polnjenja kondenzatorja bistveno krajši od časa praznjenja .

Dušilka L zgladi valovanje toka, ki teče skozi kondenzator C2, kar zagotavlja dodatno filtriranje. Napetost na kondenzatorju C2 je izhodna napetost. Čeprav je njegova vrednost nekoliko manjša kot pri napajanju z običajnim kapacitivnim filtrom, se valovanje izhodne napetosti znatno zmanjša.

Tudi če predpostavimo, da se kondenzator C1 napolni skozi prevodne diode usmernika do vrednosti amplitude vhodne izmenične napetosti in nato izprazni skozi R, bo napetost kondenzatorja C2 manjša od napetosti C1, ker dušilka L, ki preprečuje kakršnokoli spremembo obremenitvenega toka, stoji v razelektritvenem krogu kondenzatorja C1 in skupaj s C2 in R tvori napetostni delilnik.

Polnilni tok kondenzatorjev C1 in C2 poteka skozi sekundarno navitje transformatorja in prevodne diode usmernika. Tudi, ko je C2 napolnjen, ta tok teče skozi dušilko L... Kondenzator C1 se prazni skozi zaporedno povezana L in R, C2 pa samo skozi upor R. Hitrost praznjenja vhodnega kondenzatorja C1 je odvisna od vrednosti upora R.

Časovna konstanta praznjenja kondenzatorjev je neposredno sorazmerna z vrednostjo R ... Če je visoka, se kondenzatorji malo izpraznijo in izhodna napetost je visoka.Pri nižjih vrednostih R se hitrost praznjenja poveča in izhodna napetost se zmanjša, saj zmanjšanje R pomeni povečanje praznjenja kondenzatorja. Tako nižja kot je časovna konstanta praznjenja kondenzatorja, nižja je povprečna vrednost izhodne napetosti.

C-RC filter v obliki črke U

Za razliko od filtra, o katerem smo pravkar razpravljali v C-filtru C-RB v obliki črke U, je med obema kondenzatorjema namesto dušilke priključen upor R.1, kot je prikazano na sl. 6.

Glavne razlike in učinkovitost filtra so določene z različnim odzivom dušilke in uporom AC. V prejšnjem primeru sta reaktanci induktorja L in kondenzatorja C2 takšni, da delilnik napetosti, ki ga tvorita, zagotavlja relativno boljše glajenje izhodne napetosti.

Na sl. 6, enosmerne in izmenične tokovne komponente popravljenega toka skozi R1. Zaradi padca napetosti na R1 iz enosmerne komponente se izhodna napetost zmanjša in večji kot je tok, večji je ta padec napetosti. Zato se C-RC-filter lahko uporablja le pri nizkih obremenitvenih tokovih. Tako kot pri induktivno-kapacitivnih filtrih je mogoče uporabiti večnivojsko povezavo filtrskih vezij.

riž. 6

Izbira filtrov v nobenem primeru ni lahek problem, vsekakor pa morate razumeti njihov namen in principe delovanja, saj v veliki meri določajo pravilno delovanje napajalnikov.