Рас. 6.10. Примеры многозвенных фильтров

Фильтром с емкостным входом называется фильтр, на входе которого параллельно схеме выпрямителя включен конденсатор (см. рис. 6.5, а). Существуют несколько вариантов такого фильтра. Рассмотрим сначала простейший фильтр (см. рис. 6.6, а).

Конденсатор фильтра, включенный параллельно как с выпрямителем, так и с нагрузкой, заряжается в то время, когда диод проводит ток. Вторичная обмотка трансформатора, диод и конденсатор образуют цепь зарядки. Постоянная времени зарядки мала, поскольку как сопротивление обмотки, так и сопротивление диода в открытом состоянии малы. Благодаря этому конденсатор очень быстро заряжается до пикового значения напряжения, попадающего на фильтр. Если мгновенное значение напряжения начинает убывать, то конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки. Постоянная времени разряда, зависящая при заданной емкости конденсатора в основном от сопротивления нагрузки, относительно велика, поэтому разряд происходит медленно. Напряжение на конденсаторе имеет небольшие изменения, а его среднее значение велико. Это означает, что конденсатор фильтра уменьшает пульсации (сглаживает выходное колебание) и одновременно увеличивает постоянную составляющую по сравнению с постоянной составляющей колебания в отсутствие этого конденсатора. При очень большой постоянной времени разряда, которую получают при большом сопротивлении нагрузки, постоянная составляющая близка к максимальному значению напряжения.

Так же велико влияние фильтрующего конденсатора на обратное напряжение, действующее на выпрямительном диоде во время запирания. В схеме без конденсатора обратное напряжение, например для однополупериодного выпрямителя, равно максимальному входному напряжению. В схеме с фильтром с емкостным входом напряжение на конденсаторе приближенно равно максимальному значению и направлено таким образом, что катод диода смещен положительно. В то же самое время на аноде диода действует отрицательное напряжение, также равное максимальному входному напряжению. Поэтому в схеме с рассматриваемым фильтрующим конденсатором на диоде действует результирующее напряжение, равное двойному максимальному выпрямляемому напряжению. Следует также обратить внимание на тот факт, что во время заряда фильтрующего конденсатора (например, во время включения выпрямителя в сеть) импульс зарядного тока очень велик и будет тем большим, чем больше емкость. Зарядный ток должен обеспечиваться диодом, приспособленным для работы при больших импульсах тока.

Для защиты диода от перегрузки излишне большим током часто последовательно с диодом (особенно в случае полупроводникового диода) включают ограничивающий ток резистор с сопротивлением примерно 100 Ом.

Фильтром с индуктивным входом называется фильтр, на входе которого последовательно с нагрузкой включен дроссель (см. рис. 6.5, б). Рассмотрим фильтр в простейшей схеме, представленной на рис. 6.7. Индуктивность накапливает энергию в виде магнитного поля в периоды, когда ток в цепи нарастает, и отдает энергию в цепь, когда ток исчезает. Таким образом, индуктивность противодействует резким изменениям тока в цепи. Благодаря действию индуктивности фильтра постоянная составляющая выпрямленного колебания увеличивается, а пульсации уменьшаются. Эффективность фильтра тем больше, чем больше индуктивность. Однако увеличение индуктивности приводит к значительному увеличению габаритных размеров дросселя.

В большинстве применений простые фильтры нижних частот с емкостным или индуктивным входом (см. рис. 6.5) не могут обеспечить достаточно низких пульсаций, поскольку это потребовало бы использования слишком больших конденсаторов (что создает трудности с подбором диодов, выдерживающих большие импульсы зарядного тока) либо больших и дорогостоящих дросселей. При большом значении тока, отбираемого от выпрямителя, применяют схемы фильтров нижних частот типа LC, такие как показано на рис. 6.8.

Объединение действия дросселя и конденсатора в LC-фильтре увеличивает ослабление пульсаций по сравнению с пульсацией в простом фильтре типа L или С. LC-фильтр может иметь две конфигурации: с емкостным или индуктивным входом. LC-фильтр с емкостным входом дает большую постоянную составляющую напряжения из-за зарядки конденсатора до максимального напряжения, однако требует большого тока от выпрямительного элемента при зарядке конденсатора.

Часто применяют составной фильтр с емкостным входом — П-образный фильтр (см. рис. 6.9). В этой схеме емкость конденсатора C₁ определяет в основном постоянную составляющую напряжения, в то время как L и С₂ образуют фильтр нижних частот, влияющий прежде всего на уменьшение коэффициента пульсаций.

Применяют также многозвенные фильтры (см. рис. 6.10), состоящие из нескольких LC- и П-образных звеньев. При малых токах нагрузки, когда протекающий через сопротивление фильтра ток нагрузки вызывает уменьшение постоянного напряжения на нагрузке и, кроме того, создает потери мощности в резисторе, вместо дросселей используют резисторы.

В фильтрах выпрямителей, предназначенных для питания маломощных (до нескольких сотен ватт) транзисторных или ламповых схем и работающих от напряжения сети 220 В, обычно используют емкости от десятков до нескольких сотен микрофарад и более (электролитические конденсаторы), а также индуктивности от единиц до нескольких десятков генри. Сопротивление нагрузки чаще всего составляет от 100 до нескольких тысяч ом. При выборе элементов фильтров обычно пользуются формулами, определяющими зависимость коэффициента пульсаций от номиналов элементов. Например, для однополупериодного выпрямителя с фильтром типа LC (см. рис. 6.9) t = 1,19·L·C, причем L выражается в генри, а С в микрофарадах.

Это фильтр, в котором активный элемент играет существенную роль в процессе подавления переменной составляющей, например путем увеличения фильтрующей емкости. Для этой цели можно использовать как лампы, так и транзисторы. Достоинством фильтра с активными элементами является прежде всего уменьшение габаритных размеров питающих устройств. Широкое применение нашли активные фильтры с транзисторами, в особенности в случаях относительно большого отбора мощности от схемы выпрямителя.

Схема простого активного фильтра с транзистором показана на рис. 6.11. Транзистор работает в схеме эмиттерного повторителя. Сопротивление нагрузки включено в цепь эмиттера. Подавление пульсаций осуществляется делителем, образованным большим сопротивлением коллектор — эмиттер (для переменной составляющей) и небольшим входным сопротивлением емкостного характера. Благодаря этому конденсатор С, включенный в цепь базы транзистора, преобразуется в цепь эмиттера емкостью, примерно в К_1э раз большей. Коэффициент К_1э для обсуждаемой схемы и типового транзистора составляет обычно 100. При использовании конденсатора С с емкостью 100 мкФ достигается фильтрующее действие, соответствующее конденсатору с емкостью 10 000 мкФ.