До сих пор вместе с постоянной составляющей, которая нужна нагрузке, мы пропускали через нее и все переменные составляющие импульсного тока, все его гармоники. В некоторых случаях гармоники не вредят делу, но чаще их нельзя пускать в нагрузку — от выпрямителя, как правило, требуется «чистый» постоянный ток. Отделение переменных составляющих от постоянной осуществляется с помощью электрических фильтров.

Полностью избавиться от переменных составляющих выпрямленного тока практически нельзя, да это и не нужно. Нужно лишь ослабить их в определенное число раз, с тем чтобы эти переменные составляющие стали значительно слабее постоянной. А чтобы ослабить переменный ток, идущий в нагрузку, нужно создать для него более легкий обходный путь. Причем этот обходный путь должен быть легким только для переменных составляющих, иначе вместе с ними мы ослабим и постоянную составляющую I₌.

Простейшим фильтром выпрямителя может служить конденсатор С_ф, подключенный параллельно нагрузке R_н (рис. 27—4). Постоянную составляющую этот конденсатор (как и всякий другой!) не пропускает, а для переменной он ведет себя как резистор, сопротивление которого х_с зависит от частоты f и емкости С_ф (Воспоминание № 13).

рис. 27—4

Емкость конденсатора С_ф выбирают с таким расчетом, чтобы его сопротивление х_с было значительно меньше, чем R_н для первой гармоники выпрямленного тока, то есть для его самой низкочастотной синусоидальной составляющей. При этом исходят из того, что если конденсатор достаточно хорошо отводит от нагрузки, достаточно легко пропускает через себя первую гармонику, то он еще легче пропустит высшие гармоники, имеющие более высокие частоты, потому что емкостное сопротивление конденсатора уменьшается с частотой.

В тех случаях, когда нужна более тщательная фильтрация, более тонкая очистка выпрямленного тока от переменных составляющих, можно применить более сложные фильтры.

В П-образном фильтре с резистором (рис. 27—5) уже знакомый нам конденсатор (здесь он называется С_ф2) выполняет свои обычные обязанности — накоротко замыкает переменные составляющие, отводит их от нагрузки. Но в этой схеме задача нашего конденсатора облегчается, так как еще до него фильтрацию осуществляет звено С_ф1R_ф. Емкостное сопротивление конденсатора С_ф1 значительно меньше, чем R_ф, и переменные составляющие в значительной степени замыкаются уже через этот конденсатор.

рис. 27—5

Недостаток фильтра в том, что и постоянная составляющая, прежде чем она доберется до нагрузки, должна преодолеть сопротивление R_ф. На сопротивлении R_ф теряется часть энергии постоянного тока, и из-за этого, как мы сейчас увидим; несколько снижается постоянное напряжение на нагрузке.

От такого недостатка свободен другой П-образный фильтр (рис. 27—7), в котором вместо R_ф включен дроссель Др.

рис. 27—7

Индуктивное сопротивление x_L, в отличие от емкостного x_с, уменьшается не с ростом, а с уменьшением частоты (Воспоминание № 15), а для постоянного тока индуктивное сопротивление вообще равно нулю. Поэтому постоянная составляющая I₌ встречает лишь активное сопротивление проводов дросселя, а оно невелико. В то же время переменным составляющим дроссель оказывает большое сопротивление. Такой фильтр хотя и стоит сравнительно дорого (во всяком случае, дроссель Др более сложная и дорогая деталь, чем резистор R_ф), зато почти не снижает выпрямленного напряжения.

И, наконец, еще одна схема фильтра, применяемая сравнительно часто (рис. 27—6).

рис. 27—6

На выходе этого фильтра мы получаем два постоянных напряжения — U_вып-1 и U_вып-2. Первое из них отфильтровано хуже, второе — лучше. Но зато ток I_вып-1 не проходит через R_ф, не теряет на нем энергии, и напряжение U_вып-1 оказывается больше, чем U_вып-2. Полезность такой схемы связана с тем, что в реальной аппаратуре не все узлы требуют выпрямленного напряжения, одинаково хорошо очищенного от гармоник. Так, например, при питании некоторых мощных усилителей можно допустить, чтобы мощность гармоник составляла 1–2 % общей мощности питающего тока. В то же время для микрофонных усилителей мощность гармоник в питающем напряжении не должна превышать нескольких тысячных долей процента.

Как видите, электрические фильтры вместе с диодом участвуют в преобразовании формы сигнала, в нашем случае — в преобразовании переменного тока в постоянный. Диод усложняет спектр сигнала, создает в нем новые составляющие. Фильтры, наоборот, упрощают спектр, подавляя некоторые его составляющие. Электрические фильтры — это важнейшие и, пожалуй, самые распространенные элементы радиоэлектронных устройств. Мы будем с ними встречаться на протяжении всей книги и постепенно увидим, из каких соображений в тех или иных случаях выбираются элементы фильтра.

Так, например, уже сейчас нетрудно сообразить, что необходимая емкость конденсаторов фильтра выпрямителя зависит от того, насколько нужно очистить выпрямленный ток от гармоник, а также от величины сопротивления нагрузки R_н. Чем меньше R_н, тем меньшим должно быть и шунтирующее нагрузку емкостное сопротивление конденсаторов, тем, следовательно, большей должна быть их емкость.

Емкость этих конденсаторов зависит также и от выбранной схемы — в двухполупериодных схемах частота самой опасной (самой низкочастотной) первой гармоники в два раза выше, чем в однополупериодной схеме, так как импульсы тока следуют в два раза чаще. А это значит, что емкость фильтра конденсаторов в двухполупериодном выпрямителе может быть в два раза меньше, чем в однополупериодном.

(Проще всего, конечно, при выборе С_ф1 и С_ф2 исходить из правила «чем больше емкость фильтра, тем лучше», но такой подход может привести вас к серьезным затруднениям, причем не только схемным, но и финансовым.)

Емкость первого конденсатора фильтра С_ф1(С_ф) (в схеме рис. 27 — 4, 5, 6, 7) влияет не только на фильтрацию, но и на величину выпрямленного напряжения. Можно считать, что это напряжение создается на нагрузке постоянной составляющей тока I₌ и, согласно закону Ома, численно равно U₌ = I₌·R_н. Прежде чем говорить о влиянии С_ф1(С_ф) на напряжение U₌, несколько слов еще об одной скромной профессии диода — о его работе в качестве ограничителя.

Давайте вместе с переменным напряжением подведем к диоду постоянное, причем так, чтобы это постоянное напряжение запирало диод, действовало на него не в прямом, а в обратном направлении (рис. 27—8).

рис. 27—8