Filtri di potenza

Vari dispositivi elettronici richiedono sorgenti di tensione per alimentare i dispositivi CC. Tensione di uscita raddrizzatori ha un aspetto pulsante. In esso è possibile selezionare la componente media o continua della tensione e la componente variabile che si chiama tensione di ripple o ripple della tensione di uscita.

Pertanto, il ripple determina la deviazione del valore istantaneo della tensione di uscita dalla media e può essere sia positivo che negativo. La tensione è caratterizzata da due fattori: frequenza e ampiezza delle onde. Nei raddrizzatori, la frequenza di ripple è uguale alla frequenza della tensione di ingresso (in un raddrizzatore a semionda) o doppia (in un raddrizzatore a onda intera).

In un raddrizzatore a semionda, viene utilizzata solo una semionda della tensione di ingresso per ottenere la tensione di uscita e la tensione di uscita è sotto forma di semionde unidirezionali, seguendo la frequenza della tensione di ingresso.

Nei raddrizzatori ad onda intera (sia a punto zero che a ponte), le semionde della tensione di uscita sono formate da ciascuna semionda della tensione di ingresso. Pertanto, la frequenza delle onde qui è doppia rispetto a quella frequenza di rete… Se la frequenza della corrente nella rete è 50 Hz, la frequenza delle onde nel raddrizzatore a semionda sarà la stessa e nel raddrizzatore a onda intera è 100 Hz.

L'ampiezza dell'ondulazione della tensione di uscita del raddrizzatore deve essere nota nell'ordine. determinare l'efficienza dei filtri installati all'uscita dei raddrizzatori che emettono la componente di media tensione. Tale ampiezza è solitamente caratterizzata dal fattore di ripple (Erms), definito come il rapporto tra il valore effettivo della componente variabile della tensione di uscita e il suo valore medio (Edc):

r = Erm /Edc

Minore è il fattore di ondulazione, maggiore è l'efficienza del filtro. Nella pratica viene spesso utilizzato anche il fattore di ondulazione espresso in percentuale:

(Erms/Edc)x100%.

I filtri passa-basso sono comunemente usati negli alimentatori. Questi filtri passano dall'ingresso all'uscita, quasi senza attenuazione o attenuazione, segnali le cui frequenze sono inferiori alla frequenza di taglio del filtro e tutte le frequenze più alte non vengono praticamente trasmesse all'uscita del filtro.

I filtri sono eseguibili resistori, induttori E condensatori… L'uso di filtri negli alimentatori ha lo scopo di appianare l'ondulazione della tensione di uscita del raddrizzatore e isolare la componente CC della tensione.

I filtri utilizzati nei dispositivi di alimentazione si dividono in due tipi principali:

• filtri con ingresso capacitivo,

• filtri di ingresso induttivi.

Vengono utilizzate diverse combinazioni dell'inclusione di elementi filtranti, che hanno nomi diversi (filtro a forma di U, filtro a forma di L, ecc.). Il tipo di filtro principale è determinato dall'elemento filtrante installato direttamente all'uscita del raddrizzatore.

Nella fig. 1a e 1b mostrano i principali tipi di filtri. Nel primo di questi, il condensatore del filtro è collegato all'uscita del raddrizzatore e devia il carico. Attraverso il condensatore del filtro, la parte principale del componente CA del raddrizzatore viene chiusa. Nel secondo, un'induttanza del filtro è collegata all'uscita del raddrizzatore, che forma un circuito in serie con il carico e impedisce eventuali variazioni di corrente in questo circuito in serie.

Riso. 1

Un filtro di ingresso capacitivo fornisce un livello di tensione di uscita più elevato rispetto a un filtro di ingresso induttivo e un filtro di ingresso induttivo riduce meglio il ripple di tensione. Pertanto, è consigliabile utilizzare un filtro di ingresso capacitivo quando è richiesta una tensione di alimentazione più elevata e un filtro di ingresso induttivo quando è richiesta una migliore qualità di uscita CC.

Filtro di ingresso capacitivo

Prima di considerare il funzionamento di filtri complessi, è necessario comprendere il funzionamento del filtro capacitivo più semplice mostrato in Fig. 2a. Tensione di uscita del raddrizzatore senza filtro sul displayyo di fig. 2b, e in presenza di un filtro - in fig. 2c. In assenza di un condensatore di filtro, la tensione in Rl ha carattere pulsante. Il valore medio di questa tensione è la tensione di uscita del raddrizzatore.

Riso. 2

In presenza di un condensatore di filtro, la parte principale della componente di corrente alternata della corrente viene chiusa attraverso il condensatore, bypassando il carico Rl... Con la comparsa della prima semionda della tensione di uscita il condensatore del filtro inizierà a caricarsi positivo al caso, la tensione su di esso cambierà in base alla tensione di uscita del raddrizzatore e alla fine della metà del semiciclo raggiungerà il suo valore massimo.

Inoltre, la tensione secondaria del trasformatore diminuisce e il condensatore inizia a scaricarsi attraverso R1, mantenendo la tensione e la corrente positive nel carico a un livello superiore a quello che sarebbe senza il filtro.

Prima che il condensatore possa scaricarsi completamente, si verifica una seconda semionda di tensione positiva, caricando nuovamente il condensatore al suo valore massimo. Non appena la tensione dell'avvolgimento secondario inizia a diminuire, il condensatore inizierà nuovamente a scaricarsi sul carico. In futuro, i cicli di carica e scarica del condensatore si alternano in ogni semiciclo,

La corrente di carica del condensatore scorre attraverso l'avvolgimento secondario del trasformatore e la coppia di diodi raddrizzatori corrispondenti a questo semiciclo, e la corrente di scarica del condensatore viene chiusa attraverso il carico Rl... La reattanza del condensatore al la frequenza di rete è piccola rispetto a Rl. Pertanto, la componente variabile della corrente scorre principalmente attraverso il condensatore di filtro e scorre praticamente attraverso Rl DC.

Filtro di ingresso induttivo

Si consideri un filtro di ingresso induttivo o un filtro LC a forma di L. La sua inclusione nel raddrizzatore e la forma d'onda della tensione di uscita sono mostrate nella Figura 3.

Riso. 3

Connessione seriale strozzatura del filtro (L) con carico inibisce le variazioni di corrente nel circuito. La tensione di uscita qui è inferiore rispetto a un filtro di ingresso capacitivo perché l'induttanza forma un collegamento in serie con un'impedenza formata dal collegamento in parallelo del carico e del condensatore del filtro. Tale collegamento porta ad un buon livellamento dell'onda di tensione agente all'ingresso del filtro, migliorando la qualità della tensione costante di uscita, anche se ne riduce il valore.

La componente CA della tensione di uscita del raddrizzatore è quasi completamente isolata dall'induttanza dell'induttanza e la componente centrale è la tensione di uscita dell'alimentazione. La presenza di un'induttanza porta al fatto che la durata dello stato di conduzione dei diodi raddrizzatori qui, a differenza del raddrizzatore con filtro capacitivo, è pari alla metà del periodo.

La reattanza di induttanza (L) riduce il valore della tensione di ripple perché impedisce alla corrente di induttanza di aumentare quando la tensione di uscita del raddrizzatore è maggiore della tensione di carico, e impedisce anche alla corrente di diminuire se la tensione di uscita del raddrizzatore è inferiore rispetto al valore medio Pertanto, la corrente nel carico durante il periodo di funzionamento è praticamente costante e la tensione delle onde non dipende dalla corrente di carico.

Filtro induttivo-capacitivo a più sezioni

La qualità del filtraggio della tensione di uscita può essere migliorata collegando più filtri in serie. Nella fig. 4 mostra un filtro LC a due stadi e mostra approssimativamente le forme d'onda di tensione in diversi punti del filtro rispetto a un punto comune.

Riso. 4

Sebbene qui siano mostrati due filtri LC collegati in serie, il numero di collegamenti può essere aumentato. L'aumento del numero di connessioni porta a una diminuzione del ripple (e i filtri con molte connessioni vengono utilizzati proprio quando è necessario ottenere un ripple minimo nella tensione di uscita), ma ciò riduce la stabilità degli stabilizzatori con tali filtri. Inoltre, un aumento del numero di connessioni porta ad un aumento della resistenza collegata in serie all'alimentazione, che porta ad un aumento delle variazioni della tensione di uscita con una variazione della corrente di carico.

Filtro a forma di U

Nella fig. 5 mostra un filtro a forma di U, così chiamato perché la sua rappresentazione grafica ricorda la lettera P. Si tratta di una combinazione di filtri LC capacitivi ea forma di L.

Riso. 5

Un resistore R, collegato all'uscita del filtro, è quasi sempre presente negli alimentatori ed è opzionale resistenza al carico… Il suo scopo è duplice.

In primo luogo, fornisce un percorso di scarica per i condensatori quando la tensione di rete viene interrotta e quindi impedisce la possibilità di scosse elettriche al personale di servizio.

In secondo luogo, fornisce un carico aggiuntivo sull'alimentatore anche quando il carico esterno è disattivato, stabilizzando così il livello della tensione di uscita. Questo resistore può essere utilizzato anche come elemento partitore di tensione resistivo per ulteriori uscite.

Il filtro a forma di U è un filtro con un ingresso condensatore integrato da una connessione a forma di L.L'azione di filtraggio principale viene eseguita dal condensatore C1, che viene caricato attraverso i diodi conduttori e scaricato attraverso L e R... Come con un filtro convenzionale con un ingresso capacitivo, il tempo di carica del condensatore è significativamente più breve del tempo di scarica .

Choke L attenua le increspature della corrente che scorre attraverso il condensatore C2, fornendo un ulteriore filtraggio. La tensione ai capi del condensatore C2 è la tensione di uscita. Sebbene il suo valore sia leggermente inferiore rispetto all'alimentazione con un filtro capacitivo convenzionale, l'ondulazione della tensione di uscita è notevolmente ridotta.

Anche supponendo che il condensatore C1 sia caricato attraverso i diodi conduttori del raddrizzatore al valore dell'ampiezza della tensione CA in ingresso e quindi scaricato attraverso R, la tensione del condensatore C2 sarà inferiore a quella di C1, perché il la bobina L, che impedisce qualsiasi variazione della corrente di carico, si trova nel circuito di scarica del condensatore C1 e forma, insieme a C2 e R, un partitore di tensione.

La corrente di carica dei condensatori C1 e C2 passa attraverso l'avvolgimento secondario del trasformatore e i diodi conduttori del raddrizzatore. Inoltre, quando C2 viene caricato, questa corrente scorre attraverso l'induttanza L... Il condensatore C1 si scarica attraverso L e R collegati in serie e C2 si scarica solo attraverso la resistenza R. La velocità di scarica del condensatore di ingresso C1 dipende dal valore della resistenza R.

La costante di tempo di scarica dei condensatori è direttamente proporzionale al valore R... Se è alto, allora i condensatori si scaricano un po' e la tensione di uscita è alta.A valori inferiori di R, la velocità di scarica aumenta e la tensione di uscita diminuisce, poiché diminuire R significa aumentare la corrente di scarica del condensatore. Pertanto, minore è la costante di tempo di scarica del condensatore, minore è il valore medio della tensione di uscita.

Filtro C-RC a forma di U

A differenza del filtro appena discusso nel filtro C-RB C a forma di U, un resistore R è collegato tra i due condensatori invece di un'induttanza.1 come mostrato in Fig. 6.

Le differenze principali e le prestazioni del filtro sono determinate dalla diversa risposta dell'induttanza e dalla resistenza CA. Nel caso precedente, le reattanze dell'induttore L e del condensatore C2 sono tali che il partitore di tensione da essi formato fornisce un livellamento relativamente migliore della tensione di uscita.

Nella fig. 6, entrambe le componenti di corrente continua e alternata della corrente raddrizzata attraverso R1. A causa della caduta di tensione attraverso R1 dal componente CC, la tensione di uscita diminuisce e maggiore è la corrente, maggiore è questa caduta di tensione. Pertanto, il filtro C-RC può essere utilizzato solo con basse correnti di carico. Come nel caso dei filtri induttivo-capacitivi, è possibile utilizzare una connessione multilivello dei circuiti del filtro.

Riso. 6

La scelta dei filtri in ogni caso non è un problema facile, ma in ogni caso è necessario comprenderne lo scopo ei principi di funzionamento in quanto determinano in gran parte il corretto funzionamento degli alimentatori.