При построении аудиосистемы я обратил внимание на интересный факт, мной и другими слушателями было замечено, что на качество звучания аппаратуры влияет время суток, а точнее поздно вечером и рано утром звучание заметно лучше чем днем. В чем причина?!

Думаю, что не секрет, что наша бытовая электрическая сеть (ЭС) оставляет желать лучшего. Так повелось, что главный параметр ЭС, который отслеживают работники электростанций и обслуживающего персонала, это ее частота колебаний 50Гц, а что касается чистоты питающего напряжения и стабильности напряжения в наших домах так тут дела никому нет. Хотя последнее утверждение немного спорное, так как есть ГОСТ 13109-97 и технический регламент на параметры электрической сети. Я на собственном опыте почувствовал отход от параметров установленных в ГОСТ по электропитанию, когда мой ЦАП отказывался стабильно работать и это понятно, так как напряжение в ЭС снижалось до 180В, это хорошо отслеживалось по снижению яркости свечения ламп накаливания в доме. Все дело в том, что я живу в частном доме и для меня не редкость, когда напряжение в сети падает до 20%. Еще один недостаток ЭС был в том, что частые сварочные и другие работы соседей тоже вносили свою лепту в "экологию" питания аппаратуры.

Частично решить эту проблему можно с помощью стабилизатора напряжения, но он не спасет от загрязненного питания, так как автотрансформатор в составе этих устройств не способен работать в качестве фильтра НЧ.
Мои поиски необходимых устройств не дали желаемого результата, так как тема посвященная чистоте ЭС освещается крайне редко и на форумах по радиоэлектронике тоже мало информации. В продаже есть регенераторы питания, но они либо сильно дороги или часто сделаны на основе ИБП. Достоинство данных изделий перекрывается их недостатком, а именно большим шумом импульсного преобразователя и сильный отход от формы синусоиды выходного сигнала.

После некоторых размышлений, я решил разработать собственный регенератор сетевого питания (РСП), удовлетворяющий моим требованиям, а именно:

1. Стабильность напряжения питания 230В c точностью не хуже 2% (при нагрузке 40Вт)
2. Выходная мощность РСП 60-100Вт (вполне достаточно для питания источника звука)
3. Коэффициент гармонических составляющих на активной нагрузке 40Вт не более 0,5% (в то время как в бытовой ЭС этот параметр примерно равен 5%)
4. Стабильность частоты питающего напряжения (частота задающего генератора 100Гц) ± 0,5%
5. Гальваническая развязка с ЭС
6. Низкий акустический уровень шума.

Сразу поясню, что 100Гц частота была выбрана неслучайно. Определяющим фактором послужил оптимальный режим работы нагрузки РСП на этой частоте, а именно звуковоспроизводящая аппаратура или ЦАП как в моем варианте.

Дело в том, что при повышения частоты напряжения питания силовых трансформаторов подключаемых устройств к РСП происходит улучшение режима их работы, а именно:

1. Облегчается работа питающего трансформатора
2. Снижается магнитная индукция трансформатора, что приводит к снижению рассеивания магнитного поля, а также отсутствия постоянного напряжения насыщения железа трансформатора в питающем устройстве и как следствие создается более благоприятное условие его работы.

Все это способствует к улучшению звуковых свойств питаемой аппаратуры, но об этом ниже.
Еще одно преимущество частоты питания 100Гц это улучшение работы выпрямителя питающего устройства, так как после диодного моста пульсирующие напряжения получается в 2 раза чаще чем при питании непосредственно от бытовой сети 220В 50Гц и оно равно 200Гц. А из теории известно, что при увеличении частоты пульсации напряжения емкость сглаживающего фильтра после него можно уменьшить так как конденсатору легче сгладить пульсации выпрямленного напряжения большей частоты. Кстати этим обусловлено меньшая емкость сглаживающего конденсатора в импульсных блоках питания.

Ниже приведена схема для измерения пульсаций рис. 1 и осциллограммы, которые показывают процесс работы диодного моста с отключенный конденсатором C1 с частотой питания 50Гц рис. 2а и с частотой питания 100Гц рис. 2б.

Рис. 1 Схема для измерения пульсаций

Рис. 2а Процесс работы диодного моста без сглаживающего конденсатора C1 c частотой питания 50Гц

Рис. 2б Процесс работы диодного моста без сглаживающего конденсатора C1 c частотой питания 100Гц

Ниже приведены осциллограммы работы схемы измерения пульсаций на нагрузке с конденсатором C1при напряжении питания с частотой 50Гц рис 3а, а также 100Гц рис. 3б.

Рис. 3а Напряжение пульсации на нагрузке при питании схемы напряжением с частотой 50Гц

Рис. 3б Напряжение пульсации на нагрузке при питании схемы напряжением с частотой 100Гц

Из рис. 3а и рис.3б, видно, что при питании фильтра с нагрузкой частотой в два раза выше, пульсации снижаются в 1,65раза
Пульсации при 100Гц получаются 3,34V/2,02V = 1,65 раза меньше чем при питании от ЭС 50Гц.

Вернемся непосредственно к схеме РСП, в качестве генератора синусоидального напряжения я использовал мост Вина, а в качестве УМ применил схема на полевых транзисторах с выходной мощностью порядка 100Вт этого вполне достаточно для моих нужд. В блоке питания РСП применен трансформатор 250Вт и диодный мост с блоком фильтра общей емкостью 39600мкф, что является более чем достаточно для данного решения. Схема блока питания представлена на рис.4

Рис. 4 Блок питания РСП

Принцип работы РСП следующий:
При включении питания РСП происходит заряд емкостей БП и становление рабочего режима генератора синусоидальных колебаний рис.6, в это время работает soft-start создавая задержку подачи входного сигнала с генератора на УМ с помощью контактов реле замыкающих цепь выхода генератора и входа УМ.

Время работы схемы soft-start рис. 5, задается с помощью цепи R2, С4 и рассчитывается по формуле r=R2(Mom)xC4(mkF)=t(секунд).

Рис. 5 Схема Soft-start

По истечении времени установленного в схеме soft-start 2секунды в моем варианте, выходные усиленные колебания в УМ с частотой 100Гц подаются на повышающий трансформатор Тр1.

Намоточные данные повышающего трансформатора Тр1 следующие:
Магнитопровод марки ОЛ55/100-40.
Габаритная мощность магнитопровода Pгаб. = 227Вт
Число витков в первичной обмотке w1=30витков, провод ПЭВ2 1,2мм
Число витков во вторичной обмотке w2=600витков, провод ПЭВ2 0,51мм

Рассмотрим работу генератора синусоидальных колебаний.
Схема генератора представлена на рис. 6. Данная схема представляет собой генератор синусоидального напряжения. Цепь R1, C1 и R2, C2 задает частоту колебаний, с указанными элементами на схеме эта частота равна 50Гц, для лучшей симметрии эти элементы должны быть достаточно точные, не хуже ±1%. Резистор R19 необходим для регулировки амплитуды выходного сигнала.

Рис. 6 Генератор синусоидальных колебаний

После генератора синуса следует УМ для РСП, его схема представлена на рис. 7

Рис.7 Усилитель мощности для РСП

Как видно из схемы, в состав УМ входит микросхема DA1, это ОУ от которого особенно зависит уровень искажений всего усилителя, по этой причине в данном схеме желательно ставить ОУ с низкими шумами, например NE5534 с уровнем шума 5nV√Hz. Транзисторы VT1 и VT2 необходимы для предварительной раскачки сигнала по току необходимого для выходных транзисторов VT3, VT4. Ток холостого хода задается подстроечным резистором R5, в моем варианте он равен 20mA.
Вообще в качестве УМ для этих целей идеально подходит УМ в классе "D". Его неоспоримые преимущества, а именно малое рассеивание энергии на тепло (высокий КПД) и как следствие меньшие масса и габариты делают его предпочтительнее в этой схеме. Но у таких схем есть недостатки, это дополнительная сложность намотки трансформаторов и настройки усилительного каскада. Поэтому мной было решено сделать УМ по классической схеме с минимальным током покоя для данной схемы, порядка 20мА.

Ниже приведена форма сетевого напряжения в ЭС рис.8а и после РСП рис.8б на активной нагрузке 40Вт, а также спектрограммы гармонических искажений непосредственно в ЭС рис. 9а и после РСП рис.9б.

Рис. 8а Форма напряжения в бытовой ЭС слева и его спектрограмма справа

Рис. 8б Форма сетевого напряжения на выходе трансформатора РСП слева и его спектрограмма справа

Из осциллограмм и спектрограмм видно, что РСП обладает заметно лучшим качеством синусоидального напряжения. Еще один плюс данного устройства как было описано выше, отсутствие подмагничивания на питающей стороне, так как согласующий трансформатор не способен пропустить постоянную составляющую.
Гальваническая развязка выходным трансформатором также улучшает ситуацию питания аппаратуры. Дело в том, что многие пренебрегают фазировкой питающих трансформаторов аудиоаппаратуры. По моему мнению, фазировать необходимо каждый силовой трансформатор, особенно в аппаратуре без заземления, так как при неправильной фазировке силовых трансформаторов, например УМ и источника звука (ЦАП, проигрыватель) происходит перетекание токов по оплетке межблочного кабеля с частотой 50Гц. Это легко проверить с помощью цифрового мультиметра хорошей чувствительности, для этого необходимо замерить переменное напряжение на корпусе включенного прибора относительно заземления на каждом аппарате отдельно, предварительно отключив от него все соединительные провода, кроме питающих.

При неправильной фазировке силовых трансформаторов, звучание аппаратуры ухудшается. Многие солидные производители аудиоаппаратуры в своих устройствах используют индикаторы правильного включения фазы.

Рис. 9 Фотографии РСП в сборе

Заключение

Регенераторы сетевого питания действительно улучшают звучание аудиосистемы, так как качественное питания источника звука (ЦАП, проигрывателя) очень сильно сказывается на его работу, ведь именно источник звука имеет наибольшее разрешение во всей системе, а этот параметр сложно реализуем с плохим питанием. Также я хотел отметить, что данное устройство можно использовать и для других целей, например как стабилизатор переменного напряжения. Один мой знакомый использовал схемотехнику РСП для питания двигателя переменного тока в проигрывателе виниловых пластинок, так как в его двигателе частота вращения ротора прямо зависела от частоты питающего напряжения и он подстраивал точные обороты двигателя с помощью перестройки частоты генератора синусоидального напряжения.

Смирнов Алексей Николаевич (), e-mail: [email protected]

Список радиоэлементов

коэффициент пульсации:

Отношение амплитуды к- ой гармоники к средневыпрямленному значению напряжения.

Выпрямители служат для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянное. Основными компонентами выпрямителей служат вентили – элементы с явно выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой. В качестве таких элементов используют кремниевые диоды.

Однополупериодный выпрямитель. Простейшим является однополупериодный выпрямитель (рис. 1.1.2). Напряжение и ток нагрузки имеют форму, показанную на рис. 1.1.3. Выходное напряжение меньше входного на величину падения напряжения на открытом диоде.

Рис. 1.1.2

Среднее значение выпрямленного напряжения:

Здесь – действующее значение входного напряжения. С помощью формулы (1.1.1) по заданному значению напряжения можно найти входное напряжение выпрямителя.

Максимальное обратное напряжение на диоде:

Максимальный ток диода:

Рис. 1.1.3

Важным параметром выпрямителя является коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, равный отношению максимального и среднего напряжений. Для однополупериодного выпрямителя коэффициент пульсаций

Выпрямленные напряжение и ток в схеме на рис. 1.1.2 имеют большой уровень пульсаций. Поэтому на практике такую схему применяют в маломощных устройствах в тех случаях, когда не требуется высокая степень сглаживания выпрямленного напряжения.

Двухполупериодные выпрямители . Меньший уровень пульсаций выпрямленного напряжения можно получить в двухполупериодных выпрямителях. На рис. 1.1.4 показана схема выпрямителя с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора.

Рис. 1.1.4

Во вторичной обмотке трансформатора индуцируются напряжения и , имеющие противоположную полярность. Диоды проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода. В положительный полупериод открыт диод VD 1, а в отрицательный – диод VD 2. Ток в нагрузке имеет одинаковое направление в оба полупериода, поэтому напряжение на нагрузке имеет форму, показанную на рис. 1.1.5. Выходное напряжение меньше входного на величину падения напряжения на диоде.

Рис. 1.1.5

В двухполупериодном выпрямителе постоянная составляющая тока и напряжения увеличивается вдвое по сравнению с однополупериодной схемой:

Из последней формулы определим действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора:

Коэффициент пульсаций в данном случае значительно меньше, чем у однополупериодного выпрямителя:

Так как ток во вторичной обмотке трансформатора двухполупериодного выпрямителя синусоидальный, а не пульсирующий, он не содержит постоянной составляющей. Тепловые потери при этом уменьшаются, что позволяет уменьшить габариты трансформатора.

Существенным недостатком схемы на рис. 1.1.4 является то, что к запертому диоду приложено обратное напряжение, равное удвоенной амплитуде напряжения одного плеча вторичной обмотки трансформатора:

Поэтому необходимо выбирать диоды с большим обратным напряжением. Более рационально используются диоды в мостовом выпрямителе (рис. 1.6).

Рис. 1.1.6

Эта схема имеет такие же значения среднего напряжения и коэффициента пульсаций, что и схема выпрямителя с выводом от средней точки трансформатора. Ее преимущество в том, что обратное напряжения на диодах в два раза меньше. Кроме того, вторичная обмотка трансформатора содержит вдвое меньше витков, чем вторичная обмотка в схеме на рис. 1.1.4.

Одними из самых распространенных преобразователей тока являются выпрямители переменного тока в пульсирующий (постоянный по направлению движения носителей, но переменный по мгновенной величине) ток. Они имеют очень широкое применение. Условно их можно разделить на маломощные выпрямители (до нескольких сотен ватт и выпрямители большой мощности (киловатты и больше)).

Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя). Трансформатор(если он есть) в большинстве также имеет особенности в соединении его обмоток. Пульсирующий ток, как правило не является постоянным по величине в каждое мгновение времени, и когда необходимо иметь более сглаженное его значение, чем полученный после выпрямляющего устройства, применяют фильтры Ф. В случае необходимости выпрямитель дополняют стабилизатором напряжения или тока Ст, который поддерживает их на постоянном уровне, если параметры силовой сети изменяется по разным причинам. Структурную схему завершает нагрузка Н, которая значительно влияет на работу всего устройства и поэтому считается составляющей частью всего преобразователя.

Собственно выпрямителем является та его часть, которая обведена на рисунке выше пунктиром и состоит из трансформатора и выпрямительного устройства.

В этом подразделе рассматриваются выпрямители малой мощности, которые необходимы для обеспечения постоянным напряжением всяких устройств в областях управления, регулирования, усилителях тока, генераторах малой мощности и так далее. Как правило, они питаются от однофазного переменного напряжения 220 или 380 В частотою 50 Гц.

Нулевая схема выпрямления

Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на так называемой нулевой схеме. Хотя она сейчас встречается относительно редко (о чем речь пойдет далее), знание физических процессов, которые происходят в этой схеме, очень важны для понимания дальнейшего материала.

Нулевая схема выглядит так:

Трансформатор Тр имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а напряжения на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.

Рассмотрим, как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке. Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Z н =R н. Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток. Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке R н. Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.

Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.

Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:

И выпрямленное напряжение U d будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m -2). Если нагрузка активное сопротивление R н, то и ток в нем i d , будет повторять кривую напряжения.

Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны. Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.

Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:

Выпрямительный мост или схема Гретца

Указанный недостаток можно исправить, используя выпрямляющее устройство в виде так называемого моста (схема Гретца):

В этом случае первые полупериоды будут работать, например, диоды D2 и D4, а вторые полупериода — D1 и D3. На нагрузке каждый раз будет полная полуволна вторичного напряжения:

Мостовая схема кроме того имеет менее сложный, более легкий и дешевый трансформатор. у нее есть еще несколько преимуществ.

Интересно, что эта схема появилась исторически раньше нулевой однако распространения не получила, потому что имела во-первых четыре диода вместо двух. Однако главным было не их количество, а то что при работе каждые полупериода ток проходит через два последовательно соединенных диода, на которые падает двойное напряжение. На то время полупроводниковых диодов еще не было, а вакуумные или ртутные имели значительное падение напряжения при прохождении прямого тока, что существенно понижало коэффициент полезного действия. Оказалось, что более сложный трансформатор нулевой схемы, но с одним диодом в кругу выпрямления тока экономично выгоднее, чем мостовая схема с удвоенным числом диодов и двойным расходом энергии на них. И только появление относительно дешевых полупроводниковых диодов с очень маленьким падением прямого напряжения позволило повернуться к мостовым схемам, которая сейчас практически вытеснила нулевую (в этом при желании можно усмотреть проявление одного из диалектических законов – развитие по спирали).

Основные соотношения для выпрямителя

Выведем некоторые важные формулы, которые описывают процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что заданными величинами являются средние значения напряжения на нагрузку U d и среднее значение тока в нем I d .

Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и . Поскольку U d считаем заданным, то

Из предыдущего выражения имеем:

Этот коэффициент определяет отношения питающей сети к напряжению на обмотке вторичной стороны:

Действующее значение тока вторичной обмотки

Ток вторичной обмотки в то же время есть током в нагрузке. Поскольку нагрузка чисто активная и ток в ней повторяет по форме пульсирующее напряжение, то между его средним значением и его действующим значением существует такая же зависимость, что и для напряжений, то есть

Действующее значение тока первичной обмотки

Ток в первичной обмотке повторяет с учетом n ток вторичной обмотки:

Мощность трансформатора

Мощности первичной и вторичной сторон трансформатора в этой схеме одинаковые, поэтому.

Расчёт фильтров для ШИМ

В статье речь пойдёт про расчёт простейших фильтрующих цепей для сглаживания широтно-импульсной модуляции. Что такое ШИМ, где он применяется и как его реализовать читайте в отдельной статье.

Первое, на чём следует заострить внимание - это назначение цепи, для которой вы собрались строить фильтр. Немного упрощая схемы с ШИМ можно поделить на два типа:

Примером сигнального ШИМ служит, например, простейший ЦАП, под силовым ШИМ чаще всего имеется ввиду ШИМ-сигнал на выходе силовых ключей, например в импульсных источниках питания (ИИП). Строго говоря, в источниках питания сам сигнал ШИМ тоже используется в сигнальной цепи (управление транзисторами) и на выходе таких источников сигнал повторяет форму управляющих сигналов, однако имеет более высокую мощность, потому они требуют фильтров позволяющих пропускать большие мощности.

Фильтрация ШИМ в сигнальных цепях

Рис.1. Простейший фильтр нижних частот - интегрирующая RC-цепь и её АЧХ.

Тут R и С - сопротивление резистора в омах и ёмкость конденсатора в фарадах. Необходимо помнить, что для корректной работы сглаживающего фильтра постоянная времени RC-цепочки (τ = R · C ) должна быть как можно меньше периода ШИМа, тогда за один период не будет происходить полный заряд-разряд конденсатора.

Следующий важный параметр, позволяющий расчитать ослабление колебаний на заданной частоте это коэффициент передачи фильтра - это отношение K = U вых /U вх. Для данной RC-цепочки коэффициент передачи рассчитывается следующим образом:

Калькулятор ШИМ-фильтра на RC-цепочке

Обратите внимание - если вы хотите получать из ШИМ-сигнала сглаженный синусоидальный сигнал, необходимо чтобы частота среза фильтра была выше максимальной частоты сигнала, а значит частота ШИМ должна быть ещё выше.

Фильтрация ШИМ в силовых цепях

Рис.2. Фильтр нижних частот на LC-контуре и его АЧХ.

Поскольку речь в данной статье идёт о фильтре для силовых цепей, при расчёте фильтра нужно учитывать, что основная гармоника входящего напряжения тоже должна ослабляться фильтром, следовательно, его резонансная частота должна быть ниже частоты ШИМ.

Формула для расчёта частоты резонанса LC-контура:

f = 1/(2 · π · (L · C) 0.5)

1. Для исключения резонансных явлений на одной из высокочастотных гармонических составляющих ёмкость конденсатора желательно находить из условия равенства волнового сопротивления фильтра сопротивлению нагрузки:
2. Для сглаживания пульсаций таким фильтром желательно, чтобы ёмкостное сопротивление конденсатора для низшей частоты пульсации было как можно меньше сопротивления нагрузки, а также много меньше индуктивного сопротивления дросселя для первой гармоники.

Из формулы очевидно, что чем выше гармоника, тем лучше она подавляется фильтром, следовательно, достаточно рассчитывать уровень только для первой гармоники.

Чтобы перейти от комплексного представления коэффициента передачи к показательному, нужно найти модуль комплексного числа. Для тех, кто (как и я) спал на парах матана в институте, напомню, модуль комплексного числа считается очень просто:

Напряжение, получаемое от выпрямителей, является не постоянным, а пульсирующим. Оно состоит из постоянной и переменной составляющих. Чем больше переменная составляющая по отношению к постоянной, тем больше пульсация и хуже 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 зависит от среднего значения выпрямленного напряжения и амплитуды основной гармоники в нагрузке.

Порядок гармонических составляющих n = km, содержащихся в кривой выпрямленного напряжения, зависит лишь от числа пульсов и не зависит от конкретной . Гармоники минимальных номеров имеют наибольшую амплитуду.

Действующее значение напряжения гармонической составляющей порядка n зависит от среднего значения выпрямленного напряжения Ud идеального нерегулируемого выпрямителя:

В реальных схемах переход тока с одного диода на другой происходит в течение некоторого конечного промежутка времени, измеряемого долями и называемого углом коммутации . Наличие углов коммутации существенно увеличивает амплитуду гармоник. В результате растут пульсации выпрямленного напряжения .

Переменная составляющая выпрямленного напряжения, состоящая из гармоник низкой и высокой частоты, создает в нагрузке переменный ток, который оказывает мешающее воздействие на другие электронные устройства.

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения между выходными зажимами выпрямителя и нагрузкой включают сглаживающий фильтр , который значительно ослабляет пульсацию выпрямленного напряжения за счет подавления гармоник.

Основными элементами сглаживающих фильтров являются (дроссели) и , а при небольших мощностях и транзисторы.

Работа пассивных фильтров (без транзисторов и других усилителей) основана на зависимости от частоты величины сопротивления реактивных элементов (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 элементов следует, что с увеличением частоты тока сопротивление катушки растёт, а конденсатора уменьшается. Для постоянного 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 наоборот полностью задерживает постоянную составляющую тока и пропускает гармоники.

Основным 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 применяются пассивные Г-образные, П-образные и резонансные фильтры. Наиболее широко используются Г-образные и П-образные, схемы которых приведены на рисунке 1

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

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

Расчёт параметров фильтра начинают с определения коэффициента сглаживания. Далее необходимо произвольно выбрать схему фильтра и емкость конденсатора в ней. Ёмкость конденсатора фильтра выбирают из ряда ёмкостей, приведённого ниже.

На практике используют конденсаторы следующих ёмкостей: 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 4000 мкФ. Меньшие значения ёмкостей из этого ряда целесообразно применять при больших рабочих напряжениях, а большие ёмкости – при невысоких напряжениях.

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

для П-образной схемы –

В формулы ёмкость подставляется в микрофарадах, а результат получается в генри.

Фильтрация пульсаций выпрямленного напряжения