Сглаживающим фильтром называют электронный узел, предназначенный для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.

Как отмечалось, выпрямленное напряжение является пульсирующим, в котором можно выделить постоянные и переменные составляющие. Коэффициенты пульсаций выпрямленных напряжений имеют следующие значения:

· для однополупериодного однофазного выпрямителя 1,57;

· для двухполупериодного однофазного выпрямителя 0,67;

· для трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом 0,25;

· для трехфазного мостового выпрямителя 0,057.

С такими коэффициентами пульсаций выпрямленное напряжение в подавляющем большинстве случаев использовать нельзя, так как при этом работа электронных устройств резко ухудшается или вообще недопустима. В зависимости от назначения того или иного электронного устройства (усилителя, генератора и т. д.), его места в электронном устройстве или системе (на входе, выходе и т. д.) коэффициент пульсаций напряжения питания не должен превышать определенных значений. Так, для основных каскадов автоматических систем он не должен превышать 10-2 - 10-3, для выходных усилительных каскадов – 10-4 - 10-5, для автогенераторов - 10–5 - 10-6, а для входных каскадов электронных измерительных устройств - 10-6 - 10-7. Сглаживающие фильтры включают между выпрямителем и стабилизатором напряжения.

Основными элементами сглаживающих фильтров являются конденсаторы, индуктивные катушки и транзисторы, сопротивления которых различны для постоянного и переменного токов. Для постоянного тока сопротивление конденсатора равно бесконечности, а сопротивление индуктивной катушки очень мало. Сопротивление транзистора постоянному току (статическое сопротивление) на два - три порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление). Основным параметром, характеризующим эффективность действия сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

q = Кп вх/Кп вых.

Кроме выполнения требования к коэффициенту сглаживания фильтры должны иметь минимальное падение постоянного напряжения на элементах, минимальные габариты, массу и стоимость.

В зависимости от типа фильтрующего элемента различают емкостные, индуктивные и электронные фильтры. По количеству фильтрующих звеньев фильтры делятся на однозвенные и многозвенные.

Емкостные фильтры

Этот тип фильтров относится к однозвенным фильтрам. Простейший емкостный фильтр Сф включают параллельно нагрузке Rн (рис.5.8, а).

а б

Рис.5.8 Емкостный сглаживающий фильтр: а – схема включения, б – временные диаграммы

Работу емкостного фильтра удобно рассматривать с помощью временных диаграмм, изображенных на рис 5.8,б. В интервал времени t1 - t2 конденсатор через открытый диод заряжается до амплитудного значения напряжения u2, так как в этот период напряжение u2 > uc В это время ток I2 = Iс + Iн. В интервал времени t2 – t3, когда напряжение u2 становится меньше напряжения на конденсаторе uc, конденсатор разряжается на нагрузочный резистор Rн.

В этот интервал времени напряжение на резисторе Rн снижается до некоторого значения, соответствующего времени t3, при котором напряжение u2 в положительный полупериод становится равным напряжению на конденсаторе. После этого диод вновь открывается, конденсатор Сф начинает заряжаться и процессы зарядки и разрядки конденсатора повторяются.

Схема включения, временные диаграммы тока и напряжений двухполупериодного мостового выпрямителя с емкостным фильтром приведены на рис.5.9.

Рис.5.9 Двухполупериодный выпрямитель с емкостным фильтром

Анализ временных диаграмм показывает, что с изменением емкости конденсатора Сф или сопротивления нагрузочного резистора Rн будет изменяться значение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения. При этом, чем меньше разрядится конденсатор, тем меньше будут пульсации в выпрямленном токе iн. Разряд конденсатора Сф определяется постоянной времени разрядки τразр = СфRн. При постоянной времени τразр = 10 Т коэффициент пульсаций, определяемый по формуле Кп = 1/2πfосн τразр,( fосн - частота основной гармоники), не превышает 10-2.

Работа выпрямителя с емкостным фильтром существенно зависит от изменения нагрузочного тока. Действительно, при увеличении тока iн, что происходит при уменьшении сопротивления Rн, постоянная времени τразр уменьшается. Уменьшается и среднее значение выпрямленного напряжения U0, а пульсации возрастают.

При использовании емкостного фильтра следует учитывать, что максимальное значение тока диода определяется лишь сопротивлениями диода и вторичной обмотки трансформатора, поэтому в момент включения питания, когда диод разряжен ток может достигать значений, больших Iпрmах. Такой большой ток может вывести из строя диод. Для предотвращения этого последовательно с диодом необходимо включать добавочный резистор.

Емкостный фильтр целесообразно применять при высокоомной нагрузке.