Φίλτρα ισχύος

Διάφορες ηλεκτρονικές συσκευές απαιτούν πηγές τάσης για την τροφοδοσία των συσκευών DC. Τάση εξόδου ανορθωτές έχει παλλόμενη εμφάνιση. Σε αυτό μπορείτε να επιλέξετε τη μέση ή DC συνιστώσα της τάσης και τη μεταβλητή συνιστώσα που ονομάζεται τάση κυματισμού ή κυματισμός της τάσης εξόδου.

Έτσι, ο κυματισμός καθορίζει την απόκλιση της στιγμιαίας τιμής της τάσης εξόδου από τον μέσο όρο και μπορεί να είναι θετική και αρνητική. Η τάση χαρακτηρίζεται από δύο παράγοντες: τη συχνότητα και το πλάτος των κυμάτων. Στους ανορθωτές, η συχνότητα κυματισμού είναι είτε ίδια με τη συχνότητα της τάσης εισόδου (σε ανορθωτή μισού κύματος) είτε διπλάσια (σε ανορθωτή πλήρους κύματος).

Σε έναν ανορθωτή μισού κύματος, χρησιμοποιείται μόνο ένα μισό κύμα της τάσης εισόδου για να ληφθεί η τάση εξόδου και η τάση εξόδου έχει τη μορφή μονοκατευθυντικών ημικυμάτων, ακολουθώντας τη συχνότητα της τάσης εισόδου.

Σε ανορθωτές πλήρους κύματος (τόσο σημείου μηδέν όσο και γέφυρας), τα μισά κύματα της τάσης εξόδου σχηματίζονται από κάθε μισό κύμα της τάσης εισόδου. Επομένως, η συχνότητα κύματος εδώ είναι διπλάσια από αυτήν συχνότητα δικτύου… Εάν η συχνότητα του ρεύματος στο δίκτυο είναι 50 Hz, τότε η συχνότητα των κυμάτων στον ανορθωτή μισού κύματος θα είναι η ίδια και στον ανορθωτή πλήρους κύματος είναι 100 Hz.

Το πλάτος του κυματισμού της τάσης εξόδου του ανορθωτή πρέπει να είναι γνωστό με τη σειρά. για τον προσδιορισμό της απόδοσης των φίλτρων που είναι εγκατεστημένα στην έξοδο των ανορθωτών που εκπέμπουν το εξάρτημα μέσης τάσης. Αυτό το πλάτος συνήθως χαρακτηρίζεται από τον παράγοντα κυματισμού (Erms), ο οποίος ορίζεται ως ο λόγος της πραγματικής τιμής της μεταβλητής συνιστώσας της τάσης εξόδου προς τη μέση τιμή της (Edc):

r = Erms /Edc

Όσο χαμηλότερος είναι ο παράγοντας κυματισμού, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση του φίλτρου. Ο παράγοντας κυματισμού που εκφράζεται ως ποσοστό χρησιμοποιείται επίσης συχνά στην πράξη:

(Erms /Edc)x100%.

Τα χαμηλοπερατά φίλτρα χρησιμοποιούνται συνήθως σε τροφοδοτικά. Αυτά τα φίλτρα περνούν από την είσοδο στην έξοδο, χωρίς σχεδόν καμία εξασθένηση ή εξασθένηση, σήματα των οποίων οι συχνότητες είναι κάτω από τη συχνότητα αποκοπής του φίλτρου και όλες οι υψηλότερες συχνότητες ουσιαστικά δεν μεταδίδονται στην έξοδο του φίλτρου.

Τα φίλτρα είναι εκτελέσιμα αντιστάσεις, επαγωγείς και πυκνωτές… Η χρήση φίλτρων στα τροφοδοτικά αποσκοπεί στην εξομάλυνση του κυματισμού της τάσης εξόδου του ανορθωτή και στην απομόνωση της συνιστώσας DC της τάσης.

Τα φίλτρα που χρησιμοποιούνται σε συσκευές τροφοδοσίας χωρίζονται σε δύο κύριους τύπους:

• φίλτρα με χωρητική είσοδο,

• επαγωγικά φίλτρα εισόδου.

Χρησιμοποιούνται διαφορετικοί συνδυασμοί συμπερίληψης στοιχείων φίλτρου, οι οποίοι έχουν διαφορετικά ονόματα (φίλτρο σε σχήμα U, φίλτρο σχήματος L κ.λπ.). Ο κύριος τύπος φίλτρου καθορίζεται από το στοιχείο φίλτρου που είναι εγκατεστημένο απευθείας στην έξοδο του ανορθωτή.

Στο σχ. Τα 1α και 1β δείχνουν τους κύριους τύπους φίλτρων. Στο πρώτο από αυτά, ο πυκνωτής φίλτρου συνδέεται με την έξοδο του ανορθωτή και μετατρέπει το φορτίο. Μέσω του πυκνωτή φίλτρου, το κύριο μέρος του εξαρτήματος AC του ανορθωτή είναι κλειστό. Στο δεύτερο, ένα τσοκ φίλτρου συνδέεται στην έξοδο του ανορθωτή, το οποίο σχηματίζει ένα κύκλωμα σειράς με το φορτίο και αποτρέπει τυχόν αλλαγές στο ρεύμα σε αυτό το κύκλωμα σειράς.

Ρύζι. 1

Ένα χωρητικό φίλτρο εισόδου παρέχει υψηλότερο επίπεδο τάσης εξόδου από ένα επαγωγικό φίλτρο εισόδου και ένα επαγωγικό φίλτρο εισόδου μειώνει καλύτερα τον κυματισμό τάσης. Επομένως, συνιστάται η χρήση χωρητικού φίλτρου εισόδου όταν απαιτείται υψηλότερη τάση τροφοδοσίας και επαγωγικού φίλτρου εισόδου όταν απαιτείται καλύτερη ποιότητα εξόδου DC.

Χωρητικό φίλτρο εισόδου

Πριν εξετάσετε τη λειτουργία πολύπλοκων φίλτρων, είναι απαραίτητο να κατανοήσετε τη λειτουργία του απλούστερου χωρητικού φίλτρου που φαίνεται στο Σχ. 2α. Τάση εξόδου του ανορθωτή χωρίς φίλτρο στην οθόνη στην εικ. 2β, και παρουσία φίλτρου - στο σχ. 2γ. Ελλείψει πυκνωτή φίλτρου, η τάση σε Rl έχει παλμικό χαρακτήρα. Η μέση τιμή αυτής της τάσης είναι η τάση εξόδου του ανορθωτή.

Ρύζι. 2

Με την παρουσία πυκνωτή φίλτρου, το κύριο μέρος της συνιστώσας του εναλλασσόμενου ρεύματος κλείνει μέσω του πυκνωτή, παρακάμπτοντας το φορτίο Rl... Με την εμφάνιση του πρώτου μισού κύματος της τάσης εξόδου ο πυκνωτής του φίλτρου θα αρχίσει να φορτίζει θετικά στην περίπτωση, η τάση σε αυτό θα αλλάξει σύμφωνα με την τάση εξόδου του ανορθωτή και στο τέλος του μισού του μισού κύκλου θα φτάσει τη μέγιστη τιμή της.

Επιπλέον, η δευτερεύουσα τάση του μετασχηματιστή πέφτει και ο πυκνωτής αρχίζει να εκφορτίζεται μέσω του R1, διατηρώντας τη θετική τάση και το ρεύμα στο φορτίο σε υψηλότερο επίπεδο από ό,τι θα ήταν χωρίς το φίλτρο.

Προτού ο πυκνωτής μπορέσει να εκφορτιστεί πλήρως, εμφανίζεται ένα δεύτερο μισό κύμα θετικής τάσης, φορτίζοντας ξανά τον πυκνωτή στη μέγιστη τιμή του. Μόλις η τάση δευτερεύουσας περιέλιξης αρχίσει να μειώνεται, ο πυκνωτής θα αρχίσει και πάλι να εκφορτίζεται στο φορτίο. Στο μέλλον, οι κύκλοι φόρτισης και εκφόρτισης του πυκνωτή εναλλάσσονται σε κάθε μισό κύκλο,

Το ρεύμα φόρτισης του πυκνωτή ρέει μέσω της δευτερεύουσας περιέλιξης του μετασχηματιστή και του ζεύγους διόδων ανορθωτή που αντιστοιχούν σε αυτόν τον μισό κύκλο, και το ρεύμα εκφόρτισης του πυκνωτή κλείνει μέσω του φορτίου Rl... Η αντίδραση του πυκνωτή στο Η συχνότητα δικτύου είναι μικρή σε σύγκριση με το Rl. Επομένως, η μεταβλητή συνιστώσα του ρεύματος ρέει κυρίως μέσω του πυκνωτή του φίλτρου και πρακτικά ρέει μέσω του Rl D.C..

Επαγωγικό φίλτρο εισόδου

Εξετάστε ένα επαγωγικό φίλτρο εισόδου ή ένα φίλτρο LC σε σχήμα L. Η συμπερίληψή του στον ανορθωτή και η κυματομορφή της τάσης εξόδου φαίνονται στο Σχήμα 3.

Ρύζι. 3

Σειριακή σύνδεση τσοκ φίλτρου Το (L) με φορτίο αναστέλλει τις αλλαγές ρεύματος στο κύκλωμα. Η τάση εξόδου εδώ είναι μικρότερη από ό,τι με ένα χωρητικό φίλτρο εισόδου, επειδή το τσοκ σχηματίζει μια σειριακή σύνδεση με μια αντίσταση που σχηματίζεται από την παράλληλη σύνδεση του φορτίου και του πυκνωτή φίλτρου. Μια τέτοια σύνδεση οδηγεί σε καλή εξομάλυνση του κύματος τάσης που ενεργεί στην είσοδο του φίλτρου, βελτιώνοντας την ποιότητα της σταθερής τάσης εξόδου, αν και μειώνει την τιμή του.

Το στοιχείο AC της τάσης εξόδου του ανορθωτή είναι σχεδόν πλήρως απομονωμένο από την επαγωγή του τσοκ και το μεσαίο στοιχείο είναι η τάση εξόδου τροφοδοσίας. Η παρουσία ενός τσοκ οδηγεί στο γεγονός ότι η διάρκεια της αγώγιμης κατάστασης των διόδων ανορθωτή εδώ, σε αντίθεση με τον ανορθωτή με χωρητικό φίλτρο, είναι ίση με τη μισή περίοδο.

Η αντίδραση τσοκ (L) μειώνει την τιμή της τάσης κυματισμού επειδή εμποδίζει την αύξηση του ρεύματος τσοκ όταν η τάση εξόδου του ανορθωτή είναι μεγαλύτερη από την τάση φορτίου και επίσης εμποδίζει τη μείωση του ρεύματος εάν η τάση εξόδου του ανορθωτή είναι μικρότερη από τη μέση τιμή Επομένως, το ρεύμα στο φορτίο κατά την περίοδο λειτουργίας είναι πρακτικά σταθερό και η τάση των κυμάτων δεν εξαρτάται από το ρεύμα φορτίου.

Επαγωγικό-χωρητικό φίλτρο πολλαπλών τμημάτων

Η ποιότητα φιλτραρίσματος της τάσης εξόδου μπορεί να βελτιωθεί με τη σύνδεση πολλών φίλτρων σε σειρά. Στο σχ. Το σχήμα 4 δείχνει ένα φίλτρο LC δύο σταδίων και δείχνει χονδρικά τις κυματομορφές τάσης σε διαφορετικά σημεία του φίλτρου σε σχέση με ένα κοινό σημείο.

Ρύζι. 4

Αν και εδώ εμφανίζονται δύο συνδεδεμένα σε σειρά φίλτρα LC, ο αριθμός των συνδέσεων μπορεί να αυξηθεί. Η αύξηση του αριθμού των συνδέσεων οδηγεί σε μείωση του κυματισμού (και τα φίλτρα με πολλές συνδέσεις χρησιμοποιούνται ακριβώς όταν είναι απαραίτητο να επιτευχθεί ένα ελάχιστο κυματισμό στην τάση εξόδου), αλλά αυτό μειώνει τη σταθερότητα των σταθεροποιητών με τέτοια φίλτρα. Επιπλέον, η αύξηση του αριθμού των συνδέσεων οδηγεί σε αύξηση της αντίστασης που συνδέεται σε σειρά με το τροφοδοτικό, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση των αλλαγών στην τάση εξόδου με αλλαγή του ρεύματος φορτίου.

Φίλτρο σε σχήμα U

Στο σχ. Το 5 δείχνει ένα φίλτρο σε σχήμα U, που ονομάζεται έτσι επειδή η γραφική του αναπαράσταση μοιάζει με το γράμμα P. Είναι ένας συνδυασμός χωρητικών και φίλτρων LC σε σχήμα L.

Ρύζι. 5

Μια αντίσταση R, η οποία είναι συνδεδεμένη στην έξοδο του φίλτρου, υπάρχει σχεδόν πάντα στα τροφοδοτικά και είναι προαιρετική αντίσταση φορτίου… Ο σκοπός του είναι διπλός.

Πρώτον, παρέχει μια διαδρομή εκφόρτισης για τους πυκνωτές όταν διακόπτεται η τάση του δικτύου και έτσι αποτρέπεται η πιθανότητα ηλεκτροπληξίας στο προσωπικό σέρβις.

Δεύτερον, παρέχει ένα επιπλέον φορτίο στο τροφοδοτικό ακόμα και όταν το εξωτερικό φορτίο είναι απενεργοποιημένο και έτσι σταθεροποιεί το επίπεδο τάσης εξόδου. Αυτή η αντίσταση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως στοιχείο ωμικός διαιρέτης τάσης για πρόσθετες εξόδους.

Το φίλτρο σχήματος U είναι ένα φίλτρο με είσοδο πυκνωτή που συμπληρώνεται από σύνδεση σχήματος L.Η κύρια δράση φιλτραρίσματος εκτελείται από τον πυκνωτή C1, ο οποίος φορτίζεται μέσω των αγώγιμων διόδων και εκφορτίζεται μέσω L και R... Όπως συμβαίνει με ένα συμβατικό φίλτρο με χωρητική είσοδο, ο χρόνος φόρτισης του πυκνωτή είναι σημαντικά μικρότερος από τον χρόνο εκφόρτισης .

Το Choke L εξομαλύνει τους κυματισμούς του ρεύματος που διαρρέει τον πυκνωτή C2, παρέχοντας επιπλέον φιλτράρισμα. Η τάση κατά μήκος του πυκνωτή C2 είναι η τάση εξόδου. Αν και η τιμή του είναι ελαφρώς μικρότερη από ό,τι όταν τροφοδοτείται με ένα συμβατικό χωρητικό φίλτρο, ο κυματισμός της τάσης εξόδου μειώνεται σημαντικά.

Ακόμη και αν υποθέσουμε ότι ο πυκνωτής C1 φορτίζεται μέσω των αγώγιμων διόδων του ανορθωτή στην τιμή του πλάτους της τάσης AC εισόδου και στη συνέχεια εκφορτίζεται μέσω R, η τάση του πυκνωτή C2 θα είναι μικρότερη από αυτή του C1, επειδή η Το τσοκ L, το οποίο αποτρέπει τυχόν αλλαγές στο ρεύμα φορτίου, βρίσκεται στο κύκλωμα εκφόρτισης του πυκνωτή C1 και σχηματίζει, μαζί με το C2 και το R, έναν διαιρέτη τάσης.

Το ρεύμα φόρτισης των πυκνωτών C1 και C2 διέρχεται από τη δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή και τις αγώγιμες διόδους του ανορθωτή. Επίσης, όταν φορτίζεται το C2, αυτό το ρεύμα ρέει μέσω του τσοκ L... Ο πυκνωτής C1 εκκενώνεται μέσω των συνδεδεμένων σε σειρά L και R, και το C2 εκφορτίζεται μόνο μέσω της αντίστασης R. Ο ρυθμός εκφόρτισης του πυκνωτή εισόδου C1 εξαρτάται από την τιμή της αντίστασης R.

Η σταθερά χρόνου εκφόρτισης των πυκνωτών είναι ευθέως ανάλογη με την τιμή R… Αν είναι υψηλή, τότε οι πυκνωτές αποφορτίζονται λίγο και η τάση εξόδου είναι υψηλή.Σε χαμηλότερες τιμές του R, ο ρυθμός εκφόρτισης αυξάνεται και η τάση εξόδου θα μειωθεί, καθώς η μείωση του R σημαίνει αύξηση του ρεύματος εκφόρτισης του πυκνωτή. Έτσι, όσο χαμηλότερη είναι η χρονική σταθερά εκφόρτισης του πυκνωτή, τόσο χαμηλότερη είναι η μέση τιμή της τάσης εξόδου.

Φίλτρο C-RC σε σχήμα U

Σε αντίθεση με το φίλτρο που μόλις συζητήθηκε στο φίλτρο C-RB σχήματος U, μια αντίσταση R συνδέεται μεταξύ των δύο πυκνωτών αντί για ένα τσοκ.1 όπως φαίνεται στο Σχ. 6.

Οι κύριες διαφορές και η απόδοση του φίλτρου καθορίζονται από τη διαφορετική απόκριση τσοκ και την αντίσταση AC. Στην προηγούμενη περίπτωση, οι αντιδράσεις του επαγωγέα L και του πυκνωτή C2 είναι τέτοιες που ο διαιρέτης τάσης που σχηματίζεται από αυτούς παρέχει μια σχετικά καλύτερη εξομάλυνση της τάσης εξόδου.

Στο σχ. 6, και οι δύο συνιστώσες ρεύματος συνεχούς ρεύματος και εναλλασσόμενου ρεύματος του ανορθωμένου ρεύματος μέσω του R1. Λόγω της πτώσης τάσης στο R1 από το εξάρτημα DC, η τάση εξόδου μειώνεται και όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα, τόσο μεγαλύτερη είναι αυτή η πτώση τάσης. Επομένως, το φίλτρο C-RC μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο με ρεύματα χαμηλού φορτίου. Όπως και στην περίπτωση των επαγωγικών-χωρητικών φίλτρων, είναι δυνατή η χρήση σύνδεσης πολλαπλών επιπέδων κυκλωμάτων φίλτρων.

Ρύζι. 6

Η επιλογή φίλτρων σε κάθε περίπτωση δεν είναι εύκολο πρόβλημα, αλλά σε κάθε περίπτωση πρέπει να κατανοήσετε τον σκοπό και τις αρχές λειτουργίας τους, καθώς καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό τη σωστή λειτουργία των τροφοδοτικών.