Работа выпрямителя с емкостным фильтром

Емкостной фильтр представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке. Условия, создающиеся в выпрямителе с нулевым отводом и мостовом выпрямителе при их работе с таким фильтром во многом аналогичны. Поэтому особенности работы выпрямителя с емкостным фильтром рассматриваются на примере схемы с нулевым отводом, приведенной на рис. 6.8.

Рисунок 6.8. Схема однофазного выпрямителя с емкостным фильтром

Сглаживающее действие емкостного фильтра на выпрямленное напряжение определяется процессами заряда и разряда конденсатора , которые иллюстрирует рис. 6.9. На этом же рисунке пунктиром показаны временные зависимости напряжения на выходе выпрямителя при его работе на активную нагрузку. Оно же приложено к анодам соответствующих диодов. При наличии емкостного фильтра катоды диодов находятся под напряжением на конденсаторе . Последнее обстоятельство изменяет значения фаз , при которых диоды переходят из одного состояния в другое.

Рисунок 6.9. Временные диаграммы напряжения,

иллюстрирующие принцип действия емкостного фильтра

При открытии одного из диодов, например Д₁, происходит заряд конденсатора. Вследствие малой величины сопротивления открытого диода, а также достаточно большого сопротивления нагрузки можно считать, что изменение напряжения на конденсаторе при его заряде практически будет повторять напряжение, подаваемого на анод открытого диода, то есть совпадать с пунктирной кривой на рис. 6.9. В этом случае при значении фазы , несколько превышающей величину, при которой достигается максимум напряжения на аноде диода Д₁, напряжения на его аноде и катоде выравниваются, т.к. вследствие инерционности разряда конденсатора напряжение на катоде диода будет уменьшаться медленнее, чем на аноде. При фазе большей, чем оба диода будут закрыты: Д₁ – поскольку напряжение на его аноде меньше напряжения на катоде, а Д₂ - отрицательным напряжением на его аноде. В данных условиях происходит разряд конденсатора через сопротивление нагрузки с соответствующим уменьшением на нем напряжения. Разряд будет продолжаться до момента времени , когда после смены полярности подводимого напряжения , напряжение на конденсаторе станет равным положительному напряжению на аноде диода Д ₂. При напряжение на аноде этого диода будет больше напряжения на катоде, он переходит в открытое состояние, и через него конденсатор будет вновь заряжаться. Заряд конденсатора и увеличение на нем напряжения заканчивается при фазе , при которой, как и при фазе произойдет выравнивание напряжений на аноде и катоде, диода Д ₂.

Поскольку нагрузка R_H и конденсатор фильтра С_Ф включены параллельно, мгновенное значение нагрузки совпадает с соответствующим напряжением на конденсаторе. В связи с этим временная зависимость напряжения на конденсаторе, представленная на рис. 6.9 сплошной кривой, обозначена как . Как видно, происходит сглаживание выпрямленного напряжения в нагрузке по сравнению с тем, которое было в отсутствие фильтра.

Рисунок 6.10. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу

однофазного двухполупериодного выпрямителя

с емкостным фильтром

На рис. 6.10 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу выпрямителя с емкостным фильтром. Рис. 6.10,а показывает напряжение на входе трансформатора, на рис. 6.10,б – напряжение в нагрузке. В дополнение к построениям на рис. 6.9, на рис. 6.9,б проведена горизонтальная прямая, определяющая величину среднего выпрямленного напряжения (его постоянную составляющую). На рис. 6.9,в представлены временная зависимость тока в нагрузке, которая определяется законом Ома при известной зависимости , а также прямая, характеризующая величину среднего тока нагрузки .

С емкостным фильтром диоды выпрямителя находятся в открытом состоянии не в течение полупериода питающего напряжения, как в случае его отсутствия, а в течение меньшего времени. Это время соответствует, в частности, интервалу фаз для диода Д ₁ и - для диода Д ₂ . Через открытые диоды протекает ток заряда конденсатора , который имеет вид коротких импульсов, что отражено на рис. 6.10,г, д.

Одновременное пребывание обоих диодов в закрытом состоянии при использовании емкостного фильтра обуславливает увеличение интервала фаз, в котором диоды должны выдерживать обратное напряжение (см. рис. 6.10,е). Максимальное значение этого напряжения остается таким же, как и при отсутствии фильтра. Для диодов в составе схемы с нулевым отводом остается справедливым соотношение (6.6), а для диодов мостовой схемы – соотношение (6.9).

Представляется необходимым проанализировать изменение условий работы выпрямителей при изменении емкости конденсатора фильтра и сопротивления нагрузки, поскольку от значения этих параметров зависит величина постоянной переходного процесса, определяющего сглаживающие свойства емкостного фильтра.

При увеличении значений и время переходного процесса разряда конденсатора через сопротивление нагрузки увеличивается. В результате увеличивается мгновенное значение напряжения, подводимое к анодам диодов, при котором происходит их открытие, то есть минимальное значение напряжения нагрузки, при практически неизменном максимальном его значении. Следовательно, качество фильтрации повышается с увеличением емкости конденсатора и сопротивления нагрузки. Одновременно это приводит к увеличению среднего напряжения нагрузки . Кроме того, при увеличении значения постоянной переходного процесса происходит увеличение интервала фаз, в котором оба диода одновременно закрыты (см. рис. 6.9) и уменьшается время пребывания диодов в открытом состоянии.

При бесконечно большом значении постоянной переходного процесса , напряжение нагрузки становится неизменной величиной во времени и практически равной амплитуде напряжения, подводимого к анодам диодов, U₂. При этом в течение всего времени диоды будут находиться в закрытом состоянии, а ток в цепи выпрямителя не протекает.

С уменьшением длительности импульса тока, протекающего через диоды при емкостном фильтре, а так же с зависимостью этой длительности от емкости конденсатора фильтра и сопротивления нагрузки связано увеличение амплитудного значения токов диодов (при условии, что ). Как правило, амплитудные значения тока диодов в 3-8 раз превышают среднее значение тока нагрузки. Последнее является одним из факторов, ограничивающих применение емкостных фильтров по величинам выпрямленного тока и мощности.