Напряжение, получаемое от выпрямителей, является не неизменным, а пульсирующим. Оно состоит из неизменной и переменной составляющих. Чем больше переменная составляющая по отношению к неизменной, тем больше пульсация и ужаснее качество выпрямленного напряжения.

Переменная составляющая формируется гармониками. Частоты гармоник определяются равенством

f(n) =kmf,

где k – номер гармоники, k = 1, 2, 3, …, m – количество пульсов выпрямляемого напряжения, f – частота напряжения сети.

Качество выпрямленного напряжения оценивается коэффициентом пульсации p, который находится в зависимости от среднего значения выпрямленного напряжения и амплитуды основной гармоники в нагрузке.

Порядок гармонических составляющих n = km, содержащихся в кривой выпрямленного напряжения, зависит только от числа пульсов и не находится в зависимости от определенной схемы выпрямителя. Гармоники малых номеров имеют самую большую амплитуду.

Действующее значение напряжения гармонической составляющей порядка n находится в зависимости от среднего значения выпрямленного напряжения Ud безупречного нерегулируемого выпрямителя:

В реальных схемах переход тока с 1-го диодика на другой происходит в течение некого конечного промежутка времени, измеряемого толиками периода переменного напряжения и именуемого углом коммутации. Наличие углов коммутации значительно наращивает амплитуду гармоник. В итоге вырастают пульсации выпрямленного напряжения.

Переменная составляющая выпрямленного напряжения, состоящая из гармоник низкой и высочайшей частоты, делает в нагрузке переменный ток, который оказывает мешающее воздействие на другие электрические устройства.

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения меж выходными зажимами выпрямителя и нагрузкой включают сглаживающий фильтр, который существенно ослабляет пульсацию выпрямленного напряжения за счет угнетения гармоник.

Основными элементами сглаживающих фильтров являются катушки индуктивности (дроссели) и конденсаторы, а при маленьких мощностях и транзисторы.

Работа пассивных фильтров (без транзисторов и других усилителей) базирована на зависимости от частоты величины сопротивления реактивных частей (катушки индуктивности и конденсатора). Реактивные сопротивления катушки индуктивности Xl и конденсатора Xc: Xl = 2πfL, Xc = 1/2πfC,

где f – частота тока, протекающего через реактивный элемент, L – индуктивность дросселя, С – eмкость конденсатора.

Из формул для сопротивления реактивных частей следует, что с повышением частоты тока сопротивление катушки индуктивности (дросселя) растёт, а конденсатора миниатюризируется. Для неизменного тока сопротивление конденсатора равно бесконечности, а катушки индуктивности – нулю.

Отмеченная особенность позволяет катушке индуктивности беспрепятственно пропускать постоянную составляющую выпрямленного тока и задерживать гармоники. Причём, чем больше номер гармоники (выше её частота), тем эффективней она задерживается. Конденсатор напротив стопроцентно задерживает постоянную составляющую тока и пропускает гармоники.

Главным параметром, характеризующим эффективность работы фильтра, является коэффициент сглаживания (фильтрации)

q = p1 / p2,

где p1 – коэффициент пульсации на выходе выпрямителя в схеме без фильтра, p2 – коэффициент пульсации на выходе фильтра.

На практике используются пассивные Г-образные, П-образные и резонансные фильтры. Более обширно употребляются Г-образные и П-образные, схемы которых приведены на рисунке 1

Набросок 1. Схемы пассивных сглаживающих Г-образного (a) и П-образного (б) фильтров для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения

Начальными данными для расчёта индуктивности дросселя фильтра L и ёмкости конденсатора фильтра C являются коэффициент пульсации выпрямителя, вариант схемного решения, также требуемый коэффициент пульсации на выходе фильтра.

Расчёт характеристик фильтра начинают с определения коэффициента сглаживания. Дальше нужно произвольно избрать схему фильтра и емкость конденсатора в ней. Ёмкость конденсатора фильтра выбирают из ряда ёмкостей, приведённого ниже.

На практике употребляют конденсаторы последующих ёмкостей: 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 4000 мкФ. Наименьшие значения ёмкостей из этого ряда целенаправлено использовать при огромных рабочих напряжениях, а огромные ёмкости – при низких напряжениях.

Индуктивность дросселя в Г-образной схеме фильтра можно найти из приближённого выражения

для П-образной схемы –

В формулы ёмкость подставляется в микрофарадах, а итог выходит в генри.

Школа для электрика

Фильтрация пульсаций выпрямленного напряжения